微波冻干节能探析

摘要 : 简要介绍了微波冻干 设备的系统构成、 加热机理 , 对冻干过程中的 有效能 耗 和 无效 能耗 进行定义 , 并 在此基础上 , 通过与传统冻干对比 , 从传热传质、 加 热机理、 热惯性、 系统结构、 冻干工艺等方面分析微波冻干的节 能优 势。微波冻干由于微波自身生热的机理使其具有热自动平衡、 热惯 性小、 冻 干过程中 热质传递同 向等特点 , 且微 波冻 干设备的系统配置和冻干工艺均可减少冻干系统的 无效能耗 。 关键词 : 高能耗 ; 加热机理 ; 冻干工 艺 ; 系统配置 ; 微波冻干 中图分类号 : S379. 2 文献标志码 : A 文章编号 : 1002- 1302( 2010) 04- 0417- 04
微波加热原理: 冻干物料一般均由极 性分子 ( 如水 分子 ) 和非极性分子组成的具有一定介 电常数的 电介质, 在高频微 波场作用下, 这些极性分子 从原来的随 机分布状 态转向按照 电场极性进行排列取向, 这 些取向随着 交变电磁 场的变化而 产生极化、 弛豫, 这一过程致使分子相互运动, 产生碰撞、 磨擦 效应, 从而产生热量。微波 加热的本质 是将交变 电磁场的场
采用预冻装置将物料冻结到物料共晶点以下结束前30左右开启制冷系统将捕水器盘管温度降至而后将冻结好的物料装入冻干仓开启真空泵抽真空待冻干箱内压力降到工作压力10100pa后再开启微波加热系统对物料供热根据物料冻干工艺调节微波加热功率确保物料冻层温度不超过物料共熔点温度华界面温度不超过崩解温度
江苏农业科学
王建楠等 : 微波冻干节能探析
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结层相比要小得多, 因此利用微波作为热源时, 微波能与冻结 层耦合较多, 从而较多吸收能量, 微波加热 表现出明 显的 选 择性 。微波加热的这种 选择性 可以 防止冻干过程中物料 过干的现 象, 不仅 保证物料品质, 而且降低系统 的无效能耗。 [ 1 7] 微波加热的这种特性称为热自动平衡性 。 传统冻干中采用热辐射和热 传导加热 方式, 必 须提高并 维持已干层或冻结层物料的温度 , 形 成热量传导条件才能 进行升华干燥。因此, 传统 冻干无法 消除因维持 热量传导条 件带来的无效能耗, 而微波冻干过程则不存在这种无效能耗。 3. 3 热惯性与能耗 用微波加热物料非常迅速, 在加热 过程中可以 实现即开 即断, 能使物料在瞬间得到或失去热量来源, 因此微波加热物 [ 19 ] 料无 惰性, 也即无热 惯性的存在。根 据德拜理 论 , 极性分 子在极化、 弛豫过程中的弛 豫时间 与外加交变 电磁场极性 改变的角频率 有关, 在微波段时有 = 1 的规律。根据我 - 11 - 10 国常用的加热频率估算, 其 约为 10 ~ 10 s数量级。因 此, 微波能在物料内转化为热能的过程具有即时特征, 对物料 的加热可以达到即开即停。 与微波冻干的加热即时特征 相反, 传统冻干中 因采用蒸 汽、 油等为中间热介 质, 无法克 服中间热介质惯性 问题, 即在 干燥过程中调节热介质温度时, 载热体表现出惯性, 仍会持续 升、 降温一 定时间 , 因此造成一 定的无效 能耗。微波作为 加热源, 微波功率 可无级 调节, 物料 温升 无惰 性, 不存在 余 热 现象。微波加热的即时特征又使 微波冻干相 对于传统冻 干具有较好的节能优势。 3. 4 系统结构与能耗 食品冻干机通常采用冻干分 体式, 而医药冻干 机则采用 冻干一体机。微波冻干仓一旦 有金属存在 时, 放 电问题很难 克服, 所以微波冻干的干燥仓内不便于配置加热搁板, 通常采 用冻干分体式, 也即用 专门的冻结 装置对物 料进行预冻。冻 干机的设备材料一般很重, 而经冻干 机冻干处理 的物料仅为 冻干机重量的 1 /10 左右 。对 于冻干 一体机 ( 传 导加热方 式 ) 而言, 在冻结和升华的过程 中, 真 正需要冷却 和加热的对 象是被处理物品, 但实际上 冻干机全 部设备材料 均随冻干对 象一起进行冷却和加热。由于冻干机自身重量远远大于冻干 对象物品, 冷却和加热机体 设备所消 耗能量也就 大大超过冻 干物品所需的能耗, 使大量 冷冻量和 热能反复消 耗在冷却和 加热设备材料上, 造成 无效能耗。同 样对于热辐 射的食品冻 干机 ( 分体式 ), 虽不存在冻干一体机的反复冷 却和加热的过 程, 但也无法避免因加热载 热介质和 设备机体等 非干燥对象 而形成无效能耗。 