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一、 食品真空式冷冻干燥机，水果箱式冻干机，冻干设备过程

冻干过程首先使物料冻结，再人为降低物料周围气体中的水汽分压，使物料的蒸汽压大于周围气体中的水汽分压条件得到满足，此时水以冰的形态存在，冰由固态直接升华变为汽态，从而达到干燥的目的。

冻干过程必须满足两个基本条件是：（1）物料必须充分冻结，温度在物料冻结点以下。（2）物料中的冰是以升华方式进行脱水，升华过程中物料温度必须严格控制，不允许物料出现溶化及熔解现象。

此外，要保证冻干过程的顺利进行，必须满足两个必要条件：（1）不断给冰提供热量，以补充升华时水汽带走的热量。（2）不断去除冰表面的水蒸汽，以使周围环境水蒸汽压永远达不到冰的饱和蒸汽压。

冻干设备就是按照以上四个条件（两个基本条件、两个必要条件）运行的工艺组合体，由于目前常压下移走升华水汽的工艺效率不高，因此现阶段采用的是真空冷冻干燥工艺。其工艺流程如下：

物料速冻→抽真空→升华干燥（物料热量传递、水汽传质）→干燥终点

本文就冻干设备中各系统采用的种类和性能进行一些常识性探讨，希望对有兴趣采用冻干设备的人们在选择设备时能有所帮助。

二、 食品真空式冷冻干燥机，水果箱式冻干机，冻干设备的组成

冻干设备通常由冷冻机组、制冷组件及配件、真空泵组及箱体、加热组件、化霜组件、检测仪表及各类电器等组成。这些装置分别形成速冻系统、真空系统、加热系统、控制系统、化霜系统。

各种系统采用的种类不同其性能和能效也存在较大差异，充分了解各系统的种类和性能有利于对冻干设备的正确选择。

三、 食品真空式冷冻干燥机，水果箱式冻干机，冻干设备速冻系统种类及性能

1、 作用

使物料快速冻结。根据物料性质通常要求1～4小时完成冻结，冻结时间越快冰晶颗粒越小，物料结构保存越好，但速冻太快会导致因温差应力而造成的物料结构急剧破裂。对于制冷温度，通常-20℃～-40℃的制冷温度已能满足大多数物料冻结要求。同等物料的条件下速冻速度越快、制冷温度越低，速冻设备投资越大。因此要根据物料的性质来决定速冻时间和制冷温度，以免资金浪费。

2、与冻干设备的组成形式

由于冻干设备的真空系统常采用冷阱捕水，需配置冷冻机组，因此中小型冻干设备常利用此冷冻机组实现速冻功能，形成了速冻冻干一体机。它避免了冷冻机组的重复投资，但由于速冻占有了冻干机的工作时间，从而使冻干机工作周期延长，当然此类设备通常也可单独使用冻干模式。另一种是速冻冻干分置式，冻干机无速冻功能，需另行投资配置速冻设备。大型设备常采用此方式。由于物料运送过程中存在着冷量损失，为避免物料表面融化影响冻干，要求真空系统有较大的抽速，一般要求3～10分钟内使真空度达到130Pa以下，利用真空制冷和绝热功能避免物料表面融化或使表面重新冻结，所以此类设备在该环节有一定的能量损失。

3、种类及性能

常用的速冻方式有：

（1） 浸渍式：把物料直接浸渍在低温液体（液氮、液二氧化碳、液态氟里昂等）中速冻。此方式物料表面同时进行液体与物料热传导交换，速冻时间 ，但运行成本很大，不适合大批量速冻，故非特殊要求一般不采用此方式。

（2） 喷淋式：把低温液体直接喷淋在物料上，使物料速冻。此方式也是物料表面同时进行液体与物料热传导交换，热交换量与喷淋量有关，其速冻速度较快，运行成本也较大，同样也不适合批量速冻。

（3） 接触式：速冻物料与制冷蒸发器直接接触，主要依靠接触面进行单面热传导速冻。此法能耗较小，速冻速度可以满足一般的速冻要求，早期的速冻设备基本采用此方式，但该方式蒸发器除霜要停机而且较麻烦。

