（农业机械化工程专业论文）针—盘式高压电场下物料干燥的试验研究.pdf

山东农业大学硕士学位论文 摘要 干燥，是工业生产中的重要工艺之一，直接影响产品的性能、形态、 质量以及作业过程的能耗等。随着科学技术迅猛发展以及多学科领域的相 互交叉、渗透，干燥技术也不断创新。其中，利用高压电场对物料进行干 燥是人们关注的热点之一。但是高压电场作用下食品物料的干燥过程、针 一盘电场的有效作用面积、高压电场干燥的数学模型等还没有进行系统的 研究。因此，为了更好地开发这项技术，应当对有关电场作用下食品物料 的干燥机理、针一盘式高压电场的有效作用面积等进行深入研究。 以物理学、电磁学、食品物性学、化工原理、静电技术、测试技术、 应用回归分析等多学科的理论为基础，开展了两个方面的研究工作：一方 面是研究针一盘电极系统组成的高压电场在不同电极距离下的有效作用 范围；另一方面是研究高压电场干燥的数学模型。主要内容如下： 1 设计制作了高压电场干燥的试验装置。该装置主要由针一盘电极 和高压电源等组成。针状电极作为放电电极，长度6 9m m ，直径1 8m m ， 尖端圆角半径o 2m m ；盘电极作为接地电极，直径2 6 0m m ，厚度lr 衄， 铝制。为了满足试验需求，设计了电极距离调节机构，针状电极可以通过 调节支柱上下调节。 2 分析了针一盘电场的有效作用面积。利用该试验装置，在2 0 2 5 ，相对湿度为4 0 1 0 的室内条件下，对马铃薯试样进行了干燥 试验。试验中，马铃薯按一组同心圆位置均匀摆放在盘电极上。对比试验 和高压电场试样同时进行。试验结果显示：高压电场对马铃薯的干燥速率 比对比试样高，干燥后的马铃薯试样颜色和形状都比对照试验变化小。经 过干燥，分析马铃薯试样中的水分含量随时间的变化规律以及位于不同半 径马铃薯的干燥速度，分析了电极距离和试样位置对干燥过程的影响，确 定了上述试验条件下针一盘电场的有效作用范围。 3 建立了高压电场下马铃薯干燥的数学模型。针对高压电场干燥马 铃薯的试验结果，对已有的干燥数学模型进行比较和验证。采用数理统计 的方法对试验数据进行回归分析，最终确定以p a g e 模型作为试验模型， 针一盘式高压电场下物料干燥的试验研究 能够获得比较满意的拟合结果。 4 对高压电场干燥物料的机理进行了分析。通过对高压电场物理特 性的分析，探讨了高压电场对物料干燥过程的影响。结果验证了以下论点： 高压电场干燥的机理主要是由于离子风的冲击作用减小了物料边界层的 厚度、提高了传热传质速率，并且电晕电场引起了干燥物料中水分子的极 化，在极化力的作用下促进水分子向物料表面的运动。 高压电场干燥具有干燥速度快、干后质量高、能耗小、环境污染小等 优点。从机理探讨来看，高压电场干燥完全不同于传统干燥原理，是一种 全新的干燥技术。这些必然会使高压电场干燥技术在干燥领域，特别是在 食品物料的干燥中发挥重要作用。 关键词：高压电场，电水动力学，干燥，马铃薯，有效面积，数学模型 i i 山东农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t d r y i n gi so n e 廿1 em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e si ni n d u s t 彤w h i c h i i l f i u e n c e st l l ec h a r a c t e r ，f 0 衄a n dq u a i i t yo fp r o d l l c t sa n dt h ee n e r g y c o n s u m p t i o nd u r i n gt l l ep r o c e s s w i t hm ed e v e l o p m e mo ft e d h n 0 1 0 9 ya n dt 1 1 e i n t e r a c t i o nb e m e e ns u _ b j e c t 觚l dt e c m q u e ，d r y i n gt e c h n o l o g yc h a n g e sq 试c “y 0 n eo f t h em o s tp o p u l a rr e s e a r c ha r e a si su s 血g1 1 i 曲e l e c 订o s t a t i cf i e l db e c a u s e t h ee l e c t r o s t a t i cf i e l dc a np r o m o t cm ee v a p o r a t i n ga 1 1 dd r y i n gp r o c e d u r e b u t m e r ea r es o m eo m e re l e c t r d m a g n e t i ct e c 王l n o l o 百e sh a v en o tg o ts y s t e m i c r e s e a r c hs u c ha s血e d r y i n gp m c e d u r e ， t h ee 丘e c t i v er a d i u so f n e e d l e _ p l a t e e l e c t