食品真空冷冻干燥设备的结构与传热研究

研究论文食品真空冷冻干燥设备的结构与传热研究>韩耀明（漳州职业技术学院漳州363000）对冷阱与干燥炉配合、加热棚板的传热方式、加热系统设计等进行了研宄分析。在此基础上，对于接触导热和辐射传热进行对比。
2.1分体式分体式的优点是冷阱2通过气流通道3与干燥炉1配合，工作时，干燥炉内的空气和升华转化的水蒸气流经气流通道，绝大部分水蒸气被冷阱捕获，凝结成霜，密布于冷阱内的制冷管路表面，少部分水分随空气由气泵排入大气。这种配合形式可采用两台冷阱配一台千燥炉，气流通道3装控制阀，冷阱可轮流除霜，除霜对物料千燥几乎不影响。另外其结构设计相对简单，制造工艺要求较低，被普遍采用。但这种结构在运行过程中，气流通道3蒸汽流动阻力AP较大，在食品干燥中后期由于真空度高，尤其明显。如果气流通道3通道截面设计不合理或通道过长将直接影响食品干燥时间，不但加能耗，而且生产加工时间拉长而抬高真空冷冻干燥食品的成本。
22整体式整体式的优点是冷阱与干燥炉结合为一体，不存在通道截面狭窄问题，在高真空度下，气流通畅，且整体结构简单，占地面积小，耗用钢材少。约可节省钢材15，如果采用不锈钢材可节约一笔不小的投资。曾设计一台这种形式的食品真空冷冻千燥设备，使用效果很好。但整体式结构较复杂，一方面冷讲可利用的空间有限，另一方面还要处理好冷阱与加热棚板的冷桥传热问题，结构设计和加工工艺难加热棚板的传热方式在食品真空冷冻干燥的加工过程中，食品所含有的水分以冰晶形式升华为水蒸汽，而水蒸汽的不断排除依赖于真空泵的运行和冷阱对水分的捕获。
冷阱的冷源来自制冷系统，因此，对于制冷系统而言，冷阱就是蒸发器，而对于真空输气系统，冷阱则是捕获水分的低温冷凝器。
冰晶的升华是吸热过程。为了补充能量，维持合理的干燥加工速度，冰晶升华所需的潜热必须依靠加热棚板持续提供。食品物料在真空冷冻干燥加工过程中，其微观机理上存在着复杂的传热与传质。
这要求设备能根据不同加工品种的工艺的要求在不同的加工时刻提供适当的真空环境并适时地控制物料的温度。显然，真空度和温度的探测显示及其控制直接影响了真空冷冻干燥的质量，其影响存在于加工的全过程。这方面己经有较深入的研究和实践，但另一方面，加热棚板传热方式对食品真空冷冻干燥加工过程的影响却是潜在的，根本性的，应给与更多的关注。
食品在真空冷冻干燥的加工过程中处于真空条件下，但加工初期和中后期有较大的区别。在加工初期（这段时间根据加工设备和加工食品性能不同一般45分钟到1小时），系统真空度较低，加热系统未加热。
在加工中后瓶系统内真空度很高，其压力仅40~ 60Pa，甚至更低，气体密度很小，工程上加热棚板与承载物料的托盘之间的对流放热量可忽略不计。两者的热交换主要通过接触导热和辐射传热进行。
3.1接触式导热接触导热是目前一些真空冷冻设备制造公司仍然延用的一种加热棚板的传热形式。假设托盘和加热棚板平整，表面无污物妨碍传热，生产加工中二者接触紧密，因此加热棚板与铝托盘之间的接触热阻可忽略不计。如所示。
显然，铝托盘上方的另一块加热棚板对托盘上表面的物料有一定的辐射作用，但基于以下二方面原因在此不考虑。
因为不与托盘接触，只能通过热辐射形式对铝托盘上表面的物料加热，与下方（所示）的加热棚板对比，热阻大得多。两者对比，其辐射热量在工程上可忽略不计。
该处辐射加热和以下3.2.辐射式传热讨论中，铝托盘上方的另一块加热棚板对托盘上表面物料的辐射加热没有本质区别，在分析比较时，都不作考虑，使问题分析更加清晰明了，且不影响其可比性。
