微波组合干燥技术的研究
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微波组合干燥技术的研究
崔正伟,孙大文,等.微波真空干燥技术的进展.粮油加工与食品机械,2002(7). Pere C. Rodier O. 2000, Investigation on microwave and vacuum dryingexperiments: drying of a model porous medium at laboratory scale。IDS’2000 proceeding.
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微波组合干燥技术的研究
论文关键词:微波组合干燥现状论文摘要:本文阐述了国内外微波真空干燥的研究现状,重点分析了各种微波干燥,并分析了微波真空于燥技术的几个问题。1.序言微波是指频率为300MHz~300GHz、波长为lmm~lm的电磁波。它的干燥原理是:微波发生器将微波辐射到待干燥的物料上,当微波射人物料内部时,使物料内的水等极性分子按微波频率作同步旋转和摆动;水等极性分子高速旋转的结果,使物料内部瞬时产生摩擦热,导致物料内部和表面同时升温,使大量的水分子从物料中蒸发逸出,从而达到干燥的目的。微波真空干燥是随微波干燥技术发展起来的一项新的组合干燥技术。它不仅具有干燥速度快、时问短、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。目前我国虽有一些单位正在进行研究,但其技术性能还需要完善,在机理和工艺方面也还有很多问题需要深化和研究。2.国内外研究现状早在上世纪80年代,美国、加拿大、英国和德国就开始研究微波真空干燥技术,主要集中在美国的威斯康辛大学、加利福尼亚大学,加拿大的Britis C0lumbia大学,德国的Karlsruhe大学,英国的Queen University,希腊的国立科技大学,法国的Albi研究所等。研究的内容涉及微波真空干燥机理、传热传质微波真空干燥模拟、微波真空干燥能耗与工艺以及各种不同类型物料(香蕉,萝卜片,果胶,土豆,浆果等)的微波真空干燥操作等。国内目前的研究单位有江南大学食品学院、东北大学、大连水产大学、中国农业大学、浙江大学、上海工程技术大学、华南理工大学、华南农业大学、天津轻工大学、上海辰灿轻工机械公司、四川大学食品学院食品科学与工程系、南京三乐微波技术有限公司等。江南大学食品学院进行了甘蓝的微波真空和热风联合干燥试验。试验结果表明:微波真空联合干燥缩短干燥时问48%,提高了营养成分和叶绿素的保存率,改善了干燥品质。大连水产大学张国琛进行了扇贝柱的微波-真空-联合干燥,试验研究了微波功率、真空度,微波炉启闭比、预处理盐水浓度和扇贝大小对干燥效果的影响,建立了扇贝微波真空干燥的动力学模型。3.微波组合干燥技术组合干燥是一种具有广阔发展前景的干燥技术,它可以发挥各种干燥工艺的长处,克服各自缺点,借长补短,达到高效率、低能耗、优品质的干燥目的。由于微波干燥是一种完全不同于其它干燥方式的干燥技术,所以它也是与其它干燥方式组合最多的一种干燥技术,同时也是当前国际上研究最多的一种干燥技术。以下是几种较常见的组合方式。3.1微波热风组合干燥(也称微波对流干燥)在与微波组合的干燥方法中,微波热风组合干燥是研究最多的一种。由于热风干燥时间长、质量差,故不适合干燥热敏性物料;采用热风微波组合干燥可以克服上述缺点。此外,微波干燥的成本与热风干燥相比还是很高,单纯微波干燥是不经济的。热风干燥对物料来说是从表面向内干燥,温度梯度与水分转移的方向相反,而微波干燥是从内部加热,温度梯度与水分转移的方向相同,二者结合,可以达到既缩短干燥时间又降低成本的目的。