微波紅外振動(dòng)床協(xié)同干燥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

宿佃斌 曾詩(shī)雨 呂為喬 李 棟 趙 丹 趙東林

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255000； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 北京 100083)

0 引言

電磁波在特定的波段下，能刺激水分子等極性小分子、基團(tuán)高頻振蕩，進(jìn)而形成熱效應(yīng)，例如太陽(yáng)能干燥、紅外干燥、微波干燥、射頻干燥等[1-5]。其中，微波干燥和紅外干燥的能量較為集中，被大量應(yīng)用在果蔬物料的加工中[6-7]。

微波干燥中物料被整體加熱，具有精準(zhǔn)高效和功率靈敏易控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在果蔬等干燥領(lǐng)域[8-12]。然而，基于干燥過(guò)程中物料內(nèi)部生物組織結(jié)構(gòu)、分割形態(tài)、疊放位置、微波場(chǎng)強(qiáng)分布和穿透深度等因素的差異，干燥不均是果蔬物料微波干燥的主要問(wèn)題[13-14]。

相對(duì)于微波干燥，紅外干燥在處理體積大、物料層較厚的塊狀果蔬物料上，穿透力不足，更多的熱量依賴(lài)由外向內(nèi)的能量傳導(dǎo)[15-20]。

將振動(dòng)的床體引入微波干燥設(shè)備，并通過(guò)電磁閥和可編程邏輯控制器(Programmable logic controller，PLC)控制振動(dòng)的頻率和強(qiáng)度，可有效避免物料冷點(diǎn)、熱點(diǎn)的極限溫度出現(xiàn)[21]。文獻(xiàn)[14]通過(guò)HFSS軟件模擬仿真并優(yōu)化設(shè)計(jì)，較早地研制了多饋源微波熱風(fēng)振動(dòng)床干燥機(jī)。文獻(xiàn)[21]以苦瓜為原料，跟蹤了大量工藝試驗(yàn)，并從振動(dòng)方式、送風(fēng)系統(tǒng)等方面進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，研制了第二代微波熱風(fēng)振動(dòng)床干燥機(jī)。二代機(jī)中，近乎100%的熱風(fēng)將通過(guò)物料層，有效提高了熱風(fēng)的能效，但物料表層的干燥均勻性仍有待提高。將紅外發(fā)生器引入微波干燥設(shè)備，可以提高物料表層的受熱均勻性，加快物料表層水汽的蒸發(fā)，促進(jìn)微波均勻干燥，但目前，尚未有微波紅外協(xié)同干燥的研究報(bào)道[22-23]。微波、紅外和振動(dòng)三者協(xié)同，研制微波紅外振動(dòng)床協(xié)同干燥(Microwave infrared vibrating-bed drying，MIVBD)設(shè)備，將有效改善微波干燥的傳熱傳質(zhì)效果，對(duì)提升果蔬干燥品質(zhì)具有重要意義。

本文研究微波紅外振動(dòng)床協(xié)同干燥機(jī)。采用2支磁控微波管獨(dú)立饋入微波能，4支碳纖維中遠(yuǎn)波紅外石英電熱管提供紅外輻射能，振動(dòng)裝置使物料處于流化狀態(tài)，以保證物料干燥的均勻性，并利用該設(shè)備進(jìn)行新鮮姜片干燥試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 總體設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

為改善微波干燥農(nóng)產(chǎn)品物料的均勻性，提高干燥效率和干燥品質(zhì)，開(kāi)發(fā)并試制了MIVBD設(shè)備，設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示。整機(jī)由微波系統(tǒng)、紅外系統(tǒng)、振動(dòng)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等主要工作系統(tǒng)組成。微波源采取2 450 MHz常見(jiàn)頻率的磁控管，紅外源采用以2.5～25 μm波段為主的中遠(yuǎn)波紅外加熱管。微波和紅外作為農(nóng)產(chǎn)品干燥的能量來(lái)源，協(xié)同布置于諧振腔的兩側(cè)和頂部。物料溫度由預(yù)留的紅外溫度傳感器采集，并通過(guò)PLC實(shí)時(shí)控制微波源、紅外源的工作強(qiáng)度。設(shè)備外部設(shè)有保溫層，確保紅外輻射能源的高效利用。圖2為整機(jī)和各工作系統(tǒng)的實(shí)物圖。

圖1 MIVBD設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic of MIVBD structure1.振動(dòng)床底座 2.減振彈簧 3.振動(dòng)電機(jī) 4.助振柔性折彎片 5.物料托盤(pán) 6、11.微波源 7.顯示屏 8.排風(fēng)管 9.排濕孔 10.諧振腔 12.振動(dòng)連接桿 13.減振橡膠彈簧 14.柔性減振箱體 15.諧振腔支撐架 16.控制系統(tǒng) 17.排濕裝置 18.引風(fēng)機(jī) 19.紅外加熱管 20.紅外溫度傳感器 21.紅外加熱倉(cāng) 22.紅外倉(cāng)溫度傳感器 23.紅外倉(cāng)微波屏蔽裝置 24.諧振腔門(mén) 25.物料

圖2 MIVBD整機(jī)和各工作系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Diagrams of MIVBD and its main working systems

