張衛(wèi)鵬 鄭志安 陳 暢 潘忠禮

(1.北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100048； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083；3.加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系， 戴維斯 CA 95616)

0 引言

茯苓(Poriacocos)是一種藥食兩用的中草藥，為多孔菌類植物的菌核，常寄生于赤松或馬尾松根部，又稱茯靈、萬桂靈等。新鮮茯苓采摘后需要依次經(jīng)過發(fā)汗、剝皮、切制、干燥4個(gè)炮制加工環(huán)節(jié)，干燥環(huán)節(jié)直接決定茯苓丁藥材的形態(tài)、貨架期以及市場價(jià)格。新鮮茯苓切制成茯苓丁后，常通過自然晾曬和熱風(fēng)干燥進(jìn)行脫水。自然晾曬需3～7 d，如天氣不好，容易霉變。熱風(fēng)干燥會(huì)導(dǎo)致茯苓丁內(nèi)外水分分布不均，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，引起茯苓丁的破裂，嚴(yán)重影響了茯苓的工業(yè)化生產(chǎn)。

為降低茯苓丁破碎率，間歇式熱風(fēng)干燥在茯苓丁生產(chǎn)中也有部分應(yīng)用。如茯苓丁干燥全過程都保持較高干燥溫度，物料表面脫水較快，容易導(dǎo)致有效成分降解和結(jié)殼等現(xiàn)象；而間歇式干燥通過連續(xù)的“干燥-緩蘇”，實(shí)現(xiàn)能量間歇式供應(yīng)，有利于物料內(nèi)部水分向外均勻傳遞，但干燥總時(shí)間超過24 h，干燥效率有待提高。水分沸點(diǎn)隨真空度的降低而降低，因此，真空干燥可在較低干燥溫度下，實(shí)現(xiàn)物料的快速脫水，并可有效改善物料熱應(yīng)力分布狀況[1]。真空干燥全過程采用恒定真空度，容易使物料表面的水蒸氣分壓與干燥室內(nèi)的水蒸氣分壓處于平衡狀態(tài)，從而降低濕度梯度和物料的脫水效率[2]。通過調(diào)控干燥室壓力，可不斷打破這種水分平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)干燥能量的間歇式供給，從而提高干燥效率和干燥品質(zhì)[3～5]。文獻(xiàn)[6]提出了真空脈動(dòng)干燥技術(shù)，并將其推廣到枸杞[7]、葡萄[8]等漿果類物料的干燥中。文獻(xiàn)[9]對(duì)比了不同干燥方式對(duì)茯苓丁干燥特性的影響，發(fā)現(xiàn)真空脈動(dòng)干燥方式較優(yōu)。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了真空脈動(dòng)干燥樣機(jī)，該樣機(jī)可對(duì)真空干燥時(shí)間、常壓干燥時(shí)間、干燥溫度等參數(shù)進(jìn)行多樣化的設(shè)定和調(diào)控。但試驗(yàn)裝置有效加熱面積僅為1 m2左右，需進(jìn)一步進(jìn)行中試試驗(yàn)驗(yàn)證，為工業(yè)化的推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

熱輻射不需要傳遞介質(zhì)，因此在真空干燥領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。常見真空干燥箱多借助通有過熱蒸汽或熱水的盤管對(duì)物料進(jìn)行加熱，但熱水盤管不耐腐蝕，使用壽命有限，一般3年左右需進(jìn)行維修更換[11]。如采用電加熱板、電加熱管對(duì)物料進(jìn)行加熱，設(shè)備投資成本過高，目前多見于真空冷凍干燥裝置。上述加熱部件結(jié)構(gòu)體積較大，對(duì)應(yīng)的料架層與層之間的距離通常大于80 mm，限制了裝載量的提升。紅外輻射作為熱輻射的一種，能量可直接與水分耦合，且能穿透物料表面(厚度一般小于2 mm)，可有效提高干燥效率[12]，目前已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域[13-18]。常用紅外加熱器為石英電加熱管，輻射溫度通常高于400℃，需要對(duì)應(yīng)的安全防護(hù)裝置和定向輻射裝置。工業(yè)領(lǐng)域所用的天然氣紅外輻射加熱器無法在真空狀態(tài)下使用，而由碳纖維制作的紅外加熱板，220 V電壓下即可激勵(lì)紅外線，目前在電采暖等民用領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[19]對(duì)該發(fā)熱材料在熱風(fēng)和真空干燥領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)其具有升溫速度快、溫度調(diào)控便捷的優(yōu)勢。

