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    CO2冷阱微波真空干燥裝置設(shè)計與試驗

    2021-06-29 01:42:02史揚杰奚小波袁日燦單翔張琦趙其東張瑞宏
    關(guān)鍵詞:冷阱翅片真空

    史揚杰, 奚小波*, 袁日燦, 單翔, 張琦, 趙其東, 張瑞宏

    (1.揚州大學(xué)機械工程學(xué)院, 江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機農(nóng)藝融合技術(shù)工程中心, 江蘇 揚州 225127; 2.興化市嘉禾食品有限公司, 江蘇 泰州 225700)

    現(xiàn)有果蔬干燥技術(shù)主要有熱泵干燥、熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、微波干燥以及紅外干燥等[1],常用的干燥設(shè)備也基本都依托于這些技術(shù)。但這些干燥設(shè)備普遍存在干燥速度慢、能耗較大及干燥成品品質(zhì)品相劣變明顯(除真空冷凍干燥外)等問題。而微波真空冷凍干燥技術(shù)集成真空冷凍干燥技術(shù)與微波干燥技術(shù)的優(yōu)勢,通過預(yù)冷凍使果蔬內(nèi)部水分結(jié)為冰晶,再通過抽真空與微波加熱促使冰晶升華完成干燥[2]。研究表明,微波真空冷凍干燥可有效降低干燥能耗[3],提高物料干燥速率[4],同時保證干燥成品品質(zhì)品相[5-6]。

    同時,對影響微波真空冷凍干燥速率的工藝參數(shù)進行研究表明,物料凍結(jié)效果以及微波功率對物料干燥速率影響顯著[7-9]。現(xiàn)有微波真空冷凍干燥技術(shù)一般通過冷卻空氣間接實現(xiàn)物料凍結(jié),凍結(jié)效果與凍結(jié)速率均無法得到有效保證,液態(tài)CO2噴淋冷凍通過噴嘴噴射液態(tài)CO2,形成雪花狀的固體干冰和CO2氣體,直接與物料表面接觸實現(xiàn)物料的凍結(jié),最低溫度可達-78.5 ℃,凍結(jié)速率更快且效果更好[10]。同時,液態(tài)CO2還可用于冷阱制冷劑,相較于液氮與乙二醇而言更經(jīng)濟環(huán)保。

    因此,本研究采用液態(tài)CO2作為制冷媒,設(shè)計了一套CO2冷阱微波真空干燥裝置,基于物料凍結(jié)與冷阱換熱原理設(shè)計裝置結(jié)構(gòu)與布局,并以白蘿卜為原料進行了工藝參數(shù)對裝置干燥速率影響試驗。為微波真空冷凍裝置工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

    CO2冷阱微波真空干燥裝置(圖1)主要包括干燥室、冷阱室、真空排氣系統(tǒng)、噴淋預(yù)冷凍裝置、微波加熱裝置、CO2循環(huán)冷阱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及其他輔助裝置等。其中,真空排氣系統(tǒng)主要用于對干燥室與冷阱室進行抽真空處理,確保干燥過程對真空度的要求;噴淋預(yù)冷凍裝置用于對物料進行噴淋冷凍,微波加熱裝置則用于給物料加熱,加快干燥進程;CO2循環(huán)冷阱系統(tǒng)的作用為捕集干燥室內(nèi)形成的水蒸氣,同時連接干燥室、冷阱室和噴淋裝置,構(gòu)成CO2循環(huán)系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)主要由各傳感器、控制電路及PLC主板組成,可對整個裝置進行監(jiān)測控制,整個裝置電氣設(shè)備由外接三相380 V電源供電。

    注:1—框架;2—微波磁控管;3—干燥室;4—干燥室門;5—三角支架;6—轉(zhuǎn)盤;7—物料盤;8—支架軌道;9—微波控制器;10—制冷系統(tǒng);11—冷阱室;12—冷阱管支架;13—冷阱管;14—CO2噴嘴;15—CO2噴淋管道;16—干燥室主排氣管;17—冷阱室主排氣管;18—冷阱室底座;19—真空泵;20—液態(tài)CO2儲氣罐;21—水環(huán)泵;22—羅茨泵;23—干燥室底座。Note: 1—Frame; 2—Microwave magnetron; 3—Drying chamber; 4—Drying chamber door; 5—Triangle bracket; 6—Rotary table; 7—Material tray; 8—Bracket track; 9—Microwave controller; 10—Refrigeration system; 11—Cold well chamber; 12—Cold well tube bracket; 13—Cold well tube; 14—CO2 nozzle;15—CO2 spray pipe; 16—Drying chamber main exhaust pipe; 17—Cold trap chamber main exhaust pipe; 18—Cold trap chamber base; 19—Vacuum pump; 20—Liquid CO2 storage tank; 21—Water ring pump; 22—Roots pump; 23—Drying chamber base.圖1 CO2冷阱微波真空干燥裝置三維結(jié)構(gòu)Fig.1 Three dimensional structure of CO2 cold trap microwave vacuum drying device

