孫奉辰 蔡紅珍 祁志強(qiáng) 高鋒 劉玉鳳 劉德?tīng)I(yíng)

摘要：針對(duì)當(dāng)前100 ℃以下的低溫加熱工藝在農(nóng)業(yè)、化工、食品加工業(yè)中存在加熱效率低、溫度難以精確維持、自動(dòng)化程度低、設(shè)備成本高等問(wèn)題，集成射流泵抽空技術(shù)、PLC控制技術(shù)、控溫調(diào)壓技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于液氣射流的負(fù)壓蒸汽加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)由智能控制系統(tǒng)、液氣射流真空循環(huán)系統(tǒng)、降溫調(diào)壓系統(tǒng)和循環(huán)水調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成，通過(guò)液氣射流泵抽空提供蒸汽負(fù)壓環(huán)境，結(jié)合減溫減壓裝置和PLC智能控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)壓蒸汽進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓蒸汽對(duì)物料的精準(zhǔn)自動(dòng)化加熱。詳細(xì)闡述負(fù)壓蒸汽加熱系統(tǒng)的工作原理，確定關(guān)鍵部件射流泵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行流體數(shù)值模擬的相關(guān)驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)際誤差在10%以內(nèi)，表明射流泵設(shè)計(jì)合理可靠性高。對(duì)系統(tǒng)的加熱性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：基于液氣射流的負(fù)壓蒸汽加熱系統(tǒng)可以精確控制蒸汽溫度進(jìn)行加熱，同時(shí)加熱溫度曲線平緩，快速升溫階段真空度上下浮動(dòng)0.003 MPa，平衡階段真空度上下浮動(dòng)0.002 MPa，加熱溫度浮動(dòng)也在±1 ℃，更好地適應(yīng)不同物料的加熱溫度，在加熱效率方面優(yōu)于水浴加熱約2倍。該研究可解決傳統(tǒng)水浴加熱顯熱加熱不均勻、控制精度差、加熱過(guò)程緩慢、生產(chǎn)能力較低等問(wèn)題，為農(nóng)產(chǎn)品、化工產(chǎn)品深加工的加熱方式、系統(tǒng)及裝置提供新的思路與參考。

關(guān)鍵詞：低溫加熱；負(fù)壓蒸汽；精準(zhǔn)控溫；數(shù)值模擬；液氣射流泵

中圖分類(lèi)號(hào)：S24： TK6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2023） 04-0104-09

Abstract： Aiming at the current problems of low heating efficiency， difficult to maintain accurate temperature， low automation and high equipment cost in agriculture， chemical and food processing industries for low temperature heating process below 100 ℃， a negative pressure steam heating system based on liquid-air jet is designed and developed by integrating jet pump evacuation technology， PLC control technology and temperature control and pressure regulation technology. The system consists of intelligent control system， liquid-air jet vacuum circulation system， temperature reduction and pressure regulation system and circulating water regulation system， which provides negative pressure environment of steam through liquid-air jet pump evacuation， combined with temperature and pressure reduction device and PLC intelligent control system to control the negative pressure steam and realize the precise automatic heating of materials by negative pressure steam. The working principle of the negative-pressure steam heating system is elaborated， the design structure and relevant parameters of the key component jet pump are determined， and the relevant verification of the fluid numerical simulation is carried out， and the simulation results are within 10% error from the actual one， which shows that the jet pump design is reasonable and reliable. The heating performance of the system is tested， and the results show that the negative pressure steam heating system based on liquid-air jet can precisely control the steam temperature for heating， while the heating temperature curve is gentle， with the vacuum level fluctuating up and down by 0.003 MPa in the rapid heating stage and 0.002 MPa in the equilibrium stage， and the heating temperature fluctuation is also within ±1 ℃， which can better adapt to the heating temperature of different materials. The heating efficiency is about 2 times better than that of water bath heating. This study can solve the problems of uneven heating， poor control accuracy， slow heating process and low production capacity of traditional water bath heating， and provide new ideas and references for heating methods， systems and devices for deep processing of agricultural and chemical products.

