（化工过程机械专业论文）微波真空干燥过程的特性及应用研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 微波真空干燥过程的特性及应用研究 摘要 微波真空干燥是一种较新的干燥方式，在这种干燥方式中，置于交变电场中 的物料的水分子被极化后运动越加剧烈，水分子之间的摩擦也越加强烈。摩擦生 热后使物料表面水分蒸发，物料内外部形成了温度梯度和湿度梯度，从而加速水 分从物料内向外迁移，最终达到干燥目的。但由于干燥过程中，微波功率、真空 度、干燥时间、物料性质等参数对干燥产品质量影响巨大，因此对微波真空干燥 有个理性的认识就十分重要。 本课题研究意在开发微波真空干燥技术，对其进行传热传质分析，建立传热 传质的数学模型，并以龙眼和胡萝i 为研究物辩，分析干燥过程中干燥参数对于 燥特性的影响，并应用于食品的干燥。本文研究的课题来源于广东省农业机械研 究所干燥设备中心，旨在减少干燥时间，提高产品的干燥质爨，提高干燥效率。 论文首先介绍了试验用的微波真空干燥设备，该设备主要特点为被干燥物料 能在谐振腔内随转盎转动，避免了微波加热的不均匀性，微波功率可以调节，并 能实时观察物料的干燥情况。 论文研究了微波真空干燥的工艺过程。以龙眼和胡萝 为研究物料，考察了 微波真空于燥的基本过程，得到了这两种物料干燥的工艺曲线。为了考察干燥过 程参数( 微波功率、装载量) 对干燥过程的影响，得到比较理想的工艺条件，采用 三因素三水平的正交试验方案进行试验，根据所得的数据用s p s s 进行回归分析， 得到了较优的工艺条件。通过实验，拟合实验数据，发现物料水分比( 物料水分与 物料初始水分的比值) 在干燥位置的分布里二次方程分布，及在这两种物料的干燥 过程中，微波功率的影响最为显著。在前期试验的基础上，为了确定在于燥过程 中，微波功率对于燥进程的影响程度，设计了在干燥过程中，前期和后期分别使 用不同的微波功率的均匀设计试验方案，通过不同的实验参数拟合出不同的实验 常数，然后用回归的方法得出前期干燥功率和后期干燥功率以及干燥时间的相短 关系。 研究了微波真空干燥、热风、热泵以及真空冷冻干燥等于燥方式的干燥机理， 进行条件接近的各种试验，从而对各种干燥后的胡萝i 片的营养成分和颜色进行 了对比，通过对比，最终得出结论，微波真空干燥的综合性能是其中最好的。 h 东北大学硕士学位论文 摘要 对微波真空干燥工艺过程中的加速干燥阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段 建立了相应的数学模型。同时建立了描述物料干燥过程的传热传质模型，模型计 算结果与实验结果基本吻合。 关键词：微波真空干燥；传热传质；干燥特性；回归分析；胡萝 ；龙眼 - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e p r o p e r t ya n da p p l i e dr e s e a r c ho fm i c r o w a v ev a c u u m d r y i n gp r o c e s s a b s t r a c t m i c r o w a v ev a c u u md r y i n gi san e w d r y i n gm e t h o d ，抽w h i c ht h ew a t e rm o l e c u l e s o f r n a t e r i a l sp l a c e di na l t e r n a t i n ge l e c t r i cf i e l dm o v em o r ea c u t e l ya f t e rb e i n gp o l a r i z e d a n dt h ef r i c t i o nb e “e e nw a t e rm o l e c u l e si sa l s om o r ea c u t e f r i c t i o n a lh e a tb u i l d u p a c c e l e r a t et h ee v a p o r a t i o no fs u r f a c em o i s t u r eo fm a t e r i a l sr e s u l t i n gi nt h eg e n e r a t i o n o ft e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dm o i s t u r eg r a d i e n tb e t w e e ni n t e r n a la n de x t e r n a lo f m a t e r i a l s ，c o n s e q u e n t l yt h et r a n s f e ro f m o i s t u r ef r o mi n t e r i o rt oe x t e r i o ri sa c c e l e r a t e d ， t h r o u g hw h i c hw ea t t a i nt h eo b j e c to fd r y i n g b u tb e c a u s eo ft h eg r e a ti n f l u e n c eo f p a r a m e t e rs u c h 嬲m i c r o w a v ee f f i c i e n c y , d e g r e eo fv a l 。