（食品科学专业论文）高压静电场在水分蒸发和物料干燥方面的应用研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文摘要 摘要 随着现代科学技术的发展，许多电磁加工方法得到广泛的应用。目前高压静电场干燥 是一个崭新的研究领域。高压静电场下，物料中水分蒸发速度可以加快。但是在这个领域 还有许多问题需要研究，例如电场下水分蒸发的规律、电场的作用范围、电场下的干燥的 节能效果等等。为了更女f 的应用高压静电场，本文的研究主要着眼于深入的研究电场下蒸 馏水的蒸发，电场的作用范围。以及物料在电场下干燥的能量消耗问题。 本论文的研究以物理学、电磁学、食品物性学、化工原理、静电技术、测试技术等多 学科的理论为基础，主要开展了三个方面的研究工作：高压静电场下不同电极形状、不同 电场方向、不同电极距离等条件下影响水分蒸发的因素；上电极采用针电极，下电极采用 板电极( 本文所涉及的实验中下电极都是板电极。故以后不再提及) 形成电场的作用范围 的研究：屯场中物料干燥过程中的性质变化以及能量消耗。主要结果如下： 1 ) 选削不同的电极形状( 上极板分别采用线电极、针电极、板电极) ，上电极接负极 的情况下，电场对蒸馏水蒸发的促进效果优于上电极接正极或者交流电压的效果：上电极 采用针l b 极接负极的情况下，电场对蒸馏水蒸发的促进效果要优于上极板采用线电极或板 电极接负极的效果。高压静电场f 蒸馏水和普通自来水蒸发速度没有明显的差别。 2 ) 上电极采用单针电极的情况卜，电场下蒸馏水的蒸发速度和以针尖正下方为圆心的 半径成一次曲线关系。在针电极和板极之间的距离一定的情况下，在一定的半径( 以针尖 正下方水面为圆心) 以外，电场的影响非常微弱。 上电极采用多个针电极的情况下，蒸馏水的蒸发速度比上电极采用单针电极情况下要 快，但是并不是随着针电极的倍数增长而成倍的增长。在多个针电极的情况下，当针电极 之问的距离变大时，电场下蒸馏水的蒸发速度也变大。 3 ) 在常温下，高压静电场也可以促进琼脂中的水分蒸发，而且效果很明显。在6 0 。c 条件下，琼脂干燥时间可以节省4 0 的干燥时间。 4 ) 在高压静电场中，豆渣的干燥过程主要是降速干燥阶段，豆渣在电场中干燥比对 照节省5 0 的干燥时间。电场下豆渣的颜色变化较对照有所不同。电场下节能率非常明显， 干燥初期为8 0 以上，随着干燥的进行节能率会降低，主要原因是虽然初始含水量一样， 但是干燥过程中电场下豆渣干燥速度要快于对照的速度，使得电场下豆渣中水分的绝对含 量一赢是少下对照中的水分含量。 本文最后剥利川高压静电场促进干燥提出了进一步研究的建议。 关键词：静电场水蒸发节能干燥 中国农业人学硕= 学位沦文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m a n ya d v a n c e de l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n g t e c h n o l o g i e sh a v eb e e nd e v e l o p e d o n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c ha r e “i sd r y i n gu n d e rh i g h v o l t a g e e l e c t r o s t a t i cf i e l db e c a u s et h eh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l dc a np r o m o t et h e e v a p o r a t i n ga n dd r y i n gp r o c e d u r e b u tt h e r ea r em a n yp r o b l e m sw h i c ha r en o tc l e a re n o u g h ， s u c ha st h ef o o d s t u f fd r y i n gp r o c e s su n d e rh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i c sf i e l d ，i n c l u d i n gt h ee n e r g y c o n s u m ea n dt h ee n e r g ye f f i c i e n tr a t i o i no r d e rt ot h eb e t t e ra p p l i c a t i o no ft h e s et e c h n o l o g i e s ， t h ef u r t h e rr e s e a r c hs h o u l df o c u so nt h ed e t a i la n dd e e pr e s e a r c ho ne v a p o r a t i o no f d i s t i l l e dw a t e r , f o o d s t u f fd r y i n gp r o c e d u r ea n de n e r g ye c