远红外联合低温真空干燥设备研究与设计

张秦权 文怀兴 袁越锦

（陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021）

常用的果蔬干燥方法有自然干燥、热风干燥、真空冷冻干燥、远红外干燥、微波干燥、真空低温干燥及各种组合干燥等［1］。真空低温干燥［2］是指使物料中的水分在较低的温度之下（60 ℃以下）沸腾而蒸发，所加工的干制品香、色、味皆佳，复水性良好。远红外真空干燥的方法具有最终产品干燥效果好、成本低、射线来源广以及能符合大批量生产的要求等优势，已经被越来越多的企业所接受［3，4］。郁雯霞等［5］针对国内外远红外真空干燥设备存在干燥不均匀、无法调节辐射距离等缺陷，通过试验对远红外真空干燥试验设备进行了优化设计。优化后的干燥设备不仅能达到较高的真空度，并且可以调节真空度，同时也可以改变干燥功率，解决局部加热过程中远红外辐射不均匀的问题，为远红外真空干燥技术的继续发展奠定了基础。由于单一的干燥方法往往得不到最终产品的质量要求，联合干燥是未来干燥技术的发展趋势之一［6，7］。孙传竹等［8］针对蔬菜传统的单纯远红外辐射和热风干燥脱水干燥形式所存在的各种问题，采用热风与远红外优化组合，解决了顶层干燥箱风量需求以及底层接近干燥的物料烤糊等问题。

目前多数干燥设备的研究基于微型企业或实验室，不能满足企业的规模化生产。有关真空低温干燥（蒸汽加热）与远红外干燥联合干燥方面的研究较少。鉴于此，本试验在大量试验［9，10］的基础上，结合两种干燥方法的优点，提出蒸汽加热与远红外联合的快速干燥技术，设计一套工业远红外联合低温真空干燥设备，旨在为解决现有干燥方法所引起的干制品品质差、产量低和不能满足企业要求等问题。

1 结构原理及参数

1．1 工作原理

真空低温干燥技术的原理是利用低压下水分的沸点变低，配合真空干燥机，使具有一定自由水的原料得以脱水干燥。真空干燥也称负压干燥，是将被干燥物料放置在封闭的干燥室内，用真空泵对其抽真空；同时对被干燥物料间断或连续加热［11，12］。

真空低温干燥可以干燥易氧化、易变色的物料等，尤其是在果蔬干燥过程中可以降低物料中维生素的氧化以及褐变程度，所以采用真空干燥可提高干制品质量。远红外干燥热效高、干燥时间短、加热温度均匀。

因此，在真空条件下，将蒸汽加热与远红外优化组合，充分发挥各自的优势，整合为一种全新的干燥方式，从而实现高品质、高效率、短时间等优势。

1．2 结构组成

本真空干燥设备是由中国某公司ZGT 型真空低温干燥机增加红外管等组件改装而成，配制四级水蒸气喷射真空泵，可根据需要改变真空度（蒸汽喷射真空泵真空度可达一级20kPa／60℃、二级12．3kPa／50℃、三级7．4kPa／40 ℃、四级4．2kPa／30 ℃），因为四级真空泵全部投入工作，可获得较高的真空度。

图1为真空干燥设备结构示意图，主要由干燥箱、四级水蒸气喷射真空泵组、锅炉组件以及控制系统等组成。

图1 真空干燥设备结构示意图Figure1 Schematic of thevacuum drying oven

真空干燥箱［13］主要由干燥室、测量系统（温度传感器16，湿度传感器17，压力传感器18）和加热系统组成（废蒸汽和红外复合加热）。箱体上设有真空泵接口6、充气阀2（用于解除真空）、疏水阀3与放气阀4（4A、4B分别安装于干燥箱和蒸汽分流器）、排蒸汽阀5A、安全阀12（12A、12B安装与干燥箱和锅炉10）等。

