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果蔬膨化设备的节能研究 摘要 以低温高压膨化设备为对象，对食品工业生产中的果蔬膨化设备进行节 能研究。分析评判了目前市场上存在的低温高压膨化设备，并指出了其优缺 点。设计出典型的低温高压膨化设备所需要的膨化罐和真空罐。并在热力学 第一、第二定律内，结合生产工艺对整个膨化设备进行能量分析和火用分析， 得出能量的损失主要存在于对设备和物料的加热和冷却过程中；火用损失主要 存在于传热过程中，由于加热过程是从常温加热至工艺高温，而冷却过程也 是从高温度冷却至常温，存在较大温差，且传热温差越大，火用损失越大。水 分的除去是食品干燥工业中最重要的工艺指标之一，分析并计算出整个膨化 操作过程中水分的迁移情况，结合示意图，给出了膨化过程中物料各阶段含 水量，通过分析，给出影响产品质量的冷凝水的处理方法，为果蔬压差膨化 的工艺完善提供了理论基础。 结合能量损失和火用损失的主要特点和存在位置，研究了能量梯级利用方 式，通过接有两个能量储存装置来实现膨化罐体夹套加热和冷却过程的能量 再利用，其工作原理为，利用两个温差储罐，在夹套的加热过程中进行预热， 然后再用热源直接加热；在夹套冷却的过程中，温差储罐能够预先冷却夹套 从而吸收热量以备下次加热时使用；通过计算获得能量梯级利用的温度参数 和流量参数，给出了p l c 控制流程程序，通过验证，发现引入能量梯级利 用系统后，理论上可以将能量的利用率提高约7 6 ，加热过程中理论节能 5 1 6 3 整个加工工艺理论节能2 9 9 4 ，整体火甩损失减少高达8 0 。 为了解决真空抽干阶段、气体稀薄、气体的导热效果差，对流换热基本 上可以忽略的情况下，研究了真空抽干阶段各种有效的加热干燥方式比如过 热蒸汽干燥，微波干燥，远红外干燥；考虑到远红外加热的自身特点以及工 艺条件的要求，最终选定远红外加热干燥；通过利用史蒂芬波尔兹曼定律， 兰贝特定律等相关定律，计算出了热源的排布间距，在保证效率和效果的前 提下，给出了红外热源对物料的合理布局，达到温度场均匀的最大优化，计 算了远红外热源的热流密度，为实际生产提供了操作参考。 研究了液氮快速冷却方法，计算出了一次工艺所需要的液氮量，并通过 实验得出了膨化后苹果干的透气度，结合透气度得到了最佳的抽真空速率； 结合膨化罐腔内构造和远红外石英管排列以及抽真空气流方向，给出了液氮 喷嘴的大致分布布局。 关键词：低温高压膨化，能量分析，火用分析，远红外，液氮 r es e a r c ho nt h ee n e r g y s a n g e q u i p m e n t sf o r f r u i t sa n d v e g e t a l b e se x p a n s i o np u f f i n g a b s t r a c t t h e l o w - t e m p e r a t u r ea n dh i g h - p r e s s u r ee x p a n s i o np u f f i n ge q u i p m e n t ( l h e e ) w a st a k e na st h eo b j e c t ，t h ee n e r g y s a v i n gr e s e a r c ho nt h ee x p a n s i o n p u f f r a ge q u i p m e n t sf o rf r u i t sa n dv e g e t a b l e si nt h ef o o di n d u s t r yw a sm a d e t h e l h e ei nt h em a t u r em a r k e tw a sa n a l y z e da n de v a l u a t e d ，t h es t r e n g t h sa n d w e a k n e s s e so fw h i c hw e r ep o i n t e do u t t h ee x p a n s i o np u f f m gt a n ka n dv a c u u m t a n kr e q u i r e db yc l a s s i cl h e ew e r ed e s i g n e d t h ee n e r g ya n a l y s i sa n de x e r g y a n a l y s i so n t h ew h o l ee x p a n s i o np u f f m ge q u i p m e n tw e r em a d e ，c o m b i n i n gw i t h t h ep r o d u c t i o np r o c e s si nt h es c o p eo ff i r s ta n ds e c o n dl a w so ft h e r m o d y n a m i c s ， w h a to b t a i n e dw e r et h a tt h ee n e r g yl o s sm a i n l