r o d ef i e l d ，a 1 1 dt h em o d e lo fe h d ( e l e c t m h y d m d y n a m i c ) d r y i n g f o rt 1 1 eb e t t e ra p p l i c a t i o no ft 1 1 e s et e c h n o l o g i e s ，t h ef u m l e rr e s e a r c h s h o u l df o c u so nt h em e c h a l l i s mo fe h dd r y i n ga 1 1 dt h ee 饪色c t i v er a d i u so f n e e d l e p l a t e e l e c t r o d ef i e l d b a s e do n 也e o r i e so fp h y s i c s ，e l e c 仃o m a g n e t i c ，f o o dp h y s i c s ，c h e m j c a l e n g i n e e r i n g ，e i e c t r o s a t i c sa 1 1 dm e a s u r e m e n tt e c l l 工1 0 1 0 9 y ，t h e r ea r et w op a r t s a d d r e s s e di nt h et h e s i s ：o n ei st h er e s e a r c ho fe f 艳c t i v er a d i u s o f n e e d l e p l a t e e l e c t r o d ef i e l d t h eo 1 e ri st h er e s e a r c ho fe h dd r y i n gm o d e l t h em a i nr e s u l t sa r ea sb e i l o w s ： 1 as e to fe h dd r y i n gs e m pw a sd e v e l o p e d ，w h i c hi n c l u d e sa n e e d l e 巾l a t e e l e c 订o d es y s t e ma n dh i 曲e l e c t r i cf i e l d p o t a t os l a b sa r ed r i e d u s i n gt h es e t i 】p t h er e s u l t ss h o wm a tl l i 曲e l e c m cf i e i dc a np r o m o t em e d r y i n go fp o t a t os l i c e s t h ec o l o ra n ds h a p eo fn l ep o t a t os i i c e su n d e rh i g h e l e c t r i cf l e l da r ek e p tb e t t e rt h a nt h a tc o n t r o l l e d 2 t h ee f 琵c t i v em d i u so fn e e d l ee l e c t r o d ei nm e 王1 i g he l e c 在i cf i e l d e s t a b l i s h e d 谢t han e e d l ea 工l daa l u m i n 眦p l a t ei sa t l a l y z e d t h ep o t a t os l a b s w e r ea 玎肌g e di nm ed i 恐r e mc o n c e m r i cc i r c l e so nm ep l a t ee l e c 廿o d ee x c e p t t h es l a bl a i do nt h ec e n t e ro f t h ep l a t ee l e c t r o d e 3 t h em o d e lo fe h dd r y i n gw a sr e s e a r c h e d b a s e do n 廿l ed r y i n gm o d e l s i i i 针一盘式高压电场下物料干燥的试验研究 e s t a b l i s h e d b e f o r e ，t 1 1 ep r o c e d u r eo f e dd r y i n gi sd e s c 曲e db ym 如e m a t i c a l m o d e l t h er e s u l t ss h o wt l l a te h dd r y i n gc a nb es a t i s f a c t o r i i ys i m u l a t e db y p a g em o d e l 4 f o rm eb e 廿e ra p p l i c a t i o no ft 1 1 i st e c l l 士1 0 l o 鼢t h em e c h a n i s mo fe h d d r y i n gw a sa l s