（食品科学专业论文）静电场干燥脱水机理及其在物料干燥中的应用研究.pdfVIP

中国农业大学硕士学位论文 摘要 摘要 静电场在促进水分蒸发的同时，具有很好的的节能效果。但是对于静电场干燥脱水的作用机 理，静电场作用下物料中水分传递规律以及静电场的作用范围并没有进行深入研究，影响了静电 场的应用。本论文的研究以物理学、电磁学、食品物性学、静电技术等多学科的理论为基础，主 要开展了三个方面的工作；静电场( 上电极采用针电极，下电极采用扳电极形成的电场) 干燥脱 水机理的研究；静电场作用下食品物料中水分传递的研究以及静电场作用范围的研究。主要结果 如下； 1 利用马铃薯片和绝缘物质云母片作为介质，遮挡离子风的作用，研究静电场下下层马铃 薯片受到的影响。结果表明：在马铃薯片和云母片的影响下，下层马铃薯片的水分蒸发量可以达 到对照的2 4 倍：不加云母片的马铃薯的水分蒸发量为云母片下马铃薯水分蒸发量的3 倍左右。 初步分析认为，利用马铃薯和云母挡住了离子风的作用后，下层马铃薯片水分蒸发量仍高于对照 是因为下层马铃薯片受到电场的作用，云母片下马铃薯水分蒸发量明显低于不加云母片的，表明 离子风对促进水分蒸发起到一定的作用。电场下马铃薯片水分蒸发加快除了离子风的作用外，还 受到电场的影响。 2 静电场下马铃薯表面的水分含量在离子风的作用下急剧下降，随着表面水分含量的降 低，内部的水分在电场的作用下会加速向表面传递；静电场下马铃薯表面的干燥是不均匀的，在 针电极正下方的圆内干燥的最快，距离针电极越远，水分蒸发的越少。 3 极间距离和电场的作用半径之比为1 ：6 时极间距离2 0 r a m 时马铃薯片的水分蒸发量是 对照的1 5 倍左右；随着极间距离的增加，马铃薯片的水分蒸发量和对照相比相差不大。可以认 为在极间距离和电场的作用半径之比为1 ：6 的范围外，电场的作用基本消失。 关键词：静电场，蒸发，干燥 中国农业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t e l e c t r o s t a t i cf i e l dc a op r o m o t et h ee 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 ，a n dh a sg o o de n e r g y 。s a v i n g e f f e c t s b u tt h e r ea r em a n yp r o b l e m sh a v en o tg o ts y s t e m i cr e s e a r c hs u c ha st h em e c h a n i s mo ft h e e l e c t r o s t a t i c sd r y i n g , t h ew a t e rt r a n s f e ro ff o o d s t u f fu n d e rt h ee l e c t r o s t a t i cf i e l da n dt h ee f f e c ta r e ao f e l e c t r o s t a t i c sf i e l d s ot h et e c h n o l o g yh a sn o tg o tb e t t e ra p p l i e 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 e s ，f o o dp h y s i c s ，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 e t h r e e p a r t s a d d r e s s e di nt h et h e s i s ：t h ef i r s ti st h es t u d y0 1 1m e c h a n i s mo fh i 曲v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l d ；t h e s e c o n di st h ew a t e rt r a n s f e ro ff o o d s t u f fu n d e rt h ee l e c t r o s t a t i cf i e l d ；t h el a s tj st h ee f f e c ta r e ao f e 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 ea n das t a i n l e s ss t e e lp l a t e t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b yu s i n gp o t a t os l i c e sa n di n s u l a t i o nm a t e r i a lm i c af i l ma s am e d i u mt os h i e l di o nw i n d s ，t h e e f f