中低温热源干燥系统的设计及试验*

陆振能，刘雨兵，姚 远，曲 勇，王海祥，龚宇烈†

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4.中国科学院大学，北京 100049；5.烟台欧森纳地源空调有限公司，山东 烟台 831870）

0 引 言

我国是工农业生产大国，工农业生产过程的干燥环节需要消耗大量的能源。目前电能或燃煤锅炉的干燥方式，不仅耗能巨大，还会造成环境污染。充分利用中低品位的热能对工农业产品进行干燥是实现节能减排的重要途径。由于中低温余热热能温度低，为达到工农业产品的干燥效果，保持热源在干燥房内具有较高的热能利用效率尤其关键[1-2]。

变温湿度控制的热风干燥技术是近年来研究的热点。该技术具有干燥装载量大、操作简单、物料升温速度快、可利用水蒸气蒸发的焓值从而降低能耗等优点[3-5]。堵劲松等[6]实验考查了湿度对白肋烟处理质量的影响时指出，针对不同质量特点的白肋烟采用相应的温湿度控制方法可以提高白肋烟的处理质量。王庆惠等[7]对比四种不同的分段式变温变湿干燥工艺，结果表明阶段降湿的干燥工艺能有效减少圣女果营养成分的损失和色泽变化，并缩短干燥时间。巨浩羽等[8-10]在胡萝卜热风干燥研究中发现，基于物料温度的自适应控湿方式干燥后的胡萝卜相比于前期相对湿度50%、后期相对湿度20%两个阶段的控制方式能耗降低了 7%。吴中华等[11]的研究表明，枸杞变温干燥工艺40℃（6 h）—50℃（6 h）—60℃下，干燥时间仅为18 h，干枸杞色泽良好，多糖含量高且复水率高。

阶段控制温湿度干燥工艺可在较高干燥效率下获得品质好的干燥对象，但是在不同热源、干燥对象和外部环境等条件下，各阶段的干燥温度和相对湿度的设定和保持时间并没有具体的理论依据，最优控制工艺的获取需进行大量的试验尝试或者人工经验。本文根据前期的实验，将分段干燥分为四段，着重分析以中低温地热水为加热热源，直接通过换热器加热干燥房内循环热风的条件下，干燥系统的干燥效果和能耗情况，为实际生产应用过程提供技术依据。

1 结构设计与技术原理

1.1 整体结构

干燥系统的总体结构如图1所示，由加热系统、排湿换气系统、温湿度控制系统和干燥室组成。干燥室包括2间有效容积为30 m3的小干燥室，干燥室内布置3排物料架，每排3个物料架，每个物料架有13层，层与层之间的间距可调节。风机和加热盘管安装在垂直悬吊于窑顶的铝隔风墙上。在隔风墙下水平安装的波纹状导风板，与加热盘管相接，把风机与物料分隔开，风机扇动的气流经过加热盘管和物料层返回风机另一侧。加热系统以水为载热介质，热源可采用中低品位的地热能、工业余热等，当采用不稳定的太阳能为热源时需加有储热设备，或与其他稳定的能源联合使用。当与热泵联合使用时，可降低热水的排放温度。

图1 干燥系统整体结构示意图：（a）正视图（B-B剖面）；（b）侧视图（A-A剖面）Fig.1 Schematic diagram of the drying system

1.2 加热系统

加热系统如图2，由 4台（每间）散热总面积为32 m2的加热盘管组成。加热盘管安装于循环风机的两侧，两侧的加热盘管可同时工作，也可根据风机的旋转方向及设定的温度参数独立工作，以达到最佳节能效果，每间干燥房顶部安装3台额定风量为12 000 m3/h的轴流风机作强制循环通风，保证干燥房内空气以0.5 ～ 2 m/s速度流过载车每层间隙和加热盘管翅片间，传递热量，促使干燥房内各处环境温度湿度均匀，干燥速度一致。风机的定时换向减少物料进气侧与出气侧温湿度的不均匀性。三通电动调节阀可控制进入加热盘管的热水流量。

图2 热水加热系统图Fig.2 Heating system diagram of the drying system

1.3 排湿换气系统

排湿换气系统设在干燥室顶部，每单元由一组不锈钢换气管组成。每个管口装有蝶阀，6只蝶阀由连动杆连接，同时动作，构成一套换气门。6条风管的特定结构保证了进气和排气的合理布局。风机转动方向改变时，换气流的方向也随之改变。换气门由一套伺服机构驱动，由控制系统控制其开启度，从而控制排湿量的大小，以调整干燥房内的湿度环境。

1.4 温湿度控制系统

温湿度控制系统采用了两级微处理器结构。

第一级微处理器位于执行机构控制柜中，其功能是监测各种设备状态，包括三通流量阀及电动换气门的位置（开启度）和可逆循环风机的运行状态（包括方向、风速），将监测所得的设备状态实时地送到系统前端机，并且根据前端机的命令，使系统各执行机构，即三通电磁流量阀、电动换气门和可逆循环风机始终处于正确的位置或状态。

第二级微处理器位于系统前端机中，其功能是控制相应的电路，对传感器送来的反映干燥室内干燥产品环境参数（干燥房内温度、湿度、风速等）的信号进行放大、修正和模糊化处理，依据系统主机设定的工艺对干燥过程的环境参数和设备状态等进行模糊逻辑处理进而实现模糊决策，通过执行机构控制柜对各执行机构实施调节，保证在整个干燥过程中都有一个适当的环境。控制流程如图3所示。