od i s c u s s e d t h ea c c e l e r a t i o no fe h dd r y i n gi sa n a l y z e db a s e d o nm ea n a l y s i so f 王l i 曲e l e c t r i c a lf i e l da n dm e c h a n i 锄o f d r y i n g e h dd i y i n gc a na c c e l e r a t et 1 1 ev e l o c 时o fd r y i n g ，a 1 1 du s e sv e 巧s m a l l e l e c t r i cp o w e rc o m p a r e dt om o s eo fc o n v e n t i o n a lt e c h 血q u e s e h dd r y i n gi sa n e w n e s st e c h i l i q u e ，w h j c ho 丘b r sap m m i s i n gs o l u t i o nt om ec u e n te n e 唱y d r o b l e ma n dd e s e r v e sa n o 血e rc l o s ee x 锄i n a t i o n k e y w o r d s ：h i g he l e c t c6 e l d ( h e f ) ：e l e c t r o h y d r o d y n a m i c ( e h d ) ：p o t a t o s l a b ；d r y i n g ：e 丘b c t i v er a d i u s ；m a 山e m a t i c a lm o d e l i v y9 0 5 9 7 9 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研 究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要 贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本 人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规 定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质 本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 浆王、臻 导师签名：辔荡锉氐 日 期：础。，； 山东农业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 干燥技术是一种古老的食品保藏方法之一，也是食品加工过程中最重 要的单元操作之一。通过对食品物料的干燥，不仅可以得到符合含水量要 求的产品，而且对食品的其他性质产生影响，如香味、颜色、质构、储藏 寿命、营养价值等。干燥脱水在食品加工中十分重要，是耗能较大的操作 单元。据资料介绍，在发达国家，热力脱水加工约占全国工业能耗的9 一1 5 。也有报道称，在欧洲和美国，干燥能耗约为每年1 6 1 0 1 1 m j ( 夏 彬，2 0 0 0 ) 。 目前主要是利用传统干燥的方法。在现代工农业部门中，通常采用的 干燥方法有自然干燥，利用蒸汽、热风、太阳能的热源或电流的热效应( 如 工频、高频、红外线、微波) 的干燥，真空冷冻干燥、声波场干燥等( 粱 运章，2 0 0 0 ) 。这些方法虽然有各自的优点，但是在实际应用中会带来一 系列的问题。烘箱干燥和传导干燥( 又称热空气干燥) 会导致大量的热量 损失，对干燥食品物料的内部组织、颜色、味道和营养价值等造成不利的 影响( l a i ，2 0 0 2 ) 。尽管冷冻干燥可以防止热量的损失并保持物料的组织 完好，但该技术的设备造价高，运行费用高，干燥时间长，不利于大规模 普及与使用。而且冷冻干燥会改变食品的风味。这就需要一种崭新的干燥 技术，既可以节省能源的损耗，又能较好的保持物料的颜色、风味等自然 特性( b 匈g a i ，2 0 0 1 ) 。 为了降低干燥过程中的能源消耗，人们在传统干燥理论和技术的基础 上，结合先进的加热方式，提出了许多先进的干燥技术和方法，开发设计 了许多新的干燥设备并在工业生产中得到了应用。这些方法的侧重点主要 放在降低传热传质边界层厚度、提高传热传质速率、增大干燥面积等方面 ( 潘永康，1 9 9 8 ；曹崇文，1 9 9 9 ；a s h i m ，2 0 0 0 ；m e r c a d o ，2 0 0 1 ) 。随着科 学技术的发展，食品加工技术也日新月异，一些新的干燥脱水的方法逐渐 为人们所瞩目。 针一盘式高压电场下物料干燥的试验研究 由于高压静电场对蒸馏水的蒸发和物料的干燥过程有促进作用( 李法 德，2 0 0 2 ) ，近年来受到了人们的关注。高压电场的作用表现在不仅可以 提高干燥速率、节省能源、而且对产品的质量没有不良影响。更为重要的 是，电晕放电可以在室温、常压下产生，因此高压电场干燥在常温( 低温) 时的应用尤其引人注目。