微波熱泵聯合干燥機的設計與試驗研究
2016-03-23 07:32:40王教領宋衛東王明友吳今姬
農機化研究 2016年12期
王教領，宋衛東，王明友，吳今姬
(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)
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微波熱泵聯合干燥機的設計與試驗研究
王教領，宋衛東，王明友，吳今姬
(農業部南京農業機械化研究所，南京210014)
摘要：為了解決農產品干燥過程中能耗高、品質差等問題，研制了一種微波熱泵聯合干燥機，對該機的整機結構、工作原理和關鍵部件做了介紹分析，并以金針菇為原料進行了微波熱泵聯合干燥機的最佳干燥工藝探究試驗。試驗表明：在微波功率13.3kW、熱風溫度65℃、傳送帶轉速0.6m/s時，干燥后的金針菇含水率12.37、復水比3.124、色差81.8，滿足干燥要求且優于其他組合。該研究可為微波熱泵聯合干燥機的研制及金針菇的干燥提供參考。
關鍵詞：微波；熱泵；干燥；金針菇
0引言
我國農產品的干制技術落后，與發達國家差距較大，主要表現在干燥能耗高及干燥品相差等方面。目前，傳統干燥一般采用熱風與電加熱等，耗能很大，營養流失和品質下降嚴重[1-4]。熱泵干燥與傳統熱風相比，物料表面水分的蒸發速度與內部向表面擴散的速度接近，物料表面不易變硬、變形，干燥質量好，其干燥方向為由外向內[5-8]。微波干燥通過高頻電磁波使得物料分子高速碰撞，由于物料中的水分介質損耗較大，能大量吸收微波能并轉化為熱能，同時在物料表面，由于蒸發冷卻的緣故，使物料表面溫度略低于里面的溫度，形成壓力梯度，因此物料由內向外干燥[9-12]。微波熱泵聯合干燥則結合了二者的優勢，內外均勻干燥，既可以分段干燥也可以同時干燥，具有干燥時間短、品質好、能耗低的優點[13]。關志強[14]等研究了羅非魚片熱泵-微波聯合干燥工藝。宋楊[15]等人研究了海參的微波熱泵聯合干燥工藝，試驗采用熱泵與微波真空聯合的方式對海參進行干燥，并與單純熱泵干燥的試驗進行了對比。馬國遠[16]等人對熱泵微波聯合干燥系統進行了研究，分析了空氣旁通率、壓縮機轉速及空氣質量流量等主要設計及運行參數對干燥性能的影響。在近幾年的文獻中，介紹微波熱泵聯合干燥工藝的較多，但針對機器系統結構及控制系統的設計闡述不多，且采用微波熱泵聯合干燥金針菇的文獻也未見報道。為此，對研制的微波熱泵聯合干燥設備的結構與控制系統進行分析，并以金針菇為原料進行了烘干實驗，從而為微波熱泵聯合干燥機的設計及金針菇的干燥提供參考。
1整機設計與工作原理
1.1 整機結構
熱泵微波聯合干燥機由微波干燥裝置與熱泵干燥裝置組合而成, 如圖1所示。熱泵干燥裝置由熱泵本體與進出風道組成。泵體由壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥和管道等組成。
微波干燥裝置由機架、微波電源、微波發射裝置、物料傳送動和控制柜等組成。其中，微波發射器的腔體是封閉的，在腔體后面上設有散熱進風口，前面設有出風口，在腔體內均勻裝有4排共24組微波電源，并設有24組微波電源電流表便于觀察電源的工作狀態。同時，在腔體前面還設有封門，封門上設有觀察孔，可以觀察到傳送帶上物料的情況，如果出現異常，關掉微波打開風門可以對物料及時進行處理。在程序上對封門設置了保護裝置，開啟微波之前必須關門封門，在工作過程中若打開風門則微波自動關閉，確保工作安全。在進出料的兩端設有微波抑制器防止微波泄露。熱泵產生的熱風利用熱風進風風引通過熱風進風管送到烘干隧道內，并通過回風風機的回風管道回風。控制柜中設有微波開啟與關閉等開關，并且針對24組微波電源單獨設置了24組開關，可以根據需要選不同的組合滿足不同的功率要求。
