猕猴桃太阳能组合干燥装置的设计

董继先， 饶嘉琪

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

陕西是中国农业大省之一，水果蔬菜资源非常丰富，品种繁多，且品质优良，价格低廉.其中猕猴桃种植面积、产量均居全国第一，故有“中国猕猴桃故乡”之称[1].猕猴桃果实中VC含量丰富,被誉为“水果之王”.但猕猴桃含有大量水分，易腐烂，保存期短.近十年来，每年仅腐烂损失的数量高达猕猴桃总产量的25%～30%[2]. 所以猕猴桃干燥技术是我省猕猴桃产业发展中的重要技术支持.

目前，猕猴桃的干燥主要采用热风干燥和冷冻干燥.热风干燥[1]是用锅炉将水加热到100 ℃以上形成过热蒸汽，再以蒸汽为介质，对干燥室内的果蔬进行加热脱水.这种脱水方式不仅要消耗大量燃料，而且能量利用效率较低，燃料在燃烧过程中还会产生大量污染气体.特别是脱水过程猕猴桃自身温度较高，其中的维生素等营养成分流失，因此干燥后品质较差，颜色变化大，香味、营养素的损失大，组织结构变硬，复水性差等.冷冻干燥[3]作为脱水产品加工中的高新技术，其最大的优点是不仅能使产品保持原有的色、香、味、形，而且能最大限度地保存食品中的生理活性营养成分；但是冷冻干燥技术也存在着干燥时间长、能耗高、设备昂贵、运行成本高等缺点.其产品价格大约为热风干燥产品的6倍以上.因此，人们一直在致力于研制各种各样的节能高效的干燥设备以满足使用需要.猕猴桃的干燥[4]要求温度较低，大约在40℃～60℃之间，这正好与太阳能热利用领域中的低温利用相匹配，并且能缩短干燥周期，提高产量质量，经济效益明显[3].

1 设计方案

1.1 设计目标

本设计以中国西北部地区气候条件为参考[5]，根据真空干燥技术与传统的热风干燥技术各自的特点，采用“组合干燥”方式，设计出一种新式的热风真空组合干燥装置.从而在干燥过程中各取所长，优势互补.考虑到现代干燥技术对于“优质低耗”的要求，如何降低能耗、提高干燥效率和保留猕猴桃营养成分是本次设计的目标.

1.2 结构组成

猕猴桃太阳能组合干燥装置的基本结构如图1所示，主要由干燥系统(真空干燥箱、风机等)、加热系统(太阳能集热器、电加热器、进出风管等)和抽真空系统(各类泵、阀门等)组成，其技术参数如表1所示.

1.空气预热器 2.排风管 3.排风控制阀 4.排湿风机 5.物料及物料盘 6.箱门 7.智能控制器 8.均风通道 9.高温进水管 10.给热水控制阀 11.太阳能热水器 12.电加热器 13.太阳能真空热水管 14.太阳能支座 15.补水控制阀 16.补水管 17.水箱 18.水泵 19.低温回水管 20.真空泵 21.捕水器 22.真空排湿管 23.真空排湿控制阀 24.排湿百叶窗 25.加热盘管 26.干燥箱 27.风量控制阀 28.热风辅助加热器 29.引风机 30.进风管图1 太阳能组合干燥装置结构图

1.3 工作原理

如图1所示，首先，干燥的第一个阶段是热风干燥.将被干燥果蔬物料经物料推车装入干燥器内，通过引风机的工作，环境冷空气从进风口进入空气预热器，进行第一步预热.然后由引风机压入干燥器中，在干燥器内首先经均风通道匀风，经太阳能热水加热管加热后与层架上的物料进行热量交换，干燥后的热风由系统中的排湿风机鼓入热交换器中去预热外部进入的冷空气.整个热风干燥阶段需要根据不同物料的初始含水率和热敏感性进行工艺参数的匹配，这些参数由系统控制平台自动调节.当热风干燥到达一定程度，再进行真空干燥.

当系统由热风干燥转入真空干燥时，不需要重新布料，由控制平台发出指令，转换系统各控制阀，依次开启水泵、真空泵和捕水器.在干燥器内，抽真空口阀门开始打开，同时关闭底部热风进口，开启太阳能热水加热管，此时开始进行低温真空干燥，被太阳能加热的热水储存在加热器的水箱内，通过高温进水管进入真空干燥箱里面的加热盘管，加热盘管将热水的热量释放给物料使水分蒸发.经过一定时间，热量由热水传导给了物料，热水温度降低，这时的热水通过水泵流回水箱，进行下一轮循环加热.同时，真空干燥器内物料蒸发出来的水蒸汽将通过抽真空口被除去，通过自动控制元件调节箱内压力，干燥器内需要保持恒定真空度.

