微波真空干燥机干燥系统的设计及干燥均匀性的改善

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福建农林大学学报 (自然科学版 )
第 40卷
1. 2 仪器设备
微波真空干燥机自制 ,极限真空度为 0. 08 M Pa,工作频率为 ( 2450 ±50) MHz. DHG29070A 型电热恒
温鼓风干燥器由上海精宏实验设备有限公司提供. BS2
124S型电子分析天平由北京赛多利斯仪器系统有限公
微波真空干燥具有干燥速度快 、时间短 、物料温度低 、色香味及营养成分保留好等优点 ,而且参数容易 控制 ,能干燥多种不同类型的物料 [ 1 - 2 ] ,耗能是普通干燥设备的 1 /3 - 1 / 4[ 3 ] ,在食品 、药品 、化工 、生物制 品等方面的应用越来越广泛 [4 ]. 微波加热的均匀性影响到各部分物料的干燥速度以及干燥后成品质量的 均一性. 微波对单个物料加热为均匀加热 ,这是因为微波辐射进入物料内部 ,使物料内的水等极性分子按 微波频率进行同步旋转和摆动而产生磨擦热 ,使物料内部和表面同时升温 ,使水分从物料中蒸发出来 [1 ]. 而就整个加热腔而言 ,微波以多个模式在腔内形成谐振 ,微波形成的模式越多 ,加热越均匀 ,但形成模式的 数目受腔体尺寸 、形状 、耦合口位置及数量 、物料的数量等诸多因素影响 [3 ]. 目前微波真空干燥均匀性差 的问题仍未得到有效解决 ,采用传统的实底载料盘的干燥时间较长.
80
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208
85
85
189
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90
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223
242
只有当其尺寸大于 85 cm 时 ,增加长度方可有效增加谐振频率模式数目 ,因此确定谐振腔宽度及高度均为
90 cm. 考虑到腔体内载料装置结构及安装的实际需要 ,腔体长度应适当大于宽度和高度 ,因此确定长度为
100 cm. 此矩形腔内的微波谐振频率共有 242个模式.
空干燥室的结构及尺寸和微波的谐振
有密切关系 ,即与微波分布的均匀性相
关. 矩形谐振腔具有多谐性 [ 5 ] ,而多模
谐振能够提高微波真空干燥室中的微
波分布均匀性. 因此 ,本研究中微波真
空干燥室采用矩形腔. 矩形谐振腔结构 示意图如图 2所示.
假设矩形谐振腔边长分别为 a、b、
图 2 矩形谐振腔结构示意图 Fig. 2 Schematic diagram of rectangular resonant cavity
(College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)
Abstract: Results showed that increasing the length of resonant cavity could increase the number of resonant frequency mode of res2 onant cavity with equal w idth and height and imp rove the uniform ity of m icrowave filed. 90 cm ×90 cm ×100 cm rectangular reso2 nant cavity had 242 resonant frequdncy modes. M icrowave entrances diagonally and equally distributed on upper and lower surface of resonant cavity guaranteed the material drying uniform ity. U sing sieved p late or decreasing load thickness could shorten the moisture m igration distance of the moisture evaporated from material granules, and increase drying rate and decrease drying time. U sing carrot as trial material w ith the load of 4 kg, the m icrowave power of 4 kW and the vacuum of 0. 08 M Pa, the drying time could be short2 ened about 10 m in while using sieved p late compared w ith normal p late. D rying time would be increased about 10 m in while load thickness increased 2 cm. Key words: m icrowave; vacuum; drying; uniform ity; drying p roperty
86%和 5% ,比热容为 3. 88 kJ ·kg- 1 ·K- 1 ,物料干燥前的温度为 25 ℃,干燥后的温度为 75 ℃,水的汽化
潜热为 2418. 4 kJ ·kg- 1 ,干燥时间为 3600 s. 经计算可得所需的热量 Q 为 8857. 88 kJ.
式所对应的谐振频率大于或小于中心工作频率附近的频率范围的模式均不能生成. 据此 ,模式数目可用下
式表示 :
f0
-
△f≤f0
=
C 2
m
2
+
a
n
2
+
b
p l
2
≤f0 + △f
(4)
式中 , △f表示中心工作频率附近的频宽. 由于本研究中的载料装置为回转式 , 因此矩形谐振腔的宽
度和高度应相等. 初步选取 a = b = 90 cm , l = 100 cm , f0 = 2450 MHz, △f = 50 MHz,将这些已知条件代入式 (4) ,经计算得式 (5).
司提供.
1. 3 微波真空干燥机的结构及原理
如图 1所示 ,微波真空干燥室的上外壁面和下外壁
面分别装有微波馈入口. 真空泵通过与微波真空干燥室
相连的真空管抽真空. 载有物料的载料盘在回转装置的
带动下作回转运动. 载料盘因自身重力作用 ,在公转过
程中始终保持水平 ,避免了载料盘翻转致使物料散落.
物料在真空条件下实现较低温度的微波干燥. 1. 4 测定方法
1. 5. 2 微波功率的计算 根据该微波真空干燥机生产能力 ,计算干燥所需的热量. 物料所需的热量主要
包括物料温度的升高和物料中水分蒸发所需的热量 [6 ] ,其计算公式如下 :
Q = m 0 [ 4. 18Xw1 ( T2 - T1 ) + c1 ( 1 - Xw1 ) ( T2 - T1 ) + Hr ( Xw1 - Xw2 ) ]
收稿日期 : 2010 - 04 - 23 修回日期 : 2010 - 11 - 20 基金项目 :国家“十一五 ”科技支撑资助项目 (2007BAD07B05). 作者简介 :安凤平 (1965 - ) ,女 ,副教授. 研究方向 :食品科学与工程研究. Email: p ingfengan@163. com.
