（食品科学专业论文）脱水蔬菜干燥装置的研制及其干燥技术研究.pdf

摘要 本课题进行了全封闭内循环干燥设备的设计和样机的研制，通过对甘蓝、豆 角、辣椒、苹果、葱等产品的脱水试验，研究了该设备的蔬菜脱水工艺。以甘蓝 为例分析了干燥介质温度、风速、装料量对干燥效果的影响，经二次正交旋转试 验，建立了相关的干燥数学模型，并通过约束复合形法筛选了最佳工艺参数。当 介质温度6 0 c ，风速为1 9 5 m m i n ，装料量为3 6 k g m 2 时，干燥效率为最佳状态， 单位能耗仅为0 6k w h h 。0 。研究结果表明本课题设计研制的干燥样机具有以下 特点：1 、设计科学合理，在高效除湿、精确定量送风、风向切换方面的设计具 有独创性；2 、采用微机操作控制，自动化程度高，操作简便；3 、以甘蓝为原料 在样机中进行的脱水试验，单位能耗由常压热风干燥的1 3 9 】8 6 k w h k g 水降低 到0 6 0 7 k w h k g 水，节能效果显著，热效率高：4 、产品更安全、卫生，营养 损失小，香味、色泽保存良好，提高了被干燥物品的品质；5 、结构简单合理， 占地面积小，采用绿色环保工质r 1 3 4 a ，对环境污染小，使用不受气候影响，投 资和运行成本低于其它非热风干燥设备。 关键词：内循环干燥设备，研制，干燥工艺，脱水 a b s t r a c t an e wr e c i r c u l a t i n gd r i e rm o d e lw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d i t s d r y i n g t e c h n o l o g yw a ss t u d i e db ym e a n so fd e h y d r a t i n gc a b b a g e s ，晚s hk i d n c yb e a n s ，h o t p e p p e r s ，a p p l e s ，a n dc h i n e s eo n i o n s t h ei n f l u e n c e so fd r y i n gm e d i u mt e m p e r a t u r e ， v e l o c i t yo fw i n d a n dd r i e dq u a n t i t yt ot h ed r y i n ge f f e c t sw e r ea n a l y z e di nc a b b a g ea s a ne x a m p l e m a t h e m a t i cd r y i n gm o d e lw a se s t a b l i s h e db yq u a d r a t i cc r o s sr o t a r y d e s i g nm e t h o d t h eb e s tc o m b i n a t i o no f t h ep a r a m e t e r sw a sa i rt e m p e r a t u r ea t6 0 c ， w i n d v e l o c i t ya t 1 9 5m r a i n ，d r i e dq u a 埘t ya t3 6 k g m 2 ，a n du n i te n e r g yc o n s u m p t i o n w a so n l y0 6 k w h h 2 0 e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed r i e rm o d e lh a dt h e f o l l o w i n gd i s t i n g u i s h i n gf e a t u r e s ：1 ) i t sd e s i g n a t i o nw a ss c i e n t i f i c ，r e a s o n a b l e ，a n d o r i g i n a l i nt h e a s p e c t s o fe f f i c i e n t d e h u m i d i f i c a t i o n ，a c c u r a t e l yq u a n t i t a t i v e w i n d - p r o v i d e ，a n dw i n dc h a n g e r 2 ) i tw a sh i g h l ya u t o m a t i ca n de a s yt oo p e r a t eu n d e r c o m p u t e rc o n t r 0 1 3 ) i nt h et e s to fc a b b a g ed e h y d r a t i o n ，t h eu n i te n e r g yc o n s u m p t i o n w a sd e c r e a s e df r o m1 3 9 一1 8 6 k w h k g w a t e ri nh e a tw i n dd r