遠(yuǎn)紅外聯(lián)合低溫真空干燥設(shè)備研究與設(shè)計

張秦權(quán) 文懷興 袁越錦

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

常用的果蔬干燥方法有自然干燥、熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、遠(yuǎn)紅外干燥、微波干燥、真空低溫干燥及各種組合干燥等［1］。真空低溫干燥［2］是指使物料中的水分在較低的溫度之下（60 ℃以下）沸騰而蒸發(fā)，所加工的干制品香、色、味皆佳，復(fù)水性良好。遠(yuǎn)紅外真空干燥的方法具有最終產(chǎn)品干燥效果好、成本低、射線來源廣以及能符合大批量生產(chǎn)的要求等優(yōu)勢，已經(jīng)被越來越多的企業(yè)所接受［3，4］。郁雯霞等［5］針對國內(nèi)外遠(yuǎn)紅外真空干燥設(shè)備存在干燥不均勻、無法調(diào)節(jié)輻射距離等缺陷，通過試驗對遠(yuǎn)紅外真空干燥試驗設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的干燥設(shè)備不僅能達(dá)到較高的真空度，并且可以調(diào)節(jié)真空度，同時也可以改變干燥功率，解決局部加熱過程中遠(yuǎn)紅外輻射不均勻的問題，為遠(yuǎn)紅外真空干燥技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。由于單一的干燥方法往往得不到最終產(chǎn)品的質(zhì)量要求，聯(lián)合干燥是未來干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢之一［6，7］。孫傳竹等［8］針對蔬菜傳統(tǒng)的單純遠(yuǎn)紅外輻射和熱風(fēng)干燥脫水干燥形式所存在的各種問題，采用熱風(fēng)與遠(yuǎn)紅外優(yōu)化組合，解決了頂層干燥箱風(fēng)量需求以及底層接近干燥的物料烤糊等問題。

目前多數(shù)干燥設(shè)備的研究基于微型企業(yè)或?qū)嶒炇?，不能滿足企業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)。有關(guān)真空低溫干燥（蒸汽加熱）與遠(yuǎn)紅外干燥聯(lián)合干燥方面的研究較少。鑒于此，本試驗在大量試驗［9，10］的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩種干燥方法的優(yōu)點，提出蒸汽加熱與遠(yuǎn)紅外聯(lián)合的快速干燥技術(shù)，設(shè)計一套工業(yè)遠(yuǎn)紅外聯(lián)合低溫真空干燥設(shè)備，旨在為解決現(xiàn)有干燥方法所引起的干制品品質(zhì)差、產(chǎn)量低和不能滿足企業(yè)要求等問題。

1 結(jié)構(gòu)原理及參數(shù)

1．1 工作原理

真空低溫干燥技術(shù)的原理是利用低壓下水分的沸點變低，配合真空干燥機(jī)，使具有一定自由水的原料得以脫水干燥。真空干燥也稱負(fù)壓干燥，是將被干燥物料放置在封閉的干燥室內(nèi)，用真空泵對其抽真空；同時對被干燥物料間斷或連續(xù)加熱［11，12］。

真空低溫干燥可以干燥易氧化、易變色的物料等，尤其是在果蔬干燥過程中可以降低物料中維生素的氧化以及褐變程度，所以采用真空干燥可提高干制品質(zhì)量。遠(yuǎn)紅外干燥熱效高、干燥時間短、加熱溫度均勻。

因此，在真空條件下，將蒸汽加熱與遠(yuǎn)紅外優(yōu)化組合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，整合為一種全新的干燥方式，從而實現(xiàn)高品質(zhì)、高效率、短時間等優(yōu)勢。

1．2 結(jié)構(gòu)組成

本真空干燥設(shè)備是由中國某公司ZGT 型真空低溫干燥機(jī)增加紅外管等組件改裝而成，配制四級水蒸氣噴射真空泵，可根據(jù)需要改變真空度（蒸汽噴射真空泵真空度可達(dá)一級20kPa／60℃、二級12．3kPa／50℃、三級7．4kPa／40 ℃、四級4．2kPa／30 ℃），因為四級真空泵全部投入工作，可獲得較高的真空度。