e c to fe l e c t r o s t a t i cf i e l do nt h es e c o n dp o t a t os l i c e sw a ss t u d i e d t h em a i nr e s u l t sa m ：t h ew a t e r e v a p o r a t i o no f t h es e c o n dp o t a t os l i c e si nt h ee l e c t r o s t a t i cf i e l di s2 - 4t i m e st h a nc o n t r o ls a m p l e so nt h e e 如c t so fp o t a t os l i c e sa n dm i c a ；t h ew a t e re v a p o r a t i o no ft h ep o t a t os l i c e si nt h ee l e c t r o s t a t i cf i e l d w i t h o u tm i c ai s3t i m e so ft h ep o t a t o e s u n d e rt h em i c a b ya n a l y z i n gt h er e s u l t s ，i ti o u n dt h a tt h em a i n r e a s o nt h a tt h ew a t e re v a p o r a t i o no ft h es e c o n dd o t a t os l i c e sm o i lt h a nt h ec o n t r o ls a m p l e si st h e s e c o n dp o t a t os l i c e sa f f e c t e db yt h ee l e c t r o s t a t i cf i e l dw h e nt h ei o nw i n d sa r es h i e l d e d t h a tt h ew a t e r e v a p o r a t i o no fp o t a t os l i c e su n d e rt h em i c al e s st h a nt h ep o t a t os l i c e s w i t h o u tm i c as h o w si o nw i n d s p l a ya l li m p o r t a n tr o l ei np r o m o t i n gw a t e re v a p o r a t i o n b e c a u s eo ft h ee f f e c to ft h ee l e c t r o s t a t i cf i e l d a n dt h ei o nw i n d s ，t h ew a t e re v a p o r a t i o ni n c r e a s e su n d e rt h ee l e c t r o s t a t i cf i e l d 2 t h ee x t e r n a lm o i s t u r ec o n t e n to f p o t a t os l i c ed e c r e a s e ss h a r p l yi nt h ee l e c t r o s t a t i cf i e l db e c a u s eo f t h ee f f e c to ft h ei o nw i n d s 。w i t ht h ee x t e r n a lm o i s t u r ec o n t e n td e c r e a s i n g ，t h ev e l o c i t yo ft h ei n t e r n a l m o i s t u r et r a n s f e ri n c r e a s e si nt h ee f f e c to ft h ee l e c t r o s t a t i cf i e l d ；t h ed r y i n go fp o t a t os l i c es u r f a c ei s i n h o m o g e n e o u s t h ed r y i n gr a t eo ft h ec i r c u l a r i t yb e l o wt h en e e d l ee l e c t r o d ei sf a s t w i t ht h eh o r i z o n t a l d i s t a n c eb e t w e e nt h ee l e c t r o d ea n dp o t a t os l i c ei n c r e a s i n g ，t h ew a t e re v a p o r a t i o nd e c r e a s e s 3 w h e nt h er a t i oo fd i s c h a r g eg