基于热风-太阳能-中短波红外的菌类多能干燥装备设计与试验

翁小祥，奚小波，史扬杰，单 翔，刘 静，张瑞宏

（扬州大学机械工程学院/江苏省现代农机农艺融合技术工程中心，江苏 扬州 225127）

近年来我国食用菌产业发展迅速，年产量占全球70%以上[1-2]。干燥是食用菌产后加工重要环节之一，可降低食用菌含水率，抑制微生物生长繁殖和生物酶活性，有利于贮藏[3-5]。目前我国食用菌干燥主要以自然晾干和人工干制为主[6-7]，机械化程度较低，无论是干燥效率还是干燥品质均有很大提升空间。

近年学界对食用菌干燥技术开展大量研究。Politowicz 等对香菇干燥成品挥发性成分和感官特征进行综合评分，研究不同干燥方式对香菇的影响，证明真空冷冻干燥是干燥香菇最佳方式[8]。Yang 等研究发现热风干燥通过增加木质素含量促进香菇木质化，影响香菇营养和食用性[9]。Liu 等对比热风干燥、真空冷冻干燥和热泵除湿干燥对香菇感官品质影响，发现热泵除湿干燥在干燥质量和干燥能耗方面均优于热风干燥和真空冷冻干燥[10]。Luo 等研究热风干燥、真空冷冻干燥和脉冲空气冲击射流干燥对香菇干燥品质影响，发现脉冲空气冲击射流干燥可显著改善香菇干燥质量，是一种具有良好发展前景的干燥方式[11]。Xu 等研究4种不同预干燥温度对香菇干燥的影响，高温预干燥有利于提高香菇干燥品质[12]。

在干燥设备方面，Şevik 等设计一种简单且具有成本效益的带有平板集热器和水源热泵的太阳能辅助热泵系统，并开发控制程序，太阳能系统和热泵系统可分开或合并[13]。Chua 等利用数值计算方法研究两极蒸发热风式干燥法，搭建试验平台，结果表明热回收率比单蒸发器提高35%[14]。Hao等设计一种热泵辅助太阳能干燥系统用于香菇干燥，具有太阳能干燥、热泵干燥、热泵辅助太阳能干燥3种运行模式，可根据太阳能辐射强度灵活调整，充分利用太阳能，达到最佳节能效果[15]。Srinivas 等采用多元线性回归和人工神经网络模型，在微波辅助流态化干燥机中对肉豆蔻干燥机理进行优化，该干燥技术克服微波加热不均匀和流化床干燥过程耗时等问题[16]。Asnaz 等研究3 种太阳能干燥机（自然对流干燥机、强制对流干燥机和热泵一体式干燥机）干燥性能，平均热效率分别为59.74%、67.66%和77.45%[17]。

目前，国内外食用菌新型干燥装备处理量小，制造成本高，大部分处于实验室阶段，鲜见3种能量的多能干燥研究，本文设计一种热风-太阳能-中短波红外多能干燥装备，以生物质能为主，联合太阳能和中短波红外能，利用PLC 控制干燥过程中温湿度，完成干燥作业，旨在降低设备成本，达到节能提质目的。

1 材料与方法

1.1 多能干燥装备设计

1.1.1 多能干燥装备总体结构

图1为多能干燥装备结构示意图，分为干燥室和加热室，主体框架为钢结构，中间填充岩棉保温板，起到保温作用。红外线灯管装在干燥室背面，干燥室顶面和正面覆盖真空玻璃，阳光透过真空玻璃照射到干燥室内，加热室内空气，由于真空玻璃内真空区域和玻璃涂层作用，可大幅降低传热系数，发挥集热保温作用[18-20]，太阳能拓展集热板和防雨布可通过电机转动移动。

图1 多能干燥装备总体结构Fig.1 General structure of the multi-energy drying equipment

加热室内装有生物质加热炉，生物质颗粒是一种可再生新型清洁燃料，发热量大，污染小[21-22]，作为食用菌干燥主要能源，燃料电机带动螺旋叶片转动将料斗内生物质燃料送入燃烧炉中，炉膛鼓风排烟风机将外部空气从进气口抽入燃烧炉中助燃，再经散热器将热空气中热量散发，最后通过烟囱排出。

多能干燥装备装有3台循环风机，其中1号和2 号循环风机将加热室内热空气输送到干燥室，3号循环风机通过进气管道将干燥室底部低温空气抽出，再通过出气管道送到加热室内加热，形成循环。排湿风机1号和2号将干燥装备内湿空气排出，同时进气风机1号和2号开启，将外部空气送入干燥装备内，保持气压平衡。

