折射窗干燥装置设计与试验

张卫鹏 聂一凡 肖红伟 郑志安 巨浩羽 黄志刚

(1. 北京工商大学人工智能学院，北京 100048；2. 中国农业大学工学院，北京 100083；3. 河北经贸大学生物科学与工程学院，河北 石家庄 050061)

折射窗干燥技术(Refractance window, RW)是一种新型薄层干燥技术，也称“偏流窗”干燥技术，可将经过调制处理的浆类物料快速干燥成粉状物料，便于贮藏运输，提高产品附加值。RW干燥装置常采用循环热水作为干燥热源，将特制的聚脂薄膜覆盖在热水表面，果浆等湿物料均匀喷涂在聚酯膜上，膜下热水的热量通过聚酯膜传递给膜上薄层湿物料，蒸发的水蒸气通过抽风机快速排出，加速物料脱水。

Lamidi等[1-2]指出浆类物料内部水分的快速蒸发，可在物料上方形成饱和蒸汽层，一定程度上遏制物料与氧气的接触，有利于营养成分的保持。Celli等[3]指出RW干燥的Haskap果浆，其花青素保留率高达90%。Caparino等[4-5]指出，当干燥温度一定时，干燥速率的快慢主要受膜上物料厚度的影响，芒果浆厚度由2 mm整加至3 mm时，干燥速率降低约40%。Bernaert等[6]指出针对高糖分物料，RW干燥技术比喷雾干燥更为有效，可有效避免干燥过程的“黏壁”现象。Abonyi等[7]发现RW干燥方式下β-胡萝卜素仅降低约9.9%，而转鼓干燥降低了约57%；Rajoriya等[8]发现RW干燥甚至可有效保留苹果片中的有效成分；Nemzer等[9]研究表明RW干燥有利于蓝莓浆中维生素B的保持，并将其同微波干燥、红外干燥、射频干燥归为第4代干燥技术。这些研究主要侧重于干燥工艺研究，未明确涉及具体的RW干燥装置设计，尚不能提供灵活可靠的工程应用解决方案，Raghavi等[10-11]也明确指出RW装置设计细节不清晰，制约了该技术的进一步推广应用。

RW技术以循环热水为热源，热水可循环利用，无排污；热水介质不与物料接触，避免了干燥物料的二次污染；具有一定的技术优势，但需要复杂的热水循环系统和保温装置。且热水温度的改变具有明显的滞后性，不利于干燥温度的快速调节。随着材料技术的发展和革新，新型红外热源——碳纤维红外板也逐步被推广到农业领域。因其具有发热面积大、厚度薄、温度便于调控的优势，已被应用于真空加热方面[12]。胡萝卜原料易得，且含丰富的胡萝卜素和维生素C，加工而成的胡萝卜粉是婴儿辅食中的重要原料。试验拟先介绍碳纤维红外板发热特性和折射窗干燥原理，并提出基于碳纤维红外加热的红外折射窗干燥技术(Inrafared Refractance Window，IR-RW)；分别制作RW和IR-RW干燥装置，基于Modbus协议实现两种干燥装置的自动化控制方案；以胡萝卜浆为试验原料，验证该两种干燥装置设计方案的可行性，对比二者的薄层干燥特性；分析干燥效率、物料内部温度以及品质指标(色泽、胡萝卜素)的变化，为RW和IR-RW干燥技术的推广和应用提供理论依据。

1 整机结构及工作原理

1.1 碳纤维红外板发热特性

碳纤维红外板的核心发热材料是碳纤维导电纸或碳晶涂层。由于导电纸温度均匀性较差，试验选用碳晶涂层。其具体结构如图1所示，碳晶涂层4两侧粘贴电极3，上、下方分别依次覆盖基质层2和保护层1，最后经高温高压融为一体。厚度仅约为2～3 mm，碳纤维红外板长宽约为600 mm×900 mm。通电(220 V)后激发的红外电磁波，波长主要分布于5～15 μm，温度最高可达120 ℃。

