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        冰溫真空干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2017-04-06 19:02:27厲建國(guó)LIJianguo萬(wàn)金慶趙彥峰
        食品與機(jī)械 2017年11期
        關(guān)鍵詞:冷阱冰溫真空

        厲建國(guó)LI Jian-guo 萬(wàn)金慶 - 趙彥峰 -

        (1. 上海海洋大學(xué),上海 201306;2. 農(nóng)業(yè)部冷庫(kù)及制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心﹝上海﹞,上海 201306;3. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái),上海 201306;4. 上海開(kāi)山冷凍系統(tǒng)技術(shù)有限公司,上海 201306)

        冰溫真空干燥是指食品在真空干燥過(guò)程中,物料溫度保持在冰溫。冰溫是指從食品的冰點(diǎn)到0 ℃的溫度區(qū)間,處于冰溫狀態(tài)的食品不會(huì)凍結(jié),避免了凍藏引起的蛋白質(zhì)變性、組織破壞等問(wèn)題,相比冷藏,其呼吸作用和微生物繁殖也被有效抑制,延長(zhǎng)了貯藏期[1]。另外,冰溫的誘導(dǎo)作用還可以促使生物體內(nèi)氨基酸濃度增加,使其更加鮮美[2-3]。在真空干燥領(lǐng)域,干燥工藝對(duì)干燥品質(zhì)有著重要影響,類似的設(shè)備,采用不同的工藝,得到不同的效果[4]。在將冰溫概念應(yīng)用于真空干燥工藝的探索中,相關(guān)文獻(xiàn)[5-7]指出,冰溫真空干燥比熱風(fēng)干燥要好,某些指標(biāo)與真空冷凍干燥相當(dāng),甚至優(yōu)于真空冷凍干燥。此外,提高并控制物料溫度至冰溫可縮短真空干燥周期,進(jìn)而節(jié)能[8]。

        冰溫技術(shù)對(duì)控溫要求很高,對(duì)應(yīng)不同的食品,冰溫可設(shè)定值為-0.5~-2.0 ℃[9],且溫度波動(dòng)應(yīng)不超過(guò)±0.5 ℃。常規(guī)制冷設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)冰溫要求,阻礙了冰溫技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用和推廣。在對(duì)冰溫真空干燥研究過(guò)程中,難以找到冰溫控制的具體方法。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)探索和改進(jìn),較嚴(yán)格意義上的“冰溫”真空干燥過(guò)程得以實(shí)現(xiàn),即整個(gè)干燥過(guò)程均實(shí)現(xiàn)了物料溫度在設(shè)定值±0.5 ℃內(nèi)。

        本研究基于冰溫理論和真空干燥技術(shù),在前期大量手動(dòng)控制試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[10],整理控制策略,根據(jù)已有設(shè)備的實(shí)際配置現(xiàn)狀,重新設(shè)計(jì)并制作控制系統(tǒng),以期實(shí)現(xiàn)物料在冰溫狀態(tài)下的自動(dòng)真空干燥,為今后改進(jìn)冰溫真空干燥設(shè)備,提高真空干燥效率,提供參考。

        1 系統(tǒng)概述

        1.1 冰溫真空干燥系統(tǒng)的組成

        冰溫真空干燥試驗(yàn)裝置系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。本裝置主要由真空箱、冷阱、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成。真空箱置于冷庫(kù)內(nèi)[11];冷阱由一套制冷機(jī)組為其提供冷量;真空系統(tǒng)主要由真空泵、壓力變送器、漏氣閥及放氣閥組成;加熱系統(tǒng)由電加熱板和可控硅調(diào)壓器組成;測(cè)控系統(tǒng)(SCADA)負(fù)責(zé)采集與保存相關(guān)溫度、壓力和物料重量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并控制干燥裝置按要求運(yùn)行。

        1. 冷阱制冷機(jī)組 2. 真空壓力變送器 3. 手閥 4. 放氣閥 5. 電動(dòng)蝶閥 6. 止油閥 7. 真空泵 8. 漏氣閥 9. 物料 10. 托盤 11. 電加熱板 12. 重量傳感器 13. 真空箱 14. 排水閥 15. 冷阱