微波加热过程中, 电磁能直接与物料耦合, 无需热介质参 与热传 递, 不 会 有 热 介 质 与 机 体 设 备 之 间 的 热 量 传 递 损 [ 2 2] 失 。而且干燥仓为金属 制造的 密闭空 腔, 能 反射电 磁波, 绝大部分能量被物料吸收, 腔体只能吸收少量能量, 因此微波 冻干避免了传统冻干过程中加热载热介质和设备机体的无效 能耗, 能量利用率高。但微波作为冻干设备的加热系统时, 无 效能耗也不可避免。常用的磁控管在将电转化成微波的过程 中, 转化效率在 70 % 左右, 其余 的能量在 磁控管 中以 热量的 形式耗散, 增加了系统的无效能耗, 同时微波在干燥仓内的叠 加振荡过程中亦有无效能耗产生。
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能转化为介质内的热动能, 使物料温度升高。 2 冻干设备能耗 传导、 热辐射是传统冻干采用的加热方式
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。传统医药
冻干机中常采用传导的加热方式, 利用加热器加热载热介质, 然后通过盘管输送热介质加热 搁板, 搁板再将热 量传递给料 盘, 从而为物料冻干提 供热量。传统 食品冻干机 一般采用热 辐射 加热方 式, 物料置 于辐射板 之间, 辐射 板中通 入载热介 质, 载热介质通过辐射 板以辐射的 方式将热 量供给物料。与 传统真空冷冻干燥不同, 微波冻干采用微波作为加热源, 民用 微波的频率为 915MH z和 2 450MH z 。微波场实质上是高频 [ 13 ] 电磁场, 不需要载热介质 , 微波可直接与物料 进行耦合, 在 电介质中将微 波能 转化成 热能 对物料 进行 干燥。冻 干过程 中, 传导、 热辐 射、 微波 3 种加热方式均是 将电能转化成物料 吸收的能量, 其过程如图 2 所示。 较多, 各个环节均存在能量损耗, 无效能耗较大。而微波加热 时, 直接与物料进行耦合而不需要中间环节, 可以减少由于能 量转化损耗而带来的无效能耗。 3 微波冻干节能 3. 1 传热传质与能耗 热传导、 热辐射、 微波等 3 种加热方式冻干过程的热质传 递如图 4 所示。 热传导冻干过程中, 热量 由物料底 部冻结层向 已干层传 递, 升华界面逐渐向下推进, 热量传递方向和水分迁移方向相 同, 同时物料上部的加热板 对已干层具 有一定程 度的辐射作 用, 将热量向升华界面传递, 该传热与传质方向相反。热辐射 冻干过程中, 热量分别由上 下的 2 个已 干层向中 间的冻结层 传递, 水分迁移方向由内 而外, 形成 2 个升华界面, 该过程中 不论传统冻干还是微波冻干, 均存在物料冻结、 冰升华和 水汽凝华 3 个过程。在此 3 个过程中会发生物料温度变化和 相态变化, 理论上所需的显 热和潜热 以及干燥过 程中维持必 备真空的能耗称 为 有效能 耗 。系统 总能耗 组成如 图 3 所 示, 其中冷冻干燥过程所需的 有 效能耗 分别 由物料冻结系 统、 微波加热系统、 捕水器制冷 系统和真空系统实 现, 各系统 在工作过程中的能量损耗, 即为 无效能耗 。由 图 3 可以看 出, 利用传导、 辐射加热方式对物料补热时, 能量转化的环节 的传热、 传质方向正 好相反; 微 波冻干过程中, 物料自身成为 [ 14 ] 发热体, 称之为立体加热方式 , 物料各部分虽同 时受热, 但 物料外层由于水分的升华吸收大 量热量致 使温度下降, 造成 物料内高外低的温度梯度, 同时随着升华界面逐渐向内推进, 微波加热具有明显的 选择性加热 特点, 即优 先加热介电常 数高的物料。微波能量集中在 内部的冻结 层, 在 物料内部形 成了一个内热源, 加速了内外温度梯度的形成, 为水分子向外 [ 15 ] 迁移提供了内在动力 。
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加热效率高, 加热过程中无效能耗低。 3. 2 热自动平衡性与能耗 微波加热过程中, 微波能 量与介电 常数较高的 成分耦合 较多, 其对物料的加热是有选择性的。微波在介质中传播时, 单位体积中的功率损耗可表示为: P = a# f # # E2 式中: a 为比例常数, f 为微波频率, 为介质损 耗因数, E 为电 场强度有效值, P 为功率。频率和电场强度一定时, 在干燥过 程中物料吸收微波能的多少主 要取决于物 料介质损 耗因数。 不同物料介质损耗因数是不同的, 不同物料甚至会差别很大。 在微波冻干过程中, 由于已 干层干物质 的介电损 耗因数与冻
