光熱烘干與自動控制技術的應用研究

文 _ 李培樹 楊海賓 攀枝花煤業（集團）有限責任公司

攀枝花擁有較豐富的太陽能資源，無霜期在280d以上，年太陽輻射量在6300MJ/m2以上,同時農產品資源也比較豐富。因此合理地利用太陽能對農產品進行烘干，能夠很好地解決能源和環境污染問題。

目前，我國的農產品干燥方式除傳統的晾曬方式外，還有熱風循環烘房、隧道式熱風干燥、冷真空凍干燥、紅外線或微波干燥、高速熱氣流干燥中、高溫噴霧干燥、熱泵干燥、太陽能干燥等等。但由于有些技術成本較高，僅適用于高附加值的農產品，所以我國大部分農產品采用太陽能干燥技術與自然晾曬的方法。由于太陽能是間斷多變的能源，夜因此干燥設備干燥物料品種少，使用周期短，干燥方式比較單一。

1 太陽能、熱泵干燥技術

太陽能和熱泵作為目前采用較為普遍的農作物干燥熱源，在我國的大部分農業地區都在使用。

1.1 太陽能干燥技術

我國的太陽能熱利用技術基本上還處于低溫、中溫利用階段，簡單的將太陽能它轉換為熱能，并通過集熱器所加熱的介質（空氣或水）進行對流換熱而獲得熱能。

太陽能干燥的優點：①節省燃料，運行成本很低，對環境的污染小；②太陽能干燥裝備各部的工作溫度屬于中、低溫，操作簡單、安全可靠。

太陽能干燥的缺點：①太陽能屬于間歇性能源，能源密度低，不連續、不穩固，晚上和陰雨天的能源供給不能保障；②單一利用太陽能時，干燥溫度低，波動大，干燥周期長；③單一太陽能干燥投資少，但熱效率低，而大中型的投資大，占地面積廣。

1.2 熱泵干燥技術

熱泵干燥機是利用逆卡諾原理，吸收空氣在壓縮機內完成氣態的升壓升溫過程，并將其轉移到房內，實現烘干房的溫度提高。

熱泵干燥的優點：①干燥過程容易控制，且可調范圍寬；②用電源作為熱源，環境友好，不易污染。

熱泵干燥的缺點：①能源消耗高、污染環境可能性大；②維護成本高。

因此，不能單純靠太陽能或者熱泵等單一能源完成，需要將太陽能、熱泵、生物質能、燃氣和光電等按實際需要進行整合，實現多種能源的優勢互補和合理配置，全面滿足太陽能干燥工程的需求。

2 研究的主要內容

針對單一的太陽能干燥和單一熱泵干燥存在的問題，結合需要烘干農產品的類型，研制一套集自然晾曬、太陽能及熱泵為一體的烘干設施，并能實現各子系統的獨立干燥。

研制一套自動封閉循環干燥控制系統，通過烘干設施，實現不同農產品烘干條件下的自動控制，使光熱利用最大化。

研制一套適合不同農產品干燥的設施。

2.1 光熱烘干系統的設計

2.1.1 光熱烘干系統的工藝及原理

光熱烘干系統主要由供熱系統、自動封閉循環干燥控制系統、干燥室和除濕機（干燥機）組成（圖1）。

圖1 太陽能及熱泵聯合烘干結構圖

其工作原理是：陽光房自然吸熱及太陽能集熱器接收太陽能后轉換釋放給傳熱介質水，水吸熱后經車間大面積的片式散熱器將熱量釋放于車間，散熱后的水繼續進入室內蓄熱水箱持續散發余熱，然后經循環泵強制壓入太陽能集熱器繼續吸熱，周而復始完成太陽能的吸收、轉換、釋放全過程循環。熱泵根據烘干的具體條件，彌補太陽能稀薄性和間歇性帶來的熱源不足，實現連續烘干，整個循環過程實現自動控制。控制系統由配備具有可編程邏輯控制器(PLC)的工控機、控制柜、室內外溫濕度傳感器、循環風機和組態全自動控制系統（MCGS）組成，可全天候同時控制、監測、記錄和處理脫水實時溫度、濕度等參數。