多能干燥装备配有多传感器，温湿度传感器探头放在干燥室内，热电偶传感器探头放在生物质燃烧炉出气口，光照传感器光感球正对南方，传感器信号线接到电控箱，电控箱内放置空气开关、PLC控制器、模拟量输入扩展模块，中间继电器、交流接触器等元件。

1.1.2 多能干燥装备控制系统

多能干燥装备控制系统由硬件和软件组成。硬件主要由控制模块、执行模块和传感器模块组成，外加空气开关等保护元件。控制模块使用西门子PLC 控制器，包括CPU、模拟量扩展模块、触摸屏；执行模块主要为继电器和接触器；传感器模块由温湿度传感器、热电偶传感器和光照度传感器组成。

控制系统硬件组成如图2所示，控制系统操作界面如图3所示。

图2 多能干燥装备控制系统硬件Fig.2 Hardware of the multi-energy drying equipment control system

图3 多能干燥装备控制系统操作界面Fig.3 Operation interface of the multi-energy drying equipment control system

多能干燥装备控制系统软件部分，利用模糊算法控制温度，采用分程变温干燥工艺，将干燥过程分为4 个干燥小阶段和中短波红外干燥阶段，每个阶段可单独设置干燥温湿度和干燥时间。如表1所示，温湿度和时间参数为干燥前各干燥小阶段干燥参数，各阶段温度变化基于均匀变化原则，以第一阶段为例：温度区间T1～T2，持续时间t1，则每小时温度增加（T2-T1）/t1。在干燥作业之前，用户根据需要干燥的食用菌对应干燥工艺，在触摸屏上设置4个阶段干燥温度、干燥湿度和持续时间，参数设置完成后，启动程序，自动完成整个干燥作业。针对中短波红外干燥，用户可在触摸屏上选择是否启用中短波红外干燥，如启用，在触摸屏上设置中短波红外干燥启用时间t5和持续时间t6，即时间t5后开启红外灯，持续时间达到t6关闭红外灯，如不启用，直接跳过中短波红外干燥程序。

表1 多能干燥装备温湿度控制Table 1 Temperature and humidity control of the multi-energy drying equipment

1.1.3 工作原理

多能干燥装备进行干燥作业时，将生物质燃烧炉点燃，在触摸屏上输入干燥参数，启动程序，工作过程如下：程序初始化，循环风机启动，太阳能拓展集热板和防雨布移动到指定位置，阳光照射到干燥室内，温湿度传感器将干燥室内温湿度数据传送到PLC 控制器内，与设定温湿度数据进行比较。如实际温度低于设定温度，控制器发出控制指令启动燃料电机和炉膛鼓风排烟机，向燃烧炉内加入生物质燃料，同时带动空气进入燃烧炉助燃，循环风机将加热室内热空气送入干燥室，直到干燥室温度达到设定温度，燃料电机和炉膛鼓风机关闭；如干燥室内湿度高于设定湿度，控制器发出指令启动排湿风机和进气风机排湿，至干燥室内湿度小于设定值，排湿风机和进气风机关闭，实现干燥过程中温湿度的自动控制。

1.2 CFD建模与仿真

为分析干燥室内流场分布情况，利用Fluent软件对干燥室流场进行数值模拟，采用标准k-ε方程求解，计算干燥室内空气流动温度场和速度场，分析干燥室内温度与风速均匀性，基于此提出优化方案，优化内部结构。将干燥室三维模型简化，以干燥室长度方向为X 轴，宽度方向为Z 轴，高度方向为Y轴，建立如图4所示物理模型，采用Fluent 自带Mesh 模块进行网格划分，划分非结构网格892万个（见图5）。

图4 干燥室物理模型Fig.4 Physical model of drying room

图5 干燥室网格图Fig.5 Meshes of drying room

本文采用标准k-ε方程求解，假设干燥室中气体为不可压缩流体，且气体湍流黏度为各向同性。湍流黏度系数可用式（1）表示：

式中μ为湍流黏度；Cμ为常数；ρ为流体密度，kg·m-3；k为湍流动能；ε为耗散率。式中耗散率以及湍流动能可由式（2）与（3）表示：

式中，Sk和Sε是自定义源项；Gk为速度引起的湍流动能；Gb为浮力引起的湍流动能；YM为可压缩湍流中压缩膨胀项；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε均为经验常数，其值分别为1.44，1.92，0.09，1.0，1.3[23]。

