真空预冷机（精选4篇）
真空预冷机 篇1
0 引言
真空预冷[1]是目前国际上最先进的预冷方法之一,它可以快速均匀地除去刚采摘果蔬携带的田间热、呼吸热,从而延长其贮存期,对食品保鲜和提高人们的生活水平具有极为重要的意义。但是,真空预冷机的成本一直很高[2],制约了它在工业中的大规模应用及推广。其中,控制系统和采集系统是目前生产真空预冷机的主要投资部分,因为,在食品的实际冷却过程中需要采集很多参数来保证它的质量安全。为此,本文利用PLC(即可编程控制器[3],是专为工业环境下的应用而设计的一种数字运算操作的电子装置)将控制系统和采集系统合为一体,设计了一种简易果蔬真空预冷实验台,不仅实现了温度和压力的实时监控,还可以通过改变真空泵的抽速实现节能的目的,节约了总成本,对推广该预冷技术推广有一定的实际意义。
同时,为了更好地实现人及交换功能,本文还在STEP 7 MicroWIN的基础上利用组态王完成了上位机的设计,使操作者能实时看到温度、压力及冷却物品的重量等重要数据。
1 真空预冷机的基本结构及控制要求
1.1 基本结构
真空预冷机的基本结构如图1所示,主要由真空冷却室、制冷系统和真空泵组成。
真空预冷的工作原理[4]:将采摘后的食品果蔬等12放入真空冷却室15内,利用真空泵4进行抽气,使真空冷却室内的压力降低,使食品组织内的水分不断汽化吸收自身的热量,使被处理的食品快速而均匀的冷却,在此过程中产生的水蒸汽由串联在真空管道中的蒸发盘管7吸收。
1.2 控制要求
当按下运行开关时,制冷机和PLC同时开启。当热电偶检测到目标温度降到指定温度时(如-7℃),PLC发出信号给中间继电器控制交流接触器,使真空泵在变频器的控制下运行,真空冷却室压强开始降低。其中,真空泵的抽速变化是根据试验要求的压强变化曲线来控制电机转速的。当压强下降到期望值时,PLC开始对真空室进行PID压力控制。根据上述步骤通过改变压强变化曲线,研究食品在不同压力曲线下温度变化的情况[5]。
2 控制系统硬件设计
2.1 系统控制原理
本系统共有12个模拟量和3个数字量输入,2个模拟量和3个数字量输出。它们分别是检测8个温度、2个压力以及2个重量的模拟输入信号、2个控制开关和一个变频器故障的数字输入信号,输出一路控制变频器,另一路控制电磁膨胀阀控制器,其他3个数字量输出为指示灯和报警器。
2.2 系统硬件的选取
PLC选取西门子224XP CN,它集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,2 输入/1输出共3个模拟量I/O点,可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。热电偶模块选取EM 231 CN,它提供一个方便的,隔离的接口,可用于七种热电偶类型,本系统采用T型热电偶采集8个位置的温度信号,设置对应的DIP拨码开关来保证最好的精确度。模拟输入模块也使用EM 231 CN,4路模拟量单极性电流输入,分别采集2路大气压强和2路食品的重量信号,经过相应的转换得到实际的数值。模拟输出采用EM 232 CN,单极性电压控制变频器输出频率,进而控制真空泵的转速来控制气压。压力变送器采用上海皓鹰PT210B,24VDC供电,输出4mA～20mA或0～10V,线性对应于0～1 bar可选。重量传感器采用国产CHHBM-N膜盒式称重传感器,量程可达 30 kg ,灵敏度 1～2 ±0.1 mV/V,标准信号0～10 mA、4mA～20mA、0～10V 或0～5V输出。变频器采用国产的鲁瓦拓LWT6000-G3/P3,0.75 kW,内置简易型PLC和PID控制器,可实现给定量和反馈量双监控。真空泵为上海真空泵厂的2XZ-2,0.37 kW,工频(50 Hz)下抽速为2 L/s。制冷机组由美国生产的Labconco freeze dryer 2.5改装而来。
3 控制系统软件设计
3.1 系统程序流程
本系统程序采样模块化设计,其PLC系统控制原理图如图2所示。开机上电后程序自动运行,初始化各参数(如PID参数),按下开始按钮,各传感器采集温度压力信号,根据期望温度曲线计算出压力曲线,进而算出抽速。当温度下降到一定的时候,接触器合上,变频器开始工作,真空泵根据计算的抽速运行,最后压力到达600 Pa时采用PID压力控制,主流程如图2所示。
