大型食品凍干變頻裝置節(jié)能改造試驗(yàn)

真空冷冷凍（以下簡稱冷干）是目前國際上最先進(jìn)的食品新鮮技術(shù)之一。然而，由于其復(fù)雜的加工工藝和高加工能耗，其應(yīng)用受到了很大限制。以凍干小蔥為例,按采用蒸汽加熱系統(tǒng)計(jì)算,每噸小蔥在整個生產(chǎn)過程中(包含前處理、凍結(jié)、凍干、后包裝四個環(huán)節(jié))的總電耗約為1600kW·h,其中凍干環(huán)節(jié)中凍干設(shè)備真空機(jī)組的運(yùn)行能耗約占總電耗的30%。因此,真空機(jī)組的節(jié)能成為降低凍干產(chǎn)品加工能耗的重要手段。為此,對SZDG200A大型食品凍干設(shè)備的真空機(jī)組進(jìn)行了變頻改造試驗(yàn),結(jié)果表明:采用變頻技術(shù)是降低真空機(jī)組運(yùn)行能耗的一種有效可行的手段,并將該項(xiàng)技術(shù)申請了國家專利。1冷凍設(shè)備的原真空設(shè)備組方案1.1設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)SZDG200A凍干設(shè)備主要以凍干生姜、大蔥、小蔥、大蒜等農(nóng)產(chǎn)品為主,設(shè)備采用蒸汽熱源,水循環(huán)加熱系統(tǒng),干燥倉加熱段與捕水器段為一體式結(jié)構(gòu),設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表1。1.2真空機(jī)組同時(shí)工作,分液況干吸原真空機(jī)組方案見圖1,其特點(diǎn)為:(1)一套干燥倉配備兩套相同的真空機(jī)組,一套作為預(yù)抽真空機(jī)組,另一套作為維持真空機(jī)組。在預(yù)抽階段,預(yù)抽真空機(jī)組和維持真空機(jī)組同時(shí)工作,以縮短預(yù)抽時(shí)間。當(dāng)干燥倉內(nèi)壓力達(dá)到工作壓力后,預(yù)抽真空機(jī)組停機(jī),維持真空機(jī)組繼續(xù)工作。(2)真空機(jī)組選用ZJP-1200羅茨泵+ZJP-300羅茨泵+SK-12水環(huán)泵(帶大氣噴射泵)三級泵組,可以抽除少量水蒸汽,且極限壓力能達(dá)到10Pa以下。(3)在凍干過程中,在干燥倉設(shè)一電動充氣閥,通過控制電動充氣閥向干燥倉內(nèi)充氣量的多少來實(shí)現(xiàn)對干燥倉內(nèi)壓力的控制,維持真空機(jī)組始終處于較大負(fù)荷狀態(tài)下工作。2真空調(diào)整平均機(jī)組方案2.1真空機(jī)組的抽速對食品凍干系統(tǒng)有效抽速的控制作用干燥倉內(nèi)壓力是凍干加工工藝參數(shù)中的一項(xiàng)重要參數(shù),在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要對干燥倉內(nèi)壓力進(jìn)行控制。因凍干設(shè)備配置的真空機(jī)組均按凍干過程中所需最大有效抽速來設(shè)計(jì),但在凍干過程中的大部分時(shí)間,真空機(jī)組所需有效抽速均小于最大有效抽速。因此可以通過改變真空機(jī)組的有效抽速來實(shí)現(xiàn)對干燥倉內(nèi)壓力的控制并達(dá)到節(jié)能的目的。食品凍干設(shè)備真空機(jī)組所采用的真空泵主要為羅茨泵、水環(huán)泵和滑閥泵三種類型。這三種真空泵均為壓縮性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,其有效抽速及消耗功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以用式(1)表示:S1S2=n1n2=50f150f2?P1P2=n1n2=50f150f2(1)S1S2=n1n2=50f150f2?Ρ1Ρ2=n1n2=50f150f2(1)式(1)中:S1、S2——真空泵有效抽速,L/s;n1、n2——真空泵轉(zhuǎn)速,r/min;f1、f2——真空泵工作電源頻率,Hz;P1、P2——真空泵運(yùn)行功率,kW。式(1)說明真空泵有效抽速及消耗功率均與真空泵電源頻率成正比,因此,通過改變真空泵電源頻率既可以控制干燥倉壓力也可以相應(yīng)降低真空機(jī)組的運(yùn)行功率。