1.機架 2.出料口 3.熱風回風管道 4.回風風機 5.泵體 6.熱風進風風引 7.熱風進風管
1.2 工作原理
物料干燥時，首先啟動熱泵，當熱風溫度升到設定溫度時，啟動物料傳送帶，并在傳送帶上均勻擺放物料；當物料到達第1排微波發射裝置位置時，啟動6個微波發生器中的若干個進行微波干燥，按此順序逐個開啟另外3排；當結束放料時，為了使最后放入的物料可在微波開啟的情況下通過整個通道，同時不至于損壞傳送帶，需要在放完物料后在傳送帶入口處鋪入一條濕布，濕布隨傳送帶進入干燥隧道；濕布的長度不小于隧道的長度，當最后放入的物料通過第4排微波發生裝置位置時，關閉設備。另外，也可以采取先開熱泵一段時間再開微波等分段干燥方式。物料在隧道中干燥時，微波滲透到物料內部，由內向外對物料干燥，同時熱風對物料由外向內進行干燥，即可完成對物料的快速干燥。
2關鍵部件設計
2.1 微波分布及功率確定
微波干燥功率是聯合干燥機的重要指標。微波加熱作用對象是水，所以一般微波溫度最多升到100℃，而干燥的果蔬和食用菌等其比容在3.5kJ/(kg·℃)左右，鮮品含水率較高，特別是草菇等食用菌一般達到90%以上。根據生產要求，本設備生產率是15kg/h。同時，微波轉化和本身的元器件工作也要消耗一部分電能。綜合以上分析，計算得出微波總功率為20kW。為了實現均勻加熱，采用由24組微波電源獨立控制24組微波發射裝置，利用小功率多口饋入方式，均勻分布于干燥隧道上方。微波電源選用福建高奇CMP100FN120，通過指示燈或者輸出信號及時了解電源的工作狀態，其功率調節范圍200～1 500W；磁控管選擇松下2M210-M1，單只功率為0.9kW，配有SUNON DP200A散熱風扇，每只磁控管由斷路器控制可獨立啟閉，排布如圖2所示。
圖2 磁控管分布
物料加熱所需要的微波功率為
(1)
物料干燥所需要的微波功率為
(2)
式中P—物料干燥所需要的微波功率(kW)；
△T—物料的溫升(℃)；
C—物料的比熱(kJ/kg·℃)；
W—物料的質量(kg)；
t—微波作用的時間(h)；
Q—水分蒸發潛熱,取Q=540kJ/kg；
η—微波吸收效率，取η=0.7。
微波干燥器的總功率為
(3)
式中P'—選擇的微波干燥器的功率(kW);
P—計算得到的微波功率(kW)，P=P1+P2；
η—物料的微波吸收效率。
微波干燥隧道內部需要裝有溫度傳感器供給微波干燥系統進行檢測分析，但傳統的熱電阻、熱電偶等測溫手段在微波場中因信號干擾、低壓放電等原因而無法獲得應用[17]。光纖測溫以光線為純介質材料,從根本上解決了微波場帶來的影響，具有抗電磁干擾、體積小、質量輕、測溫精度較高等優點[18]。因此，系統采用熒光式光纖測溫裝置對干燥過程中的物料進行實時監測?？販叵到y在檢測隧道溫度的同時，可以對微波最高工作溫度進行設定，避免溫度過高損壞元器件。
2.2 微波抑制器的設計