1.2 工作原理

1.2.1MIVBD干燥原理

微波、紅外與振動(dòng)的床體組合干燥，能充分利用單純微波干燥精準(zhǔn)高效的優(yōu)勢(shì)，協(xié)同改進(jìn)微波干燥的品質(zhì)，其原理如圖3所示。微波能以電磁輻射形式進(jìn)入濕物料，由內(nèi)到外產(chǎn)生大量水蒸氣，從而形成有效的氣壓差，驅(qū)動(dòng)水分以氣體的形態(tài)向表面遷移，物料的傳熱方向、蒸汽遷移方向和溫度梯度方向一致，形成了微波組合干燥的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)受多種因素的影響，微波能在傳輸過(guò)程中會(huì)逐漸衰減，若把被干燥的物料體系看成一個(gè)整體，微波的穿透行為將會(huì)對(duì)干燥過(guò)程產(chǎn)生顯著的影響。但在物料堆放體積較小時(shí)，物料中心部位熱量不易及時(shí)散出，不斷積聚的熱量導(dǎo)致物料中心部位溫度較高，容易發(fā)生局部過(guò)熱，形成溫度的熱點(diǎn)。在物料堆放體積較大時(shí)，物料中心部位超出了微波的滲透深度，微波能量在物料中心部位已經(jīng)發(fā)生顯著衰減，容易發(fā)生局部能量吸收不足，形成溫度的冷點(diǎn)。

圖3 微波紅外振動(dòng)床協(xié)同干燥在干燥塊狀果蔬物料時(shí)的傳熱優(yōu)勢(shì)Fig.3 Heat transfer advantages of MIVBD in drying of bulk agricultural products

研制的新型MIVBD設(shè)備將振動(dòng)的床體引入微波干燥設(shè)備，并通過(guò)變頻器和PLC控制振動(dòng)的頻率和強(qiáng)度，可有效避免物料冷點(diǎn)、熱點(diǎn)的極限溫度出現(xiàn)。單純的紅外干燥難以穿透較厚的物料體系。將紅外發(fā)生器引入微波干燥設(shè)備，并配合微波系統(tǒng)交替工作，可使物料內(nèi)部在高強(qiáng)度的微波干燥中得到一定時(shí)間的緩蘇，同時(shí)加快物料表層水蒸氣的蒸發(fā)。在MIVBD設(shè)備中，微波、紅外和振動(dòng)三者協(xié)同有利于提升果蔬微波干燥品質(zhì)。

1.2.2MIVBD設(shè)備運(yùn)行原理

在MIVBD設(shè)備整機(jī)工作時(shí)，首先將待干燥果蔬物料鋪滿物料盤(pán)，物料溫度由紅外傳感器在線監(jiān)控。隨后，微波、紅外源以及振動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)工作，微波功率連續(xù)可調(diào)，紅外源功率和啟停時(shí)間連續(xù)可調(diào)，振動(dòng)床工作啟停時(shí)間連續(xù)可調(diào)。

基于微波的能量饋入精準(zhǔn)易控，但紅外能量饋入有一定的延遲性，設(shè)備設(shè)定物料溫度上限、中限和下限。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的物料溫度低于溫度下限時(shí)，微波紅外同時(shí)工作；介于溫度下限和中限時(shí)，紅外源斷開(kāi)，微波以固有功率單獨(dú)工作；介于溫度中限和上限時(shí)，紅外源斷開(kāi)，微波以低功率單獨(dú)工作；高于溫度上限時(shí)，微波紅外全部停止工作。物料的振動(dòng)和靜止時(shí)間可根據(jù)物料的干燥狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)搭建的MIVBD設(shè)備集微波、紅外和振動(dòng)床功能為一體，主要用來(lái)干燥各種果蔬等農(nóng)產(chǎn)品物料，特別是中高含水率農(nóng)產(chǎn)品物料。設(shè)備裝機(jī)功率4 kW，物料裝載量為100～5 000 g，外形尺寸為440 mm×440 mm×350 mm，微波諧振腔尺寸為650 mm×500 mm×500 mm，物料盤(pán)尺寸為440 mm×440 mm×350 mm，微波功率為2 000 W，紅外功率為2 000 W，振動(dòng)電機(jī)功率為30 W×2，物料盤(pán)開(kāi)孔率為5%，測(cè)溫范圍為0～300℃，微波泄漏量低于1 mW/cm2。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 微波諧振腔設(shè)計(jì)

諧振腔是微波系統(tǒng)的重要組成部分，在諧振腔內(nèi)物料吸收微波能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，物料溫度升高促進(jìn)自身水分?jǐn)U散。如圖4(圖中a、b、d分別表示諧振腔在x、y、z方向的長(zhǎng)、寬、高)所示，諧振腔體上集成了微波源、排濕孔、紅外溫度傳感器和紅外倉(cāng)微波屏蔽裝置等重要部件，其形狀尺寸對(duì)內(nèi)部微波場(chǎng)的分布、振動(dòng)裝置的安裝和排濕裝置的工作狀態(tài)具有較大的影響。按照諧振腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)其主要可以分為矩形、圓柱形和同軸線控諧振腔等。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中矩形諧振腔具有多諧性，制造加工、安裝等相對(duì)簡(jiǎn)單，且介電損耗較低等特點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。同時(shí)，為方便本設(shè)備中振動(dòng)系統(tǒng)、物料盤(pán)和微波源的安裝，減小加工制造難度，設(shè)備選擇多模矩形諧振腔。

