遠紅外聯合低溫真空干燥設備研究與設計

張秦權 文懷興 袁越錦

（陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

常用的果蔬干燥方法有自然干燥、熱風干燥、真空冷凍干燥、遠紅外干燥、微波干燥、真空低溫干燥及各種組合干燥等［1］。真空低溫干燥［2］是指使物料中的水分在較低的溫度之下（60 ℃以下）沸騰而蒸發，所加工的干制品香、色、味皆佳，復水性良好。遠紅外真空干燥的方法具有最終產品干燥效果好、成本低、射線來源廣以及能符合大批量生產的要求等優勢，已經被越來越多的企業所接受［3，4］。郁雯霞等［5］針對國內外遠紅外真空干燥設備存在干燥不均勻、無法調節輻射距離等缺陷，通過試驗對遠紅外真空干燥試驗設備進行了優化設計。優化后的干燥設備不僅能達到較高的真空度，并且可以調節真空度，同時也可以改變干燥功率，解決局部加熱過程中遠紅外輻射不均勻的問題，為遠紅外真空干燥技術的繼續發展奠定了基礎。由于單一的干燥方法往往得不到最終產品的質量要求，聯合干燥是未來干燥技術的發展趨勢之一［6，7］。孫傳竹等［8］針對蔬菜傳統的單純遠紅外輻射和熱風干燥脫水干燥形式所存在的各種問題，采用熱風與遠紅外優化組合，解決了頂層干燥箱風量需求以及底層接近干燥的物料烤糊等問題。

目前多數干燥設備的研究基于微型企業或實驗室，不能滿足企業的規模化生產。有關真空低溫干燥（蒸汽加熱）與遠紅外干燥聯合干燥方面的研究較少。鑒于此，本試驗在大量試驗［9，10］的基礎上，結合兩種干燥方法的優點，提出蒸汽加熱與遠紅外聯合的快速干燥技術，設計一套工業遠紅外聯合低溫真空干燥設備，旨在為解決現有干燥方法所引起的干制品品質差、產量低和不能滿足企業要求等問題。

1 結構原理及參數

1．1 工作原理

真空低溫干燥技術的原理是利用低壓下水分的沸點變低，配合真空干燥機，使具有一定自由水的原料得以脫水干燥。真空干燥也稱負壓干燥，是將被干燥物料放置在封閉的干燥室內，用真空泵對其抽真空；同時對被干燥物料間斷或連續加熱［11，12］。

真空低溫干燥可以干燥易氧化、易變色的物料等，尤其是在果蔬干燥過程中可以降低物料中維生素的氧化以及褐變程度，所以采用真空干燥可提高干制品質量。遠紅外干燥熱效高、干燥時間短、加熱溫度均勻。

因此，在真空條件下，將蒸汽加熱與遠紅外優化組合，充分發揮各自的優勢，整合為一種全新的干燥方式，從而實現高品質、高效率、短時間等優勢。

1．2 結構組成

本真空干燥設備是由中國某公司ZGT 型真空低溫干燥機增加紅外管等組件改裝而成，配制四級水蒸氣噴射真空泵，可根據需要改變真空度（蒸汽噴射真空泵真空度可達一級20kPa／60℃、二級12．3kPa／50℃、三級7．4kPa／40 ℃、四級4．2kPa／30 ℃），因為四級真空泵全部投入工作，可獲得較高的真空度。

圖1為真空干燥設備結構示意圖，主要由干燥箱、四級水蒸氣噴射真空泵組、鍋爐組件以及控制系統等組成。

圖1 真空干燥設備結構示意圖Figure1 Schematic of thevacuum drying oven

真空干燥箱［13］主要由干燥室、測量系統（溫度傳感器16，濕度傳感器17，壓力傳感器18）和加熱系統組成（廢蒸汽和紅外復合加熱）。箱體上設有真空泵接口6、充氣閥2（用于解除真空）、疏水閥3與放氣閥4（4A、4B分別安裝于干燥箱和蒸汽分流器）、排蒸汽閥5A、安全閥12（12A、12B安裝與干燥箱和鍋爐10）等。

