微波與熱風(fēng)耦合干燥技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀

徐毅鋒 楊晚生

【摘 要】微波與熱風(fēng)耦合干燥技術(shù)是將微波與熱風(fēng)技術(shù)相結(jié)合使用的一種干燥技術(shù)，具有干燥質(zhì)量好、干燥速度快及干燥能耗低等特點(diǎn)。文章從最優(yōu)工藝組合、干燥動(dòng)力學(xué)模型和裝置設(shè)備方面綜述國(guó)內(nèi)外耦合干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了該技術(shù)目前存在的問(wèn)題，并探索了未來(lái)微波熱風(fēng)耦合干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】微波熱風(fēng)耦合;動(dòng)力學(xué)模型;設(shè)備

0 引言

微波干燥是通過(guò)微波作用在物料的內(nèi)部產(chǎn)生熱量，具有選擇加熱性、干燥效率高、能量應(yīng)用率高等特點(diǎn)。在一些微波干燥的過(guò)程中，由于物料受到的微波不均勻，使物料的一些位置受微波作用的效果格外強(qiáng)烈，所以該位置的溫度急速上升，從而產(chǎn)生熱點(diǎn)。熱點(diǎn)的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致物料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，并且微波干燥還有成本高、物料處理量小等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者將微波干燥和其他干燥方式結(jié)合應(yīng)用，可以克服單一微波干燥的缺點(diǎn)，同時(shí)能提高干燥質(zhì)量和干燥效率，例如微波與熱風(fēng)聯(lián)合干燥等。

微波與熱風(fēng)聯(lián)合干燥分為串聯(lián)干燥和耦合干燥。串聯(lián)干燥是指微波干燥與熱風(fēng)干燥分別和分段對(duì)物料進(jìn)行干燥;耦合干燥是將微波干燥和熱風(fēng)干燥結(jié)合，同時(shí)對(duì)物料進(jìn)行干燥。

1 原理及特點(diǎn)

微波的作用是在物料進(jìn)行干燥的過(guò)程中，使材料內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)分子獲得能量而發(fā)生振動(dòng)和碰撞進(jìn)而產(chǎn)生熱量，使得干燥材料內(nèi)部溫度升高，內(nèi)部水分吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生由內(nèi)到外的壓力梯度，也就是“泵”效應(yīng)[1]，推動(dòng)水分?jǐn)U散到物料表面，傳熱與傳質(zhì)的方向一致。熱風(fēng)干燥則作用于物料表面，使物料表面溫度升高且表面水分吸收熱量后氣化轉(zhuǎn)移到空氣中，由此形成溫度梯度和濃度梯度[2]，驅(qū)使水分向表面轉(zhuǎn)移，熱能從干燥物料的表面向內(nèi)部傳遞，傳質(zhì)與傳熱的方向相反。這樣，熱風(fēng)能帶走物料表面的自由水;微波能帶走內(nèi)部的結(jié)合水和自由水。由此可見，微波與熱風(fēng)耦合干燥能同時(shí)發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，其主要特點(diǎn)如下：①能對(duì)物料內(nèi)外同時(shí)進(jìn)行加熱;②具有比微波干燥和熱風(fēng)干燥更快的干燥速率和更高的干燥品質(zhì)，能合理分配兩者之間的能量比例，從而降低能耗;③干燥兼具殺菌、殺蟲的功效，能保證產(chǎn)品的安全與衛(wèi)生。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)微波與熱風(fēng)耦合干燥的研究主要集中在最優(yōu)工藝組合、相關(guān)動(dòng)力學(xué)模型及裝置設(shè)備等方面。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 最優(yōu)工藝組合

