智能低温远红外真空干燥机的设计与试验

0 引言

随着人们生活节奏加快、生活质量提高，以加工果蔬为代表的绿色食品越来越被人们所认识和喜爱[1]。近几年来，中国脱水果蔬加工产业发展较快，产品几乎全部外销。国内市场的需求量也逐年增加，不仅在方便面生产企业大量使用，而且还解决了边防、地质部门吃菜难的问题。因此，脱水蔬菜市场前景广阔，发展潜力很大[2,3]。

目前，在脱水果蔬的加工中，主要的干燥方法有热风干燥、微波干燥、真空干燥、真空冷冻干燥及远红外干燥等[4,5]。热风干燥存在生产效率低、能耗大、卫生条件差以及贮藏期品质下降等缺陷。微波真空干燥生产成本高，产品价格昂贵，不易实现大规模生产[6]。远红外真空干燥使用远红外线辐射提供热源，热效率高、干燥时间短，可以较好地保留新鲜食品中的营养成分，而且射线来源广，成本较真空冷冻干燥要低得多，能符合企业大批量生产的要求。因此本文结合远红外和真空干燥方法，既能达到节能、经济的目的，又能大大提高干制品的综合质量[7-12]。目前，国内虽然研制出了远红外真空干燥设备，但设备大都结构简单，真空度达不到所需要求，生产效率低，干制品品质差。国外研制的实验设备，虽能达到较高的真空度，较好地对物料进行干燥，但同样存在生产效率低，价格昂贵等问题。鉴于以上问题，本文在大量试验的基础上，结合2种干燥方法的优点，集成水汽捕集装置和智能化控制技术，改进设计出智能低温远红外真空干燥机，通过水汽捕集装置来快速凝结干燥过程中的大量水蒸气；通过智能化电控系统实现了干燥全程自动化。以高水分物料白萝卜为试验材料进行性能验证试验，并与传统远红外真空干燥机进行对比，充分考证其性能指标和干燥效果，为智能远红外真空干燥技术应用于高水分物料在保证品质的前提下快速干燥提供了技术依据。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

智能低温远红外真空干燥机由辐射加热系统、真空系统、制冷系统、电控系统、辅助系统等组成，总体结构如图1所示。

图1 智能低温远红外真空干燥机结构简图
Fig.1 Structure diagram of far-infrared low-temperature intelligence vacuum dryer

1.冷凝风机；2.压缩机；3.水箱；4.水环真空泵；5.冷凝器；6.水汽捕集器；7.干燥室；8.远红外加热板；9.在线称量装置；10.物料盘；11.在线温度采集器；12.破空阀；13.显示器；14.PLC 控制柜

加热系统有上下2块远红外加热板组成；真空系统由水环真空泵和真空控制装置构成；制冷系统由压缩机、冷凝风机和冷凝器构成，为捕集器提供冷源；智能电控系统由PLC在线测控装置、可编程控制器、温度传感器（包括探针式物料温度传感器和干燥室温度传感器）、压力传感器、质量传感器及电控元件等设备组成；辅助系统由排空阀、排水阀及架体管线阀门等设备组成。主要性能参数如表1所示。

表1 智能低温远红外真空干燥机性能参数
Table 1 Performance parameters of far-infrared low-temperature intelligence vacuum dryer

1.2 工作原理

物料在真空条件下干燥，干燥室内处于负压状态，此时物料内部水分的沸点降低，由远红外加热板提供热源，通过热传导和热辐射2种传热方式供给物料中水分足够的热量，使蒸发和沸腾同时进行。干燥过程中由智能化电控系统监测加热板温度、物料温度、物料质量和真空度，并对加热温度和真空度进行实时控制，与连续式自动排空装置相配合，综合减少干燥时间和能耗；物料干燥过程中汽化的大量蒸汽被水环真空泵和水汽捕集器快速吸收，并在干燥物料的周围形成负压状态和湿度梯度，这样就加快了干燥速率。在线称量装置对物料的含水率进行实时记录，达到物料安全储存的含水率以下，设备自动停止工作，干燥完成。工作原理如图2所示。

图2 智能低温远红外真空干燥工作原理图
Fig.2 Working principle of drying by far-infrared low-temperature intelligence vacuum

2 主要部件设计

2.1 干燥室设计

如图1所示。设备干燥室采用圆筒式结构，节省板料，制定模板工艺要求不高，可以较好地承受外界大气施压，保证仓内真空度。依据干制仓的箱体理论计算壁厚为3.65 mm，但因箱体实际加工厚度有附加量值，所以选定不锈钢板厚度为4 mm。干燥室内部有2层远红外加热板，单板最高功率为500 W。舱体上部安装有探针式物料温度传感器、干燥室温度传感器、真空测量传感器和在线称量传感器，物料盘由2个悬臂吊装在称量装置上，箱门上安装玻璃视镜，以便观察远红外真空干燥室内的情况，门由圆形橡胶密封条密封，以保证箱体的整体密封性。

