微波真空冷冻干燥中试设备的设计

程必须 由独 立 的冷冻 设备来 完 成 。微 波 冻 干中试 设备
的 系统配 置如 图 ｌ 示 。 所
图 １ 微 波 冻 干 设 备 系统 配置 示 意 图
２ 各 系统 功 率 配 置
根据 常规冷 冻干 燥果 蔬 的实 际生产 情 况 ，一般 鲜
面 ．输人 到干燥 仓 的微波 电磁 能也 不 能完 全被 物料 吸 收 ．物料 对微 波能 的 吸收效 率 通常 为 ５ ％～ ０ ￣ ０ ８ ％ｔ 。所
率 等 参数 ．以便 于研 究微 波冻 干过 程 中 的低压 放 电特
性 、干燥工 艺参 数 。
３ １干 燥过 程 中可 实现 物 料温 度 的 多点 实 时监 测 、
冷冻 干燥 现 有 的 技术 问 题 和工 艺放 大 试 验研 究 需 求 。
设 计 了一种 微波 真空 冷冻 干燥 中试设 备 ．可 为规模 化
—
冰最大 升华 速率 ，ｋ ／； ｇｌ ｝
水蒸 气 凝华 的相变 潜热 ，Ｉ ２ ５ ｋ／ｇ ， ８０ Ｊ ； ＝ ｋ
干燥 过程 中 ．假定 冰升华 所 需补 充 的热量 均 由微
波 加 热 提 供 ．则 冰 升华 相 变潜 热 与 微 波 供 热 存 在 平
衡 。微波 发 生器是 产生微 波 能 的装置 ，是 微 波加 热 系 统 的核 心 部 件 ，通 常 由微 波 电 源 、磁 控 管 两 部 分 构 成 。微波 电源 的作 用是 把 常用 的交流 电 能变成 直 流 电 能 。磁 控管 的作用 是将 直流 电能 转变 成微 波 能 微 波 发 生器 不能 将所 有的 电能转 化成 微 波能 ．有 一部 分 能
闭 ，功 率 连 续 可 调 （～ ０ ％） ０ １０ ，冻 干 过 程 中 可 对微 波 系 统进 行 精 细化 调 节 。本 设 备 在 测 控 方 面 ，具 备 光 纤 实 时 测 温 、实
时称 重 、视 频 监 视 、能耗 跟 踪 等 功 能 ，非 常 便 于 微 波 冻 干 干燥 特 性 研 究 、干燥 工 艺 优 化 等 研 究 关键 词 ：微 波 冷 冻干 燥 ； 中试 设备 ：设 计 中 图分 类 号 ：￥ ２ ． ２６ ６ 文 献 标 识码 ：Ａ ｄ ｉ１ ． ６ ／ｉ ｎ１０ — ２ ５２ １ ． ． ０ ｏ： ０３ ９ ．ｓ． ６ ７ ０ ． ２ ４０ ９ ｊｓ ０ ０ ０ ０
钟 挺 ，胡 志超 ，王 海 鸥 ，彭 宝 良 ．吴峰
（ 农业 部南 京农业 机械 化研究 所 ，南京 市 ，２ ０ １ １ １０ ４
摘 要 ：本 论 文 以实 现 工业 化 生 产 为 目标 ，充 分 考 虑 中 试试 验 要 求 ，研 制 出 一种 微 波 冻 干 中试 试 验 设 备 的 系统 构 成 、功 率 配 置 、 主机 总 体 结构 和关 键 部 件设 计 。各 系 统 功 率 配 置 为 ：微 波 系 统 １ｋ ３Ｗ
王 海 鸥 ，男 ，１７ ９ ８年 生 ，安 徽 桐城 人 ，农 业 部南 京 农 业 机 械 化 研究 所 副 研 究 员 ；研 究方 向为 农 产 品 加 工工 程 。 彭 宝 良 ．男 ， １７ ９ ４年 生 ，江 苏 丹 阳人 ，农 业 部 南 京农 业 机 械 化 研究 所 副 研 究 员 ；研 究方 向为 农 业 机 械 设计 。
收 稿 日期 ：２ １ ０ ２年 ３月 ３ 日 ０ 基 金 项 目 ：国 家 “ ６ ” 计划 项 目 ｆ０ ７ Ａ１ ０ ０ ） ８３ ２ ０ Ａ ０ ０ ４
１
．
２
５ 常况故进报和理 主情和障行警处。 翼
与 常 规 冻 干 设 备 一 样 ，本 中试 设 备 主 要 由 冻 干
以在 选定微 波 功率 时 ．要 充分 考虑 到上 述 两个 能量 转
换 效率 ．并 以此为 基础 增加微 波 功率 容量 ．具 体计 算
方 法为 ：
＝ — Ｌ ’