該微波熱泵聯合干燥機為使物料能夠連續地在傳送帶上傳輸，設有進料口與出料口，但微波會隨出入料口而泄露。目前，常用的防止微波泄露的方法根據其原理大致可分為電抗性泄露抑制器、電阻性泄露抑制器和屏蔽性泄露抑制器，而屏蔽性泄露抑制器不適合隧道式干燥。電阻式泄露抑制器借助于耗散性衰減材料，吸收各種模式的微波。電抗性泄露抑制器可對微波的幾種主要傳輸模式進行抑制，抑制性較好。因此，本設備的抑制器采用前端1/4長波導槽抑制，后端采取以石墨為吸附原料的電阻性抑制器[19]。微波抑制器如圖3所示。
1.石墨 2.傳送帶 3.微波抑制器
本設計采用1/4長波導槽抑制器。對于矩形波導，其不同模式的截止波長為
(4)
式中a—輸入、輸出口界面尺寸的寬度；
b—輸入、輸出口界面尺寸的長度。
輸入、輸出通道中所能傳輸的各模式的波導波長λgmn為
(5)
試驗中采用頻率為2 450MHz的微波，則λ0為
(6)
設計的物料出入口的尺寸為420mm×130mm，計算對應的各模式波長的相關參數如表1所示。
表1波導中各模式相應的波長數值
Table 1The corresponding wavelength values of each mode in the pilot
mm
由表1可知：合理的波導槽應小于40mm。這樣既可以抑制主要模式的波導， 也使得進出料口的尺寸在合理范圍。對于沒有完全抑制的其他模式的微波，能利用石墨吸收掉。
2.3 熱泵控制系統
熱泵干燥原理：制冷劑在蒸發器中吸收空氣中的熱量氣化，經空壓機壓縮后變成高壓高溫氣體，經過冷凝器液化，同時將熱量傳給干燥隧道中供物料干燥；冷凝后的常溫高壓液體再經過膨脹閥減壓后重新回到蒸發器中吸熱氣化，從而完成循環。在進風與回風處裝有2個風機促進熱風流動加速干燥。本熱泵系統(見圖4)在熱風進風與回風管道及干燥隧道中部處分別設有3個溫濕度傳感器和風量傳感器，用于采集數據。采用FX2N-64MR作為控制器，并通過PID與模糊控制結合的方式在確保功率要求的情況下使機器在最節能模式下運行。
1.壓縮機 2.冷凝器 3.電輔助加熱 4.進風風機
3性能試驗
為了研究微波熱泵聯合干燥機的工作性能，利用金針菇為原料進行干燥試驗。
3.1 儀器、設備與試劑
微波熱泵聯合干燥機(自行研制)；DHG-9070A 型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)；康光SC-80C全自動色差計(上海志幸科學儀器有限公司)；HH-4恒溫水浴鍋(常州智博瑞儀器制造有限公司)；BSA224S電子天平(廣州市深華生物技術有限公司)；檸檬酸；亞硫酸鈉；抗壞血酸。
3.2 試驗方法
試驗地點選在江蘇省溧陽市龍潭林場內，金針菇購買自丹陽市江南食用菌有限公司。選取質量好的金針菇，進行漂燙與護色處理待用。開始干燥時，先開啟熱泵裝置并調好溫度，待溫度升到設定溫度時，開啟微波傳送帶并開始將金針菇均勻的鋪在傳送帶上；當傳送到微波發射裝置位置時開啟對應微波開關，結束放料時鋪入一條濕布，直到所有金針菇出料后關閉微波和熱泵，取出濕布，取樣待測。成分測定方法如下：
1)水分。水分的測定按 GB/T 5009.3-2003食品中水分的測定中直接干燥法。
2)復水比。產品復水性能用復水比表示，為產品在復水一定時間后的質量與復水前質量之比，計算公式為
RR=Mf/Mg
其中，RR為復水比；Mf為產品復水瀝干后的質量(kg)；Mg為復水前產品的質量(kg)。
試驗時，取干燥后并稱量的一定質量的樣品放入 40℃恒溫的蒸餾水中，恒溫保溫30min后，取出瀝干20min，并用吸水紙拭干表面水分，稱質量。每組進行3次平行試驗，結果取平均值。