u u n l ，d r y i n gt i m e ，m a t e r i a l p r o p e r t ye t co nq u a l i t yo fd y i n gp r o d u c td u r i n gd r y i n gp r o c e s s ，i ti sg r e a t l yi m p o r t a n t t oh a v ear a t i o n a la p p r e h e n dt om i c r o w a v ev a c u u n ld r y i n g t h i st h e s i sa l m st 0d e v e l o pm i c r o w a v ev a c u l l n ld r y i n gt e c h n i q u e t op e r f o r mh e a t t r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e ra n a l y s i s a n dt oe s t a b l i s hm a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a t t r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e r w h e r e w i t hl o n g a na n dc a r r o t 嬲t h ea n a l y s i so b j e c t , t h e i n f l u e n c eo fd r y i n gp a r a m e t e ro nd r y i n gp r o p e r t yd u r i n gd r y i n gp r o c e s si sa n a l y z e d ， a n di s a p p l i e di nf o o dd r y h l g 。t h i sp r o b l e md e f i v e s 矗d mg u a n g d o n gp r o v i n c e a g r i c u l t u r a lm a c h i n ei n s t i t u t ed r y i n ge q u i p m e n tc e n t e r , a n dp u r p o s e sr e d u c i n gd r y i n g t i m e ，i m p r o v i n gp r o d u c t s d r y i n gq u a l i t y , a n dr a i s i n gd r y i i l ge f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , w ef i r s ti n t r o d u c el a b o r a t o r y s c a l em i c r o w a v ev a c u u md r y i n g e q u i p m e n t ，w h o s ek e yf e a t m e si n c l u d et h a tt h em a t e r i a lg o i n gt ob ed r i e dc a r l r o l l a l o n g 谢t l lt u r n t a b l ei nr e s o n a n to a v 娃yw i t ht h er e s u l to fa v o i d i n gt h en o n h o m o g e n e i t y o fm i c r o w a v eh e a t i n g ，m i c r o w a v ee f f i c i e n c yc a nb er e g u l a t e d ，a n dw ec a nh a v e r e a l - t i m eo b s e r v a t i o no nm a t e r i a l s d r y i n gs t a t e i nt h i sa r t i c l e ，w es t u d yt h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fm i c r o w a v ev a c u u md r y i n g w h e r e w i t hl o n g a na n dc a r r o t 勰t h ea n a l y s i so b j e c t i tr e s e a r c h e st h ep r i m a r yp r o c e s s o fm i c r o w a v ev a c u u md r y i n g ，a n d a c q u i r e sd r y i n gt e c h n o l o g i c a l c h