本发明涉及一种物料干燥装置及干燥方法，具体地说是利用自产过热蒸汽的常压与负压联合干燥设备及其干燥物料的方法。
背景技术：
干燥可有效避免微生物在物料表面生产繁殖，从而延长食品货架期。但研究报告表明高能耗是目前干燥行业普遍存在的问题，不仅增加了企业的成本，同时给国家造成了一定的经济负担。在德国、丹麦等国家，干燥行业消耗的能量占国家总能量的20-25％，而在美国、加拿大、英国以及法国，干燥能耗也占到了10-15％。这些调查数据充分表明：能耗高的问题已经成为全球干燥工业中难以克服和解决的技术瓶颈。
目前，我国的干燥行业中普遍采用热风干燥，即以热空气为介质，将物料中的水分(或溶剂)从物料的内部扩散到表面，再从物料表面气化，从而达到干燥的目的。热风干燥工艺简单，对设备要求相对较低，但是干燥过程存在温度相对较高，产品品质不佳，热敏性物质易被破坏，且耗时长、能耗高、效率低等一系列问题。近年来，随着科学技术的进步，一些新型干燥方法不断地涌现，如真空干燥、冷冻干燥、微波干燥等，但是这些干燥方式仍然由于干燥过程中能耗高的问题而难以实现大规模推广应用。
过热蒸汽干燥作为新型干燥技术的代表，是将过热蒸汽作为干燥介质，直接干燥物料，利用过热蒸汽与湿物料之间的湿度差和温度差而去除水分的方法。因其节能效果显著、干燥品质好、传热传质效率高、无失火和爆炸危险等特点，特别适用于食品等产品干燥。国际干燥协会主席A.S.Mujumdar把过热蒸汽干燥成为在未来具有巨大潜力和发展前景的干燥新技术。然而，现阶段，行业内推广利用过热蒸汽干燥物料的技术还相对欠成熟，普通使用的过热蒸汽干燥设备还存在以下问题：(1)干燥时，干燥室内持续处于高压状态，对设备结构和设备所用材料要求较高，制造费用高；(2)需要蒸汽回收系统，造成整个设备极为复杂；(3)过热蒸汽干燥后端温度较高(≥120℃)，造成物料烧焦及局部受热而破坏营养物质，并产生焦糊等异味，产品品质不佳；(4)过热蒸汽干燥过程中，物料中水分汽化潜热仍可作为加热介质对相对低温的物料进行加热，但由于汽化潜热遇冷而产生一定的冷凝水，因此降低了前期的干燥效果，等等。以上问题直接限制了该技术的大规模推广应用。由此可见，行业内还需继续研发更为理想的过热蒸汽干燥设备，尤其达到高效节能效果的干燥设备，这将对物料干燥行业的发展具有十分重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的之一是提供一种利用自产过热蒸汽的常压与负压联合干燥设备，以解决现有干燥设备设计不合理、蒸汽回收利用率低的问题。
本发明的目的之二是提供一种常压与负压联合干燥设备干燥物料的方法，以解决现有物料干燥方法存在能耗较高、耗时较长、成本较高及产品品质不佳的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种利用自产过热蒸汽的常压与负压联合干燥设备，包括常压自产过热蒸汽干燥系统和负压干燥系统；
所述常压自产过热蒸汽干燥系统包括常压干燥室、设置在所述常压干燥室内的第一物料托盘架、为物料干燥提供热能的自动温控风机加热单元以及称量物料重量的第一称重单元；
所述负压干燥系统包括负压干燥室、设置在所述负压干燥室内的第二物料托盘架和蒸汽换热器、为物料干燥提供热能的自动温控射频源加热单元、给所述负压干燥室内制造负压环境的真空单元、收集所述蒸汽换热器内冷凝水的冷凝蒸汽收集单元以及称量物料重量的第二称重单元；