i e ru n d e rn o r m a lp r e s s u r e t o 0 6 0 7 k w h k g w a t e r i nt h en e wm o d e l t h en e wm o d e lh a ds i g n i f i c a n t e n e r g y s a v i n ge f f e c t sa n dh i 曲t h e r m a le f f i c i e n c y 4 ) t h ed r i e dp r o d u c t sf r o mt h en e w d r y e rm o d e lw e r es a f e ，c l e a n ，w i t hl e s sl o s so fn u t r i t i o n ，a n dt h e i rc o l o r , s m e l lw e r e w e l lk e p t ，t h e r e f o r et h e i rq u a l i t yw a sp r o m o t e d 5 ) t h ed r y e rm o d e ls t r u c t u r ew a s s i m p l e ，r e a s o n a b l e ，a n ds m a l l s i z e d m e d i u mr 1 3 4 aw a su s e da n dl e s sh a r m f u lt o e n v i r o n m e n t c l i m a t eh a dn oa f f e c t st oi t sd r y i n gp r o c e s s i t si n v e s t m e n ta n dr u n n i n g c o s tw e r em u c hl o w e rt h a nt h a ti no t h e rd r y e r sw i t hr i oh e a tw i n d k e y w o r d s ：r e c i r c u l a t i n gd r i e r ，d e v e l o p m e n t ，d r y i n gt e c h n o l o g y ，d e h y d r a t i n g 英文字母 变量符号说明 a 一活塞杆截面积，m 2 a 面积，m 2 b 材料厚度，i t i i t i d 空气绝对湿含最，k g 水分k g 绝干气 f _ 一面积，m 2 e 一制热工质流量，k g a l r g 干燥物料重量，k g h 空气、制热工质的焓值，k j k g l r 一传热系数，w m 2 k 总传热系数，w m 2 i 绝干空气流量，l m i n m r 湿基含水率， n 活塞往复次数，次m i n n 功率，w p 空气、制热工质压力，p a q 活塞泵单位行程输气量，u 次 q 一传热系数，舡 q 风量，活塞泵输气量，m 3 m i n r 一汽化热，k j k g r 热阻，m 2 c w s 换热面积，m 2 卜一制热工质的温度， t 空气的温度， u 干燥速率，k g ( m 2 s ) v 电压，伏 w 一压缩功，k j k g w 冷凝水量，g m i n z _ 一活塞行程，c m v 希腊字母 对流传热系数，w m 2 1 5 输气系数 e 制热系数 r l 效率， 导热系数，w m 2 u 湿空气比容，m 3 k g 绝干气 中空气相对湿度百分数， 1 l r 维生素c 的保存率， u 维生素c 的质量分率，m e , 1 0 0 9 下标 a s 绝热饱和的 d 露点的 h 高温的 i 一氐温的 o 外部的 i 内部的 s 饱和空气的 卜一铂电阻的 k 冷凝的 z 一蒸发的 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究一r ：作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：张海红 时间：二o o 血年血月九日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影e i j 、缩印或扫描等复制于 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遭受此协议) 研究卜签名：歃为红 导师签名 讯，a i 时问：二oo 血年月日 时问：二o0 五年月日 1 、前言 1 , 1 研究的目的和意义 蔬菜在人们的日常饮食中起着重要作用，它除提供租纤维外，还提供维生素、矿物质及微 量元素等其它营养成分，是仅次手粮食的重要农产品。我国现有蔬菜种植面积3 3 3 3 万亩年总 产量近1 5 6 亿吨。然而由于新鲜蔬菜水分含量较高( 9 0 以上) ，其中游离水占大部分，且新鲜 蔬菜体积大，组织脆，给贮藏运输带来一定的困难，造成了巨大的损失。据统计当前我国蔬菜每 年从采购、储运、加工销售到流通的各个环节即从农田到餐桌的整个过程中的损耗高达 3 0 0 0 - 4 0 0 0 万吨，估计占全年蔬菜总产量的2 0 - 3 0 以上。