l o eo f a b o v e - m e n t i o n e dm a t e r i a l s i no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fd r y i n gp r o c e d u r e 东北失学硕士学位论文a b s t r a c t p a r a m e t e r s ( m i c r o w a v ee f f i c i e n c y , l o a d i n gc a p a c i t y ) o nd r y i n gp r o c e s sa n dg e t r e l a t i v e l y i d e a lt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，w ea d o p tt h r e ef a c t o r sa n dt h r e el e v e l o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a t i o na p p r o a c ht op e r f o r me x p e r i m e n t ，a n dc o n d u c tr e g r e s s i o n a n a l y s i sb ys p s sm e t h o da c c o r d i n gt oa c q u i r e dd a t a , o b t a i n i n gb e t t e rt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n s t h r o u g he x p e r i m e n ta n df i t t i n ge x p e r i m e n t a ld a t a , i tc a l lb ef o u n dt h a tt h e d i s t r i b u t i o no fm a t e r i a lm o i s t u r ep r o p o r t i o n ( t h ep r o p o r t i o nb e t w e e nm a t e r i a lm o i s t u r e a n do r i g i n a lm o i s t u r e o fm a t e r i a l ) i nd r y i n gp o s i t i o na s s u m e sad i s t r i b u t i o no f q u a d r a t i ce q u a t i o n ，a n dt h ei n f l u e n c eo fm i c r o w a v ee f f i c i e n c yi st h em o s tr e m a r k a b l e i nt h ed r y i n gp r o c e s so fa b o v e - m e n t i o n e dt w om a t e r i a l s o nt h eb a s i so fp r e v i o u s e x p e r i m e n t ，w i t ht h ep u r p o s eo fd e t e r m i n i n gt h ea f f e c t e dd e g r e eo fm i c r o w a v e e f f i c i e n c yo nd r y i n gc o u r s ed u r i n gd r y i n gp r o c e s s ，w ed e s i g nau n i f o r md e s i g n e d e x p e r i m e n t a t i o ni n w h i c hw ee n a p l o yd i f f e r e n tm i c r o w a v ee f f i c i e n c yi n d r y i n g p r o p h a s ea n da n a p h a s er e s p e c t i v e l y , f i td i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n s t a n t sb yv a r i o u s e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ，a n do b t a i nt h ec o r r e l a t i o nb e f t w e e l lp r o p h a s ee f f i c i e n c y , a n a p h a s ed r y i n ge f f i c i e n c ya n dd r y i n gt i m e 、 r i t ht h ee m p l o yo f r e g r e s s i o nm e t h o d t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ed r y i