2.2 水汽捕集装置设计

在物料干燥的过程中，物料中的水分得以快速分离并汽化，水汽捕集器是用来凝结干燥物料过程中蒸发出来的水蒸汽的装置，它既可以保持物料温度在一定低温环境下，又可以使系统极限真空度和抽速均提高一个数量级。如图3所示，它是由一个圆柱壳体和一个椭圆封头组成的立式外压真空容器。在捕集器的内部螺旋环绕着紫铜冷凝管，通过制冷管道与风冷式压缩机组相连，完成循环系统。在舱体下面配置有融冰用的排水阀，侧面由真空管道与水环真空泵相连，舱体外面包有泡沫聚乙烯保温层。

图3 水汽捕集器结构简图
Fig.3 Structure diagram of vapor collecting device

根据《冻干机的结构设计》，理论最大捕水量和干燥面积计算如下：

式中，G理为理论最大捕水量，kg；V托为托盘的尺寸，330x300x30，mm；ρ水为水的密度，103 kg/m3，即 103L/m3；A为干燥面积，m2；Vmax为托盘的总体积，m3；H 为托盘的高度，30 mm。

通过计算，最大捕水量G理为2.87 kg，由于工作过程有部分损耗，所需冷凝器的额定最大捕水能力必须大于G理，取3 kg；干燥面积A小于单仓托盘的总面积0.2 m2；即所设计的水汽捕集装置满足干燥设计要求。水汽捕集装置设计参数，如表2所示。

表2 水汽捕集装置设计参数
Table 2 Design parameters of the vapor collecting device

2.3 真空系统

真空系统的功用：一是迅速将远红外真空干燥设备内的空气抽除，使其快速达到物料干燥所需的真空环境；二是连续式自动破空技术的应用，干燥过程中干燥室环境的水蒸气分压较大，通过适时的破空环节配合真空泵来使环境的水蒸气分压更低，这样物料内部的水蒸气分压和环境的水蒸气分压的压差变大，有利于物料中水分的迁移，使干燥效率进一步加快。

主泵抽速大小是根据被抽容器工作的真空度、容积、抽气时间以及其最大排气流量确定的。

真空室有效抽速按下式计算：

式中，Q0为真空室总放气量，（Pa·m3）/s；Pg为水汽凝结器的工作压强，取真空室最低工作压强2 000 Pa；K为安全系数。

式中，Qg为白萝卜干燥过程中的水蒸气已被水汽捕集器吸收，可不予考虑；Qn为真空室耐火保温材料的气流量，（Pa·m3）/s；Qf为真空室内壁和所有构件表面析出的气流量，（Pa·m3）/s；Ql为真空室漏气量，（Pa·m3）/s。

经计算抽气速率S=0.12 m3/s，因为本文所干燥的白萝卜属高湿物料，干燥过程会汽化出大量的水蒸气，考虑配合被抽气体的特性和快速干燥的目的，选取水环式真空泵为整个真空系统提供物料所需的真空度，这样既满足设备的要求又可达到经济适用的目的。水环真空泵最佳工作范围（2 000～4 000 Pa），抽真空所需时间为1 min。真空系统结构简图，如图4所示。

图4 真空系统简图
Fig.4 Schematic diagram of vacuum system

1.干燥室；2.水汽捕集器；3.排空阀；4.水环真空泵；5.真空测量装置；6.真空阀

真空系统由水环真空泵、真空管道和各种阀门等组成。在真空管道上配置有电磁充气破空阀，通过调整破空阀的破空时间来控制干燥过程中的真空度。

2.4 智能电控系统

整个智能电控系统由强电控制系统与弱电控制系统组成。水环真空泵、2块远红外加热板、压缩机、冷凝风机以及各种阀门均由强电控制系统进行控制；弱电控制系统对物料温度采集器、远红外板温度采集器、真空测量传感器和在线称量装置等进行控制，从而实现对整个干燥系统的全程自动化控制。智能电控控制系统如图5所示。

图5 智能电控系统
Fig 5 Electronic control system

如图5所示，真空测量传感器、物料温度采集器、仓内湿度采集器、远红外板温度采集器和在线物料质量采集器对干燥的物料进行实时监测；信号经输入控制模块导入系统主控模块，系统转换采集到的信号，并计算物料干燥条件的最佳工艺参数；经输出控制模块导出信号，由强电控制器按照适时设定的真空度，加热温度和破空时间对真空泵，加热板温度和多个电磁阀开关进行实时调控，整个过程通过小型PC控制系统进行自动智能化控制，实现了干燥全程自动化。干燥全程自动化曲线如图6所示。