从研究结果来看，目前的研究仍然处于数据积累 阶段，且集中于探讨电场对水分移动所产生的宏观表现上，如仅关注水分 蒸发速度的提高等( 孙剑锋，2 0 0 3 ) ，未能较好的揭示电场促进水分移动 和蒸发过程的内在机理，故未能在食品加工中很有效的利用电场的特殊性 质。由于高压电场干燥近几年才引起重视，人们对于电场促进干燥的作用 机理、有效作用范围、干燥模型等的研究还不够深入和系统，因此，限制 了它的推广与应用。由于高压电场在食品脱水干燥中的优点很多，所以对 高压电场促进食品物料干燥的机理有必要进一步的研究。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 高压电场介绍 电晕现象是一种很常见的物理现象，根据静电学知识，导体带电的时 候，电荷只能分布在导体的表面，而导体表面的电荷分布一面电荷密度d 与电荷所在处导体的曲率有关，曲率越大的地方，其电荷密度6 越大，曲 率越小的地方，其电荷密度6 也越小。导体表面的电场强度和该处的面电 荷密度是成正比的，可表示为： e ：旦 ( 1 1 ) 2 s o 式中e 一电场强度v m ，扣一面电荷密度，8 厂一真空介电常量，s d = 8 8 5 4 l o 1 2f n 1 - 1 如果导体是针状的，由于针尖的曲率很大，所以针尖附近的电荷密度 很大，远远大于其他部位，由式( 卜1 ) 可知针尖附近的电场强度很大， 当针电极的电压升高到一定的程度，而电荷积累到一定的程度，针尖附近 的极电场就能使周围的空气发生电离，从而产生放电现象，即有能量释放 山东农业大学硕士学位论文 出来。能量释放时辐射出淡紫色的辉光，这个现象在物理学上被称为电晕 现象( 孙目珍，2 0 0 3 ) 。电晕出现时，表明此时如果再增加电压，气体电 介质将被击穿。本文所指高压电场均指气体电介质未被击穿时的电场。经 过试验可知，击穿所需电压除了和电极形状有关以外，还和针尖的形状有 关。前面所说的针尖附近的电场强度最大，由于电子的迁移率比离子的迁 移率大，所以电子很快跑向阳极，在针尖附近留下正离子。这些正离子形 成的空间电荷髓针尖的极性的不同而对放电产生的影响不同。针尖一平板 电场的电场分布是一种典型的不均匀电场。当针尖为正极时，正电荷削弱 了针尖附近的电场，加强了正电荷到极板之间的弱电场，这种情况相当于 高电压区从针尖移向板电极，像是正电极向负电极延伸了一段距离；而当 针尖为负时，正电荷包围了针电极，加强了针尖附近的电场，而削弱了正 空间电荷到极板之间的弱电场，使得板电极附近原来就较弱的电场更加弱 了。像是增加了针尖的曲率半径，电极之间的距离缩短了一些，但是电场 却均匀了，因此负针一板电极的击穿电压要高于正针一板电极的击穿电 压。 从目前对不同电极形成的 电场的研究来看，研究者们对 针电极和板电极形成的电场研 究较多，如图卜l 所示，图中 由针电极和板电极两个电极组 成高压电场，其中针状电极接 负高电压，板电极接地。由于 针电极所接电压很高( 5k v 5 0k v ) ，而两个电极之间的距 离( 针尖与板电极之间的距离) 不是很大，所以形成电场的电 场强度很高。在如此高的电场 强度下，由于对空气以及其他 粒子电离的作用，在电场中会 有游离的电子或离子，带电粒 图1 1 针一盘电极系统放电原理示意闰 1 一针状电极2 一负离子3 一电力线4 一接地电极 1 1t h es k e t c ho f d i s c h a r g ep r i n c 枇w i 血h e f o f n e e d l e - p l a l e - e l e c t r o d e 针一盘式高压电场下物料干燥的试验研究 粒子在电场的作用下受到库仑力的作用，会产生加速度，得到一定的速度， 获得一定的能量，以至他们和空气分子碰撞时能使后者离解成电子和离 子。这些新的电子和离子又与其它空气分子相碰撞，又能产生新的带电粒 子。这样，就会产生大量的带电粒子。这些带电粒子在一起定向运动形成 具有一定速度的离子风。 根据李里特的著作( 1 9 9 8 ) ，电晕放电区内产生的离子，按照与电场 强度成正比的速度在电场内移动，具体可以用式( 卜2 ) 表示： “= 加( 卜2 ) 式中，圹一带电粒子在电场中的漂移速度，m s ；厂离子淌度( i 0 1 l i c m o b i l 时，即在1 0 0v m 的电场强度中离子的漂移速度) ；e 一电场强度 n c 。 电场中正、负离子淌度并不相同，负离子淌度为1 8 7 1 0 。2m s ) ， 正离子淌度为l _ 3 5 1 0 2m 2 ( v s ) 。也就是说在相同的电场条件下，负离子 的漂移速度总是高于正离子的漂移速度。 根据j ac m s s 的发现( 1 9 7 9 ) ，电晕放电区内离子风的速度和电场强 度之间的关系可以用下式表示： 厂1 、i ，2 v ：i 鱼i e ( 卜3 ) lp 式中：，r 一离子风速度，m s 一；印= 8 8 5 4 1 0 。1 2f m ；厂空气的密度， k g m 一；e 一电场强度，v 皿。 由式( 1 3 ) 可以看出：离子风的速度与施加电场强度成正比。由物 理学知识可知，电极之间的距离越大，电场强度是降低的。因此，在施加 电压保持不变的条件下，离子风的速度随电极之问的距离成反比。 