變頻技術在食品凍干過程中的應用

變頻技術在食品凍干過程中的應用

真空冷干燥（以下簡稱冷干）是世界上最先進的食品保護技術。近十多年來,凍干技術在我國得到了迅速發(fā)展。但凍干技術又有其致命的缺點,就是凍干設備投資大,使用能耗高。隨著凍干設備的國產化,其設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。在凍干設備使用能耗中,真空系統(tǒng)的能耗占據了較大比例。以凍干小蔥為例,采用蒸汽系統(tǒng)加熱時,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)能成為降低凍干產品加工能耗的重要手段。隨著變頻技術的成熟,在真空系統(tǒng)中采用變頻技術對真空系統(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備中采用變頻真空機組的方案,并將該項技術申請了國家專利。1干燥倉內壓力控制干燥倉內壓力是凍干工藝參數中的一項重要參數。在食品凍干過程中,干燥倉內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不同,其干燥倉內最高允許壓力不同;另一方面是物料的干燥速率與干燥倉內壓力有較大的關系,為了得到物料最佳干燥速率,有必要對干燥倉內的壓力進行控制;再者,在干燥過程中,物料本身產生的不凝性氣體和水蒸汽的量也在不斷變化,為維持設定的干燥倉壓力,也有必要對干燥倉內壓力進行控制。圖1是一種大蔥的凍干工藝曲線。因凍干設備所配真空機組均按凍干過程中所需最大有效抽速來設計,但在凍干過程中的大部分時間,真空機組所需有效抽速均小于最大有效抽速。為控制干燥倉內壓力,目前采用的方法主要有兩種,一種是在干燥倉體設一充氣閥,通過控制環(huán)境向干燥倉內充氣量的多少來實現。另一種是在干燥倉體與水汽凝結器之間的連通管道上安裝氣動蝶閥,通過控制氣動蝶閥的開度大小來實現。上述兩種方法雖然都能夠較好的實現對干燥倉內壓力的控制,但其真空機組始終在滿負荷狀態(tài)下工作,真空機組能耗較大。實際上完全可以通過改變真空機組的有效抽速來實現對干燥倉內壓力的控制并達到節(jié)能的目的。食品凍干設備真空機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矩負載,其有效抽速及消耗功率與轉速的關系可以用式(1)表示:式(1)中:S1、S2—真空泵有效抽速,L/s;n1、n2—真空泵轉速,r/min;f1、f2—真空泵工作電源頻率,Hz;P1、P2—真空泵運行功率,kW。式(1)說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,通過改變真空泵電源頻率既可以控制干燥倉壓力也可以相應降低真空機組的消耗功率。2真空調整個組的設計2.1食品凍干真空機組的制備方案在設計凍干設備真空機組時,必須考慮以下幾方面的問題:(1)預抽時間即將干燥倉從大氣壓(1.013×105Pa)抽到工作壓力(按133Pa考慮)所需時間應盡量短,一般控制在20min內,并能使干燥倉達到一定的極限壓力。(2)預抽所需有效抽速遠比維持所需有效抽速大。(3)真空機組應能抽除少量的水蒸汽。因此,大多數食品凍干設備真空機組采用如下方案:(1)專門配備一套預抽真空機組(也可以多套干燥倉共用)。在預抽階段,預抽真空機組和維持真空機組同時工作,當干燥倉壓力達到工作壓力后,預抽真空機組停機,維持真空機組繼續(xù)工作。(2)選用羅茨泵+羅茨泵+水環(huán)泵(帶大氣噴射泵)三級泵組,以便可以抽除少量水蒸汽,且極限壓力能達到1Pa。2.2真空機組三級泵組變頻真空機組的有效抽速可以在較大的范圍內調節(jié),因此可以采用一套真空機組,它既作為預抽機組,也作為維持機組。真空機組的最大有效抽速按滿足預抽要求來設計。真空機組的形式仍采用羅茨泵+羅茨泵+水環(huán)泵(帶大氣噴射泵)三級泵組。下面以某廠SZDG200型食品凍干設備為例進行計算分析。2.2.1szdg200食品冷凍設備的參數某廠SZDG200型食品凍干設備參數如表1。2.2.2水環(huán)泵前級泵真空泵選型計算按以下步驟:(1)選取主泵。按照經驗,初選ZJP-1200型羅茨泵作為主泵,其有效抽速Sz為1.2m3/s。(2)選取前級泵。前級泵采用水環(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SK-12并聯,其單臺有效抽速為0.2m3/s,可以根據實際需要停其中一臺。二級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型羅茨泵作為二級泵,其有效抽速為0.6m3/s。各泵的性能參數如表2。2.3單次抽氣時間干燥倉預抽時間可以按式(2)簡化計算:t=2.3KqVSlgPiPt=2.3ΚqVSlgΡiΡ(2)式(2)中:t—抽氣時間,s;V—真空系統(tǒng)容積,m3;S—真空泵的名義抽速;Pi—真空泵開始抽氣時壓力;P—經t時間抽氣后的壓力;Kq—修正系數,與真空泵抽氣終止時的壓力P有關,其值如表3。在預抽階段,各級真空泵的啟動條件不一樣,啟動是按如下程序進行的。首先是在大氣壓下前級水環(huán)泵啟動,當干燥倉壓力降到一定值時,啟動二級羅茨泵,當干燥倉壓力繼續(xù)降到一定值時,啟動主羅茨泵,直到干燥倉壓力達到規(guī)定值。由于上述三個階段真空機組的有效抽速各不相同,因此需要對預抽時間分段計算,三段預抽時間之和即為總的預抽時間。各階段條件及計算結果如表4?？傤A抽時間為1097s,約合18min,說明真空機組各級真空泵選用合理。2.4指示壓力控制變頻真空機組的系統(tǒng)示意及控制原理如圖2。其控制原理如下:預抽開始時,6、7采用變頻啟動,由8控制,在30s內其工作頻率從0Hz上升到50Hz,并在50Hz下繼續(xù)工作。當10指示壓力達到7000Pa,5采用變頻啟動,由9控制,在30s內其工作頻率從0Hz上升到50Hz,后切換到工頻回路繼續(xù)工作。當10指示壓力達到4000Pa,4采用變頻啟動,由9控制,在30s內其工作頻率從0Hz上升到50Hz,后切換到工頻回路繼續(xù)工作。當干燥倉壓力達到工作壓力后,預抽完畢,真空機組轉入維持工作階段,此時,4、5同時切換到變頻回路工作。根據10指示壓力,8、9同步調整輸出頻率,4、5、6、7同步改變轉速,從而改變真空機組的有效抽速。由于水環(huán)泵有效工作的最低頻率為30Hz,因此,當8、9實際需要輸出頻率為30Hz以下時,6關閉,9根據10的指示壓力繼續(xù)調整輸出頻率,改變4、5的轉速,8則按照9的1.5倍頻率調整輸出頻率,改變7的轉速,但無論9的輸出頻率如何,8的輸出頻率最低為30Hz。真空機組整個控制過程通過PLC實現。3外包機交流交流采集真空冷凍干燥設備中采用變頻真空機組與普通真空機組相比具有如下優(yōu)點:(1)取消了預抽機組,減少了設備一次性投資。(2)根據凍干設備工作所需有效抽速改變真空泵電機工作頻率,可以有