a pt or a d i u si s1 ：6 t h ew a t e re v a p o r a t i o no ft h ep o t a t os l i c ea t 2 0 r a md i s c h a r g eg a pi sa b e u t1 5t i m e so fc o n t r o ls a m p l e s w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ed i s c h a r g eg a p ， t h ew a t e re v a p o r a t i o no ft h ep o t a t os l i c ei nt h ee l e c t r o s t a t i ca n dt h ec o n t r o ls a m p l eh a sn oo b v i o u s d i f f e r e n c e i ts h o w st h a to u t s i d et h er a n g et h a tt h er a t i oo fd i s c h a r g eg a pt or a d i u si s1 ：6 ，t h ee f f e c to f t h ee l e c t r o s t a t i cf i e l dd i s a p p e a r 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 ，e v a p o r a t i o n ，d r y i n g 2 独创性声明 丫9 3 87 l3 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：嗽社 时间： 妒。年月婶日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国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：张母 时间： 伽6 年6 月柙日 i 刷磁轹夸皂呼 时间：? 纠6 年i 月仔日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的意义 1 1 1 传统干燥技术的缺点 干燥技术是一种古老的食品保藏方法，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 昧、颜色、质构、储藏寿命、营养价值等。物料的脱水和干燥是国民经济、工农业各部门中广泛 采用的生产工序，更是食品加工中十分重要的过程。通常情况下，干燥是通过辅助给热的方式从 物料中将液体除去，形成圆形产品。例如，自然干燥、蒸汽、热风、太阳能热源或电流的热效应 ( 如工频、高频、红外、微波) 等方法。它们分别存在能耗高、干燥不均匀、物料升温等缺点。 通过加热方式对食品物料进行干燥，物科必须升温，有时温升还很高，温度过高会降低食品的颜 色，风味，质构以及营养。为了保持干燥过程中食品物料的质量，真空冷冻干燥技术应运而生， 真空冷冻干燥能保存干燥食品的原有形态，最大限度减少食品的色香味和生物活性物质的损失。 但是真空冷冻干燥设备造价高，运行费用高，生产过程能耗高，干燥时间长，因此限制了它在工 业生产中的应用”。 高能耗和产品品质降低是食品干燥中的两个最主要问题。干燥是一种高能耗的操作，据资料 统计，法国、英国、瑞典等发达国家，高达1 2 的工业能耗用于干燥工艺，在各种工业干燥能耗 中，农产品、食品的干燥能耗仅次于造纸工业，位居第2 位”1 ，中国干燥操作的能耗约占总能耗 的l o ”。为了降低干燥过程中的能源消耗，人们在传统干燥理论和基础上，结合先进的加熟方 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”“”。随着人民生活水平的提高，人们越来越关注食品干燥产品的品质，对食品的品质 提出了更高的要求。干燥过程对食品的品质具有很大的影响，有时甚至起到决定性的作用。众所 周知，现在仍占主导地位的热风干燥对食品的色泽、维生素c 及其他生物活性物质破坏的程度较 大，而目前要获得优质干燥产品常常需要采用昂贵的方法和设备，如冷冻干燥。干燥的经济性和 产品质量之间目前还存在着很大的矛盾，如何以低能耗和低成本去获得优质的脱水干燥产品， 是当前食品干燥研究中急需研究和解决的问题，也是干燥技术研究和发展中的一项最大的挑战。 1 1 2 静电场干燥的优点 由于高压静电场对水分的蒸发和物料的干燥具有促进作用，并且可以降低能耗，近年来受到 了人们的关注。最先发现高压静电场促进水分蒸发的是日本的学者浅川，浅川在研究高压静电场 时发现经高压静电处理后水的某些性质会发生变化，在高压电场中，水的蒸发变的非常活跃，施 加电场后水的蒸发速度明显加快，并证实电场的耗电量很小，这便是“浅川效应” a jo 之后越来 越多的人开始研究高压静电场在干燥方面的应用，通过对各类物料：包括蔬菜、中药材、生物材 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 曼皇置量皇曼置| 曼曼簟葛曼曼鼍置量皇皇蔓鼍皇曼皇詈曼鼍暑已鼍曼昌e 曼曼置| 量曼曼曼皇墨鼍_ i i i 吕 料、乳制品等的干燥研究，发现静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，同时具有热风干燥和真空冷冻干燥的优点。