冰溫真空干燥系統的設計與實現

厲建國LI Jian-guo 萬金慶 - 趙彥峰 -

(1. 上海海洋大學，上海 201306；2. 農業部冷庫及制冷設備質量監督檢驗測試中心﹝上海﹞，上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺，上海 201306；4. 上海開山冷凍系統技術有限公司，上海 201306)

冰溫真空干燥是指食品在真空干燥過程中，物料溫度保持在冰溫。冰溫是指從食品的冰點到0 ℃的溫度區間，處于冰溫狀態的食品不會凍結，避免了凍藏引起的蛋白質變性、組織破壞等問題，相比冷藏，其呼吸作用和微生物繁殖也被有效抑制，延長了貯藏期[1]。另外，冰溫的誘導作用還可以促使生物體內氨基酸濃度增加，使其更加鮮美[2-3]。在真空干燥領域，干燥工藝對干燥品質有著重要影響，類似的設備，采用不同的工藝，得到不同的效果[4]。在將冰溫概念應用于真空干燥工藝的探索中，相關文獻[5-7]指出，冰溫真空干燥比熱風干燥要好，某些指標與真空冷凍干燥相當，甚至優于真空冷凍干燥。此外，提高并控制物料溫度至冰溫可縮短真空干燥周期，進而節能[8]。

冰溫技術對控溫要求很高，對應不同的食品，冰溫可設定值為-0.5～-2.0 ℃[9]，且溫度波動應不超過±0.5 ℃。常規制冷設備難以實現冰溫要求，阻礙了冰溫技術在中國的應用和推廣。在對冰溫真空干燥研究過程中，難以找到冰溫控制的具體方法。經過長期的試驗探索和改進，較嚴格意義上的“冰溫”真空干燥過程得以實現，即整個干燥過程均實現了物料溫度在設定值±0.5 ℃內。

本研究基于冰溫理論和真空干燥技術，在前期大量手動控制試驗得到的數據和操作經驗的基礎上[10]，整理控制策略，根據已有設備的實際配置現狀，重新設計并制作控制系統，以期實現物料在冰溫狀態下的自動真空干燥，為今后改進冰溫真空干燥設備，提高真空干燥效率，提供參考。

1 系統概述

1.1 冰溫真空干燥系統的組成

冰溫真空干燥試驗裝置系統原理圖見圖1。本裝置主要由真空箱、冷阱、真空系統、加熱系統和測控系統組成。真空箱置于冷庫內[11]；冷阱由一套制冷機組為其提供冷量；真空系統主要由真空泵、壓力變送器、漏氣閥及放氣閥組成；加熱系統由電加熱板和可控硅調壓器組成；測控系統(SCADA)負責采集與保存相關溫度、壓力和物料重量等實時數據，并控制干燥裝置按要求運行。

1. 冷阱制冷機組 2. 真空壓力變送器 3. 手閥 4. 放氣閥 5. 電動蝶閥 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 干燥試驗裝置系統原理圖

Figure 1 Schematic diagram of the drying system

1.2 影響物料溫度的因素分析

冰溫真空干燥過程中，物料溫度的精確控制是難點：物料同時存在內部水、冰、氣三相的相變、傳質和與外部環境傳熱、傳質。前期的手動冰溫真空干燥預試驗表明，影響物料溫度控制的主要因素有輻射熱量、進氣方式(由漏氣閥進氣或放氣閥進氣)和真空壓力。圖2為被干物料(被控對象)與真空箱體、加熱板和漏氣之間的熱平衡關系，它們之間的熱平衡關系見式(1)。

QE+cmΔt=QR±QL±QC，

(1)

式中：

QE——物料水分蒸發帶走的熱量，kJ；

c——物料比熱容，kJ/(kg·℃)；

m——物料質量，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，該熱量以輻射形式傳遞，數值小且穩定，在控溫過程中可忽略；Δt為判斷物料熱平衡的溫度指標，在冰溫控制過程中，該項要求≤±0.5 ℃，對熱量的影響也可忽略。要使物料溫度波動在冰溫范圍內，實現物料QE≈QR±QL的熱平衡是控制關鍵。