為解決茯苓丁熱風(fēng)干燥時(shí)間長、破碎率高的問題，本文結(jié)合真空脈動(dòng)干燥技術(shù)和碳纖維紅外板加熱技術(shù)，針對(duì)茯苓丁工業(yè)化生產(chǎn)的加工需求，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的中試干燥裝置。以茯苓丁為試驗(yàn)原料，進(jìn)行中試驗(yàn)證試驗(yàn)，并與工業(yè)生產(chǎn)過程中采集的熱風(fēng)干燥數(shù)據(jù)相對(duì)比，分析干燥速率、能耗、茯苓丁破碎率等指標(biāo)，為真空脈動(dòng)干燥技術(shù)、碳纖維紅外板加熱技術(shù)的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

真空脈動(dòng)干燥中試裝置由真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)3部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，真空系統(tǒng)由2BV2070型水循環(huán)式真空泵(上海萬經(jīng)泵業(yè)制造有限公司)、FNF-2.8/13型冷凝器(佛山市科威力制冷設(shè)備有限公司)、JXB50型氣體捕集器(上海將星化工設(shè)備有限公司)、干燥室(南京騰飛干燥裝備有限公司)組成。其中，氣體捕集器可利用低溫冷壁來捕集物料干燥過程蒸發(fā)的可凝性蒸氣，縮短真空抽氣時(shí)間。干燥室外部管道上連接有GU-20G型破空電磁閥(上海威爾頓閥門制造有限公司)以及對(duì)應(yīng)的輔助空氣加熱裝置。料架上安裝有多組加熱模塊，每個(gè)加熱模塊由碳纖維紅外板(上海熱麗科技集團(tuán)總公司)、T形框架(南京騰飛干燥裝備有限公司)、PT100型溫度傳感器(深圳市華偉熱電偶有限公司，精度±0.2℃)等組合而成?？刂葡到y(tǒng)采用“主-從機(jī)”模式，以MT6070iH型觸摸屏為主機(jī)(威綸通科技有限公司)；各個(gè)從機(jī)模塊、PT100型溫度傳感器、MIK-P300型壓力傳感器(杭州美控自動(dòng)化技術(shù)有限公司，精度等級(jí)0.1%)、信號(hào)變送器(浙江天康電子有限公司)組成對(duì)應(yīng)的從機(jī)系統(tǒng)。

圖1 真空干燥中試裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of infrared vacuum drying equipment1.干燥室 2.料架 3.破空電磁閥 4.輔助空氣加熱裝置 5.單向閥 6.底座 7.真空泵 8.冷凝水箱 9.冷凝器 10.水泵 11.氣體捕集器 12.排污閥 13.配電柜 14.多層警示燈

盡管箱式真空干燥室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但內(nèi)部空間利用率高，適合矩形料盤的裝卸。因此，選用4 mm厚304不銹鋼板和16號(hào)槽鋼焊接干燥箱。干燥室內(nèi)部料架多層，較適合農(nóng)產(chǎn)物料的薄層靜態(tài)干燥。干燥室右側(cè)安裝有配電柜，通過WS28-24型航空插頭(廣州市威浦機(jī)電有限公司)連接箱體內(nèi)部的電源線、信號(hào)線，并保證其密封性。

1.2 工作原理

工作過程中，該裝置干燥室內(nèi)壓力變化呈高低變化趨勢。如圖2所示，一個(gè)完整的脈動(dòng)變化周期由常壓保持時(shí)間ta和真空保持時(shí)間tv組成。d、e分別為常壓保持時(shí)間ta起點(diǎn)、終點(diǎn)；a、d分別為真空保持時(shí)間tv起點(diǎn)、終點(diǎn)。為便于論述，具體的脈動(dòng)變化過程可分為ab抽真空階段、bc真空保持階段、cd破空階段、de常壓階段。由于傳感器信號(hào)采集和信號(hào)傳遞誤差，實(shí)際工作過程中干燥室壓力在92～101 kPa和0～6 kPa之間交替變化。