    CO2冷阱微波真空干燥過程主要分為預(yù)冷凍、升華干燥、解析干燥三個過程[11]。預(yù)冷凍過程就是將物料中的自由水通過液態(tài)CO2噴淋的方式在短時間內(nèi)凍結(jié)為冰晶,凍結(jié)溫度一般在物料共晶點以下10 ℃[12]。升華干燥過程主要利用冰在三相點壓力(611.659 Pa)之下直接升華為水蒸氣的原理,通過對干燥室進行抽真空處理,并在共熔點溫度下輔以微波加熱,加快冰結(jié)晶升華,同時通過冷阱捕集水蒸氣,實現(xiàn)對物料的干燥,升華干燥過程主要去除物除料內(nèi)部的自由水和少部分結(jié)合水[13]。解析干燥主要去除升華干燥過程中殘留的物料內(nèi)部的結(jié)合水,通過反復(fù)加溫,去除水蒸氣至干燥完成。CO2冷阱微波真空干燥技術(shù)原理如圖2所示。

    注:1—干燥室;2—冷阱室;3—液態(tài)CO2儲氣罐;4—微波加熱裝置;5—冷阱管;6—水環(huán)泵;7—羅茨泵;8—真空泵;9—循環(huán)泵;10—壓縮機;11—冷凝器;12—控制中心;13—單向閥;14—電磁閥;15—膨脹閥;16—排水口。Note: 1—Drying chamber; 2—Cold well chamber; 3—Liquid CO2 storage tank; 4—Microwave heating device; 5—Cold well tube; 6—Water ring pump; 7—Roots pump; 8—Vacuum pump; 9—Circulating pump; 10—compressor; 11—Condenser; 12—Control center; 13—One-way valve; 14—Solenoid valve; 15—Expansion valve; 16—Drainage port.圖2 CO2冷阱微波真空干燥技術(shù)Fig.2 Microwave vacuum drying technology with CO2 cold trap

    CO2冷阱微波真空干燥裝置首先將物料放置于干燥室內(nèi)轉(zhuǎn)盤上,各儀表檢查無誤后打開真空排氣系統(tǒng),將干燥室和冷阱室內(nèi)部抽真空至一定數(shù)值后關(guān)閉;打開噴淋裝置對物料進行噴淋速凍,期間打開真空泵,將冷阱室抽真空后關(guān)閉。待預(yù)冷凍步驟完成打開循環(huán)泵,將干燥室內(nèi)剩余CO2泵送至冷阱室,同時開啟膨脹閥,液態(tài)CO2經(jīng)膨脹閥轉(zhuǎn)化為氣體流經(jīng)冷阱管,兩者聯(lián)合使冷阱管壁迅速降溫。冷阱室與冷阱管內(nèi)CO2經(jīng)管道進入壓縮機,轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)后經(jīng)冷凝器冷凝,最終輸送至液態(tài)CO2儲氣罐,實現(xiàn)CO2的循環(huán)利用。待干燥室內(nèi)剩余CO2泵送完畢開啟真空排氣系統(tǒng),將干燥室內(nèi)部真空度降低至611.659 Pa以下關(guān)閉。開啟微波加熱裝置,微波促使物料內(nèi)冰晶體升華,去除物料中的結(jié)合水,待干燥室內(nèi)水蒸氣達到飽和時開啟循環(huán)泵和真空泵,水蒸氣在壓力梯度、溫度差以及循環(huán)泵的共同作用下進入冷阱室,高溫水蒸氣被低溫冷靜管壁捕捉結(jié)霜,經(jīng)加熱系統(tǒng)融化后從排水口排出。之后重復(fù)微波加熱與水蒸氣去除步驟直至干燥完成。

