一种基于涡流管和喷射器的真空冷冻干燥系统及其操控方法与流程

本发明属于低温真空干燥技术领域，尤其涉及涡流管和喷射器的真空冷冻干燥系统及其操控方法。

背景技术：

随着我国人民生活水平的提高，人们对于饮食健康的追求也越来越高，对于食物，不仅注重卫生、口感、营养价值等方面，还对食物的健康有着更高的要求。

以前，果干的出现是因为我们的防腐技术不够先进，需要晒干，烘干水果来防止水果变质，而现在，我们吃果干是因为喜欢果干丰富的口感；传统的晒干或烘干会对水果中的一些营养成分造成不同程度的破坏，糖类、维生素损失较多，虽然矿物质、蛋白质较稳定，也会有微量挥发性物质损失，影响风味；糖类的损失随温度的升高和时间的延长而增加；维生素方面，vc氧化破坏最快，影响因素有环境中氧含量、温度、光照、抗坏血酸酶的活性和含量，vb1对热敏感，vb2对光敏感，胡萝卜素也会因氧化遭受损失；而且干制过程中或干制品贮藏中会发生不同程度褐变，贮藏期严重依赖干制品种类和氧气、温度、湿度、光照等贮藏条件。

因此，为了更大程度保留水果原有的维生素和糖类，采用冷冻干燥的技术以除去水果中的水分，这样做的好处有：最大程度地保留水果的营养价值，缩短干燥周期，节约干燥成本，实现深度干燥，延长水果的保存时间。

根据浙江大学公开的一种基于喷射器的涡流管制冷系统，公开日为2011年11月23日，授权日为2012年9月5日，说明书第3段记载：所谓涡流管装置，是指高压气体流入涡流管后，会分离成冷热不同的两股流体，通过控制阀门开度，可使涡流管冷端出来的流体温度比进口低80℃，同时，可使的热端流出的流体温度比进口温度升高100℃；将涡流管用于制冷技术具有可行性，但该系统使用喷射器回收冷端出口制冷剂能量，效率较低，影响整体性能，且系统工作在常压模式，与干燥物料特性匹配度差。

公开日为2019年9月6日，公开号为cn110207472a的专利文献公开了一种真空高效烘干装置，该系统使用涡流管组将压缩气流形成的高温气流除湿后进入进料腔以带走物料水分，同时借助涡流管壁面热传递，实现低压、低温环境中水分快速蒸发，系统充分利用真空蒸发优势，具有烘干物料高效、含水率低等优势，但系统采用电驱动的真空泵营造真空环境，存在能耗高的问题。

授权日为2020年1月21日，公开号为cn209978519u的实用新型专利文献公开了一种基于涡流管的饲料烘干装置，该系统利用涡流管技术，分别将其分离出的冷、热气流加以利用，将热气流用于物料烘干，冷气流用于冷凝排湿，但干燥物料处于常压下进行，脱水除湿效率不高，且干燥除湿性能受气流工作参数影响较为敏感。

因此，提供一种能耗低、效率高、运行参数可调的除湿干燥系统是本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的第一方面在于提供一种基于涡流管和喷射器的真空冷冻干燥系统，实现高品质、低成本、快速、低能耗的真空冷冻干燥，尽可能减小对物料中的营养成分及其微观结构的破坏。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于涡流管和喷射器的真空冷冻干燥系统，包括高压气源模块和真空冷冻干燥模块，空气作为工作介质；工作介质参数依据干燥物料要求调控；

高压气源模块包括压缩机，所述空气压缩机出口通过管路依次连接储气罐、冷却器和干燥装置；

真空冷冻干燥模块包括喷射器、涡流管、物料干燥室、冷阱、第一热端气阀、第二热端气阀、第一冷端气阀、第二冷端气阀、第一排气阀、第二排气阀和凝水排出装置；所述涡流管入口、喷射器工作介质入口分别通过管路与所述干燥装置出口相连，所述涡流管的热端出口通过第一热端气阀与物料干燥室相连；所述涡流管冷端出口通过所述第一冷端气阀和所述物料干燥室连接，通过所述第二冷端气阀和所述冷阱连接；所述物料干燥室、所述冷阱、所述喷射器的低压端入口依次连接；首先，调节第一冷端气阀以达到物料干燥室中真空冷冻条件，其次，调节第二热端气阀以实现物料水分由固态的冰直接汽化成水蒸气，达到升华干燥的目的，完成一次干燥。

优选地，调节第二热端气阀，为被干燥物料提供足够的吸附热，以去物料中的结合水，完成二次干燥，达到深度干燥的目的。

优选地，干燥装置输出管路上设置空气净化装置，保证进入物料干燥室的空气的清洁程度到达食用级别，防止污染食物，造成不良后果。

优选地，第一热端气阀通过管路与环境连通。

优选地，冷阱通过管路与喷射器低压端入口相连，以达到低温锁水的目的，所述冷阱上还设有凝水排出装置。

优选地，物料干燥室的出口通过所述第一排气阀与环境连通，所述冷阱的出口通过所述第二排气阀与环境连通。

优选地，喷射器的出口通过管路与环境连通。

优选地，干燥装置包括吸附剂，但不局限于吸附剂，采用吸附除湿方式对物料进行干燥、去湿。

本发明的目的第二方面在于提供基于涡流管和喷射器的真空冷冻干燥系统的操控方法，包括如下步骤：

(1)调控源自所述高压气源模块的高压气的状态参数，用于驱动所述喷射器及所述涡流管工作，以获取物料干燥所需的工作条件；

(2)将所述喷射器的低压端入口与所述冷阱通过管路相连，为所述物料干燥室及所述冷阱提供真空环境，将所述喷射器的出口与环境连通；

(3)经所述涡流管冷、热分离的气源，热端出口通过第一热端气阀与物料干燥室相连；冷端出口通过所述第一冷端气阀和所述物料干燥室连接，分别通过第一冷端气阀和第一热端气阀进行调节；