圖2 真空-常壓脈動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum and atmospheric pressure

抽真空時(shí)，破空電磁閥關(guān)閉，單向閥自動(dòng)打開，在ab段，干燥室內(nèi)壓力迅速達(dá)到額定真空度。而后，真空泵停止工作，單向閥自動(dòng)處于關(guān)閉狀態(tài)，防止真空泵內(nèi)冷凝水倒吸于干燥室；bc段真空保持時(shí)間結(jié)束后進(jìn)入cd段，此時(shí)，破空電子閥打開，外界空氣經(jīng)過輔助空氣加熱裝置進(jìn)入干燥室，干燥室壓力恢復(fù)至常壓狀態(tài)；de段常壓保持時(shí)間結(jié)束后，破空電磁閥關(guān)閉，真空泵再次啟動(dòng)，開始下一個(gè)真空循環(huán)過程。其中，本文ab段、cd段時(shí)間通常需要小于2 min。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與選型

2.1 加熱元件選型

如圖3a所示，碳纖維紅外板加熱元件由保護(hù)層、基質(zhì)層、發(fā)熱層組成。發(fā)熱層為碳纖維導(dǎo)電紙，基質(zhì)層為環(huán)氧樹脂玻璃布，保護(hù)層為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯樹脂。碳纖維導(dǎo)電紙上下覆蓋基質(zhì)層，再覆蓋保護(hù)層，在熱壓機(jī)上經(jīng)高溫、高壓，并在黏合劑作用下融合而成。厚度為2～3 mm，可水洗，耐腐蝕。碳纖維導(dǎo)電紙兩端有金屬電極，220 V下通電可迅速激發(fā)波長為5～15 μm的紅外波。為防止加熱板過熱被擊穿，表面黏貼熱電偶溫度傳感器，用于加熱板溫度的調(diào)控。中試裝置所用加熱板尺寸如圖3b所示，總體尺寸為600 mm×900 mm，適宜輻射間距為20～50 mm。單塊發(fā)熱功率約為500 W，最高發(fā)熱溫度為120℃，但周圍有20 mm寬的非加熱區(qū)域。

圖3 碳纖維紅外板實(shí)物圖與溫度場分布圖Fig.3 Photos of carbon crystal infrared plate1.基質(zhì)層和保護(hù)層 2.電極 3.電極結(jié)點(diǎn) 4.碳纖維導(dǎo)電紙 5.溫度傳感器

2.2 加熱模塊設(shè)計(jì)與安裝

碳纖維紅外板厚度較小，長時(shí)間加熱，容易產(chǎn)生形變，引起干燥不均。因此，加熱模塊的設(shè)計(jì)既要保證料盤裝卸方便、又要兼顧物料受熱均勻性，同時(shí)便于后期的安裝和維護(hù)。將碳纖維紅外板和料盤通過支撐架集成為一體，構(gòu)成一個(gè)完整的干燥模塊。具體有橫向安裝、縱向安裝兩種方案供選擇。

橫向安裝方案如圖4a所示，支撐架上部空間有效寬度604 mm×904 mm，碳纖維紅外板沿圖中虛線方向垂直嵌入支撐架，通過框架邊框和中間橫梁的支撐，避免其受熱后在重力作用下向內(nèi)凹陷。單個(gè)料盤尺寸為430 mm×560 mm，可橫向推進(jìn)支撐架內(nèi)。

圖4 橫向安裝與縱向安裝模塊設(shè)計(jì)Fig.4 Design of horizontal installation module and longitudinal installation module1.碳纖維紅外板 2.支撐架 3.料盤 4.主支撐架 5.懸掛支撐架 6.加強(qiáng)板 7.長擋塊 8.短擋塊