ye x i s t e di nt h ep r o c e s so f h e a t i n g a n dc o o l i n ge q u i p m e n t s t h ee x e r g yl o s sm a i n l ye x i s t e di nt h ep r o c e s so fh e a t t r a n s f e r , a n dt h ea m o u n to fe x e r g yl o s sw a sh u g e ，c a u s eo ft h a tt h eh e a t i n g p r o c e s sw a sf r o mn o r m a lt e m p e r a t u r et ot e c h n o l o g yh i g ht e m p e r a t u r ea n dt h e c o o l i n gp r o c e s sw a sa l s of b o mh i g ht e m p e r a t u r et on o r m a lt e m p e r a t u r e ，w h i c h b r o u g h ta b o u tl a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，a n dt h eb i g g e rt h et e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eo fh e a tt r a n s f e r , t h eb i g g e rt h ee x e r g yl o s s t h er e m o v i n go f w a t e ri s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s si n d i c a t o r si nt h ef o o dd r y i n gi n d u s t r y , t h e c o n d i t i o no fw a t e rt r a n s f e ri nt h ew h o l ee x p l o s i o np u f f i n g o p e r a t i n gw a s a n a l y z e da n dc a l c u l a t e d ，b yc o m b i n i n gt h es c h e m a t i cd i a g r a m ，t h ew a t e rc o n t e n t o fm a t e r i a li ne v e r ys t a g eo fe x p l o s i o np u f f i n gp r o c e s sw a sp r o v i d e d a n d a c c o r d i n gt oa n a l y s i s ，t h ed i s p o s a lm e t h o do fc o n d e n s a t ew a t e rw h i c hc o u l d i n f l u e n c et h eq u a l i t yo fp r o d u c t sw a so f f e r e d ，w h i c hc o u l ds u p p l yt h e o r e t i c a l b a s i sf o rc o n s u m m a t i n gt h ep r o c e s so fl h e e t h ee n e r g yg r a d i e n tu t i l i z a t i o nm e t h o dw a sr e s e a r c h e db yc o m b i n i n gt h e m a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n de x i s t e dp o s i t i o no f e n e r g yl o s sa n de x e r g yl o s s ，w h i c h w a st h a tb yu t i l i z i n gt w oe n e r g ys t o r a g ee q u i p m e n t st h ee n e r g yr e c y c l i n gd u r i n g t h ep r o c e s so fh e a t i n ga n dc o o l i n gt h ej a c k e to fe x p a n s i o np u f f i n gt a n kw a s r e a l i z e d t h ep r i n c i p l eo fw h i c hw a st h a tm i l i z i n gt w ot e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e 1 1 s t o r a g