o n o m yu n d e rh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i c sf i e l d b a s e do nt h e o r i e so fp h y s i c s ，e l e c t r o m a g n e t i c s ，f o o dp h y s i c s ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g ， e l e c t r o s t a t i c sa n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , t h e r ea r et h r e ep a r t sa d d r e s s e di nt h et h e s i s ：t h e f r i s t i st h es t u d yo nf a c t o r so fh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l do ne v a p o r a t i o no fd i s t i l l e dw a t e r ； t h es e c o n di st h ee f f e c ta r e ao f h i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l df o r m e dw i t hn e e d l e sa n das t a i n l e s s s t e e lp l a t e ；t h el a s ti sc o l o u rc h a n g e ，e n e r g ye c o n o m ya n do t h e re f f e c t sd u r i n gf o o d s t u f fd r y i n g p r o c e d u r e t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o i l o w s ： 1t h ee l e c t r o s t a t i cf i e l d sw e r ef o r m e db yal i n ee l e c t r o d e ，an e e d l ee l e c t r o d e ，ab o a r d e l e c t r o d e ，r e s p e c t i v e l y b yc h a n g i n gt h ed i s t a n c e sb e t w e e ne l e c t r o d e sa n dc h a n g i n gt h e d i r e c t i o n so f e l e c t r o s t a t i cf i e l d s ，d i f f e r e n tc o n d i t i o n so f e l e c t r o s t a t i cf i e l dw e r eg a i n e d w h e nt h e s a m ee l e c t r o d e sw e r ec o n n e c t e dw i t hn e g a t i v ev o l t a g et h ep r o m o t i o no fe v a p o r a t i o ni sb e t t e r t h a nt h a tw h e nt h e yw e r ec o n n e c t e dw i t hp o s i t i v ev o l t a g eo ra l t e r n a t i n gv o l t a g e w h e nt h en e e d l e e l e c t r o d ew a sc o n n e c t e dw i t hn e g a t i v ev o l t a g et h ep r o m o t i o no fe v a p o r m i o ni sb c r e rt h a nt h a t w h e nt h eo t h e rt w ot y p e so fe l e c t r o d e sw e r ec o n n e c t e dw i t hn e g a t i v e s ow ec a no b t a i nt h a t d i r e c t i o n so fe l e c t r o s t a t i cf i e l da n dt y p e so fe l e c t r o d ea r ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e e v a p o r a t i o no fd i s t i l l e dw a t e r t h er e s u l to ft h i sa r t i c l eh a ss o m eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei