微波-熱風(fēng)振動(dòng)流化床干燥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

呂 豪 呂黃珍 王 雷 呂為喬 萬(wàn)麗娜 趙 丹

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083；3.湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院， 武漢 430070)

0 引言

傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥過(guò)程中，熱量以對(duì)流和傳導(dǎo)方式由外到內(nèi)傳遞到物料內(nèi)部，干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且效率低[1-2]。微波干燥具有干燥速度快、干燥持續(xù)進(jìn)行等特點(diǎn)，可以在溫升較低的條件下進(jìn)行，常用于熱敏性強(qiáng)、附加值高的物料干燥，是農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3]。由于微波場(chǎng)強(qiáng)和物料特性在干燥過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的不均性，微波干燥的品質(zhì)難以控制[4-5]。微波與其他干燥手段的結(jié)合，有助于提高干燥效率、改善產(chǎn)品品質(zhì)[6-8]。目前，微波組合干燥仍存在干燥不均的問(wèn)題，溫度和水分分布難以控制等缺陷導(dǎo)致干燥物料品質(zhì)難以保障。因此改善微波干燥的干燥不均勻問(wèn)題十分必要。

微波干燥的均勻性受諸多因素的影響，如腔體形狀、物料類(lèi)型及存放位置、微波源的布置等[9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微波加熱的不均勻性進(jìn)行了廣泛研究，目前微波加熱均勻性研究主要是在微波組合其他干燥方式、改善微波加熱倉(cāng)電磁場(chǎng)均勻性、改變物料在微波加熱倉(cāng)內(nèi)位置狀態(tài)和微波加熱倉(cāng)形狀等方面。一些學(xué)者將微波組合其他干燥形式與單一微波干燥進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其能在一定程度上改善微波加熱不均的問(wèn)題[10-11]。文獻(xiàn)[12]通過(guò)對(duì)干燥室不同微波饋口進(jìn)行微波場(chǎng)模擬仿真，得出單面開(kāi)口電場(chǎng)均勻性更好。文獻(xiàn)[13]對(duì)微波倉(cāng)電場(chǎng)分布進(jìn)行了有限元模擬，結(jié)果表明，諧振腔半徑0.25 m、長(zhǎng)度0.8 m電場(chǎng)均勻性較好。文獻(xiàn)[14-15]通過(guò)氣流噴動(dòng)使物料充分混合，并對(duì)蘋(píng)果等物料進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，這種方法的干燥效率高，比固定態(tài)下的微波干燥時(shí)間節(jié)省約80%，與單一微波或者熱風(fēng)干燥相比顯著改善了干燥物料品質(zhì)。

本文針對(duì)微波干燥存在的干燥不均勻、色差大和單獨(dú)熱風(fēng)干燥效率低、能耗大等問(wèn)題，基于機(jī)械振動(dòng)流態(tài)化技術(shù)，設(shè)計(jì)一種微波-熱風(fēng)振動(dòng)流化床干燥機(jī)(Microwave-hot-airflow vibrating drying, MAVD)，并以新鮮毛豆為例，試驗(yàn)驗(yàn)證MAVD的干燥效果。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

為改善果蔬等農(nóng)產(chǎn)品物料微波干燥過(guò)程的溫度均勻性和水分均勻性，實(shí)現(xiàn)高效高品質(zhì)干燥，課題組獨(dú)立設(shè)計(jì)了MAVD。按照實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程的主要功能，整機(jī)包括熱風(fēng)加熱系統(tǒng)、微波加熱系統(tǒng)、振動(dòng)流化床系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 干燥機(jī)原理圖Fig.1 Schematic diagram of MAVD1.控制面板 2.磁控管 3.蒸汽排風(fēng)口 4.微波加熱倉(cāng) 5.物料盤(pán) 6.柔性鋼絲網(wǎng) 7.振動(dòng)電機(jī) 8.橡膠彈簧 9.電加熱箱10.高壓風(fēng)機(jī) 11.振動(dòng)床機(jī)架 12.熱風(fēng)布風(fēng)板 13.緩壓倉(cāng) 14.微波隔離網(wǎng) 15.熱風(fēng)布風(fēng)板