        圖1 干燥試驗(yàn)裝置系統(tǒng)原理圖

        Figure 1 Schematic diagram of the drying system

        1.2 影響物料溫度的因素分析

        冰溫真空干燥過(guò)程中,物料溫度的精確控制是難點(diǎn):物料同時(shí)存在內(nèi)部水、冰、氣三相的相變、傳質(zhì)和與外部環(huán)境傳熱、傳質(zhì)。前期的手動(dòng)冰溫真空干燥預(yù)試驗(yàn)表明,影響物料溫度控制的主要因素有輻射熱量、進(jìn)氣方式(由漏氣閥進(jìn)氣或放氣閥進(jìn)氣)和真空壓力。圖2為被干物料(被控對(duì)象)與真空箱體、加熱板和漏氣之間的熱平衡關(guān)系,它們之間的熱平衡關(guān)系見(jiàn)式(1)。

        QE+cmΔt=QR±QL±QC,

        (1)

        式中:

        QE——物料水分蒸發(fā)帶走的熱量,kJ;

        c——物料比熱容,kJ/(kg·℃);

        m——物料質(zhì)量,kg;

        Δt——物料溫度變化,℃;

        QC——箱體傳熱量,kJ;

        QR——加熱板傳熱量kJ;

        QL——漏氣傳熱量,kJ。

        在式(1)中,QC為等式的平衡項(xiàng),該熱量以輻射形式傳遞,數(shù)值小且穩(wěn)定,在控溫過(guò)程中可忽略;Δt為判斷物料熱平衡的溫度指標(biāo),在冰溫控制過(guò)程中,該項(xiàng)要求≤±0.5 ℃,對(duì)熱量的影響也可忽略。要使物料溫度波動(dòng)在冰溫范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)物料QE≈QR±QL的熱平衡是控制關(guān)鍵。

        1.3 物料溫度控制方案設(shè)計(jì)

        物料干燥需要熱量,常見(jiàn)的熱風(fēng)干燥通過(guò)控制熱風(fēng)溫度將熱量傳遞給被干物料;在真空冷凍干燥中,被干物料多放置在擱板上,通過(guò)控制擱板的溫度加熱被干物料(加熱量不可使物料內(nèi)水分融化),上述2種干燥方法,并沒(méi)有將物料溫度作為被控參數(shù)進(jìn)行控制。本裝置將物料溫度作為被控參數(shù),控制框圖見(jiàn)圖3。圖3中,t1為物料溫度,t2為加熱板表面溫度,加熱板與物料間的輻射傳熱QR的大小與其絕對(duì)溫度的四次方之差[(t2+273)4-(t1+273)4]呈正比。在t1主回路中,物料溫度偏差與加熱量的大小(t2)并無(wú)確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,傳統(tǒng)控制策略無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制曲線,采用模糊控制策略解決;板溫t2為控制中引入的副參數(shù),采用PID控制,形成副回路,與主回路一起組成串級(jí)控制回路。

        2 控制系統(tǒng)的組成

        2.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

        控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4?,F(xiàn)場(chǎng)傳感器采集的溫度、壓力和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)AI/DI模塊送入PLC中,運(yùn)算后輸出的模擬量或數(shù)字量通過(guò)AO/DO模塊輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)到執(zhí)行裝置。安裝有組態(tài)軟件的上位機(jī)實(shí)時(shí)讀取PLC數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)并顯示在人機(jī)交互界面,同時(shí)還將所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔保存,以便后期分析和優(yōu)化。

        控制電路在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了自動(dòng)控制和手動(dòng)控制2種需求,設(shè)置了手動(dòng)/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)。根據(jù)控制要求和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際條件,選用西門子S7-200系列[12]的CPU224XP CN為主模塊,搭配一塊EM231和一塊EM232擴(kuò)展模塊。

        2.2 控制流程及PLC程序設(shè)計(jì)

        2.2.1 冷阱制冷系統(tǒng)的控制 冷阱制冷機(jī)組采用二位控制,并設(shè)定冷阱的控制偏差為±1.5 ℃。即當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度1.5 ℃時(shí),停機(jī);當(dāng)高于設(shè)定溫度1.5 ℃,同時(shí)滿足停機(jī)時(shí)間>3 min時(shí),重新開(kāi)機(jī)。

        2.2.2 溫度―壓力聯(lián)合控制 以某一物料控制在冰溫帶Tm~0 ℃ 為例(Tm為物料冰點(diǎn)),其干燥過(guò)程控制流程圖見(jiàn)圖5。