首先，调节第一冷端气阀以达到物料干燥室中所需的真空冷冻条件，其次，调节第二热端气阀以实现物料水分升华干燥的目的；

(4)所述冷阱通过管路与所述涡流管的冷端相连，管路上设置第二冷端气阀，同时，所述冷阱与所述干燥室连通，以实现二次真空冷冻干燥。

本发明中，空气作为工质，空气压缩机作为热源输入，经过适当的参数控制调节之后，分别进入涡流管和喷射器，通过涡流管调节物料的温度，通过喷射器创造一个低压的环境，使物料中的水分结冰到达其三相点压力以下，从而直接升华至气态被带走，实现一次干燥效果，之后通过调节涡流管热端气阀为物料干燥提供吸附热量，实现解吸附二次干燥效果。

本发明具有的有益效果是：

（1）本发明中真空冷冻模块结构简单，不存在运动部件，使用寿命长、成本低、运行环保的喷射器和涡流管技术作为核心，在温度、压力、含湿量可调的条件下，适应不同地区的外部环境，并实现被干燥物料快速干燥，降低烘干成本，真正意义上做到了节能干燥；

（2）本发明采用真空干燥除湿法，可以在干燥物料的同时，最大程度的减少的营养物质的流失；

（3）本发明通过两次低温干燥，最大程度上排除物料的水分，达到更加优质的保鲜效果，延迟保鲜时间。

附图说明

图1为一种基于涡流管和喷射器的真空冷冻干燥系统示意图。

附图标记：1.空气压缩机、2.高压储气罐、3.空气冷却器、4.空气干燥机、5.喷射器、6.涡流管、7.第一热端气阀、8.第二热端气阀、9.第一冷端气阀、10.第二冷端气阀、11.物料干燥室、12.冷阱、13.第一排气阀、14.第二排气阀、15.凝水排出装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例的一种基于涡流管和喷射器的冷冻干燥系统，包括高压气源模块，真空冷冻干燥模块。

空气经过过滤器进入空气压缩机1，通过空气压缩机1获得高温高压的空气，经储气罐2后进入空气冷却器3和干燥装置4，得到合适工作参数的高压气源，高压空气分两路分别进入喷射器5和涡流管6，在喷射器5中，经拉法尔喷嘴加速至超音速，在拉法尔喷嘴出口形成真空腔，为物料干燥室11和冷阱12提供低压环境；高压空气进入涡流管6，经喷嘴后分离出高温空气和低温空气，分别经过第二热端气阀8和第一冷端气阀9进入物料干燥室11，物料干燥室11中的工作条件由第二热端气阀8和第一冷端气阀9控制调节；具体地，喷射器5为干燥室11及冷阱12提供真空，同时，控制第一冷端气阀9得到低温的环境，使干燥室11中物料的自由水结冰，再通过控制第二热端气阀8来升温，在真空低温环境下，水由固态的冰直接汽化成水蒸气，富含水蒸气的空气进入冷阱12，在真空低温环境中析出液态水，完成一次干燥；接下来，调节第二热端气阀8，为物料干燥提供解吸附热量，以除去与物料结合较紧密的结合水，完成二次干燥。冷阱12中析出的液态水由凝水排除装置15排出，彻底排出干燥系统中的水分；喷射器5下端出口的废气、物料干燥室11下端出口的废气、冷阱12下端出口的废气通过管路连接排出至环境中，物料干燥室11下端出口设置管路和第一排气阀13，冷阱12下端出口设置管路和第二排气阀14；涡流管6热端废气由第一热端气阀7排出至环境中。

具体地，将上述冷冻干燥系统应用于室外状态参数为：温度35.1℃、湿度68%、含湿量24.4g/kg的杨梅干制作。高压气源模块输出压缩空气压力800kpa、温度40℃，湿度15%，涡流管6冷端出口温度30℃，热端出口温度60℃，冷流比0.3；喷射器5低压端入口压力为0.06kpa，低于三相点压力；涡流管6冷端实现被干燥物料迅速降温冷冻，同时喷射器5为物料干燥室11及冷阱12提供真空腔，之后涡流管6热端为物料干燥室11中的物料水分升华提供热量，富含水蒸气的空气于冷阱12中析出液体水，已完成干燥除湿。采用真空冷冻干燥技术，最大程度上排除物料的水分，达到低能耗、快速、优质的干燥除湿功效。

以干燥10kg含水量80%的杨梅为例，除湿总负荷为24179kj，本实施例与传统热泵烘干机梯级加热烘干技术相比，可将干燥周期从18小时缩短为2.5小时，显著提高了干燥效率，压缩机排气量为3.0l/min，可节约高品位电能16.5kw·h，节能效果显著。