根据j a c r o s s ( 1 9 7 9 ) 和徐学基( 1 9 9 6 ) 的研究，在空气中的电晕放 电会产生速度为每秒几米的离子风。 1 2 2 高压电场对物料干燥的影响 目前，高压静电场作用下的干燥过程一般被称为电流体力学干燥 山东农业大学硕士学位论文 ( e l e c h y d r o d y n a m i cd r y i n go re h dd r y i n g ) ，尽管这方面的研究不多， 在一般有关干燥方面的文献资料中也没有对它论述，但目前正在引起人们 的重视，许多研究人员正在对此进行研究。 最早将电场用于促进水分蒸发的是日本学者浅川( a s a k a w a ) ， a s a k a w a ( 1 9 7 6 ) 将电场用于蒸馏水的蒸发，发现电场下水分的蒸发速 度有显著的加快，热传导的速率在气体物料中提高1 5 倍，在液体物料中 提高2 倍，在固体物料中提高1 6 倍，这一现象被称为浅川效应( a s a k a w a s e 艉c t ) 。为了对脱水物料进一步干燥，很多专家学者注意到浅川效应 ( a s a k a w a se 仃e c t ) 具有潜在的应用前景。b a n l l a k u r ( 1 9 9 0 ) 利用针电极( 作 为上极板) 和板电极( 作为下极板，接地) 形成电场，其中电极之间的距 离为3 0i n m ，所加电压为5 2 5 0v ( 最大电流3 0 0u a ) ，在此种电场下进行 了不同浓度( 5 、1 0 、1 5 、2 0 ) n a c l 溶液( 每种试样2 5m l ) 的蒸发试验( 室温2 5 ，湿度4 2 ) ，发现电场下各种浓度c l 溶液的 蒸发速度是对照溶液蒸发速度的3 5 3 9 倍，食盐结晶在施加电场的试样 中更容易形成，并且认为离子风是加速蒸发速度和结晶速度的主要因素， 同时也发现电场下试样温度比对比低5 。c a r l o na n dl a 血a m ( 1 9 9 2 ) 利 用两个直径为6c m 相距2c m 的铜盘水平放置做电极，其中一个接地，另 一个接交流电，所加电压为o 一1 4k v ，在此电场下进行了湿滤纸的干燥试 验( 室温2 5 ，湿度5 0 ) ，发现干燥速率随着电场强度的增大而增大( o v 时除外) ，而且干燥时间缩短了大约6 倍。h a s l l i m g a ，p r a s a 和 s h i n t a n i ( 1 9 9 5 1 利用线电极( 上电极) 和矩形板电极( 下电极) 形成电场， 在此种电场下( 环境条件2 5 ，湿度3 5 ) 对苹果片( 函2 0m m 1 0m m ) 进行了干燥试验，试验结果表明在两电极间距离保持不变( 2 2m m ) 的前 提下，随着施加电压的提高，干燥速率也提高。y a g o o b i ，g e p p e na i l d g 印p e n ( 1 9 9 6 ) 从理论和试验两方面初步分析了电场促进热传递的原因， 并且认为电场的能耗只占热传递的o 1 。董守绂、梁运章( 1 9 9 6 ) 利用 针电极( 上电极，接负极) 和金属网( 下电极，接地) 形成电场，在此种 电场下对自来水、含水土块、尖辣椒和菠菜进行了干燥试验，结果表明处 理组干燥速率快于对比组，并且推测主要原因是物料中水分子在电场作用 下从物料内部输送到物料表面，又在电场的作用下脱离物料而扩散到空 针一盘式高压电场下物料干燥的试验研究 间，但是没有试验验证。y a n 岛t i q i a l l g ，l i a l l g ，y u n 吐a i l g ，d o n g ，s h o u m ( 19 9 7 ) 在高压电场作用下对青辣椒进行了干燥试验，也发现干燥速度会加快，并 认为这是由于青辣椒中的水分在电场作用下会沿着毛细管运动加快造成 的。i s o b e 和b a n h a l ( u r 等( 1 9 9 9 ) 研究了琼脂在针电极( 上极板) 和板 电极( 下电极) 形成的电场下( 环境温度2 5 ，湿度6 0 ) 的干燥特性， 发现1 琼脂的干燥曲线表现出很高的线性关系( r 2 = o 9 9 9 ) ，并且琼脂 在电场条件下的干燥速度是对照的4 倍，由于离子风的存在，琼脂表面的 温度是不均匀的。为了研究电场的非热汽化机理及其节能效果，l i l i t e 等 ( 1 9 9 9 ) 对蒸馏水进行了蒸发试验，结果证明：电场不仅能够促进蒸发， 而且蒸馏水的温度还低于对比的。x u e ，b a n h k u r ，a l l i 等( 1 9 9 9 ) 对2 0 的乳清蛋白溶液在高压电场作用下和不同温度的烘箱中进行了对比干 燥试验，并用电泳( e 1 e c t r o p h o r e s i s ) 、d s c ( d i f r e r c n t i a ls c a n i l i n 2c a l o r i m e t r v ) 和色差计测量了干燥后的有关参数。结果显示：在电场下干燥的乳清蛋白 质的性质和在环境条件下干燥后的乳清蛋白质的性质没有差别。 梁运章( 1 9 9 9 ) 在电晕电场下，进行了利用电晕电场对热敏性物料西洋 参、金霉素、胡萝h 片等进行了干燥试验，发现施加电场后，干燥时间可 缩短一半，且有效成分保存较好，色泽变化较小；但他们没有分析干燥过 程中电场消耗能量的大小。