图1 碳纤维红外板结构图Figure 1 Photos of carbon crystal infrared plate

1.2 基于红外窗口效应的RW干燥原理

有关RW技术的干燥原理目前有两种截然不同的观点。观点一认为RW干燥有显著的“红外窗口”效应。其原理如图2(a)所示，热水表面覆盖的聚氨酯膜是一种导热性能较差的薄膜材料，可有效削弱循环水的蒸发作用及热传导作用带来的热量损失，但波长为3.0～15.3 μm的红外可有效穿过聚酯膜[13]。膜下热水被加热至约95 ℃。干燥初期，由于物料与热水温度差异大，物料与聚酯膜接触的部位形成一个可以使红外能量通过的“窗口”，热能主要以红外辐射的方式传送到物料。如图2(b)所示，随着物料内部水分受热蒸发，含水率的降低，物料与热水温度相近，该“红外线窗口”会逐渐关闭，能量只能以热传导的方式传送，而聚酯膜是热的不良导体，多余的热量又被薄膜折射回水中，从而有效避免了膜上物料被过度加热[14]，干燥后期物料温度也会出现降低的趋势。

1. 电加热管 2. 聚氨酯薄膜 3. 浆类物料 4. 水蒸气图2 RW热量传递过程示意图Figure 2 Schematic diagram of RW heat transfer process

1.3 基于非红外窗口效应的RW工作原理

观点二认为RW干燥的“红外窗口”效应并不显著，物料与聚氨酯膜贴合，热传导是其热量传递的主要方式。如图3所示，干燥后期，某些物料温度之所以降低，是因为随着物料脱水，物料与聚酯膜之间会产生气体间隙，降低了聚酯膜和物料之间的热传导系数，从而遏制了干燥后期物料温度的升高。RW干燥过程中，适宜的干燥温度和较短的干燥时间，始终是保证物料干燥品质的关键。

1. 碳纤维红外板 2. 聚氨酯薄膜 3. 浆类物料 4. 水蒸气 5. 气体间隙图3 IR-RW热量传递过程示意图Figure 3 Schematic diagram of IR-RW heat transfer process

基于上述各干燥工作原理的差异，对RW干燥过程“红外窗口”效应是否显著的判断，可转化为对干燥后期物料温度变化的判断，如干燥后期未出现物料温度降低的情况，则表明RW干燥后期热量不会被聚氨酯膜折射回水中，“红外窗口”效应不显著。

1.4 RW整机结构设计

如图4所示，RW干燥装置由进料系统、加热系统、冷却系统和卸料系统4部分组成。进料系统可均匀地将物料喷涂于传送带上，传送带浮于热水表面，在传动辊的带动下运动。热水温度由电加热管调控，在循环水泵的作用下，热水不断输送到热水槽内。当载有薄层物料的传送带经过此段热水体时，水分快速蒸发。干燥后期物料温度依然较高，直接进行包装，产品易黏结。而冷凝器可带动低温水体快速冷却产品，使物料温度降低至玻璃化转变温度以下，便于卸料。

1. 集料仓 2. 物料 3. 卸料辊 4. 转动辊 5. 热风罩 6. 风机 7. 进料系统 8. 热水槽 9. 热水器 10. 电加热管 11. 循环水泵 12. 冷凝器

1.5 IR-RW整机结构设计

如图5所示， IR-RW整机结构与RW类似，但RW的热水加热系统被替换为碳纤维红外板，精简了设计结构。碳纤维红外板与聚酯膜相贴合，利于热量快速传导至上方湿物料。碳纤维红外板底部粘贴DS18B20温度传感器(深圳市华伟热电偶有限公司，精度±0.2 ℃)，可实时反馈加热板温度，便于温度的精准调控。