微波与热风干燥可以有三种结合方式。3.1.1.在临界含水率处加入微波当干燥从恒速段进入降速段(即物料含水率达到临界水分)时将微波能引入干燥器,使物料内部产生热量和蒸汽压,使水分扩散至物料的表面并被排除,这时利用微波会非常显着地提高干燥速度。3.1.2.在干燥器的终端加入微波单一的干燥系统在接近干燥终了时效率最低去除几个百分点的水分往往需要很长的时间,利用微波可以显着减少干燥时间。3.1.3.在最初预热阶段加入微波在干燥前物料含水率较高,可以先用微波将物料加热到蒸发温度,然后用普通热风干燥,去除表面水分,干燥时间可以缩短。3.2.微波真空组合干燥微波虽然具有加热速度快、干燥时间短、选择性好、能源利用率高和便于控制等优点,但单纯使用微波进行食品干燥,容易产生由于过热引起的烧伤现象和食品边缘焦化、结壳和硬化等现象;上述现象多半是由于温度过高和干燥过快引起的。采用真空可以降低水的蒸发温度,使物料在较低的温度下快速蒸发,同时还可避免氧化,因而改善了干燥品质。在医药、食品和化工领域有很多热敏性物料需要低温快速干燥,因此,将微波技术与真空技术相结合就成为一项极具发展前景和实用价值的新技术。从国内外有关微波干燥的研究现状来看,微波真空组合干燥也是目前发展较快的一种组合干燥技术。3.2.1.脉冲间歇式微波真空干燥微波干燥虽有许多优点,但经常会发生局部过热、表面硬化、颜色不正和加热不均匀等现象;此外,能量效率不高也是一个缺点。产生这些现象的原因之一就是热质传递控制不当,解决的方法之一是采用脉冲方式输入微波能,即短时间的微波加热和较长时间的间断。试验证明:当物料干燥到临界水分以后,连续施加微波能并不能加速水分的蒸发;采用间歇干燥的方法,不仅可以节省能量、提高干燥效率,还可以改善干后物料的品质。脉冲间歇式微波真空干燥技术是Edh0lm于1933年提出的。采用这种技术的特点是使物料中的水分和温度在间歇阶段能够均衡再分配,减少水分梯度,这将有利于提高下阶段的干燥速率。试验还表明,脉冲微波干燥时,微波接通时间越长、断开时间越短,物料温度越高。因此,通过调节脉冲比或真空度可以改变物料的温度。3.2.2.变功率微波真空干燥加拿大食品工程研究所Christene H.等进行了萝卜片的变功率微波真空干燥,微波的频率为2450MHz,微波功率4kW可调,真空度为13.3kPa,萝卜片的终水分为10%,微波谐振腔为圆筒形,直径350mm,长度500mm,采用的干燥工艺为:干燥开始后的最初19min微波功率为3kW,中间4min为1kW,最后10min为0.5kW。试验过程研究了颜色、复水性、密度和胡萝卜素、维生素含量等质量指标。结果表明:如果综合考虑,微波真空干燥的性能甚至优于真空冷冻干燥。美国加利福尼亚大学研制的微波真空干燥设备谐振腔是一个长12.2m的不锈钢圆筒,中间有输送带,沿长度方向分为三个干燥区,第一干燥区的微波功率较大,真空度为1.33~3.99kPa,第二、第三干燥区的微波功率递减。说明变功率微波真空干燥是一个研究方向。3.2.3.微波热风和真空组合干燥技术Maskan利用微波和热风组合方式干燥猕猴桃,发现干后猕猴桃的收缩率(76%)小于单纯的微波干燥(85%),而且颜色也有很大改善。Szab0利用热风+微波+热风的组合方式进行蘑菇的干燥试验,发现能改善干后蘑菇的品质。大连水产大学的研究表明,热风干燥扇贝具有较小的收缩率Durance利用微波真空与热风组合干燥西红柿,发现西红柿的复水率有所改善。由此可见,微波真空干燥与热风干燥具有一定的互补性。近些年,在高含水率和热敏性物料的干燥中,微波真空和热风的组合干燥也逐步得到了应用。4.几个值得探讨的问题4.1.