设备管理_果蔬渗透脱水设备设计

I 果蔬渗透脱水设备设计 摘 要 渗透脱水的脱水具有能耗低，营养成分损失少的特点。由于它可以在较短的时间 内除去水果、蔬菜里的水分而不损坏其组织，使它们仍能保持原有风味、色泽、营养 和品质，而且感观与新鲜时几乎一样，因此是一种颇受看好的加工技术。 生产中渗透脱水设备要解决几个主要方面的问题：连续循环大量的高粘度渗透液， 样品原料飘浮现象（样品原料比重小于渗透液的比重） 。工业生产中需要考虑的几个问 题：使样品原料浸泡在渗透液中，对样品原料的操作要轻柔；原料样品与渗透液的比 值要尽可能的小。 本次设计的设备主要结构有振荡槽，原料筐 ，循环泵，振荡马达，空气压缩机等。 机械振荡式渗透脱水设备结构简单，渗透溶液设计有回流管道，能够有效调节渗 透溶液浓度，同时设置气压缸的上下运动，振荡马达的左右方向的机械振动，加上原 料框下方压缩空气管的扰流，和循环泵的喷淋可以强化渗透脱水过程的进行，进而最 大限度的提升传质效率。 关键词 ：果蔬，渗透脱水，振荡设备 II Design of Dewatering Equipment for Fruits and Vegetables ABSTRACT Dewatering technology has low energy consumption, low loss characteristics of nutrients Because it can be removed in a short period of time fruits and vegetables in water without damage to their organization, so that they can maintain the original flavor, color, nutrition and quality, and sensory and almost the same as when fresh, it is a popular promising processing technology. Production of dewatering equipment to address several major issues: a continuous cycle of infiltration of a large number of high-viscosity liquid, the sample material floating in the phenomenon (the proportion of samples of raw materials is less than the proportion of liquid penetration) Industrial production needs to consider several issues: the samples immersed in osmotic solution of raw materials, the operation of the sample material to be gentle; raw sample and the ratio of permeate to be as small as possible. The main structures of the device are oscillation trough, raw material basket, Circulation pump, vibration motors, and air compressors. Mechanical vibration-type dewatering device of simple structure, the design of osmotic solution return pipe, can effectively regulate osmotic concentration, and set the air pressure cylinder moving up and down, left and right motor direction of oscillation of mechanical vibrations, coupled with the compressed air pipe material interference box below flow, and circulation pump spray can strengthen the process of osmotic dehydration carried out, and then maximize the efficiency of mass transfer enhancement KEY WORDS: fruits and vegetables，osmotic dehydration，oscillation device III 目 录 摘 要 .I ABSTRACT .II 1 绪论 1 1.1 课题目的及意义 1 1.2 渗透脱水的基本原理 2 1.2.1 渗透脱水的几种相似定义 3 1.2.2 渗透脱水技术不同于常规干燥的特点 