1. 集料仓 2. 物料 3. 卸料辊 4. 转动辊 5. 热风罩 6. 风机 7. 进料系统 8. 碳纤维红外板 9. 冷凝器

2 关键性零部件的设计与选型

2.1 进料系统设计

浆类物料种类不同，流变特性、黏度系数也不同。常规食品级离心泵流量难以保持出口流量的稳定性。如图6 所示，试验设计进料系统由蠕动泵、原料槽、布料喷嘴组成。一台挠性蠕动泵对应多个喷头，但因喷头位置不同，支管上最后一个喷头的压力总是低于第一个喷头的压力。为此，系统选用FullJet系列实心锥形喷嘴(斯普瑞喷雾系统有限公司)，具有压力调节功能，每个喷头压力可精确调节至0.15～0.25 MPa。

干燥装置传送带幅面宽度为900 mm，喷嘴喷射幅面略小于传送带宽度。在喷射压力0.2 MPa下，对所需喷嘴数量进行了测试，结果如表1所示。由表1可知，当喷嘴数量为3时，喷雾夹角为30°，有效喷射距离为380～420 mm，可满足喷射距离400 mm的要求。因此，3个喷嘴等间距排列，即可满足系统设计要求。

蠕动泵可平稳高效地输送含有固体颗粒的悬浮液、浆状物等。除泵头中软管外无其他部件会与物料接触，结构简单且可靠、避免了二次污染。并可通过调速器精确控制流量输出，按式(1)计算蠕动泵流量。

表1 不同喷嘴数量喷射参数测试结果

(1)

式中：

Q——蠕动泵流量，m3/min；

r——蠕动泵转速，r/min；

q——蠕动泵单位排量，m3/r；

D——泵壳圆周节圆直径，m；

d——泵软管内径，m。

因此，RW和IR-RW装置的进料系统均选用730DuN蠕动泵(Watson-Marlow中国有限公司)，流量可达33 L/min，泵体转速调节范围为0.56～2 000 r/min，具有RS485通讯功能，可配置输入输出功能。

2.2 RW和IR-RW加热系统设计

如图7所示，RW和IR-RW加热系统可简化为单面、薄层干燥模型。则物料水分蒸发所需热量为[15]：

图7 热量传递示意图Figure 7 Heat transfer diagram

QE=Ws2[(1-Xs2)CsTs2+Xs2CwTs2]-Ws1[(1-Xs1)CsTs1+Xs1CwTs1]，

(2)

式中：

QE——物料水分蒸发所需热功耗，kJ/h；

W——介质质量流量，kg/h；

阿里之所以叫阿里，是有一年阿里的母亲听到一首歌，歌子唱道：阿里，阿里巴巴，阿里巴巴是个快乐的青年。阿里的母亲便去派出所替阿里改名字。管户口的警察不同意，说巴西队的球踢得几漂亮，就叫巴西蛮好。阿里的母亲告诉他，儿子脑子有点问题，叫巴里是想图个吉利。警察便说，是个苕？那就改吧。免得把巴西队也搞苕了。难怪他们最近有点苕样。

T——介质温度，℃；

X——物料中含水量，%；

C——介质比热容，kJ/(kg·℃)；

S——物料中的固形物；

1——进口位置；

2——出口位置。

折射窗干燥装置的热效率为35%～48%，则其总热量可按式(3)计算：

(3)

对于RW干燥装置，能量由热水提供，其总热量按式(4)计算：

QH=hsSB(TH-Ts)。

(4)

同理，IR-RW的总热量可按式(5)计算：

QH=haSB(Tcarbon-Ts)，

(5)

式中：

ha——传导式干燥器的经验传热系数，kJ/(h·℃·m2)；

SB——干燥装置有效干燥面积，m2；

TH——热水循环温度，90～95 ℃；

Ts——料层温度，40～95 ℃；

Tcarbon——碳纤维红外板温度，90～95 ℃。

通过上述计算干燥装置的床层面积2.16～2.70 m2，选定床层面积2.7 m2，设定装置宽度为0.9 m，则长度为3 m，进而可得到其他设备关键尺寸。

2.3 RW和IR-RW冷却系统设计

RW和IR-RW干燥装置均通过冷凝器带动水体循环散热，从而降低物料温度。为确保冷却系统满足设计要求，需核算冷却系统散热能力。

(6)