2.2頻電源回路與預(yù)抽階段變頻真空機(jī)組改造是在原有的真空機(jī)組上進(jìn)行的,改造方案見圖2,其特點(diǎn)為:(1)預(yù)抽真空機(jī)組保持不變,在維持真空機(jī)組總電源輸入回路中并聯(lián)一套變頻電源回路,以改變維持真空機(jī)組三臺真空泵的工作電源頻率。(2)在預(yù)抽階段,預(yù)抽真空機(jī)組和維持真空機(jī)組均在市電電源下同時(shí)工作。當(dāng)干燥倉內(nèi)壓力達(dá)到工作壓力后,預(yù)抽真空機(jī)組停機(jī),維持真空機(jī)組切換到變頻電源回路繼續(xù)工作,真空機(jī)組的工作頻率由PLC控制,根據(jù)干燥倉內(nèi)實(shí)測壓力與設(shè)定壓力進(jìn)行對比計(jì)算來變化。(3)通過真空機(jī)組的工作頻率的改變,可以實(shí)現(xiàn)真空機(jī)組有效抽速的改變,既可以達(dá)到控制干燥倉內(nèi)壓力的目的,也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。3真空機(jī)組改造前后運(yùn)行能耗分析3.1材料的冷凍干燥工藝以凍干小蔥進(jìn)行對比試驗(yàn)。SZDG200A凍干設(shè)備總裝料為1.5t,其凍干工藝曲線見圖3。3.2凍干設(shè)備采用三級水泵組真空機(jī)組所采用的SK-12水環(huán)泵及ZJP-1200羅茨泵、ZJP-300羅茨泵的性能參數(shù)見表2,性能曲線分別見圖4、圖5。在食品凍干過程中,干燥倉內(nèi)壓力一般在100Pa左右。在SZDG200A凍干設(shè)備所采用的三級真空泵組中,主泵ZJP-1200羅茨泵的入口壓力在100Pa左右,前級泵ZJP-300羅茨泵的入口壓力在3000Pa左右,前級泵SK-12水環(huán)泵的入口壓力在6000Pa左右。從圖4、圖5中可以看出,各真空泵在上述入口壓力運(yùn)行時(shí),其運(yùn)行功率較額定功率要小許多,且入口壓力在上述壓力附近小幅變化時(shí),其有效抽速和功率變化不大。3.3空泵機(jī)組工作干燥內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值,預(yù)抽真空機(jī)組停機(jī),僅維持真空泵機(jī)組工作,此時(shí)凍干過程開始,每30min記錄一次維持真空機(jī)組各真空泵功率,整個凍干過程中真空機(jī)組總功率曲線見圖6,單臺真空泵運(yùn)行功率曲線見圖7。3.4交流功率為100pa時(shí),功率與功率同時(shí)降為5.從圖6可以看出:(1)在整個工作過程中,凍干升華階段的干燥倉內(nèi)壓力為100Pa,解吸階段為80Pa,在上述兩個階段,定頻真空機(jī)組總運(yùn)行功率基本保持不變,約為15.8kW,圖4、圖5中的真空泵性能曲線能較好的解釋這一現(xiàn)象。(2)在上述兩個階段,變頻真空機(jī)組總運(yùn)行功率仍基本保持不變,但總運(yùn)行功率降為約12.5kW,為定頻真空機(jī)組總運(yùn)行功率的79%,節(jié)能21%。從圖7中可以看出:(1)干燥倉內(nèi)壓力為100Pa時(shí),變頻真空機(jī)組的工作頻率為35Hz,根據(jù)式(1)可以計(jì)算出變頻真空機(jī)組理論運(yùn)行總功率為11.1kW,但實(shí)際運(yùn)行總功率為12.5kW,比理論值要大。分析其主要原因是雖然SK-12水環(huán)泵的運(yùn)行功率基本與工作頻率呈線形比例下降,但由于ZJP-1200及ZJP-300羅茨泵在定頻工作時(shí),其運(yùn)行功率本身較額定功率要小許多,此時(shí)真空泵摩擦功率損失基本不變,電機(jī)的效率也會適當(dāng)下降,當(dāng)真空泵工作頻率下降時(shí),其運(yùn)行功率并不是按線形比例下降,使得真空機(jī)組總運(yùn)行功率與工作頻率不呈線形比例下降,而是下降較緩。(2)干燥倉內(nèi)壓力從100Pa變?yōu)?0Pa時(shí),真空機(jī)組的工作頻率從35Hz變?yōu)?2Hz,而根據(jù)理論計(jì)算應(yīng)為28Hz,分析其主要原因是SK-12水環(huán)泵本身的結(jié)構(gòu)原理特征使有效抽速與工作頻率之間并非完全呈線形比例關(guān)系。4空機(jī)組節(jié)能方案通過上面分析可以得