所述常压自产过热蒸汽干燥系统的常压干燥室与负压干燥系统中负压干燥室内的蒸汽换热器通过蒸汽输送管道相连通，所述蒸汽换热器的出口端与所述冷凝蒸汽收集单元相连通。
所述自动温控风机加热单元包括风机、加热器、设置在加热器前方的导流板、第一温控器和感应温度的热电偶，所述加热器、第一温控器和热电偶电连接；所述热电偶和导流板设置在常压干燥室的内部；所述加热器环绕设置在所述风机的外侧或笼罩在所述风机的外部。
所述常压自产过热蒸汽干燥系统和所述负压干燥系统中还设置有用于实时监测干燥室内温度的温度监测单元，所述温度监测单元包括用于温度感应探头、温度采集器和温度显示器。
所述第一称重单元和第二称重单元均包括重量传感器、感应线和重量显示器。
所述自动温控射频源加热单元包括射频源加热器、导入系统器、第二温控器和光纤检测器，所述光纤检测器的一端设置在所述负压干燥室内、另一端与所述第二温控器电连接，所述第二温控器与所述射频源加热器电连接，所述射频源加热器与导入系统器连接；所述射频源加热器为微波加热器或红外加热器。
所述真空单元包括真空泵和蒸汽冷凝器，所述真空泵通过所述蒸汽泠凝器与所述负压干燥室相连通。
所述冷凝蒸汽收集单元包括集水器和与所述集水器相连通的可调压风机，所述集水器通过管道与所述蒸汽换热器的出口端相连接。
所述蒸汽换热器为列管式蒸汽换热器，包括多个列管层，每个列管层均匀并排的列管组成，列管层与第二物料托盘架上的托盘层交替设置，以使蒸汽换热器更为均匀地干燥托盘上的物料。
所述常压干燥室和负压干燥室的室体外壁均设有保温层，这可减少不必要的热能损失。
本发明还提供了所述的常压与负压联合干燥设备干燥物料的方法，在常压自产过热蒸汽干燥系统中，被干燥物料中的部分水分因受热形成过热蒸汽，所述过热蒸汽通过蒸汽输送管道进入负压干燥室内的蒸汽换热器中，过热蒸汽作为热源在负压干燥系统中进一步干燥物料；
具体包括以下步骤：开启常压自产过热蒸汽干燥系统中的自动温控风机加热单元，待常压干燥室达到设定干燥温度时，将待干燥的物料置于常压干燥室的第一物料托盘架上，密闭常压干燥室，开始干燥物料，常压干燥室内物料中的水分在设定温度下受热汽化形成常压过热蒸汽，在第一称重单元的检测下，待物料干燥到预定重量时，取出物料，放入下一批待干燥物料，并将取出的物料转移到所述负压干燥室内的第二物料托盘架上；与此同时，在常压干燥室内形成过热蒸汽且室内的温度稳定时，打开冷凝蒸汽收集单元中的可调压风机，其常压干燥室内自产的过热蒸汽通过蒸汽输送管道被引入到负压干燥室内的蒸汽换热器中，开启负压干燥系统中的自动温控射频源加热单元和真空单元，在设定的加热温度和真空度下继续干燥物料，干燥过程中在蒸汽换热器中形成的冷凝水排入到冷凝蒸汽收集单元的集水器中，在第二称重单元的检测下，被干燥的物料干燥到预定重量要求时，取出干燥物料；随后将常压干燥室干燥后的下一批物料转移到所述负压干燥室内的第二物料托盘架上继续进行干燥，如此循环即可完成物料干燥。
本发明与现有技术相比，其优势表现在：
(1)本发明提供的设备避免在过热蒸汽干燥系统中另设过热蒸汽发生装置，利用物料自身水分受热汽化作为蒸汽源，节省了设备生产成本，降低了能量消耗；
(2)本发明提供的设备及干燥方法的工作状态为常压，避免了传统过热蒸汽干燥设备持续高压的工作状态，从而降低了对设备结构和材料的要求，进而降低设备制造成本和生产操作的危险系数；
(3)本发明提供的设备可将过热蒸汽的潜热高效回收利用，达到节能减排的效果；
