連續(xù)式微波干燥活性米設(shè)備的研究

王　磊，張艷哲，于　潔，王彥宇，劉成海，鄭先哲

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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連續(xù)式微波干燥活性米設(shè)備的研究

王磊，張艷哲，于潔，王彥宇，劉成海，鄭先哲

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：為了提高活性米干燥效率及干后品質(zhì)，基于現(xiàn)有隧道式微波干燥機，設(shè)計了一種新型的微波干燥設(shè)備。該設(shè)備以微波作為干燥熱源，由定量進(jìn)料裝置、微波干燥裝置、緩蘇裝置及控制裝置等部分組成，實現(xiàn)了微波干燥的連續(xù)性；通過分糧板、鋪料刷等裝置將物料以規(guī)則薄層鋪放到輸送帶上，提高了干燥的均勻性；在連續(xù)干燥過程中加入緩蘇裝置，并通過控制系統(tǒng)精確控制干燥的目標(biāo)含水率；分析確定了攪龍、輸送裝置、干燥倉、緩蘇倉等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及具體尺寸。試驗結(jié)果表明：該設(shè)備工作效率約為1 t/h，爆腰率20%以下，適用于連續(xù)式活性米干燥，提高了微波干燥效率，且干燥品質(zhì)良好，高度保持了活性米的色香味及熱敏性營養(yǎng)成分。

關(guān)鍵詞：活性米；微波干燥機；緩蘇；連續(xù)式

0引言

活性米具有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，含有大量的γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)[1]。GABA具有增強腦細(xì)胞的代謝、降血壓、活化腎功能、改善肝功能及防止肥胖等生理功能[2-3]，但剛制得的活性米含水率較高，易霉變，不便于貯藏，需及時干燥?，F(xiàn)有設(shè)備干燥過程中出現(xiàn)效率較低、爆腰率較高、目標(biāo)含水率難以精確控制等問題與不足。

熱風(fēng)干燥是常用的干燥方法，但熱風(fēng)干燥后活性米的色澤與原始活性米相差很大，γ-氨基丁酸等活性成分損失較大，造成品質(zhì)劣變。微波干燥具備熱效率高、干燥速度快等特點[4-5]，已經(jīng)在糧食干燥領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；但是，目前國內(nèi)還少有適合活性米干燥的微波設(shè)備，且不能滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要，干燥效率低，干燥品質(zhì)較差，爆腰率較高。

針對目前活性米干燥效率低、品質(zhì)差等問題，設(shè)計了一套具有定量進(jìn)料系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、緩蘇系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的新型微波干燥設(shè)備。該設(shè)備可使活性米干燥均勻，完成連續(xù)式干燥的同時，在干燥過程中加入緩蘇裝置，降低了活性米的爆腰率；同時，通過控制系統(tǒng)精確控制目標(biāo)含水率，保證了干燥效率和干燥品質(zhì)。

1結(jié)構(gòu)及工作原理

微波干燥分為干燥—緩蘇—再干燥3個階段，設(shè)備主要由定量進(jìn)料裝置、微波干燥裝置、緩蘇裝置、控制裝置等部分組成，如圖1所示。

1.進(jìn)料倉　2.輸送攪龍　3.分糧板　4.隔擋裝置　5.傳動滾筒

活性米由進(jìn)料倉自由下落，經(jīng)輸送攪龍進(jìn)行定量輸送到出料口，由分糧板將其均勻鋪放到輸送帶上。隔擋裝置防止物料向帶外濺射，且使活性米以均勻薄層進(jìn)入干燥階段。每個干燥腔內(nèi)均安裝有3個磁控管為干燥提供熱源，物料由輸送帶在傳動滾筒帶動勻速穿過相互串聯(lián)的微波干燥腔，運動過程中吸收微波能以降低自身含水率，傳動動力由電機提供，且?guī)倏烧{(diào)；在排濕風(fēng)機的作用下，干燥腔內(nèi)的水蒸氣不斷被排到腔外[6-7]，干燥一段時間的活性米進(jìn)入緩蘇倉。設(shè)置緩蘇系統(tǒng)是為了降低爆腰率，保證活性米品質(zhì)，并可以實現(xiàn)不同要求的緩蘇比。其外層裝有保溫板，阻止與外界進(jìn)行熱量交換，到達(dá)了所需的緩蘇時間后，由攪龍將其送至下一干燥階段；此時，完成干燥的活性米繼續(xù)進(jìn)入緩蘇倉，保持了緩蘇倉內(nèi)米量的動態(tài)平衡，實現(xiàn)了連續(xù)性微波干燥。

