CN105454978A - 流态化玻态干燥装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于食品的干燥设备技术领域，尤其涉及一种流态化玻态干燥装置，包含冷冻腔，干燥腔，低温温控装置，以及高温温控装置；所述冷冻腔的进风口、出风口与低温控装置相连形成第一回路以供冷冻工质循环制冷；所述干燥腔的进风口、出风口与高温控装置相连形成第二回路以供冷冻工质循环加热干燥；所述冷冻腔设置在干燥腔上方并通过挡板相连；所述低温温控装置、高温温控装置分别设有压缩机、蒸发器以及冷凝器；所述低温冷凝器与高温蒸发器连通，形成复叠式制冷，实现冷热连供，使得能量利用率大幅度提高，实现节约能源的目的。
Description
技术领域
本发明属于食品的干燥设备技术领域，尤其涉及一种流态化玻态干燥装置。
背景技术
干燥保藏是食品最重要的保藏方法之一。干燥是通过各种方式脱去食品中的部分水分，降低其水分活度，从而有效的抑制微生物的生长繁殖，达到食品长期保藏的目的。而且食品经干燥处理后质量减轻，体积缩小，可节省包装储藏和运输费用，带来了方便性。食品干燥按干燥设备的特征可分为自然干燥法(晒干与风干等)和人工干燥法；按干燥的连续性分为间歇性干燥和连续性干燥；以干燥时操作压力不同可分为常压干燥和真空干燥；按工作原理又可分为对流干燥、接触干燥、冷冻干燥和辐射干燥。现代消费者倾向于天然、健康和营养的产品，而且节能环保也成为现代食品加工的重要发展方向，因此近年来食品干燥设备设计更多的是以产品质量和能耗作为干燥性能的主要评价指标。
玻态干燥技术是一种新的食品干燥技术，该方法的机理就是将需干燥的物料中的水分在降温过程中通过控制条件使食品中的水和水中溶解的物质形成玻璃态。然后在适当的环境下逐渐升温，使玻态冰直接升华为水蒸气而除去，再利用冷凝器(捕水器)将水蒸汽冷凝，使物料低温脱水从而获得干燥的制品。
与传统的干燥技术相比，该技术有其不可比拟的优点，主要体现在下述四个方面：(1)产出的产品品质明显提高，从营养成分保留，形态风味保持上都明显优于传统干燥产品。(2)干燥效率明显提高，干燥过程的能耗显著降低，干燥过程实现模块化，各项参数可控，便于工艺的优化。(3)玻态干燥技术适用性极广，其中包含水果，蔬菜，肉类，奶类等各种食品原料，也可适用于中药和西药的生产。(4)与其他加工方式相比,玻态干燥技术加工的产品具有品质优良，食用方便，易于携带，是良好的休闲及户外食品。
但是目前还没有一种集节能，结构简单并且能连续生产的装备用于实现玻态干燥技术。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种流态化玻态冷冻干燥装置，它是玻态冷冻干燥装置的一种，利用果蔬固体颗粒在冷冻工质流体的作用下呈现出与流体相似的流动性能的特质，实现均匀的冷冻干燥，它具有节约能耗、结构简单、能连续生产及干燥效果优良等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种流态化玻态干燥装置,包含冷冻腔，干燥腔，低温温控装置，以及高温温控装置；所述冷冻腔的进风口、出风口与低温控装置相连形成第一回路以供冷冻工质循环制冷；所述干燥腔的进风口、出风口与高温控装置相连形成第二回路以供冷冻工质循环加热干燥；所述冷冻腔设置在干燥腔上方并通过挡板相连；所述低温温控装置、高温温控装置分别设有压缩机、蒸发器以及冷凝器；所述低温冷凝器与高温蒸发器连通，形成复叠式制冷。
所述干燥腔以及冷冻腔的进风口设于出风口的下方，使冷冻工质在由下向上流动中，控制流速使得果蔬颗粒成沸腾状态，果蔬颗粒内的水分能够均匀的受热或者制冷。
