果蔬熱風真空組合干燥設備的設計

王慧，董繼先,2，王棟,2*，王健,3

1. 陜西科技大學機電工程學院（西安 710021）；2. 陜西農產品加工技術研究院（西安 710021）；3. 寧波奧克斯電氣股份有限公司（寧波 315100）

干燥不僅能除去物料中多余水分，還能抑制微生物活性，是食品存儲的保證，同時也是農產品產地加工的重要方法[1-3]。熱風真空組合干燥是在物料的干燥過程中，分階段的采用熱風干燥技術或真空干燥技術，發揮熱風干燥成本低、能耗低的優勢，發揮真空干燥品質好的優勢[4]。近年來，熱風真空組合干燥技術被應用于檸檬、卷心菜、丹參、天麻、香蕉、蘋果、豇豆角、黃瓜、獼猴桃等[5-12]多種物料的干燥加工，取得一定研究成果。然而，熱風真空組合干燥設備存在一定問題限制該技術的推廣應用，如干燥室內熱風循環方式采用底送頂回的結構使得熱風干燥不均勻；熱風干燥熱風風速小，對流換熱效果差、干燥效率低；真空干燥階段熱水預熱時間長，延長了整體加工時間。為解決上述問題，設計新型的熱風真空組合干燥設備。

針對熱風干燥不均勻的問題，代建武[13]設計一種傾斜料盤式氣體射流沖擊干燥機，并將其應用于哈密瓜片的干燥試驗，解決干燥均勻性問題。國內外學者研究發現，改變熱風循環方式，設計氣流分配室均勻分風可使熱風干燥更均勻，增大熱風風速提高對流換熱效果，熱風干燥效率會更高[14-17]。童亞子等[18]設計一套用于香蕉干燥的太陽能熱風真空組合干燥設備，其通過理論分析計算、驗證該設備科學性。

針對上述問題，設計一種新型熱風真空組合干燥設備，通過改變熱風循環方式，采用側進側回的熱風循環方式，解決熱風干燥不均勻的問題；通過增大熱風風速提高對流換熱效果，提高熱風干燥效率；熱風干燥過程采用間歇性排濕，只有當熱風濕度超過設定值時才排出高濕氣體，充分循環利用熱風熱量，能顯著節能降耗。通過采用鑄鋁電加熱板直接接觸式傳熱，提高真空干燥的干燥效率。結合箱體的靜力學分析及仿真技術，保證其使用強度。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

新型熱風真空組合干燥設備主要由熱風干燥系統和真空干燥系統組成，熱風真空組合干燥設備的結構示意圖如圖1所示。

干燥作業時，把裝有物料的托盤放入干燥箱物料車上，并鎖緊箱門。熱風干燥階段：打開進風電動閥門、回風電動閥門及離心風機，設定熱風溫度，打開熱風輔助加熱器，熱風由進風電動閥門進入氣流分配室，經過氣流分配室的均勻分風使熱風在干燥腔室均勻分配，水平穿過干燥腔室進入右側氣流分配室，經回風電動閥門進入熱風循環管道開始熱風循環干燥，當溫濕度傳感器感應到干燥箱內熱風濕度超過設定值時，打開補氣電磁閥和排濕電動閥門及排濕風機排出熱風，關閉補氣電磁閥、排濕電動閥和排濕風機，繼續開始熱風循環干燥，熱風干燥過程近似封閉循環干燥，只有熱風濕度超過設定值時，才開啟排濕風機排濕即間歇式排濕，減少能耗。在熱風干燥時可以開啟電加熱板輔助加熱，提高干燥效率。真空干燥階段：設置真空干燥時的真空度，真空干燥開始時，關閉進風電動閥門、回風電動閥門及泄壓電磁閥，開啟真空電磁閥、水循環式真空泵，真空泵將箱體干燥腔室抽至設定真空度，關閉真空電磁閥、真空泵；設定真空干燥溫度，開啟溫控儀控制電加熱板對物料進行加熱，真空狀態下水的沸點較低，從而加快水分蒸發實現真空干燥。根據不同物料的含水率和干燥時間不同，若干燥時間較長真空度下降，需再次抽氣恢復真空度，此時，應先開啟環式真空泵，再開啟真空電磁閥。完成干燥時，打開泄壓電磁閥將箱體干燥腔室泄至常壓，打開箱門取出物料，完成干燥。主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