n gm e c h a n i s mo fd i f f e r e n td r y i n gf a s h i o n ss u c ha s m i c r o w a v ev a c u u r nd r y i n g ，h o tb l a s t , h e a tp u m p ，a n dv a c u u mf r e e z i n gd r y i n ga n ds o f o r t h ，t h r o u g h s i m i l a rc o n d i t i o ne x p e r i m e n t a t i o n sa n d b y c o n t r a s tn u t r i t i o u s c o m p o n e n t s ，i n t e r n a lo r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r ea n dc o l o ro fc a r r o ts l i c e sd r i e db y d i f f e r e n td r y i n gf a s h i o n s ，a n du l t i m a t e l ya r r i v e sa tt h ec o n c l u s i o nt h a tc o m b i n a t i o n p r o p e r t yo fm i c r o w a v ev a c u u n ld r y i n gi st h eb e s t t h i sa r t i c l ee s t a b l i s h e sc o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tc o o l i n gd o w n s t a g e ，h e a t i n gu ps t a g e ，c o n s t a n tr a t ed r y i n gs t a g ea n dd e c e l e r a t i o nd r y i n gs t a g eo f m i c r o w a v ev a c u b l nd r y i n gt e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa n da tt h es a m et i m ee s t a b l i s h e sh e a t t r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e rm o d e l sd e s c r i b i n gm a t e r i a l sd r y i n gp r o c e s s 。c o m p u t i n g r e s u l t so f e s t a b l i s h e dm o d e lb a s i c a l l yc o i n c i d ew i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：m i c r o w a v ev a c u u m d r y i n g ；h e a t ( t r a n s f e r ) a n dm a s st r a n s f e r ； d r y i n gp r o p e r t y ；r e g r e s s i o na n a l y s i s ；l o n g a n ；c a r r o t - v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：影毒j 张辱 日期：刎、文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 立题背景和意义及课题来源 从农业支持工业，到工业反哺农业，工与农两大关系正在实现着从未有过的 历史性转变。中国是个典型的农业大国，农业经济社会经历了两千多年，幅员辽 阔，如何有效的实现农业的产业化是摆在我闺发展面前的一个迫切解决的问题， 把农业产业化作为系统工程来抓，用工业的理念谋划农业产业化，实现最优生产、 最适消费和最少废弃。要紧紧围绕农产品竞争力增强的目标，加强对农产品的二 次加工，解决农产品过剩的问题。 干燥是一种古老的单元操作之一，广泛应用于农产品加工和食品生产中。高 能耗和严重破坏产品品质是当前农产品和食品在干燥生产中存在的两个最主要问 题。干燥是一种商能耗的操作，在发达国家据资料统计高达1 2 的工业能耗用于 于燥，中国干燥能耗占总能耗的l o ，而在农产品、食品干燥能耗在干燥能耗 中占很大比例。所以在干燥的研究中，干燥节能是一个永恒的话题。 在农产品的干燥中，与节能相比，人们更关心干燥产品的品质。随着人们生 活水平的提离，对农产品的消费已从“数量型”转向“质量型”，对果蔬的风味、 营养成分和卫生程度有更高的要求。这样就要求在农产品保存时既要减少损失 又要保证产品的品质。众所周知，现在占主导地位的热风干燥对产品的色泽、营 养物质和其它生物活性物质破坏极大，而获得优质干燥产品则需昂贵的方法和设 备，如真空冷冻干燥。