2.2 熱量需求計算

本系統采用三種熱源供熱，即陽光房、太陽能集熱器、熱泵，根據設計，本項目熱源的計算如下：

（1）1000kg物料干燥平均每小時的排水量：

其中：P—干燥后物料重量比30%。

（2）干燥房內平均每小時的干燥量：

（3）計算本干燥房每個小時干燥所需的熱量：

現取水常溫t0=20℃,升溫至t1=70℃作為典型溫度進行計算。水在70℃時的汽化潛熱為r=2333kJ／kg。計算在干燥過程中的熱量消耗：

其中：Q1—物料升溫所需要的熱量；

Q2—物料輸送小車升溫需要的熱量；

C干—干燥完后干物料的比熱容：1974J／kg；

C水—水的比熱容：4180J／kg。

物料輸送小車材質為不銹鋼，重量約600kg。

因此，本系統中1000kg物料完成干燥每小時所需要的熱量為：

Q=Q升+Q氣+Q損=20．82MJ+68．12MJ+17．79MJ=10 6．73MJ

（4）陽光房、太陽能空氣集熱器為瞬時加熱裝置，熱量儲存較為困難，綜合各方因素考慮，計算時取太陽能系統的工作時間為5h，則陽光房、太陽能空氣集熱器、熱泵單日所需要提供的熱量為（熱量比為2：6：2）：Q=106．73×5×熱量比。陽光房：Q陽=106．73MJ；集熱器：Q集=320．19MJ；熱泵：Q泵=106．73MJ。

烘干的產品量可以根據實際情況增加，以便調節太陽能、熱泵的供熱量。

2.3 光熱烘干設備配置

2.3.1 供熱系統

本設計采用三種熱源（陽光房自然吸熱、太陽能系統供熱、熱泵供熱）。熱源按照一定的順序進行循環利用，如果天氣晴朗氣溫高，可單獨開啟自然吸熱和太陽能供熱系統；陰雨天或夜間則啟動熱泵、除濕機來承擔干燥的供熱與除濕。

（1）陽光房

主要依靠太陽光穿透屋頂的鋼化玻璃進行直接的自然晾曬，屋頂采用輕質鋁合金做為支架，長8m，寬3m，利用8mm×1000mm的鋼化玻璃鑲砌而成，可提供有效熱量為：

其中：Q有—有效輻射熱量（平均每天23．61MJ/m2）；

S—輻射面積；

0．5—有效輻射熱源利用系數。根據計算，完全滿足每天烘干2t農產品陽光房提供20%的熱量（213．7MJ）。

（2）太陽能空氣集熱器

太陽能空氣集熱器是一種新型的太陽能光熱利用裝置，是一種綠色、高效的采暖/烘干裝置。

計算所需太陽能空氣集熱器的采光面積：

式中：Ac—為直接系統太陽能集熱器的采光面積，m2；

Q總—為太陽能空氣集熱器單日所需要提供的總熱量，取641．1MJ；

f—為太陽能保證率，取0．5；

JT—為當地集熱器受熱面上年平均日輻照量，取23．6MJ/m2；

ηCD—為太陽能集熱器全日集熱效率，實驗數據取0．5；

nL—為系統的熱損(一般在0．2～0．4內取值)，此處取0．3；

經計算，AC=Q總f/JTηCD(1-nL)=641．1MJ×0．5/23．6MJ/m2×0．5×(1-0．3)=38．8m2

根據場地擺放集熱器，系統安裝l2臺JKS18／2．1型太陽能空氣集熱器，總集熱面積39m2。按照攀枝花平均每天23．61MJ/m2，吸熱量可達920MJ/d，滿足要求。

（3）熱泵供熱系統

熱泵的工作原理遵循“卡諾循環”，通過流動媒體在蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥等部品中氣相變化的循環來將低溫物體的熱量傳遞到高溫物體中去。

本項目采用金凱JH-050高溫空氣源熱泵，具體參數見表1。

表1 空氣源熱泵參數

提供的熱量為：Q=15×3．6MJ×5=270MJ，滿足供熱需求。

2.3.2自動化封閉循環風干控制系統

本系統將熱源（水為介質）經干燥室外壁大面積的散熱器釋放于干燥室，散熱后的水繼續進入室內蓄熱水箱持續發熱，然后經循環泵強制壓入太陽能集熱器繼續吸熱，周而復始完成太陽能的吸收、轉換、釋放全過程自動循環。

