微波干燥技術的研究發展現狀

(廣東工業大學土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

由于微波干燥技術越來越受重視，微波干燥技術的內加熱溫升方式比起傳統干燥技術那種以媒介表面熱的方式有著很大的優勢。

0.1 溫升速度快

真空中，電磁波的傳播速度為3.0*108m/s，穿透物料的時間極為短暫，微波干燥方法能夠對物料的內外部同時進行加熱干燥。在實際微波干燥應用下，當物體的表面水分蒸發時，物體將具有從內向外的溫度梯度，使得水分遷移的方向和傳熱方向一致，可以大大提高干燥速率。而傳統的加熱方式是從物料外部開始加熱，再利用熱傳導方式將熱量傳遞到物料內部，物料中溫度梯度由外而內，溫升速度慢。

0.2 能量利用率高

在微波干燥系統中，微波干燥裝置是全封閉的，各組成部分都基本不吸收微波，故微波主要用于加熱媒質，產生的微波能量損耗較小；另外微波光速進入濕物料內部，瞬間轉化為熱能，微波直接加熱物料而不加熱空氣。加熱裝置是一個用特殊金屬材料制制成的封閉腔體，壁面完全反射微波，從而避免了微波泄漏，因此微波基本上被濕物料完全吸收，加熱過程基本沒有熱量耗散，最終實現了微波干燥技術的節能。

0.3 選擇性加熱

微波干燥過程的溫度場分布受介質本身的介電性質影響，介電性質又是介質本身的溫度或含水率的非線性變化函數。微波干燥過程，因為低溫度和高含水率的地方，介電常數和介電損耗高，所以微波將集中在相應位置，使得溫升更快。微波加熱原理決定微波僅加熱濕材料內的極性材料而不加熱基質材料。 因此，在加熱濕材料的過程中，主要是水分被加熱，并且基質材料僅在濕氣排放過程中通過熱傳導具有一定的溫度升高。

0.4 控制簡單

在微波入射的情況下，介質的溫度將升高，并且隨著微波輸入的停止，溫度將直接降低。 傳統加熱系統不存在大的滯后問題，簡化了未知滯后的控制問題。

1 微波干燥技術研究狀況

1.1 微波干燥的動力學模型

近年來，許多學者在研究微波干燥的動力學模型，掌握微波干燥各參數之間的變化規律，為實際工程上的應用提供了便利。哈爾濱工業大學的范樂樂 將微波干燥除濕裝置內的干燥劑的厚度設置為0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14及0.16 m，經過模擬分析，模擬結果如圖1所示。

圖1120 s時干燥劑的吸附率與厚度的關系

通過對模擬結果進行二次曲線擬合，得出120 s時，干燥劑吸附率與干燥劑厚度之間的擬合函數為：

Y=-1.0595Χ2+1.0376Χ+0.0700

120s時，每一個微元通道內，干燥劑的除濕量與干燥劑厚度間的擬合函數為：

Y=-2.0595Χ2+0.7183Χ+0.0022

通過分析得出，干燥劑厚度在0.08 m～0.10 m之間較為合適[1]。

呂為喬等人在單位質量微波功率為0.8、1.2、1.6 W/g(干基)的條件下，對姜片進行干燥，分析實驗結果，發現Page模型與Wang-Singh模型均能夠描述姜片干燥過程，為得到最佳模型，作者對兩個模型的數據進行了對比，見表1，Wang-Singh模型的決定系數R2最接近于1，Wang-Singh模型顯著性分析的F值最大且為非常顯著，均方誤差小于Page模型。最終判定Wang-Singh模型最適合微波干燥姜片的干燥過程[2]。

表1不同干燥模型下的擬合結果

李婧怡等人，在實驗條件(0.06 MPa真空度、400 W微波功率、1 kg/m2裝料量)下展開實驗，得出水分比MR與時間的變化曲線。比較實驗值與模型的預測值，結果如圖2所示。

圖2相同條件下實驗值與預測值的比較

分析圖2，可以看出Page方程預測值與實驗值基本一致，Page方程可以準確反映黃秋葵真空微波干燥的水分比變化規律，故Page模型可用于來描述黃秋葵真空微波干燥過程[3]。

1.2 微波干燥的能耗分析

隨著微波干燥技術前景的迅猛發展，國內外許多學者注重于微波干燥技術的能耗分析研究。劉海力等人采用了傳統電加熱與微波干燥做對比實驗，實驗結果是微波干燥比電熱干燥用時少很多，即使采用140 ℃的高溫電加熱，也需9 060 s，這是750 W微波干燥時間的10.8倍，1 500 W微波干燥時間的26.6倍，表明微波真空干燥具有明顯的節能效果，相同的負荷， 微波干燥能耗小于電熱干燥能耗的10%[4]。