(4)本发明提供的设备在干燥过程中，物料在常压干燥室内的处理时间短，对物料品质基本无影响；负压干燥室内设有自动温控射频源加热单元，提高了干燥效率，且干燥过程温度较低，避免高温对热敏性物质的破坏现象，最大限度保留了产品的营养成分和色、香、味，大大提高了产品的附加值；
(5)本发明提供的设备可以进行连续化干燥作业，避免了干燥后干燥室需要冷却，重新加热所造成的能源浪费的问题；
(6)本发明提供的设备在常压自产过热蒸汽干燥系统设置有自动温控风机加热单元、在负压干燥系统温控系统中设置有自动温控射频源加热单元，这可精准调节和控制干燥室内温度，提高能量利用率，同时设有称重传感器，可实时监测物料干燥程度，可以很好地控制产品的干燥程度，也避免了能量浪费。
综上所述，本发明的创新点在于以物料在常压干燥室内自产过热蒸汽为干燥介质，巧妙地将常压干燥和负压干燥相结合，高效回收利用了常压自产过热蒸汽中的潜热，实现了去除相同质量的水分，其能耗节省25-40％的节能效果。本发明提供的干燥设备结构设计科学合理，常压作业安全性高，对设备材料要求低，干燥耗时短，操作简单，可连续性干燥作业，有效解决了现有干燥物料存在的能耗高，耗时长，成本高的问题，非常适于在物料干燥工业中大规模推广应用。
附图说明
图1是本发明常压与负压联合干燥设备的结构示意图。
图中：1、常压自产过热蒸汽干燥系统，2、负压干燥系统，3、蒸汽输送管道，4、保温层，5、重量显示器，6、感应线，7、第二重量传感器，10、第一温控器，11、常压干燥室、12、第一物料托盘架，13、风机，14、加热器，15、导流板，16、第一重量传感器，17、热电偶，18、温度采集器，19、温度感应探头，20、温度显示器，21、负压干燥室，22、第二物料托盘架，23、蒸汽换热器，24、光纤检测器，25、第二温控器，26、射频源加热器，27、导入系统器，28、蒸汽冷凝器，29、真空泵，30、可调压风机，31、集水器。
具体实施方式
下面实施例用于进一步详细说明本发明，但不以任何形式限制本发明。
实施例1
如图1所示，本发明提供的利用自产过热蒸汽的常压与负压联合干燥设备，包括常压自产过热蒸汽干燥系统1和负压干燥系统2，常压自产过热蒸汽干燥系统1和负压干燥系统2通过蒸汽输送管道3相连通，以实现常压自产过热蒸汽干燥系统1中的过热蒸汽通过蒸汽输送管道3输送到负压干燥系统2内对其潜热进行回收利用。
其中常压自产过热蒸汽干燥系统1包括常压干燥室11、设置在常压干燥室11内的第一物料托盘架12、为物料干燥提供热能的自动温控风机加热单元、称量物料重量的第一称重单元以及用于实时监测常压干燥室11内温度的第一温度监测单元。其自动温控风机加热单元包括风机13、加热器14、设置在加热器前方的导流板15、第一温控器10和感应温度的热电偶17，其加热器14环围在风机13的外侧或笼罩在风机13的外部，其加热器14、第一温控器10、热电偶17电连接；其风机13、加热器14和第一温控器10可以设置在常压干燥室11内，也可设置在常压干燥室11外，其热电偶17和导流板15设置在常压干燥室11内。其第一称重单元包括第一重量传感器16、感应线6和重量显示器5，第一重量传感器16和重量显示器5通过感应线6相连接，第一重量传感器16设置在第一物料托盘架12的下方。其第一温度监测单元包括温度感应探头19、温度采集器18和温度显示器20，温度感应探头19、温度采集器18和温度显示器20通过电连接，用于实时检测观察常压干燥室11内的温度变化情况。