et a n k sp r e h e a t e dt h ej a c k e td u r i n gt h eh e a t i n gp r o c e s sa n dt h e nt h eh o t s o u r c ew a su t i l i z e dt oh e a tt h ej a c k e td i r e c t l y , a n dd u r i n gt h ep r o c e s so f c o o l i n g t h ej a c k e t ，t h et e m p e r a t u r e d i f f e r e n c es t o r a g et a n k sc o u l dp r e c o o lt h ej a c k e ta n d a b s o r be n e r g yp r e p a r e df o rt h en e x th e a t i n gp r o c e s s 1 1 1 et e m p e r a t u r ea n df l o w p a r a m e t e r so fe n e r g yg r a d i e n tu t i l i z a t i o nw e r ea c q u i r e db yc a l c u l a t i n g ，t h ep l c c o n t r o lp r o c e d u r ep r o g r a mw a sg i v e n b yt e s t i n ga n dv e r i f y i n g ，t h e e n e r g y u t i l i z a t i o nr a t ec o u l db ep r o m o t e dt h e o r e t i c a l l yb y7 6 ，t h ee n e r g yc o u l db e s a v e dt h e o r e t i c a l l yb y51 6 3 a n d2 9 9 4 d u r i n gt h eh e a t i n gp r o c e s sa n dt h e w h o l e p r o c e s s ，a n dt h ew h o l ee x e r g yl o s sw a s8 0 d i f f e r e n tk i n d so fe f f e c t i v eh e a t i n gm e t h o d si n c l u d i n gs u p e r h e a t e ds t e a m d r y i n g ，m i c r o w a v ed r y i n ga n df a ri n f r a r e dd r y i n gw e r er e s e a r c h e dd u r i n gt h e v a c u u md r y i n gs t a g ei no r d e rt os o l v et h es i t u a t i o nt h a tt h eg a sw a st h i nw h i c h l e dt oab a de f f e c to fh e a tc o n d u c t i o na n de v e nm a d et h eh e a tc o n v e c t i o ni g n o r e d c a u s eo ft h eo w nc h a r a c t e r i s t i c so ff a ri n f r a r e dh e a t i n ga n dt h er e q u i r e m e n to f p r o c e s sc o n d i t i o n s ，t h ef a ri n f r a r e dh e a t i n gw a sc h o s e na tl a s t b yu s i n gt h e c o r r e s p o n d i n gl a w ss u c ha ss t e p h e n b o l t z m a n nl a w , l a m b e r tl a w a n ds oo n , t h e d i s t a n c eb e t w e e nt h ef a ri n f r a r e dh e a ts o u r c ew a sc a l c u l a t e d t h er e a s o n a b l e l a y o u to ff a ri n f r a r e dh e a ts o u r c et om a t e r i a lw a sp r o v i d e dw h i c hm a d et h e h o m o g e n e o u st e m p e r a t u r ef i e l dm a x i m u mo p t i m i z a t i o no nc o n d f f i o ne n s u r i n g t h ee