食品冻干机干燥速率影响因素的分析.pdf

第 2 7卷 2 0 1 2年 第 2期 4月 山 东 建 筑 大 学 学 报 j o uRNA L OF S HA NDONG J I ANZ HU UN I VER S r r Y V0 1 27 No 2 Ap r 2 01 2 文章编号： 1 6 7 3 7 6 4 4 ( 2 0 1 2 ) 0 20 1 8 9 0 4 食 品冻干机干燥速率影响因素的分析 罗南春 ， 边德海 ( 1 山东建筑大学 山东省建筑节能技术重点实验室 ， 山东 济南 2 5 0 1 0 1 ； 2 山东大众报业集团 工程部 ， 山东 济 南 2 5 0 0 1 4 ) 摘要： 本文从干燥过程的传热与传质机理及溶液结晶理论出发， 并结合干燥实验曲线， 研究了传热控制下的干 燥过程与传质控制下的干燥过程 ； 分析了在这两种过程中影响冻干机干燥速率的各个因素， 并针对这两种过 程， 指出了提高干燥速率的切实可行的措施。结果表明： ( 1 ) 影响冻干机干燥速率的因素有食品的厚度 、 干燥箱 内气体的绝对压力、 升华界面温度、 干层表面气体温度、 冷阱温度、 以及干燥前食品予冻结的方式等。( 2 ) 对于 传热控制下的干燥过程( 一般为干燥前期 ) ， 提高干燥箱内的绝对压力比较有利 ， 升华界面温度则应低一些； ( 3 ) 对于传质控制下的干燥过程( 一般为干燥后期) ， 则应降低干燥箱内的绝对压力 ， 而升华界面温度则在不超 过其崩解温度的前提下应尽可能高； 干燥箱内的压力可通过微调真空阀与电磁阀来控制。 关键词： 冻干机； 升华干燥 ； 多孔干燥层； 玻璃化冻结； 崩解温度 中图分类号 ： T K 1 7 3 文献标识码 ： A Ana l y s i s o f t he f a c t o r s a ffe c t i ng t h e d r y i ng r a t e o f f o o d f r e e z e d r y e r s L UO Na n c h u n ，BI AN De h a i ( 1 S h a n d o n g P r o v i n c i a l K e y l a b o r a t o r y o f B u i l d i n g E n e r g y S a v i n g T e c h n o l o g y ，S h a n d o n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ， J i n a n 2 5 0 1 0 1 ， C h i n a ； 2 D e p a r t m e n t o f E n s i n e e r i n g ， S h a n d o n g D a z h o n g N e w s p a p e r C o mp a n y ， J i n a n 2 5 0 0 1 4 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Ba s e d o n h e a t t r a n s f e r a n d ma s s t r a n s f e r t h e o r y a n d s o l u t i o n c ry s t a l l i z i n g t h e o ry ，wi t h t h e d ryi n g p r o c e s s c u r v e ，t h e p a p e r s t u d i e s t h e d ryi n g p r o c e s s e s u n d e r c o n t r o l o f h e a t t r a n s f e r a n d o f ma s s t r a ns f e r ，a n a l y z e s v a rio us f a c t o r s a ffe c t i n g d ryi n g r a t e d u rin g t he t wo pr o c e s s e s，a n d p o i n t s o ut t h e m e t h o d s t o i n c r e a s e d ryi n g r a t e T h e r e s u l t s s h o w：( 1 )t h e f a c t o r s a ff e c t i n g d ryi n g r a t e a r e g a s p r e s s u r e i n t h e d r y i n g b o x ，t h e t e mp e r a t u r e o f s u b l i ma t i o n s u r f a c e a n d w a t e r v a p o r c a p t u r e r s u r f a c e a n d t h e f r e e z i n g w a y b e f o r e d ryi n g ；( 2 )f o r p r o c e s s u n d e r c o n t r o l o f h e a t tr a n s f e r( g e n e r a l l y a t t h e b e g i n n i n g ) ， t e m p e r a t u r e o f t h e s u b l i m a t i o n s u r f a c e s h o u l d b e l o w a n d i n c r e a s i n g t h e p r e s s u r e o f t h e d ryi n g b o x i s a l s o a g o o d m e t h o d ；( 3 )fo r p r o c e s s u n d e r c o n t r o l o f m a s s