1.4 物料、热量衡算

处理量：50 kg/h，原料初水分：≤95%(85%).

热风后物料水分：≤50%(30%)，产品终水分：≤8%(5%).

物料计算：

进入干燥室物料量G1=100 kg等于干燥后的物料量G2加上蒸发水量G3，即G1=G2+G3,

G2=G1×(1-w1)/(1-w2)=30 kg

G3=G1×(w1-w2)/(1-w2)=70 kg

绝干物料量G4=G2×(1-w2)=15 kg

热量计算：

根据西安年平均气温15度，年平均相对湿度80%，画出空气状态I-H图(图2)查湿空气焓湿图得此状态下：空气含湿量H0=0.008 5 kg水/(kg干空气)，湿空气焓值I0=37.67 kJ/(kg干空气), 即图2中A(H0,I0).

空气在预热器出口(干燥箱进口)状态B(H1,I1)T1=60 ℃，空气含湿量H1=H0=0.008 5 kg水/(kg干空气)，湿空气焓值I1=169.53 kJ/(kg干空气).假设干燥过程为绝热冷却过程，即出口状态为图中C1(H21,I21)点，H21=0.043 5 kg水/(kg干空气)，则绝热冷却过程单位热消耗热量QC=(I1-I0)/(H21-H1)= 3 767 kJ/(kg水)，取实际干燥过程的热损失Q1为绝热冷却干燥过程热消耗热量QC的10%，Q1=10%QC=376.7 kJ/(kg水).

本次设计的干燥装置中采取盘管加热和尾气循环，在图2中，由点B至点D连线并与T2=64 ℃线相交于C点，C点就是所求的空气出口状态，查I-H图H2=0.024 5 kg水/(kg干空气),I2=127.7 kJ/(kg干空气).

干空气用量L=W/(H2-H1)=1 000 kg干空气/h.

单位热消耗量q=(I1-I0)/(H2-H1)= 4 143.7 kJ/kg水.

总消耗热量Q=qW=20.3 kw

图2 空气状态I-H图

排风管管径D的计算：

D=(V/3 600×3.14×0.25×u)1/2

式中：u-平均操作气速，取2,8 m/s；V-管内平均体积流量，V=L/ρ；L-空气用量.

管内空气平均物性温度60 ℃，查表得此温度下空气密度ρ=1.128 g/m3.

管内平均体积流量V=L/ρ=1 773.05 m3/h.

排风管管径D=(V/3 600×3.14×0.25×u)1/2=0.18 m

表1 太阳能组合干燥装置的技术参数

2 关键部件设计选型

2.1 槽式太阳能加热器

太阳能是间断的多变能源，考虑到在干燥工况不理想如阴雨天气或阳光不足等导致干燥温度达不到设定范围的情况[6]，猕猴桃的干燥装置可采用太阳能与常规热源如电加热器、锅炉蒸汽等相结合的方式.为适应西部地区日照时间长，太阳光照间歇性强的特点，选用小型高效的槽式太阳能加热器.槽式太阳能加热系统包括集热管、聚光器和跟踪机构.槽式聚光是利用抛物线的光学原理，聚集太阳辐射能.抛物线纵向延伸形成的平面称为抛物面，它能将平行于自身轴线的太阳辐射汇聚到一条线(带)上，提高能量密度，易于利用.在这条太阳辐射汇集带上布置有集热管，用来吸收太阳能，并将其转化为热能.

本设计所采用的槽式太阳能加热系统相比目前的光伏太阳能集热器所采用的真空式玻璃集热管优势明显.槽式太阳能所采用的集热管如图3所示，由外部的玻璃管和内部的吸热管构成，两管之间空隙抽真空阻止热量损失.吸热管由不锈钢制成，内部有工质流动，在不锈钢管的表面涂有黑色的吸热薄膜，薄膜对太阳光有较高的吸收率，同时在红外波普段有较低的发射率，这样就能够有效地吸收太阳能.这种聚光系统还需要设置控制系统来适应太阳光在一天中角度的变化.槽式聚光吸热系统将太阳能转化为集热管内导热流体的热能，然后用高温工质去加热.槽式太阳能聚光系统的聚光比为20到80，以油为导热流体的聚热温度最高为300～400 ℃，以混合硝酸盐为导热流体最高能使集热温度达到550 ℃.另外，为了克服太阳能在时间上分布不均的特点，还将设置蓄热系统，并采用电加热器进行补充调整[7].因此，该设备可实现连续生产，且生产效率高.

