功率超聲在熱風干燥領域中的研究進展

羅登林 徐寶成 朱文學 劉建學

（河南科技大學食品與生物工程學院，洛陽 471003）

干燥是農(nóng)產(chǎn)品加工中的重要單元操作，其能耗相當驚人。據(jù)報導，我國干燥消耗的能量約占總能耗的12%，而其中又以傳統(tǒng)的熱風干燥占了相當大的比重。熱風干燥作為一種主要的干燥技術，被廣泛應用于食品、化工、材料、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領域，尤其在脫水食品生產(chǎn)中占據(jù)90%以上。與真空干燥、冷凍干燥和噴霧干燥等技術相比，熱風干燥具有設備簡單、投資低、干燥工藝參數(shù)易控、自動化程度較高等優(yōu)點［1］。但不容忽視的是，熱風干燥也存在一些急待解決的問題，包括：傳熱傳質(zhì)效率低，干燥時間長，能耗偏高，產(chǎn)品質(zhì)量低。為了提高熱風干燥的效率，通常需要在較高的干燥溫度下（70～85℃）進行。這一方面對食品中的許多熱敏性成分和生理活性成分非常不利，易導致產(chǎn)品質(zhì)量下降，如：營養(yǎng)物質(zhì)和芳香物質(zhì)損失、功效成分的失活、表面硬化開裂、過度收縮、低復水性和明顯的顏色改變等；另一方面則顯著增加了能耗。同時，較長的熱風干燥過程極易引起微生物的滋生與繁殖，特別是食品的腐敗變質(zhì)［2］。因此，探索如何在提高熱風干燥效率的同時，又能降低干燥溫度和節(jié)約能耗，獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，這對于實現(xiàn)干燥領域新理論與新技術的突破乃至國家中長期的節(jié)能降耗目標均具有重要的研究意義。

近年來干燥領域正向節(jié)能、高效，并能進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量的高標準要求方向發(fā)展，探索熱風干燥過程的強化及與其他技術的耦合成為當前的一個重要研究方向［3－4］。本文根據(jù)近年來熱風干燥領域研究的新動態(tài)，重點介紹功率超聲在這方面所取得研究成果，并指出存在的不足和今后發(fā)展方向。

1　功率超聲簡介

功率超聲是指頻率為2×104～2×109Hz、聲強大于1W／cm2的聲波。與其它頻率的聲波相比，超聲具有傳播方向性強，介質(zhì)質(zhì)點振動加速度大，在液體介質(zhì)中能產(chǎn)生空化效應等突出特點。由于超聲獨特的作用效應，它常被作為一種非常有效的強化手段，在許多領域被廣泛采用［5－6］。

1.1　在液體介質(zhì)中強化傳熱傳質(zhì)

國內(nèi)外的大量研究均表明，超聲在液體介質(zhì)中具有明顯強化傳熱和傳質(zhì)的效果，認為這主要與超聲在液體介質(zhì)中能產(chǎn)生空化效應有關，同時超聲所產(chǎn)生的微擾效應、波動效應、湍動效應、射流效應也起到了重要作用。在超聲強化傳熱方面，國內(nèi)任曉光等［7］研究了超聲對無垢質(zhì)蒸餾水傳熱和含垢質(zhì)溶液傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)超聲的加入均可使這兩種體系的傳熱系數(shù)明顯提高（1.2～2.0倍）。超聲在強化傳質(zhì)方面，Paniwnyk等［8］利用超聲從迷迭香中萃取抗氧化成分，與傳統(tǒng)的溶劑萃取法相比，超聲強化溶劑萃取技術能明顯提高萃取傳質(zhì)速率，采用該技術只需在較低的萃取溫度、較小的溶劑／物料比和較短的時間內(nèi)實現(xiàn)高效的萃取。近年來開展的超聲強化超臨界CO2流體萃取天然產(chǎn)物中活性成分的研究，發(fā)現(xiàn)超聲能夠強化萃取過程中固相內(nèi)傳質(zhì)和固相－流體相界面?zhèn)髻|(zhì)，顯著提高傳質(zhì)效率（傳質(zhì)系數(shù)提高30%以上），并且還能改變?nèi)苜|(zhì)在固體表面與內(nèi)部的吸附－脫附平衡狀態(tài)，使平衡過程朝向脫附方向移動，有利于溶質(zhì)的萃取［9－10］。