（4） 风冷式：利用强制冷风进行速冻。此方式物料表面同时进行冷热交换，能耗较小，速冻速度可以满足一般的速冻要求，由于除霜不需停机比较方便，因此现在的速冻设备大多采用此方式。

冻干机常用的的速冻方式有接触式和风冷式两种。对于速冻冻干一体机，采用的最

多的速冻方式是接触式，风冷式较少，性能分析见表1。

表1一体机常用速冻方式性能分析

四、食品真空式冷冻干燥机，水果箱式冻干机，冻干设备真空系统种类及性能

1、作用

不断地移走升华产生的水汽，以使周围环境水蒸汽压永远达不到冰的饱和蒸汽压。保证升华过程的顺利进行。由于升华过程中水汽量波动较大，一旦不能及时移走水汽，很可能会引起环境水蒸汽压过高，造成物料部分表面或全面塌陷（外形部分或全部干瘪）。从而使物料的冻干部分或全部失败。因此配备的真空抽气设备要合理， 能应付水汽升华峰值。

2、种类及性能

理论上冻干环境压力在610Pa以下便可进行，但为了加快升华速度此值越小越好，实际工作时通常在130Pa以下，这样的环境条件为高真空，而且它还要排除不断升华的水汽。目前在冻干机上配备的真空设备有以下几种：

（1） 多级蒸汽喷射泵

采用4～5级蒸汽喷射泵串联，抽走水汽，使真空达到升华的要求。此设备最简洁、便宜，但要求提供压力为0.4～0.5Mpa、足够流量的过热水蒸汽。由于1公斤冰在125.37Pa的压力下升华为588立方米的水汽（此压力下水汽密度0.0017公斤/立方米），要抽走如此多的水汽必将耗费大量的过热水蒸汽，能耗大。此外蒸汽喷射泵抽气真空压力较难控制，为应付脉冲式的升华水汽峰值必须配置大抽量喷射泵，冻干机的投资虽然降了，但配套蒸汽锅炉又使投资回升，该方案现很少见。

（2） 罗茨真空泵+水环真空泵

纯机械泵组合，前级采用罗茨真空泵，后级采用水环真空泵，经过两级串联达到抽走水汽，维持必要的真空压力。此方案能耗较大，要应付脉冲式的升华水汽峰值必须配置大抽量真空泵组，该方案也很少见。

（3） 冷阱（捕水器）+滑片真空泵

前级采用冷阱（捕水器），后级用双级滑片真空泵。大量水汽进入冷阱后被捕捉成凝结在冷阱上的冰霜，只有少量的不凝气体由后级滑片真空泵抽走，以维持必要的真空压力。由于冻干机中要抽走的气体大多为水汽，因此后级滑片真空泵功率可选得很小，冷阱捕水方式因制冷是采用的卡诺循环，它能吸收环境能量做功，所以该方案能耗 。另外制冷机组配的膨胀阀具有制冷量调节用处，故它更方便应付脉冲式的升华水汽峰值。该方案合理，但工艺设计、制作要求较高，如冷阱捕水能力差或滑片真空泵抽速过快都会引起真空泵油乳化，导致真空失效。

（4）冷阱（捕水器）+罗茨真空泵+滑片真空泵

前级采用冷阱（捕水器），中间使用罗茨真空泵，后级用双级滑片真空泵。该方案与上述方案相比中间增加了罗茨真空泵，其作用是加大抽速以保证升华所需的真空压力，造成的原因主要是水汽传质通道阻力过大或真空箱体漏气太大。此方案能耗稍大，目前许多冻干机采用这种方案，但由于抽速稍大，很容易造成真空泵油乳化，也有厂家用水环真空泵替代滑片真空泵，避开了真空泵油乳化这个问题。

