银耳热风换向干燥技术研究.doc

银耳热风换向干燥技术研究王传耀 杨文斌 （福建农林大学材料工程学院，福州，350002） 摘要 研究以干燥银耳为主的食用菌热风换向干燥新技术取代传统的垂直气流热风干燥。采用垂直气流热风换向干燥与横向水平气流热风换向干燥的2个技术改造方案，分别进行试验。在恒定风速、干燥初始热风温度80条件下，分别测定各层物料含水率变化的分布曲线与平均含水率梯度Waj指标，得出较优干燥工艺为干燥温度70-80，换向时间间隔1h，分别比传统垂直气流热风干燥速率提高30%与40%，后者还具有相同满负荷工作时间，节电50%，节省占地77.8%的优势。同时给出横向水平气流热风干燥自动化模拟。关键词 银耳；换向热风干燥；干燥设备设计;自动化模拟 中图分类号TS266 文献标识码 AThe study on reversible drying tremella fuciformis technique Wang-Chuanyao Yang-Wenbin(Faculty of Materials and Engineering of Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou,350002,China)Abstract:The substitution reversible drying tremella fuciformis technique for traditional vertically hot air one-direction flow drying technique was researched when the edible fungus mainly tremella fuciformis were dried. The two modified scheme were adopted and that are vertically reversible air flow technique and horizontally reversible air flow technique and experiments were run respectively. The profile of moisture content in respective layers and moisture gradient were measured under the condition of constant air speed and initiatory air temperature 80 , and the result was that the optimal drying technology parameter was that drying termperature 70-80, interval time for air direction change 1h; The drying speed in adopted new techniques were improved 30% and 40% respectively than that of in traditional vertical one-direction air flow. In full load working condition, the new technique can save 50% electric energy and77.8% equipment room when compared to traditional one. Finally, automatization simulation of horizontally hot air flow drying process was given. Key Words: tremella fuciformis; reversible hot air drying; design drying equipment; automatization simulation1.烘干室；2.门；3.筛层；4.轴流式风机；5.加热器；6.热风道图1传统垂直气流热风烘干房Fig1 conventional vertical air flow drying chamber福建省古田县素有“中国食用菌之乡”称号，食用菌年总产量34万吨鲜品，居全国第一，其中银耳占50%(产销量均居世界第一)，香菇占25%，其他菌类占25%。古田现有许多以干燥银耳为主的食用菌传统作坊式垂直气流热风烘干房,日干燥银耳二、三千kg，其结构如图1所示。 