Keywords： low temperature heating; negative pressure steam; accurate temperature control; numerical simulation; liquid-air jet pump

0 引言

在農(nóng)業(yè)、化工、食品等行業(yè)部分產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中，溫度控制至關(guān)重要［1-6］。目前常用的低溫（30 ℃～100 ℃）加熱方式以水浴和油浴加熱為主，熱水的顯熱加熱存在不均勻、控制精度差、加熱過(guò)程緩慢、生產(chǎn)能力較低等問(wèn)題［7-9］。而蒸汽作為一種清潔、安全的傳熱介質(zhì)，其傳熱系數(shù)是熱水循環(huán)和導(dǎo)熱油循環(huán)方式的5～10倍，具有加熱均勻、成本低、安全、具有可控性和可輸送性等特點(diǎn)，在加工領(lǐng)域一直受到人們的重視。隨著農(nóng)業(yè)、食品加工業(yè)的發(fā)展，低溫蒸汽的價(jià)值逐漸被發(fā)掘并利用，但在產(chǎn)業(yè)化的道路上還相差甚遠(yuǎn)［10］。

目前，蒸汽作為熱源一般都是高溫蒸汽（100 ℃以上），低溫蒸汽和負(fù)壓加工技術(shù)的利用在各種食品等加工業(yè)中都能產(chǎn)生較好的效果［11-17］，卻無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，整個(gè)技術(shù)的應(yīng)用存在局限性。國(guó)內(nèi)對(duì)低于100 ℃的低溫加熱研究還局限于對(duì)反應(yīng)釜本身的結(jié)構(gòu)改善或利用二次蒸汽進(jìn)行間接換熱。徐曉光等［18］設(shè)計(jì)了一種利用85 ℃熱水進(jìn)行加熱的偏心式攪拌反應(yīng)釜避免加熱時(shí)產(chǎn)生焦糊現(xiàn)象。方定甫［19］研制了一種循環(huán)升膜真空濃縮鍋能夠利用二次蒸汽濃縮熱敏性物料。王國(guó)君等［20］利用乙酸乙酯作為換熱介質(zhì)利用負(fù)壓二次蒸汽提純熱敏性藥物。卜銀坤［21］利用重力低位排氣法來(lái)連續(xù)獲得負(fù)壓蒸汽進(jìn)行供熱采暖。而國(guó)外研制的真空蒸汽加熱設(shè)備大多太過(guò)昂貴，且設(shè)備小導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，對(duì)大型加工產(chǎn)業(yè)不友好。Rivers［22］總結(jié)了低壓蒸汽加熱真空系統(tǒng)在國(guó)外的發(fā)展概況。張立國(guó)等［23］介紹了負(fù)壓蒸發(fā)與二次蒸汽生產(chǎn)工藝流程，既節(jié)省了成本又提高了毛油浸出量。日本的化學(xué)裝置［24］期刊在1998年介紹了真空蒸汽加熱和氣化冷卻技術(shù)的原理。因此，開(kāi)發(fā)一種真空蒸汽加熱裝置，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)、食品等行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的均勻、快速、精準(zhǔn)加熱，對(duì)于提升行業(yè)生產(chǎn)水平具有重大意義。

本文調(diào)研不同生產(chǎn)工藝的控溫要求并針對(duì)100 ℃以下的低溫加熱問(wèn)題，在大量研究參考的基礎(chǔ)上［25-28］，結(jié)合射流泵抽空技術(shù)、PLC控制技術(shù)、控溫調(diào)壓技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于液氣射流的負(fù)壓蒸汽加熱系統(tǒng)。通過(guò)液氣射流泵抽空提供蒸汽負(fù)壓環(huán)境，結(jié)合減溫減壓裝置和PLC智能控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)壓蒸汽進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓蒸汽加熱系統(tǒng)對(duì)物料的精準(zhǔn)自動(dòng)化加熱。對(duì)關(guān)鍵部件射流泵設(shè)計(jì)后進(jìn)行流體數(shù)值模擬，模擬結(jié)果能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行實(shí)物制造，并在加熱系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，使射流泵與加熱系統(tǒng)相互配合以獲得更好的工作性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