其中负压干燥系统2包括负压干燥室21、设置在负压干燥室21内的第二物料托盘架22和蒸汽换热器23、为物料干燥提供热能的自动温控射频源加热单元、给负压干燥室21内制造负压环境的真空单元、收集负压干燥室21内冷凝水的冷凝蒸汽收集单元、称量物料重量的第二称重单元以及用于实时监测负压干燥室21内温度的第二温度监测单元。其蒸汽换热器23为列管式蒸汽换热器，包括多个列管层，每个列管层均由若干列管并排组成，其列管层与第二物料托盘架22上的托盘层交替设置，以使蒸汽换热器23更为均匀地干燥第二物料托盘架22上的物料。其自动温控射频源加热单元设置在负压干燥室21外，主要包括射频源加热器26、导入系统器27、第二温控器25和光纤检测器24，光纤检测器24的一端设置在负压干燥室21内、另一端与第二温控器25电连接，第二温控器25与射频源加热器26电连接，射频源加热器26与导入系统器27连接，导入系统器27负责将射频源加热器26产生的热能导入到负压干燥室21内；其射频源加热器26为微波加热器或红外加热器。其真空单元设置在负压干燥室21外，包括真空泵29和蒸汽冷凝器28，该真空泵29通过蒸汽泠凝器28与负压干燥室21相连通。其冷凝蒸汽收集单元包括集水器31和与集水器31相连通的可调压风机30，集水器31与蒸汽换热器23的出口端相连接，在使用时，利用可调压风机30将蒸汽换热器23内产生的冷凝水抽入到集水器31内，从而完成冷凝水的回收。其第二称重单元包括第二重量传感器7、感应线6和重量显示器5，第二重量传感器7和重量显示器5通过感应线6相连接，第二重量传感器7设置在第二物料托盘架22的下方；第一称重单元和第二称重单元的称量数据均由重量显示器5来显示。其第二温度监测单元同第一温控监测单元的部件设置相同，同样用于实时检测观察负压干燥室21内的温度变化情况。
其中蒸汽输送管道3的一端与常压自产过热蒸汽干燥系统1的常压干燥室11相连通，另一端与负压干燥系统2中的蒸汽换热器23相连通。
为避免能耗损失，常压干燥室11和负压干燥室21的室体外壁均设有保温层4。
实施例2
采用实施例1制备的常压与负压联合干燥设备干燥物料的方法是指：在常压自产过热蒸汽干燥系统1中，被干燥物料中的部分水分因受热形成过热蒸汽，该过热蒸汽通过蒸汽输送管道3进入负压干燥室内21的蒸汽换热器23中，过热蒸汽作为热源在负压干燥系统1中继续干燥物料；具体包括以下步骤：
开启常压自产过热蒸汽干燥系统1中的自动温控风机加热单元，待常压干燥室11达到设定干燥温度时，将待干燥的物料置于常压干燥室11的第一物料托盘架12上，密闭常压干燥室11，开始干燥物料，常压干燥室11内物料中的水分在设定温度下受热汽化形成常压过热蒸汽，在第一称重单元的检测下，待物料干燥到预定重量时，取出物料，放入下一批待干燥物料，并将取出的物料转移到所述负压干燥室21内的第二物料托盘架22上；与此同时，在常压干燥室11内形成过热蒸汽且室内温度稳定时，打开冷凝蒸汽收集单元中的可调压风机30，其常压干燥室11内自产的过热蒸汽通过蒸汽输送管道3被引入到负压干燥室21内的蒸汽换热器23中，开启负压干燥系统2中的自动温控射频源加热单元和真空单元，在设定的温度和真空度下继续干燥物料，干燥过程中在蒸汽换热器23中形成的冷凝水排入到冷凝蒸汽收集单元的集水器31中，在第二称重单元的检测下，被干燥的物料干燥到预定重量要求时，取出干燥物料；随后将常压干燥室11干燥后的下一批物料转移到负压干燥室21内的第二物料托盘架22上继续进行干燥，如此循环即可完成物料干燥。
实施例3
以新鲜白萝卜为原料，制备白萝卜干制品。
具体干燥方法如下：