圖4 諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of resonator structure1.微波屏蔽套筒 2.物料托盤(pán) 3、7.微波源 4.排濕孔 5.紅外溫度傳感器 6.紅外倉(cāng)微波屏蔽裝置 8.諧振腔 9.諧振腔門(mén) 10.物料 11.振動(dòng)連接桿

諧振腔內(nèi)的微波分布會(huì)因物料加載量、擺放位置和介電屬性等因素發(fā)生改變[21]，加之諧振腔內(nèi)振蕩模式及場(chǎng)強(qiáng)分布的復(fù)雜性，在實(shí)際尺寸計(jì)算過(guò)程中需要利用等效電路的相關(guān)理論通過(guò)測(cè)量得到該值，一般情況下首先要計(jì)算微波源的工作頻率，然后根據(jù)諧振頻譜分布和諧振腔中場(chǎng)強(qiáng)分布均勻性確定諧振腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)。工作頻率為2 450 MHz的磁控管技術(shù)較為成熟，且在微波加熱設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛[24]?；诖?，本設(shè)備設(shè)計(jì)中選擇OM75P-11-ESDYF型磁控管(SAMAUNG公司，韓國(guó))為微波源，額定輸入電壓220 V，輸出電壓2 500 V，額定功率1 000 W。

圖4所示的矩形諧振腔，在設(shè)計(jì)時(shí)常用近似計(jì)算公式對(duì)諧振腔工作模式所對(duì)應(yīng)的諧振頻率進(jìn)行計(jì)算，即

(1)

其中

(2)

式中f0——諧振頻率，Hz

Δf——工作頻率附近頻率寬度，取50 MHz

MS——修正系數(shù)

c——光速，m/s

m、n、p1——矩形諧振腔中振蕩模式在x、y、z方向的半駐波數(shù)目

εr——填充介質(zhì)介電常數(shù)

δ——填充介質(zhì)介電損耗正切角

V1——諧振腔體積，m3

Vr——填充介質(zhì)體積，m3

在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以對(duì)符合設(shè)計(jì)條件的任意a、b和d組合進(jìn)行驗(yàn)證，從計(jì)算結(jié)果中挑選工作模式多并且頻率間隔較為均勻的組合，并通過(guò)修正系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行結(jié)果修正，以改善微波場(chǎng)強(qiáng)在諧振腔內(nèi)分布的均勻性。

品質(zhì)因數(shù)Q0表征諧振腔損耗，是品質(zhì)指標(biāo)，為了提高微波場(chǎng)分布的均勻性和減少能量損耗，一般需盡量提高諧振腔的品質(zhì)因數(shù)，其計(jì)算公式為

(3)

其中

(4)

式中δ′——內(nèi)壁集膚效應(yīng)系數(shù)，m

S——諧振腔內(nèi)部表面積，m2

σ——電導(dǎo)率，H/m

f——微波頻率，Hz

μ——磁導(dǎo)率，S/m

由式(3)可知，V1/S越大，Q0越大，但諧振腔體積過(guò)大會(huì)降低電場(chǎng)強(qiáng)度，影響加熱效率，因此Q0也不宜過(guò)大。一般情況下[25-26]，當(dāng)微波源中心頻率為2 450 MHz時(shí)，諧振腔具有5個(gè)以上間隔大于10 MHz的模式頻譜寬度，Q0不大于1 000。通過(guò)分析市面上常用的微波諧振腔尺寸參數(shù)，并且參照最大單批次處理量、物料盤(pán)尺寸參數(shù)和安裝需求等相關(guān)因素，當(dāng)諧振腔的尺寸為440 mm×440 mm×350 mm時(shí)，諧振腔的品質(zhì)因數(shù)為932，符合設(shè)計(jì)要求。

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)

諧振腔內(nèi)的微波能量分布與內(nèi)部微波場(chǎng)強(qiáng)的分布相關(guān)，微波場(chǎng)強(qiáng)在諧振腔內(nèi)分布不均會(huì)使被干燥物料微波能吸收不均，造成被干燥物料局部溫度過(guò)高(即“干燥熱失控”)或者過(guò)低，這對(duì)物料加熱均勻性的提高和干燥品質(zhì)的調(diào)控造成了很大的阻礙[27]。研究顯示，微波干燥的不均勻性仍然是目前微波干燥裝備設(shè)計(jì)制造過(guò)程中亟需解決的問(wèn)題[28]?；诖?，本文基于多物理場(chǎng)耦合技術(shù)對(duì)諧振腔中微波源的相對(duì)位置和物料工作面的高度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2.1三維模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分

利用COMSOL軟件自帶的幾何模塊對(duì)微波紅外振動(dòng)床干燥設(shè)備的諧振腔部分進(jìn)行了三維模型重構(gòu)。諧振腔的尺寸為440 mm×440 mm×350 mm；選擇BJ-26型矩形波導(dǎo)作為微波的饋入端，兩個(gè)波導(dǎo)分別布置于諧振腔左右兩側(cè)。為了充分考慮諧振腔內(nèi)物料對(duì)微波場(chǎng)分布的影響，建模時(shí)將物料顆粒置于振動(dòng)床干燥工作面上，仿真時(shí)設(shè)置干燥工作面的初始高度為60 mm，如圖5所示。