負(fù)壓蒸汽加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，由控制系統(tǒng)、減壓系統(tǒng)、減溫系統(tǒng)、調(diào)節(jié)反饋系統(tǒng)、真空循環(huán)系統(tǒng)、反應(yīng)釜以及循環(huán)水系統(tǒng)等組成。

控制系統(tǒng)為裝載PLC控制程序的電控柜；減壓系統(tǒng)由電動(dòng)減壓閥構(gòu)成；減溫系統(tǒng)由降溫水管路、降溫水噴頭、降溫水箱構(gòu)成；調(diào)節(jié)反饋系統(tǒng)由各個(gè)位置的溫度壓力傳感器構(gòu)成；真空循環(huán)系統(tǒng)由液氣射流泵、真空表和循環(huán)水泵等構(gòu)成；循環(huán)水系統(tǒng)主要是水箱及其連接的水泵。反應(yīng)釜的規(guī)格參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

負(fù)壓蒸汽加熱系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過(guò)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，如加熱溫度、加熱時(shí)間、攪拌速度和時(shí)間等。設(shè)定完成后，主水泵啟動(dòng)，PLC程序會(huì)根據(jù)所設(shè)定加熱溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)主水泵的功率，主水泵的水在經(jīng)過(guò)射流泵后會(huì)使其吸出并裹挾吸入端（連接反應(yīng)釜夾套）內(nèi)的空氣，達(dá)到相應(yīng)飽和水蒸汽所存在需要的真空環(huán)境。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，夾套內(nèi)部真空環(huán)境保持穩(wěn)定，隨即自動(dòng)開(kāi)啟蒸汽的通入。熱蒸汽的狀態(tài)會(huì)由溫度壓力傳感器反饋給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)智能改變減壓閥的開(kāi)度和減溫系統(tǒng)的參數(shù)，水蒸汽降壓后會(huì)被冷水噴淋降溫，為了保證調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性，調(diào)節(jié)后的水蒸汽性質(zhì)會(huì)再次被檢測(cè)反饋。調(diào)節(jié)后的水蒸汽隨即進(jìn)入反應(yīng)釜夾套加熱物料。經(jīng)過(guò)加熱后，水蒸汽釋放潛熱轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤瑴囟鹊睦淠?，為了保證加熱質(zhì)量，冷凝水在疏水閥的作用下會(huì)流出夾套并被吸出進(jìn)入水循環(huán)［25］。

經(jīng)過(guò)一定的加熱時(shí)間后，蒸汽輸入自動(dòng)關(guān)閉，隨后真空循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。利用水蒸汽加熱一方面保證了加熱效率，另一方面大大提升了加熱溫度的穩(wěn)定性，由真空度限制溫度，有效提高了物料的生產(chǎn)質(zhì)量。工作原理如圖2所示。

1.3 精確控溫原理

首先由射流泵制造并維持蒸汽輸送管路和反應(yīng)釜夾套內(nèi)的真空環(huán)境，之后高溫高壓蒸汽通入，蒸汽先經(jīng)過(guò)由控制系統(tǒng)控制開(kāi)度的減壓閥，減壓后的水蒸汽為該真空環(huán)境下的過(guò)熱蒸汽，隨后進(jìn)入噴水減溫區(qū)，高溫水蒸汽經(jīng)過(guò)調(diào)溫冷水的噴淋轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)溫水蒸汽和一定量的冷凝水，此時(shí)的調(diào)溫水蒸汽溫度恰好對(duì)應(yīng)真空環(huán)境的飽和蒸汽溫度，隨后送入加熱管路，而多余冷凝水則會(huì)被重新送回調(diào)溫冷水管道重復(fù)利用。調(diào)溫原理如圖3所示。