四級水蒸氣噴射真空泵組用于抽真空，主要由水蒸氣噴射器（8A、8B、8C、8D 分別是一、二、三、四級噴射器）、冷凝器（7A、7B分別是一、二級冷凝器）和水泵組（13A、13B）組成，水泵組用于給冷凝器補水。

鍋爐組件包括鍋爐10、蒸汽分汽缸9、排氣閥5A、疏水閥3與放氣閥4并列安裝以及管路等。

控制系統在干燥過程中通過閥組自動調節工作溫度和終點控制（根據設定干燥時間和濕度）。特別是根據工序溫度的設定，自動調節擱板和紅外管的溫度。系統設有溫度表、真空表、觸摸屏、電動碟閥等，主要電動碟閥開關設定見表1。

采用輻射和傳導結合的加熱方式：遠紅外給物料輻射傳熱和隔板對物料對流傳熱，避免了受熱的不均勻性，保證了物料品質，縮短了干燥時間。圖2中干燥室內有多層物料盤2，每層物料盤上方設置紅外加熱組件3，下方設置加熱隔板

表1 主要碟閥開關設定Table1 Settings of main valve switch

圖2 單層復合加熱結構中分面剖視圖Figure2 Monolayer composite heating structure in section view

1。紅外管離物料之間的距離R 以及紅外管之間的距離L 根據干燥系統的能量平衡關系理論計算并用實驗驗證。

1．3 主要參數

（1）干燥箱尺寸2 500mm×1 140mm×2 030mm；

（2）干燥箱內腔尺寸2 260mm×900mm×1 525mm；

（3）物料盤8層每層2只，每只物料盤尺寸為1 000mm×700mm×40mm；

（4）物料裝載面積11．2m2；

（5）工作蒸汽壓力≥0．6 MPa；

（6）干燥室溫度30～60 ℃；

（7）干燥室壓力4．2～20．0kPa；

（8）紅外管功率800 W／每根；

（9）加熱溫度：60 ℃以下（在70 ℃時，果蔬中葉綠素損失嚴重；在65 ℃時，葉綠素損失較小，醌類化合物損失嚴重；在60 ℃時，醌類化合物損失較小，干制品局部會有微焦現象［14］）。

2 熱量衡算

本設備采用蒸汽與遠紅外聯合加熱的快速真空干燥技術，通過熱平衡計算（以下公式根據文獻［11］、［12］、［15］、［16］），合理布置紅外管數量以及紅外管與物料之間的距離。加熱系統的能量平衡關系見圖3，根據熱力學第一定律，干燥箱整體可建立的平衡關系式見式（1）。