圖5 三維模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分Fig.5 3D model construction and mesh generation

物料為邊長(zhǎng)20 mm立方體，均勻地排布于工作平面上，共計(jì)64個(gè)(8行×8列)。仿真時(shí)考慮物料介電參數(shù)隨溫度變化，將物料塊介電參數(shù)設(shè)置為

(5)

式中ε′——介電常數(shù)ε″——損耗因子

T——溫度，取20～100℃

網(wǎng)格劃分尺寸對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要的影響[29]，前期仿真綜合研究了網(wǎng)格劃分參數(shù)與模型收斂之間的耦合關(guān)系?；诖?，使用COMSOL軟件自帶的網(wǎng)格模塊對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，并且對(duì)物料干燥工作面、物料顆粒和微波源進(jìn)行了網(wǎng)格加密。最后生成網(wǎng)格頂點(diǎn)數(shù)為141 508，單元數(shù)為714 485，平均單元質(zhì)量為0.660 1。

2.2.2仿真控制方程及邊界條件

仿真中假設(shè)：生姜是各向同性的物質(zhì)，初始溫度和含水率是相同的；濕空氣是不可壓縮的；仿真環(huán)境中存在熱平衡。宏觀層面上針對(duì)電磁問(wèn)題的分析中，所有的分析都?xì)w結(jié)于求解具有一定邊界條件的麥克斯韋方程組，一般情況下在仿真計(jì)算過(guò)程中習(xí)慣將麥克斯韋方程組寫(xiě)成微分形式。

微波在實(shí)際生產(chǎn)中，微波的傳輸與作用效果會(huì)受到諧振腔和波導(dǎo)的材料屬性等的影響，因此微波能量在應(yīng)用過(guò)程中存在一定的損耗，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到微波能量損失表達(dá)式為

(6)

式中E——電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m

D——電位移或電通量密度，C/m2

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m

B——磁通量密度，H/m

J——電流密度，A/m2

n——對(duì)稱(chēng)面法向矢量

V2——計(jì)算域

S1——計(jì)算域V2閉合邊界

在仿真過(guò)程中還考慮了果蔬物料顆粒內(nèi)部的傳熱，增加了固體傳熱模塊，其方程可表示為

(7)

其中

(8)

式中ρ——被加熱物料密度，kg/m3

Cp——固體恒壓熱容，J/(kg·K)

k2——固體熱導(dǎo)率，W/(m·K)

u——當(dāng)模型的部分在材料框架中移動(dòng)時(shí)由平移運(yùn)動(dòng)子節(jié)點(diǎn)定義的速度場(chǎng)，m/s

Q——媒質(zhì)吸收能量，J/kg

?T/?t——媒質(zhì)加熱速率，K/s

在材料屬性設(shè)置中將諧振腔、出風(fēng)口的材料屬性設(shè)置為不銹鋼，在軟件默認(rèn)的理想邊界條件下進(jìn)行微波分布與固體傳熱仿真。在理想情況下，邊界條件需要滿足

(9)

式中n2——介質(zhì)法向矢量

E1、E2——理想狀態(tài)、有介質(zhì)時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m

H1、H2——理想狀態(tài)、有介質(zhì)時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m

O——零向量

即在理想狀態(tài)下，理想邊界表達(dá)式為

n×E=O

(10)

式(10)表示特殊情況下的一種邊界條件，使電場(chǎng)的切向分量為零，已有研究表明邊界條件為理想邊界條件時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)際情況相差不大[30]。

2.2.3優(yōu)化結(jié)果分析

干燥工作面電場(chǎng)強(qiáng)度云圖能直接反映微波在此表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此研究干燥工作面的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)提升物料的微波加熱均勻性具有重要意義。如圖4b所示，微波源的起始位置位于諧振腔左右兩側(cè)的中心位置，此時(shí)諧振腔微波分布極為不均勻，在干燥工作面(高度為60 mm)兩側(cè)有很多熱點(diǎn)，中部有很多冷點(diǎn)。目前，在微波干燥過(guò)程中主要是通過(guò)改變微波源在諧振腔中的排布位置、調(diào)整工作面高度、調(diào)整被干燥物料的相對(duì)位置以及輔助其他干燥工藝來(lái)提高物料的干燥均勻性[31-32]。因此，對(duì)微波源的排布位置進(jìn)行了調(diào)整，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同微波源位置時(shí)物料干燥工作面(高度為60 mm時(shí))微波場(chǎng)分布云圖Fig.6 Microwave field distributions of material drying working face (at height of 60 mm) with different microwave source positions

由圖6可知，諧振腔左右兩側(cè)微波源的高度對(duì)干燥工作面的微波場(chǎng)分布具有明顯的影響，分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)左側(cè)微波源上移20 mm，右側(cè)微波源居中時(shí)，干燥工作面沒(méi)有明顯的冷點(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)域，微波分布較為均勻。此時(shí)，諧振腔xz面的微波場(chǎng)分布如圖7a所示，可見(jiàn)在該切面上電場(chǎng)分布也存在不均勻的現(xiàn)象，在沿z軸方向上仍然存在熱點(diǎn)和冷點(diǎn)區(qū)域交替的現(xiàn)象。因此需要對(duì)干燥工作面的高度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步提高干燥工作面的微波場(chǎng)分布均勻性。