中断采用定时中断1,置SMB35=255,即每255 ms中断一次不断判断温度是否满足条件,从而控制变频器动作,而滞环控制方式是为了避免接触器频繁动作。
3.2 PLC部分程序及数据处理
系统需要实时采集温度压力等信号,其中都有模拟与数字量的转换问题。
%温度采集程序
LD SM0.0
ITD 热电偶采样1:AIW4, AC0 %整型到双整型
DTR AC0, AC0 %双整型到实型
MOVR AC0, 采样实际温度1:VD1100
/R 10.0, 采样实际温度1:VD1100 %除以10
/R 32000.0, AC0 %除以3200化为实际温度
MOVR AC0, VD1104 %采集的温度放在指定变量里
%采样for循环求8路温度求最小值,最大值
LD SM0.0 %先出始化
MOVW 0, 采样最大温度:VW0
MOVW 32000, 采样最小温度:VW4
MOVD &VB1100, VD8 %取温度变量地址
%采样指针循环,比较求出最大最小值
LD T37 %每次周期采用做比较
FOR VW12, 1, 7 %循环8次
LDW>= *VD8, 采样最大温度:VW0
MOVW *VD8, 采样最大温度:VW0
%比较采样温度,求出最小值温度为VD4
LDW>= 采样最小温度:VW4, *VD8
MOVW *VD8, 采样最小温度:VW4
LD SM0.0
+D 100, VD8 %采用变量地址继续循环加
NEXT
4 上位机软件设计
组态王[6]是开发监控系统软件,它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点,本系统使用组态王设计上位机界面,如图3所示。
上位机通过PPI电缆与PLC通讯,界面中用户可以自动运行系统,而PLC和制冷机停机也分别可以在上位机完成,参数设置主要是修改PID参数。而压力曲线、温度曲线、重量曲线和组合曲线是实时趋势曲线,点击按钮进入各子界面后可以选择生成报表系统,还可以完成历史查询的功能。
本报表程序每5 秒钟采样一次,且自动生成以时间命名的Excel报表方便查询,部分程序如下:
row=row+1;//报表每5s自动填下一行
if(row==100) //500s后生成excel并清空报表数据
{string filename; //命名excel
filename="E:报表”+
StrFromReal(本站点[XC4.TIF,JZ年,0, "f" )+
StrFromReal(本站点[XC4.TIF,JZ月,0, "f" )+
StrFromReal(本站点[XC4.TIF,JZ日,0, "f" )+
StrFromReal( 本站点[XC4.TIF,JZ时,0, "f" )+
StrFromReal(本站点[XC4.TIF,JZ分,0, "f" )+".xls";
ReportSaveAs("report1",filename);
reportsetcellstring2("report1",3,1,105,15,"");
row=3;//每清空后又从第三行开始记录数据
}
图4报表中数据可以看出各温度在制冷机组的作用下不断下降,但由于没有达到真空泵工作的阀值(-7℃),压力和重量几乎不变。
系统每30秒采集一次的压力曲线,压力1为真空冷却室内的气压,压力2为采集外面的标准大气压(超出数轴范围不可见),压力1达到600Pa后进行PID控制,稳定后压力几乎保持600Pa不变。
为了更好地查询功能,组合曲线可以自由选择所需的曲线,调取系统运行过程中采集的历史数据,研究不同食品在冷却过程中的变化规律,找出最佳的冷却压力曲线。
历史趋势曲线中了选择平均温度和重量1,时间跨度设为10分钟,温度几乎成直线下降,如图5所示。
5 结束语
根据真空预冷装置的结构和控制要求,本控制系统采用了基于西门子PLC和上位机结合的控制方式,改进了传统继电器控制系统存在的缺陷和不足,抗干扰能力强,可靠性高,且成本较低,适用于国内的中小型真空预冷机,仅需修改控制程序即可达到改善控制的要求,根据不同的果蔬获取最佳的冷却压力曲线,编程方法简单易掌握。经实际运行表明,本系统程序设计合理,运行稳定,数据显示直观,采集存储方便,对通用真空预冷系统的控制具有一定的借鉴作用。
参考文献
[1]邓东泉,孙恒,等.真空预冷技术的现状和发展前景[J].食品工业科技,2002,23(7):73-75.
