果蔬熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)

王慧，董繼先,2，王棟,2*，王健,3

1. 陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（西安 710021）；2. 陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院（西安 710021）；3. 寧波奧克斯電氣股份有限公司（寧波 315100）

干燥不僅能除去物料中多余水分，還能抑制微生物活性，是食品存儲的保證，同時也是農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地加工的重要方法[1-3]。熱風(fēng)真空組合干燥是在物料的干燥過程中，分階段的采用熱風(fēng)干燥技術(shù)或真空干燥技術(shù)，發(fā)揮熱風(fēng)干燥成本低、能耗低的優(yōu)勢，發(fā)揮真空干燥品質(zhì)好的優(yōu)勢[4]。近年來，熱風(fēng)真空組合干燥技術(shù)被應(yīng)用于檸檬、卷心菜、丹參、天麻、香蕉、蘋果、豇豆角、黃瓜、獼猴桃等[5-12]多種物料的干燥加工，取得一定研究成果。然而，熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備存在一定問題限制該技術(shù)的推廣應(yīng)用，如干燥室內(nèi)熱風(fēng)循環(huán)方式采用底送頂回的結(jié)構(gòu)使得熱風(fēng)干燥不均勻；熱風(fēng)干燥熱風(fēng)風(fēng)速小，對流換熱效果差、干燥效率低；真空干燥階段熱水預(yù)熱時間長，延長了整體加工時間。為解決上述問題，設(shè)計(jì)新型的熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備。

針對熱風(fēng)干燥不均勻的問題，代建武[13]設(shè)計(jì)一種傾斜料盤式氣體射流沖擊干燥機(jī)，并將其應(yīng)用于哈密瓜片的干燥試驗(yàn)，解決干燥均勻性問題。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，改變熱風(fēng)循環(huán)方式，設(shè)計(jì)氣流分配室均勻分風(fēng)可使熱風(fēng)干燥更均勻，增大熱風(fēng)風(fēng)速提高對流換熱效果，熱風(fēng)干燥效率會更高[14-17]。童亞子等[18]設(shè)計(jì)一套用于香蕉干燥的太陽能熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備，其通過理論分析計(jì)算、驗(yàn)證該設(shè)備科學(xué)性。

針對上述問題，設(shè)計(jì)一種新型熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備，通過改變熱風(fēng)循環(huán)方式，采用側(cè)進(jìn)側(cè)回的熱風(fēng)循環(huán)方式，解決熱風(fēng)干燥不均勻的問題；通過增大熱風(fēng)風(fēng)速提高對流換熱效果，提高熱風(fēng)干燥效率；熱風(fēng)干燥過程采用間歇性排濕，只有當(dāng)熱風(fēng)濕度超過設(shè)定值時才排出高濕氣體，充分循環(huán)利用熱風(fēng)熱量，能顯著節(jié)能降耗。通過采用鑄鋁電加熱板直接接觸式傳熱，提高真空干燥的干燥效率。結(jié)合箱體的靜力學(xué)分析及仿真技術(shù)，保證其使用強(qiáng)度。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

新型熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備主要由熱風(fēng)干燥系統(tǒng)和真空干燥系統(tǒng)組成，熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

干燥作業(yè)時，把裝有物料的托盤放入干燥箱物料車上，并鎖緊箱門。熱風(fēng)干燥階段：打開進(jìn)風(fēng)電動閥門、回風(fēng)電動閥門及離心風(fēng)機(jī)，設(shè)定熱風(fēng)溫度，打開熱風(fēng)輔助加熱器，熱風(fēng)由進(jìn)風(fēng)電動閥門進(jìn)入氣流分配室，經(jīng)過氣流分配室的均勻分風(fēng)使熱風(fēng)在干燥腔室均勻分配，水平穿過干燥腔室進(jìn)入右側(cè)氣流分配室，經(jīng)回風(fēng)電動閥門進(jìn)入熱風(fēng)循環(huán)管道開始熱風(fēng)循環(huán)干燥，當(dāng)溫濕度傳感器感應(yīng)到干燥箱內(nèi)熱風(fēng)濕度超過設(shè)定值時，打開補(bǔ)氣電磁閥和排濕電動閥門及排濕風(fēng)機(jī)排出熱風(fēng)，關(guān)閉補(bǔ)氣電磁閥、排濕電動閥和排濕風(fēng)機(jī)，繼續(xù)開始熱風(fēng)循環(huán)干燥，熱風(fēng)干燥過程近似封閉循環(huán)干燥，只有熱風(fēng)濕度超過設(shè)定值時，才開啟排濕風(fēng)機(jī)排濕即間歇式排濕，減少能耗。在熱風(fēng)干燥時可以開啟電加熱板輔助加熱，提高干燥效率。真空干燥階段：設(shè)置真空干燥時的真空度，真空干燥開始時，關(guān)閉進(jìn)風(fēng)電動閥門、回風(fēng)電動閥門及泄壓電磁閥，開啟真空電磁閥、水循環(huán)式真空泵，真空泵將箱體干燥腔室抽至設(shè)定真空度，關(guān)閉真空電磁閥、真空泵；設(shè)定真空干燥溫度，開啟溫控儀控制電加熱板對物料進(jìn)行加熱，真空狀態(tài)下水的沸點(diǎn)較低，從而加快水分蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)真空干燥。根據(jù)不同物料的含水率和干燥時間不同，若干燥時間較長真空度下降，需再次抽氣恢復(fù)真空度，此時，應(yīng)先開啟環(huán)式真空泵，再開啟真空電磁閥。完成干燥時，打開泄壓電磁閥將箱體干燥腔室泄至常壓，打開箱門取出物料，完成干燥。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 氣流循環(huán)