图3 控制流程示意图Fig.3 Schematic diagram of the control system

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

试验干燥原料为新鲜杏鲍菇样品，经过去根、清洗、切片预处理。

2.2 测试仪器和方法

温度和湿度测定分别采用DS18B20型温度变送器（天津鼎拓科技有限公司）和WSB005型湿度变送器（武汉仪器仪表研究所）；风速测定采用EE65-VB5型风速仪（深圳市现代豪方仪器仪表科技有限公司）；流量测定采用LWGY-80C05SSNN型流量传感器（天津鼎拓科技有限公司）；样品称量采用 ACS-15型电子秤（广州市中兴电子衡器厂）干燥速率及干燥品质的监测采取人工称重及肉眼观察的方法，即定时取固定样本进行重量分析，并用肉眼观测其干燥品质。干燥系统的能耗用能耗因子η表示，为蒸发单位质量的水分需要消耗的能量，定义如下

式中：ΔE—每个阶段的能耗，kJ；ΔM—每个阶段物料水分蒸发量，kg。各个阶段的能耗按下式进行计算

式中：τ1、τ2—每个阶段的起止时间，h；源水在τ时刻的质量流量，kg/h；C—热源水的比热，kJ/(kg·K)；t1、t2—热源水进出口温度。

干基含水率Mτ（moisture content on dry basis）计算采用下式：

式中：Wτ—杏鲍菇在任意干燥τ时刻的总质量，kg；G—杏鲍菇干物质质量，kg。

干燥速率（drying rate, DR）的计算采用如下公式：

式中：DR为干燥过程中时间在τ1和τ2之间的杏鲍菇干燥速率，kg/(kg·h)；Mτ1和Mτ2分别为干燥过程中时间为τ1和τ2时杏鲍菇的干基含水率，kg/kg。

2.3 干燥测试运行条件

试验用的热源为温度66℃、流量33 m3/h的地热水。结合前期的预试验，以图4的参数分四阶段进行验证试验。本次试验新鲜杏鲍菇总质量1 186 kg，干燥房内布置3排物料架，每排3个物料架，每个物料架有13层，将新鲜杏鲍菇均匀置于每层物料架上。为便于操作，取其中的10 kg作为样品进行称量，样品和其他杏鲍菇一同放在干燥窑中干燥。

图4 干燥新鲜杏鲍菇的工艺流程Fig.4 Technological process of pleurotus eryngii drying

3 结果与讨论

3.1 温度

图5为干燥房顶部、中部和下部温度随时间变化曲线。

图5 不同位置的温度随时间变化曲线Fig.5 The changing curves of temperature with drying time

由图可见中部温度始终最高，顶部始终温度最低而底部温度介于二者之间，此种温度趋势在阶段1和阶段2尤其明显，阶段3后期该趋势逐渐降低，阶段4三者温度趋于一致。与设定温度相比，阶段1和阶段2的偏离量较大，阶段3次之，阶段4最小。产生这种现象的原因在于在阶段1和阶段2，干燥热风的相对湿度大，焓值也大，排湿时带走的能量大，因而造成温度的波动和偏离。因此，在控制精度的设计上应首先能保证排湿对热风焓值影响最大的干燥段精度。

3.2 气流流速

气流流速是干燥系统另一个需要考虑的重要因素，风速大则热风与物料的对流换热系数大，利于热风与物料间的传热，而各个位置的气流流速均匀，则保证物料干燥品质的一致性，降低干燥能耗。图6为某典型风机正反转周期流速分布曲线，风机的正转和反转造成风速出现正负值。由图可见热风的风速在0.5 ～ 1 m/s之间，满足干燥系统的设计要求。中部风速高于顶部，流速分布不一致是造成温度分布不均的重要因素之一。设计时应对顶部温度场进行优化，如增大物料架之间的空间，增加导流板等。

图6 不同位置气流速度随时间变化曲线Fig.6 The changing curves of air velocity with drying time

3.3 干燥速率和能耗

图7为物料干基含水率随时间变化曲线，由图可见随着干燥时间的增加，物料干基含水率呈递减的趋势，当干燥时间达到24 h时物料质量几乎不再变化。对比图8来看，阶段3物料质量随时间变化率最大，即干燥速率最大，阶段1最小，整个干燥过程的平均干燥速率为0.122 kg/(kg·h)。阶段1的能耗因子最高，每蒸发单位质量的水需要消耗749 kJ的热量，作为开始阶段的阶段1干燥的杏鲍菇水分含量大，水的蒸发量也大，相对湿度容易达到设定值，系统排湿带走大量的焓值大的湿空气，因而需要补充大量的热量，造成能耗的增加。阶段2的能耗因子高于阶段3和阶段4，原因与阶段1相同。而阶段4的能耗因子高于阶段3是由于干燥后期物料含水量较低，水分子与物料之间的吸引力增大，使水分子脱附需要消耗更多的能量。整个干燥过程中的总体能耗因子为391.2 kJ/kg。

图7 含水率随时间变化曲线Fig.7 The changing curve of moisture content with drying time

图8 干燥系统四个阶段的单位能耗Fig.8 Unit energy consumption of different drying stages

4 结 论

（1）为充分利用中低品位热能减少干燥过程电能等高品位能源的消耗，设计了一种可控温湿度的中低温热源干燥系统，可以地热能和工业余热等中低温热能作为热源，干燥系统由加热系统、排湿换气系统、温湿度控制系统和干燥室组成，控制系统可根据干燥室内温度和湿度的变化调节三通电磁阀和电动换气门的开度，实现对干燥系统温湿度控制；

（2）干燥系统温度分布较均匀，气流流速分布对温度分布的影响较大，系统在整个干燥过程中的平均干燥速率为 0.122 kg/(kg·h)，总体能耗因子为391.2 kJ/kg；

（3）不同阶段物料水分的蒸发差别很大，因此阶段温度的设计既要考虑产品工艺的要求，又要考虑湿度设定对能耗和温度控制的影响。