近年來(lái)，為了使產(chǎn)品干燥質(zhì)量更好，干燥效率更高，干燥能耗更低，許多學(xué)者對(duì)各種物料在微波與熱風(fēng)耦合干燥技術(shù)下的最優(yōu)干燥工藝組合進(jìn)行了研究，為實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)參考。Alibas Ilknur[3]對(duì)含水量為9.31 g/g干固體、重量為50 g的南瓜片分別使用微波、熱風(fēng)和熱風(fēng)與微波耦合干燥3種干燥方法進(jìn)行干燥，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：微波與熱風(fēng)耦合干燥時(shí)獲得了最佳干燥周期、顏色和能耗，最佳干燥組合為熱風(fēng)50 ℃時(shí)+微波350 W。Kumar等人[4]用微波與熱風(fēng)耦合干燥技術(shù)對(duì)秋葵進(jìn)行干燥處理，并用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果得出秋葵的干燥產(chǎn)品在2.41 W/g微波功率密度和風(fēng)速為1.15 m/s、溫度為52.09 ℃熱風(fēng)的條件下干燥質(zhì)量最好，能源消耗最低。

Uprit等人[5]用熱風(fēng)與微波耦合干燥方法對(duì)奶酪進(jìn)行干燥研究，結(jié)果顯示所得產(chǎn)品在功率為111.5 W的微波和風(fēng)速為2 m/s、溫度為53.5 ℃熱風(fēng)的條件下干燥質(zhì)量最好。易麗等人[6]為研究番木瓜片，采用熱風(fēng)與微波耦合干燥的最優(yōu)工藝組合，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的各項(xiàng)參數(shù)、單位能耗和干燥速率進(jìn)行分析，結(jié)果表明在微波功率密度為5.5 W/g、熱空氣溫度為60 ℃、風(fēng)速為0.5 m/s的條件下，綜合干燥效果最優(yōu)。宋瑞凱等人[7]以馬鈴薯為研究對(duì)象，研究了在單一微波、單一熱風(fēng)及熱風(fēng)與微波耦合干燥狀態(tài)下馬鈴薯丁的干燥特性，利用正交試驗(yàn)對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)、干燥速率及單位能耗進(jìn)行方差分析，得到馬鈴薯丁在微波功率密度為6 W/g、熱空氣溫度為50 ℃、風(fēng)速為1.6 m/s的條件下的干燥效果最優(yōu)。

2.2 干燥動(dòng)力學(xué)模型

目前，我們?cè)谖⒉ㄅc熱風(fēng)耦合干燥過(guò)程中對(duì)物料內(nèi)部溫度和水分含量的實(shí)時(shí)檢測(cè)還存在技術(shù)難點(diǎn)，物料干燥動(dòng)力學(xué)模型的研究對(duì)實(shí)際干燥過(guò)程的優(yōu)化和控制具有指導(dǎo)作用。汪漢羊等人[8]將山藥作為研究對(duì)象，對(duì)其微波熱風(fēng)耦合干燥過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析，選取了9種常用的干燥動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合，得出最優(yōu)動(dòng)力學(xué)模型為Two-term exponen-tial模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型能很好地預(yù)測(cè)山藥微波與熱風(fēng)耦合干燥過(guò)程。Mehdi Torki-Harchegani等人[9]通過(guò)研究薄荷葉干燥的脫水行為、數(shù)學(xué)建模、能量特性及精油產(chǎn)量，對(duì)藥材的熱空氣和微波干燥進(jìn)行綜合分析。選取常用的6個(gè)干燥動(dòng)力學(xué)模型作為研究對(duì)象，結(jié)果表明Midilli and Kukcuk模型對(duì)干燥曲線進(jìn)行了最佳描述。A.A.Gowen等人[10]研究了對(duì)流熱風(fēng)與微波耦合干燥的黃豆干燥工藝，并對(duì)Henderson and Pabis模型、Lewis模型、Bi-exponential模型及Page模型進(jìn)行分析，結(jié)果表明Page模型為黃豆對(duì)流熱風(fēng)與耦合微波干燥的最優(yōu)擬合模型，并且提出了以下模型，將MR描述為干燥時(shí)間、空氣溫度、微波功率及干燥方法的函數(shù)：

于海明[11]對(duì)山楂片微波與熱風(fēng)耦合干燥動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，選取12個(gè)常用的干燥動(dòng)力學(xué)模型作為研究對(duì)象，利用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到最優(yōu)動(dòng)力學(xué)模型為Weibull distribution模型，并對(duì)其進(jìn)行修正。又利用能量守恒定理，推導(dǎo)出WHADK模型，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)擬合分析后得出該模型可以對(duì)干燥水分比進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)特殊干燥條件下的WHADK模型進(jìn)行修正，最后得到可以全面預(yù)測(cè)干燥水分比的數(shù)學(xué)模型。

