冻干设备真空系统设计与应用

冻干设备真空系统设计与应用

1真空系统能耗干燥槽压力是冷冻干燥设备（以下简称冷干设设备）的重要技术指标，也是冷干加工过程控制的重要工艺参数。干燥仓压力通过真空系统来实现,因而,真空系统成为冻干设备的重要组成部分,同时也是主要的耗能部分。在冻干设备运行能耗中,真空系统的能耗占据了较大比例。以冻干小葱为例,采用蒸气系统加热时,真空系统电耗约占冻干总电耗的30%。如何能更好的满足冻干工艺需要,同时又减低真空系统的运行能耗是冻干设备研究的重点技术之一。为此,本文对SZDG200大型食品冻干设备真空系统进行了系统优化设计并采取了节能运行控制方式,以达到真空系统节能的目的。2真空系统的设计2.1传统真空系统冻干设备真空系统特性主要包括抽水蒸气的能力、干燥仓空载极限真空度和干燥仓出口处的有效抽速等技术指标。能直接抽水蒸气的真空泵目前并不很多,主要有水喷射泵、水蒸气喷射泵、水环泵、湿式罗茨泵4种,其余真空泵在抽水蒸气时必须采取一定的措施。因此,当前冻干设备采用的真空系统主要分两类,一类是采用直接抽水蒸气的真空泵,另一类是采用水汽凝结器加真空泵的方式。前者结构简单、成本低,但必须配备蒸汽锅炉,操作不慎尚有返水现象;后者结构复杂、成本高,但真空度较高、运行可靠。目前,冻干设备真空系统采取后者方式居多。在食品冻干过程中,干燥仓内压力因受加工物料的品种、物料干燥速率等多种因素影响需要对其进行控制。因冻干设备所配真空机组均按冻干过程中所需最大有效抽速来设计,但在冻干过程中的大部分时间,冻干设备所需有效抽速均小于真空机组最大有效抽速。为控制干燥仓内压力,目前采用的方法主要有两种,一种是在干燥仓设一充气阀,通过控制外界环境向干燥仓内充气量的多少来实现;另一种是在干燥仓与水汽凝结器之间的连通管道上安装气动蝶阀,通过控制气动蝶阀的开度来实现。目前主要以前者应用较多。SZDG200冻干设备的真空系统采用了水汽凝结器加真空泵的形式,其干燥仓压力控制采取了控制充气阀充气量的方式。为此,对其真空系统的研究也是在此总体方案基础上进行的。2.2真空机组设计2.2.1szdg200冻干设备真空机组的特点(1) 预抽时间也即将干燥仓从大气压(1.013×105Pa)抽到工作压力(按133Pa考虑)所需时间应尽量短,一般要求在20min内,并能使干燥仓达到一定的极限压力。(2) 不同的物料以及在冻干过程各阶段干燥仓所需有效抽速变化较大。(3) 真空机组应能抽除少量的水蒸气。因此,SZDG200冻干设备真空机组采用了如下方案:(1)采用两套相同的真空机组,一套作为预抽真空机组,一套作为维持真空机组。在预抽阶段,预抽真空机组和维持真空机组同时工作,当干燥仓压力达到工作压力,冻干过程开始后根据需要运行一套或两套真空机组。(2)选用罗茨泵+罗茨泵+水环泵(带大气喷射泵)三级真空泵组,以便可以抽除少量水蒸气,且极限压力能达到10Pa。2.2.2真空机组的设计计算真空机组的最大有效抽速按满足预抽要求来设计。下面以SZDG200型食品冻干设备为例进行计算分析。(1)szdg200冷冻设备的参数SZDG200型冻干设备参数如表1所示。(2)喷射泵的选取真空泵选型计算按以下步骤进行:1)选取主泵。按照经验,初选ZJP-1200型罗茨泵作为主泵,其有效抽速Sz为1.2m3/s。2)选取二级泵。二级泵采用罗茨泵,其有效抽速Se可以按Se=[1/4～1/2]Sz确定。初定ZJP-300型罗茨泵为二级泵,其有效抽速Se为0.3m3/s。3)选取前级泵。前级泵采用水环泵,其有效抽速比二级罗茨泵稍小即可。