图3 槽式太阳能集热装置

2.2 真空干燥箱

猕猴桃脆片的干燥需要在低温、灭菌的环境中进行.考虑到西北地区的果蔬加工企业以箱式热风干燥设备为主[5]，只需对现有设备进行小范围改进的真空干燥箱无疑是最合适的干燥设备.传统真空干燥箱的原理是利用真空泵对箱内进行抽气抽湿.使工作处于真空状态，将潮湿的物料放入箱内，在真空条件下进行干燥(物料中的水分在真空条件下的沸点很低)，使物料的干燥速率大大加快，同时也节约了能源.物料在进入真空干燥箱内干燥时，始终处于静止状态，形体不会被破坏(如物料比重很轻，且粒度很细，也不会到处飞扬)，干燥前还可以进行消毒处理.因真空状态下物料溶剂沸点降低，所以又适用于果蔬等热敏性物料.真空干燥箱有良好的密封性，所以又适用于干燥需回收溶剂和含有强烈刺激，有毒气体的物料[8].

本设计是在传统真空干燥箱的基础上进行改进后的真空干燥箱，具有热风真空两种功能，实现对猕猴桃脆片的低温干燥.对传统真空干燥箱进行的改进如下：

(1)箱体内胆采用3042Bδ6.0 mm不锈钢材料制作，顶部呈圆弧形，使物料在干燥过程中汽化后所产生的冷凝水不能滴入烘架上盛物料的烘盘中，底部呈漏斗状，箱内的冷凝水由四周集中到底部中间，经下面的排污管道由不锈钢球阀排出箱外，节省了干燥时间.箱内四角均采用圆弧角制作，无死角，易清洗，排污好.内胆密焊成形，并经耐压及渗透测试.内胆加强焊接成形后，经精密抛光处理，表面光洁、平整.

A.蒸汽进口 B.蒸汽出水口 C.排污口 D.抽真空口 1.吊住 2.密封条 3.热水管 4.支撑柱 5.均风孔板 6.热风进口 7.烘架 8.箱内板 9.箱外板图4 FZG-12真空干燥箱

(2)为加强箱体强度，采用优质A3、8#槽钢，焊接材料采用302优质不锈钢焊条，这种焊条焊接强度好，使箱体在长期真空状态下具有不变形，焊道不受损，使用寿命长的优点.

(3)箱体的外壳采用3042Bδ1.2 mm优质不锈钢材料制作，铆焊成形，表面亚光磨砂处理，具有表面平整、无焊迹、无划痕、外形美观等特点.

(4)箱体的保温材料采用优质硅酸铝纤维棉保温，保温效果好，表面温度不超过室内温度(≤5℃)，节约了能源.

(5)箱内的烘架采用Φ32×3 mm不锈钢圆管制作，氩弧焊接后烘架的表面全部经打磨抛光处理，烘架设计为活动式(箱内如需清洗时可将烘架取出)，烘架的底部安装不锈钢轮，并配备不锈钢牵引车.因烘架较重，将烘架放到牵引车上，方便烘架进出，降低了劳动强度，节省了时间.

(6)烘箱加热方式为蒸汽加热，蒸汽加热采用不锈钢盘管式散热器加热，密焊成型后反复试压(试气压力为12 kg).散热盘管安装在烘架上，烘架设计为7层，上面6层放置烘盘，因蒸汽进入盘管式散热后，底部一层温度较低，解决了原先6层烘架物料时底部较上面不易干燥和干燥不均匀等问题，节省了能源，提高了干燥速度.

(7)烘架上安装烘盘托条，材料为3042Bδ2.0 mm不锈钢角钢.托条距离盘管散热器10～15 mm.因散热器的表面温度较高，如果直接将料盘摆放在散热器上会将料盘底部的物料烤坏.安装烘盘托条后，料盘底部透气性好，料盘中的物料受热均匀，从而可提高干燥速度.

