冰溫真空干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

厲建國LI Jian-guo 萬金慶 - 趙彥峰 -

(1. 上海海洋大學(xué)，上海 201306；2. 農(nóng)業(yè)部冷庫及制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心﹝上海﹞，上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201306；4. 上海開山冷凍系統(tǒng)技術(shù)有限公司，上海 201306)

冰溫真空干燥是指食品在真空干燥過程中，物料溫度保持在冰溫。冰溫是指從食品的冰點(diǎn)到0 ℃的溫度區(qū)間，處于冰溫狀態(tài)的食品不會凍結(jié)，避免了凍藏引起的蛋白質(zhì)變性、組織破壞等問題，相比冷藏，其呼吸作用和微生物繁殖也被有效抑制，延長了貯藏期[1]。另外，冰溫的誘導(dǎo)作用還可以促使生物體內(nèi)氨基酸濃度增加，使其更加鮮美[2-3]。在真空干燥領(lǐng)域，干燥工藝對干燥品質(zhì)有著重要影響，類似的設(shè)備，采用不同的工藝，得到不同的效果[4]。在將冰溫概念應(yīng)用于真空干燥工藝的探索中，相關(guān)文獻(xiàn)[5-7]指出，冰溫真空干燥比熱風(fēng)干燥要好，某些指標(biāo)與真空冷凍干燥相當(dāng)，甚至優(yōu)于真空冷凍干燥。此外，提高并控制物料溫度至冰溫可縮短真空干燥周期，進(jìn)而節(jié)能[8]。

冰溫技術(shù)對控溫要求很高，對應(yīng)不同的食品，冰溫可設(shè)定值為-0.5～-2.0 ℃[9]，且溫度波動應(yīng)不超過±0.5 ℃。常規(guī)制冷設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)冰溫要求，阻礙了冰溫技術(shù)在中國的應(yīng)用和推廣。在對冰溫真空干燥研究過程中，難以找到冰溫控制的具體方法。經(jīng)過長期的試驗(yàn)探索和改進(jìn)，較嚴(yán)格意義上的“冰溫”真空干燥過程得以實(shí)現(xiàn)，即整個干燥過程均實(shí)現(xiàn)了物料溫度在設(shè)定值±0.5 ℃內(nèi)。

本研究基于冰溫理論和真空干燥技術(shù)，在前期大量手動控制試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[10]，整理控制策略，根據(jù)已有設(shè)備的實(shí)際配置現(xiàn)狀，重新設(shè)計(jì)并制作控制系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)物料在冰溫狀態(tài)下的自動真空干燥，為今后改進(jìn)冰溫真空干燥設(shè)備，提高真空干燥效率，提供參考。

1 系統(tǒng)概述

1.1 冰溫真空干燥系統(tǒng)的組成

冰溫真空干燥試驗(yàn)裝置系統(tǒng)原理圖見圖1。本裝置主要由真空箱、冷阱、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。真空箱置于冷庫內(nèi)[11]；冷阱由一套制冷機(jī)組為其提供冷量；真空系統(tǒng)主要由真空泵、壓力變送器、漏氣閥及放氣閥組成；加熱系統(tǒng)由電加熱板和可控硅調(diào)壓器組成；測控系統(tǒng)(SCADA)負(fù)責(zé)采集與保存相關(guān)溫度、壓力和物料重量等實(shí)時數(shù)據(jù)，并控制干燥裝置按要求運(yùn)行。

1. 冷阱制冷機(jī)組 2. 真空壓力變送器 3. 手閥 4. 放氣閥 5. 電動蝶閥 6. 止油閥 7. 真空泵 8. 漏氣閥 9. 物料 10. 托盤 11. 電加熱板 12. 重量傳感器 13. 真空箱 14. 排水閥 15. 冷阱

圖1 干燥試驗(yàn)裝置系統(tǒng)原理圖

Figure 1 Schematic diagram of the drying system

1.2 影響物料溫度的因素分析

冰溫真空干燥過程中，物料溫度的精確控制是難點(diǎn)：物料同時存在內(nèi)部水、冰、氣三相的相變、傳質(zhì)和與外部環(huán)境傳熱、傳質(zhì)。前期的手動冰溫真空干燥預(yù)試驗(yàn)表明，影響物料溫度控制的主要因素有輻射熱量、進(jìn)氣方式(由漏氣閥進(jìn)氣或放氣閥進(jìn)氣)和真空壓力。圖2為被干物料(被控對象)與真空箱體、加熱板和漏氣之間的熱平衡關(guān)系，它們之間的熱平衡關(guān)系見式(1)。

