蝦類真空干燥機設計

姜磊赟， 朱從容

（浙江海洋大學 船舶與機電工程學院，浙江 舟山316022）

0 引 言

據國家統計局公布的數據顯示，我國水產養殖量超過5000 萬t，占我國水產品產量78%以上，是世界上唯一養殖量超過總捕撈量的國家[1]。我國海洋蝦類資源非常豐富，然而蝦的生產季節性強、冷藏保鮮后易使蝦體破碎、解凍后易腐敗變質，并且冷藏保存后養分易流失。因此本文在傳統干燥工藝基礎上，設計了一種蝦類真空干燥設備用來滿足蝦干的制作需求。

1 干燥的目的及選擇

對蝦類產品的干燥，要求干燥產品的營養成分流失少、干燥速率高、成品光澤好，所以采用真空干燥方式對蝦類產品進行干燥處理，在濃度差和壓強差的作用下，蝦體內的水分會由體內擴散至蝦體表面。隨后，水分吸收熱量后蒸發，從而完美達到干燥的目的。

2 蝦類真空干燥機系統設計

真空干燥設備的種類很多，大多數干燥室能夠進行密閉的常壓干燥設備都能實現真空干燥。目前常用的真空干燥設備主要有連續式低溫真空干燥機、帶式真空干燥設備、真空振動設備、圓筒攪拌真空干燥機、耙式真空干燥機、圓盤刮板干燥機等。根據蝦的特性、形狀特點、烘干要求，設計選擇采用圓筒形密閉干燥倉。圓形外形受壓時穩定性好、工藝性好；采用傳導加熱、輻射加熱方式進行加熱，采用間歇式加料與出料方式。真空干燥設備主要組成包括真空干燥倉、加熱系統、冷卻系統、真空系統、自動控制收系統等。

2.1 真空干燥機設計流程

針對蝦類產品的特點和干燥產品的需求，設計一套合理的真空干燥設備。因此需要明確產品設計思路和設計方法。

首先，明確設計目的和設計要求：本文以蝦為研究對象，對蝦類產品進行干燥加工。產品要求通常由客戶提供，設計單位根據產品要求進行結構功能設計。產品要求包括蝦初始水分含量、產品水分含量、產能、產品尺寸、安裝環境等。

明確產品要求后，需要確定產品設計方案。根據客戶提出的設計要求，對產品功能進行評估和劃分，完成設備結構功能設計和成本預估。具體包括產品功能確定、產品總體尺寸、產品功能模塊、模塊布局、接口方位和尺寸等。隨后對產品進行模塊劃分和結構分析計算。根據產品功能需求設計不同模塊，保證產品功能的完整性。此外，對關鍵部件進行重點分析，完成各部件的設計圖樣。

最后根據設計圖樣進行零件加工，裝配調試完成后進行預實驗，保證設備功能達到最終要求。真空干燥系統的控制結構如圖1所示。其中真空系統是對干燥箱內部進行抽真空處理，加熱系統負責在干燥過程中提供熱源，含水率檢測系統負責檢測當前干燥倉空氣中的水分濃度，報警系統負責在設備非正常運轉時提供報警，保證設備和操作人員的安全。

圖1 真空干燥控制系統結構圖

2.2 干燥倉設計

為了提高物料的干燥效率，本設計采用帶式干燥結構。真空干燥機設計內容包括真空干燥倉、加熱系統、真空系統、控制系統等。真空干燥設備的工作過程大致可以分為兩個階段：第一階段為物料的輸送，第二階段為物料的真空干燥階段。在干燥過程進行前，原料蝦由下料機構下料至疏料板上方，在轉軸的帶動下，輸料板在L形護板上做橫向的周期運動。其中，輸料板呈一定角度，從而將原料蝦均勻分布在輸送帶上。隨后通過輸送帶將原料蝦送入干燥艙內進行真空干燥加工；待物料完全進入干燥倉內，利用真空抽離裝置將干燥倉內的空氣抽出。在真空狀態下，物料與加熱板充分接觸，進行熱交換，從而使原料蝦在短時間內迅速烘干。