静电场干燥最大的特点是在干燥过程中， 物料温度低。能量消耗少，很适合于热敏性物料的干燥。其技术特点主要有：传统干燥技术的主 要原理是“传熟传质”，即通过加热介质将能量传递给干燥物料，经能量交换，物料中的水分被 传递到物料表面然后由温度梯度作用，使水分子被蒸发除去。静电场干燥则是通过不均匀电场 的作用，在电场的作用下。水分子被拉到物料表面，该过程没有传热过程，因此物料不会升温。 更为重要的是，电晕放电可以在常温和常压下产生，在促进水分蒸发的同时还具有良好的节能效 果。因此静电场干燥在低温时的应用尤其引人注目。但是由于静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、水分变化特性、干燥模型等的研究还不够深入和系统，囡此限 制了它的推广与应用。目前，人们对电场干燥技术的研究主要集中在分析影响电场干燥技术的诸 多因素( 如施加电压的大小、电场种类、两电极阏距离) 以及高压电场对食品物料品质的影响( 主 要指色泽、营养成分的损失变化) 等方面，但是对于高压电场促进干燥的机理仍不明确。为此， 我们有必要进一步研究静电场干爆技术，探讨其机理，以便更好更快地应用于工农业生产。 1 2 静电场的介绍 本文所说的静电场是指不均匀电场，也叫电晕电场。不均匀电场的形式很多，绝大多数是不 对称电场。本文中采用的是针电极和板电极形成的极不均匀电场。在电场极不均匀时，随着间隙 上所加的电压的升高，在大曲率电极附近很小范围内的电场足以往空气发生游离，而阃隙中大部 分区域的电场仍然很小。于是在大曲率电极附近很薄一层空气中将具备自持放电( 即外界游离因 素不存在，间隙中的放电仅靠电场作用继续进行下去) 的条件，放电仅局限在大曲率周围报小的 范围内，而整个间隙尚未击穿。这种放电称为电晕放电。这是由于大曲率周围的强电场区的气体 游离造成的。伴随强电场区中的游离、复合、激励和反激励，发出大量光子，使起晕电极周围有 薄薄的紫色光层，称为电晕层，电晕层以外的电场很弱，不再发生游离。爆发电晕时能听到“嘶 嘶”的电晕声，看到蓝紫色的辉光，能浏到电流85 。 电晕放电是不均匀电场所特有的一种自持放电形式，是极不均匀电场的特征之一，它与其它 形式的放电有本质的区别。电晕放电时的电流强度并不取决于电路中的阻抗，而取决于电极外气 体空间的电导，这就取决于外加电压、电极形状、极间距离、气体的性质和密度等“”。 根据孙剑锋“的研究，在高压不均匀电场下，上电极为针电极，下电极为板电极时的蒸发效 果优于上电极为线电极时的蒸发效果，并且针电极下1 小时蒸发l g 蒸馏水的电场能值小于线电 极下1 小时蒸发1 9 蒸馏永的电场能值。因此本实验中所采用的电场为针电极和板电极形成的负 电晕电场。针一板电场为典型的极不均匀电场，针尖的曲率很大根据静电学知识，导体表面的 面电荷密度8 与电荷所在处导体的曲率有关，曲率越大的地方，其面电荷密度6 越大，曲率越小 的地方，其面电荷密度6 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 2 o 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 式中e 一电场强度v m - 1 ，6 一面电荷密度，e0 - 一真空介电常量，o = 8 8 5 4 i 0 ”f m l 当对针一板形成的电极系统施加高压时，由于针电极尖端附近的电场强度很大，空气中散存 的带电粒子( 如电子或离子) 在场强的作用下做加速运动时就能获得足够大的能量，以至它们和 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。与尖端上电荷异号的带电粒子受尖端电荷的吸引，飞向尖端，使尖端上的 电荷被中和；与尖端上电荷同号的带电粒子受到排斥而从尖端附近飞开，从而形成尖端放电现象 “。发生尖端放电时，尽管惰性气体和n 2 和h z 等气体不会通过吸附电子而形成负离子，但象 如和比o 等气体可在极短的时间内吸附电子而形成负离子“。 这样由于不均匀高压电场的作用，负离子以一定的速度离开针状电极向接地电极运动。负离 子运动过程中，与附近区域内的其他气体分子发生碰撞，因此带动其他气体分子一起定向运动形 成具有一定速度的离子风。研究发现，在空气中的电晕放电会产生速度为几米每秒的离子风“。 根据李里特“”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，具体可用下式表示： u 2 “e ( 1 - 2 ) 式中u 一带电粒子在电场中的漂移速度，ms - 1 ；一离子淌度( i o n i c m o b i l i t y ，即在l o o v m 的电场强度中离子的漂移速度) ；e _ 电场强度。 电场中的正、负离子淌度并不相等，负离子淌度为1 8 7 x 1 0 。