CN105651017A - 一种多功能微波-热油组合冷冻干燥设备及其操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能微波-热油组合冷冻干燥设备，属于食品药品机械技术领域。该设备包括热油冻干仓和微波冻干仓；加热油冻干仓的一端设有物料仓门，另一端与捕水仓连体；微波冻干仓的一端设有微波仓门，另一端与热油冻干仓连通；捕水仓内装有盘管捕水器，且其仓壁与制冷系统以及真空泵相连；热油冻干仓内装有加热板，加热板层间安置有导热料盘；热油加热系统由循环泵、加热管、管道以及储油罐组成；微波冻干仓的周围外壁分布有径向安置的至少四个微波发生器。采用本发明后，可以利用两种干燥方式的优点实现联合干燥，不仅能够提高干燥速率、降低能耗，而且还能够改善产品品质。并且，由于两种冻干仓共用捕水、真空发生等基础部分，因此结构十分紧凑。

Description

一种多功能微波-热油组合冷冻干燥设备及其操控方法

技术领域

本发明涉及一种食品、药品加工领域的冷冻干燥设备，尤其是一种多功能微波-热油组合冷冻干燥设备，属于食品药品机械技术领域。

背景技术

真空冷冻干燥可较好地保留新鲜物料的色、香、味、形及营养成份，是国际公认的生产高品质、高附加值脱水制品的加工方法，已在食品、药品、生物制品保存及干燥加工中获得应用。

据申请人了解，常规冷冻干燥采用的传统加热方式（如电加热板、高速循环导热油等）存在干燥时间长、速率低、能耗高等缺点，尤其是冷冻干燥的解吸干燥，由于解吸结合水极为耗时耗能，因此阻碍了常规真空冷冻干燥技术的进一步推广应用。

微波真空冷冻干燥是以微波作为热源的冷冻干燥技术，长期实践证实，冷冻干燥采用微波加热可大大提高其干燥速率和能量利用率，进而显著提高冻干效率、降低能耗。然而研究表明，在微波冷冻干燥初期，受物料冻结温度较低、装载量大以及物料含水率高的影响，微波加载功率不易过大，否则极易引起低压放电现象，造成产品烧焦、设备损坏以及有效功率损耗问题。另外，微波加热本身存在加热不均匀问题，在小功率加热不能显著提高冻干效率的冻干阶段，不适宜采用。

因此，现存在的最大问题是单一冻干技术设备难以同时适应物料冻干各阶段的要求，也不能满足不同物料的冻干需求。此外，现有技术对冻干过程的操控不尽合理，因此难以实现优质高效的冻干。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述技术存在的缺点，提出一种可以同时适应物料冻干各阶段要求以及满足各种物料冻干需求的多功能微波-热油组合冷冻干燥设备，并且该装备应结构紧凑，便于操控；同时本发明还将提出相应的合理操控方法。

为了达到以上目的，本发明的多功能微波-热油组合冷冻干燥设备包括水平安置于机架上的圆筒状热油冻干仓和微波冻干仓；所述加热油冻干仓的一端设有物料仓门，另一端与捕水仓连体；所述微波冻干仓的一端设有微波仓门，另一端通过装有筛孔屏蔽过流板的接管与热油冻干仓连通；所述捕水仓内装有盘管捕水器，且其仓壁与真空泵相连；所述盘管的一端通过捕水管道并经机架底部的压缩机与外置的冷却器一端连接，所述盘管的另一端通过膨胀阀与所述冷却器的另一端连接，构成制冷捕水循环系统；所述热油冻干仓内装有内部通过输油泵与热油储油罐循环连通的加热板，所述热油循环管道中安置有加热装置，所述加热板层间安置有导热料盘；所述微波冻干仓的周围外壁分布有径向安置的至少四个微波发生器。

采用本发明后，可以依据物料特性选用微波或热油单一冷冻干燥方式，更可选用联合干燥，在不同的冻干阶段，分别采用适宜的干燥方式，利用两种干燥方式的优点实现联合干燥，避免各自的缺点，不仅能够提高干燥速率、降低能耗，而且还能够改善产品品质。并且，由于两种冻干仓共用捕水、真空发生等基础部分，因此结构十分紧凑，实现了有机结合，也降低了设备投入。

采用本发明的联合真空冷冻干燥操控步骤为：

第一步、前处理——将预冻干物料分拣、清洗、切制、装盘，使得水分均匀地附着于物料表面，保证物料的原形状在冻干过程中保持良好；接着将湿物料在冷库中预冻至-40℃以下，使水分变成固态的冰；