本文对模型作如下假设：①干燥箱体内气体视为理想气体，模拟气流温度、气流速度之间关系；②在仿真模拟过程中干燥室内温度场基本保持恒定；③忽略箱体壁面气体泄漏，即认为箱体全封闭；④干燥室内气流比热容、导热系数等均采用平均温度下物性参数。空气密度ρ=1.225 kg·m-3，比热CP=1.00643 kJ/(kg·K)，导热系数λ=0.0242 W/(m·K)。计算边界条件设置如下：①入口边界采用速度入口，设定热风温度和风速；②出口设为（Pressure-outlet）边界条件，干燥室空间内设为流体（Fluid）区域。将模型导入fluent 进行计算，设置进风速度为2 m·s-1，温度50 ℃。

1.3 干燥试验

1.3.1 干燥效果试验

试验分为两组，每组干燥香菇200 kg，从同一农贸市场购入，分别在环境温度和湿度相近的两天开展试验。第一组收起太阳能拓展集热板和防雨布，从7：00 开始，全程采用生物质燃料进行AD；第二组在白天光照良好条件下，打开太阳能拓展集热板和防雨布，从7：00 开始进行ASID。干燥时，每组选取3个外形良好香菇，放置在干燥装备正中间同一位置，每隔1 h记录香菇尺寸和质量情况，干燥结束后利用水分测试仪测量干香菇含水率并记录干燥过程消耗的生物质燃料质量。

每组样品在进行干燥试验前，利用水分测量仪测得3 个新鲜香菇（随机选取）含水率，AD 样品含水率为82.69%、83.42%和82.37%，平均值82.83%。ASID 样品含水率为83.23%，81.53%和82.56%，平均值82.44%。其中AD耗时14 h，设置参数见表2，ASID 耗时12 h，设置参数见表3，并在干燥开始8 h后启用中短波红外干燥，持续4 h。

表2 AD试验参数Table 2 Setting parameters of the AD experiment

表3 ASID试验参数Table 3 Setting parameters of the ASID experiment

干燥速率为评价干燥过程重要参数，定义为物料干基湿含量随时间变化率，由下式计算。

式中，X为干基湿含量，即物料中水分质量与物料中干物质量之比。

1.3.2 干燥能耗试验

两组干燥试验结束后，记录所用生物质燃料颗粒质量。干燥作业消耗总能量Q为：

式中，Q1为蒸发物料水分所需热量，物料自身升温消耗热量Q2，干燥过程中热损失热量Q3，Q4为生物质燃料燃烧提供热量，Q5为中短波红外灯提供热量，Q6为太阳能提供热量。

式 中，M1为 水 分 蒸 发 量（kg）；Δt为 温差，℃；CP为水的比热容，kJ·kg-1·℃-1；r为水的汽化潜热（kJ·kg-1）。

式中，M2为物料质量（kg）；Cq为物料比热容，kJ·kg-1·℃-1；Δt为温差（℃）。

式中，M3为消耗生物质燃料质量（kg）；q为生物质燃料热值（kJ·kg-1）。

式中，P1为中短波红外灯总功率，W；t为工作时间（s）。

式中，S为真空玻璃集热面积，m2；I为太阳能日总辐射量（J·m-2）；α为太阳光线与真空玻璃面夹角；η为真空玻璃集热效率。其中，α与太阳高度角h有关，sinh为：

式中，Φ为地区纬度角，δ为太阳赤纬角，w为太阳时角，正午时为0°。

太阳高度角1天之中不断变化，日出和日落时为0°，正午时最大，为便于计算，取正午时分太阳角值一半作为计算值。本文使用的生物质颗粒热值为2 914 kcal·kg-1，为便于计算，取干燥过程中平均温度和外部环境平均温度的差值作为温差Δt，取三个香菇干燥后含水率的平均值作为每组样品干燥后的含水率。试验场地位于江苏扬州地区（北纬32.48°，东经119.68°），9月份开展试验，9月份太阳能日均总辐射量约为14 MJ·m-2[24]，太阳赤纬角为5.01°，热风干燥试验环境温度均值27.67 ℃，干燥平均温度48.21 ℃，多能干燥试验环境温度均值28.00 ℃，干燥平均温度46.67 ℃，水的汽化潜热为2382 kJ·kg-1，水的比热容4.2 kJ·kg-1·℃-1，香菇含水率较高，将物料比热容近似为水的比热容，干燥房水平面和垂直面的真空玻璃集热面积均为12.78 m2，真空玻璃集热效率为54.2%[25]，中短波红外灯总功率为4 kW。