[2]王海鸥,姜松.真空冷却技术及其在食品工业的研究和应用[J].制冷,2004(3):33-36.
[3]张振国,方承远.工厂电气与PLC控制技术[M].北京:机械工业出版社,2011:52-57.
[4]闫静文,王雪芹,等.基于S7_300PLC果蔬真空预冷机控制系统的设计[J].食品工业科技,2010,31(3):320-324.
[5]陈威,丁伟华.新鲜蔬菜真空预冷实验分析[J].食品科学,2007,28(12):494-497.
[6]王善斌.组态王软件应用指南[M].北京:化学工业出版社,2011:4-5.
真空预冷技术的探讨 篇2
真空冷却被广泛地应用于果蔬、肉类食品、烘焙食品及花卉的预冷工艺中,在真空冷却的研究方面,目前的研究热点集中在设备的设计与开发、真空冷却过程中的气体温度变化以及能耗匹配等,并取得了大量研究成果。
1 真空冷却系统介绍
真空预冷实验装置虽然样式各异,种类繁多,但原理和构造基本相同。现以VFD-2000型真空预冷试验机(上海鲜绿真空保鲜设备有限公司生产)为例,介绍装置系统组成,该系统是由制冷系统、真空系统和数据采集控制系统组成。其结构见图1。
1.1 制冷系统
制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等4部分组成。其中蒸发器作为外置式捕水器,其作用是把抽真空过程中产生的水蒸气凝结为水滴,并由排水口排出。系统采用非共沸混合制冷工质R404A,可使蒸发器的最低温度降至-33℃。
1.2 真空系统
真空系统采用2XZ-4型油封式旋片真空泵,抽气速率为14.4 m3/h,转速为1 400 r/min,功率为0.55 kW。真空室与外置式捕水器通过软管相连,真空室内的水蒸气由真空泵抽出后,绝大部分经过捕水器被冷凝,剩下的部分由真空泵排到大气中。
1.3 控制系统
控制系统由PLC、上位机和电气系统组成。由PLC实现对各测点温度、压力信号的采集和通信。在上位机中安装有组态软件,不仅可以实现人机对话,还可以对各数据参数进行采集、存储及生成对应的实时图像。
2 真空预冷原理
真空冷却原理是将被冷却物放置在真空冷却室内,通过真空系统抽取空气造成一个低压环境,使冷却物中的水分得以蒸发,吸收自身热量以达到降温的效果。抽真空时为防止水蒸气进入真空泵,增大真空泵负荷、降低润滑效果,故在真空泵开启前应先开启制冷系统使捕水器温度降至水蒸气凝结温度以下。
水在一个标准大气压下的沸点是100℃,汽化潜热为2 256.69 kJ/kg。而当沸点降至0℃时,对应的压力是613 Pa,相关数据见第85页表1。
从第85页表1中可以看出,随着压力降低,水的沸点逐渐降低,而对应汽化潜热却逐渐升高。真空预冷采用低压冷却,是因为被冷却物中的自由水在低压蒸发时,由于汽化潜热高,所以带走较多的热量。
3 真空冷却特点
传统的冷却方式有风冷、水冷和冰冷,这三种方法主要是依靠导热的方式将热量从物体中心传到表面,然后通过对流将热量带走。虽然这种方式温度分布不均匀,但降温速度较慢,而且食品也容易受机械损伤[2]。真空预冷是靠蒸发物料表面和内部的水分,吸收自身热量来达到降温的效果。因此,与传统冷却方式相比,真空预冷具有冷却速度快、温降均匀等优点。一些学者研究发现,真空冷却所需时间一般在20～30 min之间,其他的冷却方法需要几小时甚至十几小时[3]。另外,因不与传热介质接触,所以可以保证被冷物品的干净卫生。
