凍干設(shè)備真空系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

凍干設(shè)備真空系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

1真空系統(tǒng)能耗干燥槽壓力是冷凍干燥設(shè)備（以下簡稱冷干設(shè)設(shè)備）的重要技術(shù)指標(biāo)，也是冷干加工過程控制的重要工藝參數(shù)。干燥倉壓力通過真空系統(tǒng)來實現(xiàn),因而,真空系統(tǒng)成為凍干設(shè)備的重要組成部分,同時也是主要的耗能部分。在凍干設(shè)備運行能耗中,真空系統(tǒng)的能耗占據(jù)了較大比例。以凍干小蔥為例,采用蒸氣系統(tǒng)加熱時,真空系統(tǒng)電耗約占凍干總電耗的30%。如何能更好的滿足凍干工藝需要,同時又減低真空系統(tǒng)的運行能耗是凍干設(shè)備研究的重點技術(shù)之一。為此,本文對SZDG200大型食品凍干設(shè)備真空系統(tǒng)進行了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計并采取了節(jié)能運行控制方式,以達到真空系統(tǒng)節(jié)能的目的。2真空系統(tǒng)的設(shè)計2.1傳統(tǒng)真空系統(tǒng)凍干設(shè)備真空系統(tǒng)特性主要包括抽水蒸氣的能力、干燥倉空載極限真空度和干燥倉出口處的有效抽速等技術(shù)指標(biāo)。能直接抽水蒸氣的真空泵目前并不很多,主要有水噴射泵、水蒸氣噴射泵、水環(huán)泵、濕式羅茨泵4種,其余真空泵在抽水蒸氣時必須采取一定的措施。因此,當(dāng)前凍干設(shè)備采用的真空系統(tǒng)主要分兩類,一類是采用直接抽水蒸氣的真空泵,另一類是采用水汽凝結(jié)器加真空泵的方式。前者結(jié)構(gòu)簡單、成本低,但必須配備蒸汽鍋爐,操作不慎尚有返水現(xiàn)象;后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高,但真空度較高、運行可靠。目前,凍干設(shè)備真空系統(tǒng)采取后者方式居多。在食品凍干過程中,干燥倉內(nèi)壓力因受加工物料的品種、物料干燥速率等多種因素影響需要對其進行控制。因凍干設(shè)備所配真空機組均按凍干過程中所需最大有效抽速來設(shè)計,但在凍干過程中的大部分時間,凍干設(shè)備所需有效抽速均小于真空機組最大有效抽速。為控制干燥倉內(nèi)壓力,目前采用的方法主要有兩種,一種是在干燥倉設(shè)一充氣閥,通過控制外界環(huán)境向干燥倉內(nèi)充氣量的多少來實現(xiàn);另一種是在干燥倉與水汽凝結(jié)器之間的連通管道上安裝氣動蝶閥,通過控制氣動蝶閥的開度來實現(xiàn)。目前主要以前者應(yīng)用較多。SZDG200凍干設(shè)備的真空系統(tǒng)采用了水汽凝結(jié)器加真空泵的形式,其干燥倉壓力控制采取了控制充氣閥充氣量的方式。為此,對其真空系統(tǒng)的研究也是在此總體方案基礎(chǔ)上進行的。2.2真空機組設(shè)計2.2.1szdg200凍干設(shè)備真空機組的特點(1) 預(yù)抽時間也即將干燥倉從大氣壓(1.013×105Pa)抽到工作壓力(按133Pa考慮)所需時間應(yīng)盡量短,一般要求在20min內(nèi),并能使干燥倉達到一定的極限壓力。(2) 不同的物料以及在凍干過程各階段干燥倉所需有效抽速變化較大。(3) 真空機組應(yīng)能抽除少量的水蒸氣。因此,SZDG200凍干設(shè)備真空機組采用了如下方案:(1)采用兩套相同的真空機組,一套作為預(yù)抽真空機組,一套作為維持真空機組。在預(yù)抽階段,預(yù)抽真空機組和維持真空機組同時工作,當(dāng)干燥倉壓力達到工作壓力,凍干過程開始后根據(jù)需要運行一套或兩套真空機組。(2)選用羅茨泵+羅茨泵+水環(huán)泵(帶大氣噴射泵)三級真空泵組,以便可以抽除少量水蒸氣,且極限壓力能達到10Pa。2.2.2真空機組的設(shè)計計算真空機組的最大有效抽速按滿足預(yù)抽要求來設(shè)計。下面以SZDG200型食品凍干設(shè)備為例進行計算分析。(1)szdg200冷凍設(shè)備的參數(shù)SZDG200型凍干設(shè)備參數(shù)如表1所示。(2)噴射泵的選取真空泵選型計算按以下步驟進行:1)選取主泵。