式中：

Tout——冷却水出口温度，℃；

Tin——冷却水入口温度，℃；

Tmax——系统允许冷却水最高出口温度，℃；

ρ——冷却液体的密度，kg/m3；

v——冷却液体的流动速度，m3/h；

Cp——冷却液体的比热容，J/(kg·℃)。

(1) 热水控制模块 (2) 碳纤维红外板控制模块图8 RW和IR-RW控制系统结构图Figure 8 Chart of RW and IR-RW control system

若Tout>Tmax，则冷凝系统不能解决散热问题，需重新选配。根据计算试验装置选配SC21CL型号制冷机组(杭州排浪科技有限公司)。

3 控制系统的设计

3.1 RW和IR-RW控制系统的总体设计

控制系统采用“主—从”机模式，从机按功能可划分为排湿风速控制、传动带转速控制、辅助功能控制、干燥温度控制4个功能模块。如图8所示，主机选用MT6070iH触摸屏(Weinview公司，中国)，依据Modbus 协议通过RS485串口，分别与变频器、驱动控制器、继电器模块、温控仪等不同类型下位机进行通讯。主机执行自定义宏指令实时读取、存储下位机中寄存器数据，并将其显示于人机交互界面。温控仪采用PID模式控制RW装置水槽中的电加热管，调控热水温度。IR-RW装置中碳纤维红外板温度变化敏捷，采用on/off模式控制干燥温度。温度采集模块基于I2C协议读取DS18B20温度传感器数据，并发送给主机。主机执行判断宏指令，当读取温度高于设定值时，向继电器模块2发生关闭指令，停止碳纤维红外板加热，否则通电开启加热。

排湿模块由变频器和离心风机组成，采用耐高温型HTDT-HTX200温湿度传感器(罗卓尼克，瑞士)读取物料上方湿度，相对湿度测量精度为1.5% RH。传送带由厚度为1 mm的聚酯膜和加强纤维黏合而成，厚度薄，强度高。传动辊表面压制有斜纹网格，可增大摩擦系数。辅助功能工作模块通过零型固态继电器，实现微小控制信号直接驱动大电流负载的蠕动泵、热水循环水泵、冷凝器机组、报警灯等。

3.2 多从机通讯功能地址分配及实现流程

触摸屏循环发送读取指令，监控各从机状态。根据内部嵌入的宏指令执行相应的逻辑判断。从机按图8中从左到右的顺序，依次分配不同的从机地址(0x00～0xff)。触摸屏依据Modbus协议读取、写入数据的执行过程如图9所示。从机接收指令，依照功能码来区分是读指令还是写指令，随之进行CRC校验，错误则舍弃该指令。同时判断该从机地址是否与其分配的从机地址相匹配，不正确则舍弃该帧信息，接收下一帧。若正确，则根据信息帧中的功能码来执行不同的程序，如系统的启停、返回温度数据等，然后组织响应信息帧，将其上传至触摸屏。

图9 信息帧的解析与执行流程Figure 9 Interpretation and implementation process of information frame

3.3 RW和IR-RW控制系统软件设计

触摸屏主机程序包括系统界面以及宏指令库。系统界面通过Easybuilter 8000 开发环境编制，如图10所示，可动态显示、设置传动辊转速、总干燥时间、干燥温度、冷却温度等工艺参数。IR-RW装置控制系统界面和RW装置类似，由右下角“干燥模式切换”按钮切换控制界面。

