高效節(jié)能果渣干燥裝置的設(shè)計(jì)與研究

■史 諾 喬麗潔 李秀兵 解建軍

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021；3.明盛農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)具有限公司，陜西渭南 714000）

蘋(píng)果渣是果汁生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，長(zhǎng)期以來(lái)，蘋(píng)果渣被當(dāng)作廢棄物處理。我國(guó)是世界上最大的蘋(píng)果生產(chǎn)國(guó)，年產(chǎn)量3 000萬(wàn)噸以上，而每加工1 000 kg鮮蘋(píng)果就可產(chǎn)生150～200 kg鮮果渣，大量的果渣按照廢棄物處理帶來(lái)了一系列的環(huán)境污染問(wèn)題[1]?，F(xiàn)有研究資料表明，蘋(píng)果渣中富含可溶性糖、維生素、纖維素及礦物質(zhì)等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[2-3]，針對(duì)果渣的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)不僅能夠解決環(huán)境污染問(wèn)題,而且能夠有效利用生物資源。

1 果渣作為飼料資源的研究與利用現(xiàn)狀

以蘋(píng)果渣為原料生產(chǎn)酶制劑、提取果膠、制備蘋(píng)果醋等研究已取得了一定進(jìn)展，在諸多的利用途徑中，進(jìn)行飼料的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)是最有效的[4]。

新鮮果渣直接作飼料是最簡(jiǎn)單的方式。李貴喜等用鮮蘋(píng)果渣代替部分干草和麩皮喂養(yǎng)黑白花奶牛，產(chǎn)奶量提高，飼喂成本降低[5]。張玲在日糧中添加鮮蘋(píng)果渣飼喂肉豬、泌乳牛，動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育良好[6-7]。

果渣青貯也是較為常見(jiàn)的利用方式。楊福有等提出了果渣青貯飼料調(diào)制過(guò)程中的具體步驟并制定了技術(shù)與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[8]。朱越等采用青貯果渣料替代50%的玉米喂養(yǎng)奶山羊，試驗(yàn)結(jié)果表明可以提高產(chǎn)奶量[9]。杜鵑等以奶山羊采食量、瘤胃液pH值及氨態(tài)氮濃度為試驗(yàn)研究對(duì)象，證明了蘋(píng)果渣混合青貯料可以替代65%玉米青貯飼料[10]。

將鮮果渣經(jīng)過(guò)干燥后制成渣粉也可作為動(dòng)物飼料。楊福有等采用自然干燥的果渣飼喂山羊并與青干草進(jìn)行了比較試驗(yàn)，結(jié)果表明蘋(píng)果渣飼喂效果優(yōu)于青干草[11]。楊和平等用干燥后的蘋(píng)果渣代替部分玉米和麩皮設(shè)計(jì)了豬用飼料配方，改善了飼料的適口性[12]。

從現(xiàn)有的研究可以得出，不論新鮮、青貯還是干燥的蘋(píng)果渣都是品質(zhì)較好的動(dòng)物飼料,且飼喂的經(jīng)濟(jì)效益較好。從商品的觀點(diǎn)出發(fā)，新鮮及青貯的果渣都有致命缺陷，新鮮果渣的高含水量使其保質(zhì)期很短，青貯果渣雖易保存，但遠(yuǎn)距離運(yùn)輸及建立青貯窖的費(fèi)用較高，所以這兩種方式較適合在果汁生產(chǎn)廠與養(yǎng)殖場(chǎng)之間配套使用。而果渣干燥可與榨汁同時(shí)進(jìn)行，產(chǎn)品的商品率高，從飼料工業(yè)的角度而言，最理想的途徑是進(jìn)行蘋(píng)果渣干燥。

2 果渣干燥方式的分析

新鮮果渣含水率為66.4%～78.2%，需要耗費(fèi)較高的能量使果渣的含水率降為11%～12.5%[13]。綜合考慮目前較為常用的農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)，冷凍干燥、微波干燥、射頻干燥、變溫壓差膨化干燥等技術(shù)及設(shè)備由于投入較高，適合于高附加值產(chǎn)品，對(duì)于果渣這類(lèi)低值類(lèi)物料并不適用，而噴霧干燥主要應(yīng)用于液態(tài)原料，超臨界流體干燥主要應(yīng)用于熱敏性物料，真空干燥主要應(yīng)用于藥品和生物制品，從物料的形態(tài)以及性質(zhì)方面來(lái)考慮也不適合。

