（流体机械及工程专业论文）真空带式连续干燥设备干燥特性研究.pdf

东北大学硕士举位论文 摘要 摘要 本论文研究工作主要在考察真空带式干燥设备结构特点的基础上，对干 燥过程进行数学模拟，并以香蕉为研究物料，分析了干燥参数对干燥特性的 影响。 论文首先介绍了真空带式连续干燥设备的组成，分析了设备的结构特点， 重点考察了进料量、物料铺放的均匀性和物料厚度的影响因素。其中，物料 的进料量受捕水器的捕水速率和物料初始含水量有关；物料在传送带上铺放 的均匀性受传送带速度、喷嘴摆动速度和喷嘴摆动角度影响，通过分析，得 出了三者对均匀性影响关系；在物料铺放均匀的前提下，物料厚度与单位时 间进料量、传送带移动速度、喷嘴摆动角度有关，当通入发泡剂后，物料厚 度会发生变化；另外，喷嘴口和传送带的垂直距离对铺放的均匀性也有影响。 论文研究了真空带式干燥的工艺过程。以香蕉为研究物料，考察了真空 带式干燥的基本过程，得到了香蕉粉真空带式干燥的工艺曲线；并与冷冻干 燥法进行了比较，得出真空带式干燥技术可用于香蕉粉生产，并适合大规模 生产。为了考察干燥过程参数( 物料滞留时间、加热板加热温度和工作真空度) 对干燥过程的影响，进幸亍了香蕉粉真空带式干燥的单因素实验，并进行了分 析。通过实验，拟合实验数据，发现物料水分比( 样品水分与物料初始水分的 比值1 在干燥位置的分布呈二次方程分布。用均匀设计法设计了真空带式干燥 实验，通过不同的实验参数拟合出不同的实验常数，然后用回归的方法得出 这些干燥常数与于燥过程参数( 加热板加热温度和进料量) 的关系。 真空带式干燥工艺过程由降温阶段、升温阶段、恒速干燥阶段和降速干 燥阶段。根据能量守恒原理，对真空带式干燥不同阶段建立了相应的数学模 型。高水分物料进入真空室后，物料水分会有一个大幅度降低，并伴随着有 一个温度降低，建立了描述物料降温过程的传热传质模型，模型计算结果与 实验结果基本吻合。在物料干燥过程中，不考虑物料内部温度梯度的影响， 分别建立了描述物料升温过程的模型，描述恒速干燥阶段的模型和降速干燥 阶段的模型。由升温过程模型可求出物料升温段的时间，由恒速阶段模型可 以求出在恒速段的传送带长度，并与实验结果基本吻合。在降速干燥段，根 据f i c k 第二定律建立了非稳态扩散方程，用积分法对模型进行了近似求解， 东北大学硕士学位论文摘要 可用来预测降速干燥的时间。 关键词：真空带式干燥；传热传质l 干燥特性；香蕉粉 东北大学硕士学位论文 a b s 仃a 吐 a n dt h ev a l u ec a l c u l a t e db yt h i sm o d e li sf i t t e dw i t he x p e r i m e n tv a l u e t h ed r y i n g m o d e lw a sb a s e dt h a tt h e r ew a sn ot e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nt h em a t e r i a l i nh e a t s t a g e ，t h eh e a tw a so n l yu s e dt oh e a tm a t e r i a lt ov a p o “z a t i o nt e m p e r a t u r ea n dn o v a p o rw a so u t b a s e do nt h i sa s s u n l p t i o n ，t h ed r y i n gt i m eo ft h i ss t a g ea n dt h e p a t ho fb e i tw a sc a i c u l a t e d i nc o n s t a n tr a t ed r ) r i n g ，i tw a sa s s u m e dt h a t a l l c a l o “e sw a su s e df b rv a p o r i z a t i o n ，a n dt h ed r y i n gt i m ea n dt h ep a t ho fb e l tc o u l d b es o l v e db yam o d e lp r e s e n t e di nt h ep a p e r i nf h l l i n gr a t ed r y i n g ，n o n s t e a d y d i f r u s i o ne q u a t i o nw a se s t a b l i s h e db yt h es e c o n dl a wo ff i c k ，a n da p p r o x i m a t e s o l v e rw a so b t a i n e db yi n t e r g r a t i o nm e t h o d t h ed r y i n gt i m ei nf a l l i n gr a t es t a g e c o u l db ep r e d i c t e du s i n gt h i sm o d e l k e y w o r d ：v a c u u mb e l td r y j n g ；h e a ta n dm a s st r a n s f e r ；d r y i n gp r o p e f t y ；b a n a n a d o w d e r v 东北走学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 立题背景和课题来源 三农问题是现阶段党和国务院工作的重中之重，是事关中国经济发展全局 的关键，尤其在入世背景下，中国农业也亟待提高其 肇 誊引套e 载话? 