2關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1　定量進(jìn)料系統(tǒng)

定量進(jìn)料系統(tǒng)由料箱、攪龍、鋪料刷及隔擋裝置等零部件組成。由料箱自由落下的活性米經(jīng)攪龍輸送到出料口，由于攪龍螺旋葉片直徑較小，在出料口設(shè)置一簡易分糧板，使活性米均勻鋪放到輸送帶上。隔擋裝置可防止物料向帶外濺射，較少損失，且可以達(dá)到理想規(guī)則的干燥寬度[8]。在輸送帶上方設(shè)有鋪料刷，使活性米以均勻薄層進(jìn)入干燥倉，提高了干燥的均勻性。攪龍設(shè)計的參數(shù)選擇[9]及二維圖如圖2所示。

圖2　輸送攪龍尺寸

輸送物料時，螺旋軸徑所占據(jù)的截面雖然對輸送能力有一定的影響，但對于整機而言所占比例不大。因此，螺旋輸送機的物料輸送量可粗略按下式計算，即

Q=3600F·λ·V·ε

(1)

式中Q—螺旋輸送機輸送量(t/h)；

F—料槽內(nèi)物料層橫截面積(m2)。

F=φD2π/4

(2)

其中：φ為填充系數(shù)；D為螺旋葉片直徑(mm)；λ為物料的單位容積質(zhì)量；ε為傾斜輸送系數(shù)。不考慮物料軸向阻滯的影響，則物料在料槽內(nèi)的軸向移動速度V為

V=ns/60

Q=47D2·S·n·φ·λ·ε

(3)

由式(3)可以看出：螺旋輸送機的物料輸送量與D、S、n、φ、λ、ε有關(guān)；當(dāng)物料輸送量Q確定后，可以調(diào)整螺旋外徑D、螺距S、螺旋轉(zhuǎn)速n和填充系數(shù)φ，來滿足Q的要求。

按照要求，λ≈0.85t/m3，Q=1t/h；選取φ=0.3，ε=1。

螺旋軸的轉(zhuǎn)速對輸送量有較大的影響。一般說來，螺旋軸轉(zhuǎn)速加快，輸送機的生產(chǎn)能力提高；轉(zhuǎn)速過小，則使輸送機的輸送量下降。但轉(zhuǎn)速也不宜過高，因為當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定的極限值時，物料會因為離心力過大而向外拋，以致無法輸送。所以，還需要對轉(zhuǎn)速n進(jìn)行一定的限定，不能超過某一極限值。當(dāng)位于螺旋外徑處的物料顆粒不產(chǎn)生垂直于輸送方向的徑向運動時，則它所受慣性離心力的最大值與其自身重力之間應(yīng)有如下關(guān)系，即

(4)

(5)

考慮到不同的輸送物料的影響，則有

(6)

(7)

n≤nmax

(8)

其中，K為物料的綜合系數(shù)；g為重力加速度m/s2；nmax為螺旋的最大轉(zhuǎn)速，即臨界轉(zhuǎn)速 (r/min)。

按要求，選取D=100mm，K=0.0573，則

(9)

選取n=7r/min，則

(10)

因此，選取S=120mm。

由于d=(0.2~0.35)D，因此選取d=0.3D=0.3×100=30mm。

2.2　干燥系統(tǒng)