n d e s i g n i n gd r y i n ge q u i p m e n tu s i n ge l e c t r o s t a t i cf i e l d t h ep r o m o t i o no fe v a p o r a t i o no ft h e e l e c t r i cf i e l do nd i s t i l l e dw a t e ra n do nt a pw a t e rh a sn oo b v i o u sd i f f e r e n c e 2 t h e r ei sae f f e c ta r e ao fh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l df o r m e dw i t han e e d l ee l e c t r o d e c o n n e c t e dw i t hn e g a t i v ev o l t a g ea n das t a i n l e s ss t e e lp l a t ec o n n e c t e dw i t hg r o u n d u n d e rt h i s k i n do fe l e c t r i cf i e l dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee v a p o r a t i o nr a t eo fd i s t i l l e dw a t e ra n dt h e s e m i d i a m e t e ri sp u r eq u a d r a t i c w h e nu s i n gm o r et h a no n en e e d l ee l e c t r o d e s ，t h ee v a p o r a t i o n r a t eo fd i s t i l l e dw a t e ri s1 0 一3 5 f a s t e rt h a nt h a tu n d e rt h es i t u a t i o no fo n en e e d l ee l e c t r o d e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed i s t a n c ea m o n gt h en e e d l ee l e c t r o d e s ，t h ee v a p o r a t i o nr a t eo fd i s t i l l e d w a t e ra l s oj n c r e a s e s 3a tn o r m a lt e m p e r a t u r et 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 et h ee v a p o r a t i o no fa g a r a t 6 0 。ct h e t i m e o fd r y i n go fa g a rc a ns & v e4 0 中国农业大学坝士学位论文abslract 4 u n d e re l e c t r o s t a t i cf i e l dt h ep r o c e s so f d r y i n go k a r ai sm a i n l yf a l l i n gd r y i n gr a t ep e r i o da n d t h eti m eo fd r y i n gc a r ls a v e5 0 t h ec o l o u rc h a n g e sa r ed i f f e r e n tb e t w e e nm ee x p e r i m e n t a l o k a r ac a k e sa n dt h ec o n t r o lo n e t h ee n e r 譬ye m c i e n tr a t i oi sa b o u tt o8 0 a tt h eb e g i n n i n go f d r y i n ga n dt h e nd e c r e a s e t h em a i nr e a s o ni st h a tt h o u g ht h ei n i t i a lm o i s t u r eo f o k a r ai st h es a m e t h ee v a p o r a t i o nr a t eu n d e re l e c t r o s a t i cf i e l di sf a s t e rt h a tt h a to f t h ec o n t r 0 1 ，t h ea b s o l u t em a s so f o k a r au n d e re l e c t r o s a t i cf i e l di sl e s st h a nt h a to f t h ec o n t r o l s o m ep r o p o s a l so ff u r t h