那日等( 1 9 9 9 ) 利用板电极形成的电场，在加 热和有排湿风扇强制对流的条件下对蔬菜、西洋参和金霉素进行了干燥试 验，试验结果表明静电场干燥比热力干燥的干燥速率提高1 倍左右，纯静 电干燥技术与热风技术复合后，在于燥效果上有叠加性，并且静电干燥可 以保持物料的有效成分，提高产品质量。梁运章等( 2 0 0 0 ) 用胡萝h 、马 铃薯等物料在电场下进行干燥试验，取得了一定结果，并初步分析了电场 干燥的机理，认为电场力是促进毛细管水的运动速度和物料表面水分的蒸 发的主要因素。l i t el i 、f a d el i 和e i z o ( 2 0 0 0 ) 利用针盘组成的单极电 场对蒸馏水和豆渣分布进行了干燥试验。在蒸馏水蒸发试验中，测量了电 场作用对不同温度蒸馏水蒸发速度的影响，并在电压保持不变的情况下， 通过改变针电极到蒸馏水液面的距离观察了蒸馏水的蒸发速度，结果发 现：盛放在烧杯中的蒸馏水随着电极间距离的增大其蒸发速度提高；施加 电压保持不变时存在一个最佳电极距离使得此距离下蒸馏水的蒸发速度 山东农业大学硕士学位论文 最大，并提出了针一板电极电场的有效作用面积问题，但没有展开进一步 的论述。在1 0 5 下进行了豆渣的干燥试验，结果发现在干燥的初始阶段， 施加电场后的干燥速度是对比的2 倍左右，节能率在8 5 - 9 0 之间， 并且缩短干燥时间2 5 左右，但电场作用下蒸发和干燥过程受试验条件 的影响较大。b a j g a j 和h a s h i n a g a ( 2 0 0 1 ) 等利用多针一盘电极系统在6 0 烘箱条件和2 5 室温下分别对菠菜进行干燥，试验结果表明：连续干燥7 小时后，分别除去了8 0 1 、7 9 8 、1 9 3 的水分；电场干燥后菠菜 中的叶绿素a 和叶绿素b 的含量比烘箱中干燥的高；通过h p l c 测定表明， 电场处理后没有有机酸和糖的形成。他们也用同样的条件对萝h 进行了干 燥，发现高压电场条件下萝h 的干燥质量较之传统干燥方法表现为：体积 收缩量小、复水能力强、干物质损失少，颜色好。李里特，李法德( 2 0 0 1 ) 等利用针电极( 上电极，接负极) 和板电极( 下电极，接地) 形成电场， 在不同的电极距离，不同电压等条件下( 环境温度为3 ) 进行了蒸馏水 的蒸发试验，试验结果表明：在试验条件下，施加电场后的蒸馏水的蒸发 速度是不施加电场的对比蒸馏水速度的1 4 倍左右，当针电极与蒸馏水液 面的距离保持不变时，蒸馏水的蒸发速度随着施加电压的升高而升高，但 不是线性关系；当施加电压保持不变时，存在一个最佳电极距离，使得距 离下蒸馏水的蒸发速度最大；施加电场后蒸馏水的蒸发效果是不施加电场 时的蒸发效果和电场单独作用下蒸发效果的线性叠加。l a i 等( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 分别利用针电极和线电极作为上电极，板电极作为下电极形成电场，在有 外界热风存在的条件下，研究了电场对稻草干燥速度的促进作用，结果发 现干燥速度主要受到电场强度和热风的速度影响，在无热风存在的情况 下，干燥速度和所加电压呈线性关系；在能量方面，正电晕电场的效果要 优于负电晕电场的效果；在低电压时，针电极的作用效果要优于线电极的 作用效果。对比了正极放电和负极放电的作用效果，发现负极放电比正极 放电更为有效。李法德( 2 0 0 2 ) 对高压电场干燥的机理进行了探讨，认为是 由于不均匀高压电场产生的离子风对液面和干燥物料表面产生的冲击作 用造成的。同时分析了高压电场干燥的节能效果及对干燥质量的影响，指 出电极数目及两电极之间的距离对干燥速率有影响。丁昌江等对高压电场 下玉米种子的干燥( 2 0 0 3 ) 、马铃薯的干燥( 2 0 0 4 ) 以及胡萝h 的干燥( 2 0 0 4 ) 针一盘式高压电场下物科干燥的试验研究 进行了试验研究，取得了一定的进展。邢茹等( 2 0 0 4 ) 对胡萝h 、马铃薯、 甘蓝、青椒等蔬菜进行了高压电场干燥，并与烘箱干燥进行了对比试验， 结果发现高压电场干燥后试样的温度没有升高，干燥后蔬菜中的营养成分 损失较少。 高压电场干燥技术还在木材干燥( 王妮妮，2 0 0 4 ) 、生物制品( 杨军， 2 0 0 4 ) 和中药材干燥( 丁昌江，2 0 0 5 ) 领域中应用并取得了定的进展。 1 2 3 高压电场干燥的数学模型 数学模型的发展与评价己对干燥过程产生重大影响。本世纪2 0 年代 开始对干燥过程进行数学模拟，它的基础是傅立叶的传导方程和费克的扩 散方程。现在广泛使用的模型是描述各种物质的温度、湿度和含水量的平 衡关系。 随着计算机应用的发展，在工业传热中采用数值分析和计算机模拟分 析温度和水分的变化，已取得较佳效果。邵明望( 1 9 9 4 ) 同时考虑传热和 传质因素，采用积分近似法，求得了降速干燥速率的计算公式，从中可以 很方便地讨论各因素对干燥过程的影响。杨卓如( 1 9 9 5 ) ，涂伟萍( 1 9 9 5 ) 以物料衡算和热量衡算为基础，作适当的简化，导出了所需参数较少但能 准确地预测冷冻干燥全过程时间的数学模型，并通过对胡萝h 和土豆的试 验研究，验证了模型的适用性和准确性。