图10 触摸屏控制界面Figure 10 Control interface of touch screen

关键宏指令执行流程如图11所示。RW装置和IR-RW装置热水、碳纤维红外板加热模块的宏指令分别对应(1)、(2)所示虚线框。触摸屏控制系统基于Flag标志位状态，对装备进行逻辑控制，当Flag为1时，表明干燥尚未结束，上位机获取设定的干燥参数，结合控制逻辑发送控制指令，控制传动辊转速、干燥温度、排湿风速等参数的调控。当Flag为0时，表明干燥时间结束，上位机发送停机指令。

图11 触摸屏关键宏指令执行流程图Figure 11 Flow chart of key instruction execution of touch screen

4 试验装置验证材料与方法

4.1 试验材料及预处理过程

新鲜胡萝卜经打浆、均质后冷藏备用，备料过程耗时<30 min。结合GB/T 5009.3—2010中的直接干燥法，测定胡萝卜浆的湿基含水率为(97.4±0.42)%。

4.2 试验仪器及方法

RW和IR-RW干燥装置均采用NJZSD-002型箱体(南京腾飞干燥设备有限公司)，可分别安装热水加热系统、碳纤维红外加热系统，对应配置成RW和IR-RW干燥装置。如图12所示，RW干燥前后胡萝卜浆状态发生明显改变，适宜干燥工艺下，干燥后胡萝卜浆无明显板结现象。对照组物料采用101-1S热风干燥箱(上海力辰仪器科技有限公司)烘干，热风干燥(HA)温度与RW和IR-RW干燥温度相同。

图12 胡萝卜浆折射窗干燥前后典型物料状态Figure 12 Typical material state of carrot pulp before and after RW drying

4.3 干燥特性参数计算

4.3.1 含水率测定 结合预试验，循环水温和碳纤维红外板温度设定为95 ℃。机器暂停后，从取样窗口快速取样，采用SH10A快速水分测定仪(上海花潮实业有限公司)测定传送带不同位置物料含水率。所有试验胡萝卜浆喷涂密度均为0.02 L/m2，干基含水率<8%时停止试验，冷却后装入聚乙烯塑料袋，真空密封包装。

4.3.2 色泽、胡萝卜素、物料温度检测

(1) 色泽：干燥后产品色泽参数通过△E值评价，用HT-2000型色差仪(深圳宏泰创想科技有限公司)测定。△E值越小，表明干燥前后色泽差异越小。

(2) 胡萝卜素含量：参照GB 5009.83—2016的方法进行。

(3) 物料温度：RW热水温度由温控仪获取，IR-RW红外板温度由温度采集模块获取。聚氨酯膜的上表面温度、物料温度均由852B型红外测温仪(东莞万创电子制品有限公司)测定。

4.3.3 数据处理 所有试验均重复3次，采用Excel 2007软件作图。

5 结果与分析

5.1 不同干燥方式的干燥时间对比

由图13可知，HA的干燥时间最长，约为13 min；RW和IR-RW干燥仅需约5 min，且二者无显著性差异(P<0.05)，表明碳纤维红外板加热系统可有效替代RW装置中的热水加热系统，且二者均可有效缩短胡萝卜浆的干燥时间。

字母不同表示差异显著(P<0.05)图13 不同干燥方式下的干燥时间Figure 13 Drying time of different drying methods

5.2 微观结构和干燥温度曲线变化对比

5.2.1 微观结构 干燥过程通常会改变农产品物料的理化特征和质地结构[16-17]。RW干燥和IR-RW干燥后物料微观结构类似，其典型电镜图如图14所示，干燥胡萝卜浆上表面粗糙，下表面与聚氨酯薄膜接触面，呈光滑状态，表明干燥过程中与聚氨酯薄膜贴合紧密，有利于热量传递[18]。

图14 折射窗干燥胡萝卜浆典型微观结构Figure 14 Typical picture of refractance window dry carrot pulp