轉(zhuǎn)筒式干燥設(shè)備的技術(shù)要求低，可連續(xù)操作，目前果汁廠基本上都是利用此技術(shù)處理果渣。它的工作介質(zhì)可以是煙道氣、熱空氣或者蒸汽，為了降低生產(chǎn)成本，普遍采用的是將鮮果渣與煙道氣直接接觸，兩者逆流換熱完成干燥，但是煙道氣中的粉塵、灰渣等有害物質(zhì)使果渣受到一定程度的污染，干燥的經(jīng)濟(jì)性與產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成了突出的矛盾，在食品安全問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，亟需解決這對(duì)矛盾。

間接加熱的轉(zhuǎn)筒式干燥器保證了果渣在整個(gè)干燥過(guò)程中不受污染，且將加熱管置于內(nèi)部，相比于工作介質(zhì)和果渣接觸進(jìn)行干燥的這種直接加熱方式，傳熱面積更大，單位干燥能力為其3倍左右，熱效率高達(dá)80%～90%，是加工低值類(lèi)物料較為理想的設(shè)備[14]。本文著重對(duì)適用于果渣干燥的間接加熱式轉(zhuǎn)筒干燥器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。

3 果渣干燥裝置的設(shè)計(jì)

3.1 高效節(jié)能果渣干燥裝置的基本組成

高效節(jié)能果渣干燥裝置由加熱系統(tǒng)、進(jìn)料與出料系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)、支承與傳動(dòng)系統(tǒng)及各類(lèi)輔助原件構(gòu)成，如圖1、圖2所示。

加熱系統(tǒng)：工業(yè)鍋爐是果汁廠中常見(jiàn)的生產(chǎn)設(shè)備，選擇鍋爐產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽作為熱載體。加熱系統(tǒng)由轉(zhuǎn)筒、螺旋管、抄板等構(gòu)成，系統(tǒng)采用過(guò)熱蒸汽通過(guò)螺旋管間接加熱果渣，能夠充分利用在蒸汽總熱量中占84%的潛熱[15]。又因?yàn)檎羝慌c物料接觸，避免了煙道氣干燥中水分不斷蒸發(fā)導(dǎo)致含濕量增大，傳質(zhì)與傳熱的推動(dòng)力不斷減小的現(xiàn)象，故干燥效率較高。同時(shí)，加熱管采用了螺旋結(jié)構(gòu)，換熱面積大大增加。抄板安裝在轉(zhuǎn)筒內(nèi)周邊，隨著轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)不斷將筒體下部的物料舉升、拋撒，使果渣在轉(zhuǎn)筒內(nèi)充分受熱，從而提高干燥速率，降低干燥時(shí)間。

圖1 高效節(jié)能果渣干燥裝置結(jié)構(gòu)

圖2 A-A剖視圖

進(jìn)料與出料系統(tǒng)：進(jìn)、出料系統(tǒng)由進(jìn)料器、真空泵、打散器、出料器等構(gòu)成。進(jìn)料器采用變節(jié)距螺旋推進(jìn)器，果渣在進(jìn)料器中逐漸被壓縮成料塞，并被真空泵抽出其中的絕大部分不凝性氣體，避免出現(xiàn)二次蒸汽中混入不凝性氣體導(dǎo)致工作蒸汽傳熱效率降低的現(xiàn)象[16-17]。果渣進(jìn)入轉(zhuǎn)筒后，被打散器粉碎，這樣做的優(yōu)點(diǎn)一是果渣有效受熱面積大大增加，保證在轉(zhuǎn)筒內(nèi)進(jìn)行充分的干燥；二是果渣是高黏高濕物質(zhì)，打散之后避免了在轉(zhuǎn)筒內(nèi)部粘連，改善了轉(zhuǎn)筒內(nèi)的工作環(huán)境。