熱風(fēng)加熱系統(tǒng)由高壓風(fēng)機(jī)、電加熱箱、熱風(fēng)輸送管、熱風(fēng)布風(fēng)板、溫度傳感器等部件組成。熱風(fēng)溫度連續(xù)可調(diào)，在進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)。微波加熱系統(tǒng)由磁控管、驅(qū)動(dòng)電源、加熱腔體、物料盤(pán)等部件組成。其中，微波源采用較成熟的頻率為2 450 MHz的磁控管，功率連續(xù)可調(diào)，安裝在干燥室頂部，采用旋轉(zhuǎn)天線饋能方式，通過(guò)獨(dú)立的微波饋入波導(dǎo)，磁控管驅(qū)動(dòng)電源固定于機(jī)架兩側(cè)分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)4支磁控管工作，干燥室采用多模箱式結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼材料。振動(dòng)流化床系統(tǒng)由振動(dòng)電機(jī)、橡膠彈簧、振動(dòng)床機(jī)架、物料盤(pán)托盤(pán)等部件組成。其中，振動(dòng)器采用變頻軟啟動(dòng)，可有效防止振動(dòng)床失諧、顫動(dòng)、移位等現(xiàn)象，振動(dòng)床機(jī)架與地面固定，流化床設(shè)計(jì)成剛性結(jié)構(gòu)，物料盤(pán)采用聚四氟乙醚材料，該材料比傳統(tǒng)聚四氟乙烯材料強(qiáng)度更高、更耐高溫，可有效防止熱風(fēng)溫度過(guò)熱和振動(dòng)導(dǎo)致的物料盤(pán)變形?？刂葡到y(tǒng)采用可編程式邏輯控制器(Programmable logic controller，PLC)和人機(jī)控制界面(Human machine interface，HMI)控制，分別與磁控管驅(qū)動(dòng)電源、溫度傳感器、振動(dòng)電機(jī)變頻器、電加熱箱、高壓風(fēng)機(jī)連接，實(shí)時(shí)調(diào)控工作狀態(tài)。

1.2 工作原理

干燥機(jī)由PLC和HMI統(tǒng)一控制熱風(fēng)干燥系統(tǒng)、微波加熱系統(tǒng)和振動(dòng)流化床系統(tǒng)。工作時(shí)首先開(kāi)啟熱風(fēng)加熱裝置，熱風(fēng)經(jīng)過(guò)電加熱箱加熱后通過(guò)高壓風(fēng)機(jī)和布風(fēng)板進(jìn)入微波干燥倉(cāng)體內(nèi)的緩壓倉(cāng)內(nèi)，熱風(fēng)經(jīng)過(guò)緩壓倉(cāng)的緩壓作用能均勻穿透物料床層，調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度，風(fēng)速達(dá)到預(yù)定值時(shí)，根據(jù)不同物料調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率，使物料在微波場(chǎng)中處于均勻流態(tài)化狀態(tài)，設(shè)定微波工作功率、干燥時(shí)間，開(kāi)啟微波源，以實(shí)現(xiàn)物料的微波-熱風(fēng)組合流化床干燥。也可在不開(kāi)啟熱風(fēng)系統(tǒng)的情況下實(shí)現(xiàn)單獨(dú)微波流態(tài)化干燥工藝，溫度設(shè)為4個(gè)擋位，當(dāng)超過(guò)第1擋溫度時(shí)，微波功率衰減25%，當(dāng)超過(guò)第2擋溫度時(shí)，微波功率衰減50%，當(dāng)超過(guò)第3擋溫度時(shí)，微波功率衰減75%，當(dāng)超過(guò)最高設(shè)定溫度時(shí)，磁控管停止工作，當(dāng)達(dá)到設(shè)定干燥時(shí)間后取出物料，頂部引風(fēng)機(jī)帶走物料加熱產(chǎn)生的水蒸氣，提高干燥效率和均勻性。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

