獼猴桃太陽能組合干燥裝置的設(shè)計

董繼先， 饒嘉琪

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

0 引言

陜西是中國農(nóng)業(yè)大省之一，水果蔬菜資源非常豐富，品種繁多，且品質(zhì)優(yōu)良，價格低廉.其中獼猴桃種植面積、產(chǎn)量均居全國第一，故有“中國獼猴桃故鄉(xiāng)”之稱[1].獼猴桃果實(shí)中VC含量豐富,被譽(yù)為“水果之王”.但獼猴桃含有大量水分，易腐爛，保存期短.近十年來，每年僅腐爛損失的數(shù)量高達(dá)獼猴桃總產(chǎn)量的25%～30%[2]. 所以獼猴桃干燥技術(shù)是我省獼猴桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要技術(shù)支持.

目前，獼猴桃的干燥主要采用熱風(fēng)干燥和冷凍干燥.熱風(fēng)干燥[1]是用鍋爐將水加熱到100 ℃以上形成過熱蒸汽，再以蒸汽為介質(zhì)，對干燥室內(nèi)的果蔬進(jìn)行加熱脫水.這種脫水方式不僅要消耗大量燃料，而且能量利用效率較低，燃料在燃燒過程中還會產(chǎn)生大量污染氣體.特別是脫水過程獼猴桃自身溫度較高，其中的維生素等營養(yǎng)成分流失，因此干燥后品質(zhì)較差，顏色變化大，香味、營養(yǎng)素的損失大，組織結(jié)構(gòu)變硬，復(fù)水性差等.冷凍干燥[3]作為脫水產(chǎn)品加工中的高新技術(shù)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是不僅能使產(chǎn)品保持原有的色、香、味、形，而且能最大限度地保存食品中的生理活性營養(yǎng)成分；但是冷凍干燥技術(shù)也存在著干燥時間長、能耗高、設(shè)備昂貴、運(yùn)行成本高等缺點(diǎn).其產(chǎn)品價格大約為熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的6倍以上.因此，人們一直在致力于研制各種各樣的節(jié)能高效的干燥設(shè)備以滿足使用需要.獼猴桃的干燥[4]要求溫度較低，大約在40℃～60℃之間，這正好與太陽能熱利用領(lǐng)域中的低溫利用相匹配，并且能縮短干燥周期，提高產(chǎn)量質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益明顯[3].

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計目標(biāo)

本設(shè)計以中國西北部地區(qū)氣候條件為參考[5]，根據(jù)真空干燥技術(shù)與傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥技術(shù)各自的特點(diǎn)，采用“組合干燥”方式，設(shè)計出一種新式的熱風(fēng)真空組合干燥裝置.從而在干燥過程中各取所長，優(yōu)勢互補(bǔ).考慮到現(xiàn)代干燥技術(shù)對于“優(yōu)質(zhì)低耗”的要求，如何降低能耗、提高干燥效率和保留獼猴桃營養(yǎng)成分是本次設(shè)計的目標(biāo).

1.2 結(jié)構(gòu)組成

獼猴桃太陽能組合干燥裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由干燥系統(tǒng)(真空干燥箱、風(fēng)機(jī)等)、加熱系統(tǒng)(太陽能集熱器、電加熱器、進(jìn)出風(fēng)管等)和抽真空系統(tǒng)(各類泵、閥門等)組成，其技術(shù)參數(shù)如表1所示.

1.空氣預(yù)熱器 2.排風(fēng)管 3.排風(fēng)控制閥 4.排濕風(fēng)機(jī) 5.物料及物料盤 6.箱門 7.智能控制器 8.均風(fēng)通道 9.高溫進(jìn)水管 10.給熱水控制閥 11.太陽能熱水器 12.電加熱器 13.太陽能真空熱水管 14.太陽能支座 15.補(bǔ)水控制閥 16.補(bǔ)水管 17.水箱 18.水泵 19.低溫回水管 20.真空泵 21.捕水器 22.真空排濕管 23.真空排濕控制閥 24.排濕百葉窗 25.加熱盤管 26.干燥箱 27.風(fēng)量控制閥 28.熱風(fēng)輔助加熱器 29.引風(fēng)機(jī) 30.進(jìn)風(fēng)管圖1 太陽能組合干燥裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3 工作原理

