微波干燥均勻性研究進展

王順民，胡志超，韓永斌，顧振新,*

微波干燥均勻性研究進展

王順民1,2，胡志超3，韓永斌2，顧振新2,*

（1.安徽工程大學生物與化學工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.南京農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，江蘇 南京 210095；3.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇 南京 210014）

微波干燥技術(shù)及其設備已在輕化工業(yè)、食品與農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)等行業(yè)得到廣泛應用。然而微波加熱不均勻性已成為微波干燥技術(shù)在生產(chǎn)實際應用過程中的瓶頸。本文就目前國內(nèi)外關(guān)于微波干燥均勻性的研究現(xiàn)狀進行較全面的分析和歸納，并對這一問題進行展望。

微波；干燥；均勻性；進展

微波干燥具有干燥速度快、熱效率高、清潔生產(chǎn)、易實現(xiàn)自動化控制、能保持食品營養(yǎng)成分和兼有殺菌作用等特點，故而微波干燥技術(shù)及其設備已在輕化工、食品與農(nóng)產(chǎn)品加工等行業(yè)得到廣泛應用。目前，開發(fā)的微波干燥設備主要有微波干燥、微波真空干燥、微波冷凍干燥、微波噴動床干燥及其微波聯(lián)合干燥等相關(guān)設備。但微波干燥存在一個很大的缺點——加熱不均勻[1-2]，其已大大限制了微波加熱技術(shù)的廣泛應用[3-5]。因此，如何改善微波加熱的不均勻性是目前微波急需解決的問題。

1 微波干燥技術(shù)

微波是一種頻率在0.3～300 GHz之間、波長0.001～1.0 m的電磁波。微波干燥是干燥技術(shù)研究的熱點之一[1,2,5]。干燥是利用物料中具有極性的水分子吸收微波后被加熱蒸發(fā)，而達到干燥[6]。微波干燥起源于20世紀40年代，60年代后國外開始應用于生產(chǎn)實際。干燥技術(shù)被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活，物料中的水分或溶劑經(jīng)干燥而除去，以利于加工、使用和貯運等。我國干燥設備行業(yè)從形成、發(fā)展到逐步走向成熟經(jīng)歷了20多年，目前已初具規(guī)模。在干燥設備類型上，主要以熱風干燥、真空干燥設備為主，而微波、遠紅外和熱泵干燥等技術(shù)的應用面逐步擴大。其中，微波干燥已用于菠菜[7]、香芹[8]、芒果[9]、獼猴桃[10]、胡蘿卜[11]、南瓜[12]、辣椒[13]、紫薯[14]、蘋果[15]、萵筍[16]、蘑菇[17]和蘆筍[18]等食品和農(nóng)產(chǎn)品脫水。

2 微波加熱均勻性研究

微波干燥時，在磁控管饋能口位置固定后，往往會因材料的幾何形狀不同而在其不同區(qū)域產(chǎn)生“熱點”[4-5,19]，導致微波加熱具有不均勻性[1-2]，過熱導致食品焦糊和風味惡化[6,20]，甚至危害健康[21]。微波加熱不均勻性是微波干燥技術(shù)在生產(chǎn)實際應用過程中的瓶頸[3-5]。改變微波加熱饋能口的設計，調(diào)控磁控管匹配參數(shù)和控制干燥過程從而可改善微波干燥的不均勻性。

目前，改善微波干燥不均勻性的措施主要是通過改變微波腔內(nèi)電磁場的模式來提高電磁場分布的均勻性以改善微波干燥的不均勻性。微波爐加熱腔中電磁場的模式依賴于微波反饋系統(tǒng)的設計。因此微波腔內(nèi)電磁場分布的均勻性可通過合適的反饋系統(tǒng)的設計來改善[22]。模式的改變可以改善電磁場的分布，故而微波干燥的不均勻性被改善[5,21]。如：改變功率[23-24]、控制功率輸入[25-27]、改變反饋系統(tǒng)[22,28]和模式攪拌[21]，尤其是磁控管位置（饋能口）的設計均可有效改善微波加熱的不均勻性。

2.1 微波設備設計

2.1.1 諧振腔結(jié)構(gòu)設計

微波加熱器諧振腔具有多諧性，其設計原則是設計的諧振腔應具有盡可能多的振蕩模式，使它們疊加后能夠獲得更加均勻的能量分布狀態(tài)[29-30]。對諧振腔進行結(jié)構(gòu)尺寸設計，可以改變微波諧振模式數(shù)。微波諧振模式數(shù)直接表征了不同頻率的微波類型的數(shù)量，模式數(shù)越大，諧振波型數(shù)量越多，則微波場越均勻。在特定的諧振頻率范圍內(nèi)，諧振模式數(shù)可以通過微波諧振腔的設計而達到最大。只要對諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸進行合理設計就可以獲得比較均勻的微波場，其成本低，操作簡便，因此得到了廣泛的應用[31]。