tr a n s f e r( g e n e r al l y a t t h e l a t e r p h a s e ) ， the p res s u r e o f t h e d ryi n g b o x s h o u l d b e l o w， t e m p e r a t u r e o f s u b l i ma t i o n s u r f a c e s h o u l d b e h i g h a n d the p r e s s u r e i n t h e d r y i n g b o x c a n b e c o n t rol l e d b y u s i n g a v a c u u m v a l v e a n d a n e l e c t roma g - n e t i v alv Ke y wo r d s： f r e e z e drye r ；s ub l i ma t i o n d ryi n g；mul t i - p o r e d ryi n g l a y e r；f r e e z i ng i n t o g l a s s s t a t e；c o l l a ps e t e mpe r a t u r e 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 21 6 作者简介 ： 罗南春( 1 9 6 4一) ， 女 ， 湖南湘潭人 ， 副教授 ， 硕士 ， 研究 方向 ： 制冷 技术及 太阳能利用 E - ma i l ： b y r d s i n a c o rn 山 东 建 筑 大 学 学 报 2 0 1 2年 0 引言 冷冻干燥 ( 简称冻干) 食品无须依赖添加剂 ， 在 常温下也可以安全地贮藏较长 的时间 ， 所 以食 用安 全 、 贮藏费用低 ； 食用时其复水快 ， 一经复水其色 、 香 、 味及营养成分便可基本上恢 复到新鲜食品的状 态 ； 但是 目前 的冻干机升华干燥速率低 ， 整个冻干过 程能耗大 ， 冻干过程耗时长 ， 所 以提高冻干速率对于 减少冻干食品的成本、 提高冻干机效率至关重要。 国内外对影响冻干机干燥速率 的各个因素已进 行 了一些分析研究 ， 1 9 7 8年 ， Me l l o r 提出了循环压力 冻干法以缩短干燥时间 ， 即在干燥前半周期提高干 燥室压力 ， 而在后半期降低干燥室的压力 ； 并指出波 动的真 空 压力 比恒压 过 程更 利 于 干燥 速 率 的提 高L l J 。国内学者也对冻干过程进行 了研究 ， 但对影 响冻干机干燥速率各 因素的研究 尚不全面和系统 ， 学者们较多地从某种单一食 品人手 ， 而较少针对所 有食 品而言 J 。本 文的研 究对象 是泛指 所有食 品 ， 不但证明了 Me l l o r 的结论 ， 而且还指 出了其他可 能出现的各个因素的影响 ， 为提高干燥速率提出了 切实可行的措施 。 1 干燥过程的传热与传质 冻干机干燥箱 内的绝对压力为 1 31 3 0 P a ， 属 于中真空的范 围。食品在其 中的升华干燥过程是一 个传热与传质 同时进行的过程 。一方 面， 在冻干机 干燥箱内应向冻品提供冰升华所需潜 热 ， 此即传热 过程 ； 另一方面 ， 冻品升华界面上的冰升华成水蒸气 并通过多孔干燥层扩散到冷阱， 此即传质过程 。 图 1是辐射传热式冻干机 ( 食 品冻干机常用方 式 ) 中冻 品干燥过程的传热与传质示意图。 Q G Q G 图 1 冻干机 中冻 品的干燥过 程 1 1 传热控制下的干燥过程 图 1是常见 于食品冻干机 的传热传质模式 ， 通 过建立稳态传热热平衡方程 ， 可 以得 出如下干燥 时 间 t 的计算方程 ( 稳态传热模型 ， 用于计算误差较 大 ， 但用于定性分析不失为一种好工具 ) 。 d( W 0 ) d ( 1 一 R ) L ( 1 _ ) 2 ( 一 ) A d O t 。4 食品水分比：MR = 。 w 0 式中 ： 为食品厚度 ， h为冰 的升华潜 热 ， P 为干层 密度 ， 。 为干燥开始时食 品中水 的质量分数 ， 为 干燥结束时食品中残余水的质量分数 ， 为食 品表 面气体温度 ， 为升华界面温度 ， A 为干层热导率 ， o l 为干层表面的对流表亩传热系数。 1 2 传质控制下的干燥过程 传质平衡方程为： 从升华界面到干层表面的水蒸气扩散速率 = 从 干层表面到冷阱的水蒸气扩散速率 以此方 程为基础推 导出干燥 时间 t的计算 公 式 如下 ： =堡 8 DM P P( + 等Ol L ) ( 2 ) 。 ( ； 一 。 ) 式中 ： o t 为干层表面对流传质 系数 ， P i 为升华界面 的水蒸气压力 ， P 为冷阱表 面的水蒸气压力 ， 为 水的分子量 ， D为水蒸气扩散系数 ， 为摩尔气体常 数 ， 为冻结食品中冰的温度 。 2 影响冻干机干燥速率的因素 在冻干机 中干燥 的前期或者干层 比较薄时 ， 干 燥速率受传热控制 ； 而干燥 的后期或者干层 比较厚 时， 干燥速率受传质控制。通过公式( 1 ) 和( 2 ) 及溶 液的结晶理论 ， 分析了影响冻干机干燥速率的因素。 2 1 食品厚度的影响 从公式 ( 1 ) 和 ( 2 ) 可见 ， 无论是传热控制下还是 传质控制下的干燥过程， 食品厚度 的增加会使干 燥时间延长； 尤其是传质控制下的干燥过程， 食品厚 度 的影响更大。这是因为水蒸气要从升华界面通 过干层才能扩散至冷阱， 食品厚度越大， 相应的干层 也越厚 ； 所 以水蒸气扩散 的路程增加 ； 另一方 面， 厚 度大的食品水分含量也相应较多 ， 所 以干燥所需时 间也相应更长。所 以从提高干燥速率的角度来 看 ， 适当减少食品厚度是有利的。 2 品冻干机干燥速率影响因 1 9 l 2 2 干层密度及干燥前后食 品中水的质量分数 的 影响 从公式( 1 ) 和( 2 ) 可见， 无论是传热控制下还是