每间烘干室1用砖体砌成，室内空间80cm100cm2m，放置筛盘3（80cm100cm,筛孔直径1cm）13层，每10-15间组成1排烘干房；加热器5采用带螺旋翅片的散热管7根8层组成，纵贯烘干房；热风道6经散热器与烘干室相通；室底部安装轴流式风机4（电机功率0.75-1.0kw）上吹式通风；排气采用自然上排法。其烘干品质量较好。但也存在产量低，干燥时间较长能耗大 ，占地大 （每片筛盘平均间接占地0.5m2），产品质量参差不一的缺陷。其主要不足是烘干室垂直气流通风穿透性差，对 基金项目：国家自然科学基金项目(30371134)和福建省科技厅重点项目(2004N073) 资助 第一作者简介：王传耀（1948.11-）男，福建福州人，副教授，主研木质材料/材料/装备与自动化. 高含水率厚层堆放的银耳干燥造成自下而上较大的水分梯度与温度梯度：热风初始温度保持80时，6-8 h下层已烘到含水率低于8%，最上层温度仍低于50-60，含水率仍高达50%以上。因此，需要人工将最下2层翻转并架，并将上层逐层调低，在最高层再放入新物料。这样，不仅全程烘干周期较长(平均10-12h)，而且调架工作量和热量损失大，有1.5-2%的破损率。为解决这些问题，本研究结合企业生产实际，进行如下改造试验。1.烘干室；2.门；3.筛层；4.下轴流式风机5上轴流式风机；6加热器 ；7、8上、下温度计；9.排气管；10.排湿风机 图2垂直气流换向热风干燥房结构示意图 Fig 2 Schematic structure figure of vertical air flow drying chamber 1.改造方案1垂直气流换向热风干燥1.1垂直气流换向热风干燥的结构设计垂直气流换向热风干燥结构设计如图2，在图1结构的基础上，增加上热通风道与上轴流式风机，可定时换向通风；并把原2间合并为1单元，中间增设共用排气管，管内设轴流式风机，可按需要启动强化排湿或调节风门大小控制排湿量，排气口设在中部，正反向均可通用。该结构特点是增加投资很少，工艺操作简单，降低干燥时间，不用人工调换层架就能达到上下层干燥均匀，不仅提高劳动效率和生产率，而且减少成品破损率并节约能耗。适用于利用现有作坊式烘干房改造。 1.2垂直气流换向热风干燥试验 1.2.1试验原料 选择直径8-12cm,鲜重100-200g银耳，经水洗滴干后一朵朵平铺在烘筛上，不重叠，初始含水率为90-100%。1.2.2试验装置 在图2改造装置上，进行干燥实验，一次烘干13层。供热使用2t锅炉，进汽压力1-2Mpa,保持初始热风温度80；为提高温度控制精度，除用温度计与调节进汽压力控制温度外，试验增设温控仪控制，精度1。(a) 换向间隔1h工况 (b) 换向间隔2h工况 (a) changing direction time interval 1h (b) changing direction time interval 2h 图3 不同换向时间工况物料含水率变化曲线Fig3 The moisture content curve of material at different changing direction time1.2.3试验方法 依据银耳烘干可采用直线和恒定温度1 的理论与实践，由起烘升温开始，前1-2个小时为稳定升温至60-70（最高应80），而不必采用香菇类梯度式分阶段干燥的方法。试验条件简化为，在恒定热风初始温度80与恒定风速（保持轴流式风机满负荷状态）下进行，于热风流向改变的不同间隔时间j，使用DTS-231型温湿仪分别测定各层物料k的含水率 Mk,j，并引用平均含水率梯度指标Waj来评价干燥效果2-3 ， Waj=(Mg jM1，j)/(N-1) 式中Mg j 最高层在某换向工况下的含水率；M1，j第1层在某换向工况下的含水率；N烘干房筛网层数。根据生产实际和现场初步筛选，银耳干燥前1-2个小时一般为稳定升温与高排湿时间，全程干燥应控制在8h内，故选定主要换向间隔时间为1h与2h，分别测定出干燥时间为1-6h时各状态点的含水率（每点取3 次测量值的平均值）。图3-a、b分别为换向间隔1h、2h工况，测定的各层物料含水率变化曲线图。 