2.2.1 真空干燥倉系統設計

真空干燥倉是一個密閉的容器，是蝦類真空干燥設備的重要組成部件之一。物料在干燥倉內進行傳熱和傳質，該部件直接影響真空干燥設備的工作性能。干燥箱通常有圓筒形和棱柱形。圓筒形干燥倉具有加工簡便、抗壓能力強、空間利用率高、設計簡便、節省材料等優點。因此本文采用圓筒形的干燥倉。

干燥倉內部結構如圖2所示。干燥倉主要由圓柱形箱體、密封倉、進料口、出料口、開啟機構、觀察窗、抽氣口、真空度儀表、溫度儀表、傳熱介質通道、保溫層等構成。物料和導熱介質由控制系統進行控制，為了提高密封條的使用壽命，物料進出口開啟和關閉過程中，物料進出口大門與密封條須保留一定的間隙。而大門關閉狀態下相對于箱體為平移式緊閉，從而保證干燥倉具有良好的密閉性。此外，工作狀態下干燥倉的內部處于負壓狀態，需要保證較低的漏氣率和放氣率。為此，物料進出口大門的密封條的壓緊力分布均勻且下壓量大于膠圈尺寸。通過干燥倉的尺寸、工作溫度和工作真空度等，可以計算出干燥倉體積、壁厚等參數。

圖2 干燥倉內部結構

2.2.2 箱體的壁厚計算

對于真空干燥設備的箱體壁厚可以按照矩形平板計算。蝦類的真空干燥設備的干燥倉極限真空度要求為0.1 Pa，可承受的外壓為0.1 MPa，因

此可以按照穩定條件設計計算箱體的厚度[2]。

箱體的壁厚計算公式為

式中：L0為箱體壁厚的理論計算值，mm；L′為箱體壁厚的附加厚度，mm。

式中：B為矩形板窄邊的長度，本設計取B=400 mm；σm為箱體材料彎曲時的許用應力，本設計取σm=145 MPa。

根據式（1）和式（2）計算得

此外，在進行箱體壁厚計算時，箱體壁厚的附加厚度計算公式為

式中：L1為箱體板材負公差的最大值，一般情況下L1=0.5 mm；L2為腐蝕裕量，本設計中取L2=1.2 mm；L3為沖壓成型時對板材厚度造成的減薄量，通常情況下取計算值的10%，對于沒有經過沖壓成型的箱體板材，L3=0 mm。

因此，L′=L1+L2+L3=0.5+1.2+0=1.7 mm。

由式（1）、式（2）和式（3）計算可得，箱體的壁厚為L=L0+L′=7.44+1.7=9.14 mm。

2.3 加熱系統設計

2.3.1 加熱系統結構設計

加熱裝置結構如圖3和圖4所示。其中連續的不銹鋼帶是類似于傳送帶的結構。鋼帶繞進加熱滾筒和冷卻滾筒，組成了接觸式加熱和冷卻的干燥器主體。主要工作原理是:在真空條件下，將蝦均勻輸送到在傳送帶上。由于加熱器的加熱，使得蝦的濕分蒸發而得到多孔的高品質干燥蝦。干燥后的蝦通過傳送帶送至出料口進行后處理。真空帶式干燥設備的加熱器主要有平板形，采用熱交換器式的傳導加熱，采用蒸汽、熱水等熱媒介作為加熱介質，加熱平板型加熱器，利用加熱器對傳送帶平面進行傳導加熱，將熱量供給蝦。