所述冷冻工质为N2或者CO2。
所述流态化玻态干燥装置还包括一溴化锂溶液除湿器，包括：箱体，用于储存溴化锂溶液；设置在箱体的进风口、出风口，用于与第二回路连通；设置在箱体内部的填料，设置在填料上方的的喷淋架以及连通箱体底部溴化锂溶液与喷淋架用于运输溴化锂溶液的溶液泵。
所述箱体的出风口上设有过滤网。
所述溴化锂溶液除湿器内设有包括加热盘管的溴化锂溶液再生器及包括冷却盘管的溴化锂溶液储液罐形成第三回路，管道中设有溶液泵使溴化锂溶液在所述第三回路中流通。
所述加热盘管与高温冷凝器连通形成第四回路，所述冷却盘管与低温冷凝器及高温蒸发器连通形成第五回路。
所述第四回路中的流动液为50-60℃的水溶液；
所述第五回路的流动液为-18℃到-23℃的乙二醇溶液；
所述低温回路中的冷冻工质进风口为-60°，出风口为-45℃。
所述高温回路中的冷冻工质进风口为40℃，出风口为30℃
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明解决了下述技术问题，
第一是能耗过高的问题。本发明通过使用复叠式制冷，实现冷热联供、将低温冷凝器与高温蒸发器连通，使冷冻过程中释放的热量用于加热干燥，同时加热盘管与高温冷凝器连通形成第四回路，所述冷却盘管与低温冷凝器及高温蒸发器连通形成第五回路，使冷冻过程及干燥过程中的热量用于与溴化锂溶液除湿器中的溴化锂溶液再生，使得能量利用率大幅度提高，实现节约能源的目的。
第二是连续性生产问题。影响玻态干燥工艺连续性生产的因素较多，捕水是一个重要因素。低温凝华捕水器冰层累积到一定厚度后，不仅无法实现热交换，即无法继续保持低温，也需要排出水分，只能停机除冰。本发明采用的不是常规的机械制冷的冷阱系统，而是溴化锂溶液吸收式除湿再生新技术，不仅换热效率高，还可以对除湿液再生，解决了连续性生产的问题。
附图说明
图1为本发明流态化玻态干燥装置示意图。
图中：1、进料口，2、挡板，3、冷冻腔，4、隔热挡板，5、干燥腔，6、成品箱，7、风机，8、低温蒸发器，9、低温膨胀阀，10、低温压缩机，11、低温冷凝器，12、高温蒸发器，13、高温膨胀阀，14、高温压缩机，15、高温冷凝器一，16、高温冷凝器二，17、溴化锂溶液除湿器，18、溴化锂溶液储液罐，19、溴化锂溶液泵，20、冷却盘管，21、22、溶液泵，23、溴化锂溶液再生器，24、加热盘管，25、26、循环泵。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对以N2为冷冻工质对本发明进行详细的描述。
如图1示出：一种流态化玻态干燥装置,包含冷冻腔3，干燥腔5，所述冷冻腔3设置在干燥腔5上方并通过隔热挡板4相连；在冷冻腔上方设置进料口1，并通过挡板2相连，挡开挡板2，粒状果蔬由进料口1进入到冷冻腔3，冷冻腔3的进风口、出风口与低温控装置相连形成第一回路供N2循环。所述低温温控装置包括风机7，低温蒸发器8，低温膨胀阀9，低温压缩机10，以及低温冷凝器11。N2由外部管道输送至低温蒸发器8，在此N2被冷却到-60℃，在风机7的驱动下，沿着管道由冷冻腔3的进风口吹入，在N2由下向上流动中，控制N2的流速使得果蔬颗粒成沸腾状态，-45℃的N2经由冷冻床的出风口排出，流动到低温蒸发器8杯再次冷却，以此循环不断冷冻果蔬颗粒。冷冻后的果蔬颗粒经由隔热挡板4进入干燥腔5。