图6 干燥全程自动化曲线图
Fig.6 Automatic curve diagram of drying process

如图6所示，在干燥初期（0～60 min），物料处于升温阶段，此时适当增加加热温度和压力有利于干燥的快速进行；到干燥中期（60～180 min），进入快速干燥阶段，此时应适当降低加热温度和压力，在保证干燥速率的同时避免出现温度过高所导致的干制品品质差等问题，同时快速干燥过程中干燥室内的水蒸气含量会增大，破空频率也会相应增加；随着快速干燥期结束，到达减速干燥期（180～240 min），再次调节加热温度和压力以加快干燥速率。

干燥全程均由电控制系统进行智能化控制，与连续式自动排空技术相配合，根据物料的干燥状态，实时调温调压，有利于不同干燥阶段传热、传质平衡体系的建立[13]。在平衡条件下，干燥时间自然缩短，干燥速率加快，达到了节约能耗的目的。

3 材料与方法

3.1 材料及处理

白萝卜由大庆市实验基地提供，选取当年新收获、长势良好、无虫害的样本。鲜白萝卜采收后，初始含水率测定3次，计算结果分别为94.7%、96.0%、93.5%。取3次试验结果的平均值得白萝卜初始含水率为94.7%(湿基)。

3.2 试验仪器及设备

自行设计的智能低温远红外真空干燥机；ZG-01型远红外真空干燥机（传统远红外真空干燥机），沈阳航天新阳速冻设备制造有限公司；MB45专业型水分测定仪，美国奥豪斯公司；PRACTUM224-1CN型电子天平，德国赛多利斯公司；2BV2061型水环真空泵，北京中兴伟业仪器有限公司；果蔬切片机，旭朗机械设备有限公司。

3.3 验证试验与比较分析

在相同的试验条件下（加热温度为70℃，真空度为3000 Pa，物料厚度为7 mm，每次试验物料初始质量为100 g），以白萝卜为试验材料，使用传统远红外真空干燥机与智能低温远红外真空干燥机做对比试验[14]。选取干燥时间、处理量、脱水速率、干燥能力、干燥均匀系数和设备单位能耗等作为设备性能的评价指标，并对白萝卜干制品的感官品质做具体分析[15,16]。每个试验的测定重复3次，取平均值。当干燥温度趋近与远红外加热板温度，物料质量含水率（湿基）不大于8%干燥结束。

3.4 测量方法

3.4.1 含水率

参照国标[17]中的标准烘箱法进行测量。白萝卜干燥产品合格含水率参照国际果蔬贮藏标准，即不大于干制品自体水量8%。

3.4.2 脱水速率

脱水速率的计算公式[18]：

式中，Vi为 i时间段内的脱水速率，g/(kg·h)；mi+1为干燥时间i+1后物料的质量，kg；Δti为从时刻i到i+1时刻的时间，h。

3.4.3 处理量

处理量计算公式[19]:

式中，Ec为处理量，kg/h；m为物料初始质量，kg。

3.4.4 干燥能力

干燥能力计算公式[19]:

