基于载热流体加热的真空冷冻干燥实验研究

基于载热流体加热的真空冷冻干燥实验研究

真空冷冻干燥设备（以下简称冷干设备）是一种能耗高、投资高的加工装置。这是冷干技术研究的主要问题。为有效解决这一问题,一方面是通过优化冻干加工工艺,缩短冻干加工时间来实现;另一方面是通过改善冻干设备的技术性能指标,降低冻干设备运行能耗来实现。在冻干设备中,加热系统不仅是主要的耗能系统,其搁板的温度均匀性也是影响冻干设备综合能耗和冻干物料加工时间的关键技术性能指标。冻干设备加热系统的加热方式分直热和间热两种。直热式以电源为主,间热式采用载热流体,热源有电、煤、天然气等,载热流体有水蒸汽、水、矿物油、三氯乙烯、乙二醇等。在大型冻干设备中多采用间热式,载热流体主要为水、矿物油,水蒸汽。在以上几种载热流体中,早期以矿物油为多,近几年来越来越多的冻干设备采用水(也称水加热系统),现在也正在采用蒸汽作尝试(也称二次蒸汽加热系统)。为此,本文在两套SZDG75型大型冻干设备上分别采用水加热系统和二次蒸汽加热系统进行了实际生产应用对比实验,并重点就能耗问题展开分析,为二次蒸汽加热系统在冻干设备中的应用推广提供借鉴。1两种加热系统的基本原理1.1次蒸汽系统内部最低静压力持续汽化表1是部分温度下饱和水及饱和水蒸汽基本热物理参数。从表1可以看出,以水为载热流体时,只要循环水系统内部的静压力维持在相应温度的饱和压力以上即可实现。例如设定最高水温为120℃,此时循环水系统内部最低静压力在0.2MPa(绝对压力)即可。以水蒸汽为载热流体时,只要二次蒸汽系统内部维持在相应温度的饱和压力即可实现。例如设定蒸汽温度为50℃,此时二次蒸汽系统内部的压力为0.012MPa(绝对压力),也即系统内部处于真空状态。1.2循环水罐与加热水加热系统的冻干设备如图1所示,图中:1—一次蒸汽源加热器;2—恒温循环水罐;3—冷却换热器;4—冷却调节阀;5—加热调节阀;6—循环水泵;7—干燥仓体;8—加热搁板;9—水汽凝结器;10—真空机组。当加热搁板处于恒温或需要升温时,一次蒸汽源通过一次蒸汽源加热器1对恒温循环水罐2进行加热,加热调节阀5调节恒温循环水罐2和直接从加热搁板8回水的比例(此时冷却调节阀4处于全直通状态),使加热搁板8的温度稳定在设定值。混合后的循环水通过循环水泵6供给加热搁板8,通过加热搁板8辐射换热提供冻干物料所需热量,循环水出水温度下降,从加热搁板8出来的水一部分回到恒温循环水罐2被加热,另一部分通过旁路直接流向加热调节阀5继续循环。当加热搁板8需要降温时,冷却水系统开启,加热调节阀5将恒温循环水罐2支路截止,从加热搁板8出来的水全部流向旁路,一部分经冷却换热器3进行冷却,另一部分直接回水,冷却调节阀4调节两者的比例,使加热搁板8的温度下降到设定值。混合后的循环水经加热调节阀5、循环水泵6供给加热搁板。加热搁板8的温度在40℃~120℃可控。1.3次蒸汽发生器的蒸汽加热二次蒸汽加热系统的基本原理如图2,图中:1—一次蒸汽源加热器,2—二次蒸汽发生器,3—水环真空泵,4—真空机组,5—水汽凝结器,6—加热搁板,7—干燥仓体。当加热搁板处于恒温或需要升温时,一次蒸汽源通过一次蒸汽源加热器1对二次蒸汽发生器2进行加热,在整个工作过程中,二次蒸汽发生器2中的水处于饱和状态,加热过程中将产生饱和水蒸汽,饱和水蒸汽进入加热搁板6,通过加热搁板6辐射换热提供冻干物料所需热量,水蒸汽凝结成水,凝结水回到二次蒸汽发生器。水环真空泵3主要用于使蒸汽加热系统形成真空条件和抽除系统中的不凝性气体。