氣流循環(huán)是熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的重要部分，承擔(dān)著優(yōu)化干燥箱流場分布、平均分配各出風(fēng)口風(fēng)速的作用。合理的氣流分配室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于提高干燥箱的干燥品質(zhì)與效率，降低能耗具有重要作用[18]。因此，為保證物料在干燥過程中所受熱風(fēng)的均勻性，以氣體運(yùn)動微分方程和RNGk-ε湍流模型為基礎(chǔ)，使用Fluent軟件對氣流分配室進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，在原始模型的基礎(chǔ)上安裝擾流平板與劃分流道，使得兩側(cè)流道加寬并對改進(jìn)效果進(jìn)行對比分析。入口邊界條件選擇速度入口邊界條件、出口邊界條件選擇壓力出口邊界條件，固壁條件采用無滑移絕熱壁面邊界條件[19]。原始模型的分配腔室呈長方體狀，長、寬、高分別為1 100，300和1 500 mm；進(jìn)風(fēng)端位于分配腔室正上方，入口尺寸（長×寬）為300 mm×300 mm；側(cè)邊有12排條形出風(fēng)口標(biāo)定最上端為第1排出風(fēng)口，依次至最下端為第12排出風(fēng)口。綜合比較模擬結(jié)果可知，出風(fēng)口風(fēng)速值從第1排5.2 m/s開始不斷降低至第7排2.9 m/s，再逐漸增大至第12排9.3 m/s，原始設(shè)計(jì)模型的速度偏差比最大值達(dá)109%，速度不均勻系數(shù)為42%，不能滿足熱風(fēng)干燥均勻性的要求。安裝劃分流道和擾流平板模型較優(yōu)，兩側(cè)流道加寬，L1=4/5L兩側(cè)加寬的具體尺寸：從左至右6個流道的寬度值d依次為60，50，40，40，40和70 mm。該模型各個出風(fēng)口風(fēng)速偏差很小，提高氣流分配室氣流分配的均勻性[20-21]。氣流分配室優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖及三維圖如圖2所示。

圖2 氣流分配室優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖及三維圖

氣流分配室優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸如圖3～圖4所示。改進(jìn)后的氣流分配室在不同工況下速度偏差比最大值由原始模型109%降至15%，速度不均勻系數(shù)由42%降至7%，且隨著流量增加E呈現(xiàn)減小趨勢，出風(fēng)口風(fēng)速總體分布比較均勻，解決原始模型分布不一致的問題，并對類似與干燥機(jī)氣流分配室結(jié)構(gòu)的均勻性設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

圖3 箱體左側(cè)氣流分配室結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

圖4 箱體右側(cè)氣流分配室結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

2.2 真空干燥箱的加熱系統(tǒng)

為提高真空干燥的干燥效率，通過采用鑄鋁電加熱板直接接觸式傳熱。其中，在電加熱板的一側(cè)，有2個電加熱管的瓷套接線柱，2個瓷套接線柱中間有溫度傳感器安裝孔。干燥過程中，電加熱板和溫度傳感器采用耐高溫線與溫度控制儀連接使用，根據(jù)果蔬干燥特性，可以設(shè)置不同的加熱溫度。鑄鋁電加熱板沒有復(fù)雜的能量傳遞路徑，升溫迅速，導(dǎo)熱均勻，提高連續(xù)作業(yè)效率，使用可靠[22]。電加熱板的安裝示意圖如圖5所示。