(1)原料预处理：将新鲜的白萝卜(水分含量为95.8％)清洗干净，切片(厚度为0.44cm；直径为4.4cm)，得1.5kg白萝卜片。
(2)第一阶段常压自产过热蒸汽干燥：开启自动温控风机加热单元，设定风机的风速为3.0m/s，在加热器和风机的工作下，常压干燥室内温度升高至135℃，将第一批0.75kg上述新鲜白萝卜片放入第一物料托盘架上，同时打开第一称重单元和第一温度检测单元，控制常压干燥室内的干燥温度为130±2℃，实时观察重量显示器的数据和常压干燥室内温度的变化情况，待物料干燥温度稳定时，打开冷凝蒸汽收集单元中的可调压风机，设定风速为1.5m/s，将常压干燥室内自产的过热蒸汽通过蒸汽输送管道引入到负压干燥室内的蒸汽换热器中，继续干燥，直至观察到重量显示器中显示第一物料托盘架上的萝卜总重量减少50％时，取出干燥后的低湿萝卜片物料；并将第二批0.75kg新鲜白萝卜片物料补充至第一物料托盘架上，采用同样的方法进行干燥；
(3)第二阶段负压干燥阶段：打开负压干燥室，将常压干燥室取出的低湿白萝卜片物料放置于负压干燥室中第二物料托盘架上，打开真空单元的真空泵、自动温控射频源加热单元的第二温控器、第二称重单元以及第二温度监测单元，设定真空度为0.03MPa、设定温度为65℃，实时观察第二称重单元的重量显示器显示的数据不变时，打开自动温控射频源加热单元的微波加热器，进行干燥，待白萝卜干燥至其原来重量的4％左右时，关闭真空单元的真空泵、自动温控射频源加热单元的微波加热器以及冷凝蒸汽收集单元的可调压风机，取出干燥后的白萝卜物料；再将常压干燥室内干燥好的第二批低湿白萝卜片物料转移至负压干燥室的第二物料托盘架上，采用同样方法重复上述操作，至干燥完毕，得到白萝卜干制品。
对比例1
选用的待干燥物料与实施例3的处理后的白萝卜片相同，干燥方法为：常压热风干燥，干燥温度为130±2℃，白萝卜片干燥至其原来重量的4％左右，取出即可。
计算干燥同样的白萝卜物料的能耗量及干燥时间比较分析见表1。
表1常压自产过热蒸汽联合负压干燥与热风干燥过程能耗分析
通过表1比较发现，在干燥1.5kg白萝卜片，本发明设备所消耗的能耗为1.67kwh，与普通热风干燥相比，去除相同含量的水分，能耗节省33％，而且其干制品的感官品质显著优于对比例。
实施例4
以新鲜毛竹笋为原料，制备毛竹笋干制品。
具体干燥方法如下：
(1)原料预处理：将新鲜的毛竹笋(水分含量为91.8％)清洗干净，切片(厚度为0.5cm)，得1.0kg毛竹笋片。
(2)第一阶段常压自产过热蒸汽干燥：开启自动温控风机加热单元，设定风机的风速为1.5m/s，在加热器和风机的工作下，常压干燥室内温度升高至125℃，将第一批0.5kg上述新鲜毛竹笋片放入第一物料托盘架上，同时打开第一称重单元和第一温度检测单元，控制常压干燥室内的干燥温度为110±2℃，实时观察重量显示器的数据和常压干燥室内温度的变化情况，待物料干燥温度稳定时，打开冷凝蒸汽收集单元中的可调压风机，设定风速为1.0m/s，将常压干燥室内自产的过热蒸汽通过蒸汽输送管道引入到负压干燥室内的蒸汽换热器中，继续干燥，直至观察到重量显示器中显示第一物料托盘架上的毛竹笋总重量减少40％时，取出干燥后的低湿毛竹笋片物料；并将第二批0.5kg新鲜毛竹笋片物料补充至第一物料托盘架上，采用同样的方法进行干燥；