f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e n e s s a n dt h eh e a t f l o wd e n s i t yo ff a ri n f r a r e dh e a t s o u r c ew a sc a l c u l a t e d ，w h i c hp r o v i d e dt h e o p e r a t i o nr e f e r e n c e t oa c t u a l p r o d u c t i o n t h er a p i dc o o l i n gm e t h o dl i q u i d n i t r o g e nw a sr e s e a r c h e d ，t h en e e d e d q u a n t i t yo fl i q u i dn i t r o g e n f o ro n c ep r o c e s sw a sc a l c u l a t e d ，a n dt h ea i r p e r m e a b i l i t yo fp u f f e da p p l es l i c e sw a so b t a i n e db ye x p e r i m e n t ，a n dt h eo p t i m a l v a c u u m i n gr a t e w a sa c q u i r e db yc o m b i n i n gt h ea i rp e r m e a b i l i t y a n dt h e d i s t r i b u t i o nl a y o u to fl i q u i dn i t r o g e nn o z z l ew a sr o u g h l yp r o v i d e db yc o m b i n i n g t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fe x p a n s i o np u f f i n gt a n k ，t h el a y o u to ff a ri n f r a r e dq u a r t z t u b e ，a n dt h ea i r f l o wd i r e c t i o no fv a c u u m i n g k e y w o r d s ：l o w - t e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r ee x p l o s i o np u f f i n g ，e n e r g y a n a l y s i s ，e x e r g ya n a l y s i s ，f a ri n f r a r e d ，l i q u i dn i t r o g e n i v 果蔬膨化设备的节能研究 1 绪论 1 1 选题的目的和意义 在食品生产中，高耗能在在加工过程中占据不小的成本，而干燥，作为一种最主要 的食品加工工艺，其能耗占据着食品加工过程中的主要部分。随着工农业的现代化进程 发展，食品加工中干燥的能量的消耗也随之愈来愈大，根据资料显示，英国，法国，瑞 典等发达国家干燥工艺所占工业能耗高达1 2 ，其中在各种工业干燥能耗中，农产品和 食品的干燥能耗仅次于占据第一的造纸行业，我国的干燥能耗占总能耗的l o 【。由于 化石能源的不断枯竭，新型能源尚未成熟，如何最大限度的节省能源应是各行各业不可 推卸的责任，能耗增加，就意味着成本的增加，所以，如何降低能源消耗以及提高能源 的利用率将会对企业生存起着至关重要的作用。 常见的食品干燥的方式有很多，传统的有太阳能式干燥、热风对流式干燥、振动流 化床式干燥、离心流化床式干燥、转鼓式干燥等，新型的干燥技术有微波干燥、真空油 炸干燥、真空冷冻干燥、过热蒸汽干燥、远红外干燥、低温高压膨化干燥等。传统的干 燥会导致物料表面收缩，使得干燥不均匀，而且整个工艺脱水过程较长，生产效率低； 新型的果蔬干燥例如微波干燥，冷冻干燥，虽然产品性状较好，但由于设备投入经费和 能耗较大，不利于其推广和应用，真空油炸干燥不能摆脱油脂带来的致癌影响，对人体 不利。低温高压膨化干燥由于其非油炸，不添加任何添加剂，而且对农产品的附加值提 升较高，加之其能够保持果蔬营养成分且可以满足消费者对果蔬食品高营养、低脂肪、 高膳食纤维的需求，这些年来市场占有率越来越高。 近年来，随着人们生活水平的不断提高，现代生活节奏的加快，人们对于新鲜且含 纯天然营养成分、方便的果蔬膨化食品的需求量越来越大。然而我国对果蔬膨化的研究 还处于起步阶段，仅北京、上海、杭州等几家单位在进行生产性研究。针对果蔬膨化干 燥的前景和能量消耗的现状，制造出高效节能的果蔬膨化设备，不仅能充分节约能源， 而且对于我国这种果蔬资源丰富国家来说，无疑是对果蔬产业的巨大推动。 基于目前存在的低温高压气流膨化技术，从加工工艺、膨化设备的结构设计、传热 传质方式等方面，利用节能思想对其进行整体分析与优化，结合有效的加热方式以及能 量利用方式，研究出一套高效节能的加工方案，本课题的意义就在于此。 