圖1為真空干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖，主要由干燥箱、四級水蒸氣噴射真空泵組、鍋爐組件以及控制系統(tǒng)等組成。

圖1 真空干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Figure1 Schematic of thevacuum drying oven

真空干燥箱［13］主要由干燥室、測量系統(tǒng)（溫度傳感器16，濕度傳感器17，壓力傳感器18）和加熱系統(tǒng)組成（廢蒸汽和紅外復(fù)合加熱）。箱體上設(shè)有真空泵接口6、充氣閥2（用于解除真空）、疏水閥3與放氣閥4（4A、4B分別安裝于干燥箱和蒸汽分流器）、排蒸汽閥5A、安全閥12（12A、12B安裝與干燥箱和鍋爐10）等。

四級水蒸氣噴射真空泵組用于抽真空，主要由水蒸氣噴射器（8A、8B、8C、8D 分別是一、二、三、四級噴射器）、冷凝器（7A、7B分別是一、二級冷凝器）和水泵組（13A、13B）組成，水泵組用于給冷凝器補(bǔ)水。

鍋爐組件包括鍋爐10、蒸汽分汽缸9、排氣閥5A、疏水閥3與放氣閥4并列安裝以及管路等。

控制系統(tǒng)在干燥過程中通過閥組自動調(diào)節(jié)工作溫度和終點控制（根據(jù)設(shè)定干燥時間和濕度）。特別是根據(jù)工序溫度的設(shè)定，自動調(diào)節(jié)擱板和紅外管的溫度。系統(tǒng)設(shè)有溫度表、真空表、觸摸屏、電動碟閥等，主要電動碟閥開關(guān)設(shè)定見表1。

采用輻射和傳導(dǎo)結(jié)合的加熱方式：遠(yuǎn)紅外給物料輻射傳熱和隔板對物料對流傳熱，避免了受熱的不均勻性，保證了物料品質(zhì)，縮短了干燥時間。圖2中干燥室內(nèi)有多層物料盤2，每層物料盤上方設(shè)置紅外加熱組件3，下方設(shè)置加熱隔板

表1 主要碟閥開關(guān)設(shè)定Table1 Settings of main valve switch

圖2 單層復(fù)合加熱結(jié)構(gòu)中分面剖視圖Figure2 Monolayer composite heating structure in section view

1。紅外管離物料之間的距離R 以及紅外管之間的距離L 根據(jù)干燥系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系理論計算并用實驗驗證。

1．3 主要參數(shù)

（1）干燥箱尺寸2 500mm×1 140mm×2 030mm；

（2）干燥箱內(nèi)腔尺寸2 260mm×900mm×1 525mm；

（3）物料盤8層每層2只，每只物料盤尺寸為1 000mm×700mm×40mm；

（4）物料裝載面積11．2m2；

（5）工作蒸汽壓力≥0．6 MPa；

（6）干燥室溫度30～60 ℃；

（7）干燥室壓力4．2～20．0kPa；

（8）紅外管功率800 W／每根；

（9）加熱溫度：60 ℃以下（在70 ℃時，果蔬中葉綠素?fù)p失嚴(yán)重；在65 ℃時，葉綠素?fù)p失較小，醌類化合物損失嚴(yán)重；在60 ℃時，醌類化合物損失較小，干制品局部會有微焦現(xiàn)象［14］）。

2 熱量衡算

本設(shè)備采用蒸汽與遠(yuǎn)紅外聯(lián)合加熱的快速真空干燥技術(shù)，通過熱平衡計算（以下公式根據(jù)文獻(xiàn)［11］、［12］、［15］、［16］），合理布置紅外管數(shù)量以及紅外管與物料之間的距離。加熱系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系見圖3，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，干燥箱整體可建立的平衡關(guān)系式見式（1）。

圖3 干燥系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系Figure3 Energy balance between of drying system