文献标识码 : A
文章编号 : 167125470 (2011) 0120085206
D esign of dry ing system of m icrowave vacuum dryer and the im provem en t of dry ing un iform ity
AN Feng2p ing, HUANG J ian2li, SONG Hong2bo, ZHENG B ao2dong
湿基含水率 :
1. 微波真空干燥室 ; 2. 微波馈入口 ; 3. 真空管 ; 4. 回转装置 ; 5. 载料盘. 图 1 微波真空干燥机工作原理示意图
Fig. 1 Schematic illustration of m icrowave vacuum dryer
Xw = (Mw /M ) ×100%
表 1 矩形谐振腔尺寸与谐振频率模式数目的关系 Table 1 Relation between rectangular resonant cavity size
and the number of resonant frequency mode
a / cm
b / cm
谐振频率模式数目 l = 90 cm l = 95 cm l = 100 cm
Βιβλιοθήκη Baidu
(6)
式中 : Q 表示干燥物料所需的热量 ( kJ ) ; m0 表示加载物料的质量 ( kg) ; Xw1表示物料干燥前的初始含
水率 ( % ) ; Xw2表示物料干燥后的终含水率 ( % ) ; T1 表示干燥前的物料温度 ( K) ; T2 表示干燥后的物料温
度 ( K) ; c1 表示干物料的比热容 ( kJ·kg- 1 ·K- 1 ) ; Hr 表示水的汽化潜热 ( kJ ·kg- 1 ).
微波功率 P的计算见下式 [ 5 ].
P
=
Q
ηt 1η2
(7)
式中 : P表示微波功率 ( kW ) ; t表示干燥时间 ( s) ;η1 表示微波加热效率 ( % ) ;η2 表示微波转换效率
(% ).
按每小时干燥 4 kg农产品的生产能力 ,确定微波功率. 以胡萝卜为例 ,初始含水率和终含水率分别为
(1)
式中 : Xw 表示湿基含水率 ; Mw 、M 分别表示物料中的水分质量和物料质量.
干基含水率 :
X = Mw
(2)
M - Mw
式中 : X 表示干基含水率 ;M s 表示物料的干物质质量. 干物质质量测定采用 105 ℃恒重法.
1. 5 微波真空干燥系统的设计
1. 5. 1 干燥室的型式及尺寸 微波真
210≤m 2 + n2 + 0. 81p2 ≤221
(5)
第 1期
安凤平等 :微波真空干燥机干燥系统的设计及干燥均匀性的改善
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求解式 ( 5)可得 m、n的最大值为 14, p的最大 值为 16.
采用 C语言编程并求解 ,可得不同边长的谐振 频率模式数目 (表 1).
由表 1可以看出 ,当矩形谐振腔的长度一定时 , 增加腔体的宽度和高度 ,谐振频率模式数目增加的 个数相对较少 ;当腔体的宽度和高度相等且一定时 ,
载量为 4 kg、微波功率为 4 kW、真空度为 0. 08 M Pa时 ,采用筛底载料盘所需的干燥时间比采用实底载料盘缩短约 10 m in;
料层厚度每增加 2 cm ,干燥时间增加约 10 m in.
关键词 : 微波 ; 真空 ; 干燥 ; 均匀性 ; 干燥特性
中图分类号 : TQ082. 677
摘要 : 结果表明 :增加谐振腔长度可增加等宽高矩形谐振腔的谐振频率模式数目 ,提高微波场均匀性 ; 90 cm ×90 cm ×100
cm 矩形谐振腔具有 242个谐振频率模式 ;在干燥室上 、下壁面对角交叉 、均匀布置微波馈口可保证回转干燥的均匀性 ;采
用筛底载料盘或降料层厚度 ,均可缩短物料颗粒蒸发水分的迁移路径 ,提高干燥速度 ,缩短干燥时间. 以胡萝卜为例 ,在装
l,依据多模谐振微波理论 ,该矩形谐振腔谐振频率 f0 见下式 [ 4 ] .
f0
=
C 2
m2
n2
p2
+
+
a
b
l
(3)
式中 : f0 表示谐振频率 ; c表示光速 ; a、b、l分别为矩形谐振腔的宽度 、高度和长度 ; m、n、p分别为 z、y、 x轴上半驻波的个数.
计算模式数目是指在某中心工作频率附近的频率范围内计算可能出现的谐振频率模式数目 ,即某模
福建农林大学学报 (自然科学版 ) Journal of Fujian Agriculture and Forestry University (Natural Science Edition)
第 40卷 第 1期 2011年 1月
微波真空干燥机干燥系统的设计及干燥均匀性的改善
安凤平 , 黄建立 , 宋洪波 , 郑宝东 (福建农林大学食品科学学院 ,福建 福州 350002)
本研究着眼于微波真空干燥机的干燥系统 ,以及微波馈入口布局和载料方式与干燥均匀性的关系 ,为 微波真空干燥机在农产品物料均匀干燥方面的应用提供依据.
1 材料与方法
1. 1 试验材料 原料 :胡萝卜为市售 ,平均含水率为 85. 8% ;清洗 、去皮后切成 10 mm ×10 mm ×10 mm 小块备用.