1.4 PLC電路控制原理

電路程序控制由各類(lèi)傳感器和閥門(mén)完成信號(hào)傳輸和調(diào)節(jié)工作，包括真空度、溫度、水位等監(jiān)測(cè)傳感器。程序控制原理如圖4所示。在本系統(tǒng)運(yùn)行中，加熱過(guò)程中的溫度變化是動(dòng)態(tài)的，為了保持動(dòng)態(tài)平衡，在各個(gè)控制流程中添加了負(fù)反饋調(diào)節(jié)，從而提高控制精度。

根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)工況，循環(huán)水泵要求揚(yáng)程≥40 m，工作流量≥10 m3/h，則根據(jù)工況選擇水泵型號(hào)為ZS65-40-200/7.5，工作流量為25 m3/h，揚(yáng)程為46 m，額定功率為7.5 kW，進(jìn)口管徑DN65，出口管徑DN40。

2.2 射流泵的設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)過(guò)管路排布和選型，確定射流泵入口和出口參數(shù)：進(jìn)水口DN32-PN1.0、出汽液口DN65-PN1.0、吸氣口DN25-PN1.0。并通過(guò)上述設(shè)計(jì)參數(shù)和液氣射流泵抽真空設(shè)計(jì)方法［2］進(jìn)行尺寸計(jì)算，得到表2的射流泵結(jié)構(gòu)尺寸。

在FLUENT中，可以通過(guò)二維圖紙或3D模型導(dǎo)入進(jìn)行流體模擬，射流泵擁有多個(gè)圓管，不能將其作為二維平面圖進(jìn)行模擬，為了保證模擬的可靠性和合理性，根據(jù)表2的結(jié)構(gòu)尺寸建立的了圖5的3D模型來(lái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

2.3 射流泵的流體模擬

Fluent是CFD軟件中一款強(qiáng)大的流體模擬軟件，具有出色的計(jì)算方法的處理能力?；诖塑浖梢阅M出射流泵內(nèi)部流體的復(fù)雜狀態(tài)，在參數(shù)設(shè)置合理的條件下，通過(guò)FLUENT可以正確模擬出絕大多數(shù)流體狀態(tài)，對(duì)模擬驗(yàn)證具有很大的幫助。

2.3.1 流體網(wǎng)格劃分

通過(guò)SolidWorks建立的3D射流泵模型導(dǎo)入到Fluent中后，首先對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用Fluent自帶的space claim軟件對(duì)射流泵進(jìn)行流體域抽取，并將其劃分為兩半對(duì)稱模型，此步可以極大的節(jié)省計(jì)算時(shí)間和運(yùn)算成本，且模擬結(jié)果也不會(huì)有太大偏差。處理后的流體域如圖6所示。

在Fluent中導(dǎo)入處理后的流體模型，利用meshing對(duì)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分條件6層邊界層，劃分類(lèi)型采用poly hexcore，光滑過(guò)渡，最小單元格尺寸0.5 mm，生成模型網(wǎng)格單元格數(shù)量105 144個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)290 471個(gè)。網(wǎng)格模型如圖7所示。

2.3.2 數(shù)值模擬設(shè)置

在模擬模型選擇中，選擇歐拉雙相流體模型。紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)SST k-Ω模型。由于模擬的是抽真空過(guò)程，流體材料選擇水和空氣。邊界條件設(shè)置中，壁面運(yùn)動(dòng)選擇靜止壁面，標(biāo)準(zhǔn)粗糙度模型；出口采用壓力邊界條件，設(shè)為一個(gè)大氣壓；工作水入口采用壓力邊界條件，根據(jù)水泵的壓力進(jìn)行取值；被吸入口采用壓力邊界條件。求解方法選用二階迎風(fēng)Coupled算法對(duì)控制方程進(jìn)行求解，犧牲計(jì)算時(shí)間以提高計(jì)算精度。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來(lái)處理壁面區(qū)的流動(dòng)［28-37］。設(shè)置好模擬選項(xiàng)后，對(duì)解決方案使用默認(rèn)初始化開(kāi)始進(jìn)行流體計(jì)算。

