浅谈微波热风组合干燥设备的设计和应用

浅谈微波热风组合干燥设备的设计和应用

邢国栋山东天力干燥股份有限公司山东省 250103

摘要：加强对微波热风组合干燥设备的设计和应用的研究，有利于进一步提升微波热风组合干燥设备的性能。本文笔者对微波热风组合干燥设备的设计和应用进行了探讨，希望对相关从业人员具有借鉴意义。

关键词：微波热风组合干燥设备，设计，应用

前言：国际上一致认为，微波能属于一种较为昂贵的能源，其使用应当与物料特点和具体加工工艺要求相结合。在诸如中药材干燥、农产品干燥等领域，微波干燥难以达到令人满意的效果。一方面该类产品的形状、厚薄、大小均匀难以保持一致；另一方面该类产品的自身附加值不高，难以承受高能耗。另外，该类物料的温度不能超过100 ℃，否则就会导致物料失活或变质。

1 微波干燥存在的问题

微波加热效果与物料的介电特性、形状、分布、大小等因素相关，具有选择性加热的特点。当干燥对象的形状、大小、厚薄、密度不一致时，微波因选择性加热而使物料温度不均匀，优先吸收微波能的物料先于其他物料干燥，甚至出现部分物料已过温而其他物料未干燥的情况。微波加热与物料分布、形状有关，一般情况下，料层内部温度会高于外部。工业生产中，温差有时会使物料变质，导致物料品质不一致。例如，用微波隧道设备干燥颗粒状产品，有时料层表面温度显示为60～80 ℃，料层内部温度会达到80～110 ℃甚至更高。内层物料的热敏性成分会受到影响，物理状态及外观也会不同于表层物料，且料层越厚，温度梯度就越大。微波加热能耗偏高，影响其在工业化大批量加工中的应用。微波蒸发掉1 kg水，理论耗电约1.2 kW·h，加上物料温升的能耗、过程热能散失和机械部件消耗，综合耗电一般会超过1.8 kW·h。在工业化生产中，1台水蒸发量20 kg/h的微波隧道设备耗电36 kW·h；1台水蒸发量160 kg/h的微波隧道设备耗电接近300 kW·h。这样的电耗对于附加值稍低的产品难以承受。

2 微波与热风组合干燥设备的开发研究

在干燥过程中，物料表面蒸发的水分如果没有空气流将其带走，就会聚集在物料表面形成一层水蒸气薄膜层，称为蒸发界面。随着水汽持续蒸发，薄膜层逐渐增厚，当F（薄膜层厚）=（f蒸发界面）时，停止蒸发。为了使水分保持快速蒸发，必须采用强制通风，破坏该蒸发界面。空气温度升高，水蒸气分压下降，相对湿度下降，就能够携带更多的水汽。例如，15 ℃时的湿度RH=65%，40 ℃时的湿度RH=15%。从2003年开始尝试将热风技术与

微波技术有机结合，称为微波热风结合干燥（MDC），经过多年的开发实践，积累了一定的经验。

2.1 第一代微波与热风组合干燥设备

第一代机型（2003年）采用微波与平流热风相结合。该机型平流热风的风道设计比较简单，机械结构也比较简单。经过实践发现，平流热风效果并不理想。干燥能耗的80%以上来自于微波，未取得预期大幅度降低电耗的效果。

2.2 第二代微波与热风组合干燥设备

第二代机型（2005年）采用微波与穿流热风相结合。微波能自上向下馈送，热风自上向下穿过物料层及网状传送带。这一机型在使用中基本达到了预期的干燥效果，但也发现如下问题：（1）热风一次性排放，热能未充分利用。（2）热风风道布置及分风结构比较复杂，与微波部件在机械结构上存在冲突。设备设计偏离了简洁和美观的原则，因此这一结构仍不够完善。

2.3 第三代微波与热风组合干燥设备

在开发过程中，采用将物料同时置于微波能和热风下的合理结构，使两者能最大程度地发挥作用、互不冲突，并且寻求两者的最佳热能配比。微波传输时具有在曲折空间内绕行传输的特点，利用这一特点将微波系统与热风系统有机结合，进行整合和协同，设计出三代机型，简称第三代为MDC-R。热风干燥时，穿流风的干燥效率要比平流风提高至少2倍，而均匀分风和风量控制就成为关键，其中传送带横向方向的分风更为重要。在风道设计上，采用了热风循环配合部分新风补充、部分排潮，这样既能充分利用热能，又能保持充足的风量。通过实际应用和改进，对风温和热能配比进行了探索。通过试验发现，在微波作用存在时，热风温度设为60～70 ℃即可，既能减少热风的能量消耗，又能降低物料过热的概率。在同等风温的干燥条件下，为达到30 kg/h的水蒸发量，选择不同的微波功率，使其热能贡献份额分别在50%、35%、20%、15%、5%条件下进行试验。结果表明，当微波贡献在50%时，药材仍旧出现了部分完全干燥而少量部分未干的现象；微波贡献在35%～5%时，若物料原始含水在30%以内，微波贡献份额可以控制在20%左右；若物料原始含水在35%～30%时，微波贡献份额可以控制在15%或更低一些，这样即可得到较好的干燥效果。由于干燥时热风的贡献较高，这样MDC-R可以称为带有微波的热风组合干燥设备。

3 微波+热风组合干燥的优点

经实践证实，微波+热风组合干燥具有干燥效果好、能耗低的特点：

（1）可以适应不同的干燥对象，对形状、大小、厚薄不同的物料均可实现干燥。

（2）可以降低干燥温度，保持物料产品的均一稳定品质。

（3）可以降低电耗，用较为经济的热风替代高达80%的微波能。相比单纯的微波设备，整体能耗降低了50%～70%；相比单纯的热风设备，整体能耗降低10%～30%，大幅度提升产能。实践证明，处理量越大，能耗节省就越明显。以农产品干燥为例，MDC-R更适合处理物料量在200～1 000 kg/h或水蒸发量在50～300 kg/h的生产规模。

（4）干燥周期缩短。对于同种产品，在热风干燥情况下，干燥周期需要50～80 min，使用MDC-R的时间缩短50%。物料干燥周期缩短，也有利于品质提升。

4 结语

MDC-R设备的干燥机理是微波加大水分子活性，加速物料内部水分的迁移。热风增强表面传质，破坏蒸发界面，提供部分热能，赋予低湿环境。热风与微波相互补充、协同干燥，达到降低成本、提升产能、提高品质的作用。MDC-R设备有其优势应用领域，并非适用于任何地方。对于一些粉体或细小颗粒的物料，单纯微波仍是比较合理的选择（但需要改良现有设计）。对于体积较大或热敏性更高的物料，例如，形体较大且不宜破碎的中药材，减压干燥则是更佳选择。总之，一种干燥手段的选择是根据物料特性以及工艺要求进行综合评价后作出的。

［参考文献］

［1］高福成.微波食品［M］.中国轻工业出版社;1999

［2］李宗谦,佘京兆,高葆新.微波工程基础［M］.清华大学出版社;2004

［3］张忠杰,伊晓路,张莲,张连和.组合干燥工艺技术研究[J].化工设备与防腐蚀;2004年［4］曹崇文.微波真空干燥技术现状[J].干燥技术与设备;2004年

［5］金献珠,毛纪文.干燥认识与设备评价[J].黑龙江冶金;2009年

［6］税安泽,王书媚,刘平安,曾令可.微波辅助干燥技术的应用进展[J].陶瓷;2007年