3 1.2.3 原料和浸渍液的选择 3 2 果蔬渗透脱水开发国内外研究现状和前景 5 2.1 果蔬渗透脱水的现状.5 2.1.1 渗透溶液的选择.5 2.1.2 渗透溶液的浓度 6 2.1.3 温度选择 6 2.1.4 渗透脱水的时间 6 2.1.5 水果样品和渗透液的比例 7 2.1.6 渗透脱水过程中搅拌的选择 7 2.1.7 压力的影响 7 2.2 渗透脱水的应用前景.7 3 设备设计的总体构思和基础设备的设计 9 3.1 工业上常见的问题 9 3.2 具体的问题及详细的指标 9 3.3 设备设计的的构思 .10 3.3.1 渗透方式的选择 .10 3.3.2 关于渗透效率的问题 .10 3.3.3 有关浮料的问题 .11 3.3.4 关于渗透液的循环使用 .11 3.4 渗透脱水设备方案图 .11 3.4.1 设备结构特征 .12 3.4.2 实际运行情形： .13 3.4.3 具体操作方法 .13 3.4.4 设备的优点 .13 3.5 基础设备的设计 .13 IV 3.5.1 原料筐的设计 .13 3.5.2 振荡槽的设计 .14 4 主要设备的设计 .15 4.1 振荡马达的设计 .15 4.1.1 电机结构和运行原理 .15 4.1.2 电机参数计算及设计 .16 4.1.3 电机样机参数 .18 4.1.4 振荡电机的电压，振荡频率，额定转速，额定功率的选择 .18 4.2 离心泵的选型设计 .18 4.3 关于气缸的选型 .19 4.4 空气压缩机的选型 .19 4.5 框状空气管的设计 .20 4.5.1 框状空气管的直径（内径）确定 .20 4.5.2 空气管接头的选用 .20 5 辅助设备的设计22 5.1 空气过滤器的选型22 5.2 溶液输出和回流管道的设计23 5.2.1 溶液输出和回流管道的作用 .24 5.2.2 溶液输出和回流管道的直径确定 .24 5.2.3 溶液输出和回流管道的管件选用 .24 5.3 消毒机 .25 6 结论与建议 .26 6.1 结论 .26 6.2 建议 .26 致 谢 27 参考文献 .28 陕西科技大学毕业设计0 1 绪论 1.1 课题目的及意义 果蔬渗透脱水是指在一定温度下，将水果或蔬菜浸入高渗透压的溶液，即糖溶液 或盐溶液中，利用细胞膜的半渗透性使物料中水分转移到溶液中，达到除去部分水分 的一种技术。与传统的热风脱水相比，由于水分的转移而没有发生相的变化即无需加 热，因而渗透脱水的脱水具有能耗低，营养成分损失少的特点。由于它可以在较短的 时间内除去水果、蔬菜里的水分而不损坏其组织，使它们仍能保持原有风味、色泽、 营养和品质，而且感观与新鲜时几乎一样，因此是一种颇受看好的加工技术。 在生产中，渗透脱水可以作为果蔬加工的一种前处理方式，与果蔬干燥、冷冻、 罐藏等方法组合使用。渗透脱水后的产品进一步干燥时使用果蔬的干制品，渗入到组 织内部的糖分可对果蔬制品起到一定的保护作用，从而可以避免或限制使用二氧化硫， 同时增加了产品在贮藏期的色素稳定性。 另外，从生产角度来说，经渗透脱水的果蔬 再行干燥时，产品的干燥时间可缩短 1015 ，同时由于体积和重量的减少，使干燥 的有效荷载增加 23 倍，从而大大节省了能耗。渗透脱水水果用来制作果酱时，可使 产品的感官品质优于普通果酱。由于渗透脱水具有诸多好处，将使这一技术作为果蔬 前处理方法而得到广泛的推广应用，应用的日益广泛。 渗透脱水早期的研究主要集中在脱水的可能性、渗透脱水的影响因素、渗透过程 中的物理和化学现象等。近年来，对渗透脱水过程中的物质迁移进行了广泛深入的研 究，建立了许多动态模型。目前，渗透脱水技术的研究主要集中在果蔬加工，已报道 的品种主要有：苹果、菠萝、香蕉、草莓、芒果、桃、梨、葡萄、杏子、樱桃、猕猴 桃、土豆、蘑菇、番茄及胡萝卜等。 水果和蔬菜的人类摄取维生素、矿物质、有机酸、膳食纤维等营养成分和生理活 性成分的主要来源，其在平衡膳食中占有非常重要的地位。在人们日益追求安全、营 养、保健、方便的绿色食品中，脱水果蔬越来越受到人们的青睐，已成为我国出口创 汇的主要产品之一。为了最大限度的保留脱水果蔬的色香味和维生素等热敏性成分或 生理活性成分，渗透脱水技术联合其它干燥技术，如热风、冷冻、微波、远红外干燥 技术等。目前，国际国内蔬菜加工的数量和需求不断上升，加工的方法不断更新，渗 透脱水可以作为脱水蔬菜、速冻蔬菜、罐藏蔬菜的前处理方法。而通过渗透脱水制得 的中等水分的水果可作为甜点心、酸奶、冰淇淋等的原料，提高果品的利用价值和经 济效益。 渗透脱水技术应用于水果、蔬菜、肉类、鱼类等，可较好地保持果蔬、肉类加工 后的品质，降低加工能耗，因此这一技术受到国际食品界的广泛关注。食品渗透脱水 果蔬渗透脱水设备设计1 技术的应用具有悠久的历史，如传统蔬菜、肉类、鱼类的盐腌，水果的蜜制和糖制等。 但直到上世纪 60 年代，人们才开始深入地研究这一技术的机理及其和干燥、冷冻、杀 菌、罐藏等方法的组合应用。研究发现，渗透脱水技术广泛适用于水果、蔬菜、肉类、 鱼类，可较好地保持果蔬加工后的品质，降低加工能耗。加拿大、法国、英国、德国、 意大利、希腊、比利时、瑞士、荷兰等国家的 13 个课题组，在 19972000 年对渗 透脱水进行了专门研究，以求为渗透处理的工业化应用提供理论和技术支持。 