2.3.3 模擬結(jié)果分析

為了驗(yàn)證抽氣性能，建立中心軸線，射流泵中心軸線的壓力分布隨位置變化如圖8所示。

從中心軸線壓力分布可以得出，工作流體水經(jīng)過(guò)入口進(jìn)入噴嘴中時(shí)，壓力保持不變，從噴嘴射出后，壓力急速降低，轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在吸入室產(chǎn)生負(fù)壓，在進(jìn)入喉管后壓力又逐步上升，最后由擴(kuò)壓管?chē)姵?，壓力回歸一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

可見(jiàn)液氣射流泵的工作原理與模擬趨勢(shì)一致：工作流體水進(jìn)入工作入口時(shí)壓力保持不變，隨之進(jìn)入噴嘴處時(shí)因?yàn)閲娮旃芸诘幕乜s壓力達(dá)到一個(gè)頂峰值，隨后由噴嘴射出，壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，速度達(dá)到峰值，在吸入室內(nèi)由于低壓和快速的水流使引射入口的空氣被裹挾進(jìn)入射流泵，工作水和空氣一起混合進(jìn)入喉管，在喉管內(nèi)進(jìn)行動(dòng)能和壓力能的交換，壓力隨之上升，最后達(dá)到一個(gè)平衡值，再一起進(jìn)入擴(kuò)散管，由于射流泵內(nèi)壓力遠(yuǎn)大于大氣壓力，射流泵內(nèi)的氣液混合流體便由擴(kuò)散管?chē)姵觯_(dá)到了抽真空的目的。

3 流體模擬預(yù)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證射流泵能否根據(jù)不同的工況得到不同的工作性能，對(duì)射流泵開(kāi)展流體模擬預(yù)試驗(yàn)。水泵工作頻率分為35級(jí)工作泵壓，為保證預(yù)試驗(yàn)的覆蓋性和節(jié)約時(shí)間，選取其中4個(gè)泵壓作為入口壓力，通過(guò)改變流體平面類(lèi)型進(jìn)行不同的抽空預(yù)試驗(yàn)和流量預(yù)試驗(yàn)。為了更方便地觀察對(duì)比情況，將云圖著色范圍設(shè)置為相同的取值，觀察并記錄不同工況下的壓力和流量云圖。為了保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，模擬迭代終止條件為：（1）所有殘差項(xiàng)低于10-2。（2）流量曲線穩(wěn)定。（3）流入和流出噴射泵的流量差低于10-5 kg/s。

3.2 模擬試驗(yàn)

通過(guò)改變不同入口泵壓得到不同的真空度和流量能夠反映射流泵對(duì)工況的應(yīng)變情況，將其結(jié)合到PLC控制系統(tǒng)可以更好地控制系統(tǒng)運(yùn)行保證工作性能。

試驗(yàn)過(guò)程和方法：在抽空試驗(yàn)中，由于被吸口連接反應(yīng)釜夾套為封閉容器，在模擬中可以將被吸入口設(shè)置為壁面，將觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在被吸口管路中心即可得到對(duì)應(yīng)真空度結(jié)果。在流量試驗(yàn)中，被吸口吸入多余的蒸汽以及冷凝水，因此將其設(shè)置為流量入口，工作入口不變，觀測(cè)點(diǎn)記錄流量數(shù)據(jù)。

圖9為4組不同壓力下的模擬抽空壓力云圖，可以看到隨著工作入口的壓力不斷增大，從噴嘴噴出的水流壓力也在增大，因此裹挾的空氣更多，被吸口和吸入室真空度能夠不斷提高，最終可以達(dá)到完全真空。圖10為4組試驗(yàn)條件下的流量云圖。

圖10中可以看到隨著工作流量增大，被吸口的冷凝水和蒸汽流量也在增大，并且能夠在喉管內(nèi)混合順利排出，水汽的結(jié)合湍流少。試驗(yàn)說(shuō)明射流泵可以在所有泵壓中得到不同的工作性能，以適應(yīng)不同溫度的加熱需求。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)條件