1.2　在液體介質(zhì)中強化滲透脫水

滲透脫水是食品領域中一種常見的加工方法，但通常由于新鮮物料組織結(jié)構(gòu)緊密，導致滲透脫水速率非常緩慢，往往需要幾周乃至幾個月的時間才能達到加工要求。如果利用超聲在液體介質(zhì)中所產(chǎn)生的聲空化效應，則可以顯著提高脫水速率，脫水后產(chǎn)品的感官品質(zhì)與鮮料幾乎一樣［11－12］。孫寶芝等［13］研究了超聲強化蘋果和梨滲透脫水的效果，發(fā)現(xiàn)超聲空化對水果滲透脫水有顯著的強化作用，經(jīng)超聲空化后的物料滲透脫水率和干物質(zhì)均增大；董紅星等［14］進一步探討了超聲對胡蘿卜滲透脫水質(zhì)量傳遞規(guī)律的影響，表明超聲能有效強化胡蘿卜滲透脫水過程中的傳質(zhì)；巴西學者Fernandes等［15］先利用超聲對新鮮菠蘿片進行輻照（25 kHz、4 780 W／m2、20 min），再熱風干燥，發(fā)現(xiàn)采用此方法能使干燥過程的水分擴散系數(shù)提高45.1%，干燥時間縮短31%。顯然，在干燥方面，超聲對以液體為傳播媒介的干燥體系具有明顯的強化作用，不僅能夠強化干燥過程，而且能夠提高干燥產(chǎn)品品質(zhì)。

但是這種方法是將超聲作為熱風干燥前的一種預處理手段，利用超聲空化效應改變物料表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大細胞壁間隙，以利于后續(xù)的熱風干燥。事實上這種技術只是利用超聲預處理來改變物料的結(jié)構(gòu)性狀，以達到提高熱風干燥效率的目的。而影響熱風干燥效率的因素不僅與物料本身的性質(zhì)有關，更重要的還取決于干燥過程中對流傳熱傳質(zhì)效率（動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞），因而在縮短總干燥時間、降低耗能和提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面的改善效果有限。

目前關于超聲強化干燥方面的研究主要集中于液體介質(zhì)中，其原因主要歸因于超聲在液體中傳播時能量衰減小，傳播距離遠，能夠負載大的能量，而在氣體（空氣）中傳播時聲阻抗低，導致工作效率很低。如果能將超聲直接有效耦合于熱風干燥過程中，就可以利用超聲的高頻率強波動效應、空化效應及熱學效應（產(chǎn)生流體湍流和微射流，降低傳熱傳質(zhì)邊界面厚度，增加近壁面的速度梯度，傳遞超聲能量引起液體介質(zhì)吸收能量遠大于氣體介質(zhì)加速物料水分向氣體中擴散）的特點，滿足超聲既可改變物料本身性狀又能對熱風干燥中傳熱傳質(zhì)進行強化，這推動了對氣介式大功率超聲干燥設備與技術的研究。

2　氣介式大功率超聲干燥設備

早在1995年，林書玉等［16］就對大功率氣介聲波換能器進行了研究，提出了一種彎曲圓盤式換能器的設計思路，并研制出了實物進行試驗，發(fā)現(xiàn)當輸入電功率達200 W時，離換能器正前方1 m處，聲場中的聲壓級可達150 dB。但是直到近來年，由于能源價格的迅速上漲才逐漸引起人們的關注。在2007年第八屆Electron Devices and Materials會議上，有關學者介紹了關于氣介式大功率超聲換能器的設計原理及具體結(jié)構(gòu)，超聲波具備了在氣體介質(zhì)中與像在液體介質(zhì)中一樣傳播的能力，超聲有效強化熱風干燥在實際中的應用真正成為一種可能［17－21］。