QE+cmΔt=QR±QL±QC，

(1)

式中：

QE——物料水分蒸發(fā)帶走的熱量，kJ；

c——物料比熱容，kJ/(kg·℃)；

m——物料質(zhì)量，kg；

Δt——物料溫度變化，℃；

QC——箱體傳熱量，kJ；

QR——加熱板傳熱量kJ；

QL——漏氣傳熱量，kJ。

在式(1)中，QC為等式的平衡項(xiàng)，該熱量以輻射形式傳遞，數(shù)值小且穩(wěn)定，在控溫過程中可忽略；Δt為判斷物料熱平衡的溫度指標(biāo)，在冰溫控制過程中，該項(xiàng)要求≤±0.5 ℃，對熱量的影響也可忽略。要使物料溫度波動在冰溫范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)物料QE≈QR±QL的熱平衡是控制關(guān)鍵。

1.3 物料溫度控制方案設(shè)計(jì)

物料干燥需要熱量，常見的熱風(fēng)干燥通過控制熱風(fēng)溫度將熱量傳遞給被干物料；在真空冷凍干燥中，被干物料多放置在擱板上，通過控制擱板的溫度加熱被干物料(加熱量不可使物料內(nèi)水分融化)，上述2種干燥方法，并沒有將物料溫度作為被控參數(shù)進(jìn)行控制。本裝置將物料溫度作為被控參數(shù)，控制框圖見圖3。圖3中，t1為物料溫度，t2為加熱板表面溫度，加熱板與物料間的輻射傳熱QR的大小與其絕對溫度的四次方之差[(t2+273)4-(t1+273)4]呈正比。在t1主回路中，物料溫度偏差與加熱量的大小(t2)并無確定的對應(yīng)關(guān)系，傳統(tǒng)控制策略無法實(shí)現(xiàn)控制曲線，采用模糊控制策略解決；板溫t2為控制中引入的副參數(shù)，采用PID控制，形成副回路，與主回路一起組成串級控制回路。

2 控制系統(tǒng)的組成

2.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖4?，F(xiàn)場傳感器采集的溫度、壓力和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時數(shù)據(jù)，經(jīng)過AI/DI模塊送入PLC中，運(yùn)算后輸出的模擬量或數(shù)字量通過AO/DO模塊輸出驅(qū)動信號到執(zhí)行裝置。安裝有組態(tài)軟件的上位機(jī)實(shí)時讀取PLC數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)并顯示在人機(jī)交互界面，同時還將所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔保存，以便后期分析和優(yōu)化。

控制電路在設(shè)計(jì)時考慮了自動控制和手動控制2種需求，設(shè)置了手動/自動切換開關(guān)。根據(jù)控制要求和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際條件，選用西門子S7-200系列[12]的CPU224XP CN為主模塊，搭配一塊EM231和一塊EM232擴(kuò)展模塊。

2.2 控制流程及PLC程序設(shè)計(jì)

2.2.1 冷阱制冷系統(tǒng)的控制 冷阱制冷機(jī)組采用二位控制，并設(shè)定冷阱的控制偏差為±1.5 ℃。即當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度1.5 ℃時，停機(jī)；當(dāng)高于設(shè)定溫度1.5 ℃，同時滿足停機(jī)時間>3 min時，重新開機(jī)。