    1.2 液態(tài)CO2噴淋預(yù)冷凍裝置設(shè)計

    1.2.1噴淋裝置設(shè)計與布置 噴淋裝置包括噴嘴、噴淋管路、液態(tài)CO2儲氣罐以及電磁閥等部件,同時還需配合轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動實現(xiàn)物料的預(yù)冷凍。噴淋管路均為銅管,外部包裹保溫材料,管道上每隔一段距離開有孔與噴嘴相連,通過電磁閥控制液態(tài)CO2噴出[14]。

    本裝置采用Spraying System公司生產(chǎn)的LN-4W系列空心錐噴嘴。直徑1.5 cm,長10 cm,標稱噴孔直徑1.5 mm,質(zhì)量流量M=0.003 kg·s-1(1.5 bar),噴射角度為60°。液態(tài)CO2儲氣罐選用浙江普陽深冷裝備股份有限公司生產(chǎn)的DPL450-175-2.0型儲氣罐,工作壓力(working pressure,WP)2.0 MPa,安全閥開啟壓力(safe pressure,SP)2.4 MPa,正常使用壓力(normal operating pressure,NOP)0.55~2.2 MPa,試驗壓力(test pressure,TP)4.0 MPa;體積流量(LCO2)0~3 m3·h-1。

    為保證噴淋覆蓋范圍與極限狀態(tài)下噴淋過程的可靠性,需根據(jù)單個噴嘴的質(zhì)量流量[15]確定噴嘴個數(shù)。

    (1)

    式中,M單為單個噴嘴的質(zhì)量流量,kg·s-1;Q為液態(tài)CO2氣罐極限體積流量,m3·h-1;V為CO2的比容,m3·kg-1;n為噴嘴個數(shù)。

    為提高噴淋覆蓋率,整個噴淋裝置中管道及噴嘴的布局如圖3所示。在距頂端5 cm處開設(shè)通孔,間距40 cm,噴淋范圍剛好覆蓋整個物料架。此外,噴淋管道的布置不能干涉物料支架的轉(zhuǎn)動,且噴嘴角度應(yīng)與物料盤水平位置呈90°夾角,提高CO2利用率。根據(jù)物料支架尺寸和噴嘴長度,將噴淋管道的通孔定位于在Φ170 cm的圓與水平夾角為60°的右上方位置,噴嘴安裝角度為豎直向下。

    注:1—噴淋管路;2—干燥室;3—絕熱保溫層;4—干燥室門;5—噴嘴。Note: 1—Spray pipeline; 2—Drying chamber; 3—Thermal insulation layer; 4—Drying chamber door; 5—Nozzle.圖3 噴淋裝置中管道及噴嘴的布局Fig.3 Pipes and nozzles in sprinkler

    1.2.2轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的確定 在確定了噴嘴與噴淋裝置結(jié)構(gòu)的前提下,還需控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速來保證噴淋的均勻性,同時控制經(jīng)過有效噴淋區(qū)域的時間提高凍結(jié)效果。

    為方便計算,將噴淋裝置的結(jié)構(gòu)圖簡化,并建立XOY坐標系,長度單位為cm,如圖4所示。其中O點為干燥室空間中心點,R100圓弧表示干燥室外壁,R70圓弧表示物料盤轉(zhuǎn)動路徑,C點為噴淋管中心,EF為噴嘴位置。

    圖4 轉(zhuǎn)盤與噴嘴位置Fig.4 Position of rotary table and nozzle

    通常將BDEF區(qū)域是為有效凍結(jié)區(qū)域,此區(qū)域的噴霧整體流向固定、流量大、溫度低、速凍效果好。因此,當(dāng)物料轉(zhuǎn)入BDEF區(qū)域內(nèi)時,凍結(jié)速率最快,為保證整體物料的預(yù)冷凍效果,一般控制物料經(jīng)過噴淋區(qū)域的時間大于30 s。

    (2)

    求得坐標A(38.70,58.33),再由O、A、B三點坐標可求得OA=70、OB=69.35、AB=28.47;通過反三角函數(shù)求得:∠α≈23.75°,結(jié)合噴淋時間要求,則轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速n≤0.13 r·min-1。

    1.3 冷阱裝置的設(shè)計與傳熱強度計算

    1.3.1冷阱管的設(shè)計與參數(shù)確定 冷阱管是整個冷阱裝置中最重要的部件,承擔(dān)著冷阱室中液態(tài)CO2制冷媒和水蒸氣的換熱作用,其傳熱系數(shù)的高低決定著冷阱去除水蒸氣的速度,影響著整個干燥裝置的效率,因此冷阱管的設(shè)計至關(guān)重要。傳熱方程如下。

