基于中药材烘干技术的太阳能—热泵联合恒温控制系统设计

吕洪善，杨清志

(亳州职业技术学院，安徽 亳州，236800)

0 引 言

为了保证药效，药品的加工与存储对环境温度湿度等要求较高，而中药材品种多样性状各异，对加工环境要求更高[1].药农收采鲜活中药材后的前期烘干主要采用晾晒辅以火烘，而晾晒和火烘温度不易控制容易影响药材品质且容易受到污染.药厂对中药材的后期烘干一般采用电烘和暖烘，虽然能在一定程度上解决这两个问题，但需要消耗较多能源效率不高.为了节约能源和绿色环保，目前已有很多国内外学者研究太阳能与热泵联合温度控制技术[2]，但对技术要求较高，应用范围有限.

比较各种中药材烘干技术并查阅相关资料，本文提出一种利用单片机控制的基于中药材烘干技术的太阳能—热泵联合恒温控制系统，与普通烘干技术相比节能高效且温度容易调节与控制，使用方便能满足不同种类中药材的烘干要求.

1 方案设计与工作原理

本系统设计所用设备主要包括太阳能集热系统、热泵机组和烘热室等，如图1所示.通过温度传感器判断太阳能集热器所供热量是否够用，如果够用就只用太阳能集热器供热而关闭热泵机组以达到节能的目的，如果太阳能集热器供热不足则立即启动热泵机组联合给烘干室连续供热，当太阳能集热器供热严重不足时则关闭太阳能集热器.针对不同中药材所需要的不同烘干温度和烘干速度，可通过给单片机的程序设定，来驱动热泵和压缩机等工作频率来实现.

图1 方案设计与工作原理图

2 主要硬件选择

2.1 烘干室

为了便于应用与推广，本系统设计的烘干室没有特殊要求，采用5000 mm×3300 mm×2000 mm的尺寸(相当于一间普通房屋大小但不宜太高，以减少非工作空间)，四周做好保温防护尽量减少供热损失.烘干室内放置两台物料车(可用加宽货柜代替)用于摆放中药材，采用网状隔板以方便气流通过，提高烘干速度，高效节能.隔板间高度可以根据不同中药材尺寸要求加以调节，物料车(或货柜)间留有必要的通道便于工作人员走动和搬运药材.

对于烘干室的供热量和烘干时间因不同中药材和季节变化而不同，一般叶草类中药烘干较快而果实类较慢，设计按排湿量2 kg/h来计算，气候取春秋季节均值，典型气候参数如下：

温度T/(℃)相对湿度Φ/(%)含湿量d/(kg/kg)焓值H/(kJ/kg)冷空气(烘干室进气)15450.0047027.02热空气(进气加热后)6530.0046077.70尾气(干燥后排气)45450.02644113.73

根据供热量公式[3]：

(1)

式(1)中：QJ—烘干室需要的供热量(kJ/h)；m—烘干室排湿量，按上文设计值取m=2 kg/h；H2—热空气焓值；H1—冷空气焓值；d3—尾气含湿量；d2—热空气含湿量，各物理量取值见上表.将各数值代入(1)式计算得：QJ=4641 kJ/h.

2.2 太阳能集热系统

目前太阳能集热器主要有平板式、真空管式、热管式、U型管式等四种[4].其中平板式太阳能集热器具有安装、维护方便，安全可靠使用寿命长等优点，但成本略高，不保温.本系统采用水质储热保温要求不高，且因为研究需要要对系统不断优化调试，因此采用了平板式太阳能集热器.真空管式太阳能集热器热效高成本低保温效果好，但不承压安装繁琐，且易碎不安全，如果没有试验调试要求且烘干系统建成后一定时间内不再变动，也可以考虑采用真空管式太阳能集热器.

根据太阳能集热器采光面积公式[5]：

(2)

式(2)中：r—热损失系数，取r=1.6；QJ—集热器每小时供热量，按式(1)计算QJ=4641 kJ/h；I—太阳辐射量，亳州地区的太阳辐射量约为2174 kJ/(m2·h)；η—集热器效率，取η=0.45.将各数值代入(2)式计算得太阳能集热器采光面积：S=7.59 m2，取S=8 m2，即4块集热板(每块标准太阳能集热板为2 m2).