圖3 干燥系統的能量平衡關系Figure3 Energy balance between of drying system

式中：

q輻射—— 紅外管輻射的熱量，kW；

q對流—— 對流傳遞的熱量，kW；

q箱—— 箱體散失的熱量，kW；

q汽化—— 物料干燥所需要的熱量，kW。

2．1 輻射熱量衡算

根據熱平衡方程，當被輻射物料為黑體時，被輻射物料的溫度為其單位面積上吸收的熱流密度：

式中：

H0—— 熱流密度，W／m2；

t1—— 輻射元件表面溫度，K；

σ—— 斯 代 芬 － 伯 爾 茨 曼 常 數，σ 值 為5．67 ×10－8W／（m2·K4）。

紅外管組與物料之間可以看成一個黑體和一個灰體復合的情形，其輻射放出的熱量計算見式（3）、（4）：

式中：

ε0—— 輻射源表面發射率，介于非輻射源的0和黑體1之間，按經驗公式取0．95；

t2—— 被干燥物料表面溫度，設定為333K；

S0—— 輻射源的表面積，m2；

q單輻—— 一根紅外管的輻射功率，kW。

2．2 對流熱量衡算

隔板對流傳遞熱量的計算：

式中：

k—— 自然對流放熱系數，kJ／（m2·h·℃）。放熱面朝下時k ＝1．4；垂直時k ＝2．2；朝上時k ＝2．8，簡化計算取2．2kJ／（m2·h·℃）；

α—— 給熱系數（對流給熱系數），W／（m2·K）；

S1—— 物料表面積，m2。

2．3 物料耗能衡算

物料干燥消耗能量（輻射傳熱與傳導傳熱）的計算：

式中：

W汽—— 水蒸汽的質量流量（噴射真空泵的抽氣量），kg／s；

c汽—— 水蒸汽的比定壓熱容，kJ／（kg·K）。 當t ＝333K 時c汽取7．961kJ／（kg·K）；

t3—— 隔板中水蒸汽的溫度，K。

2．4 流失熱量衡算

干燥箱壁擴散熱量的計算：

設干燥箱壁的平均溫度t箱＝333K，k箱取2．2；

式中：

S箱—— 干燥箱內腔表面積，m2；

t箱—— 干燥箱外部環境溫度，K；

ε箱—— 輻射源表面在溫度t2時的全輻射率，箱內壁涂銀粉后輻射率ε箱＝0．33。

2．5 紅外管數量計算

紅外管離物料之間的距離理論計算根據輻射能逆二次方傳播定律：

式中：

H1—— 輻射源所輻射能量，kW／m2；

H2—— 距離輻射源R 處，物料所吸收的輻射能量，kW／m2；

R—— 紅外管距離物料之間的距離，m。

紅外管根數由已知t2＝333K，根據式（2）求出H2；式（8）求出H1；式（3）求出單根紅外管輻射功率；式（1）與式（4）求出需要n 根紅外管；熱量的需要量是式（6）與（7）的總和。

3 驗證實驗

以獼猴桃為材料進行試驗研究，分析干燥過程中的工藝參數（物料厚度、干燥溫度、真空度）對干制品品質（體積收縮率、總酸、總糖、VC）的影響。研究表明：溫度是影響干制品最主要的因素之一，其次是切片厚度和真空度；工藝參數對VC的影響較明顯，體積收縮率、總酸、總糖影響不顯著。比如：真空冷凍干燥時間18h，熱風干燥7．5h，真空低溫聯合遠紅外干燥2．0h時干制品品質較好［9，10］。顯然，真空低溫聯合遠紅外干燥有較大的優勢。

4 結束語

（1）本設備將真空干燥（蒸汽加熱）與遠紅外干燥有效的結合在一起，充分發揮各自的優勢，整合為一種混合加熱的干燥方法。

（2）該設備已生產樣機。經試驗表明，蒸汽加熱彌補了遠紅外輻射不均勻的問題；廢氣加熱節約了熱源；熱量衡算縮短了干燥時間、提高了干燥速率、優化并降低了設備運轉費用。不過，本設備只能對果蔬進行加工，對其它物料還有待于進一步研究和設計。

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4 Sharma G P，Verma P C．Thin－layer infrared radiation drying of onion slices［J］．Journal of Food Engineering，2005，67（2）：361～366．

5 郁雯霞，任建清．遠紅外真空干燥設備的設計與優化［J］．機械工程與自動化，2010（5）：76～78．

6 李建國，趙麗娟，潘永康，等．組合干燥的應用及進展［J］．化學工程，2006，34（1）：8～11．

7 李寧，孫德松，于鎮寧．旋轉閃蒸干燥機的改進［J］．食品與機械，2012，28（4）：143～145．

8 孫傳祝，王相友，李發家．遠紅外與熱風混合加熱式蔬菜脫水機的研制［J］．農機化研究，2007（9）：119～122．

9 文懷興，張秦權．獼猴桃真空干燥控制系統與工藝研究［J］．真空科學與技術學報，2012，32（12）：1 149～1 153．

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12 潘學行．傳熱、蒸發與冷凍操作實訓［M］．北京：化學工業出版社，2005．

13 文懷興，張秦權．一種復合加熱真空干燥箱：中國，201220246638．X［P］．2013－01－02

14 崔素萍，張洪微，魏文毅，等．獼猴桃加熱與冷凍干燥中葉綠素和醌類物質的變化［J］．農產品加工·學刊，2008（3）：18～20．

15 小哈得遜．紅外系統原理［M］．北京：國防工業出版社，1975．

16 安娜，雅克琳娜，伊夫．傳熱學［M］．北京：大連理工大學出版社，2008．