2 關鍵部件設計

2.1 氣流循環

氣流循環是熱風干燥系統的重要部分，承擔著優化干燥箱流場分布、平均分配各出風口風速的作用。合理的氣流分配室結構設計對于提高干燥箱的干燥品質與效率，降低能耗具有重要作用[18]。因此，為保證物料在干燥過程中所受熱風的均勻性，以氣體運動微分方程和RNGk-ε湍流模型為基礎，使用Fluent軟件對氣流分配室進行數值模擬優化設計，在原始模型的基礎上安裝擾流平板與劃分流道，使得兩側流道加寬并對改進效果進行對比分析。入口邊界條件選擇速度入口邊界條件、出口邊界條件選擇壓力出口邊界條件，固壁條件采用無滑移絕熱壁面邊界條件[19]。原始模型的分配腔室呈長方體狀，長、寬、高分別為1 100，300和1 500 mm；進風端位于分配腔室正上方，入口尺寸（長×寬）為300 mm×300 mm；側邊有12排條形出風口標定最上端為第1排出風口，依次至最下端為第12排出風口。綜合比較模擬結果可知，出風口風速值從第1排5.2 m/s開始不斷降低至第7排2.9 m/s，再逐漸增大至第12排9.3 m/s，原始設計模型的速度偏差比最大值達109%，速度不均勻系數為42%，不能滿足熱風干燥均勻性的要求。安裝劃分流道和擾流平板模型較優，兩側流道加寬，L1=4/5L兩側加寬的具體尺寸：從左至右6個流道的寬度值d依次為60，50，40，40，40和70 mm。該模型各個出風口風速偏差很小，提高氣流分配室氣流分配的均勻性[20-21]。氣流分配室優化結構示意圖及三維圖如圖2所示。

圖2 氣流分配室優化結構示意圖及三維圖

氣流分配室優化結構尺寸如圖3～圖4所示。改進后的氣流分配室在不同工況下速度偏差比最大值由原始模型109%降至15%，速度不均勻系數由42%降至7%，且隨著流量增加E呈現減小趨勢，出風口風速總體分布比較均勻，解決原始模型分布不一致的問題，并對類似與干燥機氣流分配室結構的均勻性設計提供參考和借鑒。

圖3 箱體左側氣流分配室結構尺寸示意圖

圖4 箱體右側氣流分配室結構尺寸示意圖

2.2 真空干燥箱的加熱系統

為提高真空干燥的干燥效率，通過采用鑄鋁電加熱板直接接觸式傳熱。其中，在電加熱板的一側，有2個電加熱管的瓷套接線柱，2個瓷套接線柱中間有溫度傳感器安裝孔。干燥過程中，電加熱板和溫度傳感器采用耐高溫線與溫度控制儀連接使用，根據果蔬干燥特性，可以設置不同的加熱溫度。鑄鋁電加熱板沒有復雜的能量傳遞路徑，升溫迅速，導熱均勻，提高連續作業效率，使用可靠[22]。電加熱板的安裝示意圖如圖5所示。

圖5 裝有電加熱板的物料車

為保證鑄鋁電加熱板能夠合理裝配，可以確定鑄鋁電加熱板的具體尺寸大小為635 mm×1 000 mm×20 mm。根據干燥設備設計手冊，傳導式干燥器的傳熱方程式為[24]：

Q=KA（tk-tm） （1）式中：Q為真空干燥所需熱量，W；K為物料與熱傳導面的傳熱系數，W/（m2·℃）；A為與物料接觸的加熱面積，m2；tk為熱源溫度，℃；tm為物料溫度，℃。

其中，料盤底板采用304不銹鋼材質，傳熱系數K=45 W/（m2·℃），真空干燥熱源溫度最高為80℃，物料溫度取環境溫度20 ℃，A=0.635 m2，代入式（1）可得Q=1 714.5 W。鑄鋁電加熱板加熱功率取10 kW，因此，選用10 kW鑄鋁電加熱板作為真空加熱元件，所選鑄鋁電加熱板的主要參數如表2所示。

表2 鑄鋁電加熱板的主要參數

為提高真空干燥效率和真空干燥的均勻性，對真空加熱系統采用鑄鋁電加熱板加熱，鑄鋁電加熱板配合溫控儀使用，升溫快，加熱均勻，提高干燥效率和干燥的均勻性。

2.3 箱體的結構設計

干燥箱箱體是熱風真空組合干燥設備的重要結構，箱體的合理性設計直接關系到干燥效率的高低和干燥質量的好壞。根據干燥設備設計手冊[23]，真空干燥參考書[24]，為保證氣流分配室的合理裝配，根據氣流分配室的尺寸，設計滿足熱風循環方式的干燥箱箱體，所設計的箱體內部腔室長1 500 mm、寬1 100 mm、高1 800 mm、內壁采用厚度6 mm的304不銹鋼，內壁外焊接8號Q235A槽鋼作為加強筋，縱加強筋間距250 mm，橫加強筋間距360 mm，根據熱風干燥系統的設計，需要在箱體上方設置熱風進風口和熱風回風口，其直徑為150 mm，為真空抽氣，在箱體后面開有真空抽氣口，真空抽氣口的口徑為40 mm。