縱向安裝如圖4b所示，料架的主支撐架由10 mm×20 mm的304不銹鋼扁管焊接而成，懸掛支撐架、長擋塊由304不銹鋼鈑金折彎而成，其中懸掛支撐架為U形，左右對(duì)稱焊接在主支撐架上，懸掛支撐架的U形開口間距不同，輻射距離也不同。料盤為矩形，兩邊帶有“擔(dān)邊”。料盤的“擔(dān)邊”與懸掛支撐架貼合，可沿料盤虛線箭頭所示方向，手動(dòng)推進(jìn)主支撐架內(nèi)，短擋塊限定料盤的移動(dòng)位置；碳纖維紅外板與主支撐架上表面貼合，可沿實(shí)線箭頭所示方向，手動(dòng)推進(jìn)支撐架內(nèi)，長擋塊限制碳纖維紅外板的移動(dòng)位置。加強(qiáng)板焊接在主支撐架中心線處，避免碳纖維紅外板受熱向下凹陷，保證與料盤的平行度。碳纖維紅外板和料盤沿相反方向推進(jìn)，保證二者裝卸時(shí)互不干擾，二者之間的間距為30 mm。結(jié)合干燥室的具體結(jié)構(gòu)，本文中試裝置選用縱向安裝模塊。將制作好的縱向模塊，共10層，以25 mm的間距逐層焊接在料架上。

2.3 輔助熱風(fēng)加熱裝置的設(shè)計(jì)

真空脈動(dòng)循環(huán)過程中，外界干空氣連續(xù)進(jìn)入干燥室，當(dāng)進(jìn)氣溫度低于干燥室內(nèi)部空氣對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，干燥室內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生冷凝水，不利于干燥進(jìn)行。輔助熱風(fēng)裝置，一方面可加熱進(jìn)入干燥室內(nèi)的冷空氣，另一方面過濾空氣中的灰塵等雜質(zhì)。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由空氣過濾器、電加熱管、保溫殼體組成。外界空氣經(jīng)空氣過濾器和進(jìn)氣口進(jìn)入加熱室，沿著箭頭所示方向，依次經(jīng)過各個(gè)U形加熱管表面，經(jīng)出氣口排進(jìn)干燥室。開啟時(shí)，可將外界冷空氣加熱到30℃以上。U形加熱管間隔布置，延長空氣流過加熱管的路徑和時(shí)間，促進(jìn)空氣升溫，加熱管選配功率為2 kW。

圖5 輔助熱風(fēng)加熱裝置Fig.5 Assist-hot air heating device1.空氣過濾器 2.進(jìn)氣口 3.出氣口 4.電加熱管 5.隔板 6.保溫殼體

2.4 真空泵和冷凝器的選型

該真空干燥系統(tǒng)對(duì)抽氣時(shí)間要求較為嚴(yán)格，干燥室抽真空時(shí)間應(yīng)小于2 min，真空泵的選型根據(jù)有效抽速Sey確定[20-21]，公式為

(1)

式中Q——總氣流量，Pa·m3/s

Pg——干燥室額定真空度，kPa

若實(shí)際抽速Se>KeSey，Ke為主泵抽速損失系數(shù)，取2～2.5，則選用合理。經(jīng)計(jì)算，本裝置選用2BV2070型水環(huán)式真空泵。

該中試裝置冷凝器傳熱面積可根據(jù)冷凝負(fù)荷和單位面積熱負(fù)荷確定，傳熱面積計(jì)算公式[22-23]為

(2)

式中A——冷凝器換熱設(shè)備面積，m2

Qh——換熱設(shè)備傳熱量，約等于碳纖維紅外板的總額定功率，取5 000 W

Δtm——對(duì)數(shù)平均溫差，取18.03 K

K——冷凝壁傳熱系數(shù)，取29～35 W/(m2·K)

A′——冷卻風(fēng)機(jī)補(bǔ)償面積，m2

最終求出換熱面積在3.57～4.3 m2之間。因此，確定冷凝器型號(hào)FNH4.4，換熱面積4.4 m2，可滿足系統(tǒng)需求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是該干燥裝置的核心部分，需要有干燥室壓力調(diào)控、溫度調(diào)控等功能。如圖6a所示，將控制系統(tǒng)的硬件按照功能，劃分為加熱板溫度控制模塊、溫濕度監(jiān)測模塊、溫度/壓力參數(shù)采集模塊、質(zhì)量監(jiān)測模塊、脈動(dòng)控制模塊等。對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡、稱量儀表、從機(jī)模塊等，分別設(shè)定不同的從機(jī)地址(0x01～0x0B)。觸摸屏MT6070iH通過RS485串口依據(jù)MODBUS協(xié)議與從機(jī)進(jìn)行通訊。