干燥機(jī)集微波和熱風(fēng)干燥為一體，能實(shí)現(xiàn)單批次干燥新鮮果蔬3～5 kg的生產(chǎn)能力，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 干燥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of MAVD

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 微波干燥室設(shè)計(jì)

微波諧振腔具有多諧性，設(shè)計(jì)原則是諧振腔應(yīng)具有盡可能多的振蕩模式，以取得較為均勻的能量分布狀態(tài)[16]。矩形諧振腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，諧振腔內(nèi)電磁波在腔體內(nèi)傳播模式數(shù)越多，腔體內(nèi)電場(chǎng)分布越均勻，干燥均勻性越好，諧振腔內(nèi)模式數(shù)與腔體體積有關(guān)，腔體尺寸越大，腔內(nèi)模式越多，干燥均勻性越好。矩形諧振腔如圖2所示。矩形諧振腔沿x、y、z軸方向上的長(zhǎng)分別為a、b、d，分別代表矩形諧振腔的長(zhǎng)、寬、高。

圖2 矩形諧振腔Fig.2 Rectangular resonator

振蕩模式諧振波長(zhǎng)和諧振頻率的計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中λ0——諧振波長(zhǎng)，m

f0——諧振頻率，Hz

m、n、p——沿a、b、d邊分布的半駐波數(shù)目

v——光速，m/s

Q0是衡量諧振腔品質(zhì)的一種質(zhì)量指標(biāo)，為了保證微波場(chǎng)分布的均勻性，應(yīng)減少能量損耗和盡可能提高諧振腔品質(zhì)因數(shù)Q0[17]，其可表示為

(3)

式中V——干燥室體積，m3

S——干燥室內(nèi)表面積，m2

δ——內(nèi)壁集膚效應(yīng)系數(shù),m

一般而言，V/S值與Q0成正比關(guān)系，V/S值越大，Q0越大，體積過(guò)大會(huì)影響微波工作頻率，一般認(rèn)為對(duì)于中心頻率為2 450 MHz的多諧振腔體，具有5個(gè)以上、間隔大致為10 MHz的模式頻譜密度，Q0不大于1 000，內(nèi)壁集膚效應(yīng)系數(shù)計(jì)算公式為

(4)

式中f——諧振頻率，MHz

μ——磁導(dǎo)率，H/m

σ——電導(dǎo)率，S/m

δ越小，Q0越大。若δ取小值，μ、σ應(yīng)取大值，諧振腔材質(zhì)應(yīng)選用電導(dǎo)率大的材質(zhì)，還需考慮食品安全因素，干燥腔材料選用不銹鋼材質(zhì)。工業(yè)上一般要求V/S為70～250 mm。

根據(jù)矩形諧振腔尺寸，不同的m、n、p可確定不同的模式。一個(gè)模式下，只有當(dāng)該模式所對(duì)應(yīng)的頻率處于中心工作頻率f0附近頻譜范圍，才是有效的工作模式，超出范圍的模式不能生成，即

(5)

式中 Δf——頻帶寬度，Hz

m、n、p的各種組合分別代表室內(nèi)的一種電磁場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)。確定腔體尺寸a、b、d及微波工作頻率后，由式(5)可計(jì)算出符合計(jì)算要求的模式數(shù)目及對(duì)應(yīng)的諧振頻率，選擇模式多、頻率間隔較均勻的有利于改善加熱均勻性的組合，通過(guò)比較以及參考國(guó)內(nèi)外設(shè)備參數(shù)選擇微波諧振腔尺寸為560 mm×560 mm×400 mm，此時(shí)品質(zhì)因數(shù)相對(duì)較高。確定腔體尺寸a、b、d以及微波工作頻率和頻帶寬度后，選取微波磁控管工作頻率2.45 GHz，頻帶寬度50 MHz。