干燥腔5下部的进风口通入40℃的干燥N2，冷冻后的果蔬颗粒经由隔热板4进入干燥床5后，在上升干燥N2作用下成沸腾状态，并被加热，果蔬中玻态水升华为水蒸气进入N2，干燥的N2释放出热量温度降低为30℃，同时吸入水蒸气湿度变大变为湿N2，湿N2经由管道被输送至溴化锂溶液除湿器17，被温度为-15℃的浓溴化锂溶液吸湿，湿N2被干燥为干燥的N2，由溴化锂溶液除湿器17顶部的出气口进入N2管道，同时被输送至高温温控装置的高温冷凝器二16(在此高温冷凝器一分为二，一部分热量供应干燥，一部分热量供应溴化锂溶液的再生)，在高温蒸发器12，高温膨胀阀13，高温压缩机14的共同作用下被加热温度升高为40℃，重新被输送干燥腔内，循环干燥果蔬颗粒。干燥后的果蔬颗粒落入成品箱6。由于低温冷凝器11与高温蒸发器二16连通，形成复叠式制冷，冷冻过程中释放的热量用于供应果蔬在干燥腔内的干燥，不需要提供额外的热量。
溴化锂溶液除湿器17为一箱体，其内部设有填料，可增大湿N2与浓溴化锂溶液的接触面积，箱体顶部N2出口处装有液滴过滤层，可防止溴化锂液滴被带入N2管道。温度为-15℃的浓溴化锂溶液(60％)在溶液泵19的驱动下输送至设置在填料上方的喷管架，溴化锂液滴被喷出后由上向下流动并于上升的湿N2接触，吸收湿N2中的水蒸气，溴化锂溶液的浓度变小，成为溴化锂稀溶液(55％)，溴化锂稀容器在溶液泵22作用下被输送至溴化锂溶液再生器23。
在溴化锂溶液再生器23内设有加热盘管24，盘管内通入温度为60℃的热水；溴化锂稀溶液(55％)经由顶部的喷管喷下，被加热盘管加热温度升高，水蒸气被蒸出，溴化锂溶液浓度变大变为浓溶液(60％)，浓溴化锂溶液在溶液泵21作用下被输送到溴化锂溶液储液罐18。
再生后的溴化锂溶液温度为45℃，在冷却盘管20的冷却下温度降为-15℃，降温后浓溴化锂溶液重新被输送至溴化锂溶液除湿器17，循环利用。
由于加热盘管24与高温冷凝器一15连通形成第四回路，加热盘管24中的热量由高温冷凝器一供应，即溴化锂溶液再生器23中温度为60℃的热水，加热溴化锂溶液后变为50℃，50℃的水进入高温冷凝器一后被加热温度变为60℃，在热水循环泵25驱动下，重新进入加热盘管24，循环使用。
由于冷却盘管20与低温冷凝器11及高温蒸发器二16连通形成第五回路。乙二醇溶液进口温度为-23℃，出口温度为-18℃，温度为-18℃乙二醇溶液在循环泵26作用下，被输送到低温冷凝器11，吸收此处冷凝热，温度变为-12℃，然后进去高温蒸发器12中被冷却，温度变为-23℃，重新被输送至溴化锂溶液储液罐18内，使溴化锂溶液储液罐18内溴化锂溶液被冷却到-15℃，循环利用。
由冷、热量平衡分析知，在上述温度变化条件下，该系统高温制冷子系统的冷凝热高于干燥腔所需升华热与溴化锂溶液再生器所需加热量之和，因此系统所需加热量无需其他热源来提供。
以下为系统冷热量平衡分析
确定复叠式制冷系统中低温子系统制冷量为1kW；
果蔬冻结速率为：7.2kg/h
1、计算低温温控系统冷凝热
低温温控系统系数估算为1.7(蒸发温度-70℃，冷凝温度-10℃，取理想逆卡诺制冷系数一半)；
低温温控系统冷凝热量为1.6kW。
2、计算高温温控系统制冷量
高温温控系统制冷量＝低温温控系统冷凝热+冷却溴化锂溶液需冷量
冷却溴化锂溶液需冷量＝溴化锂溶液质量流量×溴化锂溶液比热容×温差
溴化锂质量流量计算
已知60％浓度的溴化锂溶液浓度降低为55％时除湿能力为50g/kg，果蔬颗粒干燥前后水分变化为80％至3％，则干燥过程除水量为7.2×(80-3)％＝5.2kg.h＝1.4g/s。
溴化锂质量流量为1.4/50＝0.03kg/s
冷却溴化锂溶液需冷量＝0.03×2500×(45-(-15))＝4.5kW.(60％浓度溴化锂溶液比热容取2500kJ/(kg.℃))