1.3.3 干燥均匀性试验

干燥室尺寸为6 100 mm（长）×2 230 mm（宽）×2 550 mm（高），为分析干燥房不同区域位置香菇干燥速度差异，在多能干燥方式下，选取3组不同位置样品进行干燥速率测试，3组样品位置见表4。

表4 3组样品位置分布Table 4 Location distribution of three groups of samples (mm)

2 结果与分析

2.1 干燥室温度场和风速场仿真分析

图6 为干燥室整体和物料架温度云图，图7a、b 和c 为X=2 400、4 200、6 000 mm 平面温度云图，图8 为宽度方向Z=1 150 mm 处平面温度云图。由图可看出，干燥室内温度分布较为均匀，温度总体分布在45～48 ℃，低温主要是靠近墙壁的位置，而物料架区域温度分布在48.5～49 ℃，温差较小，干燥时不会对物料造成影响。在底部循环风机作用下，热风从加热室进入干燥室，快速向另一侧流动，流动过程中热气流上升，使得上层温度快速升高，带动干燥室温度上升，最终达到温度均匀分布状态。

图6 干燥室整体（a）和物料架云图（b）Fig.6 Temperature of the whole drying room(a)and the material shelves(b)

图7 干燥室X轴方向温度截面云图Fig.7 Cross-sectional temperature of the drying room in X-axis direction

图8 干燥室Z=1 150 mm截面温度云图Fig.8 Plane temperature at Z=1 150 mm of the drying room

图9a和9b为Y=400和1 800 mm界面风速云图，可见热风从进风口进入干燥房，在底部物料层之间形成快速对流，风机出口气流呈单束狭长射流，以约1.8 m·s-1速度从干燥室右侧进风口到达左侧回风管道入口。干燥室上层风速低于下层风速，物料架和墙体之间空隙，有热风穿过，在墙壁处形成涡流。

图9 干燥室Y轴方向截面速度云图Fig.9 Cross-sectional air velocity of the drying room in Y-axis direction

干燥室内部虽然温度相对均匀，但风速差异明显，说明其内部结构存在缺陷，需根据仿真结果对干燥室进行结构优化。

2.2 干燥室结构优化

针对干燥室内风速不均匀问题提出优化方案，如图10 所示，保持两个进风口，将回风管道缩短，将距离地面较近的管道安装到干燥房顶部，同时增加管道直径，保证内外压力一致，增加一块均风板，隔板与水平面之间呈30°夹角，热风在此处区域内被限制流向，从间隔10 cm间隙中流出，使热风分散进入物料层。用Fluent进行气流速度模拟，采用和上述相同边界条件进行设置，为提高风速差异，设置进风速度为6 m·s-1。

图10 干燥室结构改进模型Fig.10 Structure improvement model of the drying room

截取Z=400、1 200、1 800 mm 处平面风速云图，如图11所示，截取进风口附近平面X=5 200 mm如图12所示。

图11 干燥室Z轴方向截面速度云图Fig.11 Cross-sectional air velocity of the drying room in Z-axis direction

图12 干燥室Z=5 200 mm截面速度云图Fig.12 Plane air velocity at Z=5 200 mm of the drying room

由以上云图可知，平面风速在1 m·s-1左右，进风口附近风速较为均匀，在均风板作用下，大幅度降低热风与物料层直接接触的速度，由于均风板调节热空气进入干燥房的角度，热空气分散进入，避免形成狭长气流，进入干燥室内的热风更均匀，说明该优化方案合理。

2.3 香菇干燥效果分析

触摸屏如图13a 所示，生物质燃烧炉如图13b所示，电控箱如图13c所示，热风-太阳能-中短波红外多能干燥装备如图14 所示。香菇干燥前后数据如表5和6所示，干燥过程中质量和尺寸变化如图15 和16 所示。可见，AD 和ASID 第一阶段香菇质量和尺寸减少明显，因干燥初期香菇含水量高，大量水分被蒸发；第二、三阶段香菇质量和尺寸变化放缓，此时香菇表层水分大部分被蒸发，香菇内部水分缓慢向表层渗透，水分蒸发变缓；第四阶段香菇质量和尺寸变化趋于平缓，此时按压菌盖与菌柄交界处有坚硬感，说明香菇含水量已达到安全贮藏湿基含水率13%，干燥完成。

图13 多能干燥装备部件Fig.13 Components of multi-energy drying equipment

图14 热风-太阳能-中短波红外多能干燥装备Fig.14 Multi-energy drying equipment of hot air,solar energy,medium and short-wave infrared