由供料裝置在最上方的輸送帶左側不斷供料，原料蝦在最上方的輸送帶的作用下往右輸送，由于相鄰兩個輸送帶在水平方向上錯開一定距離，原料蝦在最上方的輸送帶的右側落至上方第二個輸送帶上，并隨第二個輸送帶往左輸送，原料蝦以此運動規律在各輸送帶之間來回輸送，當在最下方的輸送帶上看到原料蝦時，所有輸送帶上均排滿原料蝦，控制輸送帶停止輸送，關閉端蓋，抽真空管對桶體內進行抽真空，降低沸點，加速蒸發，并由熱交換板的熱水盤管對桶體內的原料蝦進行充分的熱交換，完成烘干工作。

2.3.2 加熱系統能耗計算

此外，加熱系統的傳熱介質選用普通水。以水作為載熱流體，在隔板升溫段，水及隔板升溫所需熱量較大，同時在升溫過程中，隔板仍存在對流、輻射放熱，水的升華已在進行，因此升溫階段所需熱量大，加熱系統處于持續供熱狀態。

原料蝦干燥過程的環境變化可分為降壓、升溫、恒溫、再升溫、恒溫、降溫和升壓等6個階段。傳動系統將待干燥的蝦送至加熱平板后，真空系統將干燥倉內部的空氣抽離，使干燥倉的內部處于真空狀態；隨后加熱系統將物料從常溫加熱至水分滲透的最佳溫度，該溫度下水分子將由物料內部擴散至表面；第二次升溫是從水分滲透的最佳溫度升高至真空箱工作要求溫度，在此溫度下水分開始汽化。為了保證水分汽化完全，應保持一定時間的恒溫狀態。恒溫干燥過程中，汽化水分經真空裝置排出干燥倉，從而達到干燥蝦的目的；隨后，降低干燥倉的溫度并提高干燥倉壓強，將蝦干輸出干燥倉。

1）恒溫干燥熱。恒溫干燥熱是指在恒溫階段內物料內部的水分由液體轉變為氣態所需要的熱量。獲得恒溫干燥熱所需的溫度稱為恒溫干燥溫度。恒溫干燥熱是由待干燥物料的物理和化學性質決定的。本文設計的真空干燥機的恒溫干燥熱可分為兩個部分：一部分是物料達到最佳表面滲透溫度的階段；另一部分是物料保持真空干燥箱工作溫度階段。恒溫干燥總熱計算公式為：

式中：rvi表示物料中水分的汽化潛熱；mv表示物料中水分的恒溫干燥速度。

2）隔板溫度。在干燥階段加熱物料所需能量和加熱板溫度計算公式為

式中：Q1為滲透恒溫階段物料水分汽化所需的熱量；Q2為真空干燥階段物料水分汽化所需熱量。

各階段的物料加熱量計算公式為

式中：λb為加熱板的導熱率；λv為水蒸氣的傳導率；Lb為加熱板厚度；Lv為物料上表面與頂部的距離；Ab為加熱板底部面積；Av為加熱板物料的表面積；Aε為輻射傳熱面積；σ為常數；T1為隔板溫度；T為物料干燥溫度；ε1為加熱板的熱輻射率；ε為物料的熱輻射率。

假設加熱板的面積與物料表面積相等，則有

式中：各參數與零部件的材料參數有關，本文所設計的真空干燥機的加熱板采用不銹鋼，其導熱率λb=16 W/（m·K）；輻射率ε1=0.16；氣態水的導熱率λv=0.025 W/（m·K）；輻射傳熱面積Aε=0.003 m2；加熱板厚度Lb=0.01 m；Lv取0.15 m。由于蝦類產品的輻射量較小，因此本設計中忽略不計。

干燥過程的溫度不同，所需能量也不同。由于真空狀態下蝦的干燥溫度較低，將滲透干燥和真空干燥統一在真空加熱干燥階段進行。此外，干燥過程中的熱量與溫度有關，若干燥溫度為50 ℃，即T1=T=324 K，通過式（8）計算得出單位面積加熱板所需熱量為q=122.76 kJ/m2，進而求得干燥過程中每份實驗樣品所需熱量約為Q=0.369 kJ。

