厲建國LI Jian-guo 萬金慶 - 趙彥峰 -

(1. 上海海洋大學，上海 201306；2. 農(nóng)業(yè)部冷庫及制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心﹝上海﹞，上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201306；4. 上海開山冷凍系統(tǒng)技術(shù)有限公司，上海 201306)

冰溫真空干燥是指食品在真空干燥過程中，物料溫度保持在冰溫。冰溫是指從食品的冰點到0 ℃的溫度區(qū)間，處于冰溫狀態(tài)的食品不會凍結(jié)，避免了凍藏引起的蛋白質(zhì)變性、組織破壞等問題，相比冷藏，其呼吸作用和微生物繁殖也被有效抑制，延長了貯藏期[1]。另外，冰溫的誘導作用還可以促使生物體內(nèi)氨基酸濃度增加，使其更加鮮美[2-3]。在真空干燥領(lǐng)域，干燥工藝對干燥品質(zhì)有著重要影響，類似的設(shè)備，采用不同的工藝，得到不同的效果[4]。在將冰溫概念應(yīng)用于真空干燥工藝的探索中，相關(guān)文獻[5-7]指出，冰溫真空干燥比熱風干燥要好，某些指標與真空冷凍干燥相當，甚至優(yōu)于真空冷凍干燥。此外，提高并控制物料溫度至冰溫可縮短真空干燥周期，進而節(jié)能[8]。

冰溫技術(shù)對控溫要求很高，對應(yīng)不同的食品，冰溫可設(shè)定值為-0.5～-2.0 ℃[9]，且溫度波動應(yīng)不超過±0.5 ℃。常規(guī)制冷設(shè)備難以實現(xiàn)冰溫要求，阻礙了冰溫技術(shù)在中國的應(yīng)用和推廣。在對冰溫真空干燥研究過程中，難以找到冰溫控制的具體方法。經(jīng)過長期的試驗探索和改進，較嚴格意義上的“冰溫”真空干燥過程得以實現(xiàn)，即整個干燥過程均實現(xiàn)了物料溫度在設(shè)定值±0.5 ℃內(nèi)。

本研究基于冰溫理論和真空干燥技術(shù)，在前期大量手動控制試驗得到的數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上[10]，整理控制策略，根據(jù)已有設(shè)備的實際配置現(xiàn)狀，重新設(shè)計并制作控制系統(tǒng)，以期實現(xiàn)物料在冰溫狀態(tài)下的自動真空干燥，為今后改進冰溫真空干燥設(shè)備，提高真空干燥效率，提供參考。

1 系統(tǒng)概述

1.1 冰溫真空干燥系統(tǒng)的組成

冰溫真空干燥試驗裝置系統(tǒng)原理圖見圖1。本裝置主要由真空箱、冷阱、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。真空箱置于冷庫內(nèi)[11]；冷阱由一套制冷機組為其提供冷量；真空系統(tǒng)主要由真空泵、壓力變送器、漏氣閥及放氣閥組成；加熱系統(tǒng)由電加熱板和可控硅調(diào)壓器組成；測控系統(tǒng)(SCADA)負責采集與保存相關(guān)溫度、壓力和物料重量等實時數(shù)據(jù)，并控制干燥裝置按要求運行。

1. 冷阱制冷機組 2. 真空壓力變送器 3. 手閥 4. 放氣閥 5. 電動蝶閥 6. 止油閥 7. 真空泵 8. 漏氣閥 9. 物料 10. 托盤 11. 電加熱板 12. 重量傳感器 13. 真空箱 14. 排水閥 15. 冷阱

圖1 干燥試驗裝置系統(tǒng)原理圖

Figure 1 Schematic diagram of the drying system

1.2 影響物料溫度的因素分析

冰溫真空干燥過程中，物料溫度的精確控制是難點：物料同時存在內(nèi)部水、冰、氣三相的相變、傳質(zhì)和與外部環(huán)境傳熱、傳質(zhì)。前期的手動冰溫真空干燥預試驗表明，影響物料溫度控制的主要因素有輻射熱量、進氣方式(由漏氣閥進氣或放氣閥進氣)和真空壓力。圖2為被干物料(被控對象)與真空箱體、加熱板和漏氣之間的熱平衡關(guān)系，它們之間的熱平衡關(guān)系見式(1)。