过去的几十年里，国外渗透脱水研究和应用非常活跃；与此同时，这方面的研究 也引起国内科研工作者的关注。渗透脱水作为栅栏技术的一种手段结合其它技术，实 现了对果蔬原料原有品质的保持。例如将渗透脱水的水果产品在低温下贮存可以最大 限度保存水果的风味、色泽和营养成分。渗透脱水技术结合其它技术的应用可以参 1 照表 1 表 1-1 渗透脱水技术在果蔬加工中的应用 应用举例 部分脱水（固体原料）配合其它加工手段 巴士灭菌、低温冷藏、冷冻、进一步干燥脱 水（常压气体干燥、真空干燥、冷冻干燥、微波 干燥等） 。 腌制糖渍（浸糖） 、盐渍（浸盐） 调整产品配方（目的在于） 获得更好的感官品质， 改善产品的结构（通过添加钙离子、酶制剂 来突出产品的结构特点：弹性、咀嚼性等） ， 强化营养（添加一些功能因子） ， 延长保质期（添加生物防腐剂、化学防腐剂） 。 综合运用上述三种手段开发保质期更长的微加工果蔬产品 总之，渗透脱水技术在不断完善自身技术方法和设备的同时，与其它食品加工技 术结合的联合技术在理论的建立，完善和应用中将向着更深更广的方向发展，将作为 果蔬加工的前处理方法而得到广泛的应用。果蔬渗透脱水与传统的热风脱水相比由于 水分的转移而没有发生相的变化即无需加热因而渗透脱水的脱水具有能耗低营养成分 损失少的特点。由于它可以在较短的时间内除去水果蔬菜里的水分而不损坏其组织使 它们仍能保持原有风味色泽营养和品质而且感观与新鲜时几乎一样,因此是一种颇受看 好的加工技术。渗透脱水作为果蔬加工的一种前处理方式与果蔬真空低温干燥等方法 陕西科技大学毕业设计2 组合使 1.2 渗透脱水的基本原理 分子扩散是在相内有浓度差（或浓度梯度）存在的条件下，由于分子的无规则运 动而导致的物质传递现象。果蔬内的水分和浸渍液之间存在浓度差，所以达到脱水的 效果。 1.2.1 渗透脱水的几种相似定义 （1）渗透脱水是指利用渗透原理对水果和其它原料进行部分去除水分的过程， 在这个过程中通常将被处理的样品浸入到水分活度（aw）低的含有溶质（渗透剂）的 水溶液（渗透液,通常用糖溶液）中处理一定时间来达到去除产品部分水分的目的。 （2） 果蔬的渗透脱水技术是指果蔬在一定的温度下，浸入一高渗透压的溶液中 （糖溶液或盐溶液） ，去除其中部分水分的一种方法。它是基于天然果蔬细胞壁作为半 透膜，在渗透脱水过程中，主要存在两个相反过程，果蔬中的水分流入溶液，同时溶 液中的溶质逐渐渗入果蔬，这两个过程进行的程度取决于半透膜两边溶质和水的量2。 1.2.2 渗透脱水技术不同于常规干燥的特点 与常规干燥相比，渗透脱水有两方面的特点： （1）物料在浸泡脱水的同时，也附集了溶质本身； （2）浸泡脱水处理后的产品还不是最终产品（货架期还不稳定） ，仍需要配合其 他的加工手段，如：干燥、冷冻、巴氏灭菌、罐藏或添加防腐剂等才可以最终生产出 货架期稳定的产品。 （3）与传统的热风脱水相比，由于水分的转移而没有发生相的变化即无需加热， 因而渗透脱水具有能耗低，营养成分损失少的特点； （4）由于它可以在较短的时间内除去水果、蔬菜里面的水分而不损坏其组织，使 它们仍能保持原有风味、色泽、营养和品质，而且感官和新鲜时几乎一样，因此是一 种颇受看好的食品加工技术。 3 1.2.3 原料和浸渍液的选择 苹果是世界四大水果之一，是世界温带地区栽培的最重要的果树品种和我国北方 主要的水果品种之一，在世界和我国果品市场中占有重要的位置。目前，我国种植的 苹果种类繁多，产量也很大，特别是近二十年来，我国在苹果种植方面取得了突飞猛 进的发展。相关资料显示，自 2001 年以来，我国的苹果产量已连续多年位居世界第一 位，其中 2007 年的产量达到了约 2400 万吨，占世界苹果总产量的比重也由 10 年前的 果蔬渗透脱水设备设计3 35%上升至目前的 45%左右。我国苹果产量如此之大，已经大大超过了鲜销的需求。 因此，发展苹果加工行业已经势在必行。所以本设备的果蔬代表选择了苹果 在选择渗透液溶质种类和浓度时要考虑以下几个方面的因素。渗透脱水产品感官 评价结果是选择渗透剂的首要因素。其次要考虑渗透剂的成本。渗透剂的水溶性也是 要考虑的因素，换句话说就是渗透剂要水溶性高，在使用同样重量单位的溶质时能够 达到较高的渗透液浓度。溶质降低渗透液水分活度的能力是另一个考虑因素，水分活 度直接影响渗透脱水的效果。典型的渗透剂有无机盐、单元醇类和多羟基有机物（蔗 糖、乳糖、麦芽糊精、果葡糖浆） 。蔗糖和食盐是最常用的两种渗透剂（渗透液溶质） ， 当然任何与水互溶的溶质或溶剂理论上都可以作为渗透剂，所以用蔗糖最为苹果的渗 透液溶质水为溶剂。 陕西科技大学毕业设计4 2 果蔬渗透脱水开发国内外研究现状和前景 2.1 果蔬渗透脱水的现状 用来进行蔬菜脱水的方法有以下几种: 渗透脱水,热风干燥，微波干燥，真空干燥， 红外辐射干燥等。果蔬渗透脱水是指果蔬在一定温度下，浸入一高渗透压的溶液中， 除去其中部分水分的一种方法。因植物细胞壁是一种半渗透膜，具有部分选择性，因 此在渗透脱水时，存在两个相反的质传递过程。植物细胞中的水分透过膜进入溶液， 溶液中的溶质也有一部分渗透到细胞中去，在目前节能的大背景下，渗透脱水成为了 热点。热风干燥需要的时间长，耗能大，生产成本大，而且果蔬品质不好保证，常常 被氧化。