CN114963706A - 一种真空冷凝干燥装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空冷凝干燥装置及其应用方法。真空冷凝干燥装置，包括：真空干燥室，真空干燥室的上部和下部分别设置有排气孔和排液孔，排气孔与真空泵连接；加热板，加热板设置于真空干燥室内；制冷板，制冷板设置于真空干燥室内；冷凝循环系统，冷凝循环系统连接至制冷板；控制面板，所述控制面板与所述真空泵、所述加热板、所述冷凝循环系统连接。真空干燥装置应用方法，包括：将待干燥的物料放置到加热板上；调节控制面板，设置合适的加热温度、冷凝温度和真空度；启动真空泵将真空干燥室的空气排空，使真空干燥室处于真空状态；启动加热板及冷凝循环系统，真空干燥室内水蒸气通过制冷板冷凝成液体，液体通过排液孔排出。
Description
技术领域
本发明涉及干燥设备技术领域，特别是涉及一种真空冷凝干燥装置及其应用方法。
背景技术
干燥是农产品加工常用的工艺之一，目前已发展出了热风干燥、微波干燥、红外辐射干燥、真空冷冻干燥、真空干燥等多种干燥方法，其中，真空干燥能耗低，产品品质较好，是一种极具潜力的干燥方式。真空干燥就是将被干燥的物料放在密闭的干燥室内，一边用真空泵抽真空，一边对被干燥物料不断加热，使物料内部的水分排出到真空室内，并随真空泵抽气过程排出，达到干燥的目的。由于真空干燥始终在低气压条件下进行，一方面可以有效减少物料与空气中氧气接触的可能，防止有益成分被氧化，并减少被微生物污染的可能；另一方面，在真空条件下，水分更容易挥发到空气中去，可以减少加热温度，防止热敏性的活性成分降解破坏。此外，真空环境中由于物料内部与环境的压差增加，可以加速水分子向物料表面转移，能有效防止干燥过程中表面硬化的现象。
然而，目前的真空干燥还存在干燥效率低的问题。这一方面是由于真空条件下热传导速率较低，另一方面，由于真空干燥室通常是密闭空间，干燥室内的水蒸气无法有效排出。市面上主流的真空干燥箱，大多是在达到一定真空度后，就关闭阀门，让物料在密闭的箱体内加热干燥，但物料蒸发出的水蒸汽一方面会降低腔体的真空度，另一方面，也会使水蒸气的分压增大，降低干燥速率。目前排出水蒸气的方式主要是通过间歇式的开启真空泵，或保持真空泵的持续运行，排出腔体内部的水蒸气，但过高的水蒸气含量会对真空泵造成损害，因此，在气体进入真空泵前，会添加一个冷凝或干燥装置来保护真空泵，这种方式增加了能耗，也降低了真空泵的使用寿命。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种结构简单、干燥效率高、适应范围广的真空冷凝干燥装置及其应用方法。
第一方面，本发明提供一种真空冷凝干燥装置，包括：
真空干燥室，所述真空干燥室的上部和下部分别设置有排气孔和排液孔，所述排气孔与真空泵连接；
加热板，所述加热板设置于所述真空干燥室内；
制冷板，所述制冷板设置于所述真空干燥室内；
冷凝循环系统，所述冷凝循环系统连接至制冷板；
控制面板，所述控制面板与所述真空泵、所述加热板、所述冷凝循环系统连接。
本发明的真空冷凝干燥装置通过在真空干燥室内设置加热板、制冷板，并将冷凝循环系统连接至制冷板，利用加热板对物料进行加热，从而将物料中的水分蒸发出来形成水蒸气，冷凝循环系统对制冷板进行制冷，真空干燥室内水蒸气通过制冷板冷凝成液体，由于真空干燥室抽真空后气压降低，水分更容易从物料中挥发，可以提高干燥效率，降低能耗；由于制冷板设置在真空干燥室内，当达到设定真空度后，就可以关闭真空泵，保持真空干燥室内的真空状态，物料蒸发出来的水蒸气可以直接通过制冷板冷凝，不需要再抽真空排出水分；由于可以有效通过排水阀排出真空干燥室内的冷凝水，该装置可以干燥水分含量较高的物料，对物料的适应性更广；利用控制面板控制，可控制并实时显示加热板温度、冷凝板温度和真空度。
上述技术方案在一种实施方式中，所述真空冷凝干燥装置还包括排水阀，所述排水阀设置于所述排液孔处。