第二步、真空冷冻——将前处理后的物料放入热油冷冻仓，先同时开启冷凝器和膨胀阀，再开启压缩机制冷；待捕水管道温度降至-50℃以下后，开启真空泵抽真空，使物料上的冰升华为水蒸气；

第三步、阶梯补热——开启输油泵使热油在加热板中循环流动，逐渐提升物料的温度，控制加热装置启闭使每次提升5±1℃后保温2±0.5小时；当物料含水率降至40%以下时，将其迅速转移微波冻干仓，控制微波发生器的功率使每次提升5±1℃后保温2±0.5小时，直至捕水管道的温度与物料温度一致，完成物料冻干；

第四步、关机——依次关闭储油罐加热装置、微波发生器、输油泵、真空泵、压缩机，必要时进行除霜；之后关闭冷凝器，进行排水处理。

当物料含水率较低时，采用本发明也可以单独启用微波加热真空冷冻干燥，其操控步骤为：

第一步、前处理——将预冻干物料分拣、清洗、切制、装盘，使得水分均匀地附着于物料表面，保证物料的原形状在冻干过程中保持良好；接着将湿物料在冷库中预冻至-40℃以下，使水分变成固态的冰；

第二步、真空冷冻——将前处理后的物料放入微波冷冻仓，先同时开启冷凝器和膨胀阀，再开启压缩机制冷；待捕水管道温度降至-50℃以下后，开启真空泵抽真空，使物料上的冰升华为水蒸气；

第三步、阶梯补热——开启微波发生器逐渐提升物料的温度，控制微波发生器功率使每次提升5±1℃后保温2±0.5小时，直至捕水管道的温度与物料温度一致，完成物料冻干。

第四步、关机——依次关闭微波发生器、真空泵、压缩机，必要时进行除霜；之后关闭冷凝器，进行排水处理。

当然，采用本发明也可以单独采用热油真空冷冻干燥，其操控步骤为：

第一步、前处理——将预冻干物料分拣、清洗、切制、装盘，使得水分均匀地附着于物料表面，保证物料的原形状在冻干过程中保持良好；接着将湿物料在冷库中预冻至-40℃以下，使水分变成固态的冰；

第二步、真空冷冻——将前处理后的物料放入热油冷冻仓，先同时开启冷凝器和膨胀阀，再开启压缩机制冷；待捕水管道温度降至-50℃以下后，开启真空泵抽真空，使物料上的冰升华为水蒸气；

第三步、阶梯补热——开启输油泵使热油在加热板中循环流动，逐渐提升物料的温度，控制加热装置启闭使每次提升5±1℃后保温2±0.5小时，直至捕水管道的温度与物料温度一致，完成物料冻干；

第四步、关机——依次关闭储油罐加热装置、输油泵、真空泵、压缩机，必要时进行除霜；之后关闭冷凝器，进行排水处理。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为图1实施例的系统构成示意图。

图中：1.旋片真空泵2.机架3.微波冻干仓4.捕水仓5.料架6.料盘7.微波发生器8.称重系统9.储油罐10.热油冻干仓11.加热板12.金属铝料盘13.称重传感器14.压缩机15.屏蔽过流板。

具体实施方式

实施例一

本实施例的多功能微波-热油组合冷冻干燥设备如图1至图3所示，包括水平安置于机架2上的圆筒状热油冻干仓10和微波冻干仓3。加热油冻干仓10的一端设有物料仓门，另一端与捕水仓4连体。微波冻干仓3的一端设有微波仓门，另一端通过装有筛孔屏蔽过流板15的接管与热油冻干仓10连通。屏蔽过流板15为具有圆孔的筛板，可以允许水蒸气自由透过，同时屏蔽微波，防止泄露进入热油冻干仓引起有害升华。捕水仓4内装有盘管捕水器4-1，且其仓壁与安置在机架2底部的旋片真空泵1相连。盘管的一端通过捕水管道并经机架底部2的压缩机14与外置的风冷却器4-3一端连接，盘管的另一端通过膨胀阀4-2与风冷却器4-3的另一端连接，构成制冷捕水循环系统。热油冻干仓10内装有内部通过输油泵与热油储油罐9循环连通的多层加热板11，热油循环管道中安置有作为加热装置的电加热管。各层加热板11上分别安置有位于称重传感器13上的导热金属铝料盘12，因此便于随时了解其含水变化情况。微波冻干仓3的周围外壁分布有径向安置的六个微波发生器7，上部四个分为二组，分别轴向间隔、角向位于相应于时钟的1:30’和10:30’分方位，下部二个轴向位于上部轴向间隔中间、角向位于相应于时钟4:30’和7:30’方位，这样使仓内微波分布均匀。仓内的料架5上安置三层料盘6，顶部装有称重系统8。