3、冷阱装配位置

五、食品真空式冷冻干燥机，水果箱式冻干机，冻干设备加热系统种类及性能

1、作用

随着冰的升华，水汽带走大量的热量，致使物料因失去热量而温度降低，物料的蒸汽压也随之降低，当物料温度降到-55℃以下时，物料的蒸汽压接近为0帕，此时物料几乎停止升华，干燥无法进行；为保证物料的蒸汽压大于周围气体中的水汽分压，使升华顺利进行，必须为物料补充适当的热量，热量过多会导致物料溶化，热量补充不足会延长冻干时间。

冰升华所需的潜热与水沸腾所需的汽化热量相接近，但升华是在冰点以下进行，因此既要及时传递大量的热能又要保证冰不溶化就变得较为困难，所以加热系统的选择就变得格外重要，一般搁板采用传热系数较高的材料制作。

2、种类及性能

由于物料工作环境处于高真空，因此常见的冻干机热量传递基本依靠接触式传导和辐射两类。性能分析见表2

表2加热系统性能分析

六、控制系统种类及性能

1、作用

控制冻干机各种电器、阀的开关，制冷量、加热量的大小，各工艺参数的检测、报警连锁，各系统的协调和控制。

冻干过程控制的关键是热量补充的控制，它决定着冻干周期的长短、能耗及物料品质。理想状态应是升华带走多少物料热量，加热系统及时给物料补充多少。实施的手段是通过设定加热搁板的温度高低、时间的长短，来决定给物料补充热量的多少。通常我们把加热搁板温度随时间而变化的曲线叫做冻干曲线。不同的物料、同种物料不同的形状以及不同的单位面积装载量（冻干机大小以物料盘的面积大小来表示，每平米额定可装物料10公斤）需要不同的冻干曲线。

2、种类及性能

根据冻干机控制系统对冻干曲线的实施方式我们可以分为手动（含半自动）、自动程序控制及自动跟踪控制三个大类。

（1）、手动（含半自动）

电器控制简单、成本很低，但对操作人员有着相当高的要求，操作人员必须掌握冻干理论知识和冻干机的设备性能，要熟悉各工艺参数所反应的工作状态、各工艺参数之间的关联程度，能正确判断、及时调整冻干机的工作状态。

由于冻干过程时间较长（十到几十个小时），人工操作难免有疏忽产生，所以此类设备冻干品质较难保证，冻干周期也较长。

（2）、自动程序控制

每种规格的物料要先通过实验机试验以确定物料升华各阶段所需热量和时间（确定加热搁板温度随时间而变化的曲线），即冻干曲线。再把试验得到的冻干曲线设置到生产型冻干机的可编程控制器中，升华开始后加热搁板温度按可编程控制器的程序随时间变化，实现了自动控制。目前大多数冻干机采用此种控制方式，它操作简单、对操作人员要求不高；但如物料装载量、物料大小等发生变化，即试验时的工况与实际操作工况有差异时，会出现失控现象，需操作人员调整干预。

（3）、自动跟踪控制

该方式自动实时跟踪物料热量的得失，根据需要自动决定加热搁板温度高低和时间长短，它不受物料装载量、物料大小等因素的影响，操作很简单，对操作人员基本无要求，该方式既节能，又能有效的缩短冻干周期、保证冻干质量。

七、食品真空式冷冻干燥机，水果箱式冻干机，冻干设备化霜系统种类及性能

1、作用

对于采用冷阱的冻干机，每个冻干周期结束后必须除去冷阱中的冰霜，以利下次生产时冷阱捕水。实施办法是给冷阱输入热量，使冰霜化成水流出。化霜系统根据热量的输入方式进行分类。

2、种类及性能

表3常见化霜系统性能分析

八、综述

冻干机的选择在注重设备可靠性的前提下，尤其要注意设备的可操纵性和能耗指标。除了按上述的分析了解冻干机的设备组成外，最简洁的办法是对冻干机进行满负荷测试。具体方法是：按每平米10公斤的装载量用水进行冻干；要求水冻结成冰，冰以升华形式消失且不出现溶化现象，整个过程设备正常运行，真空泵油不乳化，真空不失效；记录冻结和冻干过程所需的水、电、汽耗量及所需时间，与其它冻干设备的测试结果比较就可得出结论。