2.1　設計原理

要實現(xiàn)功率超聲在空氣中能量的傳播，必須解決聲阻抗配匹問題。由于彎曲圓盤的聲阻抗低，易于實現(xiàn)與空氣的匹配，從而可有效解決大功率超聲的輸出問題。圖1為由相位均衡組件構(gòu)成的圓盤輻射示意圖，當夾心式換能器縱向振子的共振頻率與圓盤彎曲振動某一振動模式共振頻率一致時，二者在同一個共振頻率上共振，此時復合系統(tǒng)的工作狀態(tài)處于最佳狀態(tài)。當輻射圓盤突出的臺階高度與超聲波在空氣中傳播的半波長相等時，負相區(qū)域的聲波不會與正相區(qū)域的聲波相互抵消，相反會相互加強，這樣來自圓盤各個點的輻射相是都是相等的。圖2為設計出的由相位均衡組件構(gòu)成的圓盤實物圖，其具體參數(shù)如表1，也可以根據(jù)實際需要設計成波伏式方形輻射盤（圖 3）［22－23］。

圖1　由相位均衡組件構(gòu)成的圓盤輻射示意圖

圖2　由相位均衡組件構(gòu)成的圓盤實物圖

圖3　帶有8個矩形節(jié)點線的矩形盤振動模式

表1　由相位均衡組件構(gòu)成的圓盤參數(shù)

2.2　設備結(jié)構(gòu)

超聲強化熱風干燥設備主要由熱風系統(tǒng)和超聲系統(tǒng)兩部分組成，其中熱風系統(tǒng)由加熱器、風扇、測溫計、風速計、干燥室（或裝料室）等組成，還可配置真空室、真空泵和壓力計等，超聲系統(tǒng)由計算機、控制元件、功率放大、阻抗匹配、氣介式超聲換能器所組成，超聲換能器可與干燥室外殼直接相連，也可直接伸入干燥室內(nèi)。圖4和圖5分別為這兩種結(jié)構(gòu)的工作示意圖［24－25］。在圖4中，換能器直接與干燥室外殼相連，在超聲工作過程中能帶動整個外殼一起振動，從而作用于整個圓殼內(nèi)的干燥熱風和物料，輻照比較均勻。在圖5中，只有處于超聲換能器正下方的物料和熱風才接受超聲輻照，因此樣品鋪開的面積不能太大，否則干燥不均勻，由于配置的真空泵能及時將干燥后的濕熱空氣抽走，干燥速率也較快。

圖4　與外殼直接相連的超聲干燥設備示意圖

圖5　帶真空系統(tǒng)的超聲干燥設備示意圖

3　氣介式大功率超聲強化熱風干燥的應用

García－Péreaz等［25］探討了采用頻率 21.8 kHz、功率75 W的超聲對熱風干燥過程的強化作用，發(fā)現(xiàn)對不同結(jié)構(gòu)的物料，超聲的強化效果不同，物料結(jié)構(gòu)越緊密，超聲的強化效果越明顯；在熱風流速較小的情況下，超聲均能顯著提高各種物料的水分擴散速率，流速越小，超聲的強化效果越明顯。同時還能降低熱風干燥溫度。有學者認為高的熱風流速會降低空氣介質(zhì)中超聲能量，超聲對熱風干燥動力學的影響歸因于超聲降低了邊界層厚度，在低的風速下（＜5 m／s），干燥速率主要取決于外擴散阻力，而風速的增加降低了擴散邊界層的厚度；當風速增大至某一閾值時（＞5 m／s），干燥速率不再取決于風速的大小，而是由內(nèi)擴散阻力所控制［25－26］。

Cárcel等［27］考察了超聲干燥橄欖葉對萃取物的抗氧化能力的影響，發(fā)現(xiàn)當萃取時間較短時（如30 min），經(jīng)超聲干燥后所得萃取物的抗氧化活性比普通熱風干燥的要高出38%，但是當萃取時間較長時（＞60 min），相反普通熱風干燥所得萃取物的抗氧化活性比超聲干燥要高，其原因未作分析。