干燥系統(tǒng)由傳動滾筒、輸送帶、排濕風(fēng)機、支架、電機、干燥倉及磁控管組成。物料由輸送帶在傳動滾筒帶動下勻速穿過相互串聯(lián)的微波干燥腔，轉(zhuǎn)速0～1 600r/min,傳動動力由電機提供；根據(jù)生產(chǎn)要求，輸送帶可承載物料的寬度為400mm。因輸送帶較長，每間隔1m安裝一處輸送帶托架。干燥熱源(見圖3)由型號2M259-M11 2.0kW的磁控管提供電磁波能量，通過波導(dǎo)引導(dǎo)電磁波傳輸至干燥腔的耦合處；耦合口是微波發(fā)生系統(tǒng)與微波干燥腔的連接處，在耦合口處場強較集中，易出現(xiàn)打火、氣體擊穿、拉弧放電等不良狀況。本設(shè)計采用微波源多饋入口方式，每個微波源通過各自的耦合口把微波能傳輸?shù)礁稍锸覂?nèi)，即在干燥腔頂部均勻設(shè)置 20 個耦合口，有利于提高干燥腔內(nèi)微波場分布的均勻性[10-11]；在干燥腔的首末兩段開有風(fēng)口，連接風(fēng)機作為排濕裝置，排走由活性米產(chǎn)生大量的水蒸氣，提高了干燥效率。

圖3　磁控管

2.3　緩蘇系統(tǒng)

緩蘇系統(tǒng)由進(jìn)料和出料輸送帶及保溫層等組成，可實現(xiàn)不同緩蘇比，且有保溫效果好、進(jìn)出料穩(wěn)定等優(yōu)點?；钚悦资俾蔬^快會使內(nèi)部應(yīng)力過大，從而造成嚴(yán)重的爆腰現(xiàn)象[12-13]，因而干燥一段時間的活性米將按一定的時間比進(jìn)行緩蘇。緩蘇倉有良好的密封保溫性能，為顆粒內(nèi)部溫度與糧食顆粒內(nèi)的濕度均勻交換提供條件。緩蘇倉設(shè)計原則：保證此干燥設(shè)備的連續(xù)性；內(nèi)層選用不銹鋼板提高倉體的穩(wěn)定性與密閉性，較少糙米的粘壁現(xiàn)象，外層選用硬質(zhì)聚氨酯保溫板。硬質(zhì)聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)低，熱工性能好，具有優(yōu)良的隔熱性能，最大程度減少了熱量與外界的交換，達(dá)到緩蘇的理想條件，使進(jìn)出料流暢、順利。原始數(shù)據(jù)：干燥長度L=6 000mm；干燥寬度D=300mm；干燥厚度H=15mm；干燥時間t值取2、4、6min；緩蘇比i值取1:3、1:4、1:5，Q為緩蘇倉體積。那么，則有

Q=L÷t×t×i×D×H

Q1=6000÷2×2×3×300×15

Q2=6000÷2×2×4×300×15

Q3=6000÷2×2×5×300×15

Qmax=6000÷6×6×5×300×15

=600×500×450

緩蘇倉設(shè)計為長500mm、寬450mm、最大高度600mm，如圖4所示。通過控制出料攪龍的開啟時間，調(diào)節(jié)緩蘇倉內(nèi)活性米的體積，實現(xiàn)不同緩蘇比的要求。當(dāng)達(dá)到要求的緩蘇時間后，開啟輸送攪龍，將下層米送至下一干燥階段；同一時刻，干燥倉干燥完的活性米繼續(xù)流入緩蘇倉內(nèi)，緩蘇倉內(nèi)活性米量實現(xiàn)動態(tài)平衡，達(dá)到緩蘇要求。

2.4　控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是依據(jù)活性米的干燥特性曲線在不同干燥段施加不同強度的微波，干燥過程主要可分為3個階段:第1階段為物料預(yù)熱期；第2階段是恒速干燥階段；第3階段是降速階段，也稱物料加熱階段。依據(jù)干燥時間與干燥階段的關(guān)系，采用適當(dāng)?shù)膫魉退俣萚14-15]，5個干燥腔串聯(lián)在一起，每個干燥腔內(nèi)均安裝有3個微波磁控管；物料輸送帶由變頻電機驅(qū)動穿過相互串聯(lián)的5個微波干燥腔，通過開通磁控管的多少控制不同階段投放微波能的多少，使其在不同干燥階段獲取相應(yīng)的微波能，既可充分提高能源的利用率，又能保證活性米的干燥品質(zhì)。在每個干燥腔上安裝1個紅外溫度傳感器、1個濕度傳感器，在進(jìn)料口和排料口各安裝1個水分傳感器。儀表控制柜上安裝有物料表面溫度顯示儀、空氣溫濕度顯示儀、風(fēng)機控制開關(guān)、水分顯示儀、變頻調(diào)速顯示儀、電源開關(guān)、磁控管功率調(diào)節(jié)開關(guān)及磁控管工作時間調(diào)節(jié)開關(guān)、輸送帶電機開關(guān)。各顯示儀分別與相應(yīng)的傳感器連接。