芮漢明等人采用傳統加熱和微波干燥(分別用300、500、650、1 000 W的微波功率)兩種方式對蘋果加熱，實驗結果表明，微波干燥可以迅速提高樣品的溫度，并提高到相同的溫度，微波干燥時間是傳統加熱的1/5，可以縮短樣品暴露于高溫的時間[5]。

Pickles等人研究了微波輸出功率(160、400、560 W)、樣品質量(5、10、20、30 g)和磁鐵礦吸收劑對低階次煙煤微波干燥的動力學過程的影響。實驗結果表明，大功率和磁鐵礦吸收劑的添加能夠有效地促進了微波加熱干燥。另外，微波加熱干燥速率比常規加熱干燥速率快1～2個數量級，煤的最終含水率也會降低[6]。

楊晚生等人對硅膠的微波和熱風再生性能進行對比研究，研究結果得出在達到相同再生度時，微波再生功率在136 W以上所消耗的電能為熱風再生所消耗電能的15%以下，且在再生度在0.1～0.6內前者的平均能源利用率是后者的10.24～17.86倍[7]。

Arikan和其同伴研究了胡蘿卜微波干燥能耗與質量變化的關系，實驗結果是較低的干燥溫度和較長的微波間隔可以獲得更穩定的干燥過程和高質量的產品[8]。Venkatesh Meda研究了微波水分干燥來減少果醬的水分含量，在不同的微波功率、干燥時間和裝載量下，對微波真空干燥對果醬水含量的影響進行響應面分析，結果表明微波真空干燥可以實現果醬的水分和水分活度達到安全水平[9]。Jiang等人研究了微波——冷凍干燥香蕉片的工藝條件和產品質量，結果表明，微波功率和香蕉成熟度對干燥時間有顯著影響[10]。

1.3 微波干燥的非熱效應

微波的非熱效應是微波化學界一直爭論的焦點。有學者認為微波非熱效應僅僅只是熱效應的一種特殊表現形式；有學者用微波特殊效應或者微波非熱效應來描述除微波熱效應以外的其它效應；有學者認為微波干燥加熱所取得的效果在傳統加熱方法下不能獲得，則應認為存在非熱效應[11]；還有學者錯誤把微波的特殊效應與非熱效應的概念混淆，微波特殊效應是相對與傳統方法而言，非熱效應與特殊效應的本質區別在于特殊效應并不排除與溫度的相關性，可以用溫度變化來闡釋的效應仍然屬于微波的熱效應，但是微波的非熱效應是一種用溫度變化來解釋不了的特殊效應。

例如 Dayal.B使用微波照射膽汁酸與牛磺酸的混合物，經過較短的反應時間就合成了膽汁酸的衍生物，其產率高達70%。但如果使用傳統的油浴加熱，在相同溫度下，該反應并未發生，該現象是單獨的微波熱效應所無法解釋的[12]。

唐彬等人將麻辣雞塊處理為初始菌落數為1.5lgCFU/g，并采用微波處理，微波時間60 s，微波功率密度為4 W/g，并且麻辣雞塊的中心溫度達到85℃即停止。研究結果顯示，存在微波非熱效應，并且非熱效應占主導作用，非熱效應的殺菌效果較好。最終得出結論，微波熱效應主要起快速高溫滅菌作用，而微波的非熱效應主要會引起分子加速和振動，微生物細胞膜破裂，微生物體內的蛋白質及分泌酶和其他生理活性物質的變性或改變，造成微生物失去活力或死亡[13]。

郭季鋒對煤樣及三種模型化合物進行非等溫動力學研究，發現四種脫硫系統的沸點都接近110 ℃，系統的加熱速率隨微波功率的增加而增加；隨著微波功率的變化，新兗煤和三種模型化合物的活化能和指前因子也發生了相應的變化。 可以解釋的是，微波對微波對煤與過氧乙酸脫硫反應的作用是非線性的； 除了熱效應之外，微波效應仍然存在非熱效應，會降低反應的活化能并增加指前因子[14]。

2 結束語

微波干燥是一種新型的干燥方式，具有溫升速度快、能量利用率高、選擇性加熱和控制簡單等優勢，隨著微波干燥技術前景的凸顯，大部分研究發現Wang and Singh 模型和Page模型能夠很好地描述微波干燥過程；微波干燥技術的能耗節省方面比傳統干燥技術有著很大的優勢；微波干燥存在著非熱效應，能夠起到較好的干燥效果。微波干燥技術被認為是在冶金、化工、石油等多種領域上均具有廣泛的應用前景的技術；隨著不斷研究微波干燥技術，會有越來越多領域受益于該技術。