如圖1所示，首先，干燥的第一個階段是熱風(fēng)干燥.將被干燥果蔬物料經(jīng)物料推車裝入干燥器內(nèi)，通過引風(fēng)機(jī)的工作，環(huán)境冷空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入空氣預(yù)熱器，進(jìn)行第一步預(yù)熱.然后由引風(fēng)機(jī)壓入干燥器中，在干燥器內(nèi)首先經(jīng)均風(fēng)通道勻風(fēng)，經(jīng)太陽能熱水加熱管加熱后與層架上的物料進(jìn)行熱量交換，干燥后的熱風(fēng)由系統(tǒng)中的排濕風(fēng)機(jī)鼓入熱交換器中去預(yù)熱外部進(jìn)入的冷空氣.整個熱風(fēng)干燥階段需要根據(jù)不同物料的初始含水率和熱敏感性進(jìn)行工藝參數(shù)的匹配，這些參數(shù)由系統(tǒng)控制平臺自動調(diào)節(jié).當(dāng)熱風(fēng)干燥到達(dá)一定程度，再進(jìn)行真空干燥.

當(dāng)系統(tǒng)由熱風(fēng)干燥轉(zhuǎn)入真空干燥時，不需要重新布料，由控制平臺發(fā)出指令，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各控制閥，依次開啟水泵、真空泵和捕水器.在干燥器內(nèi)，抽真空口閥門開始打開，同時關(guān)閉底部熱風(fēng)進(jìn)口，開啟太陽能熱水加熱管，此時開始進(jìn)行低溫真空干燥，被太陽能加熱的熱水儲存在加熱器的水箱內(nèi)，通過高溫進(jìn)水管進(jìn)入真空干燥箱里面的加熱盤管，加熱盤管將熱水的熱量釋放給物料使水分蒸發(fā).經(jīng)過一定時間，熱量由熱水傳導(dǎo)給了物料，熱水溫度降低，這時的熱水通過水泵流回水箱，進(jìn)行下一輪循環(huán)加熱.同時，真空干燥器內(nèi)物料蒸發(fā)出來的水蒸汽將通過抽真空口被除去，通過自動控制元件調(diào)節(jié)箱內(nèi)壓力，干燥器內(nèi)需要保持恒定真空度.

1.4 物料、熱量衡算

處理量：50 kg/h，原料初水分：≤95%(85%).

熱風(fēng)后物料水分：≤50%(30%)，產(chǎn)品終水分：≤8%(5%).

物料計算：

進(jìn)入干燥室物料量G1=100 kg等于干燥后的物料量G2加上蒸發(fā)水量G3，即G1=G2+G3,

G2=G1×(1-w1)/(1-w2)=30 kg

G3=G1×(w1-w2)/(1-w2)=70 kg

絕干物料量G4=G2×(1-w2)=15 kg

熱量計算：

根據(jù)西安年平均氣溫15度，年平均相對濕度80%，畫出空氣狀態(tài)I-H圖(圖2)查濕空氣焓濕圖得此狀態(tài)下：空氣含濕量H0=0.008 5 kg水/(kg干空氣)，濕空氣焓值I0=37.67 kJ/(kg干空氣), 即圖2中A(H0,I0).

空氣在預(yù)熱器出口(干燥箱進(jìn)口)狀態(tài)B(H1,I1)T1=60 ℃，空氣含濕量H1=H0=0.008 5 kg水/(kg干空氣)，濕空氣焓值I1=169.53 kJ/(kg干空氣).假設(shè)干燥過程為絕熱冷卻過程，即出口狀態(tài)為圖中C1(H21,I21)點(diǎn)，H21=0.043 5 kg水/(kg干空氣)，則絕熱冷卻過程單位熱消耗熱量QC=(I1-I0)/(H21-H1)= 3 767 kJ/(kg水)，取實(shí)際干燥過程的熱損失Q1為絕熱冷卻干燥過程熱消耗熱量QC的10%，Q1=10%QC=376.7 kJ/(kg水).

本次設(shè)計的干燥裝置中采取盤管加熱和尾氣循環(huán)，在圖2中，由點(diǎn)B至點(diǎn)D連線并與T2=64 ℃線相交于C點(diǎn)，C點(diǎn)就是所求的空氣出口狀態(tài)，查I-H圖H2=0.024 5 kg水/(kg干空氣),I2=127.7 kJ/(kg干空氣).

干空氣用量L=W/(H2-H1)=1 000 kg干空氣/h.

單位熱消耗量q=(I1-I0)/(H2-H1)= 4 143.7 kJ/kg水.