微波干燥是目前研究的比较成熟而且应用前景也很广阔的一种脱水方法，也 可以与其它方式结合进行联合脱水。真空干燥主要利用水分的沸点是随着压力的降低 而减小的原理，可以在较低的温度下对果蔬进行脱水，有利于保持果蔬的原味。红外 辐射是，当红外线频率和分子结合的振动频率相一致时，红外线能量就能转换为分子 的振动能量，高分子物质温度就上升.这就是红外线辐射加热的机理。 果蔬体积小,脱水效果明显。果蔬组织结构的严实程度、初始不溶性固形物与可溶 性固形物的含量、细胞间距、水溶性果胶和原果胶的比例、酶活性的大小等等都是制 约脱水效果的因素。水果外表皮蜡质含量越低,除水效果越明显,因此,果蔬渗透脱水前往 往进行皮处理。主要是使用一些化学物质除去果皮中的蜡质层,增加半透膜的脱水作用, 一般使用 C10C18 的脂肪酸乙酯对果皮进行处理。Constantine 等人(1984) 研究得出:用 1 %的油酸乙酯来浸泡甜玉米和未成熟的玉米 30s , 然后进行空气干燥, 其脱水效果大 大提高。Punting 等人(1970) 研究发现处理樱桃、葡萄、杏子的油酸乙酯的最佳浓度分 别为 1 %、2 %和 2 %5 %。Marco Riva 报道经油酸乙酯处理的葡萄的脱水效果大大 提高。这些实验研究表明:水果表皮对水的渗透性是制约渗透脱水效果的因素。加拿 4 大的 L Yu 等人(1997) 对樱桃和蓝莓的皮处理进行研究, 选用以下三种方法: a1 蒸汽处 理 30s , b1 在 90 条件下在热水中浸泡 30s , c1 用 1 %的豆蔻酸乙酯在 30 条件下浸 1min ; 实验证实, 经以上处理的樱桃和蓝莓再进行渗透脱水时,其脱水效果大增,而且可 缩短随后进行的空气干燥时间; 特别是在 13718kPa 压力下,经过 30s 蒸汽处理的试样, 其渗透脱水效果最佳。 2.1.1 渗透溶液的选择 常用的渗透溶液中的溶质为: 蔗糖、葡萄糖、果糖、玉糖浆、麦芽糊精、乳糖、氯 化钠、柠檬酸钠。一般说来,溶液用作水果的渗透脱水液,盐溶液用作蔬菜的渗透脱水液。 渗透溶质的分子量及其离子行为在很大程度上影响着水分的去除量、固形物的获得以 果蔬渗透脱水设备设计5 及达到平衡时的分含量。Feign Kayak Retaking (1996) 研究豌豆的脱水现象时发现: 30 %的 柠檬酸钠溶液和 60 %的蔗糖溶液的水分活度相当, 但柠檬酸钠的脱水效果比蔗糖要强, 这主要是因为柠檬酸钠与蔗糖的不同分子量、不同离子行为所致。Remy Surely 等人 5 (1994) 实验证实, 渗透过程中, 果蔬吸入溶质的数量与其分子量直接有关, 如果溶质分 子量较小, 果蔬吸入溶质的量随时间的延长而增加, 如果溶质分子量较大的话,溶质吸入 则不明显。也有研究者将盐与糖混合使用, 因为盐与糖之间有增效作用, 这样处理效果 良好。La Maguey (1992) 在蘑菇的脱水试验中发现, 先用高浓度的糖溶液处理, 再用高 浓度的盐溶液处理, 不但脱水效果好,而且糖溶液可以防止盐溶液的盐分渗入蘑菇。 6 也有研究者在渗透溶液中加入一些添加剂,如:抗坏血酸、柠檬酸、山梨醇。M1L 1Erba (1994) 的实验表明:在糖浆中加入山梨醇可减少杏子和桃子脱水后固形物含量的增加,并 可减少水分的过多失去。分别用果糖溶液和果糖溶液添加山梨醇的溶液处理杏子和桃 子, 尽管两者的可溶性固形物和不溶性固形物含量的比例相同, 但经添加山梨醇的果糖 溶液处理后的杏子和桃子组织结构更柔软。因此,用含山梨醇的糖溶液处理后的水果更 适宜作零食, 或用于制作糕点、冰淇淋和酸奶,除此之外,山梨醇可防止果蔬褐变,山梨醇 改善水果产品的组织结构的机理还有待进一步研究。 2.1.2 渗透溶液的浓度 一般说来,渗透溶液的浓度越高,果蔬的失水量越大,其产品的总固形物和可溶性固形 物的含量均增加。很多研究均采用 65Be左右的糖溶液,5 %15 %的盐溶液。浓度 过低, 脱水效果不明显; 但浓度过高, 溶液的粘度增加, 给脱水过程中的搅拌带来困难。 2.1.3 温度选择 渗透扩散过程受温度变化的影响。温度在渗透过程中的效果可以用 Arrhenius 公式 描述。较高温度条件下细胞体积通常增大，细胞本身通透性也会增加，样品内部的综 合物质传输能力相应加快；同时渗透液的粘度也相应降低，样品外部渗透液中物质交 换速度加快。另外也有报道，升高温度可以加快渗透过程中的样品脱水能力但不会改 变可溶性固形物的获得。尽管如此，在使用温度的过程中要注意温度的界限，超过 600的渗透温度常常会对样品的细胞膜和植物组织造成破坏。Vide 等人在他们的研究 中也指出，超过 500的渗透温度会造成苹果块的风味损失和颜色变暗。在实际操作中 对于温度的选择要依据样品特性、渗透干燥的目的和工艺来确定。 2.1.4 渗透脱水的时间 浸泡时间越长, 果蔬的失水量越多。一般浸泡时间 56h 为宜。如果渗透时间过 长, 则影响着果蔬的感官品质和营养品质。一般说来,不值得用渗透脱水方法使果蔬的 陕西科技大学毕业设计6 失重达 50 %以上。事实上, 用糖溶液进行水果脱水时,刚开始, 由于渗透压作用, 水分 很快从水果组织中进入糖溶液, 实验证明, 水果刚浸没后的 2h 内水分浸出最快, 而糖 分子由于分子较大, 不容易很快就透过细胞膜, 所以在达到渗透平衡时主要是水分从水 果组织中进入糖溶液。 