冰温真空干燥系统的设计与实现

2017-04-06厉建国LIJianguo万金庆赵彦峰

食品与机械 2017年11期

厉建国LI Jian-guo 万金庆 - 赵彦峰 -

(1. 上海海洋大学，上海 201306；2. 农业部冷库及制冷设备质量监督检验测试中心﹝上海﹞，上海 201306；3. 上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海 201306；4. 上海开山冷冻系统技术有限公司，上海 201306)

冰温真空干燥是指食品在真空干燥过程中，物料温度保持在冰温。冰温是指从食品的冰点到0 ℃的温度区间，处于冰温状态的食品不会冻结，避免了冻藏引起的蛋白质变性、组织破坏等问题，相比冷藏，其呼吸作用和微生物繁殖也被有效抑制，延长了贮藏期[1]。另外，冰温的诱导作用还可以促使生物体内氨基酸浓度增加，使其更加鲜美[2-3]。在真空干燥领域，干燥工艺对干燥品质有着重要影响，类似的设备，采用不同的工艺，得到不同的效果[4]。在将冰温概念应用于真空干燥工艺的探索中，相关文献[5-7]指出，冰温真空干燥比热风干燥要好，某些指标与真空冷冻干燥相当，甚至优于真空冷冻干燥。此外，提高并控制物料温度至冰温可缩短真空干燥周期，进而节能[8]。

冰温技术对控温要求很高，对应不同的食品，冰温可设定值为-0.5～-2.0 ℃[9]，且温度波动应不超过±0.5 ℃。常规制冷设备难以实现冰温要求，阻碍了冰温技术在中国的应用和推广。在对冰温真空干燥研究过程中，难以找到冰温控制的具体方法。经过长期的试验探索和改进，较严格意义上的“冰温”真空干燥过程得以实现，即整个干燥过程均实现了物料温度在设定值±0.5 ℃内。

本研究基于冰温理论和真空干燥技术，在前期大量手动控制试验得到的数据和操作经验的基础上[10]，整理控制策略，根据已有设备的实际配置现状，重新设计并制作控制系统，以期实现物料在冰温状态下的自动真空干燥，为今后改进冰温真空干燥设备，提高真空干燥效率，提供参考。

1 系统概述

1.1 冰温真空干燥系统的组成

冰温真空干燥试验装置系统原理图见图1。本装置主要由真空箱、冷阱、真空系统、加热系统和测控系统组成。真空箱置于冷库内[11]；冷阱由一套制冷机组为其提供冷量；真空系统主要由真空泵、压力变送器、漏气阀及放气阀组成；加热系统由电加热板和可控硅调压器组成；测控系统(SCADA)负责采集与保存相关温度、压力和物料重量等实时数据，并控制干燥装置按要求运行。

1. 冷阱制冷机组 2. 真空压力变送器 3. 手阀 4. 放气阀 5. 电动蝶阀 6. 止油阀 7. 真空泵 8. 漏气阀 9. 物料 10. 托盘 11. 电加热板 12. 重量传感器 13. 真空箱 14. 排水阀 15. 冷阱

图1 干燥试验装置系统原理图

Figure 1 Schematic diagram of the drying system

1.2 影响物料温度的因素分析

冰温真空干燥过程中，物料温度的精确控制是难点：物料同时存在内部水、冰、气三相的相变、传质和与外部环境传热、传质。前期的手动冰温真空干燥预试验表明，影响物料温度控制的主要因素有辐射热量、进气方式(由漏气阀进气或放气阀进气)和真空压力。图2为被干物料(被控对象)与真空箱体、加热板和漏气之间的热平衡关系，它们之间的热平衡关系见式(1)。

QE+cmΔt=QR±QL±QC，

(1)

式中：

QE——物料水分蒸发带走的热量，kJ；

c——物料比热容，kJ/(kg·℃)；

m——物料质量，kg；

Δt——物料温度变化，℃；

QC——箱体传热量，kJ；

QR——加热板传热量kJ；

QL——漏气传热量，kJ。

在式(1)中，QC为等式的平衡项，该热量以辐射形式传递，数值小且稳定，在控温过程中可忽略；Δt为判断物料热平衡的温度指标，在冰温控制过程中，该项要求≤±0.5 ℃，对热量的影响也可忽略。要使物料温度波动在冰温范围内，实现物料QE≈QR±QL的热平衡是控制关键。