真空冷却过程中,由于水分的蒸发,温度的降低会使食品内的水分损失,所以在预冷时需考虑被冷物质的含水量、表面水蒸气渗透率等因素。如预冷含水量较少的果蔬时,由于水分的损失会使其质地、颜色发生变化,从而影响产品品质。故在预冷前可以对物品做表面加水处理。对表面水蒸气渗透率较低的果蔬,如番茄,可以不做真空预冷处理。
对于预冷液态食品,还存在飞溅失水问题。以液态饮料的冷却过程为例,在抽真空过程中由于压力的逐渐降低,当低于对应饱和压力时,饮料剧烈沸腾,导致大量液体飞溅,造成水分损失。因此,在预冷液态食品时,应注意采取相应的抑制失水的方法。
4 研究方向
4.1 失水问题研究
目前对真空冷却的研究虽然较多,但是对真空冷却过程失水机理分析较少。因此探究真空冷却过程失水机理问题,对采取合理高效的防止失水方法具有科学指导意义。
许多学者已对失水问题进行了研究,并取得了显著成果。范磊,李保国等人研究了带汤汁熟食品在冷却过程中的飞溅现象,并提出了使用分段降压法和回压法可有效降低失水的结论[4]。另外,上海理工大学徐文强等人以水为研究对象,分别采用宽口和窄口容器研究容器形状对失水的影响。并得出窄口容器可有效降低失水率的结论[5]。也有学者提出了在容器中加入漂浮物、滤网等来降低失水的方法,并获得了理想的效果。但由于失水与被冷却物质、冷却速度和冷却工艺等诸多因素有关,因此还需深入研究,以进一步寻找科学合理的抑制失水的方法。
4.2 能耗研究
随着社会快速发展,能源需求量逐渐增加,而可再生资源却日益减少,这就使降低设备能耗的研究显得越发重要。研究表明,真空冷却系统能耗与真空泵开启温度和被冷物品质量有关[6]。对于制冷系统和真空泵配置已确定的真空冷却系统,存在最佳真空泵开启温度和被冷物品质量。因此,在使用真空冷却系统时,应尽量使其在最佳状态运行,以降低能耗,使经济效益最大化。但能耗分析的研究尚处于发展阶段,仍需做大量工作,以探究降低能耗的最佳方法。
4.3 产业化应用
如何使真空预冷技术从实验阶段进入产业化应用阶段,实现其商业价值,一直是现在学者及科研人员研究的课题。其中一个重要应用是作为冷藏链的第一步,用于食品的预冷。冷藏链是指食品从产地到消费市场,再进入家庭,食品一直处于被冷藏状态的过程。而真空预冷对食品后期的运输、销售等一系列过程的冷藏起着至关重要的作用。我国尚未形成真正的冷藏链,这直接导致每年将近30%的食品因未得到良好冷藏而腐败变质,造成巨大的经济损失。因而研究成熟的真空预冷技术迫在眉睫。
5 发展前景
真空预冷具有冷却均匀快速、干净卫生和操作方便等优点,但因设备投资高,见效慢,且技术尚未成熟,因此发展速度较慢。随着国内经济的飞速发展,人们生活水平的不断提高,消费者开始追求营养型、保健型食品。这就需要加快发展真空预冷技术,尽快完善冷藏链,以提高产品附加值,增加社会效益。
摘要：阐述了真空预冷的原理及特点,介绍了真空预冷技术在冷藏链中的应用,比较了真空冷却相对于其他冷却技术的优势,并结合实际情况及当前的发展现状,指出了真空预冷技术的发展前景。
关键词：真空预冷,工作原理,冷藏链
参考文献
[1]邓东泉.真空预冷技术的现状和发展前景[J].食品工业科技,2002(7):73-75.
[2]马骞.果蔬真空预冷技术的研究概况[J].河北农业科学,2009(3):15-16.
[3]苏树强.食品真空冷却的机制、特性与实验装置[J].制冷技术,2002(2):7-11.