2.1.2 物料隨機運動裝置設計

保持物料“運動”的方式有兩種，其中常見方式是在微波爐加熱腔中安裝轉(zhuǎn)盤[32-35]。采用自動控制的轉(zhuǎn)盤帶著物料在諧振腔內(nèi)轉(zhuǎn)動或平動。這是目前最簡單也是應用最多的方法，家用微波爐即采用了此設計。

保持物料“運動”的另一種方式是借助氣流讓物料在微波場中真“動”起來[18,36]。物料在腔體內(nèi)循環(huán)“運動”，使整個物料更好地吸收微波。該方式則是近年來開始出現(xiàn)并被運用的新方法。顏偉強[36]研究了胡蘿卜在微波噴動床干燥中的溫度、水分和色澤等變化，結(jié)果表明胡蘿卜在微波噴動床干燥中可以實現(xiàn)均勻干燥。通過紅外成像溫度分析，胡蘿卜在干燥過程中溫度均勻分布。噴動床干燥可以保證物料充分混和與有序的循環(huán)[37]，使物料在微波場中各個位置的出現(xiàn)機率相同，從而實現(xiàn)物料對微波能的均勻吸收。對微波場中不同時間和空間位置的溫度變化的研究結(jié)果表明，微波噴動床的微波場溫度分布特點是水平方向溫度均勻而垂直方向的溫度相差10 ℃[36]。Wang Yuchuan等[18]研究證實，蘆筍在脈沖式噴動微波干燥場中能獲得好的干燥均勻性。因此，干燥物料在微波場中保持隨機運動，是微波噴動實現(xiàn)均勻干燥主要原因。

2.1.3 微波饋能口位置設計

微波磁控管在諧振腔中會產(chǎn)生多種電磁模式，每一個模式其沿坐標軸方向上功率變化都具有波函數(shù)的波動性，因此，在多模腔內(nèi)功率的空間分布是不均勻的[36,38-39]。而采用波導[40]和增加饋能口的數(shù)量[22,41]、改變饋能口的分布[35,42]，均能改善微波加熱的均勻性。增加饋能口數(shù)量和改變饋能口位置[22]可增加電磁場的模式數(shù)，以保證爐內(nèi)微波場強分布的均勻性。研究結(jié)果證實不同位置的3 個磁控管分別進行加熱時，微波加熱均勻性不同且效果均較差。微波加熱均勻性隨物料在加熱腔中空間位置的改變而變化[43]。

加熱器內(nèi)的模式多少與加熱的均勻性是密切相關(guān)的。模式越多電磁場分布結(jié)構(gòu)就越多，被加熱物得到的能量也就越均勻，因此模式越多越好。通過控制微波功率輸入的方式和大小來改善微波干燥的均勻性是切實可行的[6]。增加磁控管的數(shù)目和改變饋能口的位置改變了波導的輸出模式[44]，故可以改善微波加熱的均勻性。Jeni等[41]證實饋能口不對稱分布比對稱分布時，加熱更加均勻。另外，微波加熱箱體內(nèi)可能存在多種模式，各種模式能否被激發(fā)，還要考慮微波源與箱體耦合口的位置。如耦合口附近的激勵場和箱體內(nèi)模式場的性質(zhì)相一致時就能激發(fā)，反之，則不能激發(fā)或場強很弱。改變微波源與箱體耦合口的位置，使之能保證更多的模式被激發(fā)。在多磁控管工作下，干燥腔體中總場強分布為各耦合口輻射場強分布的迭加，因此其合成場強分布均勻性得到了提高[45]。顏偉強等[36]研究證實，增加微波饋能口可提高微波干燥的均勻性。而Duan Xu等[46]在微波冷凍真空干燥裝置中采用3個磁控管將微波輸入諧振腔，從而獲得分布均勻的微波場。

在諧振腔周圍不同方位上增加饋能口數(shù)量，合理設計饋能口位置或增加微波能的饋入量雖然可以增加腔體內(nèi)微波場的強度，加快干燥速度。但是微波饋能口位置設計如果不合理則會導致微波能量集中，使物料的邊緣部出現(xiàn)焦糊、硬殼。另外，增加微波能的輸入則需要更多的微波源，其成本必然會增加[31]。

2.2 微波電磁場模式控制

安裝模式攪拌器[47-50]、采用不同頻率的微波源[51]、優(yōu)化模式[44]和安裝運動的微波輻射器[52]等方法均能夠直接改變微波電磁場模式，以上措施均已被廣泛用于改善微波加熱的均勻性。通過增加諧振腔長度可增加等寬高矩形諧振腔的諧振頻率模式數(shù)目，也可提高微波場均勻性[42]。

