海參過熱蒸汽真空干燥裝置的設(shè)計與試驗

趙火英 袁陸峰

（江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學院，江西 萍鄉(xiāng) 337055）

過熱蒸汽干燥是利用過熱蒸汽直接與被干燥物料接觸而去除其水分的一種干燥方式。真空干燥物料所需要的熱量是通過熱源與物料間的熱傳導(dǎo)和熱輻射來傳遞的，真空環(huán)境下更有利于蒸汽脫離物料表面［1］。對于對干燥效果要求較高的水產(chǎn)品，采用過熱蒸汽真空干燥不僅干燥效率高，而且能夠很好地保留水產(chǎn)品的營養(yǎng)價值，干燥后產(chǎn)品的外觀也較好，是一種很有發(fā)展前景的干燥新技術(shù)。取代傳統(tǒng)的熱空氣干燥將是今后一個發(fā)展趨勢［1］。目前對單純過熱蒸汽干燥的研究不斷深入，但是將過熱蒸汽與真空干燥相結(jié)合的研究還較少，針對水產(chǎn)品干燥方面的研究也很少。

采用過熱蒸汽干燥時，物料溫度始終維持在對應(yīng)壓力下的沸點溫度，其熱傳遞的驅(qū)動力是熱氣流與物料濕表面之間的溫度差。采用真空干燥使得水分不僅能靠蒸汽分壓差產(chǎn)生擴散，而且能通過壓力差產(chǎn)生的體積流帶走。目前海參的傳統(tǒng)加工工藝及干燥方法主要有熱風干燥、冷凍干燥及微波干燥等，傳統(tǒng)干燥方法干燥速率較低，干燥品種不高，難以滿足消費者的要求，急需新型的干燥工藝來提高海參干燥的品質(zhì)［2］。本試驗綜合過熱蒸汽干燥和真空干燥方式的特點設(shè)計過熱蒸汽真空干燥箱，并利用此設(shè)備進行海參干燥的試驗研究，以期獲得海參過熱蒸汽干燥的最佳工藝流程及參數(shù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

鮮品刺參：重量約（50±2）g，體長（10±1）cm，采購于萍鄉(xiāng)水產(chǎn)品批發(fā)市場。去除海參內(nèi)臟后手工清洗海參表面后備用。

1.2 試驗儀器

1.2.1 自制試驗裝置設(shè)計 過熱蒸汽真空干燥箱的工作原理如圖1所示。箱外過熱蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的過熱蒸汽通過蒸汽進口進入干燥箱內(nèi)，通過壓力控制系統(tǒng)控制真空泵來滿足箱內(nèi)真空度的穩(wěn)定。通過一個電機帶動風扇在箱內(nèi)旋轉(zhuǎn)從而加強箱內(nèi)的氣流循環(huán)，提高干燥效率。干燥過程中物理質(zhì)量的變化可以通過稱重傳感器反饋或在箱體開稱量孔通過細線連接外部稱量天平讀數(shù)。

根據(jù)上述工作原理，在滿足真空密封要求和稱量計數(shù)等試驗要求的基礎(chǔ)上完成該過熱蒸汽真空干燥箱的設(shè)計。其中箱體門通過鉸鏈與箱體連接，門體上加裝了玻璃視窗以便觀察干燥物料的變化情況。箱體四周為各類控制系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的接入預(yù)留了多處接口，并充分考慮真空密封的要求。該裝置的基本外形參數(shù)見圖2。

圖1 過熱蒸汽真空干燥箱原理圖Figure 1 Principle diagram of the superheated steam vacuum drying chest

圖2 過熱蒸汽真空干燥箱設(shè)計圖Figure 2 Design drawing of the superheated steam vacuum drying chest

1.2.2 其它設(shè)備

電子稱量天平：YP10G－1 型，稱量范圍0～100g，精度0.1mg，西安中諾儀器有限公司；

單孔電熱恒溫水浴鍋：HH－1 型，控溫范圍5～100 ℃，精度±1 ℃，明克斯檢測設(shè)備有限公司；

紅外線水分分析儀：MS－100型，哈爾濱宇達電子技術(shù)有限公司；

千分尺：MD210型，量程0～150 mm，東莞健科電子儀器設(shè)備公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗步驟

（1）通過水泵將液態(tài)水注入蒸汽發(fā)生器，先循環(huán)一段時間；之后接通蒸汽發(fā)生器電源，加熱產(chǎn)生飽和蒸氣。飽和蒸汽經(jīng)過氣液分離器后，分離出冷凝水，產(chǎn)生的蒸汽進入下一環(huán)節(jié)。

（2）整個干燥系統(tǒng)正常運行后，接通電加熱過熱器電源，加熱飽和蒸汽，通過溫度控制器獲得所需溫度范圍內(nèi)的過熱蒸汽。通過壓力控制真空泵獲取干燥箱內(nèi)所需的真空度。

（3）將產(chǎn)生的符合溫度要求的過熱蒸汽通入符合真空度要求的干燥箱，進行海參的過熱蒸汽真空干燥試驗。干燥箱蒸汽入口和出口通過熱電偶測量進出口的過熱蒸汽溫度，通過真空表監(jiān)測干燥箱內(nèi)真空度。

（4）通過質(zhì)量監(jiān)測器測量物料的質(zhì)量變化。由于過熱蒸汽的干燥作用，物料水分逐漸減少，物料質(zhì)量處于動態(tài)變化當中，試驗中每隔2min記錄1次物料的質(zhì)量。