高温温控系统制冷量＝1.6+4.5＝6.1kW
高温温控系统冷凝热
高温温控系统制冷系数估算为1.3(蒸发温度-25℃，冷凝温度70℃，取理想逆卡诺制冷系数一半)；
高温温控系统冷凝热＝6.1+6.1/1.3＝10.8kW
干燥所需加热量
干燥所需加热量＝1.2×5.2×3393/3600＝6kW(1.2为考虑果蔬颗粒温升吸热量系数)
溴化锂溶液再生器所需加热量
溴化锂溶液再生器所需加热量＝0.03×2500×(45-(-5))＝3.8kW
综上所知，该复叠式制冷系统放出冷凝热为10.8kW，干燥器及溶液再生器共需加热量为9.8kW，因此该系统所需加热量无需其他热源来提供。
该系统冷冻干燥果蔬能耗分析
该系统共耗电为0.6(低温系统压缩机耗电)+4.7(高温系统压缩机耗电)+1(泵、风机耗电)，共6.3kW。
则该系统冷冻干燥每公斤产品能耗为：6.3/7.2kW.h/kg＝0.87kW.h/kg
电价按1.0元/(kW.h)计，该系统冷冻干燥每公斤产品，需要0.87元。
由上可知，本发明所设计的装置，通过使用复叠式制冷，实现冷热联供、将低温冷凝器与高温蒸发器连通，使冷冻过程中释放的热量用于加热干燥，同时加热盘管与高温冷凝器连通形成第四回路，所述冷却盘管与低温冷凝器及高温蒸发器连通形成第五回路，使冷冻过程及干燥过程中的热量用于与溴化锂溶液除湿器中的溴化锂溶液再生，使得能量利用率大幅度提高，实现节约能源的目的。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种流态化玻态干燥装置,其特征在于，包含冷冻腔，干燥腔，低温温控装置，以及高温温控装置；所述冷冻腔的进风口、出风口与低温控装置相连形成第一回路以供冷冻工质循环制冷；所述干燥腔的进风口、出风口与高温控装置相连形成第二回路以供冷冻工质循环加热干燥；所述冷冻腔设置在干燥腔上方并通过挡板相连；所述低温温控装置、高温温控装置分别设有压缩机、蒸发器以及冷凝器；所述低温冷凝器与高温蒸发器连通，形成复叠式制冷。
2.根据权利要求1所述的流态化玻态干燥装置，其特征在于，所述冷冻腔、干燥腔的进风口分别设在出风口的下方。
3.根据权利要求1所述的流态化玻态干燥装置，其特征在于，所述冷冻工质为N2或者CO2。
4.根据权利要求1所述的流态化玻态干燥装罝，其特征在于，还包括一溴化锂溶液除湿器，包括：箱体，用于储存溴化锂溶液；设置在箱体的进风口、出风口，用于与第二回路连通；设置在箱体内部的填料，设置在填料上方的的喷淋架以及连通箱体底部溴化锂溶液与喷淋架用于运输溴化锂溶液的溶液泵。
5.根据权利要求4所述的流态化玻态干燥装置，其特征在于，所述箱体的出风口上设有过滤网。
6.根据权利要求4或者5所述的流态化玻态干燥装置，其特征在于，所述溴化锂溶液除湿器内设有包括加热盘管的溴化锂溶液再生器及包括冷却盘管的溴化锂溶液储液罐形成第三回路，管道中设有溶液泵使溴化锂溶液在所述第三回路中流通。
7.根据权利要求6所述的流态化玻态干燥装置，其特征在于，所述加热盘管与高温冷凝器连通形成第四回路，所述冷却盘管与低温冷凝器及高温蒸发器连通形成第五回路。
8.根据权利要求7所述的流态化玻态干燥装置，其特征在于，所述第四回路中的流动液为50-60℃的水溶液。
9.根据权利要求7所述的流态化玻态干燥装置，其特征在于，所述第五回路的流动液为-18℃到-23℃的乙二醇溶液。
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