[4]范磊.带汤汁熟食品真空预冷飞溅现象分析及防止研究[J].制冷学报,2012(2):68-72.
[5]徐文强.液体真空冷却过程中失水及浓度变化问题研究[J].制冷学报,2011(1):38-42.
准确判断预冷机检修部位改造 篇3
1 现象及原因
2015年初, 预冷机进出口压差增大至0.1MPa, 处理气量约19000Nm3/h (预冷机正常运行时, 进出口压差约为0.03MPa, 处理气量22000Nm3/h) 。预冷机长时间处于低负荷状态下工作, 并且造成压缩机排空阀打开, 能耗增加。这种工作状态, 也不符合安全操作规范, 对压缩机和预冷机本身也极为不利, 容易发生停机事故, 对生产稳定性威胁很大。
经分析, 造成这种现象的原因主要是空气预冷机堵塞, 而现场无有效的监控手段, 导致无法及时发现系统压差增大, 造成分馏塔工况波动, 影响氮气质量。
2 技术改造
考虑到更新设备费用很高, 而现有设备闲置也是一大浪费, 决定对预冷机进行有针对性的技术改造。
当空气预冷机压降增大时, 对预冷机的蒸发器和气水分离器同时进行清理, 涉及作业种类多, 危险程度高;同时, 工作量大, 检维修费用高。所以, 我们通过在蒸发器和汽水分离器之间加装1块1MPa的压力表, 根据三块压力表形成的压力差来判断预冷机检修部位。
注:PA—预冷机入口压力;
PB—预冷机出口压力;
PC—预冷机蒸发器与气水分离器短接处压力。
当△P=PA-PB增大时:
若△P1>△P2, 则需要对蒸发器进行清理;
若△P1<△P2, 则需要对气水分离器进行清理。
相比之下, 加装压力表后, 根据预冷机进出口趋势变化趋势, 对预冷机进行针对性的预知性检维修。
3 改造效果
在改造措施实施后, 进行了试车检验。在预冷机进口压力为0.62MPa, 出口压力为0.60MPa。经过3个月考验, 改造后预冷机运行正常, 完全符合空分设备的要求。根据压差的变化, 可通过拆除预冷机入口短接对蒸发器进行清理, 十分方便。
4 结语
这次对UF-23000/8型预冷机的改造投资很少, 耗时很短, 只增加了1块压力表, 就解决了影响空分设备正常运行的问题, 既保证了企业的正常生产, 又减少了更新设备的费用, 对提高设备工作效率、节约生产成本都有一定的贡献。
参考文献
[1]张国辉, 张鸿斌.石油化工企业装置检修改造安全管理措施[J].中国石油和化工标准与质量.2011 (08) .
[2]张发平, 刘永钟, 周才蔚.改进设备、优化操作缩短空分设备起动时间[J].深冷技术.2005 (03) .
[3]郑汉英, 林秀娜, 夏红丽.空分设备用立式径向流吸附器的发展[J].杭氧科技.2015 (03) .
