香蕉太阳能热风真空组合干燥设备设计
童亚子，杨福孙
（海南大学农学院，海口 ５７０２２８）
摘 要：为了缩短香蕉的干燥时间，降低干燥成本，将太阳能技术、真空技术和自动控制技术相结合，提出了一种能耗低、干燥效率高且能最大限度保存香蕉中各种生理活性营养成分和风味的香蕉太阳能热风真空组合干燥设备。该设备主要由空气预热器、智能控制器、太阳能热水器、真空泵、干燥箱、热风辅助加热器和引风机等组成，并通过理论计算、分析及实验，验证了该设备的科学性。该设备的成功设计对我国热带等地区的香蕉干燥具有积极的影响作用。
关键词：香蕉；太阳能；热风真空组合；干燥
中图分类号：Ｓ２２６．６；Ｓ２１４ 文献标识码：Ａ文章编号：１００３－１８８Ｘ（２０１４）０８－００８７－０４
０ 引言
香蕉（Ｂａｎａｎａ）为芭蕉科芭蕉属多年生草本植物蕉树的果实，主要生长在热带、亚热带地区，其中我国广东、广西、福建、海南等地盛产香蕉。香蕉有着极其重要的营养价值，它具有保持正常心肌收缩的协调作用，能使神经肌肉兴奋性维持常态，使心肌收缩与舒张功能协调，从而起到维持血压稳定和预防心血管疾病等功效［１－３］。然而，目前人们对香蕉品质的要求越来越高，并出现了多元化需求。脱水香蕉不仅品质好，而且也可调剂季节差别。脱水储藏除可基本保持其原有的品味外，还能缩小体积、减少质量，以便于储存和运输，具有抑制微生物繁殖等优点。干燥作业是香蕉脱水加工过程中一个必要的环节，然而组合干燥是将两种或两种以上的干燥方式组合起来使用，在不同阶段采用不同的干燥方法，既发挥干燥方式的优点，又避免单一干燥方式所带来的缺点。同时，太阳能是可再生能源，通过智能控制，充分利用太阳辐射能，将对香蕉的干燥处理带来经济、清洁的效果。本文中香蕉太阳能热风真空组合干燥设备的成功实施，将对香蕉干燥处理有着积极的影响作用［４－５］。
１ 香蕉干燥设备及其工作原理
收稿日期：２０１３－１１－１６
基金项目：热带作物专项（１２ＲＺＮＪ－２１）
作者简介：童亚子（１９９０－），男，湖北潜江人，本科生，（Ｅ－ｍａｉｌ）３７７５１７５００＠ｑｑ．ｃｏｍ。
通讯作者：杨福孙（１９７５－），男，江西新干人，副教授，硕士生导师，博士，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｆｓｙａｎｇ１５９０＠１６３．ｃｏｍ。１．１ 干燥设备工作流程图
香蕉太阳能热风真空组合干燥设备主要由空气预热器、智能控制器、太阳能热水器、真空泵、捕水器、干燥箱、排湿风机、热风辅助加热器和引风机等组成。该设备干燥分为热风干燥和真空干燥。热风干燥过程图如图１
所示。
图１ 热风干燥过程图
Ｆｉｇ．１ Ｈｏｔ－ａｉｒｄｒｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｄｉａｇｒａｍ
该过程以热空气作为干燥介质，将热量传递给香蕉，热量将从表面向中心传递，温度并逐渐升高；香蕉内部的水分以气态或液态形式扩散至表面，汽化的水蒸气从表面扩散或以对流的方式传递到干燥介质主体，最后由热空气带走［６－７］。
真空干燥过程如图２所示。该干燥过程利用低压下水分沸点变低的原理，使具有一定形态的香蕉脱水干燥。真空干燥过程中，香蕉里的水分在较低的温度下（４０～６０℃）蒸发，使得所加工的香蕉色、香、味皆佳，复水后基本上保持了原料的特性和营养成分。
图２ 真空干燥过程图
Ｆｉｇ．２ Ｖａｃｕｕｍｄｒｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｄｉａｇｒａｍ
１．２ 干燥设备结构原理
香蕉太阳能热风真空组合干燥设备如图３所示。
干燥箱内安装有加热盘管供给热量，给香蕉加热，其顶部左右分别开有抽真空口和排湿口，排湿口处安装有一排湿百叶窗和排湿风机，下部底面均设有风通道；干燥箱排湿口处外联接有排风管，排风管与空气预热器相连，在空气预热器和干燥箱之间依次安装有引风机、热风辅助加热器和风量控制阀和水泵；与干燥箱右边相连的分别是真空排湿控制阀、真空排湿管、捕水器和真空泵。
设备在工作过程中，若干燥箱内干燥温度过高，则由智能控制器控制热水控制阀的流量，反之则将热水控制阀的流量调大；若热水控制阀的流量调到最大，仍不能使干燥箱内的干燥温度达到要求时，则由智能控制器发出指令启动电加热器进行辅助加热，若
处于热风干燥阶段，考虑到经济性，也可启动热风辅助加热器进行辅助加热。设备在工作过程中，水箱中当水位低于要求值时，则由智能控制器发出指令打开补水控制阀，
通过补水管对水箱进行补水。