2.3 干燥裝置設(shè)備

微波與熱風(fēng)耦合干燥設(shè)備的研究，目前仍存在較大的局限性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)裝置都是通過(guò)改造微波爐而來(lái)，干燥物料處理量小，缺少具有大處理量和高自控化的設(shè)備是該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用亟須克服的主要難題。Uprit等人[5]設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)時(shí)檢測(cè)樣品質(zhì)量變化和溫度變化的微波與熱風(fēng)耦合干燥裝置，該裝置利用托板的轉(zhuǎn)動(dòng)，使物料能均勻地受微波作用，提高了物料對(duì)微波能的吸收均勻性。Askari[12]設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)級(jí)微波輔助流化床烘干機(jī)，用于對(duì)蘋果立方體進(jìn)行熱風(fēng)與微波耦合干燥。該裝置由家用微波爐改造而成，安裝時(shí)間控制器以實(shí)現(xiàn)更小的逐步功率變化。通過(guò)模型預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析得出流化床可以提高物料吸收微波的均勻性。但該裝置的物料處理量非常小，僅能用于實(shí)驗(yàn)階段的研究，并不適合工業(yè)化。

張斌堯[13]設(shè)計(jì)了一種微波與熱風(fēng)耦合干燥裝置，通過(guò)改變磁控管高壓回路的電容，使其阻抗發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)微波功率可以線性可調(diào)的目的，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)中微波場(chǎng)存在不均勻性問(wèn)題，導(dǎo)致熱點(diǎn)產(chǎn)生，干燥后的物料有少許燒焦現(xiàn)象;并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度和結(jié)論的準(zhǔn)確性受到了人工操作的影響，存在較大誤差。崔政偉[14]設(shè)計(jì)了一種中等規(guī)模的微波與熱風(fēng)耦合干燥裝置，為箱體式結(jié)構(gòu)，分為左右腔室和干燥室，上下兩風(fēng)道分別與各腔室相連。根據(jù)干燥室的大小可自行設(shè)置微波口數(shù)量，同時(shí)每個(gè)微波發(fā)生器的功率均為線性可調(diào)，達(dá)到通過(guò)調(diào)節(jié)熱風(fēng)能量和微波能量的比例有針對(duì)性地處理不同的干燥產(chǎn)品的目的。該裝置對(duì)物料的處理量較大，屬于中等規(guī)模的干燥設(shè)備。

3 展望

微波和熱風(fēng)耦合干燥技術(shù)，相對(duì)單一熱風(fēng)干燥技術(shù)來(lái)說(shuō)，具有能耗低、干燥效率高等特點(diǎn)。與單一微波干燥相比，耦合干燥技術(shù)不僅改善了微波加熱的不均勻性，避免產(chǎn)品出現(xiàn)熱點(diǎn)和熱失控，還可以提高干燥物料的品質(zhì)。

在干燥動(dòng)力學(xué)的研究方面，由于耦合場(chǎng)的復(fù)雜性，因此大多是利用現(xiàn)有經(jīng)典干燥動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)際的干燥過(guò)程建立數(shù)學(xué)和物理模型進(jìn)行分析計(jì)算的研究較少。目前，利用多耦合場(chǎng)分析軟件COMSOL對(duì)實(shí)際干燥過(guò)程的模擬，是微波與熱風(fēng)耦合干燥動(dòng)力學(xué)模型研究的一個(gè)趨勢(shì)。

隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，微波與熱風(fēng)耦合干燥設(shè)備將走向成熟，成為高效節(jié)能的干燥新技術(shù)。針對(duì)大容量、連續(xù)式、均勻性好及自控化程度高的微波與熱風(fēng)耦合干燥系統(tǒng)進(jìn)行研究，開發(fā)新型的干燥設(shè)備，將是未來(lái)人們需要進(jìn)一步研究的課題。

參 考 文 獻(xiàn)

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