對(duì)抽空試驗(yàn)中的泵壓—真空度—抽空時(shí)間的曲線擬合和流量試驗(yàn)中的工作流量-被吸流量的流量比曲線進(jìn)行了試驗(yàn)和測(cè)試，在室溫20 ℃～25 ℃和水溫20 ℃的初始條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備：自行設(shè)計(jì)的負(fù)壓蒸汽加熱系統(tǒng)；大型夾套反應(yīng)釜2 000 L；蒸汽發(fā)生器（達(dá)能電加熱72 kW）。通過(guò)控制系統(tǒng)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

4.2 實(shí)際抽空試驗(yàn)

泵壓—真空度關(guān)聯(lián)情況是射流泵抽真空性能的重要指標(biāo)，通過(guò)測(cè)試可檢驗(yàn)射流泵能否達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)。

試驗(yàn)過(guò)程和方法：首先打開(kāi)氣閥，將射流泵吸入口連接的反應(yīng)釜夾套中氣壓環(huán)境恢復(fù)一個(gè)大氣壓，通過(guò)改變不同泵壓，在真空環(huán)境穩(wěn)定后記錄真空度，可以得到實(shí)際真空度的變化數(shù)據(jù)。

圖11為泵壓與真空度關(guān)系曲線。由圖11可知，隨著泵壓的增大，真空度逐步增大，而射流泵抽空時(shí)間先增大后減小，在0.2 MPa時(shí)達(dá)到真空臨界點(diǎn)，之后的抽空效率逐步上升，抽空時(shí)間與抽空曲線相吻合，抽空模擬試驗(yàn)與實(shí)際抽空試驗(yàn)存在一定誤差，但在誤差允許范圍內(nèi)，模擬結(jié)果準(zhǔn)確有效，證明所設(shè)計(jì)的液氣射流泵抽空性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.5 加熱性能試驗(yàn)

加熱時(shí)間和溫度穩(wěn)定性是衡量本設(shè)備加熱性能的重要指標(biāo)，通過(guò)不同溫度的實(shí)際加熱試驗(yàn)可檢測(cè)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

加熱性能試驗(yàn)方法：在相同的初始條件下（水溫20 ℃，容量2 000 L），使用所設(shè)計(jì)的負(fù)壓蒸汽加熱系統(tǒng)在不同設(shè)定的加熱溫度（50 ℃～80 ℃）下進(jìn)行加熱試驗(yàn)。選取加熱時(shí)間、真空度、溫度作為記錄項(xiàng)，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)測(cè)試3次，取平均值。加熱開(kāi)始后3 h結(jié)束記錄。

在PLC控制程序的設(shè)定中，本設(shè)備自主設(shè)計(jì)了2套加熱方案，方案一為從始至終使用設(shè)定溫度的蒸汽進(jìn)行加熱，此方案加熱速率慢，準(zhǔn)確性強(qiáng)；方案二為加熱初始使用高于設(shè)定溫度的蒸汽加熱，臨近所需溫度后再將蒸汽降溫進(jìn)行維持加熱，此方案加熱速率快，需要一定時(shí)間平衡溫度波動(dòng)。為了節(jié)約時(shí)間成本，本試驗(yàn)使用方案二。加熱溫度和真空度變化如圖13和圖14所示。

由圖13可知，本系統(tǒng)方案二由80 ℃蒸汽進(jìn)行快速加熱，升到50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃所需時(shí)間分別為1 h、1.5 h、2 h、2.5 h。加熱效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)水浴加熱的2.3 h、3 h、3.8 h、4.5 h。這是由于蒸汽在夾套內(nèi)的均勻快速擴(kuò)散，可以有更大的傳熱面積。而溫度的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性也是水浴加熱不能比擬的，本系統(tǒng)利用蒸汽的潛熱對(duì)物料進(jìn)行加熱，而潛熱在釋放的過(guò)程中，溫度沒(méi)有變化，變化的只有氣相變成水相，而相較水浴加熱是通過(guò)顯熱進(jìn)行加熱，介質(zhì)進(jìn)出口有溫差且難以控制，精準(zhǔn)控溫是很難達(dá)到的。