e rs t u d yo ne l e c t r o s t a t i cd r y i n gw e r em e n t i o n e da sw e l li nt h e t h e s i s k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cf i e l d ，w a t e r , e v a p o r a t i o n ，e n e r g ye e o n o m gd r y i n g 独创性声明 本人声明所呈交的沦文是我个人在导师指导下进行的研究工作及耿得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另, jj j h 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：列、参j 锋 帆 渺铲年舌月彤日 关于论文使用授权的说明 本人完全了斛中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫捕等复制手段保存、汇编学位论文。同意中困农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：辱j 、铂镏 时间： 矽铲年舌月形日 新虢事鬯咛 蝴：铲年；胁 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1 研究的目的和意义 第一章绪论 干燥脱水是食品, d i t 技术中最古老的操作单元之一，也是最为复杂、人 f f j 了解最浅的 技术。干燥脱水在食品加工中十分重要，是耗能比较大的操作单元，但是目前主要是利用 传统干燥的方法。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。 例如喷雾干燥生产牛奶时，容易造成过热，而影响产品的质量，并且能耗很大：真空冷冻 干燥虽然有许多其他干燥方法无法比拟的优点，比如防止物料变性等等，但是其设备投资 和运转费用之高，也是不得不考虑的问题，很大程度上限制了其广泛应用。 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是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旧3 4 l 。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。 近年米，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，因此受到了 人们越米越多的关注。例如，a s a k a w a ( 1 9 7 6 ) 1 5 最早将电场用于蒸馏水的蒸发，发现电场 r 水分的蒸发速度会加快：y u o n h o n g c h e n ( 1 9 9 4 ) 州和f u m i o h a s h i n a g a l 7 , s l 等( 1 9 9 5 ，1 9 9 9 ) 分别对土豆片和苹果片在电场下进行了干燥试验：梁运章等【9 1 ( 2 0 0 0 ) 用胡萝h 、马铃薯 等物判在电场下进行了干燥试验：李里特等i j ( 2 0 0 1 ) 对蒸馏水进行了蒸发试验。尽管如 此，从研究结果来看，目前的研究仍处于数据积累阶段，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，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。人们对电场 促进干燥的作用机理、节能效果、干燥模型等的研究还不够深入和系统，因此，限制了它 的推厂应用。由于高压静电场在食品脱水干燥中的优点很多，所以对高压静电场促进水分 蒸发的机理有必婴进一。步研究。 1 2 国内外研究的基本概况以及进展 1 2 1 高压电场介绍 本文中所说的高压静电场，有人也称为电晕电场“i 。电晕现象是一种很常见的物理现 中同农业大学颂十学位论文第一章绪论 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 分布面电荷密度占与 也荷所在处导体的曲率有关，曲率越大的地方，其面电荷密度j 越大， 曲率越小的地方，其面电荷密度占也越小。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： ：三( 1 - - 1 ) 2 e o 式中e 一电场强度v m ，j 一面电荷密度，岛一真空介电常量，e u _ 8 8 5 4 1 0 ”fm 一1 如果导体是针状的，阂为针尖的曲率很大，所以针尖附近的面电荷密度很人，远远大 丁其他部位，由式( 1 i ) 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，吲电荷积累到一定的程度，针尖附近的极强电场就能使周围的空气发生电离，从而产 生放电现象，即有能量释放山来。能量释放时将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i i “。