上述技术方案在一种实施方式中，所述真空冷凝干燥装置还包括温度探头，所述温度探头分别设置于所述加热板及所述制冷板上，所述温度探头与所述控制面板连接。
上述技术方案在一种实施方式中，所述真空冷凝干燥装置还包括真空计，所述真空计设置于所述真空干燥室的顶部，且所述真空计可检测所述真空干燥室内的真空度，所述真空计与所述控制面板连接。
上述技术方案在一种实施方式中，所述冷凝循环系统包括膨胀阀、冷凝器和压缩机；
所述膨胀阀的一端经管路连接至所述制冷板，所述膨胀阀的另一端与所述冷凝器的一端连接，所述冷凝器的另一端与所述压缩机的一端连接，所述压缩机的另一端经管路连接至所述制冷板。
上述技术方案在一种实施方式中，所述真空干燥室为不锈钢制作。
上述技术方案在一种实施方式中，所述真空干燥室为立方体形，所述加热板及所述制冷板均为矩形。
第二方面，本发明提供一种真空干燥装置应用方法，应用于上述任一项所述的真空冷凝干燥装置，包括：
将待干燥的物料放置到加热板上；
调节控制面板，设置合适的加热温度、冷凝温度和真空度；
启动真空泵将真空干燥室的空气排空，使真空干燥室处于真空状态；
启动加热板及冷凝循环系统，加热板将物料中的水分蒸发出来形成水蒸气，真空干燥室内水蒸气通过制冷板冷凝成液体，液体通过排液孔排出。
相对于现有技术，本发明的真空冷凝干燥装置通过在真空干燥室内设置加热板、制冷板，并将冷凝循环系统连接至制冷板，利用加热板对物料进行加热，从而将物料中的水分蒸发出来形成水蒸气，冷凝循环系统对制冷板进行制冷，真空干燥室内水蒸气通过制冷板冷凝成液体，由于真空干燥室抽真空后气压降低，水分更容易从物料中挥发，可以提高干燥效率，降低能耗；由于制冷板设置在真空干燥室内，当达到设定真空度后，就可以关闭真空泵，保持真空干燥室内的真空状态，物料蒸发出来的水蒸气可以直接通过制冷板冷凝，不需要再抽真空排出水分；由于可以有效通过排水阀排出真空干燥室内的冷凝水，该装置可以干燥水分含量较高的物料，对物料的适应性更广；利用控制面板控制，可控制并实时显示加热板温度、冷凝板温度和真空度。本发明的真空冷凝干燥装置具有结构简单、干燥效率高、适应范围广等特点。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明的真空冷凝干燥装置的结构示意图。
图2是由干燥曲线模型拟合出的干燥速率曲线图。
图3是不同干燥情况下终产品的维生素C含量的柱状图
图4是不同干燥条件下的总酚含量的柱状图。
图5是不同干燥条件下的抗氧化活性清除率的柱状图。
图6苹果片经不同干燥条件后的照片。其中，(a)(b)(c)(d)(e)分别为热风60℃干燥8h、真空60℃干燥8h、本发明的真空冷凝干燥装置真空冷凝40℃干燥6h、本发明的真空冷凝干燥装置真空冷凝60℃干燥3h、真空冷冻干燥24h的终产品照片。
图7是不同干燥条件下样品的色度柱状图。
图8是不同干燥条件下样品的褐变指数柱状图。
具体实施方式
在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于其构造进行定义的，它们是相对的概念。因此，有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本公开的一些方面相一致的实施方式的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
第一方面，本发明设计了一种真空冷凝干燥装置，该装置是将制冷板放置于真空干燥室内，通过冷凝将真空干燥室内的气态水蒸气转变为液态水，排除腔体内的气态水，降低水蒸气分压，达到提高干燥效率、降低能耗的目的。
具体地，请参阅图1，本发明的真空冷凝干燥装置，包括真空干燥室1、加热板3、制冷板7、冷凝循环系统和控制面板13。
所述真空干燥室1的上部和下部分别设置有排气孔5和排液孔，所述排气孔5与真空泵6连接。
所述加热板3设置于所述真空干燥室1内。
所述制冷板7设置于所述真空干燥室1内，且所述制冷板7优选地位于所述加热板3下方。