关于物料的尺寸和形状微波干燥的物料种类繁多,成分和状态也各不相同,按形状分有液状、糊状、浆状、粒状、片状、粉状;按类型分有蔬菜、水果、谷物、药品、水产品和农副产品;就尺寸而言可以小到菜籽,大到人参、蘑菇。微波干燥的研究表明,物料的大小、形状、数量、水分和在微波炉谐振腔中的位置对干燥效果均有一定影响。Dr0uzas用微波进行干燥果胶试验时,用五个料盘放在炉内五个不同的位置,发现干燥速率有明显区别。因此微波干燥应根据物料的特性(介电特性热物理特性、含水率和形状、大小)选择干燥工艺和参数,其原则如下:①微波功率应与干燥的物料量相匹配。②待干燥的物料其大小和含水率应尽可能均匀一致。③考虑微波的穿透深度,大块物料最好先处理成小的粒状或片状。④粉状物料如果堆积在一起时应看成是一个整体。⑤小粒物料所用的微波功率(w/g)可以适当减小。⑥对于热敏性物料可以适当加大真空度或减小微波功率。4.2.关于真空度从蒸汽特性表可知,真空度越高,水的沸点温度越低,水分越容易蒸发。但是在微波真空干燥时,并不是真空度越高越好,真空度增高,能耗加大,干燥成本加,而且会产生击穿放电现象。当微波频率为2450MHz时,真空度2~7kPa已经足够了,其相应的水分汽化温度是20℃和40℃。对于热敏性物料,要求物料的温度低,所以真空度就要高一些。法国Pere教授进行了不同真空条件下的微波真空干燥试验,试验表明,在相同的条件下真空度从1kPa增加到7kPa时,各单位采用的真空度数值有很大的差别,说明对于微波真空干燥中真空度的合理选择尚需进一步研究探讨。5.注意事项采用微波真空干燥时,有一些问题需要注意:①微波能被金属反射,干燥物料和测试传感器中不可混入金属。②待干燥物料的大小和形状应基本接近。③微波干燥设备不可空载运行。④微波可以穿透玻璃和聚合物而不损失能量。⑤微波炉内的物料应分散布置而不要堆积。⑥干燥过程中物料最好能够运动。参考文献:徐艳阳,张憨,等.热风和微波真空联合干燥甘蓝试验.无锡轻工大学学报,2003(6).张国琛,毛志怀,等.微波真空干燥扇贝柱的物理特性研究.农工学报,2004(6).汤大卫,张天使,等微波真空干燥技术的运用与前景.医药工程设计,2000,(5). <BR
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论文关键词:微波组合干燥现状论文摘要:本文阐述了国内外微波真空干燥的研究现状,重点分析了各种微波干燥,并分析了微波真空于燥技术的几个问题。1.序言微波是指频率为300MHz~300GHz、波长为lmm~lm的电磁波。它的干燥原理是:微波发生器将微波辐射到待干燥的物料上,当微波射人物料内部时,使物料内的水等极性分子按微波频率作同步旋转和摆动;水等极性分子高速旋转的结果,使物料内部瞬时产生摩擦热,导致物料内部和表面同时升温,使大量的水分子从物料中蒸发逸出,从而达到干燥的目的。微波真空干燥是随微波干燥技术发展起来的一项新的组合干燥技术。它不仅具有干燥速度快、时问短、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。目前我国虽有一些单位正在进行研究,但其技术性能还需要完善,在机理和工艺方面也还有很多问题需要深化和研究。2.国内外研究现状早在上世纪80年代,美国、加拿大、英国和德国就开始研究微波真空干燥技术,主要集中在美国的威斯康辛大学、加利福尼亚大学,加拿大的Britis C0lumbia大学,德国的Karlsruhe大学,英国的Queen University,希腊的国立科技大学,法国的Albi研究所等。研究的内容涉及微波真空干燥机理、传热传质微波真空干燥模拟、微波真空干燥能耗与工艺以及各种不同类型物料(香蕉,萝卜片,果胶,土豆,浆果等)的微波真空干燥操作等。