圖7 不同干燥作業(yè)面高度時(shí)其表面微波場(chǎng)分布Fig.7 Distributions of microwave field on surface of different drying heights

當(dāng)干燥作業(yè)面處于不同高度時(shí)，工作表面微波場(chǎng)分布如圖7b～7d所示。當(dāng)干燥工作面高度為80 mm時(shí)，熱點(diǎn)區(qū)域基本消失，但是干燥工作面出現(xiàn)了面積較小的冷點(diǎn)區(qū)域，但隨著干燥工作面高度的進(jìn)一步升高，冷點(diǎn)區(qū)域面積明顯增大，并且也出現(xiàn)了電場(chǎng)強(qiáng)度較大的熱點(diǎn)區(qū)域?；谏鲜鲅芯看_定MIVBD設(shè)備左側(cè)微波源位于以中心位置上移10 mm，右側(cè)微波源居中布置，干燥工作面高度為80 mm。

2.3 紅外裝置設(shè)計(jì)

紅外部分選取碳纖維中遠(yuǎn)波紅外石英電熱管，額定電壓220 V，額定功率為2 000 W(500 W/支×4支)，均衡布置在諧振腔頂部，紅外倉(cāng)體下部為不銹鋼多孔面板結(jié)構(gòu)，開(kāi)孔率80%以上，在防止微波對(duì)紅外系統(tǒng)發(fā)生影響的同時(shí)，提高紅外輻射的效率。紅外倉(cāng)體的四周和頂部面板均設(shè)有隔熱層，減少能量耗散，結(jié)構(gòu)如圖8所示。在農(nóng)產(chǎn)品MIVBD過(guò)程中，通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紅外加熱倉(cāng)內(nèi)部的溫度，當(dāng)達(dá)到紅外加熱管的安全溫度上限(500℃)時(shí)，紅外加熱管在PLC控制下間歇式工作，并且紅外加熱管工作時(shí)間可通過(guò)PLC連續(xù)控制，確保對(duì)不同物料不同干燥階段饋入合理的能量。

圖8 紅外加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagrams of infrared heating system1.紅外加熱管接線柱 2.絕緣端子 3.紅外加熱倉(cāng)外壁 4.陶瓷絕緣板 5.溫度傳感器 6.紅外加熱管 7.紅外反射板 8.紅外溫度傳感器安裝口 9.隔熱層 10.紅外加熱倉(cāng) 11.微波屏蔽裝置

2.4 振動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

2.4.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)床裝置包括物料盤(pán)、振動(dòng)電機(jī)、橡膠彈簧和振動(dòng)連接桿等，如圖9a所示。在微波干燥中，諧振腔內(nèi)的零部件使用聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，PTFE)制作，MIVBD設(shè)備的物料盤(pán)和振動(dòng)連接桿使用聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，PPS)制作。物料盤(pán)置于微波諧振腔內(nèi)，柔性助振機(jī)構(gòu)和減振機(jī)構(gòu)置于諧振腔外。振動(dòng)電機(jī)與助振柔性盤(pán)通過(guò)螺栓固聯(lián)，且在助振柔性盤(pán)上對(duì)稱(chēng)布置；助振柔性盤(pán)與助振柔性折彎片焊接成一體。振動(dòng)連接桿通過(guò)螺栓與物料盤(pán)和助振柔性折彎片連接，可以通過(guò)調(diào)整螺栓位置對(duì)物料盤(pán)的高度進(jìn)行調(diào)控。振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞到助振柔性盤(pán)和助振柔性折彎片后，經(jīng)振動(dòng)連接桿傳遞至物料盤(pán)，物料盤(pán)中的物料在雙振動(dòng)電機(jī)的激勵(lì)下按照一定的規(guī)律混合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)物料的充分混合，并且可以通過(guò)變頻器調(diào)整振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)不同物料的混合需求。橡膠彈簧噪聲小，在共振區(qū)時(shí)振幅更小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，且易于設(shè)計(jì)，因此設(shè)備選擇橡膠彈簧來(lái)連接機(jī)架和振動(dòng)裝置，起到減振作用，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖9 振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理圖Fig.9 Structure and working principle diagrams of vibration system1.振動(dòng)架固定底板 2.振動(dòng)床底部機(jī)架 3.減振底座 4.減振彈簧連接件 5.柔性減振箱體 6.減振橡膠彈簧底部鋼墊 7.減振橡膠彈簧 8.助振柔性折彎片 9.物料托盤(pán) 10.振動(dòng)連接桿 11.助振柔性盤(pán) 12.振動(dòng)電機(jī) 13.減振彈簧