只要控制一次蒸汽源的蒸汽量,便可控制二次蒸汽发生器2中的饱和水和饱和水蒸汽的温度,从而控制加热搁板的温度。当一次蒸汽源的蒸汽量减少或关闭时,二次蒸汽发生器2中饱和水蒸汽的温度会下降,加热搁板6的温度也会相应下降。加热搁板6的温度在40℃~120℃可控。2两种加热方法的比较2.1szdg75食品冷冻设备的参数SZDG75型食品冻干设备参数如表2。2.2用电设备功率SZDG75型食品冻干设备采用间热辐射加热方式,无论采用何种载热流体,在相同冻干物料条件下,其总的蒸汽耗气量相同,因此能耗的差别主要在真空机组、制冷系统等用电设备上。水加热系统及蒸汽加热系统主要用电设备功率分别如表3、表4。表4?二次蒸汽加热系统主要用电设备额定功率(单位:kW)2.3冷冻过程中的能耗曲线在SZDG75型食品冻干设备上以冻干小葱进行对比试验,小葱装盘厚度为20mm。(1)冻干阶段各阶段的运行功率水加热系统冻干设备的小葱冻干曲线如图3,主要设备运行功率曲线如图4,图中:1—总运行功率,2—制冷系统运行功率,3—真空机组运行功率,4—循环水泵运行功率。冻干小葱总时间约为16h,其中升华干燥阶段的高温段时间为6h,降温段时间为4h,升华干燥阶段共10h;解吸干燥阶段时间为6h。在整个冻干过程中,循环水泵和真空机组的运行功率基本不变,分别保持在9.5kW和17.5kW左右。由于冻干小葱在各阶段干燥速率不同,因而水汽凝结器所需制冷量也不同,同时由于制冷系统采用的螺杆机组可以调节制冷量的大小,因而制冷系统的运行功率在各阶段也随之改变。在升华干燥阶段的高温段,制冷系统的运行功率维持在98kW左右,在解吸阶段维持在57kW左右。实测小葱冻干过程总电耗为1672kW·h。(2)水环水泵运行功率的变化二次蒸汽加热系统冻干设备的小葱冻干曲线如图5,主要设备运行功率曲线如图6,图中:。1—总运行功率,2—制冷系统运行功率,3—真空机组运行功率,4—水环真空泵运行功率冻干小葱总时间约为15h,其中升华干燥阶段的高温段时间为6h,降温段时间为3.5h,升华干燥阶段共9.5h;解吸干燥阶段时间为5.5h。在整个冻干过程中,水环真空泵和真空机组的运行功率基本不变,分别保持在3kW和17.5kW左右。同前述原因,在升华干燥阶段的高温段,制冷系统的运行功率维持在100kW左右,在解吸阶段维持在57kW左右。实测小葱冻干过程总电耗为1496kW·h。2.4水加热系统和其他热蒸发利用的对比从实验结果来看,采用蒸汽加热系统比采用水加热系统节能约11%。节能的主要原因在于以下几方面:(1)在水加热系统中,水作为载热流体,其循环水泵消耗了一定的电能。而在二次蒸汽加热系统中,蒸汽作为载热流体,本身不需要消耗动力,仅需要水环真空泵抽除系统管路中的不凝性气体,水环真空泵虽然消耗一定的电能,但比水加热系统中的循环水泵功率要小。(2)在整个冻干过程中,在不同干燥阶段,水加热系统和二次蒸汽加热系统的真空机组和制冷系统的运行功率基本相同,但后者冻干时间缩短了1h。其冻干时间缩短的主要原因是由于二次蒸汽加热系统中二次蒸汽为潜热换热,加热搁板进出口温度相同,同时各层加热搁板蒸汽流量分配均匀,因此加热搁板的温度均匀性好,物料冻干速度均匀。实测全部加热搁板中的最高温度点与最低温度点的温度相差在1℃以内。而水加热系统中水为显热换热,其加热搁板进出水必然存在一定的温差,同时各层加热搁板间水流量分配很难均匀,各层搁板间必然存在一定的温度差,使得各层物料冻干速度有一定的差距。实测全部加热搁板中最高温度点与最低温度点的温度相差达3℃。因此,为保证已干物料的温度控制在允许温度以下,只有延长低温加热段(也即解吸阶段)工作时间,以便