由圖14可知，本系統(tǒng)的加熱分為3個(gè)階段，升溫階段、穩(wěn)定階段和平衡階段。升溫階段真空度穩(wěn)定在0.054 MPa上下浮動(dòng)0.003 MPa，升溫階段為了更快地達(dá)到目標(biāo)溫度，控溫要求往往不需要很高，因此浮動(dòng)較大。而穩(wěn)定階段則需要將真空度進(jìn)行細(xì)致調(diào)節(jié)，同時(shí)也對(duì)蒸汽進(jìn)行微調(diào)，為進(jìn)入平衡階段做好鋪墊，因此穩(wěn)定階段需要射流泵進(jìn)行快速抽空，達(dá)到設(shè)定溫度所需真空度。平衡階段真空度浮動(dòng)在0.002 MPa，由此保持平衡階段蒸汽溫度穩(wěn)定性，加熱溫度浮動(dòng)也在±1 ℃。通過(guò)PLC控制系統(tǒng)、減溫減壓系統(tǒng)和儀表閥門(mén)之間的反饋互動(dòng)對(duì)真空度的進(jìn)行精準(zhǔn)把控，使蒸汽的加熱更可控，最終本設(shè)備達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)結(jié)果。

5 結(jié)論

1） 農(nóng)業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)目前常用的低溫加熱方式以水浴加熱為主，針對(duì)其存在的加熱不均勻、控制精度差、加熱過(guò)程緩慢、生產(chǎn)能力較低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了由控制系統(tǒng)、減壓系統(tǒng)、減溫系統(tǒng)、調(diào)節(jié)反饋系統(tǒng)、真空循環(huán)系統(tǒng)、反應(yīng)釜以及循環(huán)水系統(tǒng)等組成的負(fù)壓蒸汽加熱系統(tǒng)，能夠在50 ℃～100 ℃內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)控溫加熱，每次最多加熱2 000 L液體物料，該系統(tǒng)通過(guò)PLC程序控制減溫減壓裝置與水泵的協(xié)調(diào)，能夠?qū)訜峤橘|(zhì)蒸汽達(dá)到精度±1 ℃的控制，并可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2） 采用液氣射流泵作為真空獲得和維持設(shè)備，根據(jù)使用工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了解射流泵工作性能及并驗(yàn)證設(shè)計(jì)可靠性，利用FLUENT流體模擬對(duì)其進(jìn)行模擬試驗(yàn)并實(shí)際驗(yàn)證，得到結(jié)果抽空模擬試驗(yàn)與實(shí)際抽空試驗(yàn)誤差小于10%，抽空時(shí)間與抽空曲線也相吻合，模擬結(jié)果準(zhǔn)確有效，證明所設(shè)計(jì)的液氣射流泵抽空性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3） 對(duì)系統(tǒng)的加熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：通過(guò)負(fù)壓環(huán)境與減溫減壓設(shè)備結(jié)合PLC控制系統(tǒng)，對(duì)蒸汽進(jìn)行精確控溫，加熱溫度曲線平緩，快速升溫階段真空度上下浮動(dòng)0.003 MPa，平衡階段真空度上下浮動(dòng)0.002 MPa，加熱溫度浮動(dòng)也在±1 ℃，更好地適應(yīng)不同物料的加熱溫度，與計(jì)算水浴加熱進(jìn)行比較，加熱效率也在2倍左右。

4） 本文設(shè)計(jì)的基于液氣射流的負(fù)壓蒸汽加熱系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)備性能試驗(yàn)表明，射流泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，蒸汽控溫精確穩(wěn)定，加熱效率高，可滿足大部分100 ℃以下的低溫加熱，達(dá)到良好的加熱效果，對(duì)各類(lèi)熱敏性農(nóng)產(chǎn)品和化工產(chǎn)品都具有廣泛的適用性。

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