郑宗和( 1 9 9 7 ) 对冷冻干燥升华 过程数学模型传热传质机理进行了研究。胥芳等( 1 9 9 5 ) 应用有限差分法 求得热风干燥过程中各向同性农业物料内部各层( 点) 温度水分计算式， 再以苹果干燥试验测得其内部温度水分，通过计算机模拟结果的比较发现 有限差分法模拟干燥时温度水分是可行的。王俊等( 1 9 9 5 ) 研究了微波干 燥时物料内部温度水分的变化，采用有限差分数学方法，建立了干燥过程 中各向同性农业物料的温度水分的计算表达式，并以苹果伟实例，进行理 论计算与实测的比较，结果发现可以采用数学的方法模拟微波干燥时物料 内部温度、水分的扩散过程。李业波等( 1 9 9 6 ) 对土豆干燥过程中内部传 热传质进行了试验研究，建立了可以预测干燥过程中土豆内部水分分布和 温度分布的传热传质模型，并通过试验对模拟所得的水分分布和温度分布 山东农业大学硕士学位论文 进行了验证。肖美添等( 2 0 0 3 ) 研究了海带在热风干燥时的试验，根据单 项指数模型，计算干燥过程中介质内部水分的有效扩散系数，建立物料内 部水分扩散微分方程及边界条件，用有限差分法进行数值求解，结果表明 模拟计算的结果与试验结果吻合。 在高压电场干燥模型方面的研究也取得了不同程度的进展。c h e n ， b a n h a k u r 和a m o l d ( 1 9 9 4 ) 利用针盘组成的单极电晕电场在没有外加热 源的条件下对土豆片进行了干燥试验，他们认为电场作用下土豆片的干燥 过程不服从f i c k 扩散模型，而是服从s m i m o v 和l y s e n k o 模型，即干燥加 速度与干燥速度之比是时间的函数。李法德( 2 0 0 2 ) 在1 0 5 的烘箱条件 下利用电压为一2 0k v 0 1k v 的针一板电极电场对豆渣进行了高压电场 干燥，并分析了高压电场干燥的数学模型，结果发现豆渣水分随时间的变 化不是简单的指数关系，无论施加电场与否豆渣的干燥过程均服从p a g e 模型，但力值和值的大小不仅受到干燥温度和装填方式的影响还受电场 条件的影响。这与姜治国等人( 1 9 9 6 ) 烘箱干燥豆渣试验的结论是有区别 的。c a o 和n i s m y 锄a 等( 2 0 0 4 ) 利用针一盘电极系统在不同电场条件下 对小麦进行干燥，通过改变温度和极板间的距离，他们发现高压电场干燥 在低温时的作用效果更加明显，随着电压升高、放电距离减小干燥速度加 快，并且建立了高压电场下小麦干燥的模型。 1 2 4 高压电场干燥原理的研究进展 c h e n ( 1 9 9 4 ) 对土豆片进行电场干燥试验，结果发现e h d 干燥中电子 风是促进物料中水分蒸发的主要推动力。李法德( 2 0 0 2 ) 对高压电场促进 物料干燥的作用机理进行了分析，认为是电子风的冲击作用减小了边界层 的厚度、提高了传热传质速率，并且电晕电场引起干燥物料的极化，在该 极化力的作用下促进了水分向物料表面的运动。 内蒙古大学的梁运章等对高压电场干燥的机理进行了初步探讨 ( 2 0 0 3 ) ，他们认为水分子是极性分子，水分子之间靠氢键合成分子团，还 存在着电偶极矩的相互作用，在高压电场的作用下，一方面水分子运动速 率加快，携带的能量提高，促进了氢键的断开；另一方面使偶极矩受电场力 9 针一盘式高压电场下物料干燥的试验研究 的作用下，被拉入电场强度最大的区域中去，并求得在电场作用下多孔性 物料中的水分运动的速度为 v = 瓦e f 玎 ( 卜4 ) 式中v 为水分运动的速度，s 。为水的相对介电常数，f 为外加电场强 度，玎为粘度系数。 梁运章等( 2 0 0 5 ) 对高压静电场干燥技术原理的电动力学进行了分析， 他们认为电场干燥的物理机制是电场能传质而实现干燥，利用电流体动力 学原理，对高压电场对含水物料施加作用力进行分析，结果表明电传能传 质是两个力作用的结果，这两个力是电介质分子在电场中发生不均匀极 化，诱导出的束缚电荷作用力( 电场对物料表面层水分子的作用力) 和电 致伸缩力( 电场对物料内部水分子的作用力) 。 1 3 目前存在的问题 从目前的研究来看，对于高压电场干燥的研究仍然处于数据积累的阶 段，且集中于探讨电场促进水分移动所产生的微观表现上，如着眼于水分 蒸发速度的提高等等，而对于电场作用下水分的移动机理、针一板电极系 统的有效作用面积、高压电场干燥的数学模型等等报道很少，因此还不能 较好的揭示电场促进水分移动和蒸发过程的内在机理，故未能在食品加工 过程中很有效的利用电场的这些有利方面。 在高压电场促进物料干燥方面，例如有人在针电极和板电极形成的电 场下进行研究，虽然证明了高压电场提高了干燥的速率，对于物料的干燥 质量没有不良的影响，提出了高压电场干燥时针板电场的有效作用面积问 题，但是没有进一步验证针一板电极电场对物料干燥时候水分移动的影 响，也没有指出针一板电极电场的有效作用面积到底是多少。 在高压电场干燥的数学模型方面，也有人进行了初步的研究，验证了 高压电场干燥的过程符合某个现有的数学模型，指出可以用现有的模型拟 合电场干燥的过程，但是研究不够深入。 山东农业大学硕士学位论文 由于高压电场的作用近几年才引起重视，人们对电场促进干燥的作用 机理、干燥模型等的研究还不够深入和系统。虽然有人进行了初步的研究， 但是得出的结论也不能令人信服。