在此，干燥的经济性和产品质璧存着很大的矛盾。因而如 何以低能耗和低成本去获得优质的干燥产品，是当前农产品干燥急需研究和解决 的问题。 本课题是广东省农业机械研究所承担的“广东省农产品干燥加工工程重点实 验室”建设项目中的子项目之一，广东省农业机械研究所购买的南京三乐微波技 术发展有限公司设计制造的微波真空干燥设备，东北大学机械工程与自动化学院 与广东省农业机械研究所联合利用该设备开展本课题的研究。 广东省农业机械研究所农产品加工干燥设备研究开发中心长期致力于农副产 品干燥设备开发制造以及干燥工艺的研究，以热带、亚热带水果和各类农产品为 原料的干燥产品具有营养价值离、风味好、耐贮藏、运输便利、加工规模大的特 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 点，有重大开发价值和广阔的市场前景。 微波真空干燥设备在国内农产品生产中有少量的应用，但对微波真空干燥的 干燥特性认识还不足，对其干燥过程的理论研究还不是很成熟。本课题的设立， 就是选取两种农产品作为研究载体，对微波真空干燥过程特性进行实验研究，并 且进行理论分析，用于指导生产实践。 1 2 微波真空干燥的特点 1 2 。1 微波原理2 1 所谓“微波”，通常指频率从3 1 0 8 到3 1 0 ”h z 的电磁波。凡低于3 1 0 8 h z 的，即指通常所说的无线电波，包括长波、中波和超短波。凡高于3 1 0 ”胁的， 则属于红外线或可见光等。 根据电磁波在真空中的传播速度c 与频率厂、波长丑之间的关系； c 。肛 n 1 1 相对于3 x 1 0 8 到3 1 0 “h z 的微波频率范围的微波波长范围为1 m 到l m m 左 右。 由此可见微波频率很高，波长很短，所以顾名恩义，人们称之为微波 ( m i c r o w a v e ) 。在微波波段中，又可划分为4 个分波段( 见表1 1 ) 。 袭1 1 微波的分波段划分 t a b l e1 1t h es u b s e c t i o no f m i c r o w a v e 波段名称波长范围频率范围 分米波i m 1 0 c m3 0 0 埘r 胁3 g 胁 厘米波 1 0 c m l c m3 g 胁3 0 g 胁 毫米波 l c m l r n m3 0 g 3 0 0 g h z 亚毫米波i 删0 o l m m3 0 0 ( 删量3 0 0 0 ( 珏髓 应用微波进行加热通常有三个主要的频率段，即： ( 1 ) 3 g h z 左右的低频段，由于牵涉到某种技术难题以及合法性，雨很少用于 加热应用，常见于无线收视和移动通讯技术中。 ( 2 ) 3 0 g h z 以上的离频段，在这个频段上，大规模低成本的工业加热应用似 乎很困难，仅多见于高频等离子体技术中。 ( 3 ) 介于这两者之间的频段是目前加热应用研究的主要频段，考虑到微波器件 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 和设备的标准化，以及避免使用频率太多造成对雷达和微波通信的干扰，目前微 波加热所采取的常用频率为9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z ，其对应波长分别为o 3 3 0 m 和 o 1 2 2 m ，丽其中的2 4 5 0 m h z 则已成功和合法地应用在家用微波炉上。 1 2 2 介电( 微波) 加热原理 微波加热技术是利用电磁波把能量传播到被加热物体内部，加热达到生产所 需要的一种技术。由于微波具有高频特性，它以每秒数十亿次的惊人速度进行周 期变化，物料中的极性分子吸收了微波能以后，在微波的作用下呈方向性排列的 趋势，改交了其原有的分子结构。这些极性分子包括水分予、蛋白质、核酸、脂 肪和碳水化合物等物质。当电场方向发生变化时，亦以同样的速度做电场极性运 动，就会引起分子的转动，致使分子问频繁碰撞而产生了大量的摩擦热，以热的 形式在物料内表现出来，从而导致物料在短时间内温度迅速升高、加热或熟化。 与此同时，在微波的作用下，物料中的有害菌、虫害等微生物受到无极性热运动 和极性转动两方面的作用而改变其排列组合状态及其运动规律，即使得生物体因 蛋白质的变型而失去活性，并使细胞中核糖核酸( r n a ) 和脱氧核糖核酸( d n a ) 的 若干氢键松弛、断裂或重组，干扰或破坏其正常的新陈代谢、遗传和增殖，抑止 或致死菌体及害虫的生长，达到杀虫、灭菌、保鲜的效果。 采用无线电波加热在工业应用上早于微波加热，也称为射频加热。微波加热 和射频加热相比，场能转变为热能的比例高，并且容易将电磁波屏蔽起来，不逸 散。微波和高频本身是一种能量形式，而不是热量形式，但在电介质中可以转化 为热量。能量转换的机理有多种，如离子传导、偶极予转动、界面极化、磁、j 甚 电现象、核磁共振等，其中离子传导和偶极子转动是介质加热的主要机理。 f 1 ) 离子传导 带电粒子在外电场作用下被加速，并沿着与它们极性相反的方向运动，即定 向迁移，在宏观上表现为传导电流。这些离子在运动过程中将与其周围的其它粒 子发生碰撞，同时将动能传给被碰撞的粒予，使其热运动加剧。如果物料处于高 频交变电场中，物料中的粒子就会发生反复的变向运动，致使碰撞加剧，产生耗 散热( 或焦耳热) ，即发生了能量转化。 ( 2 ) 偶极子转动 根据电介质的极性可将电介质分为两类：菲极性分子电介质和极性分子电介 质。在外电场的作用下，由非极性分子组成的电介质的分子的正负电荷将发生相 对位移，形成沿着外电场的作用方向取向的偶极子，因此在电介质的表面上将出 东北大学硕士学位论文第一章绪论 现正负相反的束缚电荷，在宏观上称该现象为电介质的极化，这种极化称为位移 极化。而极性分子在外电场的作用下，每个分予均受到力矩的作用，使偶极子转 动并取向外电场的方向，这种极化为转向极化。外电场强度越大，偶极子的排列 越整齐。 当电介质置于交变的外电场中，则含有非极性分子和育极性分子的电介质都 被反复极化，偶极子随电场的变化在不断地发生“取向”( 从随机排列趋向电场方 向) 和“弛豫”( 电场强度为零时，偶极子又回复到近乎随机的取向排列) 排列。这 样，由于分子原有的热运动和相邻分子之间的相互作用，使分子随外电场转动的 规则运动受到干扰和阻碍，产生“擦效应”，使一部分能量转化为分予热运动的 动能，即以热的形式表现出来，使物料的温度升离，即电场能被转化为热能。 水是最典型的极性分子，湿的物料因为含有水分而成为半导体，此类物料， 除转向极化外，还发生离子传导( 一般地，水中溶解有盐类物质) 。在微波频率范 围，偶极子的转动占主要地位；低频率时，离子传导占主导地位。 木曩木 迁善 囊鑫 羹 图1 1 介电干燥与普通干燥传热传质机理的比较( a 普通干燥( b ) 介电干燥 f i g 1 1 t h ec o m p a r i s o n o f t r a n s p o r t m e c h a n i s m b e t w e e nc o n v e n t i o n a ld r y i n ga n dd i e l e c t r i c d r y i n g ( a ) c o n v e n t i o n a ld r y i n g , ( b ) d i e l e c t r i cd r y i n g 图1 1 ，表示了介电干燥和普通干燥( 包括热风千燥、真空干燥等) 过程中的 热量传递方向和水分迁移方向，可见差别很大。在普通干燥时水分从表隧开始蒸 发，内部的水分慢慢地扩散到表面，而能量是由物料外部向内部传递，传热的推 动力是温度梯度，通常需要很高的外部温度才能形成所需的温度差，传质的推动 力是物料内部和表面之间的浓度差，可见普通干燥中传热和传质方向相反。 通过以上微波加热的原理介绍，可以看出微波加热时，各个困索对微波加热 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的加热效果的影响同传统的加热方式是不同的，其中包括物料温升速度、加热力 度和总加热长短都与常规的热传导加热方式有极大不同。如表1 2 所示，这里歹0 举微波加热的工艺特点，同时与红外加热作类比，改变人们长期习惯于常规加热 概念，避免两类加热之间的干扰和混淆。 表1 2 红外线与微波加热特点 t a b l e1 2t h eh c a t i a g sc h a r a c t v r i s t i co f m i c r o w a v ea n di n f r a r e d 物料状况红外加热微波加热 焦糊开始位置表层里层 加热惯性状态 有无 预热时间长短较长 短 温升状态表层升温在先里层升温高 大，其方向由物料中心指向较小，其方向由物料外部指 温度梯度方向 物料外部向榜料中心 干燥层扩展方向由表及星里层向表层 热量传递方式表面热镥导投射物科中转换 热量吸收与介质关系有关密切相关 加热干燥与杀菌工序分开 杀菌能力热力杀菌热力与非热力杀菌综合 1 2 3 介电加热特点 ( 1 ) 加热速度快 常规加热( 如火焰、热风、电热、蒸汽等) 都是利用热传导、对流、热辐射将 热量首先传递给被加热物的表面，再通过热传导逐步使中心温度升高( 外部加热) 。 它要使中心部位达到所需的温度，需要定的热传导时间，而对热传导率差的物 体所需的时间就更长。微波加热则属内部加热方式，电磁能宜接作用于介质分子 转换成热t 且透射使介质内外同时受热，不需要热传导，故可在短时间内达到均 匀加热。 ( 2 ) 加熟均匀 用外部加热方式或是直接微波加热时，为提高加热速度，就需丹高外部温度， 加大温差梯度。然而随之就容易产生外焦内生现象。微波真空加热时不论形状如 。s 东北大学硕士学位论文第一章绪论 何，微波都能均匀渗透，产生热量，且可以把温度控制在一定的温度范围之内， 因此均匀性大大改善，干燥制品的质量也会相应提高。 ( 3 ) 节能高效 不同物料对微波有不同吸收率，含有水分的物质容易吸收微波能。玻璃、陶 瓷、聚丙烯、聚乙烯、氟塑料等则很少吸收微波，金属将反射电波，这些物质都 不能被微波加热。微波加热时，被加热物料一般都是放在用金属制成的加热室内， 加热室对电磁波来说是个封闭的腔体；而且，在高真空度的作用下电磁波不能外 泄，只能被加热物体吸收，加热室内的空气与相应的容器都不会被加热，所以热 效率高。同时工作场所的环境温度也不会因此而升高，生产环境明显改善。 ( 4 ) 易于控制 微波功率的控制是由开关、旋钮调节，从磁控管的工作过程来看，预热时间 很短，一般开机1 5 s 后即可开始加热，即开即用特别适用于自动化控制的操作需 求。