所述冷凝循环系统优选地设置于所述真空干燥室1外侧，且所述冷凝循环系统连接至制冷板7。
所述控制面板13与所述真空泵6、所述加热板3、所述冷凝循环系统连接。控制面板13优选地设置在真空干燥室1的外壁。
通过在真空干燥室1内设置加热板3、制冷板7，并将冷凝循环系统连接至制冷板7，利用加热板3对物料进行加热，从而将物料中的水分蒸发出来形成水蒸气，冷凝循环系统对制冷板7进行制冷，水蒸气通过制冷板7冷凝成液体，由于真空干燥室1抽真空后气压降低，水分更容易从物料中挥发，可以提高干燥效率，降低能耗；由于制冷板7设置在真空干燥室1内，当达到设定真空度后，就可以关闭真空泵6，保持真空干燥室1内的真空状态，物料蒸发出来的水蒸气可以直接通过制冷板7冷凝，不需要再抽真空排出水分；由于可以有效通过排水阀12排出真空干燥室1内的冷凝水，该装置可以干燥水分含量较高的物料，对物料的适应性更广；利用控制面板13控制，可控制并实时显示加热板3温度、冷凝板7温度和真空度。
具体地，所述真空冷凝干燥装置还包括排水阀12，所述排水阀12设置于所述排液孔处。利用排水阀12，将冷凝后的液体排出，且可以通过控制排水阀12的开闭、打开程度，控制液体是否流出以及控制液体的流量。
优选地，所述真空冷凝干燥装置还包括温度探头(4和11)，所述温度探头(4和11)分别设置于所述加热板3及所述制冷板7上，所述温度探头与所述控制面板13连接。利用温度探头(4和11)可以实时获取加热板3和制冷板7上的温度，从而控制加热板3的加热温度以及制冷板7的制冷温度，以提高对物料的蒸发效率以及对水蒸气的冷凝效率。
在具体实施时，加热板3的加热方式可为电加热、介质传导加热或红外灯管加热等。
进一步，所述真空冷凝干燥装置还包括真空计2，所述真空计2设置于所述真空干燥室1的顶部，且所述真空计2可检测所述真空干燥室1内的真空度，所述真空计2与所述控制面板3连接。真空计2可以检查真空干燥室1内的干燥程度，以提示操作真空泵6的开闭。
优选地，所述冷凝循环系统包括膨胀阀9、冷凝器10和压缩机8。
所述膨胀阀9的一端经管路连接至所述制冷板7，所述膨胀阀9的另一端与所述冷凝器10的一端连接，所述冷凝器10的另一端与所述压缩机8的一端连接，所述压缩机8的另一端经管路连接至所述制冷板7。
膨胀阀9使中温高压的液体制冷剂通过其节流成为低温低压的湿蒸汽，然后制冷剂在冷凝器10中吸收热量达到制冷效果，膨胀阀9通过冷凝器10末端的过热度变化来控制阀门流量，防止出现冷凝器10面积利用不足和敲缸现象。
进一步，所述真空干燥室1为不锈钢制作。不锈钢制作的真空干燥室1结构强度高，且可以防止生锈，避免生锈后的铁锈混进冷凝后的液体中而影响纯度和洁净度。
优选地，所述真空干燥室1为立方体形，所述加热板3及所述制冷板7均为矩形。立方体形的真空干燥室1与矩形的加热板3和制冷板7配合，方便加热板3和制冷板7的安装，且形状为常规形状，便于加工生产。
第二方面，本发明提供一种真空干燥装置应用方法，应用于上述真空冷凝干燥装置，包括：
步骤101，将待干燥的物料放置到加热板3上。
步骤102，调节控制面板13，设置合适的加热温度、冷凝温度和真空度。
步骤103，启动真空泵6将真空干燥室1的空气排空，使真空干燥室1处于真空状态。
步骤104，启动加热板3及冷凝循环系统，加热板3将物料中的水分蒸发出来形成水蒸气，水蒸气通过制冷板7冷凝成液体，液体通过排液孔排出。
实验例
将切片厚度为5mm的苹果分别在热风干燥60℃(图2中HD曲线)、真空干燥60℃(图2中VD曲线)、真空冷冻干燥60℃(图2中VD+F曲线)和本发明的真空干燥装置40℃(图2中VD+C(T40)曲线)、60℃(图2中VD+C(T60)曲线)不同条件下，水分比随干燥时间的变化如图2所示。控制每种干燥条件下的干燥终点含水率约为11％。
1.实验结果及分析。
含水率和干燥速率随着干燥时间的延长而降低。在实验过程中可以明显发现，本发明的真空干燥装置在60℃的真空冷凝干燥条件下，时间最短，仅3小时即可达到终点，而在真空冷冻干燥条件下，干燥至12％需要24小时，远远长于其他干燥方法。与热风干燥相比，真空干燥需要8h才能达到11％左右的含水率。