QE+cmΔt=QR±QL±QC，

(1)

式中：

QE——物料水分蒸發(fā)帶走的熱量，kJ；

c——物料比熱容，kJ/(kg·℃)；

m——物料質(zhì)量，kg；

Δt——物料溫度變化，℃；

QC——箱體傳熱量，kJ；

QR——加熱板傳熱量kJ；

QL——漏氣傳熱量，kJ。

在式(1)中，QC為等式的平衡項，該熱量以輻射形式傳遞，數(shù)值小且穩(wěn)定，在控溫過程中可忽略；Δt為判斷物料熱平衡的溫度指標，在冰溫控制過程中，該項要求≤±0.5 ℃，對熱量的影響也可忽略。要使物料溫度波動在冰溫范圍內(nèi)，實現(xiàn)物料QE≈QR±QL的熱平衡是控制關(guān)鍵。

1.3 物料溫度控制方案設(shè)計

物料干燥需要熱量，常見的熱風干燥通過控制熱風溫度將熱量傳遞給被干物料；在真空冷凍干燥中，被干物料多放置在擱板上，通過控制擱板的溫度加熱被干物料(加熱量不可使物料內(nèi)水分融化)，上述2種干燥方法，并沒有將物料溫度作為被控參數(shù)進行控制。本裝置將物料溫度作為被控參數(shù)，控制框圖見圖3。圖3中，t1為物料溫度，t2為加熱板表面溫度，加熱板與物料間的輻射傳熱QR的大小與其絕對溫度的四次方之差[(t2+273)4-(t1+273)4]呈正比。在t1主回路中，物料溫度偏差與加熱量的大小(t2)并無確定的對應(yīng)關(guān)系，傳統(tǒng)控制策略無法實現(xiàn)控制曲線，采用模糊控制策略解決；板溫t2為控制中引入的副參數(shù)，采用PID控制，形成副回路，與主回路一起組成串級控制回路。

2 控制系統(tǒng)的組成

2.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖4?，F(xiàn)場傳感器采集的溫度、壓力和設(shè)備運行狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過AI/DI模塊送入PLC中，運算后輸出的模擬量或數(shù)字量通過AO/DO模塊輸出驅(qū)動信號到執(zhí)行裝置。安裝有組態(tài)軟件的上位機實時讀取PLC數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)并顯示在人機交互界面，同時還將所需要的數(shù)據(jù)進行歸檔保存，以便后期分析和優(yōu)化。

控制電路在設(shè)計時考慮了自動控制和手動控制2種需求，設(shè)置了手動/自動切換開關(guān)。根據(jù)控制要求和實驗室的實際條件，選用西門子S7-200系列[12]的CPU224XP CN為主模塊，搭配一塊EM231和一塊EM232擴展模塊。

2.2 控制流程及PLC程序設(shè)計

2.2.1 冷阱制冷系統(tǒng)的控制 冷阱制冷機組采用二位控制，并設(shè)定冷阱的控制偏差為±1.5 ℃。即當?shù)陀谠O(shè)定溫度1.5 ℃時，停機；當高于設(shè)定溫度1.5 ℃，同時滿足停機時間>3 min時，重新開機。