溫度、壓力傳感器信號(hào)經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成0～5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、軟件濾波后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。主機(jī)向各個(gè)從機(jī)循環(huán)發(fā)送“讀取”指令。主機(jī)對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合邏輯判斷，發(fā)送指令到溫控模塊，執(zhí)行PID控制程序調(diào)控加熱板溫度。主機(jī)根據(jù)讀取的干燥室壓力和設(shè)定的真空保持時(shí)間、常壓保持時(shí)間，發(fā)送指令到從機(jī)模塊，控制真空泵和冷凝器的運(yùn)行。主機(jī)向稱量儀表發(fā)送“讀取”指令，獲取干燥過程物料質(zhì)量變化。同時(shí)，采集真空干燥室內(nèi)的溫度和濕度變化。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1界面設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)具體包括系統(tǒng)界面及宏指令程序兩部分，干燥裝備通過觸摸屏人機(jī)交互界面輸入、顯示試驗(yàn)參數(shù)，觸摸屏主界面使用Easybuilter 8000 軟件編制。主界面如圖6b所示，界面可顯示干燥過程中碳纖維紅外板溫度、干燥時(shí)間等參數(shù)；并可以設(shè)置真空保持時(shí)間、常壓保持時(shí)間、干燥總時(shí)間等參數(shù)。宏指令庫具體包括干燥計(jì)時(shí)、壓力脈動(dòng)控制等程序。

圖6 控制系統(tǒng)硬件組成和觸摸屏界面Fig.6 Structural diagrams of control system

3.2.2脈動(dòng)壓力變化過程的實(shí)現(xiàn)

觸摸屏控制系統(tǒng)基于干燥室內(nèi)壓力狀態(tài)監(jiān)測，對(duì)裝備進(jìn)行時(shí)序控制，具體邏輯判斷過程如圖7所示。通過讀取狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)位以及相關(guān)的邏輯判斷語句，控制破空電磁閥的開關(guān)/閉合，完成壓力的調(diào)控。

主機(jī)首先獲取干燥室內(nèi)壓力參數(shù)及設(shè)定的循環(huán)次數(shù)N，并判斷處于何種狀態(tài)。當(dāng)N≥0時(shí)，狀態(tài)標(biāo)志位設(shè)置為ab抽真空狀態(tài)，破空電磁閥關(guān)閉，真空泵、冷凝器開始工作，干燥室內(nèi)真空度持續(xù)上升；達(dá)到額定真空度時(shí)，狀態(tài)標(biāo)志位切換為bc真空保持階段；bc段結(jié)束時(shí)，狀態(tài)標(biāo)志位切換為cd破空階段，真空泵、冷凝器停止工作，破空電磁閥打開，干燥室壓力快速恢復(fù)到額定常壓狀態(tài)；當(dāng)de常壓階段計(jì)時(shí)結(jié)束，狀態(tài)標(biāo)志位再循環(huán)切換為ab抽真空狀態(tài)，并將總循環(huán)次數(shù)減1，執(zhí)行循環(huán)判斷語句，直至總循環(huán)次數(shù)N變?yōu)?。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用的茯苓采自安徽省金寨縣。如圖8所示，新鮮茯苓經(jīng)過兩次人工去皮、切制后，選取無邊角破損的茯苓丁作為試驗(yàn)原料。其中，人工去除褐色外皮，最終切制為邊長為12 mm的立方體。初始濕基含水率為(51.0±0.4)% (干燥法，105℃干燥24 h)。所用真空脈動(dòng)紅外干燥裝置如圖9所示，通過自動(dòng)稱量系統(tǒng)檢測干燥過程物料質(zhì)量變化，當(dāng)茯苓丁濕基含水率小于18%時(shí)停止干燥試驗(yàn)；每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為結(jié)果。具體試驗(yàn)方案如表1所示，結(jié)合預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定干燥溫度為65℃，試驗(yàn)分為A、B組，分別研究真空保持時(shí)間、常壓保持時(shí)間對(duì)茯苓丁干燥過程的影響，以及干燥室內(nèi)部相對(duì)濕度變化規(guī)律。