１．空气预热器 ２．排风管 ３．排风控制阀 ４．排湿风机 ５．排湿百叶窗 ６．智能控制器 ７．箱门 ８．真空排湿控制阀 ９．真空排湿管１０．补水器 １１．真空泵 １２．箱门把手 １３．干燥箱 １４．水泵 １５．风量控制阀 １６．热风辅助加热器 １７．引风机 １８．太阳能真空热水管
１９．太阳能支座 ２０．高温进水管 ２１．水箱 ２２．补水控制阀 ２３．补水管 ２４．低温回水管 ２５．保温水箱 ２６．给热水控制阀
图３ 干燥设备结构示意图
Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｄｒｙｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
２ 干燥设备主要部件的参数及分析
２．１ 预热设备热量计算
为了进一步分析该套香蕉太阳能热风真空组合干燥设备的套管换热器规格等多项参数，假定该设备在一个标准大气压下，则空气的物性参数［８］
如下：预
热管进口温度ｔｗ＝４０℃，出口温度ｔ＝１３．７℃。表１所
示为环境和该套设备的部分参数。
表１ 环境与设备的参数
Ｔａｂｌｅ１ ＰａｒａｍｅｔｅｒｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｄｅｖｉｃｅ
参数描述理论值Ｈ太阳辐射强度２４．７ＭＪ／（ｍ２?ｄ）
Ｍ水箱中水质量４００ｋｇＧ１物料初始质量２００ｋｇＧ２干燥后物料质量
９３．３３ｋｇＷ除湿量１０６．６７ｋｇＴ干燥周期４８ｈΔｔ水箱干燥前后温差
３０℃Ｃ水比热４．２ｋＪ／（ｋｇ?℃）
Ａ热水器面积６．４ｍ２η集热水器集热板集热效率６０％η温温室效率４０％η总总的干燥效率６０％Ａ
换热面积
０．３２ｍ
２
流速ｕ＝１ｍ／ｓ，管道直径Ｄ＝１００ｍｍ，可以求得：ρ＝１．１５ｋｇ／ｍ３
，Ｒｅ＝６．１８×１０３
＜１０４
，流动属于层流。为了更好地换热，利用流体流动的连续性方程
［７］
，则有
Ｖ１Ａ１＝Ｖ２Ａ２
（１）
将管道直径缩小３倍，则流速变成９ｍ／ｓ，此时雷诺数Ｒｅ＝１．５５×１０４
＞１０４
，属于紊流。取ｈ１＝ｈ２＝４８Ｗ／（ｍ２
?ｋ），管子热导率λ＝４５３７．６Ｗ／（ｍ?ｋ）。
ｋ＝
１
ｄ２ｈ１ｄ２＋ｄ２２λｌｎｄ３ｄ１＋１
ｈ２
（２）
求得对流换热系数ｋ＝３７．６Ｗ／（ｍ２
?ｋ）。
Ｑ＝ｋ倡Ａｔ
（３）则 Ａ＝Ｑ
ｈｔ
＝π×１×Ｄ
（４）
Ａ＝０．３２ｍ２
，求得ｌ＝３．１６ｍ。考虑热损失，取ｌ＝３．６ｍ。
考虑到空气流量非常小，干燥周期为４８ｈ，换算下来每小时的换热量很小，所以采用套管换热器。根据
上面的计算，套管换热器的内管直径为Ф３８×３，外管的直径为Ф５７×３．５。套管长度为４０００ｍｍ。２．２ 干燥箱的设计
干燥箱内安装有加热盘管，干燥箱面板上固定有一智能控制器，且开有一密封性良好的箱门；干燥箱顶部开有抽真空口和排湿口，在干燥箱底部设置有与进风管均相连通的风通道，还有与加热盘管联接的翅片管及热冷水进出口，如图４
所示。
１．箱门 ２．加热盘管 ３．风通道 ４．翅片管 ５．冷水进出口
图４ 干燥箱Ｆｉｇ．４ Ｄｒｙｉｎｇｂｏｘ
３ 香蕉太阳能干燥设备实验
香蕉是一种典型的热敏性物料，其营养成分极易随着干燥温度的提高而流失；同时，香蕉含水量大，对其进行干燥脱水是一个大能耗且费时的操作过程。为此，进行了自然日晒干燥、热风干燥和太阳能热风真空组合干燥，并对干燥脱水过程中的能耗、干燥效率以及保存其营养成分进行了对比实验。香蕉干燥
质量均为５０ｋｇ，３种方式干燥后的香蕉为相同的干燥程度，其中品质指数为Ｑ＝香蕉优质的质量／总质量。因客观条件制约，需考虑天气时间段的选择、自然干燥的场地、香蕉的摆放、组合风机摆放等本实验尽可
能做到一致、合理，降低其实验结果的误差。实验结果如表３所示。
表３ 实验结果
Ｔａｂｌｅ３ Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ
干燥方式干燥时间
／ｈ品质指数耗电量／ｋＷ?ｈ自然日晒干燥３３．８０．８６０热风干燥６．６０．７１１３．４太阳能热风真空组合干燥
４．５
０．９４
５．２
从表３可以看出，虽然自然日晒干燥不需要电能，但需要干燥的时间很长，干燥的品质适中；热风干燥尽管时间较短，但耗电量较大，无法保证香蕉的品质；太阳能热风真空组合干燥品质最优，而且时间和耗电量均很小。综上所述，采用太阳能热风真空组合干燥设备来干燥香蕉具有一定的优势。
４ 总结