耋斋犁竿蠡萝警 影跏蕊港黉键：夔麓颂焉匐盔鞭辩 良如譬冬鬻咚袭篓妻驻融；缈一碧琴乏e 擘嚣墼陲墨澜积有嫌隙翰吲葭瑟靠馐= 强碟墨痞蠢馋霉李子荣与富户陈安澜积有嫌隙，嗾前( 钱) 仓匪党将陈安澜房 屋 拆煅。前署温州府知府黄维诰闻报饬拿。前在籍翰林侍读孙锵鸣赴郡请兵剿 捕，黄雏诰以发逆已陷处州，温防吃紧，官兵未可轻动为言辞之。孙锵鸣遂 自募勇丁赴平阳，将钱仓房屋烧煅，前仓匪党旋亦烧煅孙锵呜房屋，闻孙锵 鸣有赴府城之信，即阑入府城。其时黄维诰正赴瑞安查缉匪党，陈宝善亦赴 乡催粮。比闻警遄归，将会匪击散，郡城来被占踞。厥后会匪攻温州者两次， 攻瑞安者一月有馀，黄维诰、陈宝善、孙杰等设法守御，幸未被陷。言者但 以纵匪之咎归于官，而不知构衅之故实绅团盂浪致之也。 左氏的奏折同意地方官的说法：金钱会与孙锵鸣斗争属于私怨，他们攻城的 目的是对付孙锵呜，最终的结论是金钱会起事盖由士绅激变而成，即“构衅之故 实绅团孟浪致之也”。其后，孙氏对金钱会乱后地方官所作所为的指控也被左氏 逐条予以否认。在左氏的奏折里，孙氏的指控，或捕风捉影，或无中生有，都是 荒谬绝伦的。按照前述黄体芳的说法，沈涣澜是最先力主与陈、谢等议和，并最 先出主意把金钱会之乱“诿咎于办团之孙侍读”，但左氏是这样为沈涣澜时开脱 的： 其沈涣澜一员，向在瑞安绅局与孙锵鸣等同办团事，闻因言语迕触，致 成嫌隙，其曾否入会通匪，亦无从查悉。该绅所办系海防局务，按照船只大 小收费，置船募勇为缉盗护商之用，而置船募勇之事系归护温州镇总兵黄载 清管理，屡次出洋剿匪尚属得力，沈涣澜并无帮办盐局自设勇船之事。o 左氏还在奏折中攻击孙氏上奏是出于诿过和报复的不良动机。朝廷全盘接受 了左宗棠的调查结论，同治三年下发的一个上谕称： 左宗棠奏遵查黄维诰等被参各款，既据该督查无其事，孙锵鸣所奏着毋 庸议。馀着照所请办理。乃孙锵鸣在局办固激变，辄行委过于地方官， 查些苎兰壁主兰竺塑圭竺堕 将新鲜果蔬利用脱水干燥制成果蔬粉，是果蔬加工生产的新途径。果蔬粉 加工解决了地域农副产品生产加工中的保鲜、存储、包装、运输等难题，果蔬 微粉化加工处理使其成为食品工业原料对地域农副特产的加工利用并提高其附 加值来说具有一定的现实意义。 本课题是广东省农业机械研究所承担的“广东省农产品干燥加工工程重点 实验室”建设项目中的子项目之，广东省农业机械研究所研制了真空带式干 燥设备，东北大学机械工程与自动化学院与广东省农业机械研究所联合利用该 设备开展本课题的研究。 广东省农业机械研究所农产品加工干燥设备研究开发中心长期致力于农副 产品干燥设备开发制造以及干燥工艺的研究，以热带、亚热带水果为原料的风 味果蔬粉具有营养价值高、风味好、耐贮藏、运输便利、加工规模大的特点， 有重大开发价值和广阔的市场前景。 真空带式干燥设备在国内果蔬粉生产中还未应用，对真空带式干燥设备的 干燥特性认识还不足，对其干燥过程的理论研究还不多。本课题的设立，就是 对果蔬粉在真空带式连续干燥过程进行实验研究，并且进行理论分析，用于指 导生产实践。 1 。2 国内外果蔬粉生产研究概况 1 2 1 果蔬粉生产优点及应用 将新鲜水果蔬菜加工成果蔬粉有如下优点：( 1 ) 果蔬粉水分含量低( 6 ) ， 可以延长贮藏期，降低贮藏、运输、包装等费用；( 2 ) 原料的利用率高，果蔬 制粉对原料的要求不高，特别是对原料的大小、形状没有要求；( 3 ) 加工制成 果蔬粉后，拓宽了果蔬原料的应用范围；( 4 ) 其加工技术中将干燥技术和粉碎 技术相结合，尤其是与超微细处理工艺组合，使加工过程简捷、操作简单方便， 同时较好的解决了果蔬粉加工过程中酶变活性、高糖和热敏果蔬、添加成分的 高均匀度混合等技术难题。 果蔬粉应用广泛，应用到食品加工的多个领域，可用于提高产品的营养成 分，改善产品的色泽和风味，以及丰富产品的品种等，主要可用于面食、膨化 食品、肉制品、固体饮料、乳制品、婴幼儿食品、调味品、糖果制品、焙烤制 品和方便面等。用于改善食品风味时，只需少量的水果粉就可给予特定的风味。 如在糖果中，只需o 3 o 5 杏、1 1 5 柠檬、0 5 加7 5 其它水果粉；而 查些垄兰翌主兰垒垒墨竺丝 在冰淇淋中，其需要量分别为3 、3 4 和3 5 。目前果蔬粉的产品有橙 粉、西柚粉、黄瓜粉、西瓜粉、南瓜粉、大蒜粉、番茄粉、葱粉、香蕉粉等。 1 2 2 果蘸粉干爆加工方法现状 果蔬粉干燥方法有很多。按其加工工艺过程分，先干燥后粉碎的方法和先 打浆均质后干燥方法。前者主要有热风干燥，转鼓干燥，真空干燥和真空冷冻 干燥；后者主要为喷雾干燥，真空连续干燥。现分述如下。 热风干燥：这是当前果蔬干燥最常用的干燥方法。