1.3 物料温度控制方案设计

物料干燥需要热量，常见的热风干燥通过控制热风温度将热量传递给被干物料；在真空冷冻干燥中，被干物料多放置在搁板上，通过控制搁板的温度加热被干物料(加热量不可使物料内水分融化)，上述2种干燥方法，并没有将物料温度作为被控参数进行控制。本装置将物料温度作为被控参数，控制框图见图3。图3中，t1为物料温度，t2为加热板表面温度，加热板与物料间的辐射传热QR的大小与其绝对温度的四次方之差[(t2+273)4-(t1+273)4]呈正比。在t1主回路中，物料温度偏差与加热量的大小(t2)并无确定的对应关系，传统控制策略无法实现控制曲线，采用模糊控制策略解决；板温t2为控制中引入的副参数，采用PID控制，形成副回路，与主回路一起组成串级控制回路。

2 控制系统的组成

2.1 系统的硬件结构

控制系统的硬件结构见图4。现场传感器采集的温度、压力和设备运行状态等实时数据，经过AI/DI模块送入PLC中，运算后输出的模拟量或数字量通过AO/DO模块输出驱动信号到执行装置。安装有组态软件的上位机实时读取PLC数据寄存器中的数据并显示在人机交互界面，同时还将所需要的数据进行归档保存，以便后期分析和优化。

控制电路在设计时考虑了自动控制和手动控制2种需求，设置了手动/自动切换开关。根据控制要求和实验室的实际条件，选用西门子S7-200系列[12]的CPU224XP CN为主模块，搭配一块EM231和一块EM232扩展模块。

2.2 控制流程及PLC程序设计

2.2.1 冷阱制冷系统的控制冷阱制冷机组采用二位控制，并设定冷阱的控制偏差为±1.5 ℃。即当低于设定温度1.5 ℃时，停机；当高于设定温度1.5 ℃，同时满足停机时间>3 min时，重新开机。

2.2.2 温度―压力联合控制以某一物料控制在冰温带Tm～0 ℃ 为例(Tm为物料冰点)，其干燥过程控制流程图见图5。

冷阱温度达到设定值后，开启真空系统，使真空泵定频50 Hz运行，漏气阀8和放气阀4处于关闭状态；达到设定压力后，真空泵降频到38 Hz运行。当物料温度T<(0.5Tm-0.5) ℃时，保持阀8关、阀4开；当(0.5Tm-0.5) ℃≤T≤(0.5Tm+0.5) ℃时，阀8开、阀4关；在干燥中后期，物料脱水的阻力越来越大，蒸发所需要的热量也逐渐减少，此时加热板的温度也调节到最低，若还不能将物料温度控制在冰温带，即T>(0.5Tm+0.5) ℃并且该状态保持0.5 h以上，则开启冷库制冷，辅助物料降温。以上各阶段加热板启用模糊-PID串级控制策略。

2.2.3 人机界面的设计上位机人机主界面见图6。该人机监控界面选用组态王7.55组态软件编写，具备实时显示设备运行状态、设定系统工艺参数、启停设备以及数据采集保存等功能。

3 试验研究

选取白萝卜为干燥对象，验证该控制系统对冷阱制冷系统、真空系统、加热板及物料温度的控制能力和对整个机组的协同控制效果。

3.1 干燥方法

将新鲜萝卜700 g左右(测得含水率93%，冰点为-3.0 ℃，重量根据样品摆放和重量传感器量程综合考量确定)清洗干净，切成约5 mm薄片，均匀放到干燥箱的网状托盘上。启动冰温真空干燥设备，按照干燥流程自动进行干燥。当样品含水率降至30%后结束运行，干燥用时20～22 h。

3.2 结果与讨论

冷阱温度变化曲线见图7，在整个干燥过程中，控制冷阱的温度在(-15±1.5) ℃内，满足试验要求。

干燥箱真空压力变化曲线见图8，箱真空压力在(1.1±0.1) kPa内波动，与试验中压力设定相一致。

图9为物料在真空压力为(1.0～1.2) kPa下的温度变化曲线。干燥初始，随着真空箱压力的降低，物料表面水分开始大量蒸发，物料温度迅速降低到0 ℃以下。PLC控制器根据测得的实时温度信号，通过Fuzzy-PID控制程序决策后选择合适的加热温度，并输出相应的4～20 mA控制信号到可控硅调压器，进而控制加热板的辐射热量，使物料温度稳定在冰温带内。到了干燥后期，由于物料本身传热传质阻力增

大，脱水速度逐渐变慢，所需汽化潜热也相应减少，此时加热板的热辐射以及进气带入的热量会较明显地影响物料的温度，物料温度会逐渐上升。在试验中，利用冷库将进气冷却，可将物料的温度较好地维持在(-1.5±0.5) ℃。