2.4 真空系統設計

通常用真空度描述干燥倉內部的壓強。物料進行干燥時，為了使干燥倉處于低壓狀態，通常采用真空系統抽離干燥倉內的空氣。真空系統主要由真空泵和相應管道組成。真空系統除了提供低于大氣壓的環境外，還為物料內的水分提供擴散的動力，水分在壓強差的作用下從物料內部滲透至表面。此外，水的沸點隨著壓強的降低而降低，蝦體內部的水分可以在較低的溫度下蒸發。

在進行真空系統設計時，通常需要考慮干燥倉內的氣體負荷、極限壓力和工作壓力。其中，氣體負荷包括干燥過程中放氣率Qg、干燥箱漏氣率Qm和箱內放氣率QL。其中國標中規定真空干燥設備的漏氣率必須為10-2～10 Pa·m3/s。這些參數和設備使用的材料和材料表面整潔度、環境溫度等因素相關。一般情況下箱體的氣體負荷隨環境變化率較小，因此在工業設計中通常不考慮氣體負荷。

真空室有效抽氣速率可以表示為

式中：Pg表示干燥倉的工作壓強，設計階段取真空室的最小壓強Pgmin=10 Pa；K表示安全系數，通常K取值為1.5～2.0；Q表示真空室的總排氣率，計算公式為

其中：Qg表示干燥時物料的放氣率，干燥時原料蝦內的氣體大部分被抽離，因此計算時取Qg=0；Qm表示漏氣率，規定真空干燥設備允許的極限漏氣率為1 Pa·L/（m2·s）, 因此本設計中取Qm=1 Pa·L/（m2·s）；Qn表示排氣率，計算公式為

式中：qi表示不同材料單位表面積的排氣率；由于干燥時內表面材料為鋼材，通過查表可得鋼材的排氣率為q=3.8×10-4Pa·L/（m2·s）;A表示真空室內表面積，本設計中A=1.5 m2。

由式（9）、式（10）和式（11）計算可以得到真空泵的有效抽速為S=0.3×10-2L/s。

真空系統設計工作的主要內容是真空泵的選擇。在選擇真空泵時，根據待干燥的物料、干燥倉工作時的極限真空度、抽氣速率等進行選擇。因此，真空裝置采用獨立的抽真空機組。若抽真空系統和加熱系統同時工作，考慮到起始時刻加熱板溫度處于較低的狀態。該狀態下干燥倉內水蒸氣較少。因此，在進入烘干程序前需要進行預抽真空處理，從而提高烘干速度與效率。

通過查找相關手冊發現羅茨泵的工作壓力范圍在1～101 Pa。因此本設計中，抽真空系統中采用以羅茨泵為主泵。由于羅茨泵對工作環境有嚴格的要求，其在1.3 kPa時可達到最佳工作狀態。為此，須在羅茨泵前安裝合適的次級泵。本設計中采用滑閥泵為前級泵。在預抽階段，各級真空泵的啟動條件不一樣。啟動是按如下程序進行的：首先是在大氣壓下預抽真空機組的2臺H-150滑閥泵啟動，當干燥倉壓力降到4 kPa后啟動羅茨泵，直到干燥倉壓力達到規定值。當預抽真空狀態結束，進入加熱低壓烘干過程。

3 結 論

本文首先對真空干燥設備的設計流程進行了簡單介紹。其次，對干燥倉進行了結構設計，并且根據真空干燥設備的工作要求設計并計算了干燥倉的箱體壁厚。另外，分析了蝦在干燥過程中水分流失情況，并且計算了每份實驗樣品在干燥過程中吸收的熱量，這為后續設計開發工作奠定基礎。此外對干燥倉的加熱系統進行介紹，設計了加熱系統結構，并對熱平板和加熱導管的分布進行了系統的設計。最后介紹了真空系統的組成，計算了真空系統的抽氣速率，并根據抽氣速率的理論值選擇合適的真空泵。相信這些設計研究將對蝦的真空干燥技術有一定的助力作用。