2.2 不同饋波口位置微波場(chǎng)模擬分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前改善微波干燥不均勻的方式主要通過(guò)改善干燥腔內(nèi)磁場(chǎng)分布的均勻性和使物料在干燥倉(cāng)內(nèi)做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到微波加熱均勻的目的[18]。微波饋口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要通過(guò)改善干燥腔體內(nèi)電磁場(chǎng)分布均勻性來(lái)達(dá)到微波加熱均勻性的目的。因此，以多饋能系統(tǒng)改善電磁場(chǎng)的均勻性理論，根據(jù)已經(jīng)確定的微波干燥腔大小，通過(guò)CATIA建立三維模型，設(shè)置激勵(lì)端口，設(shè)定邊界條件、仿真參數(shù)，對(duì)不同饋入口位置的諧振腔體進(jìn)行仿真優(yōu)化。選取場(chǎng)強(qiáng)分布最均勻的排布形式，優(yōu)化微波饋口位置排布。

2.2.1模型建立

根據(jù)腔體尺寸優(yōu)化結(jié)果，確定干燥腔尺寸為560 mm×560 mm×400 mm，物料放置在380 mm×380 mm×120 mm的物料盤(pán)里，物料盤(pán)距微波干燥腔體底部80 mm,如圖3a所示，起始微波磁控管開(kāi)口位置如圖3b所示，端口位于距物料盤(pán)對(duì)稱(chēng)軸1/4邊長(zhǎng)處，4個(gè)端口同時(shí)激勵(lì)，相位相同。

2.2.2結(jié)果與分析

微波饋入口位置和數(shù)量對(duì)干燥腔體內(nèi)和物料盤(pán)電磁場(chǎng)的分布影響較大。結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備和前期研究，使用Ansoft HFSS軟件對(duì)微波饋入口6種饋口位置進(jìn)行了仿真分析，干燥腔內(nèi)電磁場(chǎng)分布情況和物料盤(pán)周?chē)姶艌?chǎng)強(qiáng)分布情況如圖4、5所示。

圖3 原始端口位置圖和物料盤(pán)位置圖Fig.3 Locations of original port and material tray

圖4 不同饋波口位置干燥腔磁場(chǎng)分布Fig.4 Magnetic field distribution maps of drying cavity in different excitation

圖5 不同饋波口位置物料盤(pán)表面磁場(chǎng)分布Fig.5 Magnetic field distribution maps on surface of material tray in different excitation

圖4為4個(gè)饋波口排布在干燥腔體頂部、不同排列饋波端口方式下仿真得到的微波干燥腔內(nèi)磁場(chǎng)分布圖，圖5為不同饋波端口對(duì)應(yīng)物料盤(pán)的表面電場(chǎng)分布情況。從圖中可以看出，在物料盤(pán)高度距離箱底不變的情況下，從電場(chǎng)在干燥腔體中的分布情況來(lái)看，把4個(gè)饋波端口的位置相對(duì)于原始的饋波端口位置外移30 mm，電場(chǎng)強(qiáng)的地方在物料的周?chē)植驾^廣，并且在物料的表面電場(chǎng)分布相比于其他位置的電場(chǎng)分布更加均勻，電場(chǎng)差較小，能夠使物料的受熱更加均勻。

2.3 振動(dòng)流化床裝置設(shè)計(jì)

2.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)流化床使物料在干燥腔體內(nèi)處于流態(tài)化狀態(tài)，使物料在干燥時(shí)能更均勻地吸收微波能，從而保證被干燥物料的均勻性。振動(dòng)流化床裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要功能部件包括：物料盤(pán)、振動(dòng)電機(jī)、橡膠彈簧、機(jī)架等。

圖6 振動(dòng)流化床裝置Fig.6 Vibro-fluidized bed dryer1.物料盤(pán) 2.物料盤(pán)支撐板 3、4.振動(dòng)電機(jī) 5.橡膠彈簧 6.機(jī)架