能量回收系統(tǒng)：能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是蒸汽噴射泵。蒸汽噴射泵是一種沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的節(jié)能設(shè)備，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)工作介質(zhì)無(wú)嚴(yán)格要求，在工業(yè)領(lǐng)域得到了大范圍的應(yīng)用。蒸汽噴射泵主要由噴嘴、吸入室、混合室、喉管與擴(kuò)壓室五部分組成，噴嘴將高壓蒸汽的壓力能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，高速射流產(chǎn)生負(fù)壓抽吸低壓蒸汽，在吸入室中，高壓蒸汽膨脹時(shí)低壓蒸汽被壓縮，在這個(gè)過(guò)程中的傳熱與傳質(zhì)提高了低壓蒸汽的品位，然后兩者在混合室中充分混合，形成單一均勻的混合蒸汽，隨后流經(jīng)擴(kuò)壓室實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向壓力能的轉(zhuǎn)化，輸出一定壓力的蒸汽。蒸汽噴射泵回收了低品位能量，提高了蒸汽利用率，節(jié)能率可以達(dá)到35℅左右[18]。在此果渣干燥裝置中，高能蒸汽通過(guò)蒸汽噴射泵引射果渣水分蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽，并經(jīng)充分混合后作為干燥介質(zhì)。

圖3 蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)

蒸汽噴射泵抽吸二次蒸汽，且進(jìn)、出料系統(tǒng)中螺旋推進(jìn)器都適度壓縮了果渣，防止了轉(zhuǎn)筒內(nèi)部有氣流通過(guò)，再加上真空泵抽吸不凝性氣體，整個(gè)轉(zhuǎn)筒內(nèi)部是負(fù)壓狀態(tài)，有利于干燥效率的提高，同時(shí)負(fù)壓狀態(tài)下干燥的蘋(píng)果渣質(zhì)地較蓬松，品質(zhì)好。

支承與傳動(dòng)系統(tǒng)：轉(zhuǎn)筒傾斜安裝在底座上，底座上的托輪和擋輪支承著整個(gè)筒體重量。轉(zhuǎn)筒上安裝有滾圈，滾圈在托輪上滾動(dòng)，在自重與摩擦力的作用下，會(huì)產(chǎn)生軸向作用力，使筒體產(chǎn)生軸向位移，擋輪將軸向移動(dòng)控制在要求范圍內(nèi)。電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)齒輪組驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)筒，此種傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高。

3.2 工藝流程

物料流程：果渣在進(jìn)料器中逐漸壓縮形成料塞，真空泵抽去其中的絕大部分不凝性氣體，此后料塞進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)被高速旋轉(zhuǎn)的打散器粉碎成松散的顆粒。在整個(gè)轉(zhuǎn)筒內(nèi)部的換熱空間中，螺旋狀蒸汽加熱管通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射作用對(duì)物料進(jìn)行干燥，物料借助于轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)與傾斜從進(jìn)料端向出料端移動(dòng)，同時(shí)果渣物料被抄板反復(fù)抄起，帶至上端再不斷地?fù)P撒下來(lái)，形成均勻的幕簾，果渣所含的水分逐漸被烘干，干燥后經(jīng)出料倉(cāng)進(jìn)入出料器，出料器排出果渣后完成干燥的全過(guò)程。

蒸汽流程：果渣干燥時(shí)的水分蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)過(guò)蒸汽噴射器受到高能蒸汽的引射，兩股流體充分混合后作為干燥介質(zhì)經(jīng)工作蒸汽入口依次進(jìn)入進(jìn)汽箱、蒸汽加熱管中，干燥介質(zhì)換熱冷凝后形成的冷凝水依靠轉(zhuǎn)筒的傾斜度從蒸汽加熱管內(nèi)流出至集水腔中，從冷凝水出口排出。

4 結(jié)語(yǔ)

能量回收系統(tǒng)的進(jìn)一步節(jié)能挖潛，果渣的干燥機(jī)理研究，轉(zhuǎn)筒內(nèi)溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的分布及其交互作用對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響等方面仍需不斷的探索，為果渣干燥裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。進(jìn)行果渣干燥設(shè)備的分析與設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的高效、節(jié)能，以便最大程度上降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)，推進(jìn)我國(guó)飼料工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。