2.4.2振動(dòng)裝置原理分析及關(guān)鍵部件選型

振動(dòng)裝置工作原理如圖9b所示，振動(dòng)裝置的激振力由振動(dòng)電機(jī)提供。為了控制物料盤(pán)只在豎直(z1軸)方向振動(dòng)，兩個(gè)振動(dòng)電機(jī)在x1軸上相對(duì)于z1軸對(duì)稱(chēng)布置，在水平方向上關(guān)于x1軸對(duì)稱(chēng)安裝，通過(guò)PLC控制兩個(gè)振動(dòng)電機(jī)同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，兩個(gè)振動(dòng)電機(jī)在x1軸方向產(chǎn)生的慣性力相互抵消[33]，在z1軸方向產(chǎn)生的慣性力相互疊加。振動(dòng)電機(jī)中偏心塊在電機(jī)的帶動(dòng)下勻速旋轉(zhuǎn)，z1軸方向的慣性力在偏心塊的帶動(dòng)下產(chǎn)生周期性變化，從而實(shí)現(xiàn)物料盤(pán)帶動(dòng)物料在豎直方向?qū)崿F(xiàn)周期性的運(yùn)動(dòng)，物料群在上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互碰撞、擠壓導(dǎo)致相對(duì)位置變化，從而實(shí)現(xiàn)了物料的流化狀態(tài)。

對(duì)振動(dòng)裝置的總參振體進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)總參振體受到振動(dòng)電機(jī)提供的激振力F和橡膠彈簧提供的恢復(fù)力∑Kmz，總參振體激振力方程為

(11)

式中M——總參振質(zhì)量，kg

z——豎直方向位移，m

∑Km——橡膠彈簧提供的總剛度，N/m

由式(11)可得振動(dòng)裝置的激振力為

(12)

式中r——振動(dòng)裝置振幅，取0.002 m

ω——振動(dòng)頻率，取100.48 rad/s

當(dāng)振動(dòng)裝置處于靜止時(shí)，振動(dòng)裝置引起的橡膠彈簧的變形量應(yīng)稍大于振動(dòng)裝置處于振動(dòng)狀態(tài)時(shí)的振幅(λ=0.005 m)，則單個(gè)橡膠彈簧剛度Km為

(13)

系統(tǒng)固有頻率為

(14)

通常情況下振動(dòng)裝置總體振動(dòng)頻率大于共振狀態(tài)的頻率時(shí)整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)才能穩(wěn)定工作，即頻率比ω/ω0一般取2～6.5[33]，該振動(dòng)裝置的頻率比為2.27，振動(dòng)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，據(jù)此選擇欣佳宏牌TO-0.1A型振動(dòng)電機(jī)(激振力為280 N/m)和鑫鼎誠(chéng)牌Φ80×Φ110×Φ40型橡膠彈簧(彈簧剛度為12 250 N/m)，兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī)總激振力為560 N/m(大于406.8 N/m)，均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.5.1總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是MIVBD設(shè)備的核心裝置之一，負(fù)責(zé)設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、振動(dòng)床體驅(qū)動(dòng)、微波和紅外加熱功率控制、引風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)、內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)顯示和干燥參數(shù)設(shè)置等，實(shí)現(xiàn)果蔬干燥環(huán)境和干燥參數(shù)始終有序可控，保證MIVBD過(guò)程操作的穩(wěn)定性和高效性。

設(shè)備選擇DVP30EX200R型PLC作為控制器；并且，控制系統(tǒng)可以通過(guò)上位機(jī)(觸控屏)實(shí)時(shí)顯示干燥過(guò)程中各部件的工作狀態(tài)和物料溫度。操作時(shí)主要通過(guò)觸控屏對(duì)物料溫度、紅外溫度、微波功率等進(jìn)行設(shè)定，干燥過(guò)程中的紅外溫度、物料溫度等信息通過(guò)信號(hào)采集模塊傳遞給中央控制器，然后由中央控制器根據(jù)設(shè)定的程序?qū)φ駝?dòng)電機(jī)變頻器、紅外加熱模塊、微波模塊和排引風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控，控制系統(tǒng)流程如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)流程圖Fig.10 Flow chart of control system

2.5.2溫度負(fù)反饋調(diào)控單元設(shè)計(jì)

物料溫度作為重要的干燥參數(shù)，對(duì)物料干燥效率、干燥品質(zhì)等具有重要影響，在干燥過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)控。為此，MIVBD設(shè)備控制系統(tǒng)中內(nèi)置了加熱裝置-物料溫度負(fù)反饋調(diào)控單元，如圖10所示。