總消耗熱量Q=qW=20.3 kw

圖2 空氣狀態(tài)I-H圖

排風(fēng)管管徑D的計算：

D=(V/3 600×3.14×0.25×u)1/2

式中：u-平均操作氣速，取2,8 m/s；V-管內(nèi)平均體積流量，V=L/ρ；L-空氣用量.

管內(nèi)空氣平均物性溫度60 ℃，查表得此溫度下空氣密度ρ=1.128 g/m3.

管內(nèi)平均體積流量V=L/ρ=1 773.05 m3/h.

排風(fēng)管管徑D=(V/3 600×3.14×0.25×u)1/2=0.18 m

表1 太陽能組合干燥裝置的技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計選型

2.1 槽式太陽能加熱器

太陽能是間斷的多變能源，考慮到在干燥工況不理想如陰雨天氣或陽光不足等導(dǎo)致干燥溫度達(dá)不到設(shè)定范圍的情況[6]，獼猴桃的干燥裝置可采用太陽能與常規(guī)熱源如電加熱器、鍋爐蒸汽等相結(jié)合的方式.為適應(yīng)西部地區(qū)日照時間長，太陽光照間歇性強(qiáng)的特點(diǎn)，選用小型高效的槽式太陽能加熱器.槽式太陽能加熱系統(tǒng)包括集熱管、聚光器和跟蹤機(jī)構(gòu).槽式聚光是利用拋物線的光學(xué)原理，聚集太陽輻射能.拋物線縱向延伸形成的平面稱為拋物面，它能將平行于自身軸線的太陽輻射匯聚到一條線(帶)上，提高能量密度，易于利用.在這條太陽輻射匯集帶上布置有集熱管，用來吸收太陽能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能.

本設(shè)計所采用的槽式太陽能加熱系統(tǒng)相比目前的光伏太陽能集熱器所采用的真空式玻璃集熱管優(yōu)勢明顯.槽式太陽能所采用的集熱管如圖3所示，由外部的玻璃管和內(nèi)部的吸熱管構(gòu)成，兩管之間空隙抽真空阻止熱量損失.吸熱管由不銹鋼制成，內(nèi)部有工質(zhì)流動，在不銹鋼管的表面涂有黑色的吸熱薄膜，薄膜對太陽光有較高的吸收率，同時在紅外波普段有較低的發(fā)射率，這樣就能夠有效地吸收太陽能.這種聚光系統(tǒng)還需要設(shè)置控制系統(tǒng)來適應(yīng)太陽光在一天中角度的變化.槽式聚光吸熱系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為集熱管內(nèi)導(dǎo)熱流體的熱能，然后用高溫工質(zhì)去加熱.槽式太陽能聚光系統(tǒng)的聚光比為20到80，以油為導(dǎo)熱流體的聚熱溫度最高為300～400 ℃，以混合硝酸鹽為導(dǎo)熱流體最高能使集熱溫度達(dá)到550 ℃.另外，為了克服太陽能在時間上分布不均的特點(diǎn)，還將設(shè)置蓄熱系統(tǒng)，并采用電加熱器進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整[7].因此，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)效率高.

圖3 槽式太陽能集熱裝置

2.2 真空干燥箱

獼猴桃脆片的干燥需要在低溫、滅菌的環(huán)境中進(jìn)行.考慮到西北地區(qū)的果蔬加工企業(yè)以箱式熱風(fēng)干燥設(shè)備為主[5]，只需對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行小范圍改進(jìn)的真空干燥箱無疑是最合適的干燥設(shè)備.傳統(tǒng)真空干燥箱的原理是利用真空泵對箱內(nèi)進(jìn)行抽氣抽濕.使工作處于真空狀態(tài)，將潮濕的物料放入箱內(nèi)，在真空條件下進(jìn)行干燥(物料中的水分在真空條件下的沸點(diǎn)很低)，使物料的干燥速率大大加快，同時也節(jié)約了能源.物料在進(jìn)入真空干燥箱內(nèi)干燥時，始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，形體不會被破壞(如物料比重很輕，且粒度很細(xì)，也不會到處飛揚(yáng))，干燥前還可以進(jìn)行消毒處理.因真空狀態(tài)下物料溶劑沸點(diǎn)降低，所以又適用于果蔬等熱敏性物料.真空干燥箱有良好的密封性，所以又適用于干燥需回收溶劑和含有強(qiáng)烈刺激，有毒氣體的物料[8].