(3)第二阶段负压干燥阶段：打开负压干燥室，将常压干燥室取出的低湿毛竹笋片物料放置于负压干燥室中第二物料托盘架上，打开真空单元的真空泵、自动温控射频源加热单元的第二温控器、第二称重单元以及第二温度监测单元，设定真空度为0.01MPa、设定温度为50℃，实时观察第二称重单元的重量显示器显示的数据不变时，打开自动温控射频源加热单元的微波加热器，进行干燥，待毛竹笋干燥至其原来重量的6.5％左右时，关闭真空单元的真空泵、自动温控射频源加热单元的微波加热器以及冷凝蒸汽收集单元的可调压风机，取出干燥后的毛竹笋物料；再将常压干燥室内干燥好的第二批低湿毛竹笋片物料转移至负压干燥室的第二物料托盘架上，采用同样方法重复上述操作，至干燥完毕，得到毛竹笋干制品。
对比例2
选用的待干燥物料与实施例3的处理后的毛竹笋片相同，干燥方法为：常压热风干燥，干燥温度为110±2℃，毛竹笋干燥至其原来重量的6.5％左右，取出即可。
计算干燥同样的毛竹笋物料的能耗量及干燥时间比较分析见表2。
表2常压自产过热蒸汽联合负压干燥与热风干燥过程能耗分析
通过表2比较发现，在干燥1.0kg毛竹笋片，本发明设备所消耗的能耗为1.365kwh，与普通热风干燥相比，去除相同含量的水分，能耗节省25％，而且其干制品的感官品质显著优于对比例。
实施例5
以新鲜番茄为原料，制备番茄干制品，具体实施方法如下：
具体干燥方法如下：
(1)原料预处理：将新鲜的番茄(水分含量为97.8％)清洗干净，切片(厚度为0.9cm)，得3.0kg番茄片。
(2)第一阶段常压自产过热蒸汽干燥：开启自动温控风机加热单元，设定风机的风速为2.25m/s，在加热器和风机的工作下，常压干燥室内温度升高至165℃，将第一批1.5kg上述新鲜番茄片放入第一物料托盘架上，同时打开第一称重单元和第一温度检测单元，控制常压干燥室内的干燥温度为150±2℃，实时观察重量显示器的数据和常压干燥室内温度的变化情况，待物料干燥温度稳定时，打开冷凝蒸汽收集单元中的可调压风机，设定风速为2.0m/s，将常压干燥室内自产的过热蒸汽通过蒸汽输送管道引入到负压干燥室内的蒸汽换热器中，继续干燥，直至观察到重量显示器中显示第一物料托盘架上的番茄总重量减少60％时，取出干燥后的低湿番茄片物料；并将第二批1.5kg新鲜番茄片物料补充至第一物料托盘架上，采用同样的方法进行干燥；
(3)第二阶段负压干燥阶段：打开负压干燥室，将常压干燥室取出的低湿番茄片物料放置于负压干燥室中第二物料托盘架上，打开真空单元的真空泵、自动温控射频源加热单元的第二温控器、第二称重单元以及第二温度监测单元，设定真空度为0.05MPa、设定温度为80℃，实时观察第二称重单元的重量显示器显示的数据不变时，打开自动温控射频源加热单元的微波加热器，进行干燥，待番茄干燥至其原来重量的8％左右时，关闭真空单元的真空泵、自动温控射频源加热单元的微波加热器以及冷凝蒸汽收集单元的可调压风机，取出干燥后的番茄物料；再将常压干燥室内干燥好的第二批低湿番茄片物料转移至负压干燥室的第二物料托盘架上，采用同样方法重复上述操作，至干燥完毕，得到番茄干制品。
对比例3
选用的待干燥物料与实施例3的处理后的番茄片相同，干燥方法为：常压热风干燥，干燥温度为150±2℃，番茄干燥至其原来重量的8％左右，取出即可。
计算干燥同样的番茄物料的能耗量及干燥时间比较分析见表3。
表3常压自产过热蒸汽联合负压干燥与热风干燥过程能耗分析
通过表3比较发现，在干燥3.0kg番茄片，本发明设备所消耗的能耗为2.316kWh，与普通热风干燥相比，去除相同含量的水分，能耗节省40％，而且其干制品的感官品质显著优于对比例。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。