凍干設(shè)備真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

凍干設(shè)備真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1真空系統(tǒng)能耗干燥槽壓力是冷凍干燥設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱冷干設(shè)設(shè)備）的重要技術(shù)指標(biāo)，也是冷干加工過(guò)程控制的重要工藝參數(shù)。干燥倉(cāng)壓力通過(guò)真空系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),因而,真空系統(tǒng)成為凍干設(shè)備的重要組成部分,同時(shí)也是主要的耗能部分。在凍干設(shè)備運(yùn)行能耗中,真空系統(tǒng)的能耗占據(jù)了較大比例。以凍干小蔥為例,采用蒸氣系統(tǒng)加熱時(shí),真空系統(tǒng)電耗約占凍干總電耗的30%。如何能更好的滿足凍干工藝需要,同時(shí)又減低真空系統(tǒng)的運(yùn)行能耗是凍干設(shè)備研究的重點(diǎn)技術(shù)之一。為此,本文對(duì)SZDG200大型食品凍干設(shè)備真空系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)并采取了節(jié)能運(yùn)行控制方式,以達(dá)到真空系統(tǒng)節(jié)能的目的。2真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1傳統(tǒng)真空系統(tǒng)凍干設(shè)備真空系統(tǒng)特性主要包括抽水蒸氣的能力、干燥倉(cāng)空載極限真空度和干燥倉(cāng)出口處的有效抽速等技術(shù)指標(biāo)。能直接抽水蒸氣的真空泵目前并不很多,主要有水噴射泵、水蒸氣噴射泵、水環(huán)泵、濕式羅茨泵4種,其余真空泵在抽水蒸氣時(shí)必須采取一定的措施。因此,當(dāng)前凍干設(shè)備采用的真空系統(tǒng)主要分兩類,一類是采用直接抽水蒸氣的真空泵,另一類是采用水汽凝結(jié)器加真空泵的方式。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,但必須配備蒸汽鍋爐,操作不慎尚有返水現(xiàn)象;后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高,但真空度較高、運(yùn)行可靠。目前,凍干設(shè)備真空系統(tǒng)采取后者方式居多。在食品凍干過(guò)程中,干燥倉(cāng)內(nèi)壓力因受加工物料的品種、物料干燥速率等多種因素影響需要對(duì)其進(jìn)行控制。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,凍干設(shè)備所需有效抽速均小于真空機(jī)組最大有效抽速。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)設(shè)一充氣閥,通過(guò)控制外界環(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)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)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前主要以前者應(yīng)用較多。SZDG200凍干設(shè)備的真空系統(tǒng)采用了水汽凝結(jié)器加真空泵的形式,其干燥倉(cāng)壓力控制采取了控制充氣閥充氣量的方式。為此,對(duì)其真空系統(tǒng)的研究也是在此總體方案基礎(chǔ)上進(jìn)行的。2.2真空機(jī)組設(shè)計(jì)2.2.1szdg200凍干設(shè)備真空機(jī)組的特點(diǎn)(1) 預(yù)抽時(shí)間也即將干燥倉(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,一般要求在20min內(nèi),并能使干燥倉(cāng)達(dá)到一定的極限壓力。(2) 不同的物料以及在凍干過(guò)程各階段干燥倉(cāng)所需有效抽速變化較大。(3) 真空機(jī)組應(yīng)能抽除少量的水蒸氣。因此,SZDG200凍干設(shè)備真空機(jī)組采用了如下方案:(1)采用兩套相同的真空機(jī)組,一套作為預(yù)抽真空機(jī)組,一套作為維持真空機(jī)組。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,凍干過(guò)程開(kāi)始后根據(jù)需要運(yùn)行一套或兩套真空機(jī)組。(2)選用羅茨泵+羅茨泵+水環(huán)泵(帶大氣噴射泵)三級(jí)真空泵組,以便可以抽除少量水蒸氣,且極限壓力能達(dá)到10Pa。2.2.2真空機(jī)組的設(shè)計(jì)計(jì)算真空機(jī)組的最大有效抽速按滿足預(yù)抽要求來(lái)設(shè)計(jì)。下面以SZDG200型食品凍干設(shè)備為例進(jìn)行計(jì)算分析。(1)szdg200冷凍設(shè)備的參數(shù)SZDG200型凍干設(shè)備參數(shù)如表1所示。(2)噴射泵的選取真空泵選型計(jì)算按以下步驟進(jìn)行: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)選取二級(jí)泵。