（5）試驗結(jié)束后，切斷各加熱器和真空發(fā)生裝置的電源。液態(tài)水在系統(tǒng)中循環(huán)一段時間后再切斷水源。

1.3.2 初始含水率的測定 在進行海參干燥之前首先需要測定物料的初始含水率。試驗物料含水率的測量采用紅外線水分分析儀（加熱溫度設(shè)定為110 ℃，直至示數(shù)不再變化為止）和烘箱法（烘干溫度設(shè)定為110 ℃，加熱時間為3h）兩種方法測量了5 個樣本，含水率取平均值［3］。含水率按式（1）計算：

式中：

φ—— 含水率，%

W—— 海參干燥前的質(zhì)量，g；

Wd—— 海參干燥后的質(zhì)量，g。

1.3.3 水分干燥速率的測定 物料的干燥速率，可以用每批物料干燥前后的質(zhì)量差除以干燥的時間來表示［4］，按式（2）計算：

式中：

Vdry—— 水分干燥速率，kg／h；

G1—— 干燥前物料的質(zhì)量，kg；

G2—— 干燥后物料的質(zhì)量，kg；

t—— 干燥時間，h。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工況下物料質(zhì)量以及脫水率的對比分析

圖3、圖4分別是箱內(nèi)絕對壓力為1kPa，不同蒸汽溫度工況下物料質(zhì)量以及脫水率的變化曲線。因為不同干燥溫度下采用的海參切塊大小難以保證尺寸一致，因此物料開始干燥的初始質(zhì)量不一致。由圖3、圖4可知，干燥開始時被干燥物料質(zhì)量變化速率較快，這是因為物料經(jīng)浸泡、腌制處理后的初始含水率較高，其中大部分水分屬于表面吸附水分。在這種情況下，物料中水分的干燥就像在自由水分表面上進行蒸發(fā)，對流換熱比較激烈，因此在初始階段的單位時間內(nèi)物料水分減少量相對較大［5］。

隨著干燥時間的推移，物料的質(zhì)量變化率逐漸減少。因為后期隨著表面水分的完全蒸發(fā)，物料內(nèi)部水分向外遷移的速度小于從表面向過熱蒸汽中蒸發(fā)的速度，此時干燥已進入降速干燥階段［6］。這一階段水分蒸發(fā)所消耗的熱量比過熱蒸汽提供的熱量要少，這時過熱蒸汽提供給物料的熱量一部分用來蒸發(fā)干燥物料中的水分，另一部分使物料的溫度上升。整體看來，75 ℃工況下干燥初始階段的質(zhì)量變化最大。由于不同溫度工況下的初始物料質(zhì)量不一致，所以無法比較整個干燥過程中不同溫度下的質(zhì)量變化情況。同時，相應(yīng)的水分干燥速率75 ℃工況也明顯高于60 ℃和45 ℃工況。

2.2 不同工況下的干燥速度曲線對比分析

由于真空干燥室內(nèi)充滿了過熱蒸汽，嚴格說不存在空氣相對濕度的問題，但蒸汽的過熱溫度（即離飽和溫度的程度）不同，其吸收水分的能力也不同。

圖3 物料質(zhì)量變化曲線Figure 3 Change curve of the material quality

圖4 水分干燥速率曲線Figure 4 Curve of the moisture drying rate

圖5為不同過熱蒸汽進口溫度下干燥的速度曲線，箱內(nèi)絕對壓力為1kPa。由圖5可知，隨著過熱蒸汽進口溫度的提高，速度曲線的斜率顯著增大，溫度越高，斜率越大，干燥速度的提高比較明顯。可見，過熱蒸汽干燥在未超過逆轉(zhuǎn)點溫度（圖中試驗工況下未出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)點）下進行時，在運行范圍內(nèi)提高干燥介質(zhì)的溫度，對提高產(chǎn)品的干燥速度是非常有利的，而且根據(jù)經(jīng)驗不會增加對物料的熱損傷。出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)點后，在逆轉(zhuǎn)點之后的干燥速度趨于平緩，對物料的干燥效果不明顯。

圖5 干燥速度曲線Figure 5 Drying speed curve

3 結(jié)論

海參的過熱蒸汽真空干燥是一項很有生產(chǎn)價值的研究課題，本研究提出了一種有效的海產(chǎn)品干燥方法。在完成過熱蒸汽干燥箱的設(shè)計基礎(chǔ)上，通過相同真空度下，不同溫度工況下過熱蒸汽干燥的試驗研究，可以發(fā)現(xiàn)：過熱蒸汽溫度越高，干燥速率越高，即隨干燥介質(zhì)溫度的提高，水分蒸發(fā)速率加快，為了避免過高干燥介質(zhì)溫度對海參營養(yǎng)成分的破壞，介質(zhì)溫度應(yīng)控制在適當范圍內(nèi)。由于測試手段所限，目前只關(guān)注于干燥速率的研究，后續(xù)還需考慮對產(chǎn)品干燥品質(zhì)的影響。

1 Mujumdar A S.Drying technologies of the future［J］.Drying Technology，1999，9（2）：325～347.

2 曹崇文，連政國.過熱蒸汽干燥的機理與特性［J］.南京林業(yè)大學學報，1997，21（增刊）：35～38.

3 陳宇.常壓過熱水蒸氣在食品加工中的應(yīng)用［J］.食品與機械，2001（6）：6～9.

4 連政國，曹崇文.過熱蒸汽干燥特性的試驗研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2000，31（1）：66～68.

5 Chatchai Nimmol，Sakamon Devahastin，Thanit Swasdisevi，et al.Drying and heat transfer behavior of banana undergoing combined low－pressure superheated steam and far－infrared radiation drying［J］.Applied Thermal Engineering，2007（27）：483～494.

6 孫妍，薛長湖，齊祥明，等.干燥前預(yù)處理對海參干燥過程及產(chǎn)品品質(zhì)的影響［J］.中國海洋大學學報，2006，36（增刊Ⅱ）：57～61.