它是以热空气为干燥介 质，将热量传递给干燥器内的物料，同时将物料中的水分带走。一般是把果蔬 切片干燥，湿含量低于4 后磨成粉，该方法常用于调料的果蔬粉品。还有就 是与泡沫干燥结合，用于制取水果粉品速溶饮料。实验加工出番茄、桔予、节 果等粉品，复水性均好【1 l 。该方法的缺点是加热温热过高，造成营养成分破坏、 芳香物质损失等，这影响了产品品质。 转鼓干燥：这是通过鼓壁传导热量的传导型干燥器。该方法物料与热表面 直接接触，有较高的传热效率和热效率，可在真空下操作，就成了真空转鼓操 作。转鼓干燥器所得产品是片状的，要加工成粉，还需粉碎加工。对于纤维含 量较高的物料，如苹果、香蕉、杏等可以不加添加剂直接干燥。市场上有转鼓 干燥的香蕉粉。这种方法对非热敏物料是经济可行的，但产品不适宜作饮料， 可用于改善产品的风味。 真空干燥：这是在低压条件和较低温度下进行物料干燥。它的干燥速度是 受水分内部扩散控制的。干燥在真空环境下进行，则适宜于干燥易氧化变质的 物料；干燥在低温条件下进行，则适宜于热敏性物料的干燥。用真空干燥，产 品能较好的保持色香昧以及营养成分。真空干燥器种类较多，大部分都是间歇 式。真空连续干燥器相对间歇式优点明显：( 1 ) 干燥条件恒定，其干燥产品特 性就保持恒定；( 2 ) 其操作是连续的，其系统可以是全自动控制操作；( 3 ) 其生 产能力更强。常见的真空连续干燥器【2 j 有多层盘式干燥机、单浆叶干燥机、耙 式干燥机、卧式连续振动干燥机和真空带式干燥机。 真空冷冻干燥：就产品品质而言，这是目前最优秀的干燥方法。冷冻干燥 时，物料中的水先预冻成冰，然后直接从固态升华成汽态而排出。它不仅最大 限度的保留了食品原有成分、味道、色泽和芳香，而且其产品具有理想的速溶 性和快速复水性。目前冷冻干燥用于蒜粉、芦荟粉、枸杞粉等物料的生产。但 其成本高，限制了其推广应用。目前的工业真空冷冻干燥机大都为间歇式的， 沈阳冰天制冷设备有限公司成功开发了我国首台连续式食品冻干装置。 查兰墨兰堡主兰竺丝兰竺堡 喷雾干燥：是采用雾化器将原料液分散为雾滴，并用热气体( 空气、氮气 或过热水蒸汽) 干燥雾滴而获得产品的一种干燥方法。果蔬汁或果蔬浆制粉可 用喷雾干燥，有的需要加入添加剂( 如谷物淀粉) ，有的则是纯水果，其制品的 速溶性较好。但对于含有大量糖分、果胶等粘性物质，在制粉前，需用水稀释， 这样造成了能耗急剧增加。用于果蔬粉生产的喷雾干燥器主要有两种类型【3 】， 一种是中温干燥空气操作的喷雾干燥器，其干燥温度范围为7 7 8 8 ，它的建 筑高度较低，但干燥温度不适用于热敏物料的干燥。第二种是低温干燥空气操 作的喷雾干燥塔，其于燥温度约为2 7 ，能很好的保持物料的风味和营养价值。 但为达到一定的粉末生产速率，需要很高的干燥塔，高达数1 0 米，其设备投资 成本很高。目前市面喷雾干燥制粉较多，如南瓜粉、芦苇粉、番茄粉、香蕉粉、 橘子粉、柠檬粉等。 1 2 3 果蔬粉干燥发晨方向 随着人们对产品品质和卫生标准等方面有更高的要求，选择一种满足此要 求且经济可行的干燥方法就是研究的一大方向。真空干燥就成本来说比真空冷 冻干燥要低，其干燥制品的品质与真空冷冻干燥的非常接近，比其它方法要好， 因此是生产果蔬粉的较佳方式。将干燥过程和粉碎过程相合，使接个过程连续 化，减少过程污染，从而保证其卫生标准。另外，果蔬粉的加工正朝着超微粉 碎的方向发展【4 】。果蔬干制再经过超微粉碎后，颗粒可以达到微米级，使用时 更方便；其营养更容易消化、吸收、口感更好；果蔬中的膳食纤维能被利用 减少了废渣，符合当今食品行业的“高效、优质、环保”的发展方向。 1 2 4 香蕉粉千燥及国内生产现状 香蕉粉于1 9 7 4 年首先在台湾开发成功，素有“植物奶油”之美称，它是食品 工业的重要原料。此后，在很多国家都开展了香蕉粉干燥及生产的研究。香蕉 粉保持了香蕉果肉的原色原味和主要营养成份，且常温下保存一年其色香味不 变，可用开水泡饮，而无增加血脂、胆固醇，加入面粉制成香蕉粉速食糕点、 面包及香蕉冰淇淋，食用很广，在国内夕 市场一直深受消费者欢迎。目前国内 外需求很大，价格不菲( 6 0 0 0 8 0 0 0 美元吨) 。目前我国年产超千吨的生产企 业不多，但有不少立项招商的项目。 广西浦北县依赖其丰富的香蕉资源，以合资开式开发了香蕉粉生产项目。 其总投资达1 9 4 5 万美元，其年生产规模达3 0 0 万公斤，预计年销售收达2 2 2 1 查苎查兰罂主芏堡垒查堕堡 万美元，年利润5 8 9 万美元，2 7 年回收成本。 海南香蕉制品厂项目，项目总投资4 8 9 6 万元，年生产香蕉粉7 5 0 0 吨，按 当前市场价8 3 0 0 美元吨，年产值达6 2 2 5 万美元。 海南香蕉深加工示范工程项目，地址在海南省乐东县九所新区，预计香蕉 粉年产值在4 0 0 0 吨。 海南澄迈县依托其庞大的香蕉生产基地，于1 9 9 6 年8 月建成投产，是我国 首家香蕉粉生产企业，总投资1 9 0 0 万元，引用中国科学院的专利技术，年生产 规模1 2 0 0 吨，年产值超千万元。 开发新型的真空连续干燥设备以及相应的生产工艺，是当前生产高品质低 成本香蕉粉的一大要求，因而这项研究非常有意义。 