5.2.2 干燥温度曲线 由图15可知，碳纤维红外板迅速升温至95 ℃，传送带温度也随之升温至90 ℃，升温时间仅需约3 min，且二者变化均较平稳，表明控制系统采用on/off模式可有效控制碳纤维红外板温度变化。RW装置热水加热系统升温较慢，是因为该方式采用PID模式控制热水温度，热水升温速率主要与电加热管功率有关；预热30 min后，RW传送带温度维持约90 ℃。干燥阶段，胡萝卜浆喷涂于RW和IR-RW装置传送带，物料2 min 内由室温快速升高至约75 ℃直至干燥结束，并未出现物料温度降低的趋势，表明折射窗干燥红外窗口效应并不显著。证明RW和IR-RW干燥主要基于非红外窗口效应，依靠热传导传递热量。Jimena等[19]通过理论计算，证明折射窗干燥过程中红外辐射传递的热量仅占约5%，热量传递主要依靠热传导进行；但Zotarelli等[20]在芒果浆的干燥中发现干燥后期物料温度呈降低的趋势；这可能是因为物料特性不同，随着果浆逐渐脱水，物料与传送带之间产生间隙，空气的存在增大了热阻，阻碍了热量的传递。当胡萝卜浆浓度过高，浆液喷涂厚度过大时，会出现板结、起壳现象，物料温度也随之降低。

图15 IR-RW和RW装置温度变化曲线Figure 15 Temperature changing curves of IR-RW and RW drying system

5.3 色泽、胡萝卜素含量对比

试验测得新鲜胡萝卜浆的L、a、b值分别为53.4，28.8，44.0。由图16可知，RW和IR-RW干燥后产品疏松，未出现明显的黏结情况；RW、IR-RW、HA干燥后产品的色差值△E分别为17.3，17.8，37.5，且RW和IR-RW干燥的产品色泽无显著性差异，色泽明显优于HA干燥。这可能与热风干燥时间较长，酶促褐变严重有关，与Nascimento等[21]在猕猴桃片RW干燥中的结论相类似。新鲜胡萝卜浆中胡萝卜素含量约为1.78 mg/g，RW、IR-RW、HA干燥后胡萝卜素含量分别为1.60，1.61，1.20 mg/g；热风干燥胡萝卜素含量明显较低，三者损失率分别为10.11%，9.55%，32.58%。Ortiz-Jerez等[22]指出，RW较短的干燥时间意味着较高的蒸发强度，水分的快速散失可提高传送带上方的水蒸气浓度，一定程度上遏制了物料与氧气的接触，有利于营养成分的保持。

6 结论

为实现浆类物料的有效干燥，试验设计了基于热水加热、碳纤维红外板加热的折射窗干燥、红外折射窗干燥装置，并以胡萝卜浆为原料进行试验验证。结果表明：① 基于干燥温度等状态参数的监测，采用Modbus协议对装备进行时序控制，实现浆类物料的连续干燥。针对折射窗干燥装置，采用PID模式策略精确调控干燥温度；针对红外折射窗干燥装置中碳纤维红外板外板厚度薄、温度敏捷性高的特点，采用on/off模式调控碳纤维红外板温度，检测温度变化过程验证了控制方案的可行性。② 折射窗干燥和红外折射窗干燥的结果无显著性差异(P<0.05)，干燥时间、色差值△E、胡萝卜素损失量分别约为5 min，17，10%；但红外折射窗干燥装置在预热阶段，升温速率明显高于折射窗干干燥装置，当干燥温度为95 ℃时，传送带表面温度约为75 ℃；二者同热风干燥过程相比，胡萝卜浆干燥时间缩短了150%，且品质明显较优。③ 折射窗干燥技术目前还处于应用探索阶段，其过大的占地面积影响了其推广应用；针对目前的小规模中试，物料加工种类还有待进一步拓展；因其可直接用来干燥液体或浆类物料，快捷高效，可推测适应于喷雾干燥、闪蒸干燥的物料同样可用于折射窗干燥。

字母不同表示差异显著(P<0.05)图16 不同干燥条件下的色差值、胡萝卜素损失量Figure 16 Color difference and loss of carotene