再加上物料吸收微波能量即刻转按为热量，当不需要加热物料时，可立即断 开电路停止微波的产生，即切断消除加热源头，使物料得不到热源热量的补给， 物料就会停止继续升温，这种现象，专业术语称为无“热惯性”。产生微波的瞬 时性和无热惯性，构成自动控制要求必备要素的前提。 ( 5 1 清洁卫生 对食品、药品等加工干燥时，微波热效应与生物效应能在较低的温度下迅速 杀虫灭菌最大限度的保持营养成分和原色泽，所以微波加热在食品工业中得到广 泛的应用。 ( 6 ) 选择性加热 不同性质的物料对微波的吸收损耗不同，既选择性加热的特点，这对f 燥过 程有利。因为水分子对微波的吸收损耗最大，所以含水量高的部位，吸收微波功 率多于含水量较低的部位，从而干燥速率趋一致。 1 2 4 介电干燥的特点 在介电干燥过程中，物料内部产生热量，传质的推动力主要是物料内部迅速 产生的蒸汽所形成的压力梯度。如果物料开始报湿，物料内部的压力升高非常快， 则液体也可能在压力梯度的作用下从物料中披排出，初始的含水量越高，压力梯 度对水分排除的影响也越大，即有一种“泵”效应，驱动液体水和水蒸汽流向表 面，因而干燥进行得非常快。物料尺寸大于穿透深度的1 2 倍f 2 1 ，热能在内部可 能积累，导致内部温度可能超过表面温度，此时传热和传质方向一致，如没有其 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 他的辅助热源，则该加热系统空气的温度保持不变，物料表面温度低于内部的温 度：若物料的尺寸比穿透深度大许多倍，则穿透深度以外的热传递又类似于普通 干燥。 工业生产中，有许多物品是不能在高温下进行干燥处理，如一些药品、化学 制品、营养食品以及人参、鹿茸等高档中草药材，为了保证产晶质量，其干燥处 理必须在低于1 0 0 或室温的条件下进行。在真空条件下，加热物体可使物体内 部水分在无温升状态下蒸发。由于真空条件下空气对流传热难以进行，只有依靠 热传导的方式给物料提供热能。常规真空干燥方法热的传导速度缀缓慢，效率低， 并且温度控制难度大。微波加热是一种辐射加热，是微波与物料直接发生作用， 使其内外同时被加热，无须通过对流或传导来传递热量，所以加热速度快，干燥 效率高。随着被加工物料周围工作压强的降低，所有溶液或水的沸点就降低，扩 散速率加速，所以在微波真空处理中就具有干燥温度低、速率快的优点。同时， 由于是微波加热，常规的干燥方法热量从外部向内部传递，温度梯度和湿度梯度 相反，所以干燥时间长。微波有很强的穿透性，频率很高，物料中水分子几乎同 时受热气化，干燥速率很快。这就使微波真空加热干燥方式较微波干燥有很大的 进步。同时，真空干燥可以加i 虽于燥室的密闭性，防止微波的任何泄漏，设备在 门处有一个密闭探头，可以确保门的密闭性。 1 3 干燥技术与农产品和食品加工 1 3 1 干燥在农产品加工中的应用 干燥是食品保藏的重要手段，也是加工商质量食品的一个藿要加工技术。农 产品、食品的种类繁多，绝大多数农产品和食品加工都与干燥密切相关，如：稻 谷、小麦、玉米、糖、淀粉、咖啡、奶粉、食品配料、调料及水果和蔬菜等等。 人们越来越认识到，可长期贮存的腌制、薰制和罐头食品具有含致癌因素或导致 营养损失的缺点，而经脱水的于制食品具有绿色的、方便的和健康的特点。 水果和蔬菜是农业生产中除谷物外最重要的农产品，是人们喜爱和必需的食 品，它们不但味荚，而且具有非常率富的营养，是人们获得维生素、无机物( 钙、 磷、铁等) 、碳水化合物、纤维素、半纤维索的主要来源，在一些果蔬中还富含维 生素a 源( 胡萝卜素) 等，人类饮食中的维生紊c 差要是从水果和蔬菜中获得 的。但新鲜水果和蔬菜的含水量丈都超过9 0 ，在采摘、运输、贮运、销售过程 中稍处理不当便会腐烂。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 - 3 2 国内和国外干燥发展现状 我国是一个农业生产大国，2 0 0 1 2 0 0 2 年我国稻谷年产量达1 2 亿吨，占世界 稻谷总产量的3 1 ，2 0 0 1 年中国小麦年产量达9 3 5 0 万吨，居世界首位，中国玉 米年产量2 亿吨，占世界总产量的4 0 以上，2 0 0 0 年我国的水果产量已超过8 0 0 0 万吨，蔬菜超过4 亿吨。但我国由于产地交通不便和加工技术落后，产后损失超 过3 0 ，在经济上造成巨大的损失。发达国家蔬菜脱水的比例很高，在美国，洋 葱收获量的2 0 用来生产脱水洋葱；大蒜收获量的8 0 用来生产脱水大蒜：葡萄 干占收获量的2 5 。而我国，除辣椒外，其它脱水蔬菜的比例都非常低( 3 - 5 1 。由 此可见，在粮食、蔬菜、水果的采后进行干燥处理具有十分重要的意义。 发达圜家蔬菜脱水的比例很高。在美国，洋葱收获囊的2 0 用来生产脱水洋 葱；大蒜收获量的8 0 用来生产脱水大蒜：葡萄干占收获量的2 5 。丽我国，除 辣椒外，其它脱水蔬菜的比例都非常低。 国际市场上，冻干食品的需求量正在逐年增加。全世界冻干食品的产量，在 2 0 世纪7 0 年代仅2 0 万吨，到2 0 世纪9 0 年代已达到上千万吨。近些年冻干食品 的消耗量：美国在5 0 0 万吨以上，日本在1 6 0 万吨以上，法国在1 5 0 万吨以上。 这些冻干食品的消费大国，每年有相当数量的溯干食品由其它国家进口，例如日 本每年花1 0 0 0 亿日元进口冻千食品【”。同冻千相比，微波真空干燥具有它本身的 优势，可以弥补冻干时间过长，干燥费用过高的的技术难点，具有很大的发展潜 力。 