傳統(tǒng)微波干燥物料盤(pán)的材料使用聚四氟乙烯，聚四氟乙烯材料受高溫、振動(dòng)易變形，本裝置物料盤(pán)采用聚四氟乙醚材料，聚四氟乙醚是應(yīng)用到微波干燥中的新一代替代材料，該材料強(qiáng)度更大，可防止振動(dòng)裝置振幅過(guò)大以及熱風(fēng)溫度過(guò)高而導(dǎo)致的物料盤(pán)變形。振動(dòng)電機(jī)通過(guò)放松螺母安裝在機(jī)架上，使兩個(gè)振動(dòng)電機(jī)與機(jī)架成為一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生激振力，帶動(dòng)物料盤(pán)振動(dòng)，物料在雙振動(dòng)電機(jī)的激振力作用下形成特定軌跡振動(dòng)，跳躍翻滾處于流化床狀態(tài)，這樣的設(shè)計(jì)使物料盤(pán)內(nèi)物料在振動(dòng)狀態(tài)下流態(tài)化狀態(tài)更加均勻，并且振動(dòng)電機(jī)通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率，以適應(yīng)不同物料的流化床需求，橡膠支撐具有非線性、變剛度等特性，橡膠彈簧用來(lái)連接物料盤(pán)和機(jī)架，起到減振作用，保證設(shè)備振動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。

2.3.2振動(dòng)工作原理及運(yùn)動(dòng)分析

圖7是兩個(gè)振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)流化床的工作原理圖，振動(dòng)流化床的激振力由振動(dòng)電機(jī)提供，電機(jī)做同步反向運(yùn)動(dòng)。在水平x-x軸上，兩個(gè)振動(dòng)電機(jī)關(guān)于y-y軸對(duì)稱(chēng)，偏心塊產(chǎn)生的慣性力在x-x方向上相互抵消，在y-y方向上慣性力互相疊加，在y-y軸上產(chǎn)生激振力，激振力隨著偏心塊的轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性變化，從而實(shí)現(xiàn)物料在激振力作用下沿y-y軸方向上下往復(fù)跳動(dòng)以實(shí)現(xiàn)物料在干燥倉(cāng)內(nèi)的流態(tài)化狀態(tài)，物料盤(pán)在振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)下振動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)到t時(shí)，激振力計(jì)算式[19]為

Fy=Grω2sin(ωt)=Fsin(ωt)

(6)

式中Fy——沿y方向激振力,kN

F——最大激振力，kN

G——偏心塊總質(zhì)量,kg

r——偏心塊回轉(zhuǎn)半徑，mm

ω——回轉(zhuǎn)角速度，rad/s

t——時(shí)間，min

圖7 振動(dòng)流化床工作原理圖Fig.7 Principle diagram of vibrating fluidized bed

2.4 控制系統(tǒng)

2.4.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)用于干燥機(jī)的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、物料溫度采集、微波功率與振動(dòng)頻率控制、數(shù)據(jù)顯示與參數(shù)設(shè)置等。主要包含以下模塊：

(1)主控模塊：本系統(tǒng)采用CPU型號(hào)為DVP20EX200R的臺(tái)達(dá)PLC進(jìn)行數(shù)字輸入量(溫度開(kāi)關(guān)、門(mén)開(kāi)關(guān))以及模擬輸入量(溫度)的信號(hào)采集，紅外測(cè)溫傳感器型號(hào)為S20-MW。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)通過(guò)DOP-B07S411型觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成數(shù)據(jù)顯示與參數(shù)設(shè)置。

(2)微波控制模塊：通過(guò)PLC電壓控制分別對(duì)兩組微波工作的功率進(jìn)行調(diào)控。根據(jù)每組微波功率與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系(2～3.7 V對(duì)應(yīng)200～2 000 W)進(jìn)行標(biāo)定，多次測(cè)試確定功率曲線，利用調(diào)壓準(zhǔn)確控制微波功率。

(3)振動(dòng)流化控制模塊：通過(guò)型號(hào)為VFD2A7MS43ANSAA的變頻器來(lái)控制2個(gè)380 V、120 W的振動(dòng)電機(jī)。變頻器通過(guò)modbus協(xié)議與PLC通訊，可以通過(guò)觸摸屏設(shè)置變頻器頻率來(lái)改變參數(shù)。

