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冻干机干燥过程中为什么要供热?如何供热?
点击次数:139 发布时间:2020-09-18

德国Fevik(菲维科)为杰懋万得福旗下代理品牌,目前主要定位于试验冻干机的研发与生产,实验室冻干机为其主打成品,种类多样,型号齐全,涵盖实验室小型冻干机、实验室中型冻干机、实验室大型冻干机、防腐蚀专用冻干机以及中试型冻干机,并且在医药、生物工程、化工、血液制品、活性物质、材料科学领域得到广泛应用。

01冻干机真空冷冻干燥方法的基本原理

冻干机真空冷冻干燥就是将含水物质预先冻结,然后再在真空状态下使其中的水从固态升华成气态,从而除去水分保存物质。

与其它干燥方法一样,要维持升华干燥的不断进行,必须满足两个基本条件,即热量的不断供给和生成蒸汽的不断排除。

在开始阶段,如果物料温度相对较高,升华所需要的潜热可取自物料本身的显热。但随着升华的进行,物料温度很快就降到与干燥室蒸汽分压相平衡的温度,此时,若没有外界供热,升华干燥便停止进行。在外界供热的情况下,升华所生成的蒸汽如果不及时排除,蒸汽分压就会升高,物料温度也随之升高,当达到物料的冻结点时,物料中的冰晶就会融化,冷冻干燥也就无法进行了。冻干机

供给热量的过程是一个传热过程,排除蒸汽的过程是一个传质的过程,因此,升华干燥过程实质上是一个传热、传质同时进行的过程。自然界中所发生的任何过程都有驱动力,升华干燥中的传热驱动力为热源与升华界面之间的温差,而传质驱动力为升华界面与蒸汽捕集器之间的蒸汽分压差。温差愈大,传热速率愈快;蒸汽分压差愈大,传质(即蒸汽排除)速率愈快。冻干机

冻干机冻干时,既要保持产品的优良品质,又要取得较快的干燥速率。升华所需要的潜热必须由热源通过外界传热过程传送到被干燥物料的表面,然后再通过内部传热过程传送到物料内冰升华的实际发生处。所产生的水蒸气必须通过内部传质过程到达物料的表面,再通过外部传质过程转移到蒸汽捕集器中。任何一个过程或几个过程一起都可能成为干燥过程的“瓶颈”,它取决于冻干机的设计、操作条件以及被干燥物料的特征。只有同时提高传热、传质效率,增加单位体积冻干物料的表面积,才能取得更快的干燥速率。

在冰晶的升华过程中,每升华1g冰晶约需吸收2822.4J的热量,假如没有热量来源,冰晶升华时将会从制品中吸热,亦即通过降低制品的温度来维持升华所必须的热能,当制品的温度降低后,其冰晶饱和蒸汽压亦降低,当降低到与环境中相对压力相等时,升华亦即停止,因此,冻干机冻干过程中,必须给制品施加热能。

德国Fevik菲维科冻干机

02冻干机真空环境中如何供热?

①接触传热方式

这是一种比较简单的加热方法,在干燥室内设置可加热的多层搁板,上面放置装有被干燥食品的干燥盘。利用干燥盘与搁板接触传导加热。在这种情况下,加热搁板与干燥盘,干燥盘与干燥食品间不能完全良好地接触,因此利用这中方法进行加热时,干燥时间较其它方法更长,但其优点是干燥是构造简单,并可充分利用空间。冻干机

②复式加热方式

接触传热仅加热食品的一面,而在本法中被干燥的食品两面都与加热板接触,因此传热良好而可缩短干燥时间。方式是将被干燥食品在与加热板接触前,先以金属网状铝板夹住,以打开升华时水蒸汽的通道并减少其阻力,然后用液压加上搁板,使之与网状铝板接触,此法优点是可缩短干燥时间,但为能与上搁板接触,搁板必须是活动的,因此必须使用液压装置导致构造复杂,也降低了干燥室的利用率,此外,对非平面而不定形被干燥食品,则有不能充分发挥效果的缺点。冻干机

③钉板加热方式

这是上述复式加热方式的变形,此法是利用装有多枚钉子的2片加热板将被干燥食品夹在中间以进行加热,这种方式的加热接触面积扩大到被干燥食品的内部,因而能有效地进行热供给,利用此方式,干燥时间可大幅度缩短。但干燥前与干燥后的操作繁杂,需要人力与时间,另外还涉及卫生的问题,因此在规模生产上几乎都不采用。冻干机

④辐射加热方式

此种方式是将被加热干燥的食品置于干燥盘或干燥网上,然后插入两片加热板之间,使之不与加热板接触,而由加热板辐射来供给热量,因此加热板可加热到容许温度以上的高温,而被干燥食品的温度则保持在允许温度之内,这样可以缩短干燥时间,且被干燥食品的形状若不是定型时也不会有所防碍。干燥前后的操作也很容易,特别是在大型连续干燥装置中更加有效。因此,该加热方式已演变成冻干食品设备的基本形式。冻干机

⑤微波加热方式

微波照射能使不同形状的食品内外都得到加热,大大缩短干燥时间(约10%~20%)。此外,干燥室的利用率也较高。不过因为微波加热形式是昂贵的,其费用为蒸汽费用的10~20倍。另外,微波加热过程很难控制。如果供热量有余,会导致升华界面有少量冰融化,而水的介电常数比冰的介电常数大得多,水将吸收更多的热量使温度升高而使更多的冰融化,最终导致干燥失败。冻干机

⑥红外线加热方式

在干燥室安装红外线发生器产生红外线辐射。但由于其维持费用相当高,故很少应用于冷冻干燥食品方面。

综上所述,各种加热方法各有其特点。人们在不断认识冻干过程本质的基础上,探索出了多种加热、辐射的组合,如传导-辐射加热法、传导-微波加热法、辐射-微波加热法等。其目的都是期望能在保证产品质量的前提下,提高干燥速率,降低能耗。冻干机

03冻干机真空冷冻干燥食品的主要生产设备

冻干机真空冷冻干燥食品生产最主要的设备为食品用冻干机真空冷冻干燥机组,该机组的性能,能耗和操作自动化程度的高低决定了冻干食品生产企业的技术水平的高低。食品用冻干机分间歇式和连续式,其中间歇式冻干机由干燥箱体、加热系统、真空系统、制冷系统、控制系统等5部分组成。

冻干机干燥箱体

有圆筒形及方形两种主要的形式,各有优点,圆筒形制造容易,但无法利用的空间多;方形则相反,空间利用率高,但制造较困难。

冻干机加热系统

大多数采用辐射传热,辐射板由阳极电镀铝制成,导热介质有导热油、饱和水、二次蒸汽、有机溶剂如丙二醇、甘油等,热源均系用高压水蒸汽。

冻干机真空系统

采用机械真空泵,一般分为两种,一种不能抽水蒸汽,因此对冷阱效率要求较高,优点是能耗小,另一种则正好相反,能抽吸少量水蒸汽,缺点是能耗较大。

冻干机制冷系统

由制冷机组与冷却排管构成,作水蒸汽捕集器依其与辐射板组件的相对位置,有如下几种形式:底置式:放置在辐射板组件的底部;侧置式:放置在辐射板组件的两侧;后置式:放置在辐射板组件的后面;另置式:放置在辐射板组件不在同一容器内,另外一个容器放置,两容器之间有一个短而粗的管件连接。

冻干机控制系统

有手动控制及自动控制两大类。

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