． 。７。 ２ ， ，ｌ 叼 ｄ
物 料铺 料 量按 照 ｌｋ／２ 计算 ．脱水 率 为 ９％ ．冻 Ｏｇ 来 ｍ ０
ｄ — 一
燥 过程 中最 大升华 速率 按平均 升 华速 率 的 ２倍 计算 为
７２ ｇ 。根 据 能量守 恒定 律 ，微 波功 率 、制冷 功 率 的 ．ｋ ／ ｈ
配 置要 能满 足干燥 过程 中冰 最大 升华 速率 所需 的能量
电热 当量 ， ａ３ ０ ｋ／Ｗ ； ｊ ６ ０Ｊ ＝ ｋ 物料 对微 波能 的吸 收效率 ，取 ０７ ．。
行 。 同样 ，制 冷压 缩机 功率 配置 也要 与最 大升 华 速率 相 匹配 ， 具体 计算方 法 为ｆ： ６ ］
．
（ ） １
Ｊ ｅ
式 中 ： —— 制冷压 缩机 功率 ，ｋ ； Ｗ
— —
量 以热 量 的形式 消耗 在磁控 管上 ．而且 磁控 管 的输 出 功 率在 波导 中馈送 传输 也有 一部 分损 失 ．通 常微 波加 热 系统 中电能 转 化 微波 能 的 效率 约 为 ０６ 另 外 一 方 ．
ｒ ｚ－ ｒｉ Ｊ Ｃ ｉｅｅ ｇ ｃｌ ａ Ｍｅｈ ｎｚ ｉ ， ０ ２ （ ０ ￣ ０ ｆ ｅｅ ｄｙ ｇ［． ｈｎ ｓ Ａ ｒ ｕｔｒ ｃａｉ ｔ ｎ ２ １，４： ０ ０ ｅ ｎ ］ ｉ ｕｌ ａｏ ）
０ 引 言
微波 真空 冷冻 干燥是 以微 波替 代传 统加 热 隔板 作 为热 源 的新 型冻干技 术 ．与常 规冻 干技 术相 比 ．在 提
干耗 时 约为 １ ｈ ６ 。而对 于本 微 波 冻 干设 备 ．最 大装 料 面积 为 ４ ．鲜 物料装 料 量最 高 可达 ４ ｋ ．一 次脱 水 ｍ２ ０ｇ
量 为 ３ ｋ ．冻 于 耗 时 比常 规 冻 干节 省 ｌ２ ｌ ．为 了 ６ｇ ／～ ／ ３
（１ １
。。
使 各个 系统 的功率 配置 留有 一定 富余 量 ．以便 使 得设
钟挺 ， 志超 ， 海 鸥 ， 宝 良， 峰． 波 真 空 冷 冻 干燥 中试 设 备 的设 计 ｆ． 胡 王 彭 吴 微 Ｊ 中国 农 机化 ， ０ ２ （ ： ０ ０ １ ２ １，４ ０ ０ ）
Ｚ ＨＯ ＮＧ ｉ ｇ ＨＵ Ｚ ｉ ｃ ａ ， ＡＮＧ ｉ Ｏ ， ＥＮＧ Ｂ ｏ ｌ ｎ ， Ｕ Ｆ ｎ ． ｓｇ ｎ ｐ ｌｔｔ ｓ ｅ ｕ ｐ ｎ ｆｍｉｒ ｗａ ｅ ｖ ｃ ｕ Ｔｎ ， ｈ— ｈ ｏ Ｗ Ｈａ — Ｕ Ｐ ａ － ｉ ｇ Ｗ ｅ ｇ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｅ ｔ ｑ ｉ ｍｅ ｔｏ ｃ ｏ ｖ ａ ｕ ｍ ａ ｏ
箱 、加 热系 统 、制 冷 系统 、真 空系统 和 控制 系统 等 部
钟 挺 ，男 ， １５ ９ ５年 生 ， 四川 自贡人 ，农 业 部 南京 农 业 机 械 化 研 究所 副研 究 员 ；研 究 方 向 为农 业 装 备 工 程 。
胡 志超 （ 讯 作 者） 通 ，男 ，１６ ９ ３年 生 ，陕西蓝 田人 ，农业 部南京 农业 机械化 研究 所研究 员 ；研究方 向为 农产 品收获 与加 工工程 技术 装 备 。
高 干燥速 率 、缩短 干燥 时间 、降低 能耗 等 方面具 有 较 大 优势［ 目前 国内外 有关 微波 冷冻 干燥 特性 和工艺 研 １ ］ 。 究 的报道 虽有 不少 ．但 大多是 在微 小 型试 验设 备上 完
成． 批次处 理量很小 。 不能完全 反映工业 化生 产实 际１１ ￣。 － ４ 由于缺 乏可进 行工 艺放 大 的微 波冷 冻 干燥试 验 平 台和 条 件 ．人们 对工业 化生 产规模 下 的微 波冷 冻干燥 技 术 特 性还 知之 甚少 ．国内外可供 借 鉴 的微 波 冻干 设备 产 品和 开发和 实 际生产应 用经 验还 很少 ．一 定程 度 上延 缓 了该 技术 实 用化 和工 业化 应用 进程 。本 文针对 微波
