紅外—噴動床聯合干燥設備研制與分析

馬 立 段 續,2 任廣躍,2 李琳琳 李新林

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2. 糧食儲藏安全河南省協同創新中心，河南 鄭州 450001；3. 肥西老母雞食品有限公司，安徽 合肥 230000)

最大限度地減少產品退化和能源消耗是當前農產品脫水干燥加工面臨的挑戰[1-4]。紅外干燥技術減少了傳熱過程中熱的損失，提高了產品品質與均勻性，但也常常受限于輻射率、面積、溫度上限[5-6]；噴動床干燥過程中，氣流使物料快速攪動，湍流和渦流增加了物料與加熱介質之間的接觸面積，提高了干燥均勻性[7-8]，但干燥速率慢，增加了操作成本。因此，為了解決目前農產品干燥領域單一干燥方式的局限性，提高干燥效率，增強產品品質，設計新的組合干燥技術，能有效改善單一干燥方法的不足與缺陷。

當前，已有眾多國內外學者將不同的干燥方法進行組合，用于農產品的脫水干燥工業，取得了顯著成果[9-10]。謝小雷等[11-12]通過連續式中紅外與熱風干燥聯合干燥，以牛肉干活化能、收縮率和感官評價為評價指標，研究結果表明，連續式中紅外與熱風干燥聯合干燥能較好保留干制品的風味和顏色，降低了10.33%的活化能和57.14%的干燥耗時，生產量提高了2倍。顧震等[13]研究發現熱泵—遠紅外聯合干燥胡蘿卜片所需時間和總耗能遠低于熱泵干燥。在農產品等濕物料的干燥加工領域，使用單一形式的干燥方法，很難達到最終產品要求，而將兩種或多種不同干燥方法組合干燥能取長補短，達到單一干燥方法所不能達到的效果。噴動床干燥過程中干濕物料間相互滲透，避免了局部過熱，熱源被充分利用，質熱傳遞效率高[14]。王玉川等[15]通過將脈沖噴動床干燥與低頻微波干燥組合，研究該裝置對高麗菜干燥品質的影響，結果表明，聯合干燥能提升干燥產品品質,縮短干燥周期。張秦權等[16]設計的遠紅外聯合低溫真空干燥設備能較好地保留物料的總酸和總糖含量，提高干制品品質。

針對單一紅外干燥過程中存在溫度分布不均勻、干燥耗時長、物料受上限溫度影響等問題，研究擬設計一種紅外聯合噴動床干燥設備，并以新鮮毛豆仁為原料，進行性能試驗驗證設備的干燥效果。

1 紅外噴動床聯合干燥設備結構

1.1 結構組成

以預計處理量20～25 kg/h為基礎，設計的紅外聯合噴動床干燥設備整體占用空間1 500 mm×1 500 mm×2 100 mm(長×寬×高)，主要由噴動床主體、帶溫控系統的紅外加熱器、軸流風機、物料收集箱以及數據采集系統等組成，設備整體采用循環風設計。圖1為設備結構圖。

1.2 工作原理

該干燥設備是利用噴動床干燥過程中物料多次通過強湍流區，干濕物料在湍流和旋渦作用下，快速攪動并相互滲透，避免了局部過熱的優點與紅外干燥穿透性強、干燥速度快的優點有機結合。將待干燥物料通過物料入口添加到噴動床內，達到了所需的靜態床層高度，此時打開動力裝置，提供動力的空氣體從噴動床底部氣流入口進入噴動床內部，通過改變與鼓風機相連的變頻驅動裝置，風量以小幅度增加，當床層處于完全噴動狀態時，再利用紅外輻射器產生的紅外線頻率與物料內部分子發生共振，使物料內部摩擦產熱，結合水轉化為自由水，在溫度梯度的作用下向物料表面移動蒸發，在熱風對流作用下，將干燥物多余的水分通過排風口排出。物料在干燥的整個過程中，多余的熱能經過回收管回收再次利用，達到了節能減排的作用。噴動床內干濕物料的規律運動、加速、減速以及物料與氣體對流的運動，顯著地加強了流體與顆粒之間的交換、顆粒與顆粒之間的交換、壁面與流體、顆粒之間的交換和流體、顆粒中傳熱傳質過程，從而均勻快速去除物料中的水分，提高產品干燥均勻性。另外，干燥后的產品可以通過控制系統增大風速，在風力作用下將干制品吹出，通過物料回收箱收集，提高了干燥效率。設備整體采用工控機與PLC控制，以方便數據采集儲存與實時查詢。