2.1.5 水果样品和渗透液的比例 水果样品和渗透液比例是指单位重量水果所需要的渗透液的单位重量数。过小的 比例会造成样品渗出水分对渗透液进行稀释，从而使渗透脱水过程中渗透液浓度波动 比较大。在研究和中试规模生产中为了避免渗透液浓度波动带来的干扰影响，常常采 用较大的比例（大于 1：20/30） 。这样做一方面可以避免因渗出水分的稀释作用带来干 扰, 另一方面也可以简化渗透脱水过程中的物质传递模型。从工业生产的角度讲，需要 这一比例尽可能的小，这样有助于减小厂房的规模，可以降低渗透液和生产成本, 同时 也便于对渗透液进行管理 2.1.6 渗透脱水过程中搅拌的选择 渗透脱水的特点是通过渗透液从固体样品中取出水分；固体样品一般组织结构比 较脆、比重小，渗透处理时样品被浸泡在比重大、粘度高的渗透液中。研究表明对高 浓度情况下的渗透脱水，搅拌过程有利于渗透脱水本身。原因在于通过对渗透液的连 续搅拌，渗透液和样品表面相交的渗透液层组分可以得到不断更新，进而保证了维持 渗透脱水进行所必需的样品和渗透液之间的渗透压差。对于搅拌速度对渗透脱水的理 论、系统地研究还是非常缺乏的；在生产过程中，选择搅拌速度能够保证渗透液内部 溶质浓度均一、温度均匀即可9。 2.1.7 压力的影响 X Q Shi , P Frito (1995) 在真空条件下对杏子、草莓、菠萝等进行脱水效果的试验, 研究发现, 在 40 条件下,使用真空脱水可使菠萝的失水量增加 2413 %、杏子的失水 量增加 2412 %、草莓的失水量增加 1512 %。真空脱水可大大缩短脱水时间,而溶质很 少渗入水果。而且发现,40 条件下, 真空渗透处理以上三种水果的失水量与 50 条件 下的常压渗透脱水效果相当, 可见, 使用真空脱水可使水果在较低的温度条件下进行脱 水。如果果蔬的孔隙度大的话,真空脱水效果显著。 7 2.2 渗透脱水的应用前景 渗透脱水可以在较短的时间内除去果蔬的水分而不损坏果蔬的组织结构,经过渗透 脱水的果蔬产品仍具有果蔬应有的风味、色泽、质构、营养品质, 其产品的感官品质相 当不错,与新鲜果蔬几乎一样。渗透脱水可以作为果蔬加工的一种前处理方式, 与果蔬 果蔬渗透脱水设备设计7 干燥、冷冻、杀菌、罐藏等方法组合使用。渗透脱水后的产品进一步干燥生产果蔬干 制品,渗入到组织内部的糖分可对果蔬制品起到一定的保护作用, 可以避免或限制使用 二氧化硫, 同时增加了产品在储藏期间的色素稳定性,少量糖分的渗入可使产品比普通 产品更温和可口。从生产的角度来说,经渗透脱水的果蔬再进行干燥, 产品的干燥时间 可缩短 10 %15 % , 同时由于体积和重量的减少, 使干燥的有效荷载增加了 23 倍, 从而大大节省了能耗。渗透脱水后的产品用来制作罐头可使用产品的感官品质优于普 通罐头产品,这一步关键是是将水果处理至 2024Bricks , 使水果的天然风味物质增 加,在以后的加热处理时,颜色和质地的稳定性提高,并且由于重量和体积的减少,装罐能 力提高。渗透脱水后的产品进行冷冻干燥使原料体积变小及固形物增加,冷冻干燥的荷 载和加工能力可提高三倍。果蔬的冷冻往往需要消耗大量的能源以冷冻新鲜原料中所 含的大量水分,经渗透脱水后, 果蔬水分含量减少, 冷冻期间能源消耗降低, 同时,由于重 量和体积减少,包装、运输及销售处理等过程中的费用相应减少, 而且, 这样的冷冻产品 解冻时组织破坏明显减少。与冷冻前的空气干燥相比,既节省了能源,又避免了新鲜原料 因空气干燥造成的品质下降。渗透脱水后的葡萄若用来榨汁, 由于糖酸比提高, 再经发 酵制得的葡萄酒的感官品质也得以提高。由于渗透脱水在果蔬的品质保持和能源消耗 方面的优势,它作为果蔬加工的前处理方法得到了国际食品界的广泛关注,是一些发达国 家努力探索的一项课题(加拿大、法国、英国、德国、意大利、希腊、比利时、西班牙、 瑞士、荷兰的十三个课题组正对渗透脱水的应用进行研究,被研究的不光是果蔬,还有鱼、 肉等) 。在大规模工业应用时,亟待解决的问题还有渗透溶液的在线管理、如何来控制 溶液的浓度、如何来回收溶液、如何来确保渗透溶液的微生物指标的安全性等等。目 前, 快餐业蓬勃发展, 汉堡包、三明治、比萨饼的制作需大量的中等水分含量的蔬菜,如:西 红柿、花菜、蘑菇、胡萝卜等等,渗透脱水是制备这些脱水蔬菜的优选方法。目前, 国 际国内蔬菜加工的数量和需求不断上升, 加工的方法不断更新,渗透脱水可以作为脱水 菜、速冻菜、罐藏菜的前处理方法。我国尽管是世界上第一水果生产国,但高产并没有 高效。我国长期以来重视水果的采前栽培、病虫害防治, 却忽视采后处理, 致使水果在 分级、包装、运输等过程中腐烂损失严重, 每年约有 25 %的产品因变烂而不能利用。 果品加工业是实现水果采后减损增值的主要途径之一。通过渗透脱水制得的中等水分 的水果可作为甜点心、酸奶、冰淇淋等的原料, 这样可以提高果品的延伸效益。随着应 用性研究的深入,渗透脱水将作为果蔬加工的前处理方法而得到广泛应用。 9 陕西科技大学毕业设计8 3 设备设计的总体构思和基础设备的设计 3.1 工业上常见的问题 生产中渗透脱水设备要解决几个主要方面的问题：连续循环大量的高粘度渗透液， 样品原料飘浮现象（样品原料比重小于渗透液的比重） 。 