式中，E 为干燥能力，kg·%/h；H2为物料干后质量含水率，%，H1为物料初始含水率，%。

3.4.5 干燥均匀系数

干燥均匀系数计算公式[20]：

式中，Cu为干燥均匀系数；Mi为第i段物料质量含水率，%；为物料平均质量含水率，%；i为料盘不同位置的分段个数。

3.4.6 单位能耗

单位能耗是指每蒸发白萝卜一个单位质量水分所耗电能，计算公式[21]如下：

式中，N为干燥单位能耗，kJ/kg；W为电机额定输入功率，kW；T为总干燥时间，s；G为去除水分的质量，kg。

3.4.7 其他测量方法

细胞变形率、胞壁破损率、外形收缩率和表面平整度均采用计算机图像处理技术进行计算[22]。

3.5 数据处理

试验所得数据为3次重复的平均值，采用SPSS 11.0进行统计分析，采用Origin 8.5软件进行绘图。

4 结果与分析

4.1 设备性能对比分析

将评价设备性能的指标测试数据汇总，性能指标测定记录，见表3。

表3 性能指标测定结果
Table 3 Performance index determination results

注:平均值±标准差(取三次平均值)；肩标字母有相同的数据表示差异不显著(P＜0.05)，字母完全不同表示差异显著(P＞0.05)，在同一列之间比较

由表3可知，在试验条件相同的情况下，智能低温远红外真空干燥方式的干燥时间、处理量和脱水速率均优于传统远红外真空干燥方式。干燥时间缩短了22.14%，处理量增加了31.58%，干燥能力提高了31.52%，平均脱水速率达到21.7%/h，提高了28.4个百分点，干燥均匀系数也略有增加，优化后的智能低温远红外干燥机的单位能耗为7.35 kJ/kg，相比传统远红外干燥机节省能耗13.33%，干燥效率明显提高。智能低温远红外真空干燥机设备性能各项指标均优于传统远红外真空干燥机，显著性分析结果也表明，干燥时间、处理量、平均脱水速率、干燥能力和单位能耗均存在显著性差异(P＞0.05)。这是因为优化后的设备由于加入了水汽捕集装置和连续排空技术，在干燥过程中，物料所蒸发出的水蒸气得以快速吸收，使物料周围形成较大的湿度梯度，加快了物料中水分的汽化速度，干燥速率得到提高[23,24]。由于冷井的作用物料温度也会有所下降，这也使物料内部与外部形成温度梯度，加快了物料中的水分迁移速率[25]，从而也使干燥速率加快。同时，智能化电控系统对物料干燥状态和环境干燥状态的适时调控也是影响2种干燥方式差异性结果的重要原因。

4.2 感官品质微观对比分析

将2种方式干燥后的白萝卜，经过粘台离子溅射镀金后，使用美国FEI公司生产的QUANTA 450环境扫描电镜（ESEM）观察。观察结果显示，2种白萝卜的显微结构差异较大。

图7 两种干燥方式干燥后的白萝卜显微图像（×200）
Fig.7 Dried white turnip microscopic images of two drying methods

如图7，根据电镜观察结果，干燥过程中，细胞中的水分快速气化膨胀，导致蒸汽压力增强导致细胞壁扩张，随着水分的脱离，细胞出现卷曲、皱缩或微小的断裂变形[26]。图7中a是传统远红外真空干燥方式的干燥视图，细胞变形较严重，有部分出现坍塌，破损等情况。图7b中是智能低温远红外真空干燥方式的干燥视图，细胞组织保存比较完整，细胞破损和变形较少，微形态结构保持良好，相比于普通远红外真空干燥，能够比较真实地反映样品的组织结构原貌。

表4 两种干燥方式结果扫描电镜分析
Table 4 SESM analysis results of two drying methods

注：平均值±标准差(取三次平均值)；肩标字母有相同的数据表示差异不显著(P＜0.05)，字母完全不同表示差异显著(P＞0.05)，在同一行之间比较

如表4对比试验的结果显示，改进后的干燥方式在胞壁破损率、细胞变形率、外形收缩率和表面平整度上都优于传统远红外真空干燥方式，取得了较好的脱水效果。显著性分析结果也表明，细胞破损率、细胞变形率、外形收缩率和表面平整度均存在显著性差异(P＞0.05)。

4.3 感官品质宏观对比分析

选取10位专业人员组成感官评价小组，对干燥完成白萝卜样品的色、香、味、口感进行全面的感官评分，即最满意为10分，最不满意为1分，评价结果见图8[27]。

图8 两种干燥方式结果感官评价
Fig.8 Sensory evaluation of two drying methods

经对比发现，采用智能低温远红外真空干燥机干制得的白萝卜样品，色、香、味、口感等方面的感官评分均高于传统设备，干制品感官品质得到提高。

5 结论

1）改进后的智能低温远红外真空干燥机无论是从设备性能还是干燥效果上来说都明显优于传统远红外真空干燥设备。干燥时间缩短了22.14%，处理量增加了31.58%，干燥能力提高了31.52%，平均脱水速率达到21.7%/h提高了28.4个百分点，单位能耗为7.35 kJ/kg，节省能耗13.33%，各项指标均存在显著性差异，同时干燥均匀系数也略有增加。分别从微观和宏观两方面研究了感官品质，细胞破损率、变形率、外形收缩率等明显（P＜0.05）下降，存在显著性差异，干燥后的白萝卜，色、香、味、形、口感等得到提升，各项指标均明显优于传统远红外真空干燥方式，感官品质得到保证。

2）本文改进设计的智能低温远红外真空干燥机，采用了水汽捕集装置和连续式自动排空技术技术，并通过智能化电控系统实现了物料干燥全程自动化，使物料在干燥过程中，干燥时间减少，干燥效率增加，通过设备性能验证试验结果表明，整机结构合理，性能稳定，安全可靠。该设备可满足大部分果蔬以及农产品的干燥要求，达到良好的干燥效果。