圖7 真空脈動(dòng)控制系統(tǒng)流程圖Fig.7 Flow-process diagram of pulsed vacuum control system

圖8 茯苓丁切制過程Fig.8 Cutting process of Poria cocos cubes1.茯苓 2.一次去皮 3.二次去皮 4.切片部分 5.切丁部分 6.茯苓片 7.茯苓丁

圖9 真空脈動(dòng)干燥箱Fig.9 Pulsed vacuum drying equipment1.干燥箱 2.冷凝器 3.料架 4.真空泵 5.控制箱

試驗(yàn)編號(hào)試驗(yàn)條件加熱板溫度/℃真空保持時(shí)間/min常壓保持時(shí)間/min6524A65546515465(恒真空)06552B65546558

注：茯苓丁裝載密度為8 kg/m2。

4.2 參數(shù)計(jì)算

4.2.1水分比

干燥過程中的干燥曲線采用水分比隨干燥時(shí)間變化的曲線。不同干燥時(shí)間水分比的計(jì)算可簡化為[24]

(3)

式中M0——物料初始干基含水率，g/g

Mt——物料在t時(shí)刻的干基含水率，g/g

干基含水率計(jì)算公式[25-26]為

(4)

式中Wt——在任意干燥t時(shí)刻的總質(zhì)量，g

WG——干物質(zhì)質(zhì)量，g

4.2.2破碎率

干燥后的茯苓丁采用LSSM-150型振動(dòng)篩(安徽順天機(jī)械制造有限公司)區(qū)分為3個(gè)等級(jí)，具體結(jié)果如圖10所示，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)產(chǎn)品特點(diǎn)如下：一級(jí)品，立方體外形基本完整、質(zhì)地緊實(shí)、邊角有部分缺陷，切面有凸凹洼點(diǎn)或少量裂隙，部分茯苓丁顏色黃白、間或有黃斑，長、寬、高在12 mm 以內(nèi)，無不規(guī)則碎片、粉末、雜質(zhì)、霉變；二級(jí)品，為在干燥過程中產(chǎn)生的不完整茯苓塊、破碎的邊角等，白色或灰白色的大小碎塊或碎屑，無粉末、雜質(zhì)；三級(jí)品，為茯苓篩選后殘余的細(xì)小碎粒及粉末、無大塊碎片，顏色潔白。人工稱量后，計(jì)算各個(gè)等級(jí)產(chǎn)品所占百分比。

圖10 茯苓等級(jí)劃分及類別Fig.10 Types and grades of dried Poria cocos cubes

5 結(jié)果與分析

5.1 壓力參數(shù)對(duì)干燥過程的影響

干燥溫度65℃，常壓保持時(shí)間4 min，真空保持時(shí)間2、5、15 min以及恒真空條件下茯苓丁干燥曲線如圖11a所示。不同干燥條件達(dá)到目標(biāo)含水率的干燥時(shí)間分別為500、480、520、560 min。真空保持時(shí)間5 min時(shí)，茯苓丁干燥時(shí)間最短，干燥總時(shí)間比恒真空縮短80 min，這首先證明了真空保持時(shí)間過長，不利于干燥效率的提高。真空保持時(shí)間2 min時(shí)，干燥總時(shí)間也會(huì)增加，這表明真空脈動(dòng)干燥過程中，起主導(dǎo)作用的依然是真空干燥；常壓保持時(shí)間一定時(shí)，過短的真空保持時(shí)間也不利于干燥進(jìn)行。從這個(gè)角度來說，真空脈動(dòng)干燥可被認(rèn)為是真空干燥的特例。

圖11 不同真空保持時(shí)間和常壓保持時(shí)間下茯苓丁水分比變化曲線Fig.11 Drying curves of Poria cocos cubes at different vacuum duration and atmospheric duration