二級(jí)泵采用羅茨泵,其有效抽速Se可以按Se=[1/4～1/2]Sz確定。初定ZJP-300型羅茨泵為二級(jí)泵,其有效抽速Se為0.3m3/s。3)選取前級(jí)泵。前級(jí)泵采用水環(huán)泵,其有效抽速比二級(jí)羅茨泵稍小即可。因此初選SK-12水環(huán)泵為前級(jí)泵,其有效抽速為0.2m3/s。為提高其極限真空下的有效抽速,選配大氣噴射泵。各泵的性能參數(shù)如表2所示。2.3預(yù)抽階段干燥倉(cāng)預(yù)抽時(shí)間可按式(1)簡(jiǎn)化計(jì)算:t=2.3KqVSlgPiPt=2.3ΚqVSlgΡiΡ(1)式中t——抽氣時(shí)間,sV——真空系統(tǒng)容積,m3S——真空泵的名義抽速,m3/sPi——真空泵開(kāi)始抽氣時(shí)壓力,PaP——經(jīng)t時(shí)間抽氣后的壓力,PaKq——修正系數(shù)Kq與真空泵抽氣終止時(shí)的壓力P有關(guān),其值如表3所示。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)到設(shè)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所示。由表4可知,總預(yù)抽時(shí)間為927s,約合15.5min,說(shuō)明真空機(jī)組各級(jí)真空泵選用合理。3凍干過(guò)程控制流程SZDG200型凍干設(shè)備真空系統(tǒng)工作原理如圖1所示。其真空機(jī)組工作流程可以采取普通運(yùn)行控制方式和節(jié)能控制運(yùn)行方式。兩者的主要區(qū)別在于在整個(gè)凍干過(guò)程中,前者兩套真空機(jī)組始終處于運(yùn)行狀態(tài),而后者通過(guò)自動(dòng)判斷是否可以停止一套真空機(jī)組,以達(dá)到節(jié)能的目的。真空機(jī)組節(jié)能控制運(yùn)行方式的工作控制流程如下:(1)預(yù)抽階段真空機(jī)組控制流程(如圖2所示);(2)凍干過(guò)程真空系統(tǒng)控制流程(如圖3所示);(3)真空控制流程說(shuō)明。真空機(jī)組在凍干過(guò)程開(kāi)始后即開(kāi)始進(jìn)入節(jié)能運(yùn)行判斷。為減少預(yù)抽真空機(jī)組頻繁開(kāi)停機(jī),特設(shè)定每隔30min判斷一次。由于真空機(jī)組的有效抽速不能調(diào)節(jié),干燥倉(cāng)壓力通過(guò)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)充氣閥的開(kāi)度大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)中,電動(dòng)調(diào)節(jié)充氣閥由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)PLC來(lái)控制。在凍干過(guò)程中,預(yù)抽真空機(jī)組停機(jī)的順序?yàn)?關(guān)閉入口氣動(dòng)蝶閥4,停羅茨泵5、6,關(guān)閉中間氣動(dòng)蝶閥7,停水環(huán)泵10;開(kāi)機(jī)的順序?yàn)?啟動(dòng)水環(huán)泵10,開(kāi)中間氣動(dòng)蝶閥7,3min后啟動(dòng)羅茨泵5,1min后啟動(dòng)羅茨泵6,1min后開(kāi)入口氣動(dòng)蝶閥4。羅茨泵5、6延時(shí)啟動(dòng)的主要原因是必須達(dá)到羅茨泵5、6的啟動(dòng)允許壓力才能啟動(dòng),而只有真空機(jī)組的入口壓力到達(dá)工作壓力附近才能開(kāi)啟入口氣動(dòng)蝶閥4,以免影響干燥倉(cāng)壓力和維持真空機(jī)組的正常運(yùn)行。真空機(jī)組普通控制運(yùn)行方式的工作控制流程與節(jié)能控制運(yùn)行方式的區(qū)別在整個(gè)凍干過(guò)程中維持真空機(jī)組和預(yù)抽真空機(jī)組始終處于運(yùn)行狀態(tài)。4凍干過(guò)程中總運(yùn)行功率及總電耗以小蔥為凍干物料,在SZDG200型凍干設(shè)備上分別采用兩種真空機(jī)組控制運(yùn)行方式進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4前者干燥倉(cāng)壓力波動(dòng)值小,后者壓力波動(dòng)較大,但兩者凍干所需時(shí)間基本相同,約為16h。在整個(gè)凍干過(guò)程中前者兩組真空機(jī)組總的運(yùn)行功率基本保持在31.6kW,總電耗約為505.6kW·h。后者在整個(gè)凍干過(guò)程中進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行判斷,在凍干前7.5h,也即主要為升華干燥階段,需兩組真空機(jī)組同時(shí)運(yùn)行才能滿足要求,兩組真空機(jī)組總的運(yùn)行功率基本保持在31.6kW,此段時(shí)間總的電耗約為237kW·h。但在凍干后8.5h,也即主要為解析干燥階段,僅需維持真空機(jī)組運(yùn)行,此時(shí)真空機(jī)組總的運(yùn)行功率基本保持在15.8kW,此段時(shí)間總的電耗約為134.3kW·h。因此后者整個(gè)凍干過(guò)程中真空機(jī)組的總電耗約為371.3kW·h,比前者節(jié)能27%。5采用電動(dòng)調(diào)節(jié)充氣閥控制干燥倉(cāng)內(nèi)壓力(1)采用羅茨泵+羅茨泵+水環(huán)泵(帶大氣噴射泵)三級(jí)真空泵組,可以較好的