按照經(jīng)驗,初選ZJP-1200型羅茨泵作為主泵,其有效抽速Sz為1.2m3/s。2)選取二級泵。二級泵采用羅茨泵,其有效抽速Se可以按Se=[1/4～1/2]Sz確定。初定ZJP-300型羅茨泵為二級泵,其有效抽速Se為0.3m3/s。3)選取前級泵。前級泵采用水環(huán)泵,其有效抽速比二級羅茨泵稍小即可。因此初選SK-12水環(huán)泵為前級泵,其有效抽速為0.2m3/s。為提高其極限真空下的有效抽速,選配大氣噴射泵。各泵的性能參數(shù)如表2所示。2.3預(yù)抽階段干燥倉預(yù)抽時間可按式(1)簡化計算:t=2.3KqVSlgPiPt=2.3ΚqVSlgΡiΡ(1)式中t——抽氣時間,sV——真空系統(tǒng)容積,m3S——真空泵的名義抽速,m3/sPi——真空泵開始抽氣時壓力,PaP——經(jīng)t時間抽氣后的壓力,PaKq——修正系數(shù)Kq與真空泵抽氣終止時的壓力P有關(guān),其值如表3所示。在預(yù)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。首先是在大氣壓下前級水環(huán)泵啟動,當(dāng)干燥倉壓力降到一定值時,啟動二級羅茨泵,當(dāng)干燥倉壓力繼續(xù)降到一定值時,啟動主羅茨泵,直到干燥倉壓力達到設(shè)定值。由于上述三個階段真空機組的有效抽速各不相同,因此需要對預(yù)抽時間分段計算,三段預(yù)抽時間之和即為總的預(yù)抽時間。各階段條件及計算結(jié)果如表4所示。由表4可知,總預(yù)抽時間為927s,約合15.5min,說明真空機組各級真空泵選用合理。3凍干過程控制流程SZDG200型凍干設(shè)備真空系統(tǒng)工作原理如圖1所示。其真空機組工作流程可以采取普通運行控制方式和節(jié)能控制運行方式。兩者的主要區(qū)別在于在整個凍干過程中,前者兩套真空機組始終處于運行狀態(tài),而后者通過自動判斷是否可以停止一套真空機組,以達到節(jié)能的目的。真空機組節(jié)能控制運行方式的工作控制流程如下:(1)預(yù)抽階段真空機組控制流程(如圖2所示);(2)凍干過程真空系統(tǒng)控制流程(如圖3所示);(3)真空控制流程說明。真空機組在凍干過程開始后即開始進入節(jié)能運行判斷。為減少預(yù)抽真空機組頻繁開停機,特設(shè)定每隔30min判斷一次。由于真空機組的有效抽速不能調(diào)節(jié),干燥倉壓力通過控制電動調(diào)節(jié)充氣閥的開度大小來實現(xiàn)。在本設(shè)計中,電動調(diào)節(jié)充氣閥由步進電機通過PLC來控制。在凍干過程中,預(yù)抽真空機組停機的順序為:關(guān)閉入口氣動蝶閥4,停羅茨泵5、6,關(guān)閉中間氣動蝶閥7,停水環(huán)泵10;開機的順序為:啟動水環(huán)泵10,開中間氣動蝶閥7,3min后啟動羅茨泵5,1min后啟動羅茨泵6,1min后開入口氣動蝶閥4。羅茨泵5、6延時啟動的主要原因是必須達到羅茨泵5、6的啟動允許壓力才能啟動,而只有真空機組的入口壓力到達工作壓力附近才能開啟入口氣動蝶閥4,以免影響干燥倉壓力和維持真空機組的正常運行。真空機組普通控制運行方式的工作控制流程與節(jié)能控制運行方式的區(qū)別在整個凍干過程中維持真空機組和預(yù)抽真空機組始終處于運行狀態(tài)。4凍干過程中總運行功率及總電耗以小蔥為凍干物料,在SZDG200型凍干設(shè)備上分別采用兩種真空機組控制運行方式進行了對比實驗,實驗結(jié)果如圖4所示。圖4前者干燥倉壓力波動值小,后者壓力波動較大,但兩者凍干所需時間基本相同,約為16h。在整個凍干過程中前者兩組真空機組總的運行功率基本保持在31.6kW,總電耗約為505.6kW·h。后者在整個凍干過程中進行節(jié)能運行判斷,在凍干前7.5h,也即主要為升華干燥階段,需兩組真空機組同時運行才能滿足要求,兩組真空機組總的運行功率基本保持在31.6kW,此段時間總的電耗約為237kW·h。但在凍干后8.5h,也即主要為解析干燥階段,僅需維持真空機組運行,此時真空機組總的運行功率基本保持在15.8kW,此段時間總的電耗約為134.3kW·h。因此后者整個凍干過程中真空機組的總電耗約為371.3kW·h,比前者節(jié)能27%。5采用電動調(diào)節(jié)充氣閥控制干燥倉內(nèi)壓力(1)采用羅茨泵+羅茨泵+水環(huán)泵(帶大氣噴射泵)三級真空泵組,可以較好的