真空保持時(shí)間5 min，常壓保持時(shí)間2、4、8 min，65℃干燥條件下，干燥曲線如圖11b所示。干燥時(shí)間分別為510、480、545 min。表明過長或過短的常壓保持時(shí)間，均會(huì)增加干燥總時(shí)間。與常壓保持時(shí)間4 min相比，8 min干燥條件下，茯苓丁干燥總時(shí)間增加約65 min。這是因?yàn)槌罕３謺r(shí)間過長，外界濕度較低的干空氣進(jìn)入箱體后，箱體與外界無氣流流動(dòng)，茯苓丁蒸發(fā)的水蒸氣積聚在箱體內(nèi)，減緩干燥速率。當(dāng)常壓保持時(shí)間縮短為2 min時(shí)，干燥時(shí)間也會(huì)增加。一方面因?yàn)槌罕３謺r(shí)間過短，茯苓丁未吸收足夠多的熱量，茯苓丁內(nèi)部溫度較低。當(dāng)下一個(gè)真空階段來臨時(shí)，茯苓丁內(nèi)部水分不能快速蒸發(fā)。另一方面，當(dāng)常壓時(shí)間過短時(shí)，箱體內(nèi)部的空氣尚未飽和，就被真空泵抽走，干燥室內(nèi)部頻繁的氣流更替不利于干燥進(jìn)行。表明真空脈動(dòng)干燥需要合適的常壓保持時(shí)間，既能維持物料升溫，又能適時(shí)打破箱體內(nèi)部水蒸氣的平衡狀態(tài)。因此，常壓保持時(shí)間4 min、真空保持時(shí)間5 min，干燥時(shí)間最短。

最佳真空保持時(shí)間、常壓保持時(shí)間的選擇，可從另外一個(gè)角度解析。如圖12所示，該曲線為干燥溫度65℃、真空保持時(shí)間15 min、常壓保持時(shí)間4 min時(shí)，干燥室內(nèi)部溫度、相對(duì)濕度變化曲線；其中，e、f點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)真空保持時(shí)間5、10 min干燥室壓力切換時(shí)間點(diǎn)。在破空階段cd段，由于外界的不飽和干空氣進(jìn)入干燥室，相對(duì)濕度明顯下降；抽真空階段ab段，干燥室內(nèi)高濕的熱空氣被真空泵抽出，溫度、相對(duì)濕度也會(huì)下降；在常壓階段de段、真空保持階段bc段的前期，相對(duì)濕度均快速增加，表明切換干燥室壓力后可提高水分蒸發(fā)速率；后期相對(duì)濕度變化趨勢平緩，表明茯苓丁經(jīng)歷快速脫水后進(jìn)入濕度平衡狀態(tài)。此時(shí)需切換干燥室壓力，可再次提高水分蒸發(fā)速率。如果在e、f點(diǎn)切換干燥室壓力，會(huì)縮短干燥總時(shí)間；沿a′點(diǎn)繼續(xù)延長真空保持時(shí)間，相對(duì)濕度依然處于平衡狀態(tài)，會(huì)延長干燥總時(shí)間。同理，沿c點(diǎn)繼續(xù)延長常壓保持時(shí)間，依然會(huì)延長干燥總時(shí)間。因此，干燥室壓力的切換與干燥過程中相對(duì)濕度變化有關(guān)。微觀時(shí)間尺度內(nèi)干燥室內(nèi)部相對(duì)濕度變化，可實(shí)時(shí)反映干燥過程物料水分蒸發(fā)情況。但關(guān)于干燥過程相對(duì)濕度變化的報(bào)道主要集中在熱風(fēng)干燥領(lǐng)域，相對(duì)濕度變化對(duì)真空干燥過程質(zhì)熱傳遞的影響機(jī)理，需進(jìn)一步研究[27-28]。

圖12 壓力參數(shù)對(duì)干燥室內(nèi)部溫度、相對(duì)濕度變化曲線的影響Fig.12 Effect of pressure parameters on drying chamber temperature and relative humidity changing curves

5.2 脈動(dòng)過程對(duì)干燥室內(nèi)部溫度、相對(duì)濕度的影響

干燥溫度65℃、真空保持時(shí)間5 min、常壓保持時(shí)間4 min時(shí)，干燥全過程中干燥室內(nèi)部溫度、相對(duì)濕度曲線如圖13所示，干燥室內(nèi)部溫度變化范圍30～62℃，干燥室內(nèi)部相對(duì)濕度升高到約60%后開始快速下降。這是因?yàn)楦稍锴捌?，茯苓丁?nèi)部水分充足，受熱后快速蒸發(fā)，干燥室內(nèi)部濕度也隨之升高。而隨著干燥進(jìn)行，茯苓丁含水率逐漸降低，脫水困難，相對(duì)濕度逐漸降低。由此可知，真空干燥室內(nèi)部相對(duì)濕度變化可反映物料脫水狀況，但進(jìn)氣溫度應(yīng)不能低于干燥室溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，以避免干燥室內(nèi)部產(chǎn)生冷凝水。