CYYL-Ⅰ型差压预冷机设计 篇4
预冷是蔬菜商品化生产过程中的关键环节, 能够迅速除去蔬菜生长过程中产生的田间热, 抑制采后蔬菜旺盛的呼吸, 从而减缓新陈代谢活动, 最大限度地延长蔬菜生理周期, 降低采后出现的失重、萎蔫及黄化等现象。在发达国家, 蔬菜采后预冷已成为蔬菜采后流通、贮藏前必不可少的常规技术。差压预冷是在冷库预冷的基础上弥补其预冷时间长、预冷不均匀等不足而研发出来的预冷技术。日本、美国等国家在二十世纪四五十年代已开展预冷技术研究。我国相关院校已有一些差压预冷机方面的研究见报。C Y Y L-Ⅰ型差压预冷机为设计的样机, 本样机作为展示样机并非定型产品, 可根据用户要求生产不同性能的预冷机以满足使用。
2 CYYL-Ⅰ型差压预冷机设计
2.1 总体设计思路
差压预冷机设计满足1~2 t蔬菜预冷的要求。静压箱有足够的承重能力。静压箱上方的蔬菜有足够的压力、风量, 预冷均匀;采用变频器控制3台轴流风机, 使预冷风速可调又节约能耗。
2.2 构造
C Y Y L-Ⅰ型差压预冷机主要由静压箱、风机、管路和控制系统等组成。其结构如图1所示。
2.3 工作原理
工作时将采后的蔬菜一排排码放在蔬菜周转框内, 再将蔬菜周转框一排排码放在差压预冷机静压箱上, 用毡布将周转框围严。冷库温度设定在4℃, 接通电源, 打开风机开关调节风速以1 m/s的速度运行, 使冷空气不断快速均匀地在每个蔬菜产品周围流动, 带走田间热和呼吸热, 达到迅速预冷。
2.4 相关参数计算
(1) 静压箱的设计计算。C Y Y L-Ⅰ型差压预冷机静压箱由支撑骨架、箱板、孔板、管路和风机组成。骨架呈90°交插焊接, 箱板紧贴骨架外围焊接。孔板通过螺栓安装在钢骨架上面。3台轴流风机并排安装在侧壁上。为了减少风机前后管路的风阻, 管路直径设计为300 m m与管道型风机法兰接口直径一致。管道出口设计为向上45°出风, 这是为了出风不直吹向库顶, 从而改善库内冷空气循环状况。布置3台轴流风机是为了使静压箱内负压更均匀, 因此并排安装在侧壁上。
1.静压箱2.周转箱3.管路4.风机
由冷库、预冷机、蔬菜筐和毡布构成冷风快速循环系统。预冷机静压箱中空气是循环排出的, 根据冷库容积设计预冷机整体外形、静压箱骨架承质量等参数, 并考虑受差压式预冷机结构尺寸的限制, 静压箱设计如图2。
静压箱容积设计计算:
静压箱支架受力的计算:
静压箱所受压力根据预冷量1.2 t, 压力F= (1 200×9.8) ÷1 000÷2=6 k N。按有关《机械设计手册》计算静压箱支梁挠度。支梁采用8#槽钢, 按两端固定梁计算 (图3) 。
支梁挠度计算:
式中P—集中载荷;
E—弹性模量;
I—截面轴惯性矩;
l—支点间距离, m;
n—集中载荷数量。
经计算本支梁挠度为2.1×10-5m m, 在使用范围内。
最后通过Solid W orks软件中的C O SM O SX press分析功能对差压预冷机支梁进行了应力集中载荷静强度分析 (见图4) 。通过分析, 支梁的设计满足强度要求, 又减少了材料用量。因为材料用量的降低意味着材料成本的节约, 同时又减少能耗。试验分析证明, 支梁在实际工作中是安全可靠的, 理论上是可行的。
(2) 风量的设计计算。根据静压箱容积设计计算风机通风量。通风量应留有足够的余量, 以增加循环次数, 实现快速预冷同时兼顾箱内流场均匀、风道顺畅和风阻小。根据风机法兰直径确定静压箱高度, 选用T30型管道式轴流风机安装在静压箱侧壁上。
式中N—风机数量, 台;
V—静压箱体积, m3;
N—换气次数, 次/h;
Q—所选风机的单台风量, m3/h。
通过计算, 选用1台风机即可满足换气量的要求, 但为了使静压箱和货堆所形成的内流场横向、纵向有一个较好的均匀性, 采用3台风机并列设计。
(3) 风机功率及控制方式。风机电机的速度是固定不变的, 但在实际使用过程中, 有时要以较低或者较高的速度运行。在启动时, 电流会比额定值高5~6倍, 不但会影响风机的使用寿命, 更会消耗较多电量, 系统在设计时采用节能变频器调节风机速度, 可实现电机软启动、补偿功率因数及通过改变设备输入电压频率达到节能调速的目的, 而且能给设备提供过流、过压和过载等保护功能。经过综合考虑, 采用D 19100-S-G 1R 5T2型变频调速器控制3台大风量高压头T30型管道轴流风机。
每台管道型轴流风机功率360 W, 同时布置3台功率共1 080 W, 如图5所示。
经过安装、调试和运行试验, 差压预冷机风速可调, 性能达到了设计要求, 完全满足试验需要。
3 性能试验