在干燥過程中，物料中的水分不斷蒸發，為防止物料干燥過程中氣化后的冷凝水垂直滴落到干燥腔室的物料盤中，干燥箱頂部設計為尖頂，頂部平面與水平面夾角為10°，以便冷凝水沿著箱體內壁流下。由于本設計的真空干燥階段采用的是電加熱，所以在真空抽氣口同側開有2個航空插頭安裝孔，以便內部溫度探頭和電加熱板的導線接入，設計的航空插頭安裝孔的孔徑為25 mm。由于物料車質量較大，為減小勞動強度，方便物料架進出，箱體底部設置有物料車滑動軌道，軌道上安置有裝載物料托盤的物料車。由于箱門尺寸較大，制造誤差等不可避免因素難以保證箱體與箱門平整貼合，為保證真空干燥階段的氣密性，干燥箱靠近箱門一側需要安裝橡膠密封圈，密封圈要整體成型，由于橡膠彈性、韌性好，回彈性好，選擇蘑菇型橡膠圈作為箱門箱體密封件，同時配合壓力旋鈕機械式鎖緊，以免真空干燥過程中漏氣。在物料干燥過程中往往要觀察物料的干燥狀態，因此在箱門上設置有觀察視窗，為方便識別干燥箱工作時箱體內部真空度的大小，在箱門上安裝有真空表。設計的箱體的總體結構示意圖如圖6所示。

圖6 熱風真空組合干燥設備箱體結構示意圖

箱體內壁厚度計算：根據真空設計手冊盒型殼體計算公式[21]，箱體內壁厚度按式（2）和（3）計算。

式中：S為箱體實際壁厚，mm；C為壁厚附加量，mm，壁厚附加量C包括鋼板的最大負公差附加量（0.5 mm）、腐蝕裕度（0 mm）、封頭沖壓拉伸減薄量（計算厚度10% mm）；S0為箱體計算壁厚，mm；B為矩形板的窄邊長度，mm；[σ]彎為彎曲時許用應力，MPa，通常軋鋼的彎曲許用應力規定與其簡單的拉壓許用應力相同。設計根據304不銹鋼材質，取137 MPa。加強筋與筒體的組合截面、箱體加強筋的布置、加強筋的布置實物圖見圖7～圖9。

圖7 加強筋與筒體的組合截面

圖8 箱體加強筋的布置

圖9 加強筋的布置實物圖

3 箱體的靜力學分析

由于真空干燥箱在真空狀態下工作，為保證真空干燥時箱體工作的穩定性，對箱體進行三維建模，對其進行靜力學分析[25]，通過靜力學模擬分析檢驗箱體設計是否合理。箱體簡化三維模型如圖10所示。

圖10 帶加強筋的箱體三維模型

箱體內壁材料采用304不銹鋼，加強筋材料采用Q235A。網格劃分為六面體網格，網格單元為159 150個，網格節點為722 820個。對于載荷的添加，干燥作業時，干燥箱箱體主要受大氣壓力和自身重力作用，抽真空時，箱體受到的最大外壓為一個大氣壓，壓力值約0.1 MPa，此外干燥箱箱體還受自身重力作用，在模擬計算時，對箱體外表面均添加0.1 MPa的均布壓力載荷，對于箱體的自身重力，給箱體添加重力加速度即可。箱體的約束將4只支腿設置為固定約束。箱體材料屬性見表3。

表3 箱體材料屬性

干燥箱的應力云圖如圖11所示。可以看出，箱體在大氣壓和自身重力作用下，箱體所受到的最大等效應力分布在箱體加強筋上，具體位置處于在箱體前面和左側面中間加強筋外端連接處，最大等效應力為71.68 MPa，最大應力小于加強筋屈服強度235 MPa，也小于內壁材料屈服強度206 MPa。位移云圖如圖12所示，根據位移云圖可以看出，最大位移處于箱體最大面開孔處，即箱門窺視窗安裝孔，最大位移為0.263 66 mm，數值相對于箱體尺寸來說，位移形變量很小，對箱體的影響可以忽略不計。因此，箱體內壁采用厚度6 mm的AISI 304不銹鋼，外面焊接8號Q235A槽鋼作為加強筋，縱加強筋間距250 mm，橫加強筋間距360 mm。

圖11 應力云圖

圖12 位移云圖

4 結論

針對熱風真空組合干燥中熱風干燥階段底進頂出的熱風循環方式干燥不均勻、風速低、效率低的問題，設計一種采用側進側回的水平熱風循環方式的果蔬熱風真空組合干燥設備。在熱風進出口采用氣流分配室均勻分風，提高熱風干燥的均勻性，并且增大熱風設計風速來提高對流換熱效果，從而提高熱風干燥效率。熱風干燥過程采用間歇性排濕，只有熱風濕度超過設定值時才排出高濕氣體，充分循環利用熱風熱量，能顯著節能降耗。

真空干燥階段用鑄鋁電加熱板加熱替代熱水盤管加熱，可縮短真空干燥階段的預熱時間，提高干燥效率。

設計滿足熱風循環方式的干燥箱箱體，并對設計的箱體進行靜力學分析，分析表明箱體結構滿足設計要求。箱體內部腔室尺寸為1 500 mm×1 100 mm×1 800 mm，內壁采用厚度6 mm的304不銹鋼，內壁外焊接8號Q235A槽鋼作為加強筋。