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还缺乏对微波冻干节能机理和潜能的系统研析, 鉴于此, 本文 从加热机理、 冻干工艺、 系统配置等方面对传统冻干设备和微 波冷冻干燥设备的能效进行分析, 探讨冷冻干燥的能耗问题, 以期为微波冻干设备研发及生产应用奠定基础。 1 微波冻干系统构成与加热机理 微波真空冷冻干燥设备通常包括冻干仓、 微波加热系统、 制冷系统、 真空系统、 测控系统以及其他辅助设备 ( 图 1) 。工 作过程为: 采用预冻装置将物料冻结到物料共晶点以下, 预冻 结束 前 30 m in 左右 开启制 冷系 统, 将捕水 器盘 管温度 降至 - 40~ - 50 ! , 而后将冻结 好的物 料装入 冻干仓, 开启 真空泵抽真空, 待冻干 箱内压力降 到工作压 力 ( 10 ~ 100 P a)
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王建楠 , 胡志超 , 王海鸥 , 等 . 微波冻干节能探析 [ J] . 江苏农业科学 , 2010( 4) : 417- 420 .
微波冻干节能探析
王建楠 , 胡志超 , 王海鸥 , 钟 挺, 陈友庆, 彭宝良
( 农业部南京农业机械化研究所 , 江苏南京 210014 )
通过比较上述 3 种加热方 式可知, 不论是热 传导还是热 辐射, 热量均必须通过冻结层或已干层向升华界面传导, 这种 热量传递过程 ( 尤其在已干层中传递 ) 的接触热阻大 , 造成 较大无效能耗。另外, 在热 传导和热 辐射这 2 种 加热方式中 都存在传热、 传质方向反向的矛盾, 给水分子向外迁移增加了 额外阻力, 水分子从升华界面穿过已干层迁移到环境中, 要克 服这种额外阻力, 需一定能耗, 亦增加了无效能耗。微波冻干 过程均不存在上述 2个问题, 相反, 微波不仅作为一个外加热 源对物料进行整体加热, 向物料提供水分升华潜热, 同时还在 物料内部形成一个内热源向升 华界面传导 热量, 且整个过程 中传热传质方向相同, 水分子向外迁移没有额外阻力, 所以其
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后再开启微波加热系统对物料供 热, 根 据物料冻 干工艺调节 微波加热功率, 确保物料冻层温度不超过物料共熔点温度, 升 华界面温度不超过崩解温 度。 物料中的冰 在低压、 低温下开 始升华, 并进入捕水器被凝华, 从而达到干燥物料的目的。
收稿日期 : 2009 - 11- 12 基金项目 : 国家 863 计划 (编号 : 2007AA 100400 )。 作者简介 : 王建楠 ( 1983∀ ) , 男 , 河南信阳人 , 硕士 , 工程师 , 从事农产 品加工技术与装备研发。 Te: l ( 025) 84346247 。 通信作者 : 胡志超 , 博士 , 研究 员, 从事农 产品加工 技术与装 备研发。 E - m ai: l n fzhongz@ i 163. com。
冷冻干燥由于能够保持被 干燥物料的 营养成分、 生物活 性和原有性状, 在食品、 生物制品和药品等工业中得到了广泛 应用 。然而冷冻 干燥 技术 目前仍 存在 生产率 低、 时 间长、 能耗高等缺点, 已成为 其进一 步发展 的技术 瓶颈 , 制约了 该技术的进一 步应 用 [ 2] 。在 全球环 境和 能源危 机问 题日益 突出的背景下, 如何以低能耗和低成本获得优质的干燥产品, [ 3] 是冷冻干燥技术领域须要重点研究与攻克的问题 。 冷冻干燥的高能耗缺陷主要是由于冷冻干燥装置所采用 电、 蒸汽、 加热 油等为 热源的 接触传 导或辐 射加热 方式造成 的。微波加热是一种立体加热, 能量 可以以电磁 波的形式直 接进入物料内部对物 料进行 加热。研究 表明 , 将微波作 为冷冻干燥的热源, 可以大大提高干燥速率和能量利用率, 具 有加热迅速、 节能高效、 加热质量高、 营养破坏少等特点, 显著 地提高冻干效率、 降低 能耗。微波真 空冷冻干燥 以微波加热 代替传统的加热方式, 是将 高效的微 波辐射加热 技术和真空 冷冻干燥技术相结合的一项极具应用价值的新技术。但目前