１）本文研究设计的香蕉太阳能热风真空组合干燥设备，采用空气预热器回收废热风中的余热，进一步提高了能量利用率，同时也利用了“热风－真空”组合干燥技术，既可发挥“热风”干燥效率高、经济性好的优点，又可利用“真空”干燥卫生、杀菌、保鲜、低温、高效等优势，极大程度地保证了香蕉中的各种生理活性营养成分。
２）自然日晒干燥、热风干燥和太阳能热风真空组合干燥实验表明，该设备具有效率高、能耗低、清洁等优点，对香蕉干燥产业及其他水果干燥产业有着积极的影响作用。参考文献：
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ＤｅｓｉｇｎｏｆＳｏｌａｒＨｏｔ－ａｉｒＶａｃｕｕｍＣｏｍｂｉｎａｔｉｏｎＤｒｙｉｎｇＤｅｖｉｃｅｆｏｒＢａｎａｎａｓ
ＴｏｎｇＹａｚｉ，ＹａｎｇＦｕｓｕｎ
（ＣｏｌｌｅｇｅＯｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ＨａｉｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｉｋｏｕ５７０２２８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｈｏｒｔｅｎｂａｎａｎａｄｒｙｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｒｅｄｕｃｅｄｒｙｉｎｇｃｏｓｔｓ，ｌｏｗｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｄｒｙｉｎｇａｎｄｋｅｅｐｉｎｇｖａｒｉｏｕｓｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌａｃｔｉｖｅｎｕｔｒｉｅｎｔｓｉｎｂａｎａｎａｓｏｆＳｏｌａｒＨｏｔ－ａｉｒｖａｃｕｕｍｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｄｒｙｉｎｇＤｅｖｉｃｅｗａｓｐｒｏ－ｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｄｓｏｌａｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖａｃｕｕｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｃｏｎｔａｉｎｓａｉｒｐｒｅｈｅａｔｅｄ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｓｏｌａｒｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒ，ｖａｃｕｕｍｐｕｍｐ，ｏｖｅｎ，ｈｏｔ－ａｉｒａｕｘｉｌｉａｒｙｈｅａｔｅｒ，ｆａｎａｎｄｏｔｈｅｒｃｏｍｐｏ－ｎｅｎｔｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ，ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｉｓｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ．ＴｈｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅｐｌａｙｓａｐｏｓｉｔｉｖｅｉｍｐａｃｔｗｈｉｃｈｄｒｉｅｄｂａｎａｎａｉｎｔｒｏｐｉｃａｌａｒｅａｏｆＣｈｉｎａ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｎａｎａｓ；ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ；ｈｏｔ－ａｉｒｖａｃｕｕｍｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ；ｄｒｙｉｎｇ
香蕉太阳能热风真空组合干燥设备设计
作者：童亚子， 杨福孙， Tong Yazi， Yang Fusun
作者单位：海南大学 农学院,海口,570228
刊名：
农机化研究
英文刊名：Journal of Agricultural Mechanization Research
年，卷(期)：2014(8)
参考文献(8条)
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引用本文格式：童亚子.杨福孙.Tong Yazi.Yang Fusun香蕉太阳能热风真空组合干燥设备设计[期刊论文]-农机化研究2014(8)