微波干燥技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

由于微波干燥技術(shù)越來(lái)越受重視，微波干燥技術(shù)的內(nèi)加熱溫升方式比起傳統(tǒng)干燥技術(shù)那種以媒介表面熱的方式有著很大的優(yōu)勢(shì)。

0.1 溫升速度快

真空中，電磁波的傳播速度為3.0*108m/s，穿透物料的時(shí)間極為短暫，微波干燥方法能夠?qū)ξ锪系膬?nèi)外部同時(shí)進(jìn)行加熱干燥。在實(shí)際微波干燥應(yīng)用下，當(dāng)物體的表面水分蒸發(fā)時(shí)，物體將具有從內(nèi)向外的溫度梯度，使得水分遷移的方向和傳熱方向一致，可以大大提高干燥速率。而傳統(tǒng)的加熱方式是從物料外部開(kāi)始加熱，再利用熱傳導(dǎo)方式將熱量傳遞到物料內(nèi)部，物料中溫度梯度由外而內(nèi)，溫升速度慢。

0.2 能量利用率高

在微波干燥系統(tǒng)中，微波干燥裝置是全封閉的，各組成部分都基本不吸收微波，故微波主要用于加熱媒質(zhì)，產(chǎn)生的微波能量損耗較?。涣硗馕⒉ü馑龠M(jìn)入濕物料內(nèi)部，瞬間轉(zhuǎn)化為熱能，微波直接加熱物料而不加熱空氣。加熱裝置是一個(gè)用特殊金屬材料制制成的封閉腔體，壁面完全反射微波，從而避免了微波泄漏，因此微波基本上被濕物料完全吸收，加熱過(guò)程基本沒(méi)有熱量耗散，最終實(shí)現(xiàn)了微波干燥技術(shù)的節(jié)能。

0.3 選擇性加熱

微波干燥過(guò)程的溫度場(chǎng)分布受介質(zhì)本身的介電性質(zhì)影響，介電性質(zhì)又是介質(zhì)本身的溫度或含水率的非線(xiàn)性變化函數(shù)。微波干燥過(guò)程，因?yàn)榈蜏囟群透吆实牡胤?，介電常?shù)和介電損耗高，所以微波將集中在相應(yīng)位置，使得溫升更快。微波加熱原理決定微波僅加熱濕材料內(nèi)的極性材料而不加熱基質(zhì)材料。 因此，在加熱濕材料的過(guò)程中，主要是水分被加熱，并且基質(zhì)材料僅在濕氣排放過(guò)程中通過(guò)熱傳導(dǎo)具有一定的溫度升高。

0.4 控制簡(jiǎn)單

在微波入射的情況下，介質(zhì)的溫度將升高，并且隨著微波輸入的停止，溫度將直接降低。 傳統(tǒng)加熱系統(tǒng)不存在大的滯后問(wèn)題，簡(jiǎn)化了未知滯后的控制問(wèn)題。

1 微波干燥技術(shù)研究狀況

1.1 微波干燥的動(dòng)力學(xué)模型

近年來(lái)，許多學(xué)者在研究微波干燥的動(dòng)力學(xué)模型，掌握微波干燥各參數(shù)之間的變化規(guī)律，為實(shí)際工程上的應(yīng)用提供了便利。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的范樂(lè)樂(lè) 將微波干燥除濕裝置內(nèi)的干燥劑的厚度設(shè)置為0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14及0.16 m，經(jīng)過(guò)模擬分析，模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1120 s時(shí)干燥劑的吸附率與厚度的關(guān)系

通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行二次曲線(xiàn)擬合，得出120 s時(shí)，干燥劑吸附率與干燥劑厚度之間的擬合函數(shù)為：