因而对蔬菜原料进行t t 化深加工， 在保持箕营养和风殊的前提下，生产便于贮运、保质期长的蔬菜深加工产品，使廉价韵蔬菜增值， 创造高附加值是发展的必然趋势”j 。 脱水蔬菜是一种适应现代人快节奏、高效率生活方式的流行食品。蔬菜经脱水后，其水分含 量下降至4 一】3 ，水分活度a w 降至0 7 左右，使微生物和酶处于受抑制状态产品密封或真 空包装酃可长期保存达2 - 3 年。与新鲜原辩相比较。脱水蔬菜体积小、重量轻一般3 一1 0 分钟即 可复鲜，复水比为1 ；3 5 1 0 5 ，复鲜度大于9 0 。蔬菜细胞组织脱水后，引起蛋白质化学特性改 变，细胞膜透性加强，细胞的结构和功能发生改变细胞水解，一些贮藏物质和部分结构物质， 如淀粉、糖、蛋白质、果酸以及少量的脂肪物质，在酶的作用下分解成简单物质，其中淀粉分解 成葡萄糖，j 豫糖转化成单糖蛋白质和多肽分解成氨基酸，原果酸分解成果胶酸。这一变化可虬 使蔬菜脱水后风味有所提高，鲜、甜味有所增加。由于其色、香、味、形、质基本保持不变，又 便于贮藏运输，脱水蔬菜广泛用于方便面、方便米饭等方便食品及汤料中，深受国内外消费者的 普遍欢迎。近年来国内外市场上脱水蔬菜的需求量逐年增加，年销售量约为4 5 万吨，销售额达 1 2 亿元口】。 我国作为脱水蔬菜生产大国，产量在国际贸易中占主导地位，脱水蔬菜的出口量约占世界总 产量的2 3 ，而且每年阻3 0 的速度递增p 】。自2 0 世纪8 0 年代我区就开始加工脱水蔬菜，经过 2 0 年发展，脱水蔬菜企业已选1 0 0 多家，脱水蔬菜已成为我区乡镇企业的主要出口创汇产品1 4 j 。 生产加工脱水蔬菜，使廉价的蔬菜增值，降低损耗，是今后蔬菜产品加工的一种适宜选择，也是 提高农民收入，推动当地经济发展的有效途径之一。但是由于脱水蔬菜加工技术的落后，我国大 部分脱水蔬菜企业的耗能大，干制成本高，产品质晕较差无法适应国际国内市场对优质农产品 的需求，企q e 效益受到了严重的影响。我国加入世界贸易组织之后，对我国脱水蔬菜深加工出口 企业提出了更高的要求。我们的脱水蔬菜产品如何与国际市场接轨，是当前和今后国内脱水蔬菜 深加工企业面临的现实问题。和国际市场接轨就要求我们不但要提高脱水蔬菜生产的数量，还要 保证脱水蔬菜的质量。那些旧的、老式的、自动化程度不高、产品品质不好的蔬菜脱水干燥设备 已经不能适应b 益变化的国际、国内市场的要求。因此研制开发一种适应我国实际需求。低成本、 低糍耗，自动化程度高，性能稳定的蔬菜脱水干燥设各，以提高产品品质，降低生产成本，对于 增强我国脱水蔬菜在国际市场的竞争力，以优质优价获取更大的经济效益，具有f 分重要的现实 意义。随着计算机技术的飞速发展，把计算机技术应用在蔬菜脱水干燥设备的自动化控制上，可 意义。随着计算机技术的飞速发展，把计算机技术应用在蔬菜脱水干燥设备的自动化控制上，可 1 宁夏大学硕士学位论文 1 前言 以更好更精确地控制干燥设备的运行。对于提升蔬菜的脱水技术，稳定蔬菜干制品质，增强脱水 蔬菜在国际市场的竞争力，同样具有十分重要的作用，发展前景广阔。 1 2 国内外研究动态和趋势 干燥是脱水蔬菜生产的关键工序，是一个复杂的热交换过程，它不仅受物料特性和介质参数 的影响，甚至还与气候条件和干燥工艺有关。它不仅是一个物理过程，也是一个化学和生物过程。 对干燥的要求不仅是去除水分，同时要求保留它的营养成分，有时还要保留它的色香味。所以， 蔬菜的脱水干燥过程涉及生物、化学、热力学、机械学、力学等多种学科，是一个多学科交叉的 加工技术。产品质量的好坏，能量消耗的多少，生产周期的长短，企业效益的高低都与干燥工序 有密切的关系。多年来，人们在不断寻求适宜的干燥工艺，研制优良的干燥设备。目前用于蔬菜 脱水干燥的机械设备品种繁多，品质参差不齐。按照脱水机理来分，主要有热风干燥、微波干燥、 远红外干燥和真空冷冻升华干燥。这些干燥方法各有优缺点。 热风干燥设备投资少，方便易行，是一种传统的干燥方法。耳前国内市场上的脱水蔬菜产品 基本上是用热风干燥技术脱水的。常用蔬菜热风干燥脱水设备有厢式干燥机、隧道式干燥机、带 式干燥机、滚筒式干燥机、流化床干燥机等。其能源来源广泛，可以是电、煤炭、木材等。这种 干燥方法是以空气作为载热体和载湿体，让己加热的新鲜空气连续流过被干燥的物料表面，带走 蔬菜中的水分，从而达到干燥的目的。在干燥过程中，为了不断将物料中水分带走，排出干燥室 内湿热空气中水分的唯一方法就是通风，连续不断地将水分含量高的湿热空气排入大气。为了保 持连续干燥，必须持续向千燥室提供已经加热的新鲜干空气，和外界进行热量和空气的交换，因 而传统的热风干燥设备热效率低，约为3 0 5 0 ( 其中干燥蒸发水分的热量约为3 6 ，废气损失 5 6 ，物料带走热量及干燥器热损失分别占2 和2 ) ，这样高的能耗增加了生产成本，同时也 造成了环境的热污染。由于加热温度较高( 一般温度为7 5 9 0 ) ，且操作过程属于开放式操作， 产品极易氧化、变色，影响产品感官品质，产品贮存期缩短，难以保证产品卫生指标，微生物残 存量依然较高，外商往往需要对购买的脱水蔬菜进行二次灭菌处理嘲【6 】。