        冷阱溫度達(dá)到設(shè)定值后,開(kāi)啟真空系統(tǒng),使真空泵定頻50 Hz運(yùn)行,漏氣閥8和放氣閥4處于關(guān)閉狀態(tài);達(dá)到設(shè)定壓力后,真空泵降頻到38 Hz運(yùn)行。當(dāng)物料溫度T<(0.5Tm-0.5) ℃時(shí),保持閥8關(guān)、閥4開(kāi);當(dāng)(0.5Tm-0.5) ℃≤T≤(0.5Tm+0.5) ℃時(shí),閥8開(kāi)、閥4關(guān);在干燥中后期,物料脫水的阻力越來(lái)越大,蒸發(fā)所需要的熱量也逐漸減少,此時(shí)加熱板的溫度也調(diào)節(jié)到最低,若還不能將物料溫度控制在冰溫帶,即T>(0.5Tm+0.5) ℃并且該狀態(tài)保持0.5 h以上,則開(kāi)啟冷庫(kù)制冷,輔助物料降溫。以上各階段加熱板啟用模糊-PID串級(jí)控制策略。

        2.2.3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì) 上位機(jī)人機(jī)主界面見(jiàn)圖6。該人機(jī)監(jiān)控界面選用組態(tài)王7.55組態(tài)軟件編寫,具備實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)定系統(tǒng)工藝參數(shù)、啟停設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集保存等功能。

        3 試驗(yàn)研究

        選取白蘿卜為干燥對(duì)象,驗(yàn)證該控制系統(tǒng)對(duì)冷阱制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱板及物料溫度的控制能力和對(duì)整個(gè)機(jī)組的協(xié)同控制效果。

        3.1 干燥方法

        將新鮮蘿卜700 g左右(測(cè)得含水率93%,冰點(diǎn)為-3.0 ℃,重量根據(jù)樣品擺放和重量傳感器量程綜合考量確定)清洗干凈,切成約5 mm薄片,均勻放到干燥箱的網(wǎng)狀托盤上。啟動(dòng)冰溫真空干燥設(shè)備,按照干燥流程自動(dòng)進(jìn)行干燥。當(dāng)樣品含水率降至30%后結(jié)束運(yùn)行,干燥用時(shí)20~22 h。

        3.2 結(jié)果與討論

        冷阱溫度變化曲線見(jiàn)圖7,在整個(gè)干燥過(guò)程中,控制冷阱的溫度在(-15±1.5) ℃內(nèi),滿足試驗(yàn)要求。

        干燥箱真空壓力變化曲線見(jiàn)圖8,箱真空壓力在(1.1±0.1) kPa內(nèi)波動(dòng),與試驗(yàn)中壓力設(shè)定相一致。

        圖9為物料在真空壓力為(1.0~1.2) kPa下的溫度變化曲線。干燥初始,隨著真空箱壓力的降低,物料表面水分開(kāi)始大量蒸發(fā),物料溫度迅速降低到0 ℃以下。PLC控制器根據(jù)測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度信號(hào),通過(guò)Fuzzy-PID控制程序決策后選擇合適的加熱溫度,并輸出相應(yīng)的4~20 mA控制信號(hào)到可控硅調(diào)壓器,進(jìn)而控制加熱板的輻射熱量,使物料溫度穩(wěn)定在冰溫帶內(nèi)。到了干燥后期,由于物料本身傳熱傳質(zhì)阻力增

        大,脫水速度逐漸變慢,所需汽化潛熱也相應(yīng)減少,此時(shí)加熱板的熱輻射以及進(jìn)氣帶入的熱量會(huì)較明顯地影響物料的溫度,物料溫度會(huì)逐漸上升。在試驗(yàn)中,利用冷庫(kù)將進(jìn)氣冷卻,可將物料的溫度較好地維持在(-1.5±0.5) ℃。

        4 結(jié)論

        冰溫真空干燥工藝能夠加快物料干燥速度,節(jié)省設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。但是干燥過(guò)程中的物料溫度控制方法阻礙該真空干燥工藝的推廣。通過(guò)本裝置對(duì)冰溫真空干燥裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和多次調(diào)試運(yùn)行,驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性與合理性。

        (1) 提出了溫度—壓力聯(lián)合控制方案,可以保持整個(gè)干燥過(guò)程的真空壓力在(1.1±0.1) kPa,物料溫度在設(shè)定值的±0.5 ℃,符合冰溫設(shè)備的控溫精度要求。

        (2) 設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能使冷阱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等協(xié)調(diào)、穩(wěn)定地運(yùn)行,并具備系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)報(bào)警等多種功能。

        (3) 該系統(tǒng)為后續(xù)冰溫干燥食品品質(zhì)方面的深入研究提供了平臺(tái),適用于果蔬、水產(chǎn)等多種物料,具備較強(qiáng)的通用性。

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