1 3 3 微波真空干燥技术研究和应用前景 微波真空干燥是一种新型的干燥技术，具有快速、低温、高效等优点能够 得到高质量的干燥产品，设备的投资和生产操作费用远低于冷冻干燥，具有较好 的开发和应用前景。微波真空干燥技术主要可应用于以下几个方面； ( 1 ) 农产品和食品领域 我国目前对农产品的干燥主要采用热风干燥，产品品质低，干燥时闻长，在 国际市场上卖价比较低；冷冻干燥虽然产品品质好，但设备投资大和生产成本商。 微波真空干燥则正好摒弃了热风干燥和冷冻干燥的缺点，集中了2 2 者的优点可 以预言微波真空干燥将会在我匿农产品和食品加工中具有很大的应用前景。 f 2 1 医药生物制品领域 我国是中草药生产大国，用微波真空干燥可以保持中草药中的有效生物活性 成分。 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 分。 ( 3 ) 化工领域 对一些热敏性等特殊物料可以采取微波真空于燥。 ( 4 ) 中药西制 我国是中草药生产大国，用微波真空干燥可保持中草药中的有效生物活性成 图1 2 美国加州大学食品于燥实验室研制的微波真空干燥设备 f i g 1 ，2 t h em i c r o w a v c v a c u u md r y e rd e v e l o p e db yf o o dd r y i n gl a b o r a t o r yo f a m e r i c a u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a 1 4 微波真空干燥国内外的研究和发展现状 1 4 1 微波真空干燥设备研究 由于微波真空干燥设备的研制还是具有一定的难度，各国学者自行研制的实 验室使用的微波真空干燥器都多多少少存在一定的问题，这方面的综述详见第：二 章。微波真空干燥是将微波技术和真空技术有机地结合，充分发挥微波加热快和 均匀，真空条件下水汽化点低的特点，是一项很有前途的干燥技术。美国、日本 等发达国家从8 0 年代开始进行工业化微波真空干燥设备开发，并在实际应用中取 得很好的效果。国内厂家在8 0 年代后期开始研发微波真空干燥设备，通过多年的 努力，也己从实验阶段踌入工业化生产阶段。 q 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 工业微波真空干燥设备国际上的报道和生产厂商也很少，已有报道美国加州 大学f r e s n o 分校食品干燥实验室研制的微波真空干燥中试设备，是为干燥加州特 产无籽葡萄而开发设计的。该设备谐振腔是一个长4 0 f l 的不锈钢圆柱体，中间有 输送带，沿着长度( 输送) 方向，分成三个干燥区，第一千燥区的微波功率密度较 大，真空度大约1 k p a 3 k p a ，第二、第三干燥区的微波功率密度递减。如图1 2 所示 7 1 。 我国南京三乐微波技术发展有限公司近二年也开发了两种型式的微波真空 干燥设备。第一种结构是矩形谐振腔有若干个微波馈能口，腔内偏心安鼗一个旋 转托架，旋转托架上有1 2 个聚丙烯( p p ) 制成的框架，框架上放托盘和物料，目前 有l o 置矿和2 k w 两种型号；第二种结构类似加州大学开发的圆筒结构型式，长 3 0 m ，直径1 5 m ，功率1 0 0 置矽。2 k w 和1 0 k w 的机型虽说主要用于实验，但设 计不合理，结构庞大，谐振腔的尺寸约1 5 0 0 x 1 5 0 0 x 1 5 0 0 ，实验需要物料多，使 用极不方便，功率密度过低两导致干燥速度懂，真空度也达不到理想的豢求 ( 3 0 4 5 m b a r ) ，圆筒结构型式的工业机型是连续生产，但屡期功率密度过高，严重 影响产品的质量，真空度选不到要求，设备庞大、成本高。 为避免在干燥后期产生“热点”，大多数厂家在谐振腔内设计了一个物料旋转 盘，使物料随旋转盘动起来，以达到加热均匀的目的。2 0 0 2 年9 月，中国海尔公 司首次提出“旋转微波”概念，即撤掉物料旋转盘，通过改变波导的形状，使微 波以旋转的形式进入谐振腔，彻底避免了“热点”的产生，这一成功，被称为微 波： 业的“一次革命”。安徽农业大学农业工程系和三乐电气总公司微波炉分公司 联合研制了由w p 7 5 1 型微波炉加热腔改制而成的真空连续干燥装置。 1 4 2 理论研究 由于微波干燥、微波真空干燥过程中在线检测物料内部的水分含量和温度大 小还比较困难，因此数学模烈的研究对干燥过程的优化和控制，干燥器的放大等 具有重要的理论指导意义。微波真空干燥过程的实质是物料及其水分吸收微波能， 水分和蒸汽的迁移扩散。微波干燥和微波真空干燥的数学模拟，即研究水分扩散、 蒸发规律，干燥动力学，物料内部温度分布及其变化规律等。微波干燥和微波真 空干燥的数学模拟相对来说比较复杂，由于物料豹介电参数随水分变化而变化， 因此物料中电场分布及吸收的微波能是一个动态变化的过程；此外干燥过程中传 热、传质机理也有多种，不同干燥阶段的传质机理也可能不同，这些都绘数学模 拟带来了不少困难。因此许多研究微波加热的数学模型都使用了l a m b e r t 定理， 1 0 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 假设从