1. 控制系統 2. 噴動床機架 3. 進氣口 4. 進料口 5. 紅外加熱器 6. 隔熱層 7. 噴動床干燥倉 8. 廢氣排出口 9. 回風管 10. 物料收集箱 11. 一次回風系統 12. 百葉窗 13. 軸流風機

2 干燥過程的基本計算

進行物料衡算、熱量衡算及干燥時間的計算，其目的在于獲得從物料中除去的水分、消耗多少干燥介質，需要消耗多少熱量、生產率情況及干燥設備設計的一些基礎數據資料。

2.1 物料中除去的水分含量

干燥過程中，物料中水分的蒸發量按式(1)計算。

(1)

式中：

W——水分蒸發量，kg/h；

G1——物料表示的小時產量，kg/h；

W1——干燥前物料中的濕基含水量，%；

W2——干燥后物料中的濕基含水量，%。

2.2 空氣用量

通過干燥器的濕空氣中絕對干空氣的量是不變的，故可以用干空氣的質量作為計算基準。

蒸發水量為W時的干空氣消耗量及實際空氣用量(即濕空氣用量)：

(2)

L′=L(1+H1)，

(3)

式中：

L——絕對干空氣消耗量，kg/h；

H2——空氣在噴動床出口處的濕度，kg/kg；

H1——空氣在噴動床進口處的濕度，kg/kg；

L′——實際空氣用量，kg/h。

當濕物料含水量為2%～3%，離開噴動床時的含水量為0.1%～0.5%，相對濕度取0.8，為了保證水分蒸發量滿足使用，通過式(1)～(3)計算可得水分蒸發量W為1 kg/h，實際空氣用量L′為72.8 kg/h，取整為73 kg/h。

3 設備主要部件設計

噴動床主體結構如圖2所示。

圖2 噴動床干燥器的幾何結構

3.1 噴動床主體結構有關參數確定

3.1.1 底部進氣口直徑 噴動床底部進氣口直徑大小主要與物料和空氣體積流量有關，假設物料是直徑均勻的，可由式(4)確定底部進氣口直徑大小。

(4)

式中：

Di——底部進氣口直徑，mm；

dp——物料直徑，mm；

L″——空氣體積流量，m3/h；

ρg——空氣密度，1.239 kg/m3；

ρs——物料密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

為了適應更多物料的干燥，物料的平均直徑取15 mm，密度取1 600 kg/m3，空氣密度1.239 kg/m3，重力加速g為-9.81 m/s2，計算得進氣口直徑40 mm。

3.1.2 圓柱體直徑 底部倒錐壁面與水平面夾角α的大小對干燥腔內物料運動的均勻性有直接影響，α過小時，物料會在底部堆積，不易流化，形成死區，降低干燥均勻性；α過大時，環隙區物料速度減慢，不利于操作。研究[17-18]發現，夾角α為60°時，噴動床內物料運動分布均勻，離散狀況最佳。因此，設計夾角α為60°。

圓柱直徑根據通過床層的氣體總量和噴動氣體速度用體積流量公式計算：

(5)

(6)

式中：

Dc——噴動床圓柱體直徑，mm；

V——物料流化速度，m/s；

u——物料沉降速度，m/s；

綜合式(5)、(6)，并將V=(0.02～0.05)u[19]代入計算出的圓柱體直徑取整為500 mm。

錐體高度和體積由式(7)確定。

(7)

(8)

式中：

Hk——錐體高度，mm；

Vk——錐體體積，m3。

由式(7)、(8)計算得出錐體高度Hk和體積Vk分別為432 mm和0.027 m3。

3.1.3 靜床層高度 床層高度關系到產品質量、收縮率及操作特性等工藝參數，由式(9)確定。

(9)

式中：

h——靜床層高度，mm；

G2——濕物料的處理量，kg/h；

ε——空隙率。

當顆粒粒徑為10～20 mm，圓柱體直徑為500 mm時，顆粒孔隙率取值范圍為0.5～0.9，由于顆粒的平均直徑為15 mm，因此取ε為0.8，代入數值計算取整得靜床層高度h為200 mm。