1.3 物料溫度控制方案設計

物料干燥需要熱量，常見的熱風干燥通過控制熱風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，通過控制擱板的溫度加熱被干物料(加熱量不可使物料內水分融化)，上述2種干燥方法，并沒有將物料溫度作為被控參數進行控制。本裝置將物料溫度作為被控參數，控制框圖見圖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)并無確定的對應關系，傳統控制策略無法實現控制曲線，采用模糊控制策略解決；板溫t2為控制中引入的副參數，采用PID控制，形成副回路，與主回路一起組成串級控制回路。

2 控制系統的組成

2.1 系統的硬件結構

控制系統的硬件結構見圖4。現場傳感器采集的溫度、壓力和設備運行狀態等實時數據，經過AI/DI模塊送入PLC中，運算后輸出的模擬量或數字量通過AO/DO模塊輸出驅動信號到執行裝置。安裝有組態軟件的上位機實時讀取PLC數據寄存器中的數據并顯示在人機交互界面，同時還將所需要的數據進行歸檔保存，以便后期分析和優化。

控制電路在設計時考慮了自動控制和手動控制2種需求，設置了手動/自動切換開關。根據控制要求和實驗室的實際條件，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擴展模塊。

2.2 控制流程及PLC程序設計

2.2.1 冷阱制冷系統的控制 冷阱制冷機組采用二位控制，并設定冷阱的控制偏差為±1.5 ℃。即當低于設定溫度1.5 ℃時，停機；當高于設定溫度1.5 ℃，同時滿足停機時間>3 min時，重新開機。

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

冷阱溫度達到設定值后，開啟真空系統，使真空泵定頻50 Hz運行，漏氣閥8和放氣閥4處于關閉狀態；達到設定壓力后，真空泵降頻到38 Hz運行。當物料溫度T<(0.5Tm-0.5) ℃時，保持閥8關、閥4開；當(0.5Tm-0.5) ℃≤T≤(0.5Tm+0.5) ℃時，閥8開、閥4關；在干燥中后期，物料脫水的阻力越來越大，蒸發所需要的熱量也逐漸減少，此時加熱板的溫度也調節到最低，若還不能將物料溫度控制在冰溫帶，即T>(0.5Tm+0.5) ℃并且該狀態保持0.5 h以上，則開啟冷庫制冷，輔助物料降溫。以上各階段加熱板啟用模糊-PID串級控制策略。

2.2.3 人機界面的設計 上位機人機主界面見圖6。該人機監控界面選用組態王7.55組態軟件編寫，具備實時顯示設備運行狀態、設定系統工藝參數、啟停設備以及數據采集保存等功能。

3 試驗研究

選取白蘿卜為干燥對象，驗證該控制系統對冷阱制冷系統、真空系統、加熱板及物料溫度的控制能力和對整個機組的協同控制效果。

3.1 干燥方法

將新鮮蘿卜700 g左右(測得含水率93%，冰點為-3.0 ℃，重量根據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狀托盤上。啟動冰溫真空干燥設備，按照干燥流程自動進行干燥。當樣品含水率降至30%后結束運行，干燥用時20～22 h。

3.2 結果與討論

冷阱溫度變化曲線見圖7，在整個干燥過程中，控制冷阱的溫度在(-15±1.5) ℃內，滿足試驗要求。

干燥箱真空壓力變化曲線見圖8，箱真空壓力在(1.1±0.1) kPa內波動，與試驗中壓力設定相一致。

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，物料表面水分開始大量蒸發，物料溫度迅速降低到0 ℃以下。PLC控制器根據測得的實時溫度信號，通過Fuzzy-PID控制程序決策后選擇合適的加熱溫度，并輸出相應的4～20 mA控制信號到可控硅調壓器，進而控制加熱板的輻射熱量，使物料溫度穩定在冰溫帶內。到了干燥后期，由于物料本身傳熱傳質阻力增

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

4 結論

冰溫真空干燥工藝能夠加快物料干燥速度，節省設備運行時間。但是干燥過程中的物料溫度控制方法阻礙該真空干燥工藝的推廣。通過本裝置對冰溫真空干燥裝置控制系統的設計改進和多次調試運行，驗證了該系統設計的可行性與合理性。

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

(2) 設計的控制系統能使冷阱系統、真空系統、加熱系統等協調、穩定地運行，并具備系統動態監控、數據采集、狀態報警等多種功能。

(3) 該系統為后續冰溫干燥食品品質方面的深入研究提供了平臺，適用于果蔬、水產等多種物料，具備較強的通用性。

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