本設(shè)計是在傳統(tǒng)真空干燥箱的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后的真空干燥箱，具有熱風(fēng)真空兩種功能，實(shí)現(xiàn)對獼猴桃脆片的低溫干燥.對傳統(tǒng)真空干燥箱進(jìn)行的改進(jìn)如下：

(1)箱體內(nèi)膽采用3042Bδ6.0 mm不銹鋼材料制作，頂部呈圓弧形，使物料在干燥過程中汽化后所產(chǎn)生的冷凝水不能滴入烘架上盛物料的烘盤中，底部呈漏斗狀，箱內(nèi)的冷凝水由四周集中到底部中間，經(jīng)下面的排污管道由不銹鋼球閥排出箱外，節(jié)省了干燥時間.箱內(nèi)四角均采用圓弧角制作，無死角，易清洗，排污好.內(nèi)膽密焊成形，并經(jīng)耐壓及滲透測試.內(nèi)膽加強(qiáng)焊接成形后，經(jīng)精密拋光處理，表面光潔、平整.

A.蒸汽進(jìn)口 B.蒸汽出水口 C.排污口 D.抽真空口 1.吊住 2.密封條 3.熱水管 4.支撐柱 5.均風(fēng)孔板 6.熱風(fēng)進(jìn)口 7.烘架 8.箱內(nèi)板 9.箱外板圖4 FZG-12真空干燥箱

(2)為加強(qiáng)箱體強(qiáng)度，采用優(yōu)質(zhì)A3、8#槽鋼，焊接材料采用302優(yōu)質(zhì)不銹鋼焊條，這種焊條焊接強(qiáng)度好，使箱體在長期真空狀態(tài)下具有不變形，焊道不受損，使用壽命長的優(yōu)點(diǎn).

(3)箱體的外殼采用3042Bδ1.2 mm優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料制作，鉚焊成形，表面亞光磨砂處理，具有表面平整、無焊跡、無劃痕、外形美觀等特點(diǎn).

(4)箱體的保溫材料采用優(yōu)質(zhì)硅酸鋁纖維棉保溫，保溫效果好，表面溫度不超過室內(nèi)溫度(≤5℃)，節(jié)約了能源.

(5)箱內(nèi)的烘架采用Φ32×3 mm不銹鋼圓管制作，氬弧焊接后烘架的表面全部經(jīng)打磨拋光處理，烘架設(shè)計為活動式(箱內(nèi)如需清洗時可將烘架取出)，烘架的底部安裝不銹鋼輪，并配備不銹鋼牽引車.因烘架較重，將烘架放到牽引車上，方便烘架進(jìn)出，降低了勞動強(qiáng)度，節(jié)省了時間.

(6)烘箱加熱方式為蒸汽加熱，蒸汽加熱采用不銹鋼盤管式散熱器加熱，密焊成型后反復(fù)試壓(試氣壓力為12 kg).散熱盤管安裝在烘架上，烘架設(shè)計為7層，上面6層放置烘盤，因蒸汽進(jìn)入盤管式散熱后，底部一層溫度較低，解決了原先6層烘架物料時底部較上面不易干燥和干燥不均勻等問題，節(jié)省了能源，提高了干燥速度.

(7)烘架上安裝烘盤托條，材料為3042Bδ2.0 mm不銹鋼角鋼.托條距離盤管散熱器10～15 mm.因散熱器的表面溫度較高，如果直接將料盤擺放在散熱器上會將料盤底部的物料烤壞.安裝烘盤托條后，料盤底部透氣性好，料盤中的物料受熱均勻，從而可提高干燥速度.

(8)烘箱配備烘盤12只，尺寸為640×460×45 mm，采用一次沖壓成形，材料為3042Bδ0.8 mm不銹鋼，表面平整，光滑、無死角.

(9)散熱器與管道連接形式為不銹鋼快接，如需對箱內(nèi)進(jìn)行清洗時可快速撤除烘架.

(10)抽真空接口安裝在箱體的頂部，孔徑為Dg50，與真空泵連接形式為法蘭連接.真空泵采用2BY-71V型水環(huán)式真空泵，該泵每分鐘的抽氣量為0.86 m3，適用于抽除氣體和水蒸汽，吸氣壓力達(dá)到33 mbar(97%真空度)，當(dāng)真空泵的吸收壓力低于80 mbar長期工作時，則應(yīng)該為緩沖罐配備冷凝器以提高氣體回收的效率.