本实施例的设备可依据物料特性选用微波或热油单一冷冻干燥方式，也可选用联合干燥方式。在单独采用热油真空冷冻干燥时，先对预冻物料进行分拣、清洗、切制、装盘等前处理，使得水分均匀地附着于物料表面，这样就能够保证物料的原形状在冻干过程中保持良好；接着将湿物料在冷库中预冻至-40℃以下，使水分变成固态的冰；在物料预冻过程接近尾声时，先同时开启冷凝器风机和捕水仓电磁阀，后开启压缩机对整个设备进行制冷；待捕水管道温度至-50℃以上后，开启真空泵，对整个设备抽真空至真空泵的极限状态，即真空仪表上显示的真空度基本保持不变，使冰直接升华为水蒸气；升华过程要吸热，因此，开启管道泵，使油循环流动；选择自动或手动加热方式，开启热油加热管对物料进行分段加热；为获得更好的冻干制品品质，分段加热的预设温度梯度不应过大，一般取为5，即将预设温度设为在温度传感器检测到的温度数据之上5℃；由于控制系统的误差在±1℃，当物料温度超过预设温度1℃时，控制系统自动关闭热油加热管，物料温度就会逐渐地降下来；当物料温度低于预设温度1℃时，控制系统自动关闭热油加热管，物料温度就会逐渐地上升；维持每一个预设温度2小时左右的干燥时间，之后就可将预设温度提升5℃，直至温度传感器检测的捕水管道温度与物料温度基本一致时，冻干进程结束；依次关闭加热管、管道泵、真空泵、压缩机，进行除霜过程；30分钟后关闭风冷冷凝器风机，进行排水处理。在单独采用微波真空冷冻干燥时，操作过程大体与在单独采用热油真空冷冻干燥时相类似，区别是待捕水管道温度至-50℃以上后，开启微波加热系统对物料进行补热，当物料温度高于预设温度时，将磁控管电压调小或至0，减小微波加热功率，物料温度就会逐渐降下来；当物料温度高于预设温度时，将磁控管电压调大，加大微波功率，物料温度就会逐渐上升。在进行联合干燥时，先对物料进行热油真空冷冻干燥至物料含水率40%左右，破真空开仓门将其移至微波冻干仓，后对其进行微波真空冷冻干燥，中间的操作过程类似。

归纳起来，本实施例的设备具有如下优点：

1）热油冻干仓、捕水仓和微波冻干仓均为筒形仓，热油冻干仓与捕水仓呈前后连体配置，热油冻干仓筒壁开有一圆孔，安装法兰的一侧微波冻干仓端部安装有屏蔽过流板，两仓体通过法兰直角铰接，用橡胶圈密封法兰，既能防止微波泄漏，又能保持两仓体真空度一致。

2）三个仓体均置于机架之上，制冷机组、真空机组以及热油加热系统均置于机架之下，控制柜置于微波冻干仓仓门前方适宜位置，布局合理。

3）采用“一托二”模式设计设备，即常规冻干仓和微波冻干仓共用一套制冷机组、真空机组、捕水器和控制系统，因此结构紧凑，成本经济。

4）微波发生器沿微波冻干仓轴向不对称交错分布，使微波充分发挥作用。采用便于PLC控制的单相交流可控硅移相固态调压器分别改变各个磁控管阳极上的加载电压，进而改变阳极电流来达到调节微波加热功率，操作便捷，自动化程度高。

总之，本实施例的设备将加热系统、制冷系统、真空系统、捕水器、冻干仓及测控系统有机结合在一起，将微波与常规热油两种真空冷冻干燥联合，能够扬长避短，除加热系统和冻干仓外，其余四个子系统兼用，因而结构紧凑，显著降低了设备成本。

Claims (7)