1 3 真空连续干燥技术的研究现状 1 3 1 真空干燥研究进晨 由于真空干燥过程中在线检测物料内部的水含量和温度大小还比较困难， 因此数学模型的研究对干燥过程的优化和控制，干燥设备结构的优化及放大都 有着重要的理论指导意义。真空干燥的实质是在真空条件下水的汽化温度低， 在外界热量的作用下，水分和蒸汽的迁移扩散。因而数学模型的研究主要集中 在两个方面。一方面是研究物料吸收热量的大小，即物料内部温度场分布规律； 假设干燥的传热传质过程是出热量控制，建立热传导方程，根据边界条件和初 始条件得出相应的解析解，或得用差分法、有限元法数值计算出物料内部温度。 j f n a s t 勾用有限积分变换技术褥到了真空转鼓干燥的物料温度分布b 。另一方 面是研究水分扩散、蒸发规律，探索物料湿度场分布规律，通常用f i c k 第二定 律来描述湿分的非稳态扩散过程。k u m a z 删a e i t a m d 在真空带式于燥设备做了 液态麦芽糖的干燥实验”1 ，建立了二阶微分方程传热传质模型，用解析法求得 模型的数值解与实验结果大致吻合。但干燥过程中传热、传质机理有多种，不 同干燥阶段的传质机理不同，这给数学模拟带来了不少困难。因而真空干燥过 程中水分温度变化规律的研究比较少，成熟而实用的模型也不多见。 人们在f i c k 第二定律的基础上，总结出几种较为常用的经验公式，较好地 描述了干燥过程。s i m p l e 模型由于其简单而得以较广泛的应用，但该模型不能 很好的预测后期干燥。为提高模型的精确度，g l e n n 提出了双指数模型。该模 型在研究农产品的干燥特性取得很好的效果，很好的预测了水分传递特性和干 查苎查兰壁圭兰竺堡墨曼堡 易氧化变质的物料、易燃易爆的危险品。例如在食品干燥中防止物料中油脂的 氧化。在食品、药品干燥中还能起到一定的消毒灭菌作用。 ( 3 ) 适合干燥高浓度、高粘性液态物料 真空带式干燥设备在干燥高浓度液体( 例如，8 0 以上的固态组分的浓缩 液) 、高浓度混合调整液体方面，比其他干燥设备要优秀得多。并且，该设备还 适合干燥高粘性的液念物料。 ( 4 ) 干燥制品溶解性能好 均匀分布在传送带上的物料，被干燥室中加热板加热，形成多孔质的膨松 结构的物料层，其单位体积的表面积大大地增大。对于含有难溶性油脂组分的 干燥制品，由于多孑l 质膨松结构增大了物料表面积，使油脂组分扩散，导致干 燥制品的溶解性能得到显著地改善，使其易溶于水。 ( 5 ) 可以连续运行，干燥产量大 该技术采用连续进料、连续干燥、间歇出料的连续运行模式。在连续供给 原料的条件下，该真空带式干燥设备可以实现连续的运行，在大型工程化干燥 方面会发挥较大的作用。 ( 6 ) 干燥的物料品种多、用途广 根据物料的品种及用途，其干燥操作参数可以自由地设定，因此，真空带 式干燥设备能干燥的物料品种多，其干燥制品的应用范围广泛，可满足多种使 用目的的要求。 该干燥方法应用广泛，在众多领域都有其典型应用。总结如下； 食品行业：果蔬粉，汤料，调味料，饮料和糖果行业的初产品和甜料 早徭饮料，速溶茶，速溶咖啡，与啤酒相关的初产品和中间产品( 如 麦芽萃取物、淀粉酶麦芽萃取物、啤酒花萃取物等) ，块状和粒状产品 等。 医药和化妆品行业：蛋白质，淀粉酶，木瓜酶，维生素，抗生素，中 草药和植物提取物等。 化工行业：染料的干燥，金属氧化物干燥和易爆品的干燥等。 1 3 3 真空连续( 带式) 千燥设备研究概况 当前食品加工的发展趋势是最大限度地保留营养和色香味，因而对干燥的 时间和温度有一定的要求；而食品通常是低附加值产品，因此有经济性要求。 围绕r r 质量和经济”，近年来干燥技术和设有了长足的发展，其中真空连续干 东北走学硕士学位论文绪论 进料量 8 0 固体含量o 6 1 2 k g l l 出料机构手动阀+ 集料桶无阀，法兰料桶 其 加热方式蒸汽为载热体的传导加热传导和辐射结合加热 它 系 控制方式电控箱( 柜式)触摸式控制板，p l c 统 输送带可调可调 比 较 总功率( k w ) 1 97 总重 7 0 0 2 3 0 图1 1 真空带式干燥试验装簧d 吖i a b 0 2 f i 9 1 1v a c u u mb e l td r y e rd r y l a b0 2 德国m e r kt r o c k n u n g t e c h n i k 公司从1 9 9 5 年开始从事真空带式干燥设备 e c k e n 的设计、制造、安装和服务。德国的p u e s c h n e r 微波技术公司开发出了 微波真空连续干燥设备( 见图1 2 ) 。 真空带式干燥设备在国外的生产设计已经比较成熟，然而在我国则还处于 起步阶段，对设备和工艺开展的研究还刚刚开始。 蠹r 一甄乏= f 到臼奠鞋 魏照疆臻喇睡习醚鲤臻蘩捌蘩蕊蠢撼翼雨；攀耋熏t 雾冀釜霎磊矍蘑；薹鋈蚕 饕薹耋霎。妻耍鬟藿譬霪囊鬻堡雾雾笑强誊豢蓄g 爨玉里癸瑾攀。矗釜砻孚 疆倒翟强掣爨掣占哩攫i 甚掣咎t 帮静帮鹫粤黍寓蹙，奈赫倍囊獭倦强馐溜， 尊堪曩膨耐静静募办菌虱哳移判鞴够如薹基翼嘉“，替稿鸶舅譬范喜蓝噶 省l 彳蝴增罐浏二彳j 奄瀵潲碍蝎漱雾蠢糕新。警毒象纛嚣物料滞留时函鐾，j l l ? l 蕾鬈辑掣曩篆 曼孜刁酬n ；辩哥蝤强蕊心瀵丽静赫赫强珀“效j 拍两甜酴翳 酽驰；。