这将有待于进一步的研究与证实。 1 4 研究内容和目标 在实际应用中，对高压电场发挥作用的影响因素很多，例如电场强度、 环境温度、相对湿度、电极距离等等。本文将主要对高压电场干燥时针盘 电场的有效作用面积和数学模型进行研究。论文的主要内容涉及以下几个 方面，即首先建立高压电场干燥时的试验平台，建立针一盘电极电场；在 此基础上进行针一盘电极电场有效作用面积的试验研究；建立高压电场干 燥时的数学模型，并对其进行分析。具体研究内容和目标如下： 1 ) 建立和完善高压电场干燥的试验系统。建立高压电场干燥的试验 平台，建立针一盘电极系统。高压电场干燥试验的同时，也进行传统干燥 方式的对比试验一自然干燥。并将其结果进行对比，以便找到高压电场相 比较于传统干燥方式的优越性。 2 ) 利用设计的试验平台，进行高压电场干燥时针盘电场的有效作用 面积的试验。以马铃薯为主要研究对象，在针一盘电极系统中进行试验。 试验时针电极接电源正极，盘电极接地。设计不同的电极距离，分别测定 高压电场中不同位置处马铃薯试样的水分变化，分析针一盘电极电场存在 有效的作用面积，并找到针一盘电极电场在一定电极距离下的有效作用面 积。 3 ) 对马铃薯的干燥过程进行理论分析，利用数理统计的方法，建立 试验条件下干燥过程的数学模型。通过对马铃薯干燥曲线的分析，探讨高 压电场对干燥过程的有关影响因素及其促进干燥的机理。 针一盘式高压电场下物料干燥的试验研究 2 针一盘式高压电场干燥马铃薯的试验 2 1 概述 由于高压静电场对物料的干燥过程有促进作用，近年来受到了人们的 关注。高压电场不仅可以提高干燥速率、节省能源、而且对产品的质量没 有不良影响。更为重要的是，由于电晕放电可以在室温、常压下产生，因 此高压电场干燥在低温时的应用尤其引人注目。 高压电场干燥技术是项新的干燥技术。许多学者为将高压电场应用 于食品物料的干燥做了大量的努力。那习等( 1 9 9 9 ) 利用电晕电场对热敏 性物料西洋参、金霉素、胡萝h 片等进行了干燥试验，发现施加电场后， 干燥时间可缩短一半，且有效成分保存较好，色泽变化较小；但他们没有 分析干燥过程中电场消耗能量的大小。梁运章等( 2 0 0 0 ) 用胡萝h 、马铃 薯等物料在电场下进行干燥试验，取得了一定结果，并初步分析了电场干 燥的机理，认为电场力是促进毛细管水的运动速度和物料表面水分的蒸发 的主要因素。李法德( 2 0 0 2 ) 对高压电场干燥的机理进行了探讨，认为是由 于不均匀高压电场产生的离子风对液面和干燥物料表面产生的冲击作用 造成的。同时分析了高压电场干燥的节能效果及对干燥质量的影响，指出 电极数目及两电极之间的距离对干燥速率有影响。l i 等( 2 0 0 0 ) 利用针一 盘电极在不同的电极距离，不同电压条件下( 环境温度为3 ) 进行了蒸 馏水的蒸发试验，认为施加电压保持不变时存在一个最佳电极距离使得此 距离下蒸馏水的蒸发速度最大，并提出了针。盘电极电场的有效作用面积 问题，但没有展开进一步的论述。 考虑到实际应用的需要，有必要对电场的作用范围进行研究。许多研 究人员对此进行了研究，例如a k i my a s u om o r i ，e t c ( 1 9 7 8 ) 研究了线电 极与盘电极形成的电场的作用范围；l 锄i ，m a n a c l l i 血，e t c ( 1 9 9 7 ) 研究 了线电极与盘电极形成的电场的数学模型，但是他们的研究只是在纯物理 的层面上，没有考虑到应用的问题。尽管提到了不同的电极形式、不同的 电场方向对物料干燥的促进效果是不同的。但是在目前的研究中没有发现 山东农业大学硕士学位论文 对针电极和盘电极形成的电场的有效作用范围进行研究。考虑到实际的应 用，有必要对针电极和盘电极形成的电场的有效作用面积进行研究。 在目前对高压电场的研究中所用的物料是一个整体的，对于电场有效 作用面积的分析也是基于整个物料。在针一盘电极系统中，单针电极产生 的电晕风是不均匀的，尤其对于放置在圆盘电极上的物料，因此，电场对 圆盘电极上不同位置处的物料的作用也不相同。但是，如果电场中的物料 是一个整体，就很难解释电场在干燥过程中对不同位置处试样的不同作用 效果。本试验的主要目的是以马铃薯为研究对象，研究常温下高压电场干 燥的规律，探讨电场中不同位置处马铃薯试样在干燥过程中的水分变化， 以验证针电极电场存在有效的作用面积，并分析试验条件下针一盘电场的 有效作用面积。 2 2 试验装置和方法 2 2 1 试验材料、仪器与试验装置 试验材料：新鲜的马铃薯，初始含水量8 4 8 8 。 试验中所用的仪器设备，如表2 ，1 所示。 表2 一l 试验仪器 t a b 2 一le x p e r i m e n t a ia p p a r a t u s 针一盘式高压电场下物料干燥的试验研究 本研究所用的试验装置如图2 1 所示。该装置主要由高压电源和用于 干燥的试验平台( 主要包括放电电极、接地电极和调节支柱) 等组成。其 中，放电电极为针状电极，长度6 9 啪，直径1 8m m ，尖端圆角半径o 2 m m ；两个圆形铝盘( 直径2 6 0m m ，厚度1m m ) ，一个用作接地，另一 个作为对照试验。高压电场试验中的铝盘接地，针形电极可以通过调节支 柱上下调节。 l 调节支柱2 接地圆盘电极3 马铃薯片4