1.一种多功能微波-热油组合冷冻干燥设备，包括水平安置于机架（2）上的圆筒状热油冻干仓（10）和微波冻干仓（3）；其特征在于：所述加热油冻干仓的一端设有物料仓门，另一端与捕水仓（4）连体；所述微波冻干仓的一端设有微波仓门，另一端通过装有筛孔屏蔽过流板（15）的接管与热油冻干仓连通；所述捕水仓内装有盘管捕水器（4-1），且其仓壁与真空泵（1）相连；所述盘管的一端通过捕水管道并经机架底部的压缩机（14）与外置的冷却器（4-3）一端连接，所述盘管的另一端通过膨胀阀（4-2）与所述冷却器的另一端连接，构成制冷捕水循环系统；所述热油冻干仓内装有内部通过输油泵与热油储油罐（9）循环连通的加热板（11），所述热油循环管道中安置有加热装置，所述加热板层间安置有导热料盘（12）；所述微波冻干仓的周围外壁分布有径向安置的至少四个微波发生器（7）。

2.根据权利要求1所述的多功能微波-热油组合冷冻干燥设备，其特征在于：所述微波发生器有六个，四个位于微波冻干仓上部、二个位于微波冻干仓下部；上部四个分为二组，分别轴向间隔、角向位于相应于时钟的1:30’和10:30’分方位；下部二个轴向位于上部轴向间隔中间、角向位于相应于时钟4:30’和7:30’方位。

3.根据权利要求2所述的多功能微波-热油组合冷冻干燥设备，其特征在于：所述热油冻干仓内装有多层加热板，各层加热板上分别安置有位于称重传感器上的导热金属铝料盘。

4.操控权利要求1至3任一所述多功能微波-热油组合冷冻干燥设备的方法，包括以下步骤：

第一步、前处理——将预冻干物料分拣、清洗、切制、装盘，使得水分均匀地附着于物料表面，保证物料的原形状在冻干过程中保持良好；接着将湿物料在冷库中预冻至-40℃以下，使水分变成固态的冰；

第二步、真空冷冻——将前处理后的物料放入热油冷冻仓，先同时开启冷凝器和膨胀阀，再开启压缩机制冷；待捕水管道温度降至-50℃以下后，开启真空泵抽真空，使物料上的冰升华为水蒸气；

第三步、阶梯补热——开启输油泵使热油在加热板中循环流动，逐渐提升物料的温度，控制加热装置启闭使每次提升5±1℃后保温2±0.5小时；当物料含水率降至40%以下时，将其迅速转移微波冻干仓，控制微波发生器的功率使每次提升5±1℃后保温2±0.5小时，直至捕水管道的温度与物料温度一致，完成物料冻干；

第四步、关机——依次关闭储油罐加热装置、微波发生器、输油泵、真空泵、压缩机，必要时进行除霜；之后关闭冷凝器，进行排水处理。

5.操控权利要求1至3任一所述多功能微波-热油组合冷冻干燥设备的方法，包括以下步骤：

第一步、前处理——将预冻干物料分拣、清洗、切制、装盘，使得水分均匀地附着于物料表面，保证物料的原形状在冻干过程中保持良好；接着将湿物料在冷库中预冻至-40℃以下，使水分变成固态的冰；

第二步、真空冷冻——将前处理后的物料放入微波冷冻仓，先同时开启冷凝器和膨胀阀，再开启压缩机制冷；待捕水管道温度降至-50℃以下后，开启真空泵抽真空，使物料上的冰升华为水蒸气；

第三步、阶梯补热——开启微波发生器逐渐提升物料的温度，控制微波发生器功率使每次提升5±1℃后保温2±0.5小时，直至捕水管道的温度与物料温度一致，完成物料冻干。

6.第四步、关机——依次关闭微波发生器、真空泵、压缩机，必要时进行除霜；之后关闭冷凝器，进行排水处理。

7.操控权利要求1至3任一所述多功能微波-热油组合冷冻干燥设备的方法，包括以下步骤：

第一步、前处理——将预冻干物料分拣、清洗、切制、装盘，使得水分均匀地附着于物料表面，保证物料的原形状在冻干过程中保持良好；接着将湿物料在冷库中预冻至-40℃以下，使水分变成固态的冰；

第二步、真空冷冻——将前处理后的物料放入热油冷冻仓，先同时开启冷凝器和膨胀阀，再开启压缩机制冷；待捕水管道温度降至-50℃以下后，开启真空泵抽真空，使物料上的冰升华为水蒸气；

第三步、阶梯补热——开启输油泵使热油在加热板中循环流动，逐渐提升物料的温度，控制加热装置启闭使每次提升5±1℃后保温2±0.5小时，直至捕水管道的温度与物料温度一致，完成物料冻干；

第四步、关机——依次关闭储油罐加热装置、输油泵、真空泵、压缩机，必要时进行除霜；之后关闭冷凝器，进行排水处理。