m 2 ( v s ) ，正离子淌度为1 3 5 x 1 0 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 a c r o s s “”的发现，电晕放电区内离子风的速度和电场强度之间的关系可用下式表示 叫等卜 cz 吲 式中v 一离子风速度ms ：er 一真空介电常量，e 0 _ 8 8 5 4 x1 0 - 1 2 f i n 1 ：p 一空气的密度。i ( g m - 3 ；e _ 电场强度，v m 。 由式( 1 3 ) 可知，离子风的速度与施加的电场强度成正比。由物理学知识可知，随着电 极之间距离增大，电场强度是降低的。因此在电压不变的条件下，随着极间距离的增大，离子风 的速度是降低的。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 静电场对水分蒸发的影响 3 水是农产品和食品物料的主要组分，它对食品的构造、外观、味道及变质的敏感性有者很大 的影响。水虽然是极普通的简单的化合物，然而由于它的一些特异性质，以及对食品物性的影响， 近年来受到科学家的格外重视。水分子之间除范德华力之外，还可由大的氢键结合为大的分子团， 水分子团的结构是动态的，其稳定时间只有l o 。2 秒左右。“。影响水分子团大小的因素除与水温、 离子浓度有关外，又因为水分子是极性分子，还与电场、磁场、红外线等电磁波有关。在静电场 作用下，水的某些性质如蒸发漤热、蒸发速度、水分子团的大小等耍发生变化。 影响水蒸发的因素除了温度、相对湿度和压力外，水的结构即水分子团的大小对水的蒸发 也有一定的影响。高压静电场促进水分蒸发的现象已有许多学者进行了研究。最早将电场用于水 分蒸发的是y a s a k a w a ”，在1 9 7 6 年他营报道在1 2 c 下对永施加电场后，水的蒸发速度提高了 4 0 5 0 倍，并且发现：对盛放在烧杯中的2 0 0 m l 蒸馏水施加1 5 k v 的高压交流电晕电场后，水达 到沸点所需要的时间仅是不施加电场达到沸点所需时间的一半。1 9 8 4 年，y a s a k a w a 又报道了施 加电场后蒸馏水的蒸发速度显著提高，可达到自然干燥的1 0 倍左右；在相同的电压下，高压交 流电场的效果要优于高压直流电场，并且负高压电场的效果要优于正高压电晕电场。电场处理结 束后，蒸馏水的蒸发速度反而低于处理前的蒸发速度。1 9 9 0 年n ，n b a r t h a k u r “利用电晕电场对 浓度为5 2 5 ( w v ) 的食盐溶液进行了蒸发实验，结果发现施加电晕电场后的不同浓度食盐溶 液的蒸发速度提高了3 。5 到3 9 倍，并且食盐结晶在施加电场的试样中更容易形成。他认为离子 风是促进蒸发和结晶提早生成的主要原因。1 9 9 0 年田中政史在环境温度2 5 c 0 2 c ，相对湿度 5 0 2 。0 ，风速0 ，0 5 ms e c - 1 的实验室内，在电晕电场作用下对蒸馏水进行了蒸发实验，结果 发现电场促进了水分的蒸发，并且认为主要原因是离子风对水面的冲击作用。他认为经电场处理 后水的蒸发速度降低的主要原因是水分子问的结合状态即水分子团的结构发生了变化。这些结论 都是假设得出的，并没有经过实验验证。1 9 9 1 年富田节雄利用电晕电场对蒸馏水进行了蒸发实验， 结果发现在低温条件下电场作用的效果显著。蒸发速度可提高2 0 3 0 倍；在室温( 2 0 ) 条件 下蒸发速度提高约8 1 0 倍。并且他认为电场作用下的蒸发量与施加电压成正比、与针状电极到 液面的距离成反比“。f u m i oa s h i n a g a ，g a n g ap t a s a t ”等1 9 9 5 年在环境条件下对盛放在2 0 0 m l 烧 杯中的2 0 0 9 蒸馏水进行了蒸发实验，比较了线电极和板电极组成的不同极性电场对蒸馏水蒸发 的影响，认为高压交流电晕电场对蒸发的作用效果最强。他们测定了交流电场作用过程中和处理 结束后蒸馏水温度的变化，并发现处理过程中蒸馏水的温度逐渐降低，当处理结束后，蒸馏水的 温度又慢慢恢复。l i t e u ，f a d e 和e i z o t a t s u m i p ”( 2 0 0 0 ) 利用负电晕电场对蒸馏水进行了蒸发实 验：把2 0 m l 蒸馏水盛放在1 5 0 m l 烧杯中测量了电场作用对蒸馏水蒸发速度的影响，并在电压保持 一定的条件下，通过改变针状电极到蒸馏水表面的距离观察了蒸馏水蒸发的速度，结果发现：盛 放在烧杯中的蒸馏水随着极间距离的增大，蒸发速度提高。2 0 0 1 年李里特和李法德。2 1 利用针板形 成的负电晕电场对蒸馏水进行了蒸发，认为在电场( 电压- 2 0 k v ，针电极到蒸馏水表面距离1 8 c m ) 下，蒸馏水的蒸发速度是对照的1 4 倍左右，施加电场后的蒸发效果是不施加电场时的蒸发效果 与电场单独作用时的蒸发效果的线性叠加，当极问距离不变时，蒸发速度随电压增大而增大，但 不是线性关系，当电压保持不变时，蒸发速度随针状电极到液面距离的增大而呈“m ”形变化， 即存在一个最佳电极距离使得此距离下蒸馏承的蒸发速度最大，并提出了针电板电场的有效作用 s i g n 题，但没有展开进一步的研究。