(11)真空管道的作用是改變干燥系統(tǒng)內(nèi)的干燥壓力，通過干燥箱頂部三通接管與循環(huán)熱風(fēng)系統(tǒng)和真空系統(tǒng)的管道分別相連，真空干燥箱在進(jìn)行干燥方式轉(zhuǎn)換(熱風(fēng)轉(zhuǎn)換為真空干燥)時不用對果蔬物料重新搬運(yùn)與布料，通過頂部閥門有效調(diào)節(jié)，進(jìn)一步節(jié)省了人力和物力成本，減少了物料的損耗.

(12)干燥箱的放空閥安裝在箱體的底側(cè)部位，操作方便，放空閥采用Dg40不銹鋼球閥.

(13)干燥箱配備壓力真空表，安裝在箱門上，便于觀察.

(14)干燥箱配備窺視鏡2只，前門安裝2只.

(15)箱內(nèi)溫度采用智能型數(shù)顯溫控儀表控制，該儀表具有簡易PIC功能，溫度控制靈敏度±0.5 ℃，干燥箱配備電器控制箱1臺，可安裝在箱體上或操作間任何一處便于操作的地方.

改進(jìn)后的真空干燥箱如圖4所示，其各項技術(shù)參數(shù)如表2表示.

表2 真空干燥箱基本參數(shù)

3 獼猴桃干燥實(shí)驗

獼猴桃脆片的干燥工藝路線[8]如下：

獼猴桃原料→分揀→清洗→去皮→切片→護(hù)色→干燥→分級→包裝→檢驗→獼猴桃脆片.

試驗應(yīng)用太陽能組合干燥裝置，進(jìn)行獼猴桃脆片干試驗.將濕基含水率為 85%的獼猴桃切片輸送到真空干燥箱的托盤中進(jìn)行烘干，干燥至獼猴桃切片濕基含水率為10%左右進(jìn)行試驗檢測.試驗時，每批獼猴桃為100 kg，干燥裝置每天 9∶00～17∶00 進(jìn)行干燥作業(yè)，試驗有效干燥時間按每天 8 h 進(jìn)行計算.

試驗結(jié)果表明，該太陽能組合干燥裝置集熱效率高，干燥效果均勻.裝置太陽能跟蹤控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，作業(yè)順暢，無故障發(fā)生.干燥溫度未超過60 ℃，實(shí)現(xiàn)了低溫干燥.與熱風(fēng)干燥方式相比，太陽能熱風(fēng)真空組合干燥裝置烘干1 t獼猴桃，能源消耗僅為常規(guī)熱源的1/3～1/5[9].生產(chǎn)的獼猴桃脆片中VC含量可達(dá)18 mg/100 g，而鮮獼猴桃的VC含量一般為22 mg/100 g(按脫水當(dāng)量)[10]，其質(zhì)量較之熱風(fēng)干燥獼猴桃脆片有大幅度的提高，可與冷凍干燥產(chǎn)品相媲美，產(chǎn)品在相同生產(chǎn)能力下的設(shè)備投資費(fèi)用僅為冷凍干燥設(shè)備的1/2.

4 結(jié)論

(1)為提高獼猴桃干制品的產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)能降耗，充分利用中國西北部地區(qū)充沛的太陽能資源，研制了一種獼猴桃太陽能“熱風(fēng)-真空”組合干燥裝置.性能穩(wěn)定，作業(yè)順暢；對真空干燥箱進(jìn)行了改進(jìn)，使其實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)真空兩種功能，提高了干燥作業(yè)的效率.

(2)該裝置可充分利用太陽輻射能，大量節(jié)省常規(guī)能源，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的.采用空氣預(yù)熱器回收廢熱風(fēng)中的余熱，進(jìn)一步提高能量利用率，降低干燥過程中的能耗；使用自動控制技術(shù)，提高了設(shè)備自動化程度[11]，操作簡單方便.經(jīng)過試驗驗證，“熱風(fēng)-真空”組合干燥裝置所加工的產(chǎn)品，色澤鮮亮、營養(yǎng)含量高、味道香濃，可與冷凍干燥的干制品相媲美，與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的品質(zhì)相比有了明顯的提高.同時，該干燥裝置比現(xiàn)有的同類干燥設(shè)備節(jié)能30%～40%，生產(chǎn)效率提高20%～30%[12].

(3)采用槽式太陽能和常規(guī)熱源如電加熱器、鍋爐水蒸汽等作為正輔加熱源，可以有效克服傳統(tǒng)太陽能集熱器加熱效率低、間歇供熱的缺點(diǎn)，能夠及時、充足、高效的為整個干燥系統(tǒng)提供能源，同時大幅降低了整個干燥系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本.如果能在本地區(qū)推廣此技術(shù)，相信會為更多的食品干制企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益.

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