将得到的数据用Origin进行拟合，得到如图2所示的曲线，并根据曲线计算出的Deff值(干燥速率)，可以直接发现本发明的真空干燥装置的真空冷凝干燥拟合出的曲线R2>0.95，其他干燥条件下的R2>0.90，说明曲线拟合效果很好。同时，在曲线中可以观察到不同干燥条件对干燥速率的重要影响，本发明的真空干燥装置的真空冷凝干燥在60℃下的Deff值为2.396，本发明的真空干燥装置的真空冷凝干燥在40℃下的Deff值为1.156，热风干燥下的Deff值为0.5777，真空干燥下的Deff值为0.5389，真空冷冻干燥下的Deff值为0.2659。Deff值与可以反映苹果片的干燥速率，该值越高说明其干燥速率越快。
结果表明:当真空冷凝干燥温度为60℃时，真空冷凝干燥速率最快，真空冷凝干燥温度为40℃时的干燥速率其次；真空干燥速度与热风干燥速度基本一致，没有显著差异，排名第三。干燥速度最慢的是真空冷冻干燥。这些结果与早期对各种产品的猜想一致。
根据拟合出的数据，在干燥温度为60℃时，真空冷凝干燥的干燥速度是热风干燥和真空干燥速度的4倍，是真空冷冻干燥速度的10倍。即使将真空冷凝干燥的温度降低到40度，其干燥速度是热风干燥和真空干燥的2倍以上，是真空冷冻干燥的5倍以上。
综上所述，采用本发明的真空干燥装置的真空冷凝干燥是本次实验几种干燥方式中提高食品干燥速度的最佳选择。相比于真空冷冻干燥干燥速度慢、能耗高、效率低等缺点，真空冷凝干燥能够使苹果片生产更加高效。
2.维生素C含量分析。
不同条件下的维生素C含量如图3所示。可以看出，热风干燥条件下维生素C损失最为严重。苹果片由于长时间暴露在高温和氧气中，发生酶促褐变和抗坏血酸氧化等反应，导致维生素C含量显著降低。维生素C的降低反映了苹果片中营养成分的破坏，这也是评价脱水产品的一个重要指标。
热风干燥下的VC含量为3.0476μg/g，真空干燥下的VC含量为8.0040μg/g，本发明的真空干燥装置的真空冷凝干燥40℃的VC含量为8.0974μg/g、本发明的真空干燥装置的真空冷凝干燥60℃下的含量为8.2231μg/g，真空冷冻干燥下的维生素C含量最高，为10.3487μg/g。
3.总酚含量和抗氧化活性含量分析。
总酚含量由没食子酸标准溶液浓度和吸光度拟合出标准曲线，由样品吸光度得出不同干燥条件下终产品的总酚含量。总酚含量是与苹果片色泽、品质、褐变情况和代谢状态紧密相关的重要指标。
结果如图4和图5所示，显示不同干燥条件下总酚含量和DPPH清除率存在显著差异。真空冷冻干燥下的苹果片总酚含量最高，含量约为3.2306mg/g，而真空冷凝干燥下苹果片总酚含量略低于真空冷冻干燥，在本发明的真空干燥装置的真空冷凝干燥40℃下的含量为2.6325mg/g，在本发明的真空干燥装置的真空冷凝干燥60℃下的含量为2.5439mg/g，真空干燥下的总酚含量为2.0509，热风干燥下的总酚含量最低，含量仅为1.5026mg/g。同样，真空冷冻干燥下的苹果片具有较高的抗氧化活性，清除率为70.62％，真空冷凝干燥下苹果片对DPPH的清除能力略低于真空冷冻干燥，在40℃下的清除率为64.97％，在60℃下的含量为62.65％，真空干燥下的DPPH清除率为59.62％，热风干燥下的抗氧化活性最低，清除率仅为57.91％。可以看出不同干燥条件下，样品在干燥终点时的总酚含量和抗氧化活性含量都是在热风干燥下最低，真空冷冻干燥下最高。结果表明，真空条件相较于热风干燥能有效地防止苹果样品中总酚和抗氧化活性物质的破坏。并且本发明的真空干燥装置的真空冷凝干燥下对总酚和抗氧化活性成分的保留优于真空干燥和热风干燥，对苹果片中营养成分的保留起到了积极的作用。
4.色差分析。