2 0 0 4 年刘强，翁明等”1 利用针电极与金属盒形成的负电晕 4 电场对蒸馏水进行了蒸发，认为电晕风可提高蒸馏水的蒸发速度，并且随着放电间隙的增大，放 电电流逐渐减小，对应电晕风逐渐减弱，干燥速度随即下降。孙剑锋”( 2 0 0 4 ) 研究了高压电场 上电极分别接正极直流电、负极直流电和交流电的情况，实验结果表明上电极接负直流电时蒸发 量与接交流电和正直流电时没有明显差别，但是电流却比接正电和交流电小的多，l 因此从节能角 度来看接负直流电比较好。 1 3 2 静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( e l e c t m h y d r o d y n a m i cd r y i n g o 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。a t s u k ok i r s c h v i n k - k o b a y a s h i 等 “”1 9 8 6 年利用针状电极产生的电晕电场和外加热源( 热水浴和红外线灯) 对滤纸、毛布和洋葱片 进行了干燥实验，结果表明：电晕电场可以提高物料的干燥速率，负电晕电场的效果要比正电晕 电场和交变电晕电场的效果好，他们测量了干燥过程中附加电场的能量消耗，在静电电压为 1 5 k v 、极间距离5 c m 的条件下，最大消耗功率为1 6 w ，交流电压下的功率为3 5 5 w ，静电下的 能量消耗低于交流电压下的能量消耗，并且认为是电场产生的离子风提高了物料的干燥速率。 i - l r c 盯l o n 和j l a t h a m ”1 ( 1 9 9 2 ) 在平行电场中对圆形湿纸片在不同电场强度下进行了干燥试验， 得出了干燥速度随电场强度增加而线性增加的结论。c h e n ，b a r t h a k u r 和a r n 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实验，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 r n 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 o a s h i n a g a 、g a n g a p r a s a i 等”1 ( 1 9 9 5 ) 利用线电极和矩形板电极 组成的交变电场在环境条件( 2 5 、3 5 i i i ) 下对苹果片进行了干燥实验，得出了在极间距离2 2 m m 不变的情况下，随着施加电压的提高，干燥速度也提高。董守绂，梁运章。“( 1 9 9 6 ) 利用针电极 为上电极和金属网为下电极形成的负电场对自来水、含水土块、尖辣椒和菠菜进行了干燥实验， 结果表明电场下干燥速率快于对照组，并且推测主要原因是物料中水分在电场的作用下从物料内 部输送到物料表面，电场又加速了水分从物料表面扩散到空气中，但是这只是推测的结果，并没 有经过实验验证。y a n gt i q a n g 等( 1 9 9 7 ) 在高压电场下对青辣椒进行了干燥实验，并认为其 干燥速度加快是因为青辣椒中的水分在电场作用下沿毛细管运动( 电渗透) 加快造成的。那日， 杨体强等”“( 1 9 9 9 ) 利用电晕电场在加热和有排湿风扇强制对流的条件下对辣椒和热敏性物料西 洋参、金霉素进行了干燥实验，发现施加电场后，干燥时间可缩短一半，纯静电技术和热风干燥 复合后在干燥效果上具有叠加性，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。x ) 【u e ，n n b a r t h a k u r , 1 a l l i 1 ( 1 9 9 9 ) 对2 0 的乳清蛋白在高压电场 下和烘箱中分别进行了干燥实验，并用电泳( e l e c t r o p h r e s i s ) 、d s c ( d i f f 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参数。结果显示：在电场下干燥的乳清蛋白的性质和在环境条件下 干燥的乳清蛋白性质没有差别。s e i i c h i mi s o b c , n a y a n ab a r t h a k u r 3 ( 1 9 9 9 ) 研究了在针一板电场下 ( 环境温度2 5 ( 2 ，相对湿度6 0 ) 琼脂的干燥特性，发现琼脂的干燥曲线只有降速阶段，琼脂 在电场下的干燥速度是对照的4 倍。同时他还发现琼脂的表面温度是不均匀的，认为可能是有离 子风存在的缘故，但是没有进一步的实验证明。粱运章等1 ( 2 0 0 0 ) 用胡萝h 、马铃薯等物料在电 5 场下进行干燥实验，发现电场下物料的干燥速率加快，并初步从理论上分析了电场干燥的机理， 认为电场力是促进毛细血管水的运动速度和物料表面水分的蒸发的主要因素，但是并没有进行实 验验证。