1.3垂直气流换向热风干燥试验结果与分析在换向间隔为1h工况下（见图3-a），干燥1h后，曲线基本呈渐升形直线，其中第1层物料含水率M1，1为74%，第13层物料含水率M13，1为81%，平均含水率梯度指标Wa1=0.583；干燥2h后，第一层M1，2 为67%，峰值在第7层M7，2为70%，第13层M13，2 为61%，则Wa2=0.500，曲线呈凸状抛物线形；同理干燥3h、4h、5h、6h后，M1，3为44.5%、M13，3为49.5%，Wa3 =0.417；M1，4为34%、M13，4为30%，Wa4 =0.333；M1，5为20%、M13，5为22%，Wa5 =0.167；M1，6为9.2%、M13，6为8.2%，Wa6 =0.083，随干燥时间延长，其平均含水率梯度越来越趋近均匀，反映在曲线图上，分别为微凸状抛物线形，也越来越平坦。另第7h测定M1，7为6%、M13，7为6.5%，Wa7=0.004；则干燥很均匀已达干燥终点，银耳外观朵形完整，颜色新鲜，达到工艺要求。与传统热风相比。其干燥速率提高30%以上，而且节约大量人力物耗。在换向间隔为2h工况下（见图3-b），干燥2h后，第1层物料含水率M1，2为62%，第13层物料含水率M13，2为75%，平均含水率梯度指标Wa，2=1.083，从曲线图上看，基本呈渐升凸状抛物线形。干燥4h、6h后，分别测定M1，4 为51%、M13，4 为42%，Wa4=0.750；M1，6 为14%、M13，6 为21%， Wa6=0.583；曲线仍然呈凸状抛物线形，但越来越平坦，趋近均匀状态。另干燥8h后， M1，8 为8%，M13，8 为6.5%，则Wa8=0.125，也达到工艺要求。2种工况对比分析，前者明显优于后者。其机理是：1h换向间隔，换向次数多而适当，使物料干燥均匀，各层物料体积均缩小，空隙增大，全体通风改善，即明显改善干燥的水分梯度与温度梯度，因此干燥速率加快，干燥6h平均含水率已达到8.6%；相反，2h换向，换向次数少而不适，短时间内物料干燥不均匀，各层物料体积缩小不均，全体通风未明显改善，因此干燥速率相对较慢，干燥6h平均含水率仅达到14%-21%之间。 1.烘干窑体； 2.筛盘装载轨道车；3、8排气管; 4.导向板 5.温度计；6.加热器；7.双向轴流式风机；9. 轴流式排风机；10.密封门图4横向水平气流换向热风干燥窑结构示意图Fig 4 Schematic structure figure of transverse horizontally air flow drying chamber但换向时间不是越短越好。增设0.5h换向验证试验，在干燥前期，当升温未达到干燥工艺温度时换向，反而不利干燥而延长干燥时间；在干燥后期因干燥温度较高，菇体缩小而改善通风，有一定的作用。故较优工艺为干燥温度70-80，干燥前期1-2h升温期可不用换向，2h后以换向时间间隔1h为宜。2 改造方案2横向水平气流换向热风干燥窑2.1横向水平气流换向热风干燥窑设计 横向水平气流换向热风干燥窑风向沿着流程较短的宽度方向流动，其结构设计如图4，分上下2层。下层为烘干窑体1，长10.8m宽3.8m高2.8m，对应筛盘装载车2 长10m宽2.1m（加2头通风道长各0.4m、宽各0.85m）高2.5m，带轨道，可一次装载1.00.8筛盘15层2排12列（即360片筛盘。相当于原作坊式烘干房28间的一次烘干量）。上层为供热间，高0.6m，散热器6仍采用带螺旋翅片的散热管7根8层组成，其长度与烘干窑等长；沿纵向对应筛盘装载车长10m，每 2.5m 长分割为一单元，各横向安装一台2.2-2.5kw 双向轴流式风机7，配左右排气管共用0.5kw轴流式排风机9一台，该设计总装机容量10.8-12kw,仅为原作坊式烘干房28间总装机容量的0.5倍，即在相同时间满负荷操作条件下，可节电50%，节省占地面积77.8%。配套PLC（可编程序控制器，Programmmable Logical, controller），可根据干燥工艺对生产过程进行顺序控制；或配备DDC(直接数字控制系统，Direct Digital Control),实现自动优化控制。 2.2横向水平气流换向热风干燥试验2.2.1实验方法选用一单元横向水平气流热风换向干燥室（为图4长度方向的1/4）为实验装置，为增加可比性，采用银耳原料、测试方法与优化工艺，均在垂直气流换向热风干燥试验的基础上进行，即在恒定风速，热风初始温度80下，先直接干燥2h升温到60-70，其间控制干燥室内湿度80%时强制排湿。干燥2h后，测定第1层物料含水率M1，2为62%，第15层物料含水率M15，2为65%，平均含水率梯度指标Wa2=0.200。