3.2 最小噴動速度

裝置設計時，根據進氣口要求設計的鼓風機運行特性是需要評估的主要因素之一，因為其與系統的可靠性以及運行成本密切相關。通過緩慢調節入口氣體速度，使床層從靜止狀態達到松散狀態，記錄此時的氣流速度即為最小噴動速度。在實際工況中，溫度會改變流入氣體的密度和黏度，根據文獻[20-21]，每種床層高度的最小噴動速度為：

(10)

式中：

Vmax——最小噴動風速，m/s；

dp——物料平均直徑，mm；

Dc——噴動床直徑，mm；

Di——進氣口直徑，mm；

g——重力加速度，m2/s；

H——最大床層高度，mm。

代入參數由式(10)計算可得最小噴動風速為0.93 m/s。

根據上述干燥性能評估、設備結構參數估算，得到噴動床主體結構主要參數見表1。

3.3 紅外輻射加熱器

基于高揚等[22]的研究，該設備選擇紅外輻射最佳紅外線吸收波長為2.5～100.0 μm。紅外輻射板功率過大造成間歇性加熱，導致干燥不均勻；功率過小又不能提供干燥所需的熱能，參照魏忠彩等[23]的計算方法，紅外功率可在0～20 kW線性調節。紅外輻射加熱板尺寸448 mm×100 mm×28 mm(長×寬×高)而紅外輻射加熱板的安裝位置對物料干燥均勻性有直接關系，彼此之間合理的安裝角度能有效提高熱用率[24]。通過文獻[11]計算公式與文獻[25]的理論與方法，確定紅外輻射加熱板A1、A2、A3相互間夾角α1、α2、α3為60°時，噴動床內紅外線強度分布均勻無死角，加熱速度快，紅外輻射利用率最高。圖3為紅外輻射加熱板安裝位置剖面結構示意圖。

表1 噴動床幾何結構主要參數

3.4 數據采集系統

溫控系統由AI108系列溫控表、智能溫度變送器和Pt100溫度傳感器組成。智能溫度變送器(圓卡)，用于熱電阻(RTD)和熱電偶(TC)信號輸入，二線制4～20 mA模擬輸出，安裝于傳感器內部，電磁兼容性符合GB/T 18268—2000工業設備應用要求(IEC 61326-1)。AI108系列溫控表每秒采樣2次，整機功耗小于6 W，符合IEC61010-1過電壓分類Π和污染等級2安全標準。Pt100溫度傳感器安裝于噴動床干燥腔中，以監測干燥室的干燥溫度，測量范圍為-200.0～850.0 ℃，溫度波動均在±1 ℃范圍內，整個過程記錄在計算機中。入口處的空氣速度由EXTECH CFM 407113型風速傳感器測量，精度為±2%。

3.5 動力裝置

由于噴動床所需氣體流量要求較高而壓力要求較低，因此鼓風機由軸流風機驅動。風機在啟動時電流消耗會激增，影響風機的正常壽命還消耗額外的電量。電機的速度是固定不變，而噴動床干燥過程中需要風速小幅度增加或減小，以改變不同含水量物料的流化速度，已達到均勻快速脫水的效果的。變頻器可實現電機變速啟動、通過改變設備輸入電壓頻率達到節能調速的目的，而且能給設備提供過流、過壓、過載等保護功能，因此該設備安裝AD350變頻器對軸流風機進行改造。根據風能轉換理論和貝茨理論[26]確定風機功率。

圖3 紅外輻射板安裝位置示意圖

(11)

式中：

P——軸流風機實際功率，kW；

Cp——風能利用系數(極限值0.593)；

ρ——空氣密度，kg/m3；

S——風軸掃風面積，m2；

V——最小噴動風速，m/s。

為保證物料回收滿足使用要求，代入數值計算得軸流風機實際功率為3 kW。

3.6 回風式空氣調節系統

為了二次利用噴動床內排出的熱能，降低干燥能耗，該設備采用一次回風空氣調節系統，通過回風管將噴動床排風口排出的廢氣引回到調節機的進氣口，與室外新鮮空氣按一定比例混合后循環使用，可使進入噴動床內空氣的濕度降低到干燥所允許的限度，減小了噴動床進、出口之間的溫度變化，從而保證了產品質量。由于噴動床內外空氣溫差較大，利用溫度較高的循環氣與低溫室外空氣混合，可替代或部分替代加熱器的作用，節約了一次加熱所耗的能量，減少熱損失，達到節能減排的目的。該裝置將一次回風空氣調節系統與物料回收箱組合安裝，有效節省了實驗室空間。一次回風空氣調節系統如圖4所示。