“t cl i ，f a d el i ( 2 0 0 1 ) 利用针盘组成的单针电场对豆渣在1 0 5 c 下进行了干燥实验， 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 一9 0 之 间，并且缩短干燥时间2 5 2 生右。t r b a j g a i 和e h a s h i n a g a 。“( 2 0 0 1 ) 等利用多针和盘电极接交 流电形成的电场( 4 3 0 k v m ) 、在6 0 c 烘箱条件下和2 5 c 室温下分别对菠菜进行干燥，结果表明： 连续干燥7 小时后，分别除去了8 0 i ，7 9 8 和1 9 3 的水分；他们发现高压电场条件下菠菜 中的叶绿素含量比传统干燥方法高，并且没有有机酸和糖的形成；同时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，颜色保持好。翁明，耿艳霞“( 2 0 0 1 ) 通过对植物进行静电干燥， 发现静电干燥速度明显快于自然干燥，认为原因是静电力对植物体内水分产生了作用，加速了水 分从体内运动到表面的过程，从而加快了干燥速度。这也是根据理论进行的推测，没有实验证明。 f c l a i 等。”( 2 0 0 2 ) 利用线一铜网电极形成的电场对直径为3 m m 和6 m m 的玻璃珠进行千燥， 认为在有气流存在时，会抑制电晕风的作用，降低干燥速率，没有气流时，干燥速率随所加电压 升高而线性增加。w c a o ，y n i s h i y a m a 等1 ( 2 0 0 4 ) 利用多针一板电极形成的直流电场对糙米进 行了干燥。得出结论：电场下糙米的干燥速率明显高于对照，在较低的处理温度下，干燥速率提 高的也很明显。极间距离一定时，随着电压的升高，干燥速率也加快：施加电压相同时，随着极 间距离的增大，干燥速率降低。并且发现，低温电场处理后糙米的爆腰率和对照相比没有明显差 别。w c a o ，y n i s h i y a m a 等1 ( 2 0 0 4 ) 在针一盘电极系统下对小麦进行干燥，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。e c l a i “等利用多针和板电极形成的电场对玻璃珠进行了干燥，认为 有气流对样品表面作用时干燥速率降低是因为气流抑制了电晕风的作用，并且认为从每单位干物 质消耗的能量来看，单针电极比多针电极耗能少，但是对实际应用来说，多针电极的干燥速率快 于单针电极的干燥速率。 1 4 目前存在的问题 由于静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、水分变化特性、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。目前，人们对静电场干燥技术 的研究主要集中在分析影响静电场干燥技术的诸多因素( 如施加电压的大小、电场种类、两电极 间距离) 以及静电场对食品物料品质的影响( 主要指色泽、营养成分的损失变化) 等方面，但是 对于静电场促进干燥的作用机理仍不明确，只是提出了两种假设。一种认为是电场力的作用促进 了水分的蒸发，一种认为电场产生的离子风是促进水分蒸发的主要作用，但是并没有进行实验验 证。由于静电场在促进水分蒸发的同时，具有很好的节能效果，对食品干燥具有重要意义。因此 有必要对其作用机理进行深入研究，以便于静电场干燥技术能尽快应用于工业生产。 对于静电场促进干燥的研究，虽然得出了负针一板形成的电场促进水分蒸发和节能效果要优 于其它电极形式，负针一板电场促进水分蒸发是有一定范围的，但是对于负针一板电场下食品物 6 料中水分的分布以及负针一板电场的作用范围并没有进行深入研究，如果要把静电场应用于工 业，必须明确电场作用下物料中水分的分雍规律和针一板电场的作用范围，这样才能设计开发出 更好的静电干燥设备，因此有必要对其进行深入研究。 1 5 研究内容和目标 本文主要是以马铃薯为研究对象，对静电场干燥脱水的机理进行研究，在此基础上对静电场 下食品物料中的水分传递和负针一板电场的作用范围进行研究。具体的研究内容如下： 1 ) 以马铃薯片为研究对象，利用马铃薯片和云母片为介质遮挡离子风的作用，通过改变上 层马铃薯片的厚度，两层马铃薯片间的距离，针电极距离马铃薯片的距离和电压等条件来改变电 场的作用，研究在没有离子风的作用下电场对马铃薯片水分蒸发量的影响以及静电场干燥脱水的 机理。 2 ) 在找到静电场干燥脱水的主要影响因素的条件下，研究静电场作用下物料中水分传递的 规律，为干燥模型的建立提供理论基础。 3 ) 对负针一板电场促进水分蒸发的作用范围进行研究，找到负针一板电场下促进水分蒸发 的作用范围和极间距离的关系，为静电场干燥设备的开发提供理论基础。 7 第二章静电场干燥脱水机理的研究 2 1 前言 干燥是食品加工中重要的操作单元，但是，据资料介绍，干燥所消耗的能量占整个食品加工 厂的能量消耗的1 0 左右”3 。为了降低干燥过程中的能量消耗，提出了许多先进的干燥技术。由 于静电场干燥不仅可以提高干燥速率，而且可以节省能源，受到人们的关注。根据李法德等的研 究，在电场下对豆渣进行干燥实验后，电场作用下的初始干燥速率是对比试样初始干燥速率的2 倍，节能率可以达到8 5 - - 9 0 。