i 铲i 毫甄疆竖：知蕊蟮强持嗣裂锫猫娶；e 薹露蕲娶f 幽戮象10 澹瘫 谶礴礴浏弧绺凌凛磺； 蠢暗鸵娌j 。瓣翳警l 兰i 毒薹盖i l i 文手飘霸蒌一 赢罕寝符耱攘溅唠潞； 竿也笨戬镪群懂曩鹭诂翟；赭矬馨礁善经臻笛蠢蓉鬟。鏊冀雾薹妻! 薹錾参霎菱： 鑫雾冀为肚驰豸! 薹 s ? 羝崆： ； 研：，盈霉囊| ；l 蔓爱墅蓼盒j 崮鸽坼并霸姐照 x 东北尢学硕士学位论文实验用真空带式干燥机结构特性研究 第二章实验用真空带式干燥机结构特性研究 2 。1 实验用真空带式干燥设备结构组成 2 1 1 设备简介 实验设备采用广东省农业机械研究所自行研制的g z d 型真空带式干燥机， 属实验型的小型设备。该设备主要由真空带式干燥机、真空系统、制冷系统、 加热系统和控制系统组成，其设备外形和内部结构分别如图2 1 、2 2 所示。 图2 1g z d s 型真空带式干燥设备外观图 f i g2 1e x t e m a la p p e a r a n c eo fg z d sv a c u u mb e l td r y e r 该设备的主要技术参数：工作真空度在l o o l o o o o p a 范围内可调；冷阱的 捕水速率为o 5 k g 1 1 ，最大捕水量为3 k g ，批，冷阱的最低温度可达- 5 0 ：物料 滞留时间范围为1 2 m i n 1 2 0 m i n ；辐射板加热温度为4 0 3 0 0 可调，最大加热 电功率为l o k w ：设备总电功率为1 5 1 k w 。 该设备的工作流程为：先开启制冷压缩机对捕水器制冷。当捕水器温度达 到4 5 后，并维持这种低温，启动真空泵，抽空干燥室：给加热板通电，使加 热板温度达到预设温度；接通传送带驱动电机的电源。当干燥室真空度和加热 板温度都达到设定要求后，开启进料泵通入物料。当干燥结束后，关闭真空 1 2 东北大学硕士学位论文实验用真空带式干燥机姑构特性研究 泵、压缩机及其它部分的电源，打开放水阀放水。 图2 2g z d s 型真空带式千燥设备内部结构 f i 9 2 2t h ec o n s t i t u t i o ni ng z d - sv a c u u mb e l td r y e r l 电机转动轴2 软管3 喷嘴支架4 从传动轴5 传送带支座 6 传送带7 幅射加热板8 测温传感器 2 1 2 真空带式干燥机 它是真空带式干燥设备的核心，它主要由干燥室壳体、传动带及其拖动机 构、进料机构、加热板和冷却板、剪切及出料机构和测量元件等组成。 干燥室壳体是一个严格要求密封的不锈钢真空容器，其形状一般为圆筒形 或方箱形。真空干燥需在真空条件下工作，所以箱体要有一定承受外压的能力。 室体通常比较长，根据其干燥工艺要求，室体可设置人孔和隔离板，前者要求 便于安装和检修，后者保证传送带的下料段有着明显降温冷却区域。该设备的 室体采用了圆筒形结构，在室体上设置了两个方形的小门( 见图2 1 ) ，便于安装、 维修及清洗。 进料机构由原料罐、阀门、进料泵或计量泵、软管、喷嘴和喷嘴拖动机构 等组成。喷嘴拖动机构由步进电机、转动轴、喷嘴和喷嘴固定支架组成，见图 2 2 。开启进料泵，液态物料从原料罐经软管和输送泵送到喷嘴口，移动的喷嘴 将物料均匀地喷洒在传送带上。喷嘴拖动机构实现喷嘴往返摆动。通过设定输 送泵的流量大小，可以很好地控制粘性液态物料的流量，这样就控制物料在输 送带上的物料的厚度。由于传送带是匀速行走，因而在传送带上可以喷洒上 厚度均匀的薄膜状液态物料。 传送带是承载物料、加热和冷却物料及其脱水干燥、输送物料的装置。其 1 3 圭苎查兰丝兰堡丝圭 塞壁璺墨室堂苎坚垫竺塑竺坚至塞 材质应满足真空干燥工艺。一般干燥室内传送带数可以为一条，也可以多条， 一般实验设备为一条，而生产用设备可以为多条。在本设备中传送带为一条， 其材质是以玻璃纤维编织网为骨架的聚四氟乙烯，有较强的可剥离性。该设备 的传送带拖动机构由电动机、减速器、主传动轴、从传动轴和传送带支座组成。 传送动支座可移动。当传送带跑偏或变松后，调节传送带支座间的距离来改变 主传动轴和从传动轴间距离来校正。 剥离与剪切机构：干燥制品必须完全由传送带上剥离下来，不仅要求传送 带有良好的可剥离性，而且还要求剥离机构性能可靠，操作简单。图2 3 所示 为一种手动调节的剥离机构。剥离刀宽于物料宽度，其刀刃紧贴在主动辊处的 传送带上，在传送带转变处剥离处剥离物料。调节转动手轮，可以调节剥离刀 与传送带的压紧力，然后锁紧，防止转轴逆转。 图2 3 剥离机构 f i g2 3t h ed i a g r a mo fas 仃i p p e r l 一手轮2 一锁紧机构3 一密封轴承座4 一剥离刀 5 一转轴6 一轴承座7 一室壁 设置剪切机构就是将物料切成小块状，便于粉碎和出料。剪切机构由切刀 和拖动机构组成。拖动机构可以采用气动或曲柄机构，其动作频率可调( 即调节 气动换向时间或曲柄机构的转速) ，以便适应物料块大小的要求。本实验装置没 有安装剪切机构。 粉碎和出料机构通常由粉碎机、成品仓和两个插板阀组成。粉碎机将经剪 切的物料块粉碎成粒度均匀的结晶颗粒( 如速溶桔晶、速溶咖啡晶等颗粒) 。当 成品颗粒积存到一定量后，打开成品仓上面的闸板阀( 开启前已将成品仓抽过真 空1 ，将粉碎后的成品颗粒放入成品仓，然后关闭该闸板阀。