图15 香菇干燥质量变化Fig.15 Drying mass changes of Lentinus edodes

图16 香菇干燥尺寸变化Fig.16 Drying size changes of Lentinus edodes

表5 AD香菇干燥前后数据Table 5 Data before and after the drying of AD Lentinus edodes

表6 ASID香菇干燥前后数据Table 6 Data before and after the drying of ASID Lentinus edodes

图17和图18为两组香菇干燥对比图，从感官上ASID 香菇外观明显优于AD，ASID 香菇菇形完整，呈黄褐色，香气浓郁无异味，而AD的香菇菇盖呈黑褐色，香气较淡，褶皱较多且分布不均匀，说明ASID干燥品质比AD好。

图17 AD干燥前后对比Fig.17 Comparison before and after AD drying

图18 ASID干燥前后对比图Fig.18 Comparison before and after ASID drying

干燥速率如图19 所示，从干燥速率看，香菇干燥主要为降速干燥，干燥初期达到最大干燥速率，随后开始下降进入降速干燥阶段。因在干燥初期阶段，香菇中自由水含量较高，水分梯度大，加快干燥速率；随着干燥进行，香菇中自由水含量越来越少，内外水分传递阻力变大，干燥速率开始下降。从干燥时间看，ASID 比AD 少2 h，ASID 干燥速率整体高于AD，因太阳光是短波辐射，且在太阳辐射强度减弱时开启中短波红外辐射作为补充，加速香菇干燥。ASID 方式不论是干燥品质还是干燥速度均优于AD。

图19 干燥速率变化Fig.19 Variation of drying rate

2.4 干燥能耗分析

AD 消耗生物质颗粒燃料60.31 kg，ASID 消耗生物质颗粒燃料38.46 kg，两次试验所消耗生物质颗粒燃料均充分燃烧。经计算数据见表7。

表7 干燥试验能量数据Table 7 Energy data of the drying experiments (MJ)

由此可得，AD试验热效率约为56.35%，ASID试验热效率约为62.34%。ASID 试验中，太阳能占总消耗能量百分比为20.19%，相比AD 节能28.40%。ASID试验热效率高于AD试验热效率，因为太阳光属于短波辐射，与中短波红外辐射能量均易于被香菇吸收，热效率比热风干燥更高，从而提升ASID试验热效率。

2.5 干燥均匀性分析

表8～10为干燥前后数据，图20为不同位置香菇干燥速率变化规律，3组不同位置香菇干燥后含水率平均值为11.38%、11.46%和10.77%，含水率均低于贮藏安全含水率13%。可看出不同区域位置香菇在干燥过程中干燥速率略有差异，但干燥速率变化趋势一致，在干燥初期香菇含水率较高所以干燥速率较高，随着香菇含水率降低干燥速率渐渐减缓，最终完成干燥，整体差异较小，说明干燥室内不同区域温度差异较小，干燥均匀性良好，干燥室结构合理。

图20 不同位置香菇干燥速率变化Fig.20 Drying rate variation of Lentinus edodes at different positions

表8 不同长度位置香菇干燥前后数据Table 8 Data before and after the drying of Lentinus edodes at different length positions

表9 不同宽度位置香菇干燥前后数据Table 9 Data before and after the drying of Lentinus edodes at different width positions

表10 不同高度位置香菇干燥前后数据Table 10 Data before and after the drying of Lentinus edodes at different height positions

3 结 论

a.本文设计一种热风-太阳能-中短波红外多能干燥装备，以生物质能为主，太阳能和中短波红外能为辅。利用PLC 设计干燥装备控制系统，基于分程变温干燥工艺，将干燥过程分为4个阶段小阶段和1个中短波红外干燥阶段。建立多能干燥装备结构模型和仿真模型，对干燥室温度与气流流场进行数值模拟，发现在循环风机作用下，干燥室内部温度较为均匀，但气流场不均匀，通过加装间隙10 cm、斜30°向上的均风板显著改善干燥室内气流状况。

b. 以香菇为试验对象，从干燥品质、干燥效率、干燥能耗3个方面对比AD和ASID两种干燥方式。试验发现AD 热效率为56.35%，ASID 热效率为62.34%，太阳能占总消耗能量的20.19%，比AD节能28.40%，干燥时间少2 h，ASID干燥品质、干燥速度和干燥能耗均优于AD。在多能干燥模式下，干燥室内不同位置香菇干燥速率差异较小，干燥装备结构设计合理。

本文研究结论对菌类干燥装备设计研发具有指导意义，但仅分析香菇干燥效果，在后续研究中应对多种食用菌干燥，进一步探究干燥装备性能。