圖5 裝有電加熱板的物料車

為保證鑄鋁電加熱板能夠合理裝配，可以確定鑄鋁電加熱板的具體尺寸大小為635 mm×1 000 mm×20 mm。根據(jù)干燥設(shè)備設(shè)計(jì)手冊，傳導(dǎo)式干燥器的傳熱方程式為[24]：

Q=KA（tk-tm） （1）式中：Q為真空干燥所需熱量，W；K為物料與熱傳導(dǎo)面的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；A為與物料接觸的加熱面積，m2；tk為熱源溫度，℃；tm為物料溫度，℃。

其中，料盤底板采用304不銹鋼材質(zhì)，傳熱系數(shù)K=45 W/（m2·℃），真空干燥熱源溫度最高為80℃，物料溫度取環(huán)境溫度20 ℃，A=0.635 m2，代入式（1）可得Q=1 714.5 W。鑄鋁電加熱板加熱功率取10 kW，因此，選用10 kW鑄鋁電加熱板作為真空加熱元件，所選鑄鋁電加熱板的主要參數(shù)如表2所示。

表2 鑄鋁電加熱板的主要參數(shù)

為提高真空干燥效率和真空干燥的均勻性，對真空加熱系統(tǒng)采用鑄鋁電加熱板加熱，鑄鋁電加熱板配合溫控儀使用，升溫快，加熱均勻，提高干燥效率和干燥的均勻性。

2.3 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

干燥箱箱體是熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備的重要結(jié)構(gòu)，箱體的合理性設(shè)計(jì)直接關(guān)系到干燥效率的高低和干燥質(zhì)量的好壞。根據(jù)干燥設(shè)備設(shè)計(jì)手冊[23]，真空干燥參考書[24]，為保證氣流分配室的合理裝配，根據(jù)氣流分配室的尺寸，設(shè)計(jì)滿足熱風(fēng)循環(huán)方式的干燥箱箱體，所設(shè)計(jì)的箱體內(nèi)部腔室長1 500 mm、寬1 100 mm、高1 800 mm、內(nèi)壁采用厚度6 mm的304不銹鋼，內(nèi)壁外焊接8號Q235A槽鋼作為加強(qiáng)筋，縱加強(qiáng)筋間距250 mm，橫加強(qiáng)筋間距360 mm，根據(jù)熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要在箱體上方設(shè)置熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)口和熱風(fēng)回風(fēng)口，其直徑為150 mm，為真空抽氣，在箱體后面開有真空抽氣口，真空抽氣口的口徑為40 mm。

在干燥過程中，物料中的水分不斷蒸發(fā)，為防止物料干燥過程中氣化后的冷凝水垂直滴落到干燥腔室的物料盤中，干燥箱頂部設(shè)計(jì)為尖頂，頂部平面與水平面夾角為10°，以便冷凝水沿著箱體內(nèi)壁流下。由于本設(shè)計(jì)的真空干燥階段采用的是電加熱，所以在真空抽氣口同側(cè)開有2個航空插頭安裝孔，以便內(nèi)部溫度探頭和電加熱板的導(dǎo)線接入，設(shè)計(jì)的航空插頭安裝孔的孔徑為25 mm。由于物料車質(zhì)量較大，為減小勞動強(qiáng)度，方便物料架進(jìn)出，箱體底部設(shè)置有物料車滑動軌道，軌道上安置有裝載物料托盤的物料車。由于箱門尺寸較大，制造誤差等不可避免因素難以保證箱體與箱門平整貼合，為保證真空干燥階段的氣密性，干燥箱靠近箱門一側(cè)需要安裝橡膠密封圈，密封圈要整體成型，由于橡膠彈性、韌性好，回彈性好，選擇蘑菇型橡膠圈作為箱門箱體密封件，同時配合壓力旋鈕機(jī)械式鎖緊，以免真空干燥過程中漏氣。在物料干燥過程中往往要觀察物料的干燥狀態(tài)，因此在箱門上設(shè)置有觀察視窗，為方便識別干燥箱工作時箱體內(nèi)部真空度的大小，在箱門上安裝有真空表。設(shè)計(jì)的箱體的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備箱體結(jié)構(gòu)示意圖

箱體內(nèi)壁厚度計(jì)算：根據(jù)真空設(shè)計(jì)手冊盒型殼體計(jì)算公式[21]，箱體內(nèi)壁厚度按式（2）和（3）計(jì)算。