干燥開(kāi)始后，紅外溫度傳感器將持續(xù)檢測(cè)物料溫度，并將物料溫度傳送至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將根據(jù)干燥溫度對(duì)微波功率和紅外加熱功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。首先，微波和紅外加熱管將以設(shè)定功率對(duì)物料進(jìn)行加熱，隨著干燥過(guò)程推進(jìn)物料溫度逐漸升高，當(dāng)物料溫度升高至T1時(shí)，為了防止物料溫度發(fā)生非可控飆升，微波功率將減小至初始功率的70%，紅外加熱管停止工作；當(dāng)物料溫度升高至T2時(shí)，微波功率將減小至初始功率的40%；當(dāng)物料溫度升高至T3時(shí)，微波源停止工作；微波源和紅外加熱管停止運(yùn)行后，物料溫度會(huì)逐漸降低，當(dāng)紅外溫度傳感器檢測(cè)到物料溫度低于T3和T2時(shí)，微波源將分別以設(shè)定功率的40%和70%進(jìn)行工作；當(dāng)物料溫度降至T1后，微波源和紅外加熱管將按照設(shè)置功率進(jìn)行工作。由于紅外加熱具有一定的滯后性，且當(dāng)物料溫度低于T1時(shí)，若紅外加熱管保持工作狀態(tài)，極易產(chǎn)生紅外加熱管自身溫度的非可控飆升；為此，控制紅外加熱管為“每隔t1工作t2”間歇式工作狀態(tài)，且在紅外加熱裝置中設(shè)計(jì)了紅外倉(cāng)溫度傳感器，當(dāng)紅外加熱倉(cāng)溫度大于500℃時(shí)，紅外加熱管停止工作。加熱裝置-物料溫度負(fù)反饋調(diào)控單元在整個(gè)干燥作業(yè)中保持工作狀態(tài)，直至干燥結(jié)束。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取高含水率的生姜作為試驗(yàn)原料，對(duì)MIVBD設(shè)備的干燥性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。所選材料購(gòu)于本地超市，為同一品種和批次，含水率92.05%。將物料用固定的切分模具切成5 mm厚薄片，置于4℃冰箱待用。

3.2 試驗(yàn)方法

在MIVBD試驗(yàn)中，每批次將1.5 kg姜片加入物料盤(pán)中，設(shè)定物料溫度上限65℃、中限63℃和下限60℃，微波上限功率為1.5 W/g，紅外功率為1.0 kW。當(dāng)溫度傳感器監(jiān)測(cè)到的姜片溫度低于溫度下限60℃時(shí)，微波紅外同時(shí)工作；當(dāng)監(jiān)測(cè)到的物料溫度介于下限60℃和中限63℃時(shí)，紅外源斷開(kāi)，微波以上限功率單獨(dú)工作；介于溫度中限63℃和上限65℃時(shí)，紅外源斷開(kāi)，微波以低功率單獨(dú)工作；當(dāng)監(jiān)測(cè)到的物料溫度高于上限溫度65℃時(shí)，微波紅外全部停止工作。MIVBD前開(kāi)啟紅外加熱將諧振腔預(yù)熱至60℃。干燥過(guò)程中開(kāi)啟振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)床的靜止和工作時(shí)間設(shè)為300 s和30 s，并可根據(jù)干燥狀態(tài)調(diào)整。干燥過(guò)程中保持引風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，以及時(shí)排出諧振腔中的水蒸氣。結(jié)合MIVBD設(shè)備特點(diǎn)和上述總體參數(shù)確定試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案和參數(shù)設(shè)置Tab.1 Experimental scheme and parameter setting

3.2.1干燥動(dòng)力學(xué)

在干燥過(guò)程中每隔一定時(shí)間稱(chēng)量生姜質(zhì)量，并對(duì)干基含水率、水分比和干燥速率進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2.2干燥均勻性

干燥過(guò)程中將諧振腔爐門(mén)打開(kāi)，利用Ti55FFT型紅外熱像儀(福祿克儀器有限公司，美國(guó))快速獲得物料盤(pán)中樣品的熱像圖，使用紅外熱像儀自帶的分析軟件Smart View 4.3對(duì)熱像圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如圖5b所示，將物料托盤(pán)底部均勻分成9個(gè)網(wǎng)格，并取每個(gè)網(wǎng)格的中心作為溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在熱像圖中對(duì)9個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行取值，溫度不均勻系數(shù)計(jì)算公式為

(15)

式中σT——監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度均方根偏差

Ti——監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度，℃

n——監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目

3.2.3色澤測(cè)試

使用色差儀測(cè)定生姜樣品的顏色，總色差計(jì)算公式為

(16)

式中L*、a*、b*——生姜干品亮度指數(shù)、紅色指數(shù)、黃色指數(shù)

3.2.4能耗計(jì)量

干燥過(guò)程中使用DTS4921型電能表(浙江鼎碩電氣有限公司)計(jì)量設(shè)備的總能耗。

3.2.5數(shù)據(jù)分析方法

所有試驗(yàn)重復(fù)3次，使用Origin數(shù)據(jù)繪圖分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖。使用SPSS 20.0進(jìn)行Duncan檢驗(yàn)(P<0.05，差異顯著)等統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1干燥特性

按照表1所示的干燥方案和參數(shù)對(duì)新鮮的姜片進(jìn)行干燥，得到了4種不同干燥工藝下干基含水率隨干燥時(shí)間的變化曲線，如圖11所示。

圖11 姜片干基含水率隨干燥時(shí)間變化曲線Fig.11 Variation curves of moisture content of dry basis of ginger slices with drying time

紅外振動(dòng)干燥和微波振動(dòng)干燥分別用時(shí)(320±5)min和(80±1.5)min，微波紅外干燥和微波紅外振動(dòng)干燥分別用時(shí)(70±1.3)min和(60±1.2)min；微波振動(dòng)干燥比紅外振動(dòng)干燥時(shí)間縮短了75%，微波紅外振動(dòng)干燥比微波紅外干燥時(shí)間縮短了14.29%，微波和紅外聯(lián)合提高了物料的干燥效率，并且振動(dòng)對(duì)干燥效率的提高具有顯著影響。