2.4.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用PLC編程具有實(shí)時(shí)性高、控制穩(wěn)定精確的特點(diǎn)，同時(shí)利用觸控屏實(shí)現(xiàn)所有操作、工作數(shù)據(jù)集中顯示和處理。由于設(shè)備內(nèi)溫度緩慢穩(wěn)定變化，對(duì)溫度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波與低頻濾波，消除各種偶然因素帶來(lái)的信號(hào)噪聲?？刂葡到y(tǒng)程序流如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.8 Systematic program flow charts

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)材料

干燥機(jī)調(diào)試完成后，進(jìn)行干燥工藝試驗(yàn)和物料品質(zhì)分析。基于當(dāng)前果蔬物料微波干燥品質(zhì)難以控制、產(chǎn)業(yè)化有待提高的現(xiàn)狀，試驗(yàn)采用含水率低、糖分含量低的新鮮毛豆仁作為研究對(duì)象，確保干燥品質(zhì)均勻穩(wěn)定。試驗(yàn)所用材料為同一批次，初始含水率為(71.08±0.26)%，清洗后放入溫度4℃、相對(duì)濕度為95%的環(huán)境中冷藏備用。

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果以及參考相關(guān)干燥的分析[20]，結(jié)合本干燥機(jī)的特點(diǎn)確定試驗(yàn)方案和參數(shù)如表2所示。

試驗(yàn)前取出物料放在室溫下回溫2 h，將物料均勻單層平鋪在物料盤(pán)上，每組試驗(yàn)使用新鮮毛豆仁800 g，按照表2試驗(yàn)方案和參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，3種干燥方式下每隔5 min稱(chēng)量1次，稱(chēng)量之后樣品放回干燥倉(cāng)繼續(xù)干燥，直到含水率小于7%。為了表征試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。為了對(duì)比振動(dòng)流化床對(duì)物料微波干燥均勻性的效果，進(jìn)行物料表面溫度和水分均勻度的兩組對(duì)比試驗(yàn)，在微波-熱風(fēng)組合干燥和MAVD干燥過(guò)程中，每隔一段時(shí)間，利用FLIR E40型紅外熱像儀(前視紅外熱像系統(tǒng)貿(mào)易有限公司)測(cè)量毛豆仁表面溫度分布。重復(fù)以上試驗(yàn)，每個(gè)時(shí)間段取16粒毛豆仁計(jì)算一個(gè)均勻度。分別計(jì)算微波-熱風(fēng)組合干燥和MAVD干燥的水分均勻度，所有測(cè)量重復(fù)3次，取平均值。

表2 試驗(yàn)方案和參數(shù)Tab.2 Design and parameters for experiments

3.3 干燥參數(shù)計(jì)算

干燥參數(shù)采用水分比，計(jì)算公式為[21-22]

(7)

(8)

式中Mt——干燥t時(shí)刻物料干基含水率，g/g

M0——物料初始干基含水率，g/g

mt——干燥時(shí)間t時(shí)總質(zhì)量

md——干物質(zhì)質(zhì)量，g

水分均勻度定義為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(Relative standard deviation, RSD),公式為[23]

(9)

式中R——樣本含水率的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差

S——樣本含水率的標(biāo)準(zhǔn)差

X——樣本含水率的平均值

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1干燥特性

按照表2的干燥參數(shù)及方案，得到新鮮毛豆仁在3種不同干燥條件下水分比隨干燥時(shí)間變化的干燥曲線如圖9所示。

圖9 毛豆仁在不同干燥條件下的干燥特性曲線Fig.9 Drying characteristic curves of soybean under different drying conditions

單獨(dú)的微波流化床干燥，整個(gè)干燥過(guò)程需要82 min，MAVD干燥整個(gè)過(guò)程需要54 min，微波-熱風(fēng)組合干燥整個(gè)干燥過(guò)程62 min，MAVD干燥比單獨(dú)微波流化床干燥時(shí)間縮短34.1%，MAVD干燥比