圖13 干燥全過程中干燥室內(nèi)部溫度、相對(duì)濕度變化曲線Fig.13 Chamber temperature and relative humidity changing curves during whole drying process

5.3 破碎率對(duì)比分析

如圖14所示，真空脈動(dòng)紅外干燥技術(shù)下，一、二、三級(jí)所占百分比分別為83.63%、13.40%、2.97%；而熱風(fēng)干燥的產(chǎn)品，其一、二、三級(jí)產(chǎn)品所占百分比分別為55.12%、31.93%、12.95%。這表明真空脈動(dòng)紅外干燥可顯著提高干燥茯苓丁完整性和成品率，降低二、三級(jí)產(chǎn)品百分比，并提高一級(jí)產(chǎn)品百分比。裝載密度均為8 kg/m2，真空脈動(dòng)紅外干燥、熱風(fēng)干燥技術(shù)下，干燥單位新鮮茯苓的時(shí)間分別約為7、10 h，能耗分別約為1.27、0.85 kW/kg。盡管真空脈動(dòng)紅外干燥能耗較高，但干燥時(shí)間和干燥品質(zhì)明顯高于熱風(fēng)干燥，而且產(chǎn)品等級(jí)明顯提升，證明該干燥技術(shù)的可行性。該試驗(yàn)裝置的裝載量同熱風(fēng)干燥相比，依然差距較大，后期需進(jìn)一步優(yōu)化各個(gè)零部件的功率配比，降低能耗。圖14b為新鮮茯苓，由于水分充足，表面平整，圖14c、14d分別為真空脈動(dòng)紅外干燥、熱風(fēng)干燥后茯苓丁的典型代表，圖14c中茯苓丁表面無裂紋，質(zhì)地緊實(shí)；圖14d中茯苓丁呈現(xiàn)出貫穿到表面的裂紋，導(dǎo)致產(chǎn)品硬度下降，影響其外觀。

圖14 不同干燥技術(shù)下茯苓丁加工狀況Fig.14 Processing status of Poria cocos cubes by different drying methods

6 結(jié)論

(1)所設(shè)計(jì)的橫向安裝、縱向安裝模塊，將碳纖維紅外板和料架相結(jié)合，有效提高物料裝載率，并可有效克服碳纖維紅外板加熱過程中的變形、凹陷問題，保證發(fā)熱面與茯苓丁之間輻射間距的一致性，碳纖維紅外板到料盤的輻射間距30 mm、上下模塊間距25 mm時(shí)，干燥效果較佳。

(2)基于“主-從機(jī)”模式設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，將各從機(jī)模塊和上位機(jī)觸摸屏集成為一體，基于干燥室內(nèi)真空度狀態(tài)監(jiān)測，對(duì)裝備進(jìn)行時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)干燥室內(nèi)“真空-常壓”的連續(xù)轉(zhuǎn)換?；趯?duì)碳纖維紅外板溫度的監(jiān)測，結(jié)合對(duì)干燥溫度的有效調(diào)控，對(duì)真空干燥室內(nèi)部溫度、相對(duì)時(shí)間變化進(jìn)行檢測。

(3)以12 mm×12 mm×12 mm的茯苓丁為試驗(yàn)原料對(duì)干燥中試裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該干燥裝備設(shè)計(jì)方案和控制方案可靠，可有效實(shí)現(xiàn)茯苓丁的干燥。真空保持時(shí)間、常壓保持時(shí)間分別為5、4 min時(shí)，干燥時(shí)間最短，約為480 min，真空脈動(dòng)干燥后茯苓丁一級(jí)品占比83.63%，破碎率明顯降低。研制的中試干燥裝置可應(yīng)用于茯苓丁等物料的干燥，并可為紅外干燥技術(shù)、真空脈動(dòng)干燥技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用提供理論依據(jù)。