2.2.2 溫度―壓力聯(lián)合控制 以某一物料控制在冰溫帶Tm～0 ℃ 為例(Tm為物料冰點(diǎn))，其干燥過程控制流程圖見圖5。

冷阱溫度達(dá)到設(shè)定值后，開啟真空系統(tǒng)，使真空泵定頻50 Hz運(yùn)行，漏氣閥8和放氣閥4處于關(guān)閉狀態(tài)；達(dá)到設(shè)定壓力后，真空泵降頻到38 Hz運(yùn)行。當(dāng)物料溫度T<(0.5Tm-0.5) ℃時，保持閥8關(guān)、閥4開；當(dāng)(0.5Tm-0.5) ℃≤T≤(0.5Tm+0.5) ℃時，閥8開、閥4關(guān)；在干燥中后期，物料脫水的阻力越來越大，蒸發(fā)所需要的熱量也逐漸減少，此時加熱板的溫度也調(diào)節(jié)到最低，若還不能將物料溫度控制在冰溫帶，即T>(0.5Tm+0.5) ℃并且該狀態(tài)保持0.5 h以上，則開啟冷庫制冷，輔助物料降溫。以上各階段加熱板啟用模糊-PID串級控制策略。

2.2.3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì) 上位機(jī)人機(jī)主界面見圖6。該人機(jī)監(jiān)控界面選用組態(tài)王7.55組態(tài)軟件編寫，具備實(shí)時顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)定系統(tǒng)工藝參數(shù)、啟停設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集保存等功能。

3 試驗(yàn)研究

選取白蘿卜為干燥對象，驗(yàn)證該控制系統(tǒng)對冷阱制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱板及物料溫度的控制能力和對整個機(jī)組的協(xié)同控制效果。

3.1 干燥方法

將新鮮蘿卜700 g左右(測得含水率93%，冰點(diǎn)為-3.0 ℃，重量根據(jù)樣品擺放和重量傳感器量程綜合考量確定)清洗干凈，切成約5 mm薄片，均勻放到干燥箱的網(wǎng)狀托盤上。啟動冰溫真空干燥設(shè)備，按照干燥流程自動進(jìn)行干燥。當(dāng)樣品含水率降至30%后結(jié)束運(yùn)行，干燥用時20～22 h。

3.2 結(jié)果與討論

冷阱溫度變化曲線見圖7，在整個干燥過程中，控制冷阱的溫度在(-15±1.5) ℃內(nèi)，滿足試驗(yàn)要求。

干燥箱真空壓力變化曲線見圖8，箱真空壓力在(1.1±0.1) kPa內(nèi)波動，與試驗(yàn)中壓力設(shè)定相一致。

圖9為物料在真空壓力為(1.0～1.2) kPa下的溫度變化曲線。干燥初始，隨著真空箱壓力的降低，物料表面水分開始大量蒸發(fā)，物料溫度迅速降低到0 ℃以下。PLC控制器根據(jù)測得的實(shí)時溫度信號，通過Fuzzy-PID控制程序決策后選擇合適的加熱溫度，并輸出相應(yīng)的4～20 mA控制信號到可控硅調(diào)壓器，進(jìn)而控制加熱板的輻射熱量，使物料溫度穩(wěn)定在冰溫帶內(nèi)。到了干燥后期，由于物料本身傳熱傳質(zhì)阻力增

大，脫水速度逐漸變慢，所需汽化潛熱也相應(yīng)減少，此時加熱板的熱輻射以及進(jìn)氣帶入的熱量會較明顯地影響物料的溫度，物料溫度會逐漸上升。在試驗(yàn)中，利用冷庫將進(jìn)氣冷卻，可將物料的溫度較好地維持在(-1.5±0.5) ℃。

4 結(jié)論

冰溫真空干燥工藝能夠加快物料干燥速度，節(jié)省設(shè)備運(yùn)行時間。但是干燥過程中的物料溫度控制方法阻礙該真空干燥工藝的推廣。通過本裝置對冰溫真空干燥裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和多次調(diào)試運(yùn)行，驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性與合理性。

(1) 提出了溫度—壓力聯(lián)合控制方案，可以保持整個干燥過程的真空壓力在(1.1±0.1) kPa，物料溫度在設(shè)定值的±0.5 ℃，符合冰溫設(shè)備的控溫精度要求。

(2) 設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能使冷阱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等協(xié)調(diào)、穩(wěn)定地運(yùn)行，并具備系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)報(bào)警等多種功能。

(3) 該系統(tǒng)為后續(xù)冰溫干燥食品品質(zhì)方面的深入研究提供了平臺，適用于果蔬、水產(chǎn)等多種物料，具備較強(qiáng)的通用性。

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