系統采用大規模集成電路和數字溫度傳感器及溫濕度監控儀，設計了微電腦溫濕度自控裝置程序，自主研發了內置熱循環、除濕等自動控制系統，并有人工調節功能，以確保不同品種農副產品在烘烤各階段按最佳工藝條件變化。實現一機多用。控制循環見圖2。

圖2 自動化封閉循環風干控制系統

2.3.3 干燥室

太陽能熱泵干燥器是由太陽能空氣集熱器、熱泵、熱循環系統、除濕系統、干燥室及控制系統組合而成的干燥器。干燥器利用集熱器及熱泵把空氣加熱到60～70℃，然后通入干燥室，物料在干燥室內實現對流熱質的交換過程，達到干燥的目的，結構見圖3。

圖3 干燥室結構圖

烘干主要控制的兩個參數：①干農產品溫度，變化區間為36～68℃，滿足不同工藝段要求。②濕農產品溫度，變化區間為36～42℃，滿足不同工藝段要求。

通過空載模擬測試及實驗數據分析在不同新風的情況下，白天環境溫度28℃與新排風門關閉時，烤房能夠維持的最高溫度為79．5℃；晚上環境溫度20℃與新排風門關閉時，烤房能夠維持的最高溫度為75．2℃。太陽能熱泵循環系統完全能夠滿足農副產品烘烤工藝條件。

2.3.4 除濕系統

烘干除濕機組主要有翅片式蒸發器（外機）、壓縮機、翅片冷凝器（內機）和膨脹閥組成。通過不斷完成蒸發（吸取室外環境中的熱量）→壓縮→冷凝（在室內烘干房中放出熱量）→節流→再蒸發的熱力循環過程，從而將外部低溫環境里的熱量轉移到烘干房中，冷媒在壓縮機的作用下在系統內循環流動。它在壓縮機內完成氣態的升壓升溫過程（溫度高達100℃），它進入內機釋放出高溫熱量加熱烘干房內空氣，同時自己被冷卻并轉化為流液態，當它運行到外機后，液態迅速吸熱蒸發再次轉化為氣態，同時溫度可下降至0～-10℃，這時吸熱器周邊的空氣就會源源不斷地將熱量傳遞給冷媒。

3 創新點

3.1 實現光熱技術的有效聯合應用

經過不斷優化改進的光熱烘干技術，結合了自然晾曬、太陽能烘干技術、空氣源熱泵干燥技術，研制了一套熱源供給系統（自然晾曬+太陽能集熱器+熱泵），最大限度的利用太陽能，并輔以熱泵進行熱源補充，既能有效地利用太陽能，又能彌補太陽能稀薄性和間歇性帶來的熱源不足，保證烘干的連續性。

3.2 自動封閉循環干燥控制系統

利用現代測試技術，傳感技術及計算機控制技術，研制一套自動封閉循環干燥控制系統，完成了食品干燥過程中的全自動人工智能實時控制技術，實現了降低了干燥成本并提高了干燥品質，使工作技術更加安全、穩定與高效。

3.3 對干燥設施進一步改進

對原有干燥房內結構單一（只干燥一個品種）、容量小、不能滿足多種農產品烘干的技術特點進行創新，并結合攀枝花農業結構現狀，設計了大容量（每次烘干農產品可達2～3t）、增加了內置層架等設施，滿足平鋪烘干、晾掛烘干、層架等多種產品烘干。

3.4 烘干除濕機聯合應用

利用除濕機將外部低溫環境里的熱量轉移到烘干房中，冷媒在壓縮機的作用下在系統內循環流動。基本上不與外界發生熱交換，從而減少了熱量損失，節約能量。

4 市場推廣前景

農產品干燥技術是加工過程中的一個重要工藝過程，目的是除去物料中多余的水分，通過物料系列的物理和生物發酵變化，以便于產品加工、運輸、儲藏和使用。采用常規能源干燥農產品投資大、能耗大，致使農產品成本增高，并造成不同程度的環境污染。一般農產品要求的干燥溫度比較低，大約在40～55℃之間，正好與太陽能熱利用領域中的低溫熱利用相匹配。而高溫熱泵的聯合使用，擴大了太陽能的使用范圍，并彌補了單純使用太陽能技術的不穩定性，并且具有縮短干燥周期、提高產品質量、減少了環境污染等優勢。攀枝花擁有豐富的太陽能資源，因此，應用光熱烘干與自動控制技術干燥農副產品，具有廣闊的發展前景。