微波-熱風(fēng)組合干燥效率提高12.9%，這說(shuō)明熱風(fēng)溫度有利于提高微波流化床干燥效率，加快微波干燥速率，同時(shí)流化床也對(duì)提高微波-熱風(fēng)組合干燥速率有顯著影響。

3.4.2振動(dòng)流化床對(duì)毛豆仁干燥均勻性的影響

從圖10可以看出，與微波-熱風(fēng)組合干燥相比，MAVD干燥過(guò)程物料溫度總是低于微波-熱風(fēng)組合干燥的物料表面溫度，這可能是由于振動(dòng)使物料在干燥倉(cāng)內(nèi)翻滾轉(zhuǎn)動(dòng)，不停改變物料在干燥倉(cāng)內(nèi)位置，使物料蒸發(fā)出的水蒸氣更快被排除，物料散熱效果更好，到干燥后期，物料表面溫度會(huì)有一個(gè)降低的過(guò)程，這可能是物料隨著干燥時(shí)間的進(jìn)行，含水率到后期比較低，樣品損耗因子降低導(dǎo)致。

圖10 毛豆仁在微波-熱風(fēng)流化床干燥和微波-熱風(fēng)組合干燥過(guò)程熱像圖Fig.10 Thermal imagery of soybean dried using microwave-hot air fluidized bed drying and microwave-hot air combined drying

表3和表4顯示新鮮毛豆仁在MAVD干燥和微波-熱風(fēng)組合干燥中平均含水率和水分均勻度。 從表3、4可以看出，振動(dòng)流化床和無(wú)振動(dòng)流化床兩種干燥方法水分均勻度變化趨勢(shì)相同，隨著干燥時(shí)間增加，RSD先增加后下降，在達(dá)到最大值后逐步下降。這可能是由于干燥到后期樣本溫度升高，高溫可能導(dǎo)致物料內(nèi)部間隙減小，從而改變內(nèi)部水分遷移速率[24]。在MAVD干燥過(guò)程中物料之間含水率差異與無(wú)流化床的單獨(dú)微波熱風(fēng)干燥過(guò)程相比較低。MAVD干燥的RSD最大為4.76%，微波-熱風(fēng)組合干燥的RSD最大為27.37%，干燥結(jié)束時(shí)微波-熱風(fēng)振動(dòng)流化床干燥RSD為1.93%，微波-熱風(fēng)組合干燥RSD為9.30%，這說(shuō)明振動(dòng)流化床對(duì)提高微波干燥均勻性有顯著作用。

表3 毛豆仁在MAVD干燥過(guò)程中的平均含水率和水分 均勻度Tab.3 Mean moisture content and uniformity of soybean taken from microwave-hot air fluidized bed drying

表4 毛豆仁在微波-熱風(fēng)組合干燥過(guò)程中的平均 含水率和水分均勻度Tab.4 Mean moisture content and uniformity of soybean taken from microwave-hot air combined drying

4 結(jié)論

(1)提出通過(guò)機(jī)械振動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)物料流態(tài)化形式，從而提高微波干燥的均勻性，并通過(guò)仿真優(yōu)化和理論計(jì)算，進(jìn)行該裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件參數(shù)的確定，試驗(yàn)測(cè)試表明，該裝置各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能得到品質(zhì)較好物料。

(2)3種微波方式對(duì)毛豆仁干燥特性具有顯著影響，熱風(fēng)溫度有利于提高微波流化床干燥效率，加快微波干燥速率，同時(shí)振動(dòng)流化床也對(duì)提高微波熱風(fēng)組合干燥速率有顯著影響。

(3)在MAVD干燥過(guò)程中，物料表面的溫度均勻性明顯優(yōu)于微波-熱風(fēng)組合干燥過(guò)程溫度的均勻性，MAVD干燥新鮮毛豆仁樣品的水分均勻度遠(yuǎn)高于微波熱風(fēng)干燥的水分均勻度。