Y=-1.0595Χ2+1.0376Χ+0.0700

120s時(shí)，每一個(gè)微元通道內(nèi)，干燥劑的除濕量與干燥劑厚度間的擬合函數(shù)為：

Y=-2.0595Χ2+0.7183Χ+0.0022

通過(guò)分析得出，干燥劑厚度在0.08 m～0.10 m之間較為合適[1]。

呂為喬等人在單位質(zhì)量微波功率為0.8、1.2、1.6 W/g(干基)的條件下，對(duì)姜片進(jìn)行干燥，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Page模型與Wang-Singh模型均能夠描述姜片干燥過(guò)程，為得到最佳模型，作者對(duì)兩個(gè)模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表1，Wang-Singh模型的決定系數(shù)R2最接近于1，Wang-Singh模型顯著性分析的F值最大且為非常顯著，均方誤差小于Page模型。最終判定Wang-Singh模型最適合微波干燥姜片的干燥過(guò)程[2]。

表1不同干燥模型下的擬合結(jié)果

李婧怡等人，在實(shí)驗(yàn)條件(0.06 MPa真空度、400 W微波功率、1 kg/m2裝料量)下展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，得出水分比MR與時(shí)間的變化曲線(xiàn)。比較實(shí)驗(yàn)值與模型的預(yù)測(cè)值，結(jié)果如圖2所示。

圖2相同條件下實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較

分析圖2，可以看出Page方程預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值基本一致，Page方程可以準(zhǔn)確反映黃秋葵真空微波干燥的水分比變化規(guī)律，故Page模型可用于來(lái)描述黃秋葵真空微波干燥過(guò)程[3]。

1.2 微波干燥的能耗分析

隨著微波干燥技術(shù)前景的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者注重于微波干燥技術(shù)的能耗分析研究。劉海力等人采用了傳統(tǒng)電加熱與微波干燥做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是微波干燥比電熱干燥用時(shí)少很多，即使采用140 ℃的高溫電加熱，也需9 060 s，這是750 W微波干燥時(shí)間的10.8倍，1 500 W微波干燥時(shí)間的26.6倍，表明微波真空干燥具有明顯的節(jié)能效果，相同的負(fù)荷， 微波干燥能耗小于電熱干燥能耗的10%[4]。

芮漢明等人采用傳統(tǒng)加熱和微波干燥(分別用300、500、650、1 000 W的微波功率)兩種方式對(duì)蘋(píng)果加熱，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微波干燥可以迅速提高樣品的溫度，并提高到相同的溫度，微波干燥時(shí)間是傳統(tǒng)加熱的1/5，可以縮短樣品暴露于高溫的時(shí)間[5]。

Pickles等人研究了微波輸出功率(160、400、560 W)、樣品質(zhì)量(5、10、20、30 g)和磁鐵礦吸收劑對(duì)低階次煙煤微波干燥的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大功率和磁鐵礦吸收劑的添加能夠有效地促進(jìn)了微波加熱干燥。另外，微波加熱干燥速率比常規(guī)加熱干燥速率快1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，煤的最終含水率也會(huì)降低[6]。

楊晚生等人對(duì)硅膠的微波和熱風(fēng)再生性能進(jìn)行對(duì)比研究，研究結(jié)果得出在達(dá)到相同再生度時(shí)，微波再生功率在136 W以上所消耗的電能為熱風(fēng)再生所消耗電能的15%以下，且在再生度在0.1～0.6內(nèi)前者的平均能源利用率是后者的10.24～17.86倍[7]。

Arikan和其同伴研究了胡蘿卜微波干燥能耗與質(zhì)量變化的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是較低的干燥溫度和較長(zhǎng)的微波間隔可以獲得更穩(wěn)定的干燥過(guò)程和高質(zhì)量的產(chǎn)品[8]。Venkatesh Meda研究了微波水分干燥來(lái)減少果醬的水分含量，在不同的微波功率、干燥時(shí)間和裝載量下，對(duì)微波真空干燥對(duì)果醬水含量的影響進(jìn)行響應(yīng)面分析，結(jié)果表明微波真空干燥可以實(shí)現(xiàn)果醬的水分和水分活度達(dá)到安全水平[9]。Jiang等人研究了微波——冷凍干燥香蕉片的工藝條件和產(chǎn)品質(zhì)量，結(jié)果表明，微波功率和香蕉成熟度對(duì)干燥時(shí)間有顯著影響[10]。