1 2 低温高压膨化干燥 低温高压气流膨化又称爆炸膨化( e x p l o s i o np u m n gd r y i n g ) 或加压减压气流膨化技 术，“低温”不是指实际的低温，而是相对于油炸膨化和挤压膨化的高温相对而言，而“高 压”则是指高于大气压力。作为提高农产品附加值的手段之一，低温高压膨化干燥是最具 陕西科技大学硕士学位论文 有竞争力的干燥之一。在众多农副深加工产品中，果蔬膨化食品作为近些年国际上发展 起来的一种新型食品，越来越受到人们的喜爱。它是以薯类、水果蔬菜等为原料，经膨 化设备的加工而成的一种干制食品。低温高压膨化是一个物理过程，它是将含有部分水 分的果蔬原料，在相对低的温度和高压条件下，利用外界环境的瞬间压差使物料组织结 构发生变化而脱水膨化，并在真空条件下干燥的过程。低温高压膨化可以根据不同的物 料特性，采用不同的操作工艺，目前已经出现的几种膨化果蔬如图1 。1 。 一 - 盈 f 嘲 i 嘲 图1 - 1 几种常见的膨化产品 f i gl 一1s e v e r a ln o r m a lp u f f e dp r o d u c - t s 1 2 1 低温高压膨化干燥的原理 低温高压膨化干燥的原理接近于“爆米花”原理，其所需要的核心设备是由一个膨化 罐和体积比其大5 l o 倍的真空罐构成；通过大流量蝶阀，使得膨化罐和真空罐相连通。 工艺开始时，经过预干燥处理且水分已经处于相对较低值的物料被放入膨化罐中，然后 加热( 根据物料的种类不同可以选择是否通入压缩气体) ，这样物料内部的水分便受热蒸 发，随着蒸发的进行，膨化罐内压力持续增大，随着温度的增加，物料处于非常软的状 态。当压力和温度均达到工艺条件时，迅速打开连接膨化罐和真空罐之间的蝶阀，这时 膨化罐内高压环境瞬间变成低压，接近真空，迫使物料中处于高热高压的水分突然汽化， 并产生蒸汽压差继而发生强烈爆炸，使得物料内部组织、细胞膨胀破裂，完成膨化效果。 在这个过程中，液态水汽化后，其体积膨胀大约为20 0 0 倍左右。低温高压膨化的过程 工艺流程如图1 2 。 物科进罐密封卜叫同时加热加压 _ 叫开问膨化除水 开罐取出物料 _ 一降温恢复常压卜一一保温真空抽干 图1 2 低温高压膨化的生产工艺过程 f i g l - 2t h ep r o d u c t i o ne n g i n e e r i n gp r o c e s so f l o w - t e m p e r a t u r ea n dh i g h - p r e s s u r ee x p l o s i o np u f f i n g 2 果蔬膨化设备的节能研究 1 2 2 低温高压膨化干燥的优点 低温高压膨化干燥是一种新型膨化干燥技术，它兼并了压力膨化干燥和热风对流干 燥两种特点，而且含有真空冷冻干燥和热风对流干燥的优点，解决了真空油炸干燥的缺 点，其产品，具有经过真空冷冻干燥的特点闭。低温高压膨化干燥由于其非油炸和低温， 能够最大限度保持果蔬营养成分、生鲜风味，口感酥脆、膨化均匀，可以满足消费者对 果蔬食品营养、方便、天然、低脂肪高膳食纤维的需求；由于膨化后的产品不皱缩，复 水性好，水分含量低，便于储存和运输。另外，低温高压膨化后的产品克服了低温真空 油炸产品仍含有少量油脂的缺点，不易引起油脂酸败等不良品质变坏。 1 2 3 低温高压膨化干燥设现有备的存在的缺点 虽然低温高压气流膨化市场占有率越来越高，但是，其繁琐的加工工艺和能量的不 合理利用，导致其生产效率无法提高。其主要的缺点为： ( 1 ) 国内果蔬膨化设备基本以蒸汽作为物料膨化的加热源，对物料进行间壁加热， 热量辐射传递穿透能力弱，罐内温度分布不均； ( 2 ) 热量主要依靠热传导的方式进行，加热周期长，果蔬膨化率低，能源消耗大； ( 3 ) 在膨化罐中对物料进行膨化加工时，物料的质量仅是膨化罐质量的1 0 左右， 每个加热、膨化、冷却的循环中，大量的加热能量、冷却能量都损耗在对膨化罐的升温 与冷却、以及环境中，并且导致加热缓慢，这些都是不必要的。 1 3 国内外研究的现状 在国外，对果蔬的膨化干燥工艺研究较多的是美国农业部东部研究中心，其中对苹 果这一物料，研究的比较全面和深入，包括物料的渗透及脱水、原材料检测、预干燥的 处理、能量的估算、连续化生产的最佳工艺以及品种影响等，比如j es u l l i v a n ( 1 9 8 1 ) 用，g u r a y a ( 1 9 9 4 ) 【4 】和d t o r r e g g i a n i ( 1 9 9 5 ) 【5 】等详细研究了针对于苹果的膨化干燥连 续式生产工艺，并取得了不少成果。其中，s u l l i v a n 在研究中涉及物料含水率、膨化压 力、工艺温度等几个因素，并且分析了物料的复水程度、物料的容积质量体积比、色泽、 糖含量的损失等方面，得出了生产过程工艺的最优方式；m ek o z e m p e l ( 1 9 8 9 ) 1 6 等对 十多种果蔬原料的压差膨化工艺进行了广泛深入的研究，并且确定了膨化温度、蒸汽压 力，干燥时间、含水率、切片尺寸、品种等对产品的影响；n l o u k a ( 2 0 0 4 ) 【7 l 研究了 利用压差膨化对果蔬结构的影响，对各种形式的部分干燥的果蔬进行了品质研究，并给 出了膨化率变化的通用模型；a n a t h ( 2 0 0 7 ) 峭李对马铃薯高温短时膨化工艺进行了研 究。