工业生产中需要考虑的几个问题： 使样品原料浸泡在渗透液中 对样品原料的操作要轻柔 原料样品与渗透液的比值要尽可能的小 同时要选择容易控制的参数来调节控制渗透脱水工艺，如温度、渗透液浓度、压 力、渗透液搅拌速度。尽管渗透脱水技术具有广阔的应用前景，但在实际生产上这一 技术主要用来生产糖浸的水果，生产过程的控制依靠经验来实现。工业生产主要是间 歇式的生产模式。生产中，新鲜的水果切块首先浸泡在糖溶液中一定时间，渗透液温 度保持在 30-800C 之间；然后进行风干，待产品最终水分含量达到 15%-20% （重量 比）即风干结束。 渗透脱水技术工业化的一个主要瓶颈是没有足够的资料信息来设计一个合理的、 连续的渗透脱水设备。在渗透脱水工艺放大过程中，有三个主要问题需要解决：果蔬 样品与渗透液的有效接触（果蔬原料的密度低于渗透液的密度，果蔬原料常常漂浮在 渗透液表面上） ，有效利用大量的渗透液，有效地循环利用渗透液降低生产成本、减少 废物排放。 3.2 具体的问题及详细的指标 根据对现有渗透脱水技术的理解和认识，下面一些指标可以用来在设计渗透脱水 工艺、渗透脱水设备时作参考。包括功能需求和控制需求 B 功能 1：固体样品能够与渗透液在高浓度下依然保持良好接触。 具体的控制标准有六个： B11: 在渗透液和样品之间能够有相对快速、分布均匀的运动； B12: 不存在对样品的机械损伤（样品没有破损、没有刮伤） ； B13: 控制渗透脱水的处理时间：在连续渗透脱水设备中，控制样品在渗透脱水反 应器中的停留时间； B14: 具有盛纳不同形状样品的能力（整个、块、片） ； B15: 能够减低渗透液与样品的比例（有助于降低生产成本、降低生产设备的尺寸） 果蔬渗透脱水设备设计9 ； B16: 避免渗透脱水过程中样品与空气接触而造成的氧化反应。 功能 2：能够容许渗透液的进入和排出。 功能 3：能够容许原料样品的投入和成品的取出 功能 4：能够有效控制渗透脱水过程中的工艺参数。 B41: 样品和渗透液的温度； B42: 渗透液的浓度； B43: 样品和渗透液的外界压力； B44: 渗透脱水过程中的搅拌状态。 功能 5：符合相关的机械、电力操作条件和相应的食品操作规范能。 功能 6：生产制造渗透脱水设备的成本要合理。 在工艺、设备设计过程中，要尽可能地满足功能要求（F）和控制要求（C） ；对设 备传送带即要保证样品物料在高渗溶液中的浸泡又要保证样品物料的顺利传输。好在 目前已有许多成熟的工业技术可以供渗透脱水技术应用选择。 3.3 设备设计的的构思 前人根据的设计资料和相关实际问题，确定几大基本设备，并对相关问题细节确 定设备的可行性 3.3.1 渗透方式的选择 按照渗透液与样品的接触方式可以对不同渗透脱水进行归类，大致分为以下几类： 渗透液在样品外部：样品浸泡在渗透液中、渗透液有搅拌（连续、间歇）或没 有搅拌，渗透液淋浴样品等形式 渗透液通过注射方式注入样品内部。 固体渗透剂涂抹在样品表面上 通过环境压力改变来改善物质传递效果 通过预处理样品改变样品细胞壁通透性实现改善物质传递效果 在渗透脱水的同时运用其他手段改善物质传递效果 我选取的是上述的第一种脱水方式，即渗透液在样品外部样品浸泡在渗透液中渗 透脱水的特点是通过渗透液从固体样品中取出水分；固体样品一般组织结构比较脆、 比重小，渗透处理时样品被浸泡在比重大、粘度高的渗透液中。 3.3.2 关于渗透效率的问题 工业上大部分采取搅拌的方式来提高效率，渗透液搅拌状态对渗透脱水过程中样品 陕西科技大学毕业设计10 水分损失和可溶性固形物搅拌有助于高浓度、高粘度渗透液中样品中的物质扩散。说 明对高浓度情况下的渗透脱水，搅拌过程有利于渗透脱水本身。原因在于通过对渗透 液的连续搅拌，渗透液和样品表面相交的渗透液层组分可以得到不断更新，进而保证 了维持渗透脱水进行所必需的样品和渗透液之间的渗透压差。对于搅拌速度对渗透脱 水的理论、系统地研究还是非常缺乏的；在生产过程中，选择搅拌速度能够保证渗透 液内部溶质浓度均一、温度均匀即可。 尽管搅拌有这些好处，但是考虑到搅拌可能会对原料造成损伤，我选择另一种方式也 就是振荡来替换这种方式不但可以避免损伤原料，使得苹果片与糖浆接触的更充分， 同时解决糖浆浓度不均温度不均的问题，不但提高了渗透脱水的质量，而且也加快了 速度，节省了时间，提高了效率，更加具有经济性。 具体的就是通过一个振荡马达或者偏心电动机来完成左右方向的振荡至于上下方 向的振荡是通过空气压缩机完成的，而原料框的运动考虑到马达的振荡和其本身的上 下运动决定用摆动气缸完成详见具体设计 3.3.3 有关浮料的问题 关于浮料的问题，在工业上很常见，也参考了很多解决方案，像把原料筐分层设 置的，或者用圆料桶完全进入浸渍液中的，并缓慢旋转的渗透等。 我考虑这个问题，为了填料方便，结构简单，成本低，我通过一个循环泵的工作 从 振荡槽底部抽取糖浆，再从振荡槽的外围管道开孔通过类似喷淋的把糖浆液喷洒下来， 冲力比较大一点，把浮料打下。这和空气压缩机的上下振荡形成扰流的作用不谋而合， 可以把原料充分的调动起来，避免原料一直漂浮在液面的表面。 