这样的开放式操作，工 人作业环境恶劣，对工人的身体健康不利。加上设备自动化程度不高，基本上以手动操作为主， 劳动强度大，干制品质量取决于工人的操作水平，难以保证产品干燥的均匀性，进而影响到产品 的质量，降低了产品的竞争能力。热风干燥蔬菜制品的售价仅为每吨1 - 2 万元，仅仅是冻干蔬菜 价的1 1 0 1 5 ，严重影响了经济效益和出口创汇。 近年来，国内外学者以节能、优质为目标，对各种脱水产品的热风干燥机理、干燥设备进行 了大量研究。在节能方面，主要着眼于废气余热的循环利用问题。如从干燥室内出来的高温高湿 的气体不完全排出，未排出的部分与吸入的低温、低湿气体混合后再进入干燥室，通过反复试验， 确定再循环的高温高湿气体与吸入的低温低湿气体的最佳比例，取得了一定的节能效果，但是没 有从根本上改变蔬菜脱水过程中不断吸入新鲜空气，排出高温废气的状况，因此，耗能量仍然很 大。目前，国内一般的热风干燥机，从物料中干燥l k g 水所需的热量为5 0 1 0 l l o 1 0 k j ( 1 3 9 - - 2 8 k w h ) ，干燥效率仅为3 0 5 0 【”“。在提高脱水产品的质量方面，主要是通过试验进行优 化，确定最佳的温度、湿度、风速等工艺参数，但仍然不能从根本上解决脱水过程中的褐变问题 2 宁夏大学硕士学位论文 l 前言 1 1 - 1 6 。脱水蔬菜热泵干燥技术，可以从较低温度的干燥废气中吸热( 回收余热) ，而将热量又传 给干燥介质，节能效果好，得到了国内外专家的广泛关注，相关的研究工作也在积极而有效地进 行。在光照强度高的地区使用太阳能辅助干燥器，并连接热泵系统也是一种非常有效地节能办法。 微波干燥技术是利用物料内部水分对微波的吸收特性，将被吸收的微波能转化为热能，使物 料内部水分转化为蒸汽而达到干燥要求的含水量。目前常用的微波加热专用频率为9 1 5 m h z 和 2 4 5 0 m h z 。用微波加热法、远红外加热法、热风加热法所做的比较研究表明，微波加热均匀，可 以避免一般加热干燥过程由于内外加热不匀而引起的品质下降，并充分保持了新鲜蔬菜内原有的 营养成分【”o l 。此外，微波干燥还具有反应灵敏，热效率高，无余热，无污染等显著特点。但是 微波干燥设备价格高，一次性投资大，生产成本能源费用高”7 。 远红外干燥技术是基于很多物质对3 1 5 l t m 波长的远红外辐射有很强的吸收性的原理而设计 的。由于蔬菜水分含量很高，远红外线使深处的水分产生剧烈振动升温而汽化，在负压状态的干 燥室内蔬菜的内外压差和湿度梯度加速了外扩散，可以在不使蔬菜过热的情况下，脱水速率上升， 含水率下降。若再辅以较优的干燥参数组合，可以使干燥效率和干燥质量得到极大的提高。但由 于远红外线穿透能力较弱，温度分布不均匀，局部温差大，产品耗篚大，成本高1 2 ”。 真空冷冻升华干燥技术是目前最好的脱水技术。真空冷冻升华干燥是将物料在零下3 0 一 4 0 c 的环境下冻结，然后在真空状态下加热升温。使水分由固态直接升华成水蒸气而除去。由于 是在真空低温状态下进行脱水干燥，产品受氧化程度大大降低，有效保留了产品的生物活性成分， 降低了营养损失，提高了产品的品质，迎合了国际市场的需求“。有关资料显示，冻干对肉、 蛋、豆类、青菜类、甜玉米等食品中的蛋白质无损害；维生素c 、维生素b 等水溶性维生素仅仅 损失5 ：脂溶性维生素完全不损失。但是，真空冷冻干燥技术设备复杂，次性投资大，耗能 高，维修困难，运行成本大，不能完全符合我国中小型脱水蔬菜生产企业的实际需要。目前，真 空冷冻干燥一般用于珍贵中草药、价格较贵的土特产品等，产品基本销往国际市场。 近年来，人们也在积极尝试一些新技术，以及多种脱水技术的联合使用，以降低生产成本， 提高产品的品质。如对茄子、大白菜、葱、蒜、青椒等进行的渗透脱水及渗后干燥的研究和尝试， 得到了色泽、外形、复水性均佳的脱水蔬菜【3 ”。膨化干燥、过热蒸汽干燥、c 0 2 干燥、低温真 空油炸干燥技术应运而生。远红外和热风混合干燥等技术组合的尝试，也取得了较好的效果忖”1 。 但要将这些新技术应用于实际生产中，还有待于进一步的研究完善。 随着人们消费观念的改变，对脱水蔬菜的品质要求不断提高，科学有效地控制脱水蔬菜的生 产工艺，提高产品品质，同时在保证产品品质的前提下，减少干燥能耗，降低生产成本，使企业 获得最大的经济利益，是脱水蔬菜生产的主要研究方向。干燥模型，品质控制模型的建立，相应 干燥模拟软件不断涌现，先进的检测测试技术应用，以及计算机控制技术的成熟，为进行干燥过 程自动化控制，干燥过程优化，提高脱水蔬菜干燥的品质和效率提供了保证。 我国的蔬菜种植基地大都在农村或郊区，且相对分散。由于蔬菜含水量大，贮运困难等问题， 脱水蔬菜加工企业势必设在原料基地，以提高其经济效益。其中多以中小型企业为主，这些企业 资金实力较弱，加工成本，能源消耗是影响企业生产的首要因素。因此本课题研究的目的就是探 讨热泵干燥技术，研制一套实用性强，低成本，低能耗，产品品质好的模型样机，为进一步开发 研制脱水蔬菜生产设备提供理论依据。 3 宁夏大学硕士学位论文1 前言 1 3 研究的主要内容 本课题是在干燥原理的基础上，探索干燥过程中的节能与提高产品品质的方法。