式中：S為箱體實(shí)際壁厚，mm；C為壁厚附加量，mm，壁厚附加量C包括鋼板的最大負(fù)公差附加量（0.5 mm）、腐蝕裕度（0 mm）、封頭沖壓拉伸減薄量（計(jì)算厚度10% mm）；S0為箱體計(jì)算壁厚，mm；B為矩形板的窄邊長度，mm；[σ]彎為彎曲時許用應(yīng)力，MPa，通常軋鋼的彎曲許用應(yīng)力規(guī)定與其簡單的拉壓許用應(yīng)力相同。設(shè)計(jì)根據(jù)304不銹鋼材質(zhì)，取137 MPa。加強(qiáng)筋與筒體的組合截面、箱體加強(qiáng)筋的布置、加強(qiáng)筋的布置實(shí)物圖見圖7～圖9。

圖7 加強(qiáng)筋與筒體的組合截面

圖8 箱體加強(qiáng)筋的布置

圖9 加強(qiáng)筋的布置實(shí)物圖

3 箱體的靜力學(xué)分析

由于真空干燥箱在真空狀態(tài)下工作，為保證真空干燥時箱體工作的穩(wěn)定性，對箱體進(jìn)行三維建模，對其進(jìn)行靜力學(xué)分析[25]，通過靜力學(xué)模擬分析檢驗(yàn)箱體設(shè)計(jì)是否合理。箱體簡化三維模型如圖10所示。

圖10 帶加強(qiáng)筋的箱體三維模型

箱體內(nèi)壁材料采用304不銹鋼，加強(qiáng)筋材料采用Q235A。網(wǎng)格劃分為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元為159 150個，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為722 820個。對于載荷的添加，干燥作業(yè)時，干燥箱箱體主要受大氣壓力和自身重力作用，抽真空時，箱體受到的最大外壓為一個大氣壓，壓力值約0.1 MPa，此外干燥箱箱體還受自身重力作用，在模擬計(jì)算時，對箱體外表面均添加0.1 MPa的均布壓力載荷，對于箱體的自身重力，給箱體添加重力加速度即可。箱體的約束將4只支腿設(shè)置為固定約束。箱體材料屬性見表3。

表3 箱體材料屬性

干燥箱的應(yīng)力云圖如圖11所示。可以看出，箱體在大氣壓和自身重力作用下，箱體所受到的最大等效應(yīng)力分布在箱體加強(qiáng)筋上，具體位置處于在箱體前面和左側(cè)面中間加強(qiáng)筋外端連接處，最大等效應(yīng)力為71.68 MPa，最大應(yīng)力小于加強(qiáng)筋屈服強(qiáng)度235 MPa，也小于內(nèi)壁材料屈服強(qiáng)度206 MPa。位移云圖如圖12所示，根據(jù)位移云圖可以看出，最大位移處于箱體最大面開孔處，即箱門窺視窗安裝孔，最大位移為0.263 66 mm，數(shù)值相對于箱體尺寸來說，位移形變量很小，對箱體的影響可以忽略不計(jì)。因此，箱體內(nèi)壁采用厚度6 mm的AISI 304不銹鋼，外面焊接8號Q235A槽鋼作為加強(qiáng)筋，縱加強(qiáng)筋間距250 mm，橫加強(qiáng)筋間距360 mm。

圖11 應(yīng)力云圖

圖12 位移云圖

4 結(jié)論

針對熱風(fēng)真空組合干燥中熱風(fēng)干燥階段底進(jìn)頂出的熱風(fēng)循環(huán)方式干燥不均勻、風(fēng)速低、效率低的問題，設(shè)計(jì)一種采用側(cè)進(jìn)側(cè)回的水平熱風(fēng)循環(huán)方式的果蔬熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備。在熱風(fēng)進(jìn)出口采用氣流分配室均勻分風(fēng)，提高熱風(fēng)干燥的均勻性，并且增大熱風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速來提高對流換熱效果，從而提高熱風(fēng)干燥效率。熱風(fēng)干燥過程采用間歇性排濕，只有熱風(fēng)濕度超過設(shè)定值時才排出高濕氣體，充分循環(huán)利用熱風(fēng)熱量，能顯著節(jié)能降耗。

真空干燥階段用鑄鋁電加熱板加熱替代熱水盤管加熱，可縮短真空干燥階段的預(yù)熱時間，提高干燥效率。

設(shè)計(jì)滿足熱風(fēng)循環(huán)方式的干燥箱箱體，并對設(shè)計(jì)的箱體進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析表明箱體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。箱體內(nèi)部腔室尺寸為1 500 mm×1 100 mm×1 800 mm，內(nèi)壁采用厚度6 mm的304不銹鋼，內(nèi)壁外焊接8號Q235A槽鋼作為加強(qiáng)筋。