由于静电场具有良好的节能效果，因此有必要对其进行深入的 研究将其应用到工业中。但是目前对静电场脱水的研究主要集中在分析影响静电场干燥技术的 诸多因素( 如施加电压的大小、电场种类、两电极间距离) 以及对食品物料品质的影响( 主要指 色泽、营养成分的损失变化) 等方面，对静电场干燥脱水的机理并没有进行深入的研究。限制了 其在工业中的应用。 目前，对于高压电场干燥脱水的机理，有两种假说，一种。认为高压电场促进水分蒸发的主 要原因是离子风对物料表面的冲击作用，另外一种假说”认为是电场力促进了物料表面的水分蒸 发。但是这两种说法都是作为假设提出的，并没有进行实验验证。如果是离子风的作用的话，被 介质遮挡后，下层马铃薯片的水分蒸发量和对照相比将没有差异。如果是电场力的作用，遮挡后 马铃薯片的水分蒸发量将不会受到影响。本实验的只要目的就是利用马铃薯片和云母片作为介质 来遮挡离子风的作用，通过测定介质遮挡后马铃薯片的水分蒸发量来研究电场干燥脱水的机理。 2 2 实验材料、实验装置与实验方法 2 2 1 实验材料 从农大市场购买的马铃薯 2 2 2 实验仪器和实验装置 实验中所用仪器设备如表2 1 所示。 实验装置如图2 - 1 所示，实验所采用的电场是上电极为针电极，下电极为板电极接地形成的 负电晕电场。工作时，由高压电源产生的高压交流电( 0 5 0 k 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表检测。高压电源产生o 5 0 k v 的 高压由导线接入上电极，上电极和下电极之间的距离可由实验装置上的距离调节孔进行调节。实 验中马铃薯片放置在内径为8 7 x 1 5 r a m 的玻璃皿中。 2 2 3 实验方法 8 为了研究静电场下食品物料干燥脱水的机理，本实验选用马铃薯和云母片作为介质，遮挡离 子风的作用，通过改变电场的条件，研究电场下离子风被遮挡后马铃薯片受到的影响。 表2 1实验仪器 一一一一一一 ：! 塑堡兰! 窑璧鲤磐罂墨竺罂磐 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 。_ _ _ _ 。_ 。一一一一一一。一。 设备名称 型号 生产厂家 备注 高压电源：交流试验变压器y d j 一5 0 型 北京互感器厂 o - 6 0 k v 高压硅堆 2 c l2 5 0 型北京互感器厂 高压电压表j g y - - 1 0 0 型 北京丰源高压电器厂精度；0 0 1 k v 微安电流表 数字天平 非接触式红外线温度计 温湿度计 烘箱 “c 2 型 a r c l 2 0 i t 2 - 8 0 s k l 2 0 0 h t 2 0 2 a - 3 型 上海浦江电表厂i 口ag b i t 7 6 7 6 9 8 0 h a u su s a 日本k e y e n c e 精度：0 0 1 9 精度：s = 0 9 4 k e i r y o k i m f g c o l t d j a p a n 0 1 c1 上海申光仪器仪表有限公司 2 2 3 1 马铃薯片的预处理 选取从农大市场购买的新鲜度良好，外观完好的马铃薯，用水清洗干净，去皮，用不锈钢 刀切成厚度为4 r a m 左右的马铃薯片。选取大小基本一致的马铃薯片，在沸水中热烫3 分钟，捞 出，迅速在冷水下冷却，然后用滤纸擦干表面水。 2 2 3 2 电场对两层叠放的马铃薯片的影响 实验一：选取两个质量、内径、外径、壁厚和底厚等规格相近的玻璃皿( 内部尺寸：, 2 , 8 7 x 1 5 m m ) ，用数字天平称重并记录其原始质量，精确称重至0 0 1 9 。在两个培养皿中分别先放入4 r a m 厚的马铃薯片1 片，称量其质量并用非接触式红外线温度计测量表面温度，然后再放入第2 片马 铃薯片，称量总质量并记录，两片马铃薯片叠放在一起。然后其中一个如图2 2 中的( a ) 所示， 放在图2 1 所示的电场中，另外一个如图2 - 2 中的( b ) 所示。作为对照放入相同的外界环境 中。实验所采用的电压为2 0 k v ，针电极距马铃薯表面的距离为4 5 r a m 启动高压电源，把电压调整 到实验要求的电压( 2 0 k v ) 。每隔3 0 r a i n 切断高压电源，把试样取出在数字天平上精确称重，并 9 耋型塑型箜些i i 篓耋塑i l l 錾墼垫塑望目s ! l ! g _ e ! _ | s _ _ 目e ! ! ! ! _ 三l _ ! 二 记录马铃薯的表面温度。整个操作在2 r a i n 内完成，实验中尽量保持环境温度和相对湿度不变。 23 l 一高度调节孔2 - - 针电授3 - - 培养皿4 一实验架5 一物料a 一微安电流表v 一高压电压表 图2 - - 1 实验装置圈 r i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es e t u p 卜一针电极2 一上层马铃薯片3 一下层马铃薯片 1 一上层马铃薯片2 一下层马铃薯片 ( b ) ( b ) 圉2 - - 2 试样放置示意图 魄2 2s c h e m a t i cd i a g r a m