食品的质量受产品的外观形态和本身风味影响。通过比较苹果片干燥终产品的外观，可以发现不同干燥条件下的色泽不同。这一方面是由于样品中多酚氧化酶、氧和水的酶促褐变所致。另一方面，随着干燥时间的延长，苹果中的碳水化合物开始逐渐分解，发生美拉德反应，产生棕色物质。对样品的颜色进行进一步分析，可以作为判断褐变程度的标准。
请参阅图6-图8，根据L、a、b值计算色度(C)和褐变指数(BI)，可以从某种程度上反映出苹果片和褐变情况以及营养成分破坏程度。从图中可以看出，热风干燥时C值和BI值最高，真空冷冻干燥时最低。真空冷凝干燥的样品C值和BI值显著低于热风干燥和真空干燥的样品。从数据来看，真空冷凝干燥的褐变程度明显优于真空干燥和热风干燥。本发明的真空冷凝干燥装置真空冷凝干燥在60℃的条件下干燥速率显著提高，反应时间缩短，所以褐变程度较低；而本发明的真空冷凝干燥装置真空冷凝干燥在40℃的条件下，干燥温度降低且干燥时间低于真空干燥，所以褐变程度更低，仅次于真空冷冻干燥。综上所述，真空冷凝干燥能有效减缓苹果片的褐变，减少更多棕色化合物的形成。
相对于现有技术，本发明的真空冷凝干燥装置的有益效果：
(1)提高干燥效率。由于真空干燥室1抽真空后气压降低，水分更容易从物料中挥发，可以提高干燥效率，降低能耗。
(2)降低真空泵6开启频率，减少设备损耗。由于制冷板7设置在真空干燥室1内，当达到设定真空度后，就可以关闭真空泵6，保持真空干燥室1内的真空状态，物料蒸发出来的水蒸气可以直接通过制冷板7冷凝，不需要再抽真空排出水分。
(3)适应范围广，可干燥水分含量很高的物料。由于可以有效通过排水阀12排出真空干燥室1内的冷凝水，该装置可以干燥水分含量较高的物料，对物料的适应性更广。
本发明的真空冷凝干燥装置具有结构简单、干燥效率高、适应范围广等特点。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种真空冷凝干燥装置，其特征在于，包括：
真空干燥室，所述真空干燥室的上部和下部分别设置有排气孔和排液孔，所述排气孔与真空泵连接；
加热板，所述加热板设置于所述真空干燥室内；
制冷板，所述制冷板设置于所述真空干燥室内；
冷凝循环系统，所述冷凝循环系统连接至制冷板；
控制面板，所述控制面板与所述真空泵、所述加热板、所述冷凝循环系统连接。
2.根据权利要求1所述的真空冷凝干燥装置，其特征在于：所述真空冷凝干燥装置还包括排水阀，所述排水阀设置于所述排液孔处。
3.根据权利要求1所述的真空冷凝干燥装置，其特征在于：所述真空冷凝干燥装置还包括温度探头，所述温度探头分别设置于所述加热板及所述制冷板上，所述温度探头与所述控制面板连接。
4.根据权利要求1所述的真空冷凝干燥装置，其特征在于：所述真空冷凝干燥装置还包括真空计，所述真空计设置于所述真空干燥室的顶部，且所述真空计可检测所述真空干燥室内的真空度，所述真空计与所述控制面板连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的真空冷凝干燥装置，其特征在于：所述冷凝循环系统包括膨胀阀、冷凝器和压缩机；
所述膨胀阀的一端经管路连接至所述制冷板，所述膨胀阀的另一端与所述冷凝器的一端连接，所述冷凝器的另一端与所述压缩机的一端连接，所述压缩机的另一端经管路连接至所述制冷板。
6.根据权利要求1-4任一项所述的真空冷凝干燥装置，其特征在于：所述真空干燥室为不锈钢制作。
7.根据权利要求1-4任一项所述的真空冷凝干燥装置，其特征在于：所述真空干燥室为立方体形，所述加热板及所述制冷板均为矩形。
8.一种真空干燥装置应用方法，应用于权利要求1-7任一项所述的真空冷凝干燥装置，其特征在于，包括：
将待干燥的物料放置到加热板上；
调节控制面板，设置合适的加热温度、冷凝温度和真空度；
启动真空泵将真空干燥室的空气排空，使真空干燥室处于真空状态；
启动加热板及冷凝循环系统，加热板将物料中的水分蒸发出来形成水蒸气，真空干燥室内水蒸气通过制冷板冷凝成液体，液体通过排液孔排出。
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