变频技术在食品冻干过程中的应用

变频技术在食品冻干过程中的应用

真空冷干燥（以下简称冷干）是世界上最先进的食品保护技术。近十多年来,冻干技术在我国得到了迅速发展。但冻干技术又有其致命的缺点,就是冻干设备投资大,使用能耗高。随着冻干设备的国产化,其设备一次性投资大幅度下降,但其使用能耗仍成为制约其发展的瓶颈。在冻干设备使用能耗中,真空系统的能耗占据了较大比例。以冻干小葱为例,采用蒸汽系统加热时,真空系统电耗约占冻干总电耗的30%。因此,真空系统的节能成为降低冻干产品加工能耗的重要手段。随着变频技术的成熟,在真空系统中采用变频技术对真空系统节能是一种有效可行的手段。为此,本文提出了在冻干设备中采用变频真空机组的方案,并将该项技术申请了国家专利。1干燥仓内压力控制干燥仓内压力是冻干工艺参数中的一项重要参数。在食品冻干过程中,干燥仓内压力主要受三方面的影响:一方面由于被加工物料的共熔点不同,其干燥仓内最高允许压力不同;另一方面是物料的干燥速率与干燥仓内压力有较大的关系,为了得到物料最佳干燥速率,有必要对干燥仓内的压力进行控制;再者,在干燥过程中,物料本身产生的不凝性气体和水蒸汽的量也在不断变化,为维持设定的干燥仓压力,也有必要对干燥仓内压力进行控制。图1是一种大葱的冻干工艺曲线。因冻干设备所配真空机组均按冻干过程中所需最大有效抽速来设计,但在冻干过程中的大部分时间,真空机组所需有效抽速均小于最大有效抽速。为控制干燥仓内压力,目前采用的方法主要有两种,一种是在干燥仓体设一充气阀,通过控制环境向干燥仓内充气量的多少来实现。另一种是在干燥仓体与水汽凝结器之间的连通管道上安装气动蝶阀,通过控制气动蝶阀的开度大小来实现。上述两种方法虽然都能够较好的实现对干燥仓内压力的控制,但其真空机组始终在满负荷状态下工作,真空机组能耗较大。实际上完全可以通过改变真空机组的有效抽速来实现对干燥仓内压力的控制并达到节能的目的。食品冻干设备真空机组所采用的真空泵主要为罗茨泵、水环泵和滑阀泵三种类型。这三种真空泵均为压缩性恒转矩负载,其有效抽速及消耗功率与转速的关系可以用式(1)表示:式(1)中:S1、S2—真空泵有效抽速,L/s;n1、n2—真空泵转速,r/min;f1、f2—真空泵工作电源频率,Hz;P1、P2—真空泵运行功率,kW。式(1)说明真空泵有效抽速及消耗功率均与真空泵电源频率成正比,因此,通过改变真空泵电源频率既可以控制干燥仓压力也可以相应降低真空机组的消耗功率。2真空调整个组的设计2.1食品冻干真空机组的制备方案在设计冻干设备真空机组时,必须考虑以下几方面的问题:(1)预抽时间即将干燥仓从大气压(1.013×105Pa)抽到工作压力(按133Pa考虑)所需时间应尽量短,一般控制在20min内,并能使干燥仓达到一定的极限压力。(2)预抽所需有效抽速远比维持所需有效抽速大。(3)真空机组应能抽除少量的水蒸汽。因此,大多数食品冻干设备真空机组采用如下方案:(1)专门配备一套预抽真空机组(也可以多套干燥仓共用)。在预抽阶段,预抽真空机组和维持真空机组同时工作,当干燥仓压力达到工作压力后,预抽真空机组停机,维持真空机组继续工作。(2)选用罗茨泵+罗茨泵+水环泵(带大气喷射泵)三级泵组,以便可以抽除少量水蒸汽,且极限压力能达到1Pa。2.2真空机组三级泵组变频真空机组的有效抽速可以在较大的范围内调节,因此可以采用一套真空机组,它既作为预抽机组,也作为维持机组。真空机组的最大有效抽速按满足预抽要求来设计。真空机组的形式仍采用罗茨泵+罗茨泵+水环泵(带大气喷射泵)三级泵组。下面以某厂SZDG200型食品冻干设备为例进行计算分析。2.2.1szdg200食品冷冻设备的参数某厂SZDG200型食品冻干设备参数如表1。2.2.2水环泵前级泵真空泵选型计算按以下步骤:(1)选取主泵。按照经验,初选ZJP-1200型罗茨泵作为主泵,其有效抽速Sz为1.2m3/s。(2)选取前级泵。前级泵采用水环泵,可以按Ss=[1/4～1/2]Sz确定。初定水环泵有效抽速Ss为0.4m3/s,因考虑到水环泵变频范围比较窄,选择两台SK-12并联,其单台有效抽速为0.2m3/s,可以根据实际需要停其中一台。二级罗茨泵主要起增压作用,其有效抽速仅需比水环泵有效抽速稍大即可,可以初选ZJP-600型罗茨泵作为二级泵,其有效抽速为0.6m3/s。各泵的性能参数如表2。2.3单次抽气时间干燥仓预抽时间可以按式(2)简化计算:t=2.3KqVSlgPiPt=2.3ΚqVSlgΡiΡ(2)式(2)中:t—抽气时间,s;V—真空系统容积,m3;S—真空泵的名义抽速;Pi—真空泵开始抽气时压力;P—经t时间抽气后的压力;Kq—修正系数,与真空泵抽气终止时的压力P有关,其值如表3。在预抽阶段,各级真空泵的启动条件不一样,启动是按如下程序进行的。首先是在大气压下前级水环泵启动,当干燥仓压力降到一定值时,启动二级罗茨泵,当干燥仓压力继续降到一定值时,启动主罗茨泵,直到干燥仓压力达到规定值。由于上述三个阶段真空机组的有效抽速各不相同,因此需要对预抽时间分段计算,三段预抽时间之和即为总的预抽时间。各阶段条件及计算结果如表4。总预抽时间为1097s,约合18min,说明真空机组各级真空泵选用合理。2.4指示压力控制变频真空机组的系统示意及控制原理如图2。其控制原理如下:预抽开始时,6、7采用变频启动,由8控制,在30s内其工作频率从0Hz上升到50Hz,并在50Hz下继续工作。当10指示压力达到7000Pa,5采用变频启动,由9控制,在30s内其工作频率从0Hz上升到50Hz,后切换到工频回路继续工作。当10指示压力达到4000Pa,4采用变频启动,由9控制,在30s内其工作频率从0Hz上升到50Hz,后切换到工频回路继续工作。当干燥仓压力达到工作压力后,预抽完毕,真空机组转入维持工作阶段,此时,4、5同时切换到变频回路工作。根据10指示压力,8、9同步调整输出频率,4、5、6、7同步改变转速,从而改变真空机组的有效抽速。由于水环泵有效工作的最低频率为30Hz,因此,当8、9实际需要输出频率为30Hz以下时,6关闭,9根据10的指示压力继续调整输出频率,改变4、5的转速,8则按照9的1.5倍频率调整输出频率,改变7的转速,但无论9的输出频率如何,8的输出频率最低为30Hz。真空机组整个控制过程通过PLC实现。3外包机交流交流采集真空冷冻干燥设备中采用变频真空机组与普通真空机组相比具有如下优点:(1)取消了预抽机组,减少了设备一次性投资。(2)根据冻干设备工作所需有效抽速改变真空泵电机工作频率,可以有