圖4　緩蘇裝置

3試驗結(jié)果與分析

電機采用 Y802-4 型號，額定功率為0.75 kW,同步轉(zhuǎn)速n=60r/min。試驗所用活性米由金都米業(yè)提供，作為干燥設(shè)備的性能試驗材料。干燥要求：干燥設(shè)備能連續(xù)穩(wěn)定工作，干燥效率約為1t/h，干燥品質(zhì)良好。將原始含水率為32%的活性米平鋪于連續(xù)式微波干燥裝置傳送帶上，平鋪厚度為10mm，風(fēng)速為2 m/s，緩速比為1：4；干燥初始階段，微波功率為10kW，當(dāng)活性米超過45℃時，調(diào)整微波功率為4kW；將活性米干燥致含水率為14.5%,冷卻后得到營養(yǎng)豐富、爆腰率低、感官品質(zhì)好的活性米。測定活性米中γ-氨基丁酸含量、淀粉含量、爆腰率和色澤L*值。最后，結(jié)果取平均值，測定結(jié)果如表1所示。試驗測試結(jié)果表明：

1)活性米經(jīng)攪龍輸送，由分糧板和隔擋裝置將其均勻和定量鋪放到輸送帶上，提高了干燥的均勻性。該設(shè)備工作性能穩(wěn)定，提高了干燥效率，能實現(xiàn)連續(xù)的活性米干燥，適用于實際生產(chǎn)，有很大的推廣價值。

2)干燥一段時間的活性米進(jìn)入緩蘇倉，很大程度減少了爆腰現(xiàn)象的發(fā)生。該緩蘇倉設(shè)計能滿足不同時間、不同緩蘇比的干燥要求，且在連續(xù)工作中完成了緩蘇工藝，提高了工作效率。

表1　微波連續(xù)干燥活性米試驗結(jié)果

4結(jié)論

本文設(shè)計的干燥設(shè)備以微波作為干燥熱源，由定量進(jìn)料裝置、微波干燥裝置、緩蘇裝置及控制裝置等部分組成，實現(xiàn)了連續(xù)式的微波干燥，且在連續(xù)干燥過程中加入了緩蘇裝置。性能試驗結(jié)果表明：該微波干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好，活性米干燥品質(zhì)良好；設(shè)備工作效率約為1.5t/h，爆腰率在20%以下； 通過控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確控制干燥的最終含水率，保證了物料干燥品質(zhì)和干燥效率，有很大的借鑒與推廣價值。

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Research on the Continuous Microwave Drying Equipment of Activity Meter

Wang Lei, Zhang Yanzhe, Yu Jie, Wang Yanyu, Liu Chenghai, Zheng Xianzhe

(College of Engineering , Northeast Agricultural University ,Harbin 150030,China)

Abstract：In order to enhance the activity of rice drying efficiency and quality of dry products, based on the existing tunnel microwave drying machine, we designed a new type of microwave drying equipment, which as a microwave drying heat source, the quantitative feeding apparatus, microwave drying equipment, tempering part of the device, the control device, to achieve a continuous microwave drying, through the sub-grain boards, decking and other means to brush a thin layer of material to the rules laid onto the conveyor belt, to improve the uniformity of drying, continuous drying process Join tempering equipment, and precise control of the drying of the target moisture content by the control system. Analysis identified auger conveyor means, dry container, slow structural parameters and specific dimensions and other key components of the Soviet positions. Experimental results show that the efficiency of the device is about 1 t / h, fissuring rate of 20% or less,suitable for continuous drying activity meters to improve the efficiency of microwave drying,drying and good quality, highly maintained active meter color, flavor and heat-sensitive vitamins and other nutrients.

Key words：active rice; microwave drying machine; tempering; continous

中圖分類號：S226.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0092-04

作者簡介：王磊(1990-)，男，黑龍江佳木斯人，碩士研究生，(E-mail)531965265@qq.com。通訊作者：鄭先哲(1968-)，男，吉林德惠人，教授，博士生導(dǎo)師。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201403063)

收稿日期：2015-07-23