对于从加热棚板表面到铝托盘内表面的导热可由无内热源的稳态导热微分方程描述：，2二?（1）dx dy dz工程上，加热棚板表面的温度相差很小，如果忽略加热棚板表面温度的不均匀性。
以上微分方程的求解结果与一维导热的傅里叶定律是一致的。工程上以下式计算热流量：入一铝托盘导热系数（如前所属，加热棚板与铝托盘之间的接触热阻可忽略），W/mk；5铝托盘底厚度，m；A接触面传热面积，m2；Tr与托盘接触的加热棚板温度，K；T，铝托盘内底面温度，K.需要说明的是从食品加工工艺考虑为了保证加工后的成品质量，必须保持物料中冻结后的水分直接升华，不许溶解。一般冻结后的物料温度达- 25C，甚至更低。如果考虑各种温升因素，铝托盘底面的物料温度以Tf工过程中由于工艺的需要采取的自控系统的调控，以及真空冷冻干燥产品加工工艺的差异，情况较复杂。
冻干食品在加工中，一般加热棚板表面温度范围为60C至120C，这里以即Tr计，Tr远大于Tf.由于托盘普遍米用铝合金，导热系数高，托盘底厚度也仅2至3mm，热阻很小，通常其瞬间可提供的传热量远高于干燥过程所需的热量，生产加工中铝托盘底部物料的温度控制效果往往不理想。
这还不是问题的全部。由于设备部件加工的影响，加热棚板和铝托盘并非完全平整。既使加热平板和铝托盘本来是平整的，在使用一段时间后往往也因为热应力或操作使用不当等原因而变形。特别是铝托盘强度较小，经多次重复使用，底部不平整是普遍现象。正是由于不平整度的影响，在物料加工过程中，铝托盘某些部位无法与棚板贴紧。接触不良的局部为辐射与导热的共同作用，如果把两者脱离接触的部位单独表示则如所示。
1.加热棚板2.铝托盘3.物料加热棚板与铝托盘的辐射传热仍以一维传热分析，其传热热阻为导热热阻和辐射热阻的串联。在稳态传热前提下，导热热流量和辐射热流量相等。其数学分析式分别为：+-1上述（5）式是斯蒂芬-波尔茨曼定律在两无限大灰体平行板之间辐射换热的应用。讨论中不考虑两平板的边界效应，上式完全符合结构传热情况。
5）式联立，根据加工实际情况代之于适当数值求解，可知铝托盘外表面温度T与铝托盘内表面温度T，非常接近。显然，在该传热串联环节，与辐射热阻对比，铝托盘底面的导热热阻几乎为零，可忽略不计。即T，=T.可见，当加热棚板和铝托盘不平整时，接触与非接触部位，在不利条件下，其铝托盘内表面温度高低之差异可高达363-253=110C.如此之大的温度差异不可避免导致了加工过程中，铝托盘与加热棚板接触良好的部位物料局部过热甚至烧焦，而接触不良的部位物料却未能干透，操作难度之大可想而知。虽然许多食品真空冷冻干燥设备采用某些的程控自动控制系统，但实际使用效果仍然无法令人满意。原因是自控系统的传感器只是以某个或几个局部位置的温度信号作为控制的依据，对于整体大面积的温度偏差的控制却无能为力。
上述讨论只是以一维传热进行分析，实际情况将更复杂些。主要是在托盘和加热棚板的接触与非接触的边沿有温度梯度过渡，这可以部分缓解上述的加热不均匀性，但是温度的不均匀性问题并没有得到根本的改变。
3.2辐射式传热加热棚板的另一种传热方式是辐射式传热，其结构仍以说明。这种加热形式由于铝托盘不直接搁置在加热棚板上，迫使加热棚板和铝托盘只能通过热辐射传热，铝托盘的不平整度凹凸为mm数量级，对于两平行平板之间的辐射传热并不影响。从而避免了接触式传热的不均匀性。
从理论分析和生产加工实践都说明，无论是考虑提高生产率或提高冻干食品质量，辐射式传热设计比接触式传热都更合理、更科学，更符合食品真空冷冻干燥加工的生产工艺要求。