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 文中所指高压静电场均指气体电介质未被击穿时的电场。经过实验可知，击穿所需电压除 了和电极形状有关以外，还和针尖的极性有关。前面说过针尖附近的电场强度晟大，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 止离子形成的空间l b 荷随针尖的极性的不同而对放电产生的影响不同。针尖一平板电场结 构中f 向电场分布是种典型的不均匀电场。当针尖为正时，正电荷削弱了针尖附近的电场， 加强r 正电荷到极板z 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i 乜极延伸r 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l 乜极附近原来， 就较弱的电场更加减弱了，像是 增加了针尖的曲率、f 径，电极之 间距离虽然缩短了一些，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扳电极 的击穿电压，这一现象对以后各 章的研究很有意义。 从目前对不同电极形成的电t 场的研究来看，研究者们对针电 4 圈1 - - 1 高压静电场下的电晕放电现象示意图 针状电极2 一负离子3 一电力线4 一接地电极 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 极利板电极形成的电场研究比较多，如图1 1 所示【l ”，图中有针和板电极两个电极，其中 针电极接负高压电，扳 b 极接地。由于针电极所接电压很高( 5 k v 一5 0 k v ) ，而两个电极之间 距离( 钊尖与板之间的距离) 不是很大( 2 0 m m 6 0 m m ) ，所以形成的电场的电场强度很高。 在如此高的电场强度f ，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， 获得一定的能鬣，以至它们和空气分子碰撞时能使屙者离解成电子和离子。这些新的电子 和离子义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“1 的著作，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，具体可以川式( 1 - 2 ) 表示： “= , u e( 1 2 ) 式中，“一带电粒子在电场中的漂移速度，ms ；“一离子淌度( i o n i cm o b i l i t y ，即 在1 0 0 v m 的电场强度中离子的漂移速度) ；e 一电场强度，。 电场中止、负离子淌度并不相等，负离子淌度为1 8 7 x1 0 。m 2 ( v s ) ，正离子淌度为 13 5 1 0 - 2 m 2 ( vs ) 。也就是说在相同的电场条件卜，负离子的漂移速度总是高于正离子的 漂移速度。 根据j ac r o s s i ”】f 向发现，电晕放电医内离子风的速度和电场强度之间的关系可以用下 式表示： v ：f 鱼n ( 。_ 3 ) lp 式中：v 一离子风速度，ms ：s 。一真空介电常量，。= 8 8 5 4 x 】0 一”fm ：p 一空 气的密度，k 9 1 1 1 ：e 一电场强度，v m 。 山式( 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， 电极之间距离越人，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i 乜极之间的距离成反比。 根据ja c r o s s 和徐学基的研究，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 高压电场对水分蒸发和干燥过程的促进 最早将电场川于促进水分蒸发的是日本学者浅川( y a s a k a w a ) ，a s a k a w a 5 1 将电场用 中国农业人学硕士学位睑义第一章绪论 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 倍在阃体物料中提高了1 6 倍，这一现象被称为浅川 效应( a s a k a w a se f f e 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 f f e c t ) 具有潜在的应用前景。n n b a r t h a k u r ”1 ( 1 9 9 0 ) 利用针电极( 作为上 电极) 和板电极( 作为r 电极，接地) 形成电场，其中电极之间距离为3 0 m m ，所加电压 为5 2 5 0 伏( 最大电流3 0 0ua ) 。在此种电场下进行了不同浓度( 5 、1 0 、1 5 、2 0 ) n a c i 溶液( 每种试样2 5 m 1 ) 的蒸发实验( 室温2 5 。c ，湿度4 2 ) ，发现电场下各种浓度 n a c i 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 样温度比对照低5 。