国内目前的研究单位有江南大学食品学院、东北大学、大连水产大学、中国农业大学、浙江大学、上海工程技术大学、华南理工大学、华南农业大学、天津轻工大学、上海辰灿轻工机械公司、四川大学食品学院食品科学与工程系、南京三乐微波技术有限公司等。江南大学食品学院进行了甘蓝的微波真空和热风联合干燥试验。试验结果表明:微波真空联合干燥缩短干燥时问48%,提高了营养成分和叶绿素的保存率,改善了干燥品质。大连水产大学张国琛进行了扇贝柱的微波-真空-联合干燥,试验研究了微波功率、真空度,微波炉启闭比、预处理盐水浓度和扇贝大小对干燥效果的影响,建立了扇贝微波真空干燥的动力学模型。3.微波组合干燥技术组合干燥是一种具有广阔发展前景的干燥技术,它可以发挥各种干燥工艺的长处,克服各自缺点,借长补短,达到高效率、低能耗、优品质的干燥目的。由于微波干燥是一种完全不同于其它干燥方式的干燥技术,所以它也是与其它干燥方式组合最多的一种干燥技术,同时也是当前国际上研究最多的一种干燥技术。以下是几种较常见的组合方式。3.1微波热风组合干燥(也称微波对流干燥)在与微波组合的干燥方法中,微波热风组合干燥是研究最多的一种。由于热风干燥时间长、质量差,故不适合干燥热敏性物料;采用热风微波组合干燥可以克服上述缺点。此外,微波干燥的成本与热风干燥相比还是很高,单纯微波干燥是不经济的。热风干燥对物料来说是从表面向内干燥,温度梯度与水分转移的方向相反,而微波干燥是从内部加热,温度梯度与水分转移的方向相同,二者结合,可以达到既缩短干燥时间又降低成本的目的。微波与热风干燥可以有三种结合方式。3.1.1.在临界含水率处加入微波当干燥从恒速段进入降速段(即物料含水率达到临界水分)时将微波能引入干燥器,使物料内部产生热量和蒸汽压,使水分扩散至物料的表面并被排除,这时利用微波会非常显着地提高干燥速度。3.1.2.在干燥器的终端加入微波单一的干燥系统在接近干燥终了时效率最低去除几个百分点的水分往往需要很长的时间,利用微波可以显着减少干燥时间。3.1.3.在最初预热阶段加入微波在干燥前物料含水率较高,可以先用微波将物料加热到蒸发温度,然后用普通热风干燥,去除表面水分,干燥时间可以缩短。3.2.微波真空组合干燥微波虽然具有加热速度快、干燥时间短、选择性好、能源利用率高和便于控制等优点,但单纯使用微波进行食品干燥,容易产生由于过热引起的烧伤现象和食品边缘焦化、结壳和硬化等现象;上述现象多半是由于温度过高和干燥过快引起的。采用真空可以降低水的蒸发温度,使物料在较低的温度下快速蒸发,同时还可避免氧化,因而改善了干燥品质。在医药、食品和化工领域有很多热敏性物料需要低温快速干燥,因此,将微波技术与真空技术相结合就成为一项极具发展前景和实用价值的新技术。从国内外有关微波干燥的研究现状来看,微波真空组合干燥也是目前发展较快的一种组合干燥技术。3.2.1.脉冲间歇式微波真空干燥微波干燥虽有许多优点,但经常会发生局部过热、表面硬化、颜色不正和加热不均匀等现象;此外,能量效率不高也是一个缺点。产生这些现象的原因之一就是热质传递控制不当,解决的方法之一是采用脉冲方式输入微波能,即短时间的微波加热和较长时间的间断。试验证明:当物料干燥到临界水分以后,连续施加微波能并不能加速水分的蒸发;采用间歇干燥的方法,不仅可以节省能量、提高干燥效率,还可以改善干后物料的品质。脉冲间歇式微波真空干燥技术是Edh0lm于1933年提出的。采用这种技术的特点是使物料中的水分和温度在间歇阶段能够均衡再分配,减少水分梯度,这将有利于提高下阶段的干燥速率。试验还表明,脉冲微波干燥时,微波接通时间越长、断开时间越短,物料温度越高。因此,通过调节脉冲比或真空度可以改变物料的温度。3.2.2.