變頻技術(shù)在食品凍干過(guò)程中的應(yīng)用

變頻技術(shù)在食品凍干過(guò)程中的應(yīng)用

真空冷干燥（以下簡(jiǎn)稱冷干）是世界上最先進(jìn)的食品保護(hù)技術(shù)。近十多年來(lái),凍干技術(shù)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展。但凍干技術(shù)又有其致命的缺點(diǎn),就是凍干設(shè)備投資大,使用能耗高。隨著凍干設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化,其設(shè)備一次性投資大幅度下降,但其使用能耗仍成為制約其發(fā)展的瓶頸。在凍干設(shè)備使用能耗中,真空系統(tǒng)的能耗占據(jù)了較大比例。以凍干小蔥為例,采用蒸汽系統(tǒng)加熱時(shí),真空系統(tǒng)電耗約占凍干總電耗的30%。因此,真空系統(tǒng)的節(jié)能成為降低凍干產(chǎn)品加工能耗的重要手段。隨著變頻技術(shù)的成熟,在真空系統(tǒng)中采用變頻技術(shù)對(duì)真空系統(tǒng)節(jié)能是一種有效可行的手段。為此,本文提出了在凍干設(shè)備中采用變頻真空機(jī)組的方案,并將該項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了國(guó)家專利。1干燥倉(cāng)內(nèi)壓力控制干燥倉(cāng)內(nèi)壓力是凍干工藝參數(shù)中的一項(xiàng)重要參數(shù)。在食品凍干過(guò)程中,干燥倉(cāng)內(nèi)壓力主要受三方面的影響:一方面由于被加工物料的共熔點(diǎn)不同,其干燥倉(cāng)內(nèi)最高允許壓力不同;另一方面是物料的干燥速率與干燥倉(cāng)內(nèi)壓力有較大的關(guān)系,為了得到物料最佳干燥速率,有必要對(duì)干燥倉(cāng)內(nèi)的壓力進(jìn)行控制;再者,在干燥過(guò)程中,物料本身產(chǎn)生的不凝性氣體和水蒸汽的量也在不斷變化,為維持設(shè)定的干燥倉(cāng)壓力,也有必要對(duì)干燥倉(cāng)內(nèi)壓力進(jìn)行控制。圖1是一種大蔥的凍干工藝曲線。因凍干設(shè)備所配真空機(jī)組均按凍干過(guò)程中所需最大有效抽速來(lái)設(shè)計(jì),但在凍干過(guò)程中的大部分時(shí)間,真空機(jī)組所需有效抽速均小于最大有效抽速。為控制干燥倉(cāng)內(nèi)壓力,目前采用的方法主要有兩種,一種是在干燥倉(cāng)體設(shè)一充氣閥,通過(guò)控制環(huán)境向干燥倉(cāng)內(nèi)充氣量的多少來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一種是在干燥倉(cāng)體與水汽凝結(jié)器之間的連通管道上安裝氣動(dòng)蝶閥,通過(guò)控制氣動(dòng)蝶閥的開(kāi)度大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。上述兩種方法雖然都能夠較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥倉(cāng)內(nèi)壓力的控制,但其真空機(jī)組始終在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作,真空機(jī)組能耗較大。實(shí)際上完全可以通過(guò)改變真空機(jī)組的有效抽速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥倉(cāng)內(nèi)壓力的控制并達(dá)到節(jié)能的目的。食品凍干設(shè)備真空機(jī)組所采用的真空泵主要為羅茨泵、水環(huán)泵和滑閥泵三種類型。這三種真空泵均為壓縮性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,其有效抽速及消耗功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以用式(1)表示:式(1)中:S1、S2—真空泵有效抽速,L/s;n1、n2—真空泵轉(zhuǎn)速,r/min;f1、f2—真空泵工作電源頻率,Hz;P1、P2—真空泵運(yùn)行功率,kW。式(1)說(shuō)明真空泵有效抽速及消耗功率均與真空泵電源頻率成正比,因此,通過(guò)改變真空泵電源頻率既可以控制干燥倉(cāng)壓力也可以相應(yīng)降低真空機(jī)組的消耗功率。2真空調(diào)整個(gè)組的設(shè)計(jì)2.1食品凍干真空機(jī)組的制備方案在設(shè)計(jì)凍干設(shè)備真空機(jī)組時(shí),必須考慮以下幾方面的問(wèn)題:(1)預(yù)抽時(shí)間即將干燥倉(cāng)從大氣壓(1.013×105Pa)抽到工作壓力(按133Pa考慮)所需時(shí)間應(yīng)盡量短,一般控制在20min內(nèi),并能使干燥倉(cāng)達(dá)到一定的極限壓力。(2)預(yù)抽所需有效抽速遠(yuǎn)比維持所需有效抽速大。(3)真空機(jī)組應(yīng)能抽除少量的水蒸汽。因此,大多數(shù)食品凍干設(shè)備真空機(jī)組采用如下方案:(1)專門(mén)配備一套預(yù)抽真空機(jī)組(也可以多套干燥倉(cāng)共用)。