第3小时开始按每间隔1h换向干燥，全程干燥温度控制在70-80，分别于第3、4、5、6、7h后测定各状态点的含水率(取同层6片筛盘的平均值)，分别为M1，3为48.2%、M15，3为46%，Wa3 =0.147；M1，4为34.5%、M15，4为36.6%，Wa4 =0.140；M1，5为34.2%、M15，5为33.1%，Wa5 =0.073；M1，6为6.5%、M15，6为7.1%，Wa6=0.040；图5为干燥2小时后按换向间隔1h，测定的各层物料含水率变化曲线图，其曲线随干燥时间的延长趋近于直线。其中M1，7为6%、M15，7为6%， Wa7=0，干燥均匀，银耳朵形完整，颜色鲜丽，达到工艺要求。2.2.2结果分析横向水平气流热风换向干燥与垂直气流换向热风干燥对比 ，由于通风阻力小，热风穿透力强 ，具有干燥速度快，节能降耗的优点。其干燥速率又比垂直气流换向热风干燥提高14.3%，平均含水率梯度明显降低，越来越趋于均匀干燥。几种干燥方式（不同气流方式与不同工况）的干燥技术经济效果对比见表1所示。表1 几种干燥方式干燥技术经济效果对比Table 1 Comparison of economic for different drying methods干燥方法垂直气流热风干燥垂直气流换向热风干燥横向水平气流热风换向干燥（换向间隔1h工况）换向间隔1h工况换向间隔2h工况干燥终点时间/h10786干燥6 h平均含水率/%51.58.617.56.8电耗/kwhkg-10.50.370.40.25节能/%0-28-15-38每片筛盘占地/m20.50.50.50.114注：每片筛盘面积80cm100cm；节能含节约燃料。图5横向气流换向通风干燥物料含水率变化曲线 Fig 5 The moisture content curve of material dried at horizontal changing direction air flow chamber2.3横向水平气流换向热风干燥自动化模拟2.3.1食用菌热风干燥薄层干燥模型的建立以热质传递为依据的食用菌平均含水率梯度指标Waj来进行干燥模型的建立较复杂。为简化条件，作如下假设：干燥过程单个食用菌菇体的温度梯度、体积收缩与个体相互间的热传递忽略不计。则食用菌薄层干燥模型可采用LiHuizhengfjcf方程4 (MMe)/(MoMe)=exp(ktN) (2) 式中 Mt时刻的水分（%d.b）； Me平衡水分（%d.b），金针菇取17.6%； Mo初水分（%d.b）；k、N为干燥速率常数，由试验测定，可先借用金针菇薄层干燥方程参数k=0.0633+0.0009T+0.04173V， N=1.325580.00294T0.1516V，再按试验修正； t时间(min)；V风速（m/s）; T风温（）. 2.3.2 横向水平气流换向热风干燥模拟方法与程序 食用菌中，银耳量大，可采用直线和恒定的烘干温度，加上横向对流流程短各层间V、T基本恒定的特点，即V、TK、N为常数，则方程（2）可化为Mi=Me+(MoiMe)exp(ktN) （3）式中Moi 为ti 时物料含水率。Mi简化为变量ti、Moi的函数，设定控制值程序如图6。模拟方法采用DDC控制系统,即一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，其结果与设定值进行比较，再按直接数值控制方法（或PID规律）进行控制运算，然后输出到执行机构对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值，其模拟控制原理如图7所示。 开始 确定常数K、N、Mo、Me 输入ti 、Moi 用方程（1）计算出Mi 输出设定控制值Mi 图6设定控制值程序框图 图7 DDC模拟控制系统原理框图Fig 6 The programme frame of set up a controled value Fig 7 The principle frame of SimulatedDirect Digital Control (DDC) system3.结论1）研究以银耳为主的食用菌热风换向干燥新技术取代传统的垂直气流热风干燥。采用垂直气流热风换向干燥和横向水平气流热风换向干燥2个技术改造方案，在恒定风速、干燥初始热风温度80条件下进行试验，分别测定各层物料含水率变化的分布曲线与平均含水率梯度Waj指标，得出较优干燥工艺为干燥温度70-80，换向时间间隔1h，比传统垂直气流热风干燥速率分别提高30%和40%以上，干燥均匀，提高干燥品质和完好率，减少大量人工操作，投资相对较小。后者还具有在相同满负荷工作时间，比前者节电50%，节能38%，节省占地77.8%，生产过程易于自动控