叼— — 电能 转化微 波 能的效 率 ，取 ０６ ．； 叩 广
供应。
２１ 微 波 最 大 功 率 ．
根据 前述 分析 ，Ｊ 取 ７ ｇｌ ｓ ｋ ／ ，计算 得 微波 系统 总 ｌ
功 率为 １ｋ ３ Ｗ ２２ 制冷 系统 功率 ．
微 波功率 的配 置要 与冻 干过程 中冰最 大 升华 速率 相 匹配 ，微 波功率 过小 ，会 因供 热不 足 而导致 干燥 速 率 下降 ，而微 波功 率 富余 过 多 ，在设备 制 造成 本 上造
２ １ ２２期 ０ ２年 第 总第 ４ ４期
中 国农机 化
Ｃ ｉｅ ｅ Ａｇｉｕ ｔｒ ｌ ｃ ａ ｉａｉｎ ｈ ｎ ｓ ｒ ｌ ａ ｃ ｕ Ｍｅ ｈ ｎｚ ｔ ｏ
Ｎｏ．，２ ２ ４ ０１ Ｔ 设 备 的设计 木
备 能够适 应 多种物 料干燥 试验 ．所 以微 波 冻 干时 间按 ｌｈ计 算 ．则干 燥 过程 中平 均升 华速 率 为 ３ ｋ／ ．干 Ｏ ． ｇｈ ６
式 中 ： —— 微 波系统 总功 率 ，ｋ ； Ｗ ５ — — 冰最 大升华 速率 ，ｋ ；
厶 —— 冰升华 相变 潜热 ，ｈ ２ ３ ｋ／ｇ ＝ ８０Ｊ ； ｋ
干燥 中试 或小规 模生 产用 冻干 设备 要求 ．综合 确 定本
微波 冻干 中试设 备 的设计 要求 如下 ：
１ ）空 载极 限 压力 ５ １ Ｐ ，最 大铺 料 面 积 为 ４ ２ ～５ａ ｍ，
冷 阱批次最 大捕 水量 为 ４ ｋ 。 ０ ｇ
２ １可 以根 据 需 要 调 节微 波 的 开启 方 式 和 加 载 功
物料 干燥 失重 的实 时监测 ．便 于摸 索冻 干工 艺 曲线 。
４ １系 统各 个 部 分 的能耗 可 以分 别 监 测 ，以便 于
生产 中的微波冷冻 干燥特性 及工艺研究 提供试 验平 台。
冻 干过程 中的能耗 分析 。
１ 设 备 设 计 要 求与 系统 构 成
１１ 设 计 要求 。 微 波冷 冻 干燥工 业化 生产 过程 中 ，需重 点研 究 和
、 。
重 点 介 绍 了 设 备
制 冷 系 统 ８ ５ Ｗ 、真 空 ． ｋ ３
．
系统 ４５ Ｗ 。设 备 干燥 仓 与捕 水 仓 呈 上下 连 体 配 置 ，中 间通 过 屏 蔽 过 流 板 相 隔 ，可 以允 许 水 蒸 气 自 由透 过 ． ｋ
同 时 也 能 防
止微 波 进 入 捕 水 仓 。微 波 系 统 采 用 小功 率 多 口馈 人 方式 ，微 波 馈 人 Ｅ沿 干燥 仓 周 向交 错 排 列 每 只微 波磁 控 管 可独 立启 ｌ
吴 峰 ．男 。 １ ７ ９ ９年 生 ，河 北 南 皮 人 ，农 业 部 南 京农 业 机 械 化 研 究 所 助理 研 究 员 ；研 究方 向 为农 业 机 械设 计 。
第 ４期
钟挺 等： 微波 真空 冷冻 干燥 中试设 备 的设计
分 组成 ，由于采 用微 波加热 方式 ，冻 干仓 中无法 安 置 搁板 ．所 以不 能采用 冻 干合 一 型冻 干仓 ，物 料 冻结 过
成 不必要 的 浪费
本冻 干设 备制 冷 系统 的功率 主要包 括 制冷 压缩 机 功率 和循 环冷 却水 泵功 率两部 分 。其 中压 缩机 的 制冷 量 主要 用来捕 集从 冻 干箱 中升华 出来 的水 蒸气 ．将 其 凝 结成 冰 ，使 升华 出 的水蒸气 形 成从 冻干 箱 到水 汽凝 结 器 的压 差 推 动 力 。从 而 使 得 冷 冻 干 燥 得 以正 常 进
解 决 的技 术 问题 包 括 低 压 放 电 防控 、干燥 均 匀 性 调
控 、工 艺过 程 控 制 、物 料 温度 与 重 量 的监 测 等 方 面 。 本 中试 设备 不仅 要具 有可 为大 批量 生产 前 进行 工 艺放 大研究 的功 能 ．而且要 保 留小 型实 验机 所具 备 的 干燥 特性研 究 、干燥 工艺 优化 等研 究功 能 。结 合常 规冷 冻