由于热风干 燥工艺流程简单，投资少，成本低，生产灵活方便，适合于中小企业的需求，能够满足分散的蔬 菜种植基地的经营模式，因此本设计是在保留传统热风干燥设备价格低、易操作等优点的基础上， 根据对热泵系统的工作原理及干燥理论的研究，针对目前传统热风干燥技术耗能高，产品品质劣， 卫生性较差，自动化程度低的缺点，自行设计、研制组装一套内循环式干燥设备，以降低能耗和 生产成本，提高干制效率和产品品质，增强设备的可操作性为目的；通过计算机自动控制系统的 设计和现场监控系统，完成脱水蔬菜干燥生产的计算机在线控制；通过数据的优化筛选，寻找最 佳工艺参数，以有效提高系统的干燥效率，保证干制的均匀性和产品品质的稳定性。设计研制的 内循环式干燥设备主要包括热泵制热系统、干燥系统以及计算机控制系统。 热泵是利用制热工质在蒸发器中减压蒸发，从干燥废气中吸热( 回收余热) ，而气态工质再 经压缩机压缩后进入冷凝器，在较高温度下冷凝放出潜热预热新鲜空气，使干燥介质得到比废气 温度还高的温度，从而对蔬菜进行干燥。由于热泵干燥充分利用制热系统中各部件的功能，用冷 凝器加热空气，用蒸发器使湿热空气除湿脱水回收湿热空气的潜热，这样可大大提高热能的利用 率，能源转换率高，具有显著的节能效果。2 0 多年前有人就开始尝试用热泵干燥谷物、木材。美 国是应用热泵最为广泛的国家：日本1 2 的木材干燥采用热泵技术；前苏联成功地建立了熏制、 烘烤鱼片干燥装置，以及大型茶叶烘烤、干燥热泵系统。热泵干燥是对传统干燥工艺的改革，干 燥操作不再受环境温湿度的限制，变高温干燥为均匀的低温干燥( 通常只有2 0 c - - 8 0 c ) ，使产 品的成品率和质量提高，因而特别适用于热敏性食品和药品。木材用热泵干燥后，弯曲、开裂、 变形现象消失，含水率均匀。与热风干燥比，食品用热泵干燥后，色、香、味基本不变，表面硬 化现象不易发生。热泵干燥机与其他非热风干燥设备( 如真空干燥) 相比，设备投资费用少、功 率消耗低。作为一种高效节能环保的干燥技术，热泵干燥技术已经得到国内外学者的广泛关注， 越来越多地被应用在工业生产和食品干燥等行业 3 8 4 6 1 。 蔬菜的干燥是一个复杂的热交换过程，蔬菜内部结构、成分、热风的风速、温度、湿度等对 系统干燥速度、干燥能耗、干燥物料品质等有重要影响，因此，如何检测和控制这些参数就显得 非常重要。但是，目前很多干燥设备对于现场的温度、湿度等参数的检测仍然依赖人工检测统计。 其主要的检测工具为普通的电工仪表、风速管、压力计等，检测以后的计算和分析过程主要靠人 工来完成，并且通过手工改变加热器温度和调整挡风板得到相应温、湿度来控制干燥过程。这种 方式人为因素较大，周期长，测量标准不一，测量精度低，已经逐渐被高科技所淘汰。随着工农 业发展规模的逐渐扩大和传感器技术的不断发展，现在的检钡9 方法和手段已经多种多样了。现代 计算机技术的发展为数据的自动采集、显示和保存及参数的自动监控和控制提供了便利的条件。 本课题所设计的内循环式干燥设备自动控制系统，利用自行研制开发的i 0 智能接口电路， 通过计算机打印口接通外部与计算机之间的信息通道。即可通过工艺参数检测系统实现各个检测 点参数的精确检测，减少人工检测失误，又可通过执行机构，实现干燥设备的自动控制，精确而 有效地控制蔬菜在干燥各个阶段中的温度、湿度、风速等工艺参数，以便灵活调整蔬菜脱水工艺， 提高脱水产品质量。 4 宁夏大学硕士学位论文 1 前言 i o 智能接口电路实现了c p u 与被控对象之间的信息交换。建立起了计算机与干燥室以及热 泵系统的联系通道。计算机通过模拟接口电路，即d a ( 数字模拟) 和a d ( 模拟臌字) 信号 转换接口，采集温度传感器、湿度传感器、重量传感器中相应的电信号，并转换成相应的物理量， 与相应的干燥模型进行比较，发出控制信号控制执行机构( 如本设计中的活塞式定量风泵的活塞) 动作实现在线控制。在计算机控制系统的设计过程中，除硬件系统外，软件系统采用q b a s i c 语 言编写，它可以实时的采集干燥室的温度、湿度、风速以及干燥出水量，采集的数据用图形显示、 打印，这样就起到了实时监控的作用。通过软件编制，可实时记录、计算湿基含水率、干燥速率、 耗能，为绘制干燥曲线和干燥速率曲线、评价设备的节能效果，提供了便利性。 在完成内循环式干燥装置的结构设计及计算机控制系统的设计，并自制设备的基础上，对甘 蓝、葱、苹果、青椒等进行脱水试验，并对样机进行能耗及其脱水产品质量的检测和评价。在不 同介质温度、装料量、风速下进行多次干燥实验，根据试验测得的数据，对物料的干燥特性进行 研究，绘制实时干燥曲线和干燥速率曲线等，分析湿基含水率、干燥速率与时间的关系，分析温 度、装料量、风速对干燥过程的影响等，并寻找最优控制参数。 综上所述，本课题研究的内容包括以下几个方面：( 1 ) 设计和研制实验所需的内循环式干燥 设备。( 2 ) 设计内循环式干燥设备的控制系统，包括工艺参数数据采集、计算机控制执行系统、 电器控制执行系统。( 3 ) 设计和完成传感器电路，完成电路接线，把计算机和热泵制热系统、干 燥系统有效地联系起来。( 4 ) 设计计算机控制软件，包括干燥控制主程序及工艺参数采集子程序、 数据处理子程序、执行机构动作子程序等。