如此反复，将干燥、 粉碎好的成品一批批地存入成品仓内。当其成品达到一定量或干燥工艺结束 时，开启成品仓下面的闸板阀排放出成品。本设备没有在干燥室内放置粉碎机， 出料机构由图2 2 所示，只有一个插板阀。 在实验设备的箱体和门上布置了4 个观察窗，便于观察物料的干燥状况。 另外设有两个观察光源来方便观察。 东北大学硕士擘位论文实验用真空带式干燥机结构特性研究 2 1 3 真空和制冷系统 真空系统是提供干燥传质动力的装置。真空干燥的真空系统的最大特点就 是要抽除大量的水蒸汽。目前在真空干燥中抽除水蒸汽的方法有两种“】，一是 直接抽除大量的水蒸汽，采用水蒸汽喷射泵加水环泵的抽气系统，罗茨真空泵 一水环式真空泵、水蒸汽喷射真空泵一水喷射真空泵系统。另一种是捕水器加 真空泵，先用捕水器将水蒸汽捕集，然后用旋片泵等真空泵抽除剩余气体。布 赫公司的生产用连续干燥设备的真空系统是水蒸汽喷射泵加水环泵的真空系 统。本实验设备采用捕水器加机械泵的真空系统。 捕水器，又称水汽凝结器，是凝结来自干燥机的可凝性蒸汽的装置。其实 质是带气固相变的热交换器，以管内致冷介质的冷量捕集管外的可凝性蒸汽， 使其在换热管上冻结，达到去除水蒸汽的效果，以便达到保护真空泵的效果 【1 5 ，哺l 。捕水器的结构和性能要求同其它真空干燥系统类似，但由于主要是对液 态物料的干燥，因而要满足大捕水量且捕水速率要高。在工业生产可以采用自 动连续融冰系统使捕水器始终处于高效换热状态，提高捕水能力。该实验设备 的捕水器的捕水速率为o 5 k h ，最大批水量为3 k g 批。 由于真空连续干燥对真空度的要求不是很高，其工作真空度通常高于 1 0 0 0 p a 。用一般的机械泵如旋片泵就可满足真空度要求。d r y l a b o 2 型采用的是 旋片式真空泵，大川原的b v - l o o 5 型则采用的是回转式昆翁尼泵( k y l l i o n p u m p ) ，该设备采用的是国投南光的2 x z 1 5 d 型旋片泵。 制冷系统主要作用是给捕水器提供冷凝水蒸汽的冷量。其制冷系统一般采 用直冷式循环。采用的制冷机大小由捕水器的耗冷量来计算确定，另外其制冷 剂的选择要根据捕水器所需的温度选择，还要考虑相关的环保要求。 2 1 4 加热和冷却系统 加热系统是提供干燥所需蒸发热能量的装置。加热系统可分为间接加热和 直接加热两种方式。问热式传导的载热体有水蒸汽、热水、矿物油等，它有加 热温度平稳，加热均匀，易于控制的优点，但该加热系统较为复杂，需要配备 热媒循环泵和热源设备等，成本相对较高。直接加热可以电加热传导和幅射加 热。在真空带式干燥系统中不主张采用电加热传导方式，因为物料干燥后经常 用水清洗，则比较容易发生故障。直热辐射器指辐射元件即是发热元件又是辐 查兰垄兰塑主兰竺笙苎 壅竺望圭窒堂查墨垫苎塑竺些堡查 射体，具有升温快、重量轻的优点，但其较难控制物料温度，加热温度过大时 降温慢，需要采用一种精确控制加热温度的控制方法。 一般来说，加热区可以分成几个子加热区，这样物料在不同的干燥位置， 根据物料的特性，提供不同的加热温度，这样可以达到节能和保证制品质量的 目的。从喷嘴口至出料口方向分别设定不同加热温度，满足预热、恒速干燥和 降速干燥的工艺要求。布赫公司的d r y l a b 0 2 型试验设备就采用了三个热传导 区，大川原的b v - 1 0 0 5 型试验设备也采用了三个子加热区。本设备采用幅射加 热，分成5 个加热区。 冷却的目的是使干后物料降温，便于后续的剪切和出料。冷系统一般为冷 水冷却。其系统通常由冷水泵、管路、冷却板及冷水组成。由冷水泵强制冷水 在冷却板中循环，以便带走由干燥好物料层经传送带传给冷却板的热量。这样， 可以冷却物料层，使其降温，以便分切和出料。冷却水可以采用自来水或循环 水。用循环水冷却时，应注意其循环水的温度。为了保证冷却效果，通常设置 循环水的冷却塔或冷却水箱，控制冷水泵供水温度在适宜的温度以下。本设备 没有布鼍冷却系统，物料自然冷却。 2 1 5 控制与测量系统 真空连续干燥设备的控制包括真空泵、制冷机和循环泵的起停，传送带的 拖动机构和喷嘴拖动机构的电机的起停以及速度的控制调整，加热温度的控制， 安全保护和报警装置以及各种传感装置。测量装置包括真空计测量装置、温度 测量装置。 控制系统的重点是对加热板温度的控制。采用的控制仪表是厦门宇光电子 的a 1 人工智能工业调节器，型号为a 1 8 0 8 。该仪表采用a 1 人工智能调节算法。 a 1 人工智能调节算法是采用模糊规则进行p i d 调节的一种新型算法【1 7 】，在误 差大时，运用模糊算法进行调节器节，以消除p i d 饱和积分现象，当误差趋小 时采用改进后的p i d 算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象 的部分特征以使效果最优化。该工业调节器无超调，具备自整定( a t ) 功能， 其输出和设定可在仪表屏上显示。它的通讯接口( c o m m ) 装有光电隔离的 r s 4 8 5 通讯接口，可与计算机通讯，通过计算机可实现对仪表的各项操作及功 能。该控制方法有着响应快、超调小、温度变化小的特点 1 ”。 