式中：

q輻射—— 紅外管輻射的熱量，kW；

q對流—— 對流傳遞的熱量，kW；

q箱—— 箱體散失的熱量，kW；

q汽化—— 物料干燥所需要的熱量，kW。

2．1 輻射熱量衡算

根據(jù)熱平衡方程，當(dāng)被輻射物料為黑體時，被輻射物料的溫度為其單位面積上吸收的熱流密度：

式中：

H0—— 熱流密度，W／m2；

t1—— 輻射元件表面溫度，K；

σ—— 斯 代 芬 － 伯 爾 茨 曼 常 數(shù)，σ 值 為5．67 ×10－8W／（m2·K4）。

紅外管組與物料之間可以看成一個黑體和一個灰體復(fù)合的情形，其輻射放出的熱量計算見式（3）、（4）：

式中：

ε0—— 輻射源表面發(fā)射率，介于非輻射源的0和黑體1之間，按經(jīng)驗公式取0．95；

t2—— 被干燥物料表面溫度，設(shè)定為333K；

S0—— 輻射源的表面積，m2；

q單輻—— 一根紅外管的輻射功率，kW。

2．2 對流熱量衡算

隔板對流傳遞熱量的計算：

式中：

k—— 自然對流放熱系數(shù)，kJ／（m2·h·℃）。放熱面朝下時k ＝1．4；垂直時k ＝2．2；朝上時k ＝2．8，簡化計算取2．2kJ／（m2·h·℃）；

α—— 給熱系數(shù)（對流給熱系數(shù)），W／（m2·K）；

S1—— 物料表面積，m2。

2．3 物料耗能衡算

物料干燥消耗能量（輻射傳熱與傳導(dǎo)傳熱）的計算：

式中：

W汽—— 水蒸汽的質(zhì)量流量（噴射真空泵的抽氣量），kg／s；

c汽—— 水蒸汽的比定壓熱容，kJ／（kg·K）。 當(dāng)t ＝333K 時c汽取7．961kJ／（kg·K）；

t3—— 隔板中水蒸汽的溫度，K。

2．4 流失熱量衡算

干燥箱壁擴(kuò)散熱量的計算：

設(shè)干燥箱壁的平均溫度t箱＝333K，k箱取2．2；

式中：

S箱—— 干燥箱內(nèi)腔表面積，m2；

t箱—— 干燥箱外部環(huán)境溫度，K；

ε箱—— 輻射源表面在溫度t2時的全輻射率，箱內(nèi)壁涂銀粉后輻射率ε箱＝0．33。

2．5 紅外管數(shù)量計算

紅外管離物料之間的距離理論計算根據(jù)輻射能逆二次方傳播定律：

式中：

H1—— 輻射源所輻射能量，kW／m2；

H2—— 距離輻射源R 處，物料所吸收的輻射能量，kW／m2；

R—— 紅外管距離物料之間的距離，m。

紅外管根數(shù)由已知t2＝333K，根據(jù)式（2）求出H2；式（8）求出H1；式（3）求出單根紅外管輻射功率；式（1）與式（4）求出需要n 根紅外管；熱量的需要量是式（6）與（7）的總和。

3 驗證實驗

以獼猴桃為材料進(jìn)行試驗研究，分析干燥過程中的工藝參數(shù)（物料厚度、干燥溫度、真空度）對干制品品質(zhì)（體積收縮率、總酸、總糖、VC）的影響。研究表明：溫度是影響干制品最主要的因素之一，其次是切片厚度和真空度；工藝參數(shù)對VC的影響較明顯，體積收縮率、總酸、總糖影響不顯著。比如：真空冷凍干燥時間18h，熱風(fēng)干燥7．5h，真空低溫聯(lián)合遠(yuǎn)紅外干燥2．0h時干制品品質(zhì)較好［9，10］。顯然，真空低溫聯(lián)合遠(yuǎn)紅外干燥有較大的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

（1）本設(shè)備將真空干燥（蒸汽加熱）與遠(yuǎn)紅外干燥有效的結(jié)合在一起，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，整合為一種混合加熱的干燥方法。

（2）該設(shè)備已生產(chǎn)樣機(jī)。經(jīng)試驗表明，蒸汽加熱彌補(bǔ)了遠(yuǎn)紅外輻射不均勻的問題；廢氣加熱節(jié)約了熱源；熱量衡算縮短了干燥時間、提高了干燥速率、優(yōu)化并降低了設(shè)備運轉(zhuǎn)費用。不過，本設(shè)備只能對果蔬進(jìn)行加工，對其它物料還有待于進(jìn)一步研究和設(shè)計。

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