( 5 ) 以葱、苹果、甘蓝、青椒等为试验对象进行多次 干燥实验，根据试验测得的数据，对物料的干燥特性进行研究，绘制实时干燥曲线和干燥速率曲 线等，分析湿基含水率和时间的关系，干燥速率与时间的关系，并对样机进行能耗的检测和评价。 ( 6 ) 采用二次正交旋转组合设计法，试验分析温度、风速、装料量等因素对脱水效率、能耗的 影响，建立置信水平 9 9 ，吻合性好的因素指标回归方程，以单位热耗为目标函数t 以小时去 水率为约束条件，采用约束复合形法寻求最佳千燥工艺参数。( 7 ) 对脱水蔬菜的色泽、香味、复 水性进行评价，并通过对脱水蔬菜维生素c 含量的测定比较，进一步对内循环干燥设备进行评价。 5 宁夏大学硕士学位论文2 内循环式干燥设备的总体设计 2 、内循环式干燥设备的总体设计 内循环式干燥设备的设计关键是实现干燥过程中状态参数的精确采集、干燥介质的有效调 节、提高测试精度和操作的简便性，以满足农产品干制和状态参数优选的要求。它包括机械设 计部分和智能测控系统设计。机械设计部分改变传统热风干燥设备不断吸入新鲜气体排出高温 废气的传统模式，实现干制系统内定量气体循环除湿，从而实现在较大范围控制干燥室温度、 湿度、风速等状态参数。智能测控系统部分提高测试状态参数的精度、控制的稳定性及操作的 简便性，通过传感器实现信息的采集，接口电路完成信息的传递，计算机完成信息的处理，执 行机构完成动作的调整，从而实现计算机的在线检测与控制功能。 2 1 干燥设备的主要结构 本课题所设计组装的内循环式干燥设备的实际外观如图1 所示，系统组成如图2 所示。该 设备的主要部件有干燥室、压缩机、蒸发器、冷凝器、过滤器、电动换向阔、活塞式风泵、换 热器等。电器控制由微机控制。 图1 、内循环式干燥设备外观图 6 宁夏大学硕士学位论文 2 内循环式干燥设备的总体设计 风泵 k 换热器 图2 、内循环式干燥设备系统组成图 内循环式干燥设备系统组成如上图所示。上图中细实线代表干燥介质循环风管路，双实线 代表制热介质循环管路。阀i 、阀2 阀1 1 分别代表电动换向阀1 、电动换向阀2 电动换 向阀1 1 。每个换向阀都有一个公共口( c ) 和两个换气口( a 、b ) 。通过换气口的切换，可实 现干燥介质的流向调节，满足不同的工艺状态需求。a 、b 、c 口的约定为： c 口 a 口 扯 b 口 内循环式干燥设备整个系统主要由干燥室、风循环换向系统、制热系统和微机控制系统四 部分组成。设备最大外形尺寸：长( 2 m ) 宽( o 7 8 m ) 高( 2 m ) 。 干燥室的外部尺寸：长( 1 m ) x 宽( o 7 8 m ) 高( 1 m ) 。箱体包括门、物料架、辅助加 热器、冷凝盘管、风扇、支撑轮等。箱壁材料选用厚o 8 m m 的不锈钢板和3 o # 角钢。隔热材料 选用聚胺酯、聚苯乙烯泡沫混合塑料，隔热层平均厚度1 4 c m 。由于各零部件所承受的力均较小， 且力的性质简单，部件之间用电焊焊接或螺钉连接即可保证受力要求。箱体底部安装6 个活动 支撑轮。由于重量较轻、尺寸较小且适合人力提举，采用镶嵌式门，门边采用隔热密封材料以 提高干燥室的密封性。门前正中安装一块2 0 c m x 2 0 c m 的双层中空透视玻璃，双层中空玻璃中 间抽真空以降低干燥室的热量损失，玻璃尺寸大小以放置数码相机及照明灯空间确定，从而可 随时观察物料脱水情况。干燥室内部物料架七层，每层面积：长( o 6 米) x 宽( o 4 5 m ) ，骨 7 宁夏大学硕士学位论文2 内循环式干燥设各的总体设计 架采用方型铝合金铆接而成。物料架用不锈钢丝网制作，以增大物料中的通风量，减少气流流 动阻力。部分冷凝器盘管，直接通过干燥室，这样可以充分利用来自冷凝器的热量实现对干燥 介质的加热。干燥室底部装有辅助电加热器( 如图2 中干燥室内粗实线所示) ，以调整干燥室内 部温度。干燥室内部装有1 2 v 直流风扇，可促使干燥室内部气流的湍动状态的形成，借助对流 传热使辅助加热器与冷凝盘管的热量迅速在干燥室内部均匀散开，保证物料的受热均匀性。 风循环换向系统为干燥室的主要配套系统。考虑多种工艺状况，且要充分利用热能以提高 本装置的干燥效率，风循环换向系统较为复杂。由于p p r 材质耐热性好，无毒卫生，便于加工， 整个风循环管路采用p p r 给水管连接。用隔热泡沫材料缠绕裹包。根据风量需求，管路选用 d 西0 x 6 3 m m 聚丙烯管材。循环风换向由1 1 个电动换向阀完成，通过软件编程控制1 1 个换向 阀的通断与换向以满足不同的工艺状况要求。由于管路中存在沿程阻力及局部阻力，考虑应在 风循环系统中增设风机以克服各种阻力，提供动力促使循环风按工艺要求方向流动。相关报道 采用轴流风机来提供风动力p 5 1 1 4 ”，由于轴流风机在转动过程中，存在局部回风现象，风量风向 均较难定量精确控制，无法得到可靠的实验数据，本设计采用活塞式风泵，通过变频器精确调 整电机转速、经减速器减速、精确控制活塞往返运动次数，从而精确定量控制风量，以调节干 燥室内部空气状态。为充分提高蔬菜的干制效率，提高干燥推动力，提高干燥除湿系统的除湿 率，本课题在热泵系统中独创性地增设了板式换热器，使白干燥室出来的热空气首先与蒸发器 出来的冷空气进行热交换，初步降温后再进入蒸发器。