    Φ=hA×ΔT

    (3)

    式中,Φ為單位時間內(nèi)的傳熱量,W;h為傳熱系數(shù),W·m-2·K-1;A為換熱面積,m2;ΔT為溫度差,K。

    根據(jù)上述傳熱方程,結(jié)合翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)可得以光側(cè)表面積為基準的翅片式冷阱管傳熱系數(shù)[16],計算公式如下。

    (4)

    式中,hf為傳熱系數(shù),W·m-2·K-1;β為翅片比,翅片總表面積與光側(cè)表面積之比;hi、h0為冷阱管內(nèi)、外側(cè)換熱系數(shù),W·m-2·K-1;δ為管壁厚度,m;λ為材料導(dǎo)熱系數(shù),W·m-1·K-1;η0為翅片效率。

    從上式可以看出,適當(dāng)增大翅片比可以提高傳熱系數(shù)。翅片比的最佳值一般在17~28之間[17],又因管外介質(zhì)為水蒸汽,其膜狀凝結(jié)時對流換熱系數(shù)量級大致為10 000 W·m-2·K-1,翅片比應(yīng)盡量大些。翅片結(jié)構(gòu)如圖5所示,該翅片式冷阱管內(nèi)側(cè)為紫銅材質(zhì)薄壁光管,光管規(guī)格為Φ10 mm×1 mm,外側(cè)添加紫銅材質(zhì)波紋狀翅片,翅片尺寸為10 mm×0.2 mm,翅片間距3.2 mm,翅片比25,管道呈“蛇”形排列,共3層,64組。

    注:R—翅片管外徑;di—基管壁厚;t—翅片節(jié)距;r—翅片管根徑;S—翅片厚度;h—翅片高度。Note:R—Fin tube outer diameter; di—Base tube wall thickness; t—Fin pitch; r—Fin tube root diameter; S—Fin thickness; h—Fin height.圖5 翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.5 Structural parameter of finned tube

    1.3.2冷阱傳熱強度計算 根據(jù)冷阱工作環(huán)境與作用分析,冷阱內(nèi)部傳熱為有相變的對流換熱,即凝結(jié)換熱。因此,要分析冷阱內(nèi)部熱對流換熱情況,需要知道冷阱內(nèi)部氣體的流動狀態(tài)。由于冷阱內(nèi)部進行了抽真空處理,其內(nèi)部處于稀薄氣體環(huán)境下,在稀薄氣體動力學(xué)中,通常引用克努森數(shù)Kn(Knudsen number)對稀薄氣體流動狀態(tài)進行劃分[18]??伺瓟?shù)是λ(氣體分子的平均自由程)與L(流場中物體的特征長度)之比,計算式為(5)。

    (5)

    式中,λ為氣體分子的平均自由程,m;L為流場中物體的特征長度,m;KB為玻爾茲曼常數(shù),一般取1.38×10-23J·K-1;d為氣體分子直徑,m;T為氣體溫度,K;P為氣體壓力,Pa。

    已知冷阱管的內(nèi)徑為10 mm,平均工作壓力為500 Pa,冷阱內(nèi)部工作溫度平均為-50 ℃,取空氣分子的直徑為3.72×10-10m,計算可得Kn≈1.002×10-3,由此可知冷阱室內(nèi)的流動氣體大致處于滑流區(qū)(即10-3

    努塞爾數(shù)(Nu)用來表示對流換熱的強度,冷阱中處于滑流區(qū)氣體的換熱努塞爾數(shù)表達式[19]如下。

    (6)

    式中,ζT為速度滑移系數(shù);α為表面熱適應(yīng)系數(shù);γ為比熱比;Pr為普朗特數(shù)。取α=1,γ=1.3,Pr=0.5,上述求得Kn≈1.002×10-3,代入公式(5)可得Nu≈4.3,接近于常壓下冷阱內(nèi)部對流換熱強度,換熱效率高。

    1.4 干燥參數(shù)試驗

    1.4.1試驗材料及儀器 本試驗所用材料為白蘿卜,外表無損傷、大小均勻,長20~30 cm,直徑5~8 cm,重量0.5~1 kg·根-1,并事先放置于20 ℃保鮮柜中進行保鮮。試驗儀器主要有培養(yǎng)皿、保鮮袋、電子天平、遠紅外測溫儀等。