2.3 微波干燥過程控制

控制干燥過程如調(diào)控加熱時間[23,53]或在干燥后期降低微波功率可改善微波加熱均勻性。微波加熱后期物料含水量降低，若一直保持原有的功率水平則導致加熱腔內(nèi)功率密度過高，造成過大的內(nèi)應力而使加熱物料被損壞甚至焦糊[27]。為了避免物料被燒焦，前人研究采用固定功率-開關(guān)間歇操作[25]和脈動微波加熱[54]的方式控制微波功率輸入以改善微波加熱的均勻性。Sunjka等[55]證實通過功率開-關(guān)脈沖模式控制越橘的微波加熱，加熱均勻性好，產(chǎn)品復水性好。Li Zhengfu等[28]采用三步控制功率的間歇干燥方法降低蘋果的干燥速率[56]，避免功率過大導致物料溫度過高而焦化。

2.4 微波施加方式控制

采用多口饋入、饋入口交錯排列和不對稱布置可改變微波加熱腔中的諧振模式數(shù)，同樣能夠改善微波加熱的不均勻性。王海鷗等[57]研究表明，微波源采用多口饋入和饋入口交錯排列均能夠改善微波真空冷凍干燥的均勻性。微波源雙反饋設置要比單反饋設置具有更好的均勻性[41]。增加饋能口數(shù)目也能夠改善微波加熱的均勻性[33]。研究證實不同位置的任意兩個磁控管組合加熱，均勻性要優(yōu)于單個磁控管的，而3 個磁控管功率匹配后加熱均勻性明顯優(yōu)于兩個磁控管的[43]。說明饋能口位置影響微波加熱均勻性，饋能口數(shù)量的增加可改善微波加熱的均勻性。多饋能口的磁控管功率匹配是改善微波加熱均勻性的一種有效途徑。

2.5 其他控制方法

微波加熱過程中物料干燥是否均勻除受微波腔中電磁場（微波場）分布的影響外，還受物料本身的性質(zhì)[58]、形狀[59]、大小[4]和介電特性等因素的影響[4,60]。微波加熱時，電場強度的不均勻度會隨介電常數(shù)增大而增大[61]。而加熱過程中物料介電常數(shù)的變化卻能實現(xiàn)微波能量的自動平衡分配[62]。在頻率和電場強度一定的條件下，物料干燥過程中吸收微波能的多少主要取決于物料的介質(zhì)損耗因子。對干燥過程中胡蘿卜在不同溫度與含水率下的介電常數(shù)與介電損耗因子的變化的研究結(jié)果表明，胡蘿卜的介電損耗因子隨其溫度升高與含水率降低而降低[36]。在微波干燥過程中，物料由于自身介電常數(shù)變化存在一種自動平衡能量現(xiàn)象，這是微波加熱干燥物料所固有的特點，因此微波加熱的自平衡性同樣也能提高微波干燥的均勻性。另外不同形狀的加熱腔，均勻性也不同。但是，微波場的分布隨著物料的放入與干燥過程的進行不斷發(fā)生變化。因此，僅改變微波場的均勻性并不足以改善微波干燥的均勻性。

3 結(jié) 語

微波加熱具有不均勻性，由此影響微波干燥技術(shù)在食品及農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域中規(guī)?；瘧谩Ｄ壳拔⒉訜峋鶆蛐缘难芯恐?，大都是采用傳統(tǒng)的物料在微波場中旋轉(zhuǎn)或移動的方式，這些物料在微波場中二維式的運動無法從根本上克服微波加熱的不均勻性問題。

目前，已有許多研究者采用計算機模擬技術(shù)對微波干燥進行模擬和過程優(yōu)化，為微波干燥不均勻性的改善尋找新的途徑。該問題是否能在多饋能口的基礎(chǔ)上，結(jié)合計算機系統(tǒng)建模技術(shù)來進行控制和實現(xiàn)，尚需研究者們繼續(xù)去探索和實踐。

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A Review of the Application of Microwave Drying: Improvement of Heating Uniformity

WANG Shun-min1,2, HU Zhi-chao3, HAN Yong-bin2, GU Zhen-xin2,*
(1. College of Biological and Chemical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China; 2. College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 3. Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Microwave drying technology and related equipment have been widely applied in light industries such as food and agricultural product processing. However, the non-uniformity of microwave heating has become one of the bottlenecks for the application of microwave drying technology. This paper provides a comprehensive review of the current status of studies on microwave drying uniformity in China and abroad. Furthermore, future research directions on this topic are discussed.

microwave; drying; uniformity; application

TQ051.5

A

1002-6630（2014）17-0297-04

10.7506/spkx1002-6630-201417056

2013-09-12

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2011AA100802）

王順民（1975—），男，副教授，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工與利用。E-mail：Wangshunmin@126.com

*通信作者：顧振新（1956—），男，教授，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及原料品質(zhì)。E-mail：guzx@njau.edu.cn