这样可进一步提高系统除湿效率，进而 提高系统的干燥效率。为充分利用冷量，又将蒸发器排出的水分引出与热气流换热，以提供冷 量。 制热系统为一套单级压缩制热设备，由压缩机、冷凝器、蒸发器、毛细管等和管道连接而 成。在该系统中，制热工质在系统内经过压缩、冷却冷凝、节流、蒸发四种变化状态。压缩机 起着压缩和输送工质蒸汽的作用，它是整个系统的“心脏”。毛细管将冷凝器中冷凝压力下的饱 和液体节流降至蒸发压力和蒸发温度。蒸发器是吸收热量( 输出冷量) 的换热设备，实现制取 冷量的目的。冷凝器是输出热量的换热设备，它将工质从蒸发器中吸取的热量，以及由压缩机 功而转换的热量一起传给干燥介质。由于压缩机消耗的功起到了补偿作用，因此能够实现由工 质将低温气体的热量不断她传给高温气体的目的。 由于压缩机在实际工作时，壳体温度较高( 通常能达到7 0 ) ，通过壳体的散热损失较大， 为充分利用压缩机散失的热量，减少热损失，本课题尝试性地将压缩机置于隔热封闭环境，压 缩机的底座与罩盖均为1 0 e m 厚的隔热材料。冷空气吹经压缩机后再送至冷凝器进一步加热， 一方面可降低压缩机的温度使其处于良好的工作环境，另一方面可使冷空气得到初步的预热， 从而充分有效地利用系统的热能，提高系统的热利用率。压缩机高压端通过管道与放置在密闭 干燥室上部的冷凝器连接，再经过过滤器、毛细管与置于干燥室上部的蒸发器连接，最后经总 管道回到压缩机低压端。压缩机吸气端和排气端各安装一个压力表，以监测系统运行工况。 微机控制系统由微机( 包括显示器、键盘) 、温度传感器、湿度传感器、重量传感器、接口 电路、变频器组成。通过编制相应的程序完成系统控制。设备定型后可用简单的控制器替代复 杂的计算机控制系统，降低成本、简化设备操作程序，使其更适于在我国脱水蔬菜的生产地区 推广应用。 图中“”代表温度传感器。本课题所设计的控制系统可同时监控十个温度参数。这十个 8 宁夏大学硕士学位论文2 内循环式干燥设备的总体设计 温度传感器分剐采集干燥室进口气流温度、干燥室出口气流温度、干燥物料的温度、蒸发器出 口气流温度、换热器热气流出口温度、换热器冷气流出口温度、压缩机壳体温度、冷凝器进出 口气体温度、操作环境温度。“o ”代表湿度传感器，本课题所设计的干燥系统可同时监控四个 湿度参数。这四个湿度传感器分别采集干燥室进口气流的湿度、干燥室出口气流湿度、蒸发器 出口气流湿度、冷凝器进口气流的湿度。“o ”代表重量传感器，可实对监测脱水蔬菜的出水量。 如表l 所示。 表1 、工艺参数检测点及编号 编号 t 1t 2l t 4l 检测点 干燥室进口干燥室出口 物料温度 蒸发器出口换热器热气流 温度( a ) 气流温度气流温度气流温度出口温度 编号kt 7 t 。t 9 t l o 换热器冷气流压缩机壳体冷凝器进口冷凝器出口 检测点环境温度 出口温度沮度气流温度气流温度 编号 由】由2巾j巾t 湿度( o )干燥室进口干燥室出口冷凝嚣进日蒸发器出口 检测点 气流湿度气流湿度气流湿度气流湿度 冷凝水重编号w 1 量( o )蒸发器 检测点 冷凝水量 为满足多种工艺状况需求，本设计在风循环换向系统中设置1 1 个电动换向阀。每个电动换 向阀都有一个公用口( c ) 和两个换气口( a 、b ) 。通过a 与b 的相互切换，从而可满足干燥 室预热、干制、干燥室降温阶段的需求。如表2 所示。 在开机时。干燥室内部的辅助加热器首先对干燥室进行预热。达到一定的温度后，压缩机 启动。风管中气体由风泵驱动，经电动换向阀l 一电动换向阀2 一到达冷凝器加热，加热后的热 介质通过电动换向阀5 一电动换向阀6 一进入干燥室一电动换向阀7 换向，经活塞式定量风泵直 接返回，从而实现对空气的快速升温过程。 在蔬菜千制阶段，气流由风泵驱动经电动换向阀l 一电动换向阀2 一到达冷凝器加热，加 热后的热介质变为高温低湿气体，通过电动换向阀5 一电动换向阀6 一进入干燥室，实现对蔬菜 的干燥，并带走水汽，成为高温高湿气体一电动换向阀7 一电动换向阀8 一进入蒸发器，冷凝除 湿，成为低温低湿气体一电动换向阀1 1 一经换热器初步预热后一再经风泵推动循环利用。 在系统运行时，通过电动换向阀8 的换向，可在上述循环系统中引入换热器高效除湿系统。 如图2 中所示，从干燥室出来的高温气体经电动换向阀8 一换热器一电动换向阀1 0 ，与来自蒸 发器的低温空气在换热器中换热，提高干燥系统的除湿率。通过电动换向阀1 的换向，使来自 风泵的气流经电动换向阀l 一屯动换向阀4 一吹过压缩机一电动换向阀3 一电动换向阀2 一再进 入冷凝器加热，循环使用，不但可充分回收压缩机散发的热量，还可使压缩机处于良好的工作 环境。通过控制活塞式风泵活塞杆的往返速度，实现定量精确控制气体流量的调节。 干燥结束时，气体由风泵驱动，经电动换向阀6 一进入干燥室，带走干燥室内的水气和热 量一电动换向阀7 一电动换向阀8 一进入蒸发器，冷凝除湿，成为低温低湿气体一电动换向阀 9 宁夏大学硕士学位论文2 内循环式干燥设各的总体设计 1 1 一再经风泵推动循环利用，实现干燥室的快速降温。 