    1.4.2試驗方法 白蘿卜清洗干凈并瀝干后切為5 mm的圓片,取150 g樣品平鋪于物料盤上,將各物料盤編號后放入干燥室內(nèi),設(shè)3次重復(fù)。設(shè)定預(yù)凍結(jié)過程干燥室真空度1 000 Pa,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速0.13 r·min-1,噴淋時間10 min,干燥過程干燥室內(nèi)最低溫度-15 ℃,最高溫度-5 ℃,溫控延時5 s,真空度550 Pa,冷阱室溫度-50 ℃,脈沖工作時間10 s,脈沖間歇時間10 s。在進行噴淋流量對干燥速率的影響試驗時設(shè)定微波功率為6 kW,分別以控制液噴淋流量1.5、2、2.5、3 m3·h-1進行預(yù)冷凍,噴淋結(jié)束后分別取樣觀察樣品的速凍效果。在進行微波功率對干燥速率的影響試驗時,設(shè)定噴淋流量為3 m3·h-1,控制微波功率分別為2、4、6、8 kW。

    通過周期性稱量樣品質(zhì)量來確定干燥進程,以20 min為節(jié)點,總計干燥時間為3 h。每次干燥結(jié)束后的樣品立刻密封包裝以待接下來的測試,試驗重復(fù)3次,取平均值,并記錄試驗數(shù)據(jù)。

    1.4.3干基含水量測定 本試驗用干基含水量作為評價干燥速率的指標,測定方法參照GB/T5009.3—2010《食品中的水分測定》[20]。用FA1004電子天平秤取干燥前后的白蘿卜重量后計算干基含水量。

    (7)

    式中,w為干基含水量;m2為干燥恒重后樣品質(zhì)量,g;m1為干燥前樣品質(zhì)量,g。當(dāng)相鄰兩次測量物料質(zhì)量差小于0.1 g時視為干燥完成,即w=0,相應(yīng)的時間視為干燥完成時間。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 不同噴淋流量對預(yù)凍結(jié)效果的影響

    圖6為白蘿卜不同噴淋流量預(yù)冷凍后表面樣貌,可以看出,白蘿卜在經(jīng)不同流量噴淋10 min后預(yù)冷凍,白蘿卜表面冰結(jié)晶數(shù)量隨噴淋流量的增大而增多,但冰晶大小一致、分布均勻,未見明顯差異,且未出現(xiàn)凍傷現(xiàn)象,可見噴淋裝置設(shè)計合理。噴淋流量對預(yù)凍結(jié)效果無顯著影響,保證物料不被凍傷的前提下,適當(dāng)增大噴淋流量可獲得更好的預(yù)凍結(jié)效果。

    圖6 白蘿卜不同噴淋流量預(yù)冷凍后表面樣貌Fig.6 Surface appearance of pre-frozen radish with different spray flow rate

    2.2 不同噴淋流量對干燥速率的影響

    圖7為白蘿卜在不同噴淋流量下樣品的干基含水量隨時間變化情況,可以看出,隨著噴淋流量的增加,樣品干燥完成時間相應(yīng)變短,對應(yīng)整體干燥速率變快。當(dāng)噴淋流量為3 m3·h-1時,干基含水量在120 min之后趨于恒定(w=0),此時,其余3種噴淋流量下物料干基含水率分別為25%、29%和49%,噴淋流量每減少0.5 m3·h-1,干燥完成時間相應(yīng)增加大概20 min(干燥完成時間可能更短,這取決于測量間隔時間)。圖中折線斜率代表干燥速率,在不同噴淋流量下,樣品干燥速率變化均表現(xiàn)為先快后慢的趨勢。

    圖7 白蘿卜在不同噴淋流量下樣品的干基含水量變化Fig.7 Changes of dry basis water content of radish samples under different spray flow rates

    上述結(jié)果表明,噴淋流量對物料整體干燥速率有一定影響,噴淋流量越大,整體干燥速率越快,因此適當(dāng)提高干燥速率可增加噴淋流量。

    2.3 不同微波功率對干燥速率的影響

    從圖8可以看出,微波功率為6 和8 kW時,當(dāng)樣品干燥時間為120 min時,物料干基含水量趨于恒定(w=0)干燥完成;此時微波功率為4和2 kW下物料干基含水量分別為22%和41%,物料干燥完成時間分別為160和180 min??傮w而言,微波功率越大,所需干燥完成時間越短,對應(yīng)整體干燥速率越快。