真空带式干燥是连续干燥，它所有干燥状态都发生在同一个室体内，其物 料的水分、温度等参数随传送带的传动而改交。因而需要在干燥室的不同位置 1 6 墨苎垄兰竺主兰竺堕苎壅兰旦查皇堂苎土墨垫竺塑竺兰翌壅 放置传感器测相关的参数，主要是测加热板温度和物料温度。另外，干燥室内 的真空度，捕水器的换热管表面温度，传送带的移动速度、喷嘴的摆动速度以 及进料速度等参数都需要测量。协调进料量、干燥温度、工作真空度及传送带 速度等，这可保证干燥工艺的优化迸行。这些参数有些是预先设定的，有的需 要过程监控的，因而在线数据采集是必要的。在线数据采集硬件组成见图2 4 。 i 温度传围一圆一匿瓢因一匦西鬲圆一匝丽口 图2 4 在线数据采集硬件组成框图 f i 9 2 41 1 1 ed i a g r a mo f h a r d w a r e so f o n l i n ed a t ac o l l e c t i o n 温度传感器将温度变成电信号，信号经处理后进入控制仪表，然后通过 r s 4 8 5 r s 2 3 2 转换器进入计算机。在计算机上装有a i d c s 工控软件，可对型表 集中监控与管理，并自动记录测量数据及打印，可实时绘制变化曲线图以及历 史曲线。其a i d c s 工控软件的工具栏和仪表监控界面如图2 5 所示。 图2 5a i d c s 工控软件操作界面 f i g2 5t h eo p e r a t ei n t e r f 如eo f a i d c s 2 2 真空带式干燥设备的运行特性研究 2 2 。1 进料速度 物料最大输入量由单位时间进料量来衡量。单位时间最大进料量在设计好 捕水器的捕水速率之后，主要由物料的含水量决定。 墨苎垄兰竺主兰竺堕苎壅兰旦查皇堂苎土墨垫竺塑竺兰翌壅 放置传感器测相关的参数，主要是测加热板温度和物料温度。另外，干燥室内 的真空度，捕水器的换热管表面温度，传送带的移动速度、喷嘴的摆动速度以 及进料速度等参数都需要测量。协调进料量、干燥温度、工作真空度及传送带 速度等，这可保证干燥工艺的优化迸行。这些参数有些是预先设定的，有的需 要过程监控的，因而在线数据采集是必要的。在线数据采集硬件组成见图2 4 。 i 温度传围一圆一匿瓢因一匦西鬲圆一匝丽口 图2 4 在线数据采集硬件组成框图 f i 9 2 41 1 1 ed i a g r a mo f h a r d w a r e so f o n l i n ed a t ac o l l e c t i o n 温度传感器将温度变成电信号，信号经处理后进入控制仪表，然后通过 r s 4 8 5 r s 2 3 2 转换器进入计算机。在计算机上装有a i d c s 工控软件，可对型表 集中监控与管理，并自动记录测量数据及打印，可实时绘制变化曲线图以及历 史曲线。其a i d c s 工控软件的工具栏和仪表监控界面如图2 5 所示。 图2 5a i d c s 工控软件操作界面 f i g2 5t h eo p e r a t ei n t e r f 如eo f a i d c s 2 2 真空带式干燥设备的运行特性研究 2 2 。1 进料速度 物料最大输入量由单位时间进料量来衡量。单位时间最大进料量在设计好 捕水器的捕水速率之后，主要由物料的含水量决定。 变苎查兰丝主兰垒垒查 窒竺望墨窒堂查墨垫苎苎壁些堑垄 g 。一= ，2 。w ( 2 1 ) 式中，g 。一一捕水器的最大捕水速率，g 。= o 5 堙 ； m 。一物料最大进料速度，姆 ； w 一物料的初始水含量( 湿基) ，： 则 m m = 墨堕 w ( 2 2 ) 若进入干燥室的水分量过大，超过捕水器的捕水能力，则会引起捕水器换 热面表面温度升高，影响捕水效果，大量的水蒸汽将进入真空泵内，造成真空 泵油乳化，真空度降低【”l 。所以要根据捕水器的捕水速率来确定物料的进料速 度。 从式( 2 2 ) 可知，要提高产量，一方面可以提高捕水器的捕水速率等性能。 捕水器的捕水性能与捕水器的结构和安装位置很有关系【1 4 】，因而需要优化捕水 器的结构设计，以及合理安排捕水器的位置。要保证设备连续运行，采用交替 捕水融冰装景，使捕水器始终处于高效换热状态，捕水能力强，这样就可保证 连续运行。另一方厩可以减少物料的含水量。过高的含水量不仅浪费能源，也 影响产量。d a y l a b o 2 对进料的要求是8 0 的固体含量，m e r k 公司的设备要求 至少6 0 的固体含量【1 9 】，b u c h e r 科技的设备要求至少5 0 的固体含量，最理想 的为8 0 的固体含量【2 0 】。因而对于一些高含水量的物料，最好通过其它干燥方 式去除高水分段，然后用真空带式干燥获取终产品，这样能即能节省干燥周期， 又能节省能源。 2 2 2 传送带速度和喷嘴接动速度 传送带移动速度是由其牵引机构的电机来控制的。 来控制传送带的移动速度“。 m = t 豫 r ：翌：三三 以l，7 一 通过调节电机轴的转速 式中，卜一喷嘴到出料口间的距离，即物料的干燥行程，m m 丁一干燥周期，m i n ； 一干燥周期内电机轴的总转数； 腻一步进电机轴的转速，1 】1 i n ； - 1 8 一 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 查些苎堂塑主兰堡垒墨壅鉴旦墨窒堂苎坚垫苎塑壁：些竺垫 ，一步进电机轴转动一周传送带移动的距离，m m ，。 