h rc a r l o na n dj l a t h a m i l ”( 1 9 9 2 ) 利用两个直径6 c m 相距2 c 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0 - 1 4 k v ，在此种电场 下进行了湿滤纸的干燥实验( 宝温2 5 ，湿度5 0 ) ，发现干燥速率随着电场强度的增大 而增大，而且干燥时间缩短了大约6 倍。y u o n h o n g c h e n ，n a y a n a n b a r t h a k u r a n d n e v i l l e ra r n o l d 1 9 1 ( 1 9 9 4 ) 利用针电极( 上电极) 和圆盘板电极( 下电极) 形成电晕电场，在没有 外加热源的条件f 对一t 豆片进行了干燥试验，实验结果表明在实验所采用的电场条件下土 豆片的干燥过程不是f i c k 扩散模型，而是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。f u m i oh a s h i n a g a 、g a n g ap r a s a 和r y u i c h is h i n t a n i 1 ( 1 9 9 5 ) 利用线 电极( 上电极) 和矩形扳电极( 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，实验结果表明在极间距离( 2 2r a m ) 保持不变的前提f 随着施加电压的提高，干燥速度也提高。j s e y e d y a g o o b i c a g e p p e r t a n dl m g e p p e r t ”( 1 9 9 6 ) 从理论和实验两方面初步分析了电场促进热传递的原因，并且 认为电场晌耗能只i i l 热传递的0 1 。董守绂，梁运章口“( 1 9 9 6 ) 利用针电极( 上电极， 接负极) 和金属网( r 电极，接地) 形成电场，在此种电场f 对自来水、含水土块、尖辣 椒和菠菜进行了干燥实验，结果表明处理组干燥速度快于对照组，并且推测主要原因是物 料中水分在电场的作h = | f 从物料内部输送到物料表面，又在屯场的作用下脱离物料而扩散 到空间，但是没有实验验证。y a n gt i q i a n g ，l i a n gy u n z h a n g ，d o n gs o u f u 口3 1 ( 1 9 9 7 ) 在高压 电场r 对青辣椒进行了干燥实验，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f 会沿着毛细管运动加快造成的。s e i i c h i r ol s o b e ，n a y a n ab a r t h a k u r 2 4 1 等 ( 1 9 9 9 ) 研究了琼脂在针电极( 上电极) 和板电极( 下电极) 形成的电场下( 环境温度2 5 ( 2 ， 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( 一= 0 9 9 9 ) ， 这就是说琼脂的干燥曲线只有降速阶段，并且琼脂在电场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 il i t e 2 5 1 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， 而且蒸馏水的海l 度还低丁二对比的。x x u e ，n n b a r t h a k u r , i a l l i ”1 ( 1 9 9 9 ) 对2 0 的乳清蛋 白溶液在高压电场作用f 和不同温度的烘箱中进行了对比干燥实验，并用电泳 ( e l e c t r o p h o r e s i s ) 、d s c ( d i f i e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ) 和色差计测量了干燥后的有关 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 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。粱运章口7 j ( 1 9 9 9 ) 在电晕电场下，进行了对热敏性物料西洋参和金霉素的 干燥实验，实验结果发明：施加电场后，物料的干燥时间可以节省5 0 ，且西洋参和金霉 素有效成分和色泽不变。那日，杨体强等1 2 ( 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f 对蔬菜、西洋参和金霉素进行了干燥实验，实验结果表明静电 干燥比热力干燥的干燥速率提高约1 倍左右，纯静电干燥技术与热风干燥复合后，在干燥 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了干燥试验，取得了良好的结果，并初步 分析了干燥原理。l i t el i 、f a d el i 和e i z ot a t s u m i ”1 ( 2 0 0 0 ) 利用电晕电场对蒸馏水和豆 渣分别进行了蒸发实验。