四级水蒸气喷射真空泵组用于抽真空，主要由水蒸气喷射器（8A、8B、8C、8D 分别是一、二、三、四级喷射器）、冷凝器（7A、7B分别是一、二级冷凝器）和水泵组（13A、13B）组成，水泵组用于给冷凝器补水。

锅炉组件包括锅炉10、蒸汽分汽缸9、排气阀5A、疏水阀3与放气阀4并列安装以及管路等。

控制系统在干燥过程中通过阀组自动调节工作温度和终点控制（根据设定干燥时间和湿度）。特别是根据工序温度的设定，自动调节搁板和红外管的温度。系统设有温度表、真空表、触摸屏、电动碟阀等，主要电动碟阀开关设定见表1。

采用辐射和传导结合的加热方式：远红外给物料辐射传热和隔板对物料对流传热，避免了受热的不均匀性，保证了物料品质，缩短了干燥时间。图2中干燥室内有多层物料盘2，每层物料盘上方设置红外加热组件3，下方设置加热隔板

表1 主要碟阀开关设定Table1 Settings of main valve switch

图2 单层复合加热结构中分面剖视图Figure2 Monolayer composite heating structure in section view

1。红外管离物料之间的距离R 以及红外管之间的距离L 根据干燥系统的能量平衡关系理论计算并用实验验证。

1．3 主要参数

（1）干燥箱尺寸2 500mm×1 140mm×2 030mm；

（2）干燥箱内腔尺寸2 260mm×900mm×1 525mm；

（3）物料盘8层每层2只，每只物料盘尺寸为1 000mm×700mm×40mm；

（4）物料装载面积11．2m2；

（5）工作蒸汽压力≥0．6 MPa；

（6）干燥室温度30～60 ℃；

（7）干燥室压力4．2～20．0kPa；

（8）红外管功率800 W／每根；

（9）加热温度：60 ℃以下（在70 ℃时，果蔬中叶绿素损失严重；在65 ℃时，叶绿素损失较小，醌类化合物损失严重；在60 ℃时，醌类化合物损失较小，干制品局部会有微焦现象［14］）。

2 热量衡算

本设备采用蒸汽与远红外联合加热的快速真空干燥技术，通过热平衡计算（以下公式根据文献［11］、［12］、［15］、［16］），合理布置红外管数量以及红外管与物料之间的距离。加热系统的能量平衡关系见图3，根据热力学第一定律，干燥箱整体可建立的平衡关系式见式（1）。