3.3.4 关于渗透液的循环使用 在渗透脱水过程中，苹果中的水分流向渗透液中，渗透液浓度下降，脱水能力下 降；伴随着风味物质、色素、各种酸类、蛋白质、果胶类物质渗入渗透液中，渗透液 的化学特性、物理化学特性、感官特性等也随着渗透脱水过程的进行而逐渐改变。所 以准备用消毒机和溶质添加桶保证糖浆的浓度，质量等从而解决有效利用大量的渗透 液，有效地循环利用渗透液降低生产成本的问题 3.4 渗透脱水设备方案图 经过构思确定设备，机械振荡式渗透脱水设备结构简单，渗透溶液设计有回流管 道，能够有效调节渗透溶液浓度，同时设置气压缸的上下运动，振荡马达的左右方向 的机械振动，加上原料框下方压缩空气管的扰流，以及循环泵的喷淋作用可以强化渗 透脱水过程的进行，进而最大限度的提升传质效率。 果蔬渗透脱水设备设计11 具体结构见下图： 1 234 56 7 8 9 10 11 图 3-1 果蔬渗透脱水设备 1空气压缩机 2空气过滤器 3框状压缩空气管 4网格状原料框 5振荡槽 6高度杀菌机 7溶液添加桶 8循环泵 9喷液管 10竖直布置气压缸 11振荡马达 （1）该机械振荡式果蔬渗透脱水设备的组成： （a）该设备包含一个振荡槽，其振荡槽四侧底端各设有一个支座； （b）槽体右侧设计有一个浸渍液输出管道，其浸渍液输出管接入高温杀菌机并经 浸渍液添加桶而由浸渍液回流管道导入振荡槽内； （c）振荡槽底面外接有一个连接有空气压缩机和空气过滤器的框状空气管，该框 状空气管并于下方设置有两个透孔； （d）空气管上面设置有一略为倾斜且断面成“U”的网格状原料框，且在原料框 的左侧设置有一开启门，用于对渗透好的果蔬进行卸料动作，原料框右侧设置有两个 抽送隔板，以控制渗透脱水过程中的浮料问题； （e）在原料框的内侧上端设置有与气压缸活塞杆相连接，左侧外端连接一个振荡 马达。 3.4.1 设备结构特征 振荡部分包括振荡槽，其振荡槽四侧低端各设有一脚架，上端外侧有一个原料输 出道，另外槽体侧缘接设有一浸渍液输出管，其浸渍液输出管接入高温杀菌机并经浸 渍液添加桶而由浸渍液回流管导入振荡槽内，振荡槽内底面接一空气压缩机及空气滤 陕西科技大学毕业设计12 清机的框状空气管，该框状空气管并于下方设有复数透孔，框状空气管上方则是网状 原料筐，该原料筐呈网格状，且原料筐其右侧边设有一个启门，而在上端两侧则与气 压缸轴臂相连接，左外侧顶端接设一个振荡马达，连接在振荡槽外侧有一个循环泵其 从下方抽取蔗糖浆液，然后经由上放管道喷入原料槽内。藉由以上构件，原料筐和气 压缸上、下运动，振荡马达左、右振荡，下方空气管透孔冲出空气，上方有喷淋浆液。 而使原料筐内的浸渍物得到一良好浸渍效果。 3.4.2 实际运行情形： 原料筐 4 上端连接气缸 10 伸长时把原料筐下方到振荡槽 5 内，原料筐外振荡马达 11 启动，使原料筐产生左右振荡。经空气压缩机 1 压缩的空气，经过空气管 3 的透管 冒出。浸渍后糖度不足，可将浸渍液由浸渍液输出管导出，并经高度杀菌机杀菌 6 及 浸渍液添加桶 7 补足浸渍液糖度，再重新又浸渍液回流管流回振荡槽内。循环泵 8 一 直在工作从原料筐下来是开始，到填料时结束，如此循环。在整个浸渍过程完毕后， 气缸通过轴臂拉起整个原料筐上升至高于振荡槽槽面，并打开原料筐开启门，此时振 荡马达仍不断震荡，使原料顺由原料筐倾斜滑落与输出道而送出。 3.4.3 具体操作方法 在振荡槽内放入 400kg 的蔗糖浆液糖度为 25 及处理好的原料即苹果片然后进行振 荡动作，该振荡动作系列每隔 20 分钟马达振荡 1 分钟左右，另外压缩机以 2kg/的压力 每隔 10 分钟空气经过透孔喷出，持续 5 分钟，如此配合大约 25 小时该过程结束， 对于苹果需要 2 小时即可。 3.4.4 设备的优点 本设备的优点：浸渍原料速度较快，若以一般传统浸渍方法，原料需 612 小 时，用此种方法可以节省 35 小时。原料在浸渍中较稳定，浸渍均衡，一般浸渍槽 在浸渍之后糖度含量不均衡。不需要人工操作。不需人力搅动原料，所以浸渍后 原料破坏少，而且卫生条件佳在浸渍过程中有上下左右方向的振荡以及吹入空气， 原料不会酸败及发酵。 3.5 基础设备的设计 对于果蔬渗透脱水设备来说，其最基础的设备就是装原料的容器和装浸渍液的容 器在这里称之为原料筐和振荡槽。 3.5.1 原料筐的设计 根据原料与浸渍液体重量的最佳比例为 1：10 所以原料筐内的苹果为 40kg 由于 果蔬渗透脱水设备设计13 原料是切成片状的，体积可知设定其长宽高的比例为 6:3:2 可得其尺寸为长为 1.34m 宽为 0.67 高为 0.45m 其材料选为奥氏体不锈钢，取其壁厚为 5mm 与马达连接处为 10mm 的钢板 其连 接方式是焊接在原料筐上的 3.5.2 振荡槽的设计 选取材料为奥氏体不锈钢，初步定溶液是 400kg 蔗糖糖浆 取其长宽高的比是 6：3:2 根据容积计算可得根据容器尺寸。长为 1.48 m 宽为 0.86m 高为 0.5m。 材料为奥氏体不锈钢导热性能差，热导率低，且具有极好的塑性和韧性，可以进 行各种锻造压延和拉拔加工。所以取原料筐的壁厚定为 10mm 地角支座的设计两个钢板焊接在一起属于直角焊接，其倾斜角度为 25 度具体尺寸 如图 3-2 图 3-2 地角支座 陕西科技大学毕业设计14 4 主要设备的设计 4.1 振荡马达的设计 参考原理方案设计中，机械振荡式果蔬渗透脱水设备的工艺动作原理，这里需要 一个进行短行程往复直线运动的振荡马达。