Fuente－Blanco等［22］研究了在不同功率的超聲作用下胡蘿卜的脫水情況，發(fā)現(xiàn)隨著超聲功率的增大，胡蘿卜的脫水速率明顯加快，在熱風干燥速率和干燥溫度分別為2 m／s和30℃條件下，附加20 kHz、100W的超聲可使新鮮胡蘿卜在90 min內(nèi)失水率超過70%，而不附加超聲的普通熱風干燥的樣品失水率僅為15%。

Soria等［28］對超聲干燥胡蘿卜的物化性質(zhì)進行了分析，在75 min內(nèi)經(jīng)燙漂后的胡蘿卜失水達90%，認為超聲產(chǎn)生的一系列效應（微擾、產(chǎn)生微孔道、水分子空化）能夠?qū)⑽锪现兴州^容易的移去，干燥可在較低的溫度（≤60℃）下進行。在低溫下（≤40℃），經(jīng)超聲干燥后的胡蘿卜中還原糖的損失很小，但在60℃時，還原性糖有明顯的損失，尤其是葡萄糖（54%）；對于蔗糖、景天庚酮糖和肌醇而言，在不同干燥參數(shù)下均很穩(wěn)定。與冷凍干燥相比，超聲干燥的胡蘿卜在總酚含量、抗氧化活性、復水率、直徑變化方面沒有明顯區(qū)別。

植物種子的保藏對于來年種子的發(fā)芽和作物產(chǎn)量非常重要，科學的干燥方法有利于延長種子的保藏期，提高生產(chǎn)效率。Khmelev等［29］設計了一種鍋式超聲干燥設備，用來干燥各種植物種子，包括甜瓜、西紅柿、玉米、小麥、蕎麥等，發(fā)現(xiàn)采用超聲干燥后的種子比普通熱風干燥后的更耐貯藏；并利用此設備進一步進行了明膠、織物、豌豆和胡蘿卜等多種原料干燥試驗，在160 min內(nèi)明膠的干基含水率由175%降低到25%，在140 min內(nèi)豌豆的濕度由46%降低到3%以下，在150 min內(nèi)新鮮胡蘿卜的濕度由600%降低到350%，根據(jù)公式“干燥效率＝（耗電量×干燥時間）／除去的水分質(zhì)量”比較了超聲干與熱風干燥的效率，計算得出超聲的干燥效率為129.83 W·min／g，而傳統(tǒng)熱風干燥的效率為352.11 W·min／g，即在獲得相同含水率的物料條件下，超聲干燥的效率是熱風干燥效率的2.7倍［30］。

4　存在問題及今后發(fā)展方向

雖然近年來國外對超聲在熱風干燥領域的應用已開始了一些初步研究，但局限于超聲對熱風干燥影響效果方面的探索，一些重要性的基礎問題尚未涉及［31－33］，主要表現(xiàn)在：

超聲在熱風干燥系統(tǒng)中的聲學傳播規(guī)律。超聲在氣體中傳播與在液體中傳播存在明顯不同，特別是熱風和物料的性質(zhì)對超聲波的傳播影響很大。因此，不能簡單借鑒超聲在液體中的傳播規(guī)律。只有獲得超聲在熱風干燥系統(tǒng)中的關鍵性聲學參量值，才能為超聲有效強化熱風干燥過程提供理論指導。

超聲在熱風干燥中的作用效應。超聲在液體介質(zhì)中能產(chǎn)生空化效應，但在氣體介質(zhì)中是不能產(chǎn)生空化效應的。目前大多數(shù)觀點認為超聲對液體介質(zhì)的強化作用主要歸因于其產(chǎn)生的空化效應。那么在熱風干燥中一定功率的超聲能否通過氣體介質(zhì)傳播在氣－液－固三相共存體系中產(chǎn)生空化效應，具體是超聲的哪種效應占強化干燥的主導作用。

超聲場對熱風干燥中的溫度場、能量場、動量場的影響。目前的一些研究只是將超聲與熱風干燥結(jié)合起來探討其干燥工藝參數(shù)的影響，并沒有深入研究超聲、熱風干燥與物料特性等因素之間的關聯(lián)，建立起耦合超聲場、溫度場、能量場、動量場的作用關系，即如何科學地將超聲耦合于熱風干燥過程，實現(xiàn)超聲強化作用的最大化。

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