該設(shè)備干燥過(guò)程中的總能耗如表2所示，與紅外干燥和微波振動(dòng)干燥相比，微波紅外振動(dòng)干燥顯著降低了干燥能耗。微波紅外干燥和微波紅外振動(dòng)干燥的能耗沒(méi)有顯著性差異，但由Tu的變化可知，增加振動(dòng)之后顯著提升了物料的溫度分布均勻性。

表2 物料溫度不均勻系數(shù)和色差Tab.2 Temperature non-uniformity coefficient and color difference of materials

3.3.2干燥均勻性分析

圖12(圖中M1～M9表示溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置)為姜片干燥后期的熱像圖和監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度。由圖12可知，紅外振動(dòng)干燥均勻性較好，但物料平均溫度偏低，微波振動(dòng)干燥和微波紅外干燥物料溫度較高，但物料盤(pán)表面出現(xiàn)了大量的熱點(diǎn)，干燥均勻性較差；微波紅外振動(dòng)干燥時(shí)物料表面溫度均勻性較好。

圖12 姜片干燥后期熱像圖及P1監(jiān)測(cè)線溫度Fig.12 Thermal image and temperature values at monitoring points of ginger slices during drying

由圖12e可知，紅外振動(dòng)干燥時(shí)物料的平均溫度為(56.23±3.79)℃，溫度差值為15.10℃，造成這一現(xiàn)象的原因是紅外輻射的穿透性有限，物料受熱水分蒸發(fā)帶走了較多的熱量，導(dǎo)致物料表面溫度偏低；微波振動(dòng)干燥時(shí)物料的平均溫度為(92.46±8.03)℃，溫度差值較大，為28.20℃，說(shuō)明微波加熱效率較高，雖然振動(dòng)在一定程度上緩解了微波加熱的不均勻性，但仍然難以克服微波場(chǎng)強(qiáng)分布不均導(dǎo)致的局部溫度過(guò)高。

微波紅外干燥時(shí)物料的平均溫度為(59.37±6.99)℃，溫度差值為24.00℃，與振動(dòng)相比，紅外的介入更大程度上緩解了微波干燥中物料表面溫度不均勻的現(xiàn)象。振動(dòng)僅改變了微波干燥過(guò)程中物料的相對(duì)位置，在一定程度上克服了微波空間分布不均造成的物料加熱不均勻的現(xiàn)象。干燥過(guò)程中，微波和紅外線對(duì)物料的滲透深度是不同的，當(dāng)物料顆粒較小時(shí)，微波可以完全滲透到物料中心部位，導(dǎo)致物料中心部位溫度高于表層部位溫度，紅外的介入進(jìn)一步提高了物料表層的溫度，增加了單顆物料的干燥均勻性；紅外的介入給物料提供了新的熱源，使微波強(qiáng)度較弱區(qū)域的物料也可以被加熱，提升了物料整體的干燥均勻性。

圖12f為物料托盤(pán)P1線位置物料表面的溫度分布曲線，微波紅外振動(dòng)干燥時(shí)物料表面具有較好的溫度分布均勻性，同時(shí)由表2可知微波紅外振動(dòng)干燥時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度不均勻系數(shù)最小(2.28%)。

3.3.3干燥方式對(duì)生姜片干燥品質(zhì)的影響

由表2可知，微波紅外振動(dòng)干燥對(duì)姜片的亮度指數(shù)L*和黃色指數(shù)b*影響較小，對(duì)紅色指數(shù)a*影響較大。相對(duì)于其他3種干燥工藝，微波紅外振動(dòng)干燥后姜片的色差值ΔE最小(5.07±0.96)，說(shuō)明微波紅外振動(dòng)干燥工藝對(duì)姜片的色澤具有較好的保持作用。

綜合分析圖11、12和表2可知，微波紅外振動(dòng)干燥時(shí)物料表面溫度分布均勻性較好，干燥效率較高，并且對(duì)姜片的色澤具有較好的保持作用。這主要是由于微波的加熱方式極大地提升了物料溫度，增大了物料的降水速率；振動(dòng)和紅外輻射的介入進(jìn)一步緩解了由微波場(chǎng)強(qiáng)分布擾動(dòng)造成的物料群表面溫度分布不均勻現(xiàn)象，進(jìn)一步提升了物料的干燥效率，降低了物料于空氣的接觸時(shí)間，對(duì)物料的色澤起到了較好的保護(hù)作用。

4 結(jié)論

(1)提出了微波紅外振動(dòng)床協(xié)同干燥機(jī)的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)理論計(jì)算和虛擬仿真對(duì)MIVBD設(shè)備的微波系統(tǒng)、振動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，試驗(yàn)測(cè)試表明，該設(shè)備各系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，干燥后的物料品質(zhì)較高。

(2)不同的干燥工藝對(duì)姜片的干燥效率有明顯的影響，紅外輻射和振動(dòng)對(duì)物料的干燥效率有較大影響，微波紅外振動(dòng)干燥能顯著提高物料的干燥效率。

(3)MIVBD過(guò)程中，紅外輻射和振動(dòng)能顯著提高物料表面溫度分布的均勻性，微波紅外振動(dòng)干燥時(shí)物料的干燥不均勻系數(shù)最小(2.28%)，并且MIVBD對(duì)保持物料的色澤品質(zhì)具有顯著的作用。