在蒸馏水蒸发实验中，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，通过改变针状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极间距离的增大其蒸发速度提高； 在豆渣t 燥试验中发现：在实验所采用的条件下( 1 0 5 ) ，施加电场后豆渣的初始干燥速 度是对比的2 倍，同时对节能率也初步进行了分析，结果表明节能的效果很明显，节能 率在8 5 - - 9 0 之问，并且缩短干燥时间2 5 左右，但电场作用f 蒸发和干燥过程受试验 条例：的影响很大。t rb a j g a ia n de h a s h i n a g a p ”( 2 0 0 1 ) 利用多针和板电极接交流屯形成的 电场( 4 3 0 k v m ) ，在电场、烘箱( 6 0 ) 和环境( 2 5 ) 分别进行了干燥菠菜的对比实验， 实验结果表明：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， 菠菜的叶绿素a 和口1 绿素b 的含量比在烘箱中干燥的明显要高；通过h p l c 测定表明，电 场处理亓没有有机酸和糖的形成。李里特，李法德( 2 0 0 1 ) i j 4 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实验，实验结果表明：在实验条件下，施加电场后的蒸 馏水的蒸发速度是不施加电场的对照蒸馏水蒸发速度的1 4 倍左右，当针电极与蒸馏水液 面的距离不变时，蒸馏水的蒸发速度随着篪加电压的升高而升高，但是不是线性关系；当 施加电压保持不变时，存在一个最佳电极距离，使得此距离下蒸馏水的蒸发速度最大：施 加电场后的蒸发效果并不是不施加电场时的蒸发效果和电场单独作用时蒸发效果的线性 替加。f c l a i 等j j ”1 ( 2 0 0 22 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，研究了电场对菠菜和玻璃球( 直径3 m m 6 m m ， 且用水浸湿) 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。 1 3 目前存在的问题 从目前的研究结果来看，该研究仍然处于数据积累的阶段，且集中于探讨电场促进水 中国农业大学顺1 1 学位论义 第一章绪论 分的移动机理、食品中蛋白质等大分子胶体物料f 电位、电导率k 、介电常数p 等参数在 电场作朋f 的变化规律、电场的非热汽化机理、能量消耗、节能效果等等报道很少，因此， 还未能较好的揭示电场能够促进水分移动和蒸发过程的内在机理，故未能在食品加工工程 中很柱效的利用电场的这些有利方面。 在l b 场促进蒸馏水蒸发方面，例如有人在针电极和扳电极形成的电场下进行研究，有 人利州板电极币l 板电檄形成的电场f 进行研究，也有人在线电极和板电极形成的电场下进 行研究，虽然都得到了各自的结论，但是蒸发速度随放电电极和板状电极之间距离的变化 规律不甚明确，甚至有些结论相互矛盾。而且没有人系统的对不同种电极形式组合进行比 较，而且大部分只是停留在实验现象的阶段。另外，电场作用下外界的环境因素，特别是 外界温度以及相对温度对蒸发速度的影响规律和蒸发过程中高压电场消耗能量的大小有待 于进。步研究。 在电场提高干燥进度方面，由于高压电场的应用最近几年才引起重视，人们对电场促 进干燥的作用机理、肖能效果、干燥模型等的研究还不够深入和系统，因此，限制了它的 推j 、应用。有人虽然进行了初步的研究，但是得出的结论也不能令人信服。同时试验重现 性较低、实j 刳性较著更没有分析其能量消耗情况。由于对电场促进干燥的机理不清楚， 所以限制了高压l h 场在干燥方面的应用。 1 4 研究内容和目标 在实际廊刚中，对高压静电场发挥作用的影响因素甚多，例如电场强度、环境温度、 相对湿度、电极距离等等。结合本人的知识结构以及实验室目前的实验条件，将主要对高 压静电场促进水分蒸发以及物料干燥过程中的性质变化进行研究。论文研究的主要内容涉 及以f 儿个方面，即首先对不同电极形式、不同电场方向等条件下得到的高压静电场对水 分蒸发的效果进行研究，找到对促进水分蒸发效果最好的条件：在此基础上，研究其电场 的作川范同，为以后的研究扣。好基础：然后在此种电场下对不同的食品进行处理，同时考 虑高压处理后食。w 的变性情况。具体研究内容和目标如下： 1 ) 不同l h 极形式、不同i b 场方向等条件下得到的高压静电场对水分蒸发的效果。上电 极分别采j i j 针电极、线电极、板电极，下电极采用扳电极，接地( 本文所涉及的实验中下 电极都是板电极) 。实验时选用不同的电极距离；上电极分别接正极、负极和交流。找到其 中最好的电极形式，为以后实验作准备。 2 ) 在以上实验的基础上，即得到对水分蒸发促进效果最明显的电场方向以及电极形式 后，研究此种电场的f 1 渊范闱。 3 ) 在傅到叱场形状的基础上，研究通过多电极的不同排布米提高电场促进蒸馏水蒸发 6 中同农业大学坝士学位论史第一章绪论 作用效果。 4 ) 在前面实验的基础上，研究电场对不同种类物料干燥过程中，物料的某些物理的、 化学的性质变化。 中国农业大学t i 顶- i z 学位论文第二章不吲电场条件对蒸馏水蒸发的影响 第二章不同电场条件对蒸馏水蒸发的影响 2 1 前言 水是生命之源，是地球上最丰富的物质，它覆盖着地球2 3 的表面。