因此初选SK-12水环泵为前级泵,其有效抽速为0.2m3/s。为提高其极限真空下的有效抽速,选配大气喷射泵。各泵的性能参数如表2所示。2.3预抽阶段干燥仓预抽时间可按式(1)简化计算:t=2.3KqVSlgPiPt=2.3ΚqVSlgΡiΡ(1)式中t——抽气时间,sV——真空系统容积,m3S——真空泵的名义抽速,m3/sPi——真空泵开始抽气时压力,PaP——经t时间抽气后的压力,PaKq——修正系数Kq与真空泵抽气终止时的压力P有关,其值如表3所示。在预抽阶段,各级真空泵的启动条件不一样,启动是按如下程序进行的。首先是在大气压下前级水环泵启动,当干燥仓压力降到一定值时,启动二级罗茨泵,当干燥仓压力继续降到一定值时,启动主罗茨泵,直到干燥仓压力达到设定值。由于上述三个阶段真空机组的有效抽速各不相同,因此需要对预抽时间分段计算,三段预抽时间之和即为总的预抽时间。各阶段条件及计算结果如表4所示。由表4可知,总预抽时间为927s,约合15.5min,说明真空机组各级真空泵选用合理。3冻干过程控制流程SZDG200型冻干设备真空系统工作原理如图1所示。其真空机组工作流程可以采取普通运行控制方式和节能控制运行方式。两者的主要区别在于在整个冻干过程中,前者两套真空机组始终处于运行状态,而后者通过自动判断是否可以停止一套真空机组,以达到节能的目的。真空机组节能控制运行方式的工作控制流程如下:(1)预抽阶段真空机组控制流程(如图2所示);(2)冻干过程真空系统控制流程(如图3所示);(3)真空控制流程说明。真空机组在冻干过程开始后即开始进入节能运行判断。为减少预抽真空机组频繁开停机,特设定每隔30min判断一次。由于真空机组的有效抽速不能调节,干燥仓压力通过控制电动调节充气阀的开度大小来实现。在本设计中,电动调节充气阀由步进电机通过PLC来控制。在冻干过程中,预抽真空机组停机的顺序为:关闭入口气动蝶阀4,停罗茨泵5、6,关闭中间气动蝶阀7,停水环泵10;开机的顺序为:启动水环泵10,开中间气动蝶阀7,3min后启动罗茨泵5,1min后启动罗茨泵6,1min后开入口气动蝶阀4。罗茨泵5、6延时启动的主要原因是必须达到罗茨泵5、6的启动允许压力才能启动,而只有真空机组的入口压力到达工作压力附近才能开启入口气动蝶阀4,以免影响干燥仓压力和维持真空机组的正常运行。真空机组普通控制运行方式的工作控制流程与节能控制运行方式的区别在整个冻干过程中维持真空机组和预抽真空机组始终处于运行状态。4冻干过程中总运行功率及总电耗以小葱为冻干物料,在SZDG200型冻干设备上分别采用两种真空机组控制运行方式进行了对比实验,实验结果如图4所示。图4前者干燥仓压力波动值小,后者压力波动较大,但两者冻干所需时间基本相同,约为16h。在整个冻干过程中前者两组真空机组总的运行功率基本保持在31.6kW,总电耗约为505.6kW·h。后者在整个冻干过程中进行节能运行判断,在冻干前7.5h,也即主要为升华干燥阶段,需两组真空机组同时运行才能满足要求,两组真空机组总的运行功率基本保持在31.6kW,此段时间总的电耗约为237kW·h。但在冻干后8.5h,也即主要为解析干燥阶段,仅需维持真空机组运行,此时真空机组总的运行功率基本保持在15.8kW,此段时间总的电耗约为134.3kW·h。因此后者整个冻干过程中真空机组的总电耗约为371.3kW·h,比前者节能27%。5采用电动调节充气阀控制干燥仓内压力(1)采用罗茨泵+罗茨泵+水环泵(带大气喷射泵)三级真空泵组,可以较好的