    圖8 白蘿卜在不同微波功率下干基含水量變化Fig.8 Water content of radish on dry basis under different microwave power

    對比微波功率下干燥速率(即折線斜率)變化情況可以看出,不同微波功率下樣品干燥速率均表現(xiàn)為先快后慢的趨勢。以物料內(nèi)部自由水完全除去為節(jié)點(即w=50%),當(dāng)物料干基含水量下降到50%之前,微波功率為6和8 kW的干燥速率并無顯著差異,當(dāng)物料干基含水量下降到50%之后,微波功率為6和8 kW的干燥速率相較于微波功率為4和2 kW時明顯更快。

    綜上,微波功率對干燥速率影響較大,適當(dāng)提高微波功率可加快干燥進程。

    3 討論

    本文以白蘿卜為例對設(shè)計的CO2冷阱微波真空干燥裝置干燥參數(shù)進行了研究。由于液態(tài)CO2溫度較低,若霧化不均勻,干燥室內(nèi)較難形成均勻的溫度場,物料凍結(jié)過程均勻性無法保證,且液態(tài)CO2直接滴落在物料表面容易造成凍傷影響品質(zhì)。因此,為保證凍結(jié)速率與均勻性,選擇合適的噴嘴流量并進行合理的布局至關(guān)重要。本研究結(jié)果表明,在保證物料不被凍傷的情況下,噴淋流量越大,物料預(yù)凍結(jié)效果越好;且隨著噴淋流量增大,物料整體干燥速率變快,干燥速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢。其原因主要為:從干燥角度考慮,體積大的冰晶容易升華,而過小的冰晶不易升華。噴淋流量越大,等時間內(nèi)形成冰晶數(shù)量越多,升華階段自由水去除量越多,所以總體干燥完成時間也越短。隨著干燥的進行,易去除的自由水逐漸減少,樣品內(nèi)水分主要以結(jié)合水方式存在,結(jié)合水較難去除,故干燥速率變慢[21]。根據(jù)冰晶形成機理,在越短的時間內(nèi)通過最大冰晶生成區(qū),形成的冰晶體體積小,數(shù)量多且分布均勻,同時細胞膜內(nèi)外形成壓力差就越小,細胞就不容易被破壞[22],可最大程度保持物料組織結(jié)構(gòu)和性能,保留物料內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)與風(fēng)味。

    冷阱系統(tǒng)是微波真空干燥設(shè)備的重要組成部分,起到快速捕集水蒸氣的作用。從干燥室進入冷阱室的氣體為含有水蒸氣的空氣混合氣體,當(dāng)混合氣體進入冷阱后,由于所處環(huán)境溫度急降,其中水蒸氣發(fā)生相變,在冷阱管外壁凝結(jié),即被冷阱壁冷凝捕集[23],水蒸氣的相變熱由冷阱管低溫CO2帶走,剩余少量不凝性氣體隨真空泵排除。在一定范圍內(nèi),微波功率越大,整體干燥速率越快,干燥速率變化呈現(xiàn)為先快后慢的趨勢。其原因主要為:微波功率越大,單位面積物料所接受的微波能量越多,干燥速率也相應(yīng)更快。當(dāng)物料中水分越多時樣品吸收的微波能越多,干燥速率也更快,當(dāng)樣品中水分逐漸減少,樣品吸收微波的能力也逐漸減弱,干燥速率也相應(yīng)變緩[24]。針對試驗中微波功率為6和8 kW時干燥完成時間相近的問題,可能是由于在解析干燥階段干燥速率緩慢的情況下,伴隨樣品內(nèi)部水分的減少,測量單位時間內(nèi)干燥室內(nèi)部水蒸氣并不能達到飽和狀態(tài),將物料取出進行測量造成了微波能量的浪費,所以造成增加微波功率也并未表現(xiàn)出應(yīng)有效果的現(xiàn)象。因此在后續(xù)試驗中應(yīng)考慮在解析干燥階段適當(dāng)延長測量節(jié)點時間。

    綜上,要提高物料干燥速率同時保證成品品質(zhì)品相,可適當(dāng)增大噴淋流量。同時從節(jié)能角度考慮,在升華干燥階段,可選取適宜且較低的微波功率,而在解析干燥階段,則應(yīng)盡可能增大微波功率,從而縮短干燥時間。本研究可為同類微波真空干燥裝置設(shè)計提供參考。

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