研究表明膨化果蔬膨化产品的原料来源非常广泛，果品如苹果、菠萝、梨、桃等， 蔬菜品种包括如食用菌、甘薯、菠菜、胡萝卜、马铃薯、黄瓜等，由此可以加工出风味 各异的膨化休闲食品。m a g d a l e n ak r i s t i a w a n ( 2 0 1 1 ) 1 9 】研究了利用低温高压膨化设备生 产的各种果蔬的介电常数值，并指出，这些介电常数随着温度的增加轻微增加，所以利 陕西科技大学硕士学位论文 用压差膨化工艺不会对后续的微波干燥产生阻碍。 在国内，1 9 9 7 年，刘自强 1 q 探讨了食品膨化机理，分析了膨化动力发生的过程、膨 化动力的影响因素和外部能量向膨化动力转换的机理；2 0 0 1 年，石启龙【1 2 1 等重点对苹 果压差膨化工艺进行了研究，得到苹果最优工艺；2 0 0 5 年，中国农科院农产品加工所在 前人研究的基础上，从设备和工艺上都做了相应的改进，并对各种果蔬原料的压差膨化 技术进行了研究，毕金锋【1 3 】研究针对果蔬低温高压膨化干燥关键技术进行了研究，并进 行了果蔬膨化干燥机理的探讨，确定了果蔬膨化生产工艺和膨化产品质量标准，为果蔬 低温高压膨化干燥生产提供了理论和技术支持；2 0 0 7 年，陈传福【- 4 】等人对菠萝采用气流 膨化工艺生产了膨化菠萝脆片，并得出菠萝脆片的膨化度与复水比呈正相关的结论；2 0 0 8 年，甘肃农科院农产品贮藏加工所的张永茂【- 刃等人对苹果加工中使用的三种膨化工艺： 低温高压膨化、微波干燥膨化、微波低温高压膨化进行了切入的对比研究和分析。 。 国内外对其的研究主要是涉及膨化工艺的研究、影响因素的考虑以及膨化动力机理 的探讨。目前，我国低温真空气流膨化果蔬脆片生产技术有了一定发展，但与国外相比 我国的果蔬膨化加工理论研究水平较落后。国内大多数果蔬膨化产品仍是采用油炸干燥， 有些使用低温真空油炸，虽然能满足工艺且口感较好，但由于其油含量仍旧较高，对人 体的健康产生一定的危害，因而限制它的市场规模，再加上其设备制造成本较高，因此 限制了它的应用。对于果蔬低温高压膨化干燥技术，国内学者发表的几篇有关低温气流 膨化苹果脆片的文章探析了食品膨化机理，分析了膨化动力发生的过程、膨化动力的影 响因素，但关于膨化设备的设计、热力学性能上的优化、干燥过程中能量和火用分析、干 燥过程中水分的迁移情况以及能源利用效果研究相对较少。e k a v a ka k p i n a r 等【1 6 】指出： 在干燥工业里面，其目的是尽量用最少的能量来达到最大水分的去除，从而获得最终理 想产品，在这样的情况下，在干燥过程中所涉及的能量的质和量也应该像传质传热一样 加以考虑。所以，干燥过程中也应该考虑能量和火用的节省。 1 4 本课题的主要研究内容 设计出典型低温高压膨化设备，并在热力学第一、第二定律内，对整个膨化设备进 行能量和火用分析，分析评判其能量利用和传热效果；由于水分是衡量干燥效果的直接参 数，研究整个工艺过程中水分的具体迁移状态，为完善节能工艺奠定具体指标；研究能 量梯级利用方式，获得能量梯级利用的温度参数以及p l c 控制流程，得到完整的能量梯 级利用系统，并使之组合到其他加热方式中；研究真空抽干阶段的远红外加热，在保证 效率和效果的前提下，合理布局红外热源，达到温度场均匀的最大优化；研究快速冷却 方法，在物料水分抽到设定值时，能够在最短时间里将物料冷却取出，以保证产品质量， 防i 上水分回湿。 4 果蔬膨化设备的节能研究 2 低温高压膨化设备工艺过程中耗能、传热、水分的迁移机理研究 根据目前市场上典型的低温高压膨化设备并结合实际的操作生产，进行计算与分析， 根据规格可知：真空罐体积大约为9m 3 ，果蔬膨化罐的内径4 ) = 1m 、膨化罐外径( 包 含夹套) 口协= 1 5m ，罐体壁厚1 0 衄，罐体筒节长l = i 8 5m 、空气压缩机为0 6m 3 ，大 流量蝶阀d = 3 0 0m m ，此设备可以达到年产1 5 吨，如图3 1 。 f i g2 1t h ee x p a m m nt a n ka n dv a c u u mt a n k 已知，罐体材质为0 c r l 3 ，7 = 7 7 6 x 1 0 3k g m 3 ，比热容c 如4 8k j ( k g k ) ； 果蔬物料以苹果为例，厚度5m m ，预干燥处理后含水大约2 0 ，比热容c 1 4 6 3 k j ( k g k ) ( 由于通常情况下湿物料的传热受压力变化的影响不大，故湿物料的比热常用 定压比热表示) 。生产工艺的条件：最高工艺温度为1 0 5 ，最高压力0 2m p a ，真空抽 干温度为9 0 ，热源介质为1 2 0 饱和水蒸汽。 2 1 加热升温过程分析 ( 1 ) 工艺操作过程：物料被放入托盘内，并分层放入罐内支架上，关门密封后，开 始用热源加热。内部通过将热源送入蛇管对罐体腔内及物料进行加热，外部加热则将介 质通入夹套对罐体外壁进行加热。