图3 干燥系统的能量平衡关系Figure3 Energy balance between of drying system

式中：

q辐射—— 红外管辐射的热量，kW；

q对流—— 对流传递的热量，kW；

q箱—— 箱体散失的热量，kW；

q汽化—— 物料干燥所需要的热量，kW。

2．1 辐射热量衡算

根据热平衡方程，当被辐射物料为黑体时，被辐射物料的温度为其单位面积上吸收的热流密度：

式中：

H0—— 热流密度，W／m2；

t1—— 辐射元件表面温度，K；

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

红外管组与物料之间可以看成一个黑体和一个灰体复合的情形，其辐射放出的热量计算见式（3）、（4）：

式中：

ε0—— 辐射源表面发射率，介于非辐射源的0和黑体1之间，按经验公式取0．95；

t2—— 被干燥物料表面温度，设定为333K；

S0—— 辐射源的表面积，m2；

q单辐—— 一根红外管的辐射功率，kW。

2．2 对流热量衡算

隔板对流传递热量的计算：

式中：

k—— 自然对流放热系数，kJ／（m2·h·℃）。放热面朝下时k ＝1．4；垂直时k ＝2．2；朝上时k ＝2．8，简化计算取2．2kJ／（m2·h·℃）；

α—— 给热系数（对流给热系数），W／（m2·K）；

S1—— 物料表面积，m2。

2．3 物料耗能衡算

物料干燥消耗能量（辐射传热与传导传热）的计算：

式中：

W汽—— 水蒸汽的质量流量（喷射真空泵的抽气量），kg／s；

c汽—— 水蒸汽的比定压热容，kJ／（kg·K）。 当t ＝333K 时c汽取7．961kJ／（kg·K）；

t3—— 隔板中水蒸汽的温度，K。

2．4 流失热量衡算

干燥箱壁扩散热量的计算：

设干燥箱壁的平均温度t箱＝333K，k箱取2．2；

式中：

S箱—— 干燥箱内腔表面积，m2；

t箱—— 干燥箱外部环境温度，K；

ε箱—— 辐射源表面在温度t2时的全辐射率，箱内壁涂银粉后辐射率ε箱＝0．33。

2．5 红外管数量计算

红外管离物料之间的距离理论计算根据辐射能逆二次方传播定律：

式中：

H1—— 辐射源所辐射能量，kW／m2；

H2—— 距离辐射源R 处，物料所吸收的辐射能量，kW／m2；

R—— 红外管距离物料之间的距离，m。

红外管根数由已知t2＝333K，根据式（2）求出H2；式（8）求出H1；式（3）求出单根红外管辐射功率；式（1）与式（4）求出需要n 根红外管；热量的需要量是式（6）与（7）的总和。

3 验证实验

以猕猴桃为材料进行试验研究，分析干燥过程中的工艺参数（物料厚度、干燥温度、真空度）对干制品品质（体积收缩率、总酸、总糖、VC）的影响。研究表明：温度是影响干制品最主要的因素之一，其次是切片厚度和真空度；工艺参数对VC的影响较明显，体积收缩率、总酸、总糖影响不显著。比如：真空冷冻干燥时间18h，热风干燥7．5h，真空低温联合远红外干燥2．0h时干制品品质较好［9，10］。显然，真空低温联合远红外干燥有较大的优势。

4 结束语

（1）本设备将真空干燥（蒸汽加热）与远红外干燥有效的结合在一起，充分发挥各自的优势，整合为一种混合加热的干燥方法。

（2）该设备已生产样机。经试验表明，蒸汽加热弥补了远红外辐射不均匀的问题；废气加热节约了热源；热量衡算缩短了干燥时间、提高了干燥速率、优化并降低了设备运转费用。不过，本设备只能对果蔬进行加工，对其它物料还有待于进一步研究和设计。

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2 庞韵华．组合干燥法生产苹果片的研究［D］：无锡：江南大学，2008．

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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．远红外真空干燥设备的设计与优化［J］．机械工程与自动化，2010（5）：76～78．

6 李建国，赵丽娟，潘永康，等．组合干燥的应用及进展［J］．化学工程，2006，34（1）：8～11．

7 李宁，孙德松，于镇宁．旋转闪蒸干燥机的改进［J］．食品与机械，2012，28（4）：143～145．

8 孙传祝，王相友，李发家．远红外与热风混合加热式蔬菜脱水机的研制［J］．农机化研究，2007（9）：119～122．

9 文怀兴，张秦权．猕猴桃真空干燥控制系统与工艺研究［J］．真空科学与技术学报，2012，32（12）：1 149～1 153．

10 文怀兴，张秦权．猕猴桃切片真空干燥设备及工艺的研究［J］．真空科学与技术学报，2013，33（1）：1～4．

11 徐成海，张世伟，关奎之．真空干燥［M］．北京：化学工业出版社，2003．

12 潘学行．传热、蒸发与冷冻操作实训［M］．北京：化学工业出版社，2005．

13 文怀兴，张秦权．一种复合加热真空干燥箱：中国，201220246638．X［P］．2013－01－02

14 崔素萍，张洪微，魏文毅，等．猕猴桃加热与冷冻干燥中叶绿素和醌类物质的变化［J］．农产品加工·学刊，2008（3）：18～20．

15 小哈得逊．红外系统原理［M］．北京：国防工业出版社，1975．

16 安娜，雅克琳娜，伊夫．传热学［M］．北京：大连理工大学出版社，2008．