2.3 热泵机组

本系统采用太阳能与热泵联合供热，通过温度传感器读取太阳能集热器进出口温度和温差来自动判断、切换供热模式.为了便于自动调节供热量，热泵采用变频热泵.根据热泵制热公式[6]：

(3)

式(3)中：k1—安全系数，数值为1.05～1.10，此处取k1=1.07；T为热泵工作时间，一般取12～20 h，此处取T=15 h；Qd为热泵单位时间耗热量(W)，本设计中，Qd=4641×103/3600=1289(W).将各数据代入(3)式计算得：Qg=2207 W，考虑到热泵要留一定的裕量取功率为3 kW的变频空气热泵.

2.4 供热水箱

系统设计采用纯净水作为工作物质.水具有较大的热容量，储热效果好热损小，热水流经烘干室的散热片通过供热风机实现供热.根据太阳能集热器储热水箱容积计算公式[7]：

V=qr jdAj

(4)

式(4)中：qrjd—太阳能集热器单位面积日产热水量(L)，与集热器性能和供热方式等因素有关，对于间接供热系统qrjd范围一般在30～70；S—集热器面积，按(1)式计算取S=8 m2，将数值代入(4)式计算得V范围为(240～560)L.

对于热泵系统，储热水箱容积应满足下式：

(5)

式(5)中：k2—安全系数，数值为1.05～1.10，此处取k2=1.08；C—水的比热容，C=4.18 kJ/(kg·℃)；ρ—水的密度，ρ=1000 kg/m3；tmax—水箱出口温度；tmin—水箱入口温度.中药材烘干温度一般为60℃，最高80℃.考虑到散热，热水应比烘干室高5℃，则tmax=(80+5)℃=85℃，tmin=45℃；QJ—系统总供热量，按(1)式说明，QJ=4641 kJ/h=1289 W；T按(3)式说明取15 h，各数值代入(5)式计算得V=0.450 m3=450 L，综合(4)、(5)两式计算结果，并考虑到夏天太阳能的集热效果及安全因素等，设计水箱容积为V=580 L，储水量随气候条件在450～560 L之间可调.

3 自动监控主程序设计

3.1 自动监控系统设计

如图2所示，本方案采用技术简单容易实现的单片机控制系统，通过温度传感器、水位传感器及流量传感器等实时监测系统各设备的工作状态，并将监测结果通过显示器显示，单片机根据程序设定要求与所监测数据比较，来驱动调节控制电路，自动控制相关设备工作，一旦工作情况异常并立即启动声光报警以保证系统的可靠性.

图2 自动监控系统设计

3.2 系统主要工作流程

为实现图2设计目的，系统主要工作流程如下：

(1)系统初始化，按设计要求读取程序设定参数开始工作.程序默认烘干温度60 ℃，烘干速度2 kg/h(即排湿量，可通过风机调整)；

(2)通过水位传感器进行水位检测，如果水位低于下限则驱动电磁阀开启阀门加水，直到水位达到设定值关闭电磁阀(水箱储水量可调，系统默认为450 L，最低限为设定容积95%，即427.5 L；

(3)通过温度传感器检测太阳能集热器出口端与水箱温差以判断是否开启/关闭太阳能温差循环泵，采用太阳能集热器供热.系统默认温差高于8 ℃启动太阳能温差循环泵，低于3 ℃则关闭；

(4)通过温度传感器和流量传感器等监测热水温度、流量以及烘干房温度，根据温差来调整变频压缩机工作状态以确保烘干室的恒温；

(5)如果工作正常，系统会默认返回继续循环工作，此时输入键盘、显示器、报警器均处于休眠状态以达节能目的.如果数据异常则立即启动声光报警，直到故障排除；如果需要修改参数或结束系统工作，可唤醒键盘输入相应指令或参数.

3.3 系统主程序设计

根据以上流程设计的主程序如图3所示.

图3 系统主程序

4 小 结

本设计采用单片机作为控制系统，技术简单方便应用，通过实际使用和测试，也验证了系统的可靠性.采用太阳能联合热泵供热相比于传统的电烘、暖烘等更节能环保，前景广阔.另外，MSP430是一款低功耗的高速单片机，功能强大且预留了多个接口以便功能拓展等后续研究，对于相关领域的节能研究与自动化设计具有重要参考价值.