(8)烘箱配备烘盘12只，尺寸为640×460×45 mm，采用一次冲压成形，材料为3042Bδ0.8 mm不锈钢，表面平整，光滑、无死角.

(9)散热器与管道连接形式为不锈钢快接，如需对箱内进行清洗时可快速撤除烘架.

(10)抽真空接口安装在箱体的顶部，孔径为Dg50，与真空泵连接形式为法兰连接.真空泵采用2BY-71V型水环式真空泵，该泵每分钟的抽气量为0.86 m3，适用于抽除气体和水蒸汽，吸气压力达到33 mbar(97%真空度)，当真空泵的吸收压力低于80 mbar长期工作时，则应该为缓冲罐配备冷凝器以提高气体回收的效率.

(11)真空管道的作用是改变干燥系统内的干燥压力，通过干燥箱顶部三通接管与循环热风系统和真空系统的管道分别相连，真空干燥箱在进行干燥方式转换(热风转换为真空干燥)时不用对果蔬物料重新搬运与布料，通过顶部阀门有效调节，进一步节省了人力和物力成本，减少了物料的损耗.

(12)干燥箱的放空阀安装在箱体的底侧部位，操作方便，放空阀采用Dg40不锈钢球阀.

(13)干燥箱配备压力真空表，安装在箱门上，便于观察.

(14)干燥箱配备窥视镜2只，前门安装2只.

(15)箱内温度采用智能型数显温控仪表控制，该仪表具有简易PIC功能，温度控制灵敏度±0.5 ℃，干燥箱配备电器控制箱1台，可安装在箱体上或操作间任何一处便于操作的地方.

改进后的真空干燥箱如图4所示，其各项技术参数如表2表示.

表2 真空干燥箱基本参数

3 猕猴桃干燥实验

猕猴桃脆片的干燥工艺路线[8]如下：

猕猴桃原料→分拣→清洗→去皮→切片→护色→干燥→分级→包装→检验→猕猴桃脆片.

试验应用太阳能组合干燥装置，进行猕猴桃脆片干试验.将湿基含水率为 85%的猕猴桃切片输送到真空干燥箱的托盘中进行烘干，干燥至猕猴桃切片湿基含水率为10%左右进行试验检测.试验时，每批猕猴桃为100 kg，干燥装置每天 9∶00～17∶00 进行干燥作业，试验有效干燥时间按每天 8 h 进行计算.

试验结果表明，该太阳能组合干燥装置集热效率高，干燥效果均匀.装置太阳能跟踪控制系统性能稳定，作业顺畅，无故障发生.干燥温度未超过60 ℃，实现了低温干燥.与热风干燥方式相比，太阳能热风真空组合干燥装置烘干1 t猕猴桃，能源消耗仅为常规热源的1/3～1/5[9].生产的猕猴桃脆片中VC含量可达18 mg/100 g，而鲜猕猴桃的VC含量一般为22 mg/100 g(按脱水当量)[10]，其质量较之热风干燥猕猴桃脆片有大幅度的提高，可与冷冻干燥产品相媲美，产品在相同生产能力下的设备投资费用仅为冷冻干燥设备的1/2.

4 结论

(1)为提高猕猴桃干制品的产品质量，节能降耗，充分利用中国西北部地区充沛的太阳能资源，研制了一种猕猴桃太阳能“热风-真空”组合干燥装置.性能稳定，作业顺畅；对真空干燥箱进行了改进，使其实现了热风真空两种功能，提高了干燥作业的效率.

(2)该装置可充分利用太阳辐射能，大量节省常规能源，达到了节能环保的目的.采用空气预热器回收废热风中的余热，进一步提高能量利用率，降低干燥过程中的能耗；使用自动控制技术，提高了设备自动化程度[11]，操作简单方便.经过试验验证，“热风-真空”组合干燥装置所加工的产品，色泽鲜亮、营养含量高、味道香浓，可与冷冻干燥的干制品相媲美，与传统热风干燥产品的品质相比有了明显的提高.同时，该干燥装置比现有的同类干燥设备节能30%～40%，生产效率提高20%～30%[12].

(3)采用槽式太阳能和常规热源如电加热器、锅炉水蒸汽等作为正辅加热源，可以有效克服传统太阳能集热器加热效率低、间歇供热的缺点，能够及时、充足、高效的为整个干燥系统提供能源，同时大幅降低了整个干燥系统的经济成本.如果能在本地区推广此技术，相信会为更多的食品干制企业带来巨大的经济效益.

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