4 干燥性能評估與分析

4.1 材料與儀器

4.1.1 材料

新鮮毛豆：要求大小均勻無蟲害無破損，洛陽市大張超市。將毛豆去莢后稱取100 g置于105 ℃熱風干燥箱中24 h后達到絕干，測得初始含水率為(69.0±0.2)%。

4.1.2 儀器

電子天平：JA2003N型，上海佑科儀器儀表有限公司；

1. 通風管 2. 風機 3. 分風板 4. 混合室 5. 回流蝶閥 6. 回風管 7. 百葉窗 8. 進氣蝶閥

電熱鼓風干燥箱：PH-010(A)型，上海一恒科學儀器有限公司；

多功能成像儀：IRI4010型，英國北安普敦IRISYS公司；

色度計：CR-400型，日本Konica Minolta Sensing公司。

4.2 試驗方法

為了對比驗證紅外聯合噴動床干燥對物料干燥均勻性的效果，進行紅外聯合噴動床干燥和紅外干燥兩組對比試驗，測量指標均以樣品含水率達到10%時停止干燥，稱取20 kg新鮮去莢毛豆粒通過進料口放入噴動床中，再從噴動床內隨機抽取5組毛豆粒進行稱重，每組20顆，計算其初始平均重量為11.94 g。打開動力裝置，通過變頻器調節進氣口風速為20 m/s，打開紅外加熱系統，設置加熱溫度為75 ℃開始干燥，每隔30 min迅速取出20顆樣品進行一次稱量，每次測量抽取5組毛豆計算其平均值，稱量之后樣品放回噴動床干燥倉繼續干燥。單一紅外干燥中，稱取500 g新鮮去莢后的毛豆粒均勻平鋪于物料托盤上，加熱溫度設置為75 ℃，每隔30 min迅速取出物料進行一次測量，所有試驗均測量3次，最后取平均值。

4.3 評價指標

4.3.1 干燥時間 干燥時間是評價設備性能的重要指標，以噴動床和單一紅外干燥倉內的毛豆為目標，記錄從開始干燥到停止作業時，其干燥所需的時間。

4.3.2 干燥溫度分布 在紅外聯合噴動床干燥和單一紅外干燥過程中，每隔30 min隨機選擇20粒樣品計算紅外噴動床干燥和單獨紅外干燥的含水量分布均勻性。干燥結束時，將適量樣品從干燥室取出，迅速放入靠近干燥裝置的玻璃盤中，利用紅外熱成像儀記錄干燥樣品表面的加熱溫度分布。

4.3.3 感官評價與色差分析 為了研究紅外聯合噴動床干燥對毛豆品質的影響，每次干燥前后，隨機選擇適量毛豆置于白色瓷盤中進行拍照，然后對圖像進行處理和分析，為了避免圖像處理中圖像質量的變化，光線是恒定的和間接的。將干燥前后的樣品切碎、研磨并放入容器中，顏色測量是在色度計上進行的。記錄顏色L*(亮度)、a*(紅色)和b*(黃色)的坐標。色差(ΔE)根據坐標通過式(12)計算：

(12)

式中：

ΔE——樣品色差值；

ΔL*——樣品的亮度；

Δa*——紅色到綠色程度；

Δb*——黃色到藍色程度。

每個樣品測量5次，并計算平均值，測量前，使用標準白板對設備進行校準。

4.3.4 能耗分析 設備安裝了智能電表，用于測量紅外聯合噴動床干燥設備和單一紅外干燥對干燥能耗的影響。以智能電表所記錄干燥結束與干燥開始時的讀數差作為干燥過程所消耗的電能。