在預(yù)抽階段,預(yù)抽真空機(jī)組和維持真空機(jī)組同時(shí)工作,當(dāng)干燥倉(cāng)壓力達(dá)到工作壓力后,預(yù)抽真空機(jī)組停機(jī),維持真空機(jī)組繼續(xù)工作。(2)選用羅茨泵+羅茨泵+水環(huán)泵(帶大氣噴射泵)三級(jí)泵組,以便可以抽除少量水蒸汽,且極限壓力能達(dá)到1Pa。2.2真空機(jī)組三級(jí)泵組變頻真空機(jī)組的有效抽速可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),因此可以采用一套真空機(jī)組,它既作為預(yù)抽機(jī)組,也作為維持機(jī)組。真空機(jī)組的最大有效抽速按滿足預(yù)抽要求來(lái)設(shè)計(jì)。真空機(jī)組的形式仍采用羅茨泵+羅茨泵+水環(huán)泵(帶大氣噴射泵)三級(jí)泵組。下面以某廠SZDG200型食品凍干設(shè)備為例進(jìn)行計(jì)算分析。2.2.1szdg200食品冷凍設(shè)備的參數(shù)某廠SZDG200型食品凍干設(shè)備參數(shù)如表1。2.2.2水環(huán)泵前級(jí)泵真空泵選型計(jì)算按以下步驟:(1)選取主泵。按照經(jīng)驗(yàn),初選ZJP-1200型羅茨泵作為主泵,其有效抽速Sz為1.2m3/s。(2)選取前級(jí)泵。前級(jí)泵采用水環(huán)泵,可以按Ss=[1/4～1/2]Sz確定。初定水環(huán)泵有效抽速Ss為0.4m3/s,因考慮到水環(huán)泵變頻范圍比較窄,選擇兩臺(tái)SK-12并聯(lián),其單臺(tái)有效抽速為0.2m3/s,可以根據(jù)實(shí)際需要停其中一臺(tái)。二級(jí)羅茨泵主要起增壓作用,其有效抽速僅需比水環(huán)泵有效抽速稍大即可,可以初選ZJP-600型羅茨泵作為二級(jí)泵,其有效抽速為0.6m3/s。各泵的性能參數(shù)如表2。2.3單次抽氣時(shí)間干燥倉(cāng)預(yù)抽時(shí)間可以按式(2)簡(jiǎn)化計(jì)算:t=2.3KqVSlgPiPt=2.3ΚqVSlgΡiΡ(2)式(2)中:t—抽氣時(shí)間,s;V—真空系統(tǒng)容積,m3;S—真空泵的名義抽速;Pi—真空泵開(kāi)始抽氣時(shí)壓力;P—經(jīng)t時(shí)間抽氣后的壓力;Kq—修正系數(shù),與真空泵抽氣終止時(shí)的壓力P有關(guān),其值如表3。在預(yù)抽階段,各級(jí)真空泵的啟動(dòng)條件不一樣,啟動(dòng)是按如下程序進(jìn)行的。首先是在大氣壓下前級(jí)水環(huán)泵啟動(dòng),當(dāng)干燥倉(cāng)壓力降到一定值時(shí),啟動(dòng)二級(jí)羅茨泵,當(dāng)干燥倉(cāng)壓力繼續(xù)降到一定值時(shí),啟動(dòng)主羅茨泵,直到干燥倉(cāng)壓力達(dá)到規(guī)定值。由于上述三個(gè)階段真空機(jī)組的有效抽速各不相同,因此需要對(duì)預(yù)抽時(shí)間分段計(jì)算,三段預(yù)抽時(shí)間之和即為總的預(yù)抽時(shí)間。各階段條件及計(jì)算結(jié)果如表4?？傤A(yù)抽時(shí)間為1097s,約合18min,說(shuō)明真空機(jī)組各級(jí)真空泵選用合理。2.4指示壓力控制變頻真空機(jī)組的系統(tǒng)示意及控制原理如圖2。其控制原理如下:預(yù)抽開(kāi)始時(shí),6、7采用變頻啟動(dòng),由8控制,在30s內(nèi)其工作頻率從0Hz上升到50Hz,并在50Hz下繼續(xù)工作。當(dāng)10指示壓力達(dá)到7000Pa,5采用變頻啟動(dòng),由9控制,在30s內(nèi)其工作頻率從0Hz上升到50Hz,后切換到工頻回路繼續(xù)工作。當(dāng)10指示壓力達(dá)到4000Pa,4采用變頻啟動(dòng),由9控制,在30s內(nèi)其工作頻率從0Hz上升到50Hz,后切換到工頻回路繼續(xù)工作。當(dāng)干燥倉(cāng)壓力達(dá)到工作壓力后,預(yù)抽完畢,真空機(jī)組轉(zhuǎn)入維持工作階段,此時(shí),4、5同時(shí)切換到變頻回路工作。根據(jù)10指示壓力,8、9同步調(diào)整輸出頻率,4、5、6、7同步改變轉(zhuǎn)速,從而改變真空機(jī)組的有效抽速。由于水環(huán)泵有效工作的最低頻率為30Hz,因此,當(dāng)8、9實(shí)際需要輸出頻率為30Hz以下時(shí),6關(guān)閉,9根據(jù)10的指示壓力繼續(xù)調(diào)整輸出頻率,改變4、5的轉(zhuǎn)速,8則按照9的1.5倍頻率調(diào)整輸出頻率,改變7的轉(zhuǎn)速,但無(wú)論9的輸出頻率如何,8的輸出頻率最低為30Hz。真空機(jī)組整個(gè)控制過(guò)程通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)。3外包機(jī)交流交流采集真空冷凍干燥設(shè)備中采用變頻真空機(jī)組與普通真空機(jī)組相比具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)取消了預(yù)抽機(jī)組,減少了設(shè)備一次性投資。(2)根據(jù)凍干設(shè)備工作所需有效抽速改變真空泵電機(jī)工作頻率,可以有