马达即电动机，振荡马达即是振荡电机。 在需要往复直线运动的场合中，如空气压缩机、泵、振动器和人工心脏等，常规做法 是采用旋转电机，通过曲柄等机械机构将电机的旋转运动转换为直线运动。在转换过 程中，部分能量消耗在曲柄机械结构中降低了系统效率，此外，可靠性和无油化的实 现都不如直接采用直线振荡电机10。参考夏永明等撰写的文摘双定子直线振荡电机 的设计 ，这里采用类似的设计方法。为了实现快速、短行程直线往复运动的高效性和 高可靠性，提出一种具有具有两个定子铁芯的双定子直线振荡电机结构，双定子直线 振荡电机由单相电源驱动，机械振动频率和电源频率相同，铁芯叠装方式与常规旋转 电机叠装方式相同。 直线振荡电机分横向磁通式和非横向磁通式。非横向磁通式直线振荡电机主磁路 平行于运动方向，硅钢片顺着运动方向排列，当电机为圆管状结构时，硅钢片叠装困 难；横向磁通式直线振荡电机磁路垂直于运动方向，硅钢片的切割、叠装和普通旋转 电机相同，加工方便，成本较低。直线振荡电机振动部分可分为线圈、永磁体和铁芯。 线圈振动结构接线处易折断，不宜应用于高速场合；永磁体振动结构中永磁体支架需 要采用非导磁导电材料，机械强度和抗振性能要求高，机械加工困难、成本较高；铁 芯振动结构无需永磁体支架，具有加工、安装简便、结构简单、机械可靠性高，成本 低等特点。 参考夏永明等发表的文摘新型双定子动磁式振荡电机可知：一些直线振荡电 机结构可以由相应的直线电机转化而来。按振动部分材料的不同，直线振荡电机又可 分成动圈式、动磁式、动铁式及动磁铁式。其中，动磁式是目前开发的热点。从民用 角度来讲，直线振荡电机应具备以下三个特点：高效、节能；单相，振动频率为 50Hz，直接使用交流市电，不采用或采用低成本控制器；无传感器。振荡马达的作 用是产生左右方向的机械振动，这里利用中小型电机实现机械振荡。 直线电动机可看作是旋转电动机的变形形式，能够将电能转变为往复直线运动的 机械运动，与旋转电机相比，直线电机省去了把旋转运动转化为直线运动的传动装置， 但由于直线电机气隙较大，且初级铁心两端开断，故电机的功率因数和效率较低11 。 果蔬渗透脱水设备设计15 参考夏永明等撰写的文摘双定子直线振荡电机的设计 ，这里采用类似的直线电 机设计方法，即综合力特性较好的常规动磁式直线振荡电机和存在永磁体磁阻力的动 铁式横向磁通直线振荡电机的优点，设计一种新的直线振荡电机结构，该结构的主要 特点是：采用反向磁通电机工作原理，铁芯叠压简单；磁阻力近似为零，具有良好的 力特性；零件少。组装方便，成本低。 4.1.1 电机结构和运行原理 振荡电机包含两个由硅钢片沿轴向叠压而成的同心定子铁芯，两个定子铁芯之间 有一段间隔，用以容纳定子绕组线圈，定子铁芯通过压板与基座固定，定子每个齿上 的线圈相互串联，当通电时，线圈绕组在定子齿上产生 N-S 交替磁极。动子铁芯与直 线轴固定，电机两端的直线轴承用以维持气隙恒定，当工作时，动子铁芯在弹簧和电 磁力的作用下与直线轴一起往复运动。 1-弹簧；2-绕组；3-永磁体支架；4-内定子铁心；5-活塞腔；6-永磁体；7-外定子；8-活塞； 9-端板10-吸收腔；11-排气腔；12-外定子铁心 图 4-1 双定子动磁式直线压缩机轴向剖面 陕西科技大学毕业设计16 1-外定子铁心；2-绕组；3-内定子铁心；4-永磁铁 图 4-2 双定子动磁式直线式压缩机横向剖面图 4.1.2 电机参数计算及设计 （1）推力、反电势计算 永磁体产生的磁力线从 N 级出发，经过气隙，定子齿、轭部、临近的定子齿、气 隙、临近的永磁体，最后通过动子铁芯进入 S 级形成闭合回路。 永磁体轴向位置改变不影响永磁体的磁路，查阅资料可知气隙磁密的计算公式为： （4- 01 (1 () mr g gmrg A B B APPR 1） 式中，Am 为永磁磁极的截面面积，Ag 为磁力线穿过截面的面积，Pm0 为气隙磁 导，Pr1 为漏磁导，Br 为永磁体剩磁，Rg 为气隙磁阻。 电机电磁推力 （4- pm e i F x 2） 其中 i 为绕组电流，为永磁体与线圈交联的磁链，x 为动子位移； pm （2）共振频率确定 该振荡电机和弹簧受迫振动系统系统等效，当推力频率与系统的机械共振频率相 等时，系统的振幅最大、耗能最小。机械共振频率与弹簧弹性系数 K 及动子质量 m 0 有关： 果蔬渗透脱水设备设计17 （4- 0 K m 3） 通过对电机回路的电压进行分析，可以得到频率与电感、电容之间的关系： （4- / 0 1 LC 4） 其中为外加电压角频率，L 为绕组自感，C 为串联电容值，实际系统应同时满 / 0 足式（4-3）和式（4-4） 。 （3）弹簧参数计算 动子质量确定后，由式（4-3）可以确定弹簧弹性系数使电机工作在共振频率上。 当动子静止时，两弹簧处于压缩状态，动子处于两定子中间处，具有启动推力；当动 子振动时，弹簧一侧压缩程度加大，另一侧压缩程度减小，在最大振幅处，压缩程度 加大的弹簧应小于弹簧最大压缩位移，压缩程度较小的弹簧仍应处于压缩状态，防止 弹簧松动。 （4）永磁体尺寸 输出力与永磁体圆周方向的长度有关，与永磁体的轴向长度无关。试验结果表明， 当永磁体轴向长度大于单个定子厚度与定子间隔之和，小于两倍的定子厚度与定子间 隔