某大型成套真空冷冻干燥设备加热棚板采用辐射式传热，大大缓解了加热的不均匀性，加工成品不干率不超过1，杜绝了过火变色的问题。
3.3传热方式对比。是其加工过程温度曲线。
接触导热食品加工过程温度曲线表1采用接触导热的。是其加工过程温度曲线。
辐射传热食品加工过程温度曲线表2采用辐射加热的实验结果表2各参数名称与表1同。
由于加工炉内的真空度对各温度有直接影响，实验中有意识调节使其压力基本相当，从上述实验数据可知，实验1和实验2的压力p艮接近，具有可比性。
实验1采用接触导热，上述b点（凸出中心部位）物料托盘底部温度与上述a点（与棚板接触紧密）物料托盘底部温度平均相差71. 39C.出料时在托盘底部凸出部位有1.36kg物料未干透，需返工。
实验2采用辐射加热，上述b点（凸出中心部位）物料托盘底部温度与上述a点（与棚板接触紧密）物料托盘底部温度平均仅相差3. 45C.出料时在托盘底部凸出部位周围物料己经干透。
对比以上实验1和实验2结果可以清晰看到，物料托盘底部不平整对于辐射传热基本没有影响，但对于接触导热却不可忽视。
加热系统设计加热媒体的选择是加热系统设计的步，主要考虑其导热性能、流动性能，另外还应考虑其汽化特性和污染影响。目前食品真空冷冻干燥设备的加热系统普遍采用导热油或水作为加热媒体。导热油作为加热媒体其热工性能优于水，但导热油是一种石油化工产品，一旦在真空系统内泄漏将导致被加工食品物料的严重污染甚至报废。某些真空冷冻干燥设备的加热棚板与加热管路采用硬管连接，由于热胀冷缩产生应力的原因或密封圈老化的原因往往导致加热媒体的泄漏，采用导热油一旦泄漏，在高真空加工环境下其气体分子迅速扩散，被加工中的物料吸收，往往导致整炉物料的报废，损失很大。而水是自然物质，作为加热媒体没有污染食品的顾虑，除非严重泄漏要紧急处理，一般微小泄漏无非是影响了出炉时间，对产品质量没有本质的影响。因此设计应优先考虑采用水作为加热媒体。
加热系统设计的另一个问题是系统压力稳定性和热膨胀性。对于这个问题，采用水作为加热媒体矛盾较突出。由于在常压下水温度升高到100c将汽化，如果不采取措施，在一个大气压下，食品真空冷冻干燥加工中后期一旦加热温度达到100°c，加热系统内部的水分将以汽液两相流形式流动，加热系统不稳定，传热不均匀。其实，由于加热系统的温度差异和压力的不均匀性，在某些部位加热温度接近100°c就己经有气化现象出现。所以，以水作为加热媒体的加热系统必须保证加热系统内部压力高于高加热温度下水的饱和压力，并保持相对稳定。有些食品真空冷冻干燥设备的加热系统采用高位水塔，以水液柱的静压力来稳定加热系统内部压力。由于一般设计加热水温要求不低于12TC，稳定压力往往选择在0.2-025MPa，高位水塔将高达二十几米，很不方便。该问题有更好的解决方案，通常只需要一套简单的压力控制系统直接用加热系统的压力作为控制信号，经整理放大后发信让执行元件控制加热源流体（如加热蒸汽）流量和媒体泵的转速以稳定系统压力，但应注意控制系统的信号迟延，适当调节，以达佳效果。
另外对于加热系统，无论采用何种加热媒体都应设一膨胀容器，以免温度升高导致压力异常升高而损坏设备。
5结论食品真空冷冻干燥设备在冷阱与干燥炉的配合、加热棚板的传热方式、加热系统设计等诸多结构方面仍值得探讨。
对于加热棚板的传热方式，辐射传热对于托盘平整性要求不高，其设计比接触式传热更合理、更科学，更符合食品真空冷冻干燥加工的生产工艺要求。可提高冻干产品的成品率和产品质量，操作方便。研究结果表明辐射传热优于接触导热，应作为设计。