4.4 結果與分析

4.4.1 干燥耗時 按4.2試驗方法和步驟進行試驗，測得在紅外聯合噴動床干燥與單一紅外干燥條件下樣品含水率隨干燥時間變化的干燥曲線圖如圖5所示。單一紅外干燥需要270 min才能達到樣品所需的含水量，而紅外聯合噴動床干燥整個過程僅需160 min，干燥時間縮短了40.7%。由此可見，噴動床干燥有利于提高單一紅外干燥效率，降低干燥時間，加快干燥速率。

4.4.2 干燥溫度分布的影響 圖6顯示了不同干燥方法的樣品的最終溫度分布。與單一紅外干燥相比，紅外聯合噴動床干燥過程中毛豆表面溫度相對較低，可能是因為噴動床干燥倉內干濕物料在氣流作用下相互滲透，增強了介質間的質熱傳遞效率，并且經過一次回風系統的熱空氣帶走了物料表面一部分熱量，提高了物料的散熱效果。單一紅外干燥中樣品表面溫度比紅外聯合噴動床干燥樣品表面溫度高得多，而且單一紅外干燥樣品最高點和最低點之間的溫度差為51.7 ℃，但在紅外聯合噴動床干燥中最高點和最低點之間的溫度差僅為36.1 ℃，表明紅外聯合噴動床干燥樣品的溫差更小，物料表面溫度分布更加均勻，這種現象可能是紅外聯合噴動床干燥中的噴動床使樣品受熱更快、更均勻。

圖5 干燥方法對毛豆干燥特性的影響

圖6 不同干燥方法干燥的青大豆的熱像圖

4.4.3 感官與色澤 表2為紅外聯合噴動床干燥和單一紅外干燥毛豆的品質比較。從形狀上看，紅外聯合噴動床干燥后的毛豆表面較光滑，表皮光滑且呈亮綠色，顏色與新鮮樣品差異不大，色澤較好。而單一紅外干燥的毛豆粒由于表面溫度分布不均勻，物料表面水分不能及時去除，內外溫差大，導致豆仁干癟，表皮皺縮嚴重，呈枯黃色。在香氣方面，紅外聯合噴動床干燥的毛豆散發出新鮮的豆香味，而單一紅外干燥的毛豆則產生“燒焦”的氣味，這是因為在干燥后期隨著毛豆水分的降低，內部溫度分布的不均勻產生的局部過熱。說明紅外聯合噴動床對單一紅外干燥產品品質和干燥均勻性有明顯改善。

表3為紅外聯合噴動床干燥和單一干燥的毛豆粒色澤的影響。結果表明，單一的紅外干燥樣品a*值為-3.36，新鮮毛豆樣品的a*值為-12.16，說明單一紅外干燥毛豆的顏色已轉為暗紅色。紅外聯合噴動床干燥的ΔE(13.24)最小值，說明紅外聯合噴動床干燥毛豆粒與新鮮毛豆粒色差不大。這是因為噴動床內物料的規律流動改善了紅外干燥加熱不均勻溫度過高的不足，從而保證了樣品原有的顏色。

表2 干燥方法對毛豆感官品質的影響

表3 干燥方法對毛豆粒色度的影響?

4.4.4 能耗 紅外聯合噴動床干燥設備的能耗量主要來自于動力裝置和紅外加熱系統。對紅外聯合噴動床干燥設備和單一紅外干燥的干燥過程進行能耗統計，結果發現，單一紅外干燥消耗用電量13.5 kW·h，紅外聯合噴動床干燥設備消耗用電量9.3 kW·h，與單一紅外干燥過程相比，紅外聯合噴動床干燥設備節約能耗31.1%。說明紅外聯合噴動床干燥設備縮短了干燥時間，降低了干燥能耗。

5 結論

與單一紅外干燥設備相比，紅外聯合噴動床干燥設備能有效縮短干燥時間，提高產品干燥的均勻性，改善毛豆干制品品質。同時，該設備還采用一次回風式空氣調節系統，大量反復使用噴動床排出的廢氣，可以精確和靈敏地調節干燥室內的溫度和濕度，節約了加熱空氣熱源，降低了干燥能耗。

該裝置結構簡單，由于物料在噴動床內與氣流高度混合，為了限制物料由出口帶出，保證物料干燥均勻性，噴動床主體還可以采用臥式多室結構，以降低床層高度，進一步提高干燥均勻性。