在加热过程中，通入压缩气体( 不同种类的物料对压 缩气体的需求不一样) ，这样可以使得压力很快达到工艺要求，当膨化罐内和罐壁达到 1 0 5 ，表压指示0 2m p a 时，则表明达到工艺标准。 ( 2 ) 已知条件： 由于膨化罐不是所有的部件都受热和传热，在此经过对膨化罐部件的估计，大约所 陕西科技大学硕士学位论文 有部件中受热质量3 = 1 2 8 5k g ( 这其中包含8 0 k g 支座，以及m r = 2 3 0k g 的封头和盲板。) ； 膨化腔内物料( 苹果) 质量m = 3 0k g ； 水的比热容c r = 4 2 0 k j ( k g k ) ； 空气的定容比热容c 触7 1 7k j ( k g k ) ； 罐体0 c r l 3 比热容c 如4 8 0 k j ( k g k ) ； 物料苹果片含水2 0 时比热容c r y l 4 6 3 k j ( k g k ) ； 膨化罐的夹套入口热源温度1 = 1 2 0 ； 将膨化罐加热升温至1 0 0 ，耗时h = 3 0m i l l ； 罐体升温至1 0 0 以上时，依靠蒸汽显热能量，此时夹套出口温度为t “= 1 0 6 ； 物料和罐体的初始温度t 2 = 舻2 5 ； 物料和罐体最终温度t 2 e _ 1 0 5 ； 加热介质饱和蒸汽的流量为4 - 2 4 1 0 弓k g s ： 饱和水蒸汽在1 2 0 的焓值j j l 3 ”- 2 7 0 9 x 1 0 3i o k g ； 由于腔体内部容积约为1 5 7m 3 ，考虑到托盘、蛇管、物料等也占用部分空间，其值 大约为4 1 ，那么可以得到膨化腔内部有效利用容积脚6 4 5m 3 。 ( 3 ) 过程能量分析：当满足生产工艺的要求时，物料温度为t 2 e = 1 0 5 ，此时压力 表显示为0 2m p a ，那么换算成绝对压力则为o 3m p a 。在此状态下，物料中的部分水分 则会汽化成气态水，由于物料中水分为纯水，那么结合拉乌尔定律( r a o u k sh w ) ，查 1 0 5 下的饱和水蒸汽表，可以得到在此状态下的气态水的饱和蒸汽压为1 2 0 8 5k p a ，那 么，有理想状体气体方程： p v = n r t( 2 1 ) 代入相关数据，可以得到，约有m 1 = 0 4 4 6k g 的水蒸汽弥散于膨化腔内，这部分水 蒸气所耗汽化热则为q t = i 0 0 1 x1 0 3k h 又有道尔顿分压原理，可知膨化腔内空气的分压为1 7 9 2 x 1 0 2k p a ，那么腔内含有空 气的质量m o = 1 0 2 9k g 。则，若要达到此状态，所需要消耗的能量为 q ! 占= ( c p m + c m o ) ( r 2 。一正) + q ( 2 2 ) 代入数据可得0 ：4 5 7 2 x1 0 3 k j ： 同时，当达到这种工艺条件时，膨化罐体也随之要消耗一定的能量来实现温度的提 升，那么其消耗的能量为 q u = c m ( r 2 。一五) ( 2 - 3 ) 代入数据得q 一93 4 x 1 0 4k j ： 由于压缩机等动设备的电能消耗以及对空气传热的热量的教失均无法避免，若不考 虑这些散失热量和电能消耗，那么这个阶段的能量利用率椒为 6 果蔬膨化设备的节能研究 玑= 彘 ( 2 - 4 ) 代入数据得r r = 8 4 8 1 通过分析以上数据，在能量守恒定律范围内，有效能量的利用率仅是8 左右，可以 看出，在对膨化罐体进行加热的过程中，浪费了绝大部分能量，这是不应该的。 ( 4 ) 过程火用分析旧：可以发现，在加热过程中，传热过程占据了有效能量的主要损 失。当膨化罐体温度升至7 = 1 0 0 之前，依靠的是水蒸汽潜热，即常压蒸汽热源一直液 化放热。那么，这个过程可以忽略压差的变化，将其则近似于恒压过程，不考虑物料水 分汽化所需热量，如果定义平均温度为 i 量生等 为蒸汽平均温度 ( 2 - 5 ) 1 n l r i 三上芋 为罐体平均温度 ( 2 6 ) l n 二 乃 那么这个过程的火刖员失为 彳一f 兀l = 耻( q m + c m + c , , m o x t - t o ) 箬】 ( 2 7 ) 即在温度升至1 0 0 度时，代入数据得历= 6 5 6 6 x 1 0 3 k j 当罐体由1 0 0 升温至1 0 5 时，依靠的是饱和水蒸汽的显热， 汽化考虑进去，由于传热量q 满足 q = ( e 所+ e ) ( 乙。一t 2 ) + c m ( t 2 。一丁) 而且q 其值为绝对值，此时，定义平均温度为 耳善垛 为蒸汽平均温度 l n 土 五。 云暑军 为膨化罐平均温度 。l n 生 r 那么这个过程的火用损失量为 此时将物料中水分 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) n l 。= 耻( q 小+ c + c m ) ( t 2 ，一丁) + q l 】【舁】 ( 2 - 1 1 ) 1 2 代入相关数据得火用损失量为届”= 0 0 9 2 x1 0 3 k j 那么总的火刖员失l = l + h i ”= 6 6 5 8x 1 0 3 k j 从上面的计算可以得出，工艺中用1 2 0 的饱和水蒸汽热源加热温度为2 5 的膨化 罐和物料，损失的火用值量较多，折合是有效能量啦的1 4 6 倍，且传热温差越大那么其 陕西科技大学硕士学位论文 火刖员失也就越大。 ( 5 ) 水分迁移分析： 由能量分析部分可知大约有0 4 4 6 k g 的水蒸汽分散于腔内，这部分水蒸汽全部为饱 和水蒸汽。在物料的受热过程中，会有部分热量经盲板、封头和法兰散失，而且盲板不 直接受热源加热，所以物料内部的受热速率要高于法兰的受热速率，当物料中水分受热 汽化时，气态的水分遇到尚未传热充分地冷盲板便会冷凝液化，这部分水不返回物料中， 而是会沿着盲板流至膨化罐底部。 当不断的有物料中水分蒸发出来时，也同时会有水蒸汽液化至盲板，其中被冷凝的 水分被受热。所以，直至开阀破真空之前，膨化罐内的水分从汽化到液化持续一个动态 的平衡过程。这个平衡的对外表现就是，膨化腔内气态水分m l = o 4 4 6 k g ，膨化罐底部存 有部分水分。 考虑到盲板和封头的质量为m v = 2 3 0 k g ，1 0 5 ( 2 水蒸汽的汽化热s = 2 2 4 5 4 k j k g 可以算 出冷凝水m 2 的质量。 c m r a t2 s ( 2 1 2 ) 其中温差取 r f 丝一z1 l 2 1 ( 2 1 3 ) 代入相关数据可得m 2 = 1 9 7 9 ； 即，物料在膨化之前，含水量为 m = r o w - m 1 - m 2 1 0 0 m 一一 ( 2 1 4 ) 得w l = 1 2 9 9 2 2 膨化过程的分析 ( 1 ) 工艺操作过程：当物料达到工艺要求时，即表压压力为0 2 m p a ，物料温度为 1 0 5 ，迅速打开大流量蝶阀，位于罐体内部的水蒸汽和空气在较大压差的作用下，瞬间 经过蝶阀流至真空罐，这个过程时问比较短。 ( 2 ) 已知条件： 由于工艺所知，在真空罐内，压力应保持其绝对压力0 0 2m p a ； 空气的质量m o = 1 0 2 9b ； 水蒸汽的质量m l = o 4 4 6k g ； 膨化后，在0 0 2m p a 状态下，查得饱和水蒸汽表，得知此时水蒸汽的饱和温度为 1 3 = 6 0 1 ： 膨化腔内水蒸汽与空气是混合存在的，则空气温度仍为6 0 1 ； 果蔬膨化设备的节能研究 在6 0 1 时，空气焓值为h 2 = 0 3 3 6 x 1 0 3k j k g ： 在6 0 1 时，空气熵值为s 2 = 6 8 1 5k j ( k g k ) ； 在6 0 1 时，水的液态焓值j | 1 2 = o 2 5 1 x 1 0 3k j k g ； 在6 0 1 时，水的气态焓值h 2 = 2 6 1 0 x 1 0 3k j k g ； 在6 0 1 时，水的液态熵值s 2 = 0 8 31k j ( k g k ) ； 在6 0 1 时，水的气态熵值s 2 ”= 7 9 1 1k j ( k g k ) ； 在1 0 5 时，空气的焓值为j i i l = 0 3 8 1 x 1 0 3k j k g ： 在1 0 5 时，空气的熵值为s l = 6 9 3 8k j ( k g k ) ； 在1 0 5 时，水的液态焓值为j i l l = o 4 4 0 x 1 0 3k j k g ： 在1 0 5 时，水的气态焓值为h 1 = 2 6 8 5 x 1 0 3k j k g ： 在1 0 5 时，水的液态熵值为工l = 1 3 6 3 k j ( k g k ) ； 在1 0 5 时，水的气态熵值为s i = 7 2 9 6k j ( k g 目； ( 3 ) 过程能量分析：根据实际情况和计算要求，此时，闪蒸喷放过程中动能、位能 的变化可以忽略，当压力变为绝对压力0 0 2m p a 时，原有腔内空气的含水量以及物料内 部水分的闪蒸量也可以忽略，则此过程中能量总损失为 q l = ( 吖一嘭) + ( m w m 。一m 2 ) ( 吖- 噬) + 历。( 啊- 吃) ( 2 1 5 ) 代入数据得q l = 0 7 5 6 x 10 3k j ： 由于膨化过程中的能量损失是由生产工艺条件要求所至，所以难以改进和减少。 ( 4 ) 过程火用分析：整个膨化压差喷放过程中，可以等同于理想气体的绝热节流过 程，那么，空气和水蒸汽通过大流量蝶阀进入到真空罐中，此过程中的火刖员失为 h 2 = 瓦 ，气( s ；一s p + m o ( s 2 8 1 ) 】+ ，l l ( 吖一h 2 ) + m o ( h 1 一) ( 2 1 6 ) 代入数据得历= 0 1 2 4 x 1 0 3 k j 从结果中可以得到，此过程中的火用损失折合占据能量损失的1 6 4 1 ，这是工艺条件 要求所致，而且这段损失是由“不可逆膨胀做功引起，所以火用损失无法进一步减少。 ( 5 ) 水分迁移机理分析 开阀后，首先均布与腔内的饱和水蒸汽m l 在较短的时间内变成过热蒸汽随压差迅 速进入真空罐，由于真空罐体积远大于膨化罐( 5 1 0 倍) ，当水蒸汽迁移至真空罐的过 程的同时，物料中的过热水分在强烈的压差的作用下发生闪蒸。由于工艺要求得知，那 么，根据能量守恒定律，可以得出物料中水分的闪蒸量m 3 ( m w - m l 一) 群= 磁+ ( r o w 一强一m 2 一鸭) 噬( 2 - 1 7 、 代入数据