水的质量占我们 体重的7 0 左右。在水果中水分含量为5 8 9 0 、蔬菜水分含量为9 0 以上、畜肉中水 分含量为6 0 7 5 ，鱼肉中含水量为7 0 8 0 ，薯类的含水嚣为6 5 8 5 ，在我们 每日二餐的主食( 米饭、馒头、面条等) 中含有6 5 7 0 的水分 3 5 1 。因此，水是多数食品 的主要组分，它对食品的结构、外观、味道以及对变质的敏感性有着很大的影响。 闻为干燥过程主要是去除物料中的水分，所以有必要对水的结构进行一下简要介绍。 幽2 1 为水分子结构示意图。水分子为极性分子，水的分子式( h 2 0 ) 极为简单，相对分 子量只有1 8 o l ，但水具有i ，f = 多特殊的性质。研究表明：水具有各种不同结构和大小的分子 团。水分子团的形成主要取决于水分子之间的氢键的存在，在不同的条件下，水分子之间 的氢键性质例如氢键能也袭现出差异t 3 1 3 7 j p 8 肛9 1 1 4 0 l 。图2 - 2 所示为水分子之间的氢键作用示 意劁。蚓中虚线即代表氢键。 当水分f 形成分子团后，水分子的结构并不是固定不变的，而是一种动态结构，每个 水分子在结构中的稳定时间仅为1 0 。2 秒左右，它的排列和运动状态随时发生着变化。水分 子团的大小不仅与水的温度、离子浓度和变化经历有关，电场、磁场、声波、红外线等都 图2 - 1 水分子结构示意图 5 0 ho h 图2 _ 2 水分子之间的氢键示意图 ， 、 h i h l l u h j o h h h o h o i h h 可以对水分子团的结构施加影响| 3 5 1 【4 1 1 ，并且可以改变水的分子团构造，从而改变水的性质， 因此，高压电场作用i - z k 分的蒸发引起了人们的广泛重视。 虽然很多学者已经开始研究高压静电场对水分蒸发的促进作用，但是仅仅限。r 初步的 研究，在第一章中已经提到有些实验结果甚至相互矛盾。为了促进该项技术的实际应用， 必须对影响电场作用卜蒸馏水蒸发的因素如高压电场的接电电极至接地电极之间的距离、 电场的力向、接电电极的数目等进行研究；蒸发过程中由于施加电场而节能的效果进行研 究。因此，本文的月的就是研究同一种物料，在不同的电极形式、电场方向、电极距离下 水分蒸发的著异，找到脱水效果最明显的组合形式，以更好地指导高压静电场设备的开发 与制造。 2 2 实验材料、实验装置与实验方法 2 2 1 实验材料 一次蒸馏水。 2 2 2 实验仪器与实验装置 实验中所用仪器殴备如表2 1 所示。 寰2 - 1 实验位置 9 中国农业大学硕上学位论文 第二章小同电场条件对蒸馏水蒸发的影响 实验装置如图2 - 3 所示。实验装置的电极形式组合采用的是上电极分别为单线电极、 单针【b 极和扳电极，f 电极采用的是接地的板电极，实验装置还有一对照区域。其中线电 极的直径为o3 r a m 的钢丝，板电极以及接地板电极为不锈钢板。工作时，由高压电源产生 23 4 1 一线【u 檄2 一针电极3 一板电极4 一极问距离调节杆5 一蒸馏水 6 一培养| f l7 一接地也极8 一实验架a 一微安电流表v 一高压电压表 圈2 - 3 实验装置圈 的高压交流电( o 5 0k v ) 经高压硅堆半波整流后变为高压直流电，输出电压用高压电压 表检测，电极的放电电流用微安电流表检测。高压电源产生5 0k v 的高压电由导线接入 上电极，上电极至p 电极之间的距离由极问距离调节杆进行调节。 实验时，在电极之间的培养皿( 内部尺寸：函8 8 2 0m m 左右) 中放入相同质量的 蒸馏水。蒸馏水的温度用非接触式红外线温度计测量。调节高压电源得到不同电压，用微 安表记录实验时的电流。 2 2 3 实验方法 2 2 3 1 不同电场方向下蒸馏水蒸发实验 为了验证电场方向对蒸馏水蒸发速度的影响，在每种电极形式下进行了相同的实验。 0 中国农业大学硕十学位论文第二章不同电场条件对蒸馏水蒸发的影响 实验一：选取两个质量、内径、外径、壁厚、底厚等规格相近的玻璃皿( 内部尺寸： 由8 8 2 0r a m ) ，删数字天平称量并记录原始质量精确称重至o o l g 。分另0 注入4 0 m l 蒸 馏水，精确称量箨自的质量并测量温度，然后其中一个放在如图2 3 所示的上电极为线电 极的电场中，另外一个作为对照放入对照区。电极之间距离分别4 0 m m 。在线电极上接负 极以得剑电场，电压值为5k v 。蒸发时间为1 小时，并记录稳定后的电流值。蒸发完毕后， 再次称壤符i - q 的质蜮和记录各自的温度。然后将线电极接正极和交流电( 频率5 0 h z ) ，重 复上步实验。 实验二：上电极选崩针电极，其余条件与操作同实验一。 实验三：上电极选用板电极，其余条件与操作同实验一。 2 2 3 2 不同电极形式下蒸馏水蒸发实验 实验一：在2 2 3 1 的实验中，可以发现促进蒸馏水蒸发最优的电场方向。在选定此种 电场方向下，研究电极形状对蒸馏水蒸发速度的影响。取四个同样大小的培养皿( 内部尺 寸： - d 8 8 2 0 m m ) ，精确称重至0 0 l g 。分别注入约4 0 m l 蒸馏水，精确称重并记录温度。 然后分别放入如图1 所示的三种不同形式的电场中，另外一个作为对照。在三种不同形式 的电极k 同时加电压。电极距离为2 0 r a m 。电压为5k v ，蒸发时间为l 小时。在蒸