表2 、电动换向阀状态表 电动换向阀 1 2 3456 78 91 0 1 l abababababa bababababab 升温阿。段lo l o1oo1ol0l1 0 o1lo101o 经 换 气 热 0l01oll00iol0110010l0l 流 器 经 压 不 缩 经 机 换 010l01l00lo10loll01o01 热 干 嚣 燥 阶 段 经 气 换 执 l0l010o101olol1o01o10l 流 器 不 经 压 不 缩经 机 换 1 0 1ol o0 1010l 0 l 0ll0 lo01 热 器 降温阶段looll00l 1 oloo1o110loo1 注：上表中1 表示换气口开，气流可以通过。“0 ”表示换气口不开，气流被阻挡，无法通 过。对于每个电动换向阀的公共口( c 口) ，均为常开，“1 ”状态。 2 2 内循环式干燥设备干燥原理及节能效果分析 2 2 1 干燥理论分析 蔬菜中的水以游离水、胶体结合水和化合水三种不同的状态存在。游离水的流动性人，借 助_ 丁i 毛细管和渗透作用可以向外或向内迁移，所以在干燥过程中很容易被排除。水分子和蔬菜 分子结合形成的胶体结合水很难排除。化合水存在于蔬菜化学物质中，一般不能用干燥的方法 除去。 在进行干燥时，蔬菜中的水分不断汽化，蔬菜的重量相应减轻。研究干燥过程，就是研究 不同条件下，蔬菜重量随干燥时间而变化的过程。在一定干燥条件下，蔬菜水分变化与时间的 关系就是该条件下的干燥曲线。蔬菜的干燥曲线表明，蔬菜的干燥机理同于其他常规物料干燥 的机理。干燥过程开始的昂初阶段，蔬菜水分降低是按直线( 或近似直线进行的) 。蔬菜处于等 速干燥阶段。经过一段时间后，蔬菜水分的降低是按曲线降低。蔬菜水分降低的速度，随着干 燥时间的延& 而不断减慢，蔬菜处于降速干燥阶段。这两个阶段的交界点为临界水分。蔬菜在 1 0 宁夏大学烦十学位论文2 内循环式干燥设备的总体设计 于制过程中，水分的内扩散和水分的外扩散两种作用的配合是否相称，对蔬菜干燥来说非常重 要。要使蔬菜的内部水分通过毛细管扩散到表面，再由表面扩散到外界，关键在于采用合理温 度和风速的热风米促进蔬菜内部水分的扩散。在对流干燥过程中，具有一定温度的热气流将热 量传给湿物料，物料表面水分即行汽化，并通过表面外的气膜向气流主体扩散。与此同时，由 于物料表面的水气压强大于干燥介质中水气的分压，两者形成干燥推动力。足够流量的干燥介 质麻及时将汽化的水气带走，以维持一定的扩散推动力口o 。 物料干燥的快慢实质上就足物料在干燥过程中湿热传递的快慢，与干燥过程形成的水分梯 度( 导湿性) 和温度梯度( 导温性) 有关口”。水分梯度的形成与物料表面温度和空气介质的温 度、空气的相对湿度、流速及物料蒸发面积和形状等因素有关。物料受热时，表面水分不断汽 化并向周围扩散，表面水分下降，物料内部水分高于表面水分，形成水分梯度，内部水分就以 水分梯度为推动力逐渐向表面转移。同时热风干燥的热能是由物料表面向内部传递的，形成温 度梯度的方向与水分梯度方向相反，起阻碍物料内部水分扩散的作用。但是，在恒速干燥阶段 物料内部一般不会出现温度差，在降速阶段内才会出现一定的温度差，所以恒速干燥阶段决定 丁：干燥速度的因素主要是物料表面水分蒸发的快慢和物料内部形成的水分梯度。 进入干燥后期降速阶段，物料表面水分蒸发速度大于内部水分向外迁移速度，物料表面迅 速干燥同时温度也迅速上升，水分蒸发转移至物料内部深处蒸发，只有当物料内层因水分蒸发 而建立起足够的压力，才会改变水分蒸发转移的方向，扩散到物料表面进行蒸发。所以降速干 燥阶段内的干燥速率主要受物料内部水分扩散和蒸发的因素如物料温度和温度差、物料内部结 合水分以及物料的结构、形状和大小等的影响，而空气流速及其相对湿度的影响逐渐消失，空 气温度的影响则增强岬l 。 由此可见，在干燥不同阶段，干燥速率和质量的好坏受很多因素的相互影响和制约。主要 影响因素包括干燥温度、湿度、气流速度、装料量。气流速度是影响干燥过程的主要因素。一 般来讲，增大气流的速度，可以加快干制速度，但气流速度过人虽然干燥快，却会导致热利用 率降低，单位耗能增加。针对这一问题，本课题设计的活塞式定量风泵，采用变频器调整电机 转速，根据工艺反馈信号，时时控制，保证最佳气体流量。对穿流干燥来说，物料层的厚度过 厚或过薄都是不可取的。相对过厚的物料层。不但增加气流阻力，而且容易造成物料层上下的 干燥不均匀；物料层相对过薄，热利用率降低，经济性下降。合适的物料层厚度，由相应的对 比试验完成。蔬菜干燥水分蒸发速度的快慢，并不完全取决于温度而决定于空气的湿饱和差。 为了增加空气的湿饱和若，提高干燥速率，往往在干燥介质进入干燥室之前预热，以降低干燥 气流的相对湿度。然而蔬菜干燥时不宜用过高的温度，因为过热的空气，会引起组织液迅速膨 胀，破坏细胞壁；而且高温引起有机化合物的焦化，风味物质的损失；其次，高温低湿会引起 结壳现象。本课题正是针对蔬菜干燥的这一特点，引进热泵系统，及时除去干燥介质中的水汽， 并且增加循环定量风泵，维持干燥室内较低的相对湿度，这样可根据干燥物料对干燥操作的要 求，选择合适的干燥速度，既提高干燥效率，又节省能源。 2 2 2 热泵干燥节能效果分析 传