2.2.2 溫度―壓力聯(lián)合控制 以某一物料控制在冰溫帶Tm～0 ℃ 為例(Tm為物料冰點)，其干燥過程控制流程圖見圖5。

冷阱溫度達到設(shè)定值后，開啟真空系統(tǒng)，使真空泵定頻50 Hz運行，漏氣閥8和放氣閥4處于關(guān)閉狀態(tài)；達到設(shè)定壓力后，真空泵降頻到38 Hz運行。當物料溫度T<(0.5Tm-0.5) ℃時，保持閥8關(guān)、閥4開；當(0.5Tm-0.5) ℃≤T≤(0.5Tm+0.5) ℃時，閥8開、閥4關(guān)；在干燥中后期，物料脫水的阻力越來越大，蒸發(fā)所需要的熱量也逐漸減少，此時加熱板的溫度也調(diào)節(jié)到最低，若還不能將物料溫度控制在冰溫帶，即T>(0.5Tm+0.5) ℃并且該狀態(tài)保持0.5 h以上，則開啟冷庫制冷，輔助物料降溫。以上各階段加熱板啟用模糊-PID串級控制策略。

2.2.3 人機界面的設(shè)計 上位機人機主界面見圖6。該人機監(jiān)控界面選用組態(tài)王7.55組態(tài)軟件編寫，具備實時顯示設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)定系統(tǒng)工藝參數(shù)、啟停設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集保存等功能。

3 試驗研究

選取白蘿卜為干燥對象，驗證該控制系統(tǒng)對冷阱制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱板及物料溫度的控制能力和對整個機組的協(xié)同控制效果。

3.1 干燥方法

將新鮮蘿卜700 g左右(測得含水率93%，冰點為-3.0 ℃，重量根據(jù)樣品擺放和重量傳感器量程綜合考量確定)清洗干凈，切成約5 mm薄片，均勻放到干燥箱的網(wǎng)狀托盤上。啟動冰溫真空干燥設(shè)備，按照干燥流程自動進行干燥。當樣品含水率降至30%后結(jié)束運行，干燥用時20～22 h。

3.2 結(jié)果與討論

冷阱溫度變化曲線見圖7，在整個干燥過程中，控制冷阱的溫度在(-15±1.5) ℃內(nèi)，滿足試驗要求。

干燥箱真空壓力變化曲線見圖8，箱真空壓力在(1.1±0.1) kPa內(nèi)波動，與試驗中壓力設(shè)定相一致。

圖9為物料在真空壓力為(1.0～1.2) kPa下的溫度變化曲線。干燥初始，隨著真空箱壓力的降低，物料表面水分開始大量蒸發(fā)，物料溫度迅速降低到0 ℃以下。PLC控制器根據(jù)測得的實時溫度信號，通過Fuzzy-PID控制程序決策后選擇合適的加熱溫度，并輸出相應(yīng)的4～20 mA控制信號到可控硅調(diào)壓器，進而控制加熱板的輻射熱量，使物料溫度穩(wěn)定在冰溫帶內(nèi)。到了干燥后期，由于物料本身傳熱傳質(zhì)阻力增

大，脫水速度逐漸變慢，所需汽化潛熱也相應(yīng)減少，此時加熱板的熱輻射以及進氣帶入的熱量會較明顯地影響物料的溫度，物料溫度會逐漸上升。在試驗中，利用冷庫將進氣冷卻，可將物料的溫度較好地維持在(-1.5±0.5) ℃。

4 結(jié)論

冰溫真空干燥工藝能夠加快物料干燥速度，節(jié)省設(shè)備運行時間。但是干燥過程中的物料溫度控制方法阻礙該真空干燥工藝的推廣。通過本裝置對冰溫真空干燥裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計改進和多次調(diào)試運行，驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的可行性與合理性。

(1) 提出了溫度—壓力聯(lián)合控制方案，可以保持整個干燥過程的真空壓力在(1.1±0.1) kPa，物料溫度在設(shè)定值的±0.5 ℃，符合冰溫設(shè)備的控溫精度要求。

(2) 設(shè)計的控制系統(tǒng)能使冷阱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等協(xié)調(diào)、穩(wěn)定地運行，并具備系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)報警等多種功能。

(3) 該系統(tǒng)為后續(xù)冰溫干燥食品品質(zhì)方面的深入研究提供了平臺，適用于果蔬、水產(chǎn)等多種物料，具備較強的通用性。

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