由上两式可确定传送带的牵引电机转速和传送带速度的关系 “= ，一啊( 2 5 ) 喷嘴摆动是由电机来驱动的，喷嘴的摆动速度就由电机轴的转动角速度 来决定。喷嘴的摆动速度和传送带速度共同作用影响着物料在传送带上的状态。 喷嘴摆动和传送带运动的物理模型如图2 6 。 图2 6 喷嘴摆动和传送带运动的物理模型 f i 9 2 6t h ep h y s i c a lm o d e l o fs w i v e l i n gn o z z l ea n dm o v i n gb e l t 在喷嘴杆顺时针摆动时，当经过口时，在p 角度喷出的物料此时走过路程 j ：竺卫 f 2 6 ) 国 式中， “一传送带移动速度，在该设备中，= 1 6 6 7 1 6 6 7 川川m i n ； 彩一转轴的角速度，r a d m i n ； 喷嘴杆从t 摆动到t ( t 是喷嘴杆的最大摆角) ，此时物料轨迹如图2 7 。 从图2 7 可知在物料偏离喷嘴轨迹最大距离在喷嘴摆动的起始位置。 图2 7 喷嘴顺时针摆动一次后物料在传送带上的轨迹 f 1 9 2 ，7t h 。p a t h w a yo fw e tm a t e r l a lo nt h eb e l ta f t e r t h en o z z l es w l v e l sd e a s i l l y 喷嘴杆逆时针摆动时，其物料的分布轨迹和顺时针一样。 物料在传送带分布的均匀性主要由物料间最大间隔来确定。间隔大则物料 一1 9 一 东北大学硕士学位论文实验用真空带式干燥机结构特性研究 分布不均匀。则喷嘴来回个行程产生最大的物料间距s 。，来回行程时间 4 f z = 一 甜 s 一2 斫2 “一一 ( 2 7 ) 叫 刀以2 式中，h ，一喷嘴转动机构的电机轴转速，r m i n ： 取= 旦，则s 。= 兰三。 n 2 玎 从式( 2 7 ) 可以看出物料最大间距与七成正比。若后值过大，物料间距就 大，这样物料在传送带上的分布就很稀疏，这样不利于幅射板的能量利用：若七 值过小，物料间距就极小，物料就有可能重叠在起，物料厚度增加，干燥周 期变长，在设定的干燥周期内物料可能不能达到所要求的含水要求。所以t 值 的大小对干燥过程是相当重要的。选定一个合适的七值就是选好了物料间距， 好的值能使物料在纵向较均匀地铺在传送带上，这样可提高物料的实际受热 面积，能大限度的利用幅射能，保证干燥的顺利进行。另外，物料间的最大间 隙也与喷嘴的摆角f 有关，r 越大，间隙越大。对于幅射传热，角系数在传送 带的横向位置是不均匀的。为了使物料受热均匀，且物料在传送带上的铺放均 匀，也应考虑f 的选择。 在实验中，物料滞留时间为8 0 m i n 时，“= 2 5 m m m i n ，国= o 7 2 ，m i n ， f 。鼍，此时3 5 聊m r ，s m x = 5 2 m m ，说明物料铺放比较均匀。 2 2 3 物料厚度 物料厚度是重要的干燥参数之一，对干燥时间有着很大的影响。通过各种 参数的调整，物料能均匀地铺放到传送带上。此时 聊= 3 6 0 0 p 肌- d( 2 8 ) 式中，m 一单位时间进料质量，k g h ： p 一湿物料的密度，培研3 ； 口一传送带上的物料宽度，卅； “一传送带移动速度，m j ； d 一物料铺放厚度，朋。 东北太学硕士学位论文实验用真空带式干燥机结构特性研充 由此，d ： 竺 。 3 6 0 0 口口 对于浆状的物料，真空带式干燥通常会在物料中加入发泡剂，使物料发泡 形成多孔的稳定结构，这样有利于干燥2 m ”。物料发泡改变了湿物料的密度， 使物料厚度增加，而且结构稳定，不会发生物料蹋陷。加入一定比例的发泡剂， 物料发泡，引起物料密度变化【2 3 。 p = 4 尸( 2 9 ) 式中，爿一密度变化比例常数，由实验确定。 由此，发泡后物料的厚度就表示为 d = 号 ( 2 1 0 ) 2 2 3 喷嘴和传送带问垂直距离 喷嘴和传送带间的垂直距离对被干物料在传送带上的铺放均匀性是非常重 要的，在此，该距离记为h ，。在物料的进料实验中，我们发现，当日，较大时， 物料并不立即从喷嘴口落到传送带上，而是有一个往下生长的趋势，依附在喷 嘴口，呈漏斗型长大，然后一团团的掉到传送带上。首先，物料从离开喷嘴口 到传送带上需要经历一段时间，而在这个时间间隔内，传送带在移动，这样物 判在传送带上铺放就不够均匀，不能有效的利用传送带面积。其次，由于有较 多的物料聚集生长在一起，形成一个较大的团状物，这样物料厚度有了较大地 增加，需要较长的时间才能干燥。另外，物料经过喷嘴口的同时还是液态，一 进入真空环境，水分大量蒸发，有气泡爆破的现象，这样就造成许多小颗料四 处飞溅，吸附在干燥室的室壁、加热板表面及其它部件表面上，这增加清洗难 度的同时也造成了物料的损失。当h ，较小时，物料一出喷嘴口就与传送带接 触，就较紧密地吸附在传送带上，物料就不在喷嘴口上生长，可以保证了物料 在传送带横向上的均匀性和连续性。另外，日，小的时候，气泡爆破造