1.3 微波干燥的非熱效應(yīng)

微波的非熱效應(yīng)是微波化學(xué)界一直爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。有學(xué)者認(rèn)為微波非熱效應(yīng)僅僅只是熱效應(yīng)的一種特殊表現(xiàn)形式；有學(xué)者用微波特殊效應(yīng)或者微波非熱效應(yīng)來(lái)描述除微波熱效應(yīng)以外的其它效應(yīng)；有學(xué)者認(rèn)為微波干燥加熱所取得的效果在傳統(tǒng)加熱方法下不能獲得，則應(yīng)認(rèn)為存在非熱效應(yīng)[11]；還有學(xué)者錯(cuò)誤把微波的特殊效應(yīng)與非熱效應(yīng)的概念混淆，微波特殊效應(yīng)是相對(duì)與傳統(tǒng)方法而言，非熱效應(yīng)與特殊效應(yīng)的本質(zhì)區(qū)別在于特殊效應(yīng)并不排除與溫度的相關(guān)性，可以用溫度變化來(lái)闡釋的效應(yīng)仍然屬于微波的熱效應(yīng)，但是微波的非熱效應(yīng)是一種用溫度變化來(lái)解釋不了的特殊效應(yīng)。

例如 Dayal.B使用微波照射膽汁酸與?；撬岬幕旌衔铮?jīng)過(guò)較短的反應(yīng)時(shí)間就合成了膽汁酸的衍生物，其產(chǎn)率高達(dá)70%。但如果使用傳統(tǒng)的油浴加熱，在相同溫度下，該反應(yīng)并未發(fā)生，該現(xiàn)象是單獨(dú)的微波熱效應(yīng)所無(wú)法解釋的[12]。

唐彬等人將麻辣雞塊處理為初始菌落數(shù)為1.5lgCFU/g，并采用微波處理，微波時(shí)間60 s，微波功率密度為4 W/g，并且麻辣雞塊的中心溫度達(dá)到85℃即停止。研究結(jié)果顯示，存在微波非熱效應(yīng)，并且非熱效應(yīng)占主導(dǎo)作用，非熱效應(yīng)的殺菌效果較好。最終得出結(jié)論，微波熱效應(yīng)主要起快速高溫滅菌作用，而微波的非熱效應(yīng)主要會(huì)引起分子加速和振動(dòng)，微生物細(xì)胞膜破裂，微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)及分泌酶和其他生理活性物質(zhì)的變性或改變，造成微生物失去活力或死亡[13]。

郭季鋒對(duì)煤樣及三種模型化合物進(jìn)行非等溫動(dòng)力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)四種脫硫系統(tǒng)的沸點(diǎn)都接近110 ℃，系統(tǒng)的加熱速率隨微波功率的增加而增加；隨著微波功率的變化，新兗煤和三種模型化合物的活化能和指前因子也發(fā)生了相應(yīng)的變化。 可以解釋的是，微波對(duì)微波對(duì)煤與過(guò)氧乙酸脫硫反應(yīng)的作用是非線(xiàn)性的； 除了熱效應(yīng)之外，微波效應(yīng)仍然存在非熱效應(yīng)，會(huì)降低反應(yīng)的活化能并增加指前因子[14]。

2 結(jié)束語(yǔ)

微波干燥是一種新型的干燥方式，具有溫升速度快、能量利用率高、選擇性加熱和控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，隨著微波干燥技術(shù)前景的凸顯，大部分研究發(fā)現(xiàn)Wang and Singh 模型和Page模型能夠很好地描述微波干燥過(guò)程；微波干燥技術(shù)的能耗節(jié)省方面比傳統(tǒng)干燥技術(shù)有著很大的優(yōu)勢(shì)；微波干燥存在著非熱效應(yīng)，能夠起到較好的干燥效果。微波干燥技術(shù)被認(rèn)為是在冶金、化工、石油等多種領(lǐng)域上均具有廣泛的應(yīng)用前景的技術(shù)；隨著不斷研究微波干燥技術(shù)，會(huì)有越來(lái)越多領(lǐng)域受益于該技術(shù)。