变功率微波真空干燥加拿大食品工程研究所Christene H.等进行了萝卜片的变功率微波真空干燥,微波的频率为2450MHz,微波功率4kW可调,真空度为13.3kPa,萝卜片的终水分为10%,微波谐振腔为圆筒形,直径350mm,长度500mm,采用的干燥工艺为:干燥开始后的最初19min微波功率为3kW,中间4min为1kW,最后10min为0.5kW。试验过程研究了颜色、复水性、密度和胡萝卜素、维生素含量等质量指标。结果表明:如果综合考虑,微波真空干燥的性能甚至优于真空冷冻干燥。美国加利福尼亚大学研制的微波真空干燥设备谐振腔是一个长12.2m的不锈钢圆筒,中间有输送带,沿长度方向分为三个干燥区,第一干燥区的微波功率较大,真空度为1.33~3.99kPa,第二、第三干燥区的微波功率递减。说明变功率微波真空干燥是一个研究方向。3.2.3.微波热风和真空组合干燥技术Maskan利用微波和热风组合方式干燥猕猴桃,发现干后猕猴桃的收缩率(76%)小于单纯的微波干燥(85%),而且颜色也有很大改善。Szab0利用热风+微波+热风的组合方式进行蘑菇的干燥试验,发现能改善干后蘑菇的品质。大连水产大学的研究表明,热风干燥扇贝具有较小的收缩率Durance利用微波真空与热风组合干燥西红柿,发现西红柿的复水率有所改善。由此可见,微波真空干燥与热风干燥具有一定的互补性。近些年,在高含水率和热敏性物料的干燥中,微波真空和热风的组合干燥也逐步得到了应用。4.几个值得探讨的问题4.1.关于物料的尺寸和形状微波干燥的物料种类繁多,成分和状态也各不相同,按形状分有液状、糊状、浆状、粒状、片状、粉状;按类型分有蔬菜、水果、谷物、药品、水产品和农副产品;就尺寸而言可以小到菜籽,大到人参、蘑菇。微波干燥的研究表明,物料的大小、形状、数量、水分和在微波炉谐振腔中的位置对干燥效果均有一定影响。Dr0uzas用微波进行干燥果胶试验时,用五个料盘放在炉内五个不同的位置,发现干燥速率有明显区别。因此微波干燥应根据物料的特性(介电特性热物理特性、含水率和形状、大小)选择干燥工艺和参数,其原则如下:①微波功率应与干燥的物料量相匹配。②待干燥的物料其大小和含水率应尽可能均匀一致。③考虑微波的穿透深度,大块物料最好先处理成小的粒状或片状。④粉状物料如果堆积在一起时应看成是一个整体。⑤小粒物料所用的微波功率(w/g)可以适当减小。⑥对于热敏性物料可以适当加大真空度或减小微波功率。4.2.关于真空度从蒸汽特性表可知,真空度越高,水的沸点温度越低,水分越容易蒸发。但是在微波真空干燥时,并不是真空度越高越好,真空度增高,能耗加大,干燥成本加,而且会产生击穿放电现象。当微波频率为2450MHz时,真空度2~7kPa已经足够了,其相应的水分汽化温度是20℃和40℃。对于热敏性物料,要求物料的温度低,所以真空度就要高一些。法国Pere教授进行了不同真空条件下的微波真空干燥试验,试验表明,在相同的条件下真空度从1kPa增加到7kPa时,各单位采用的真空度数值有很大的差别,说明对于微波真空干燥中真空度的合理选择尚需进一步研究探讨。5.注意事项采用微波真空干燥时,有一些问题需要注意:①微波能被金属反射,干燥物料和测试传感器中不可混入金属。②待干燥物料的大小和形状应基本接近。③微波干燥设备不可空载运行。④微波可以穿透玻璃和聚合物而不损失能量。⑤微波炉内的物料应分散布置而不要堆积。⑥干燥过程中物料最好能够运动。参考文献:徐艳阳,张憨,等.热风和微波真空联合干燥甘蓝试验.无锡轻工大学学报,2003(6).张国琛,毛志怀,等.微波真空干燥扇贝柱的物理特性研究.农工学报,2004(6).汤大卫,张天使,等微波真空干燥技术的运用与前景.医药工程设计,2000,(5). <BR