3)色差。色差計的L值表示物料色澤的明暗度。L=0 表示黑色，L=100 表示白色。L值大，顏色白，褐變程度低；L值小，顏色暗，褐變程度高。為避免不同金針菇產品及同一產品不同部位褐變不均勻，本試驗對每個處理組均抽取10個樣品測試，每個產品取不同部位測試(每個樣品測 6 處，上下兩表面各測3處)，每個處理組檢測 60 次，最后取其平均值作為這個處理組的色差值[20]。
3.3 正交試驗及結果分析
對于前期的單因素試驗，分別考察3個不同水平的微波功率、熱風溫度、傳送帶轉速對試驗指標的影響。在此基礎上，確定本試驗的3個試驗因素微波強度 A、熱風溫度B、傳送帶轉速C的水平范圍，以含水率Y1、復水比Y2、色差Y3為試驗指標。其中，微波開16組是每排開4組，微波開20組時每排開5組。試驗數據采用mintabv15.1進行分析與統計。正交試驗及結果分析如表2～表4所示。
表2 正交試驗因素水平編碼表
表3 試驗方案及結果
續表3
Y1為烘干后的含水率(%)；Y2為復水比(%)；Y3為色差(NBS)。
表4 金針菇烘干指標方差分析
P<0.01(極顯著)，0.01
極差分析(表3)表明：含水率各試驗因素水平的較優組合是A1C3B2，因素主次影響順序是微波功率>傳送帶轉速>熱風溫度；復水比各實驗因素水平的較優組合是C3A1B3，因素主次影響順序是傳送帶轉速>微波功率>熱風溫度；色差各實驗因素水平的較優組合是A1C3B1，因素主次影響順序是微波功率>傳送帶轉速>熱風溫度。方差分析表明：3個試驗指標在95%的置信度下，微波功率與傳送帶轉速均影響顯著，而熱風溫度影響不顯著。綜合極差與方差分析可知在3個試驗指標中其試驗因素的影響主要是微波功率與干燥時間，原因可能是因為干燥時間較短、熱風溫度不高，熱風的作用只是將金針菇表面的水分蒸發吹走，而起到主要干燥作用的應該是微波。
3.4 各因素的綜合優化
本試驗3個指標影響因素的主次順序不同，各指標影響因素較優組合的水平也各不相同，故采用模糊綜合評價方法對試驗結果進行分析[21-23]，選出使性能指標都盡可能達到最優的參數組合。為消除3個評價指標量綱和數量級不同的影響，需對含水率Y1、復水比Y2和色差Y3進行處理，轉換為指標隸屬度值。Y1為偏小型指標，Y2、Y3為偏大型指標，因此根據式(7)、式(8)建立其隸屬函數，得出指標Y1、Y2、Y3隸屬度值r1n、r2n、r3n，如表5所示。隸屬度值構成模糊關系矩陣rn為
(7)
(8)
(9)
9次試驗中的含水率均低于安全含水率13%，全部滿足對含水率的控制要求，因此綜合權衡分配權重比為P=[0 0.550.45] ，由模糊矩陣Rr與權重分配集P確定模糊綜合評價值集W，W=P·Rr。綜合評分結果見表5中Wx列。
綜合評分極差分析(見表6)表明：各因素的最優組合為C3A1B3，因素主次影響順序是傳送帶轉速>微波功率>熱風溫度；綜合評分方差分析(見表7)表明：傳送帶轉速與微波功率對綜合評分影響顯著，而熱風溫度不顯著。當選擇參數為熱泵功率為13.3kW、熱風溫度65℃、傳送帶轉速0.6m/s時，試驗表明：優選后的金針菇干燥后含水率為12.37，復水比為3.124，色差為81.8，達到干燥要求，其復水比與色差均優于其他組合。
表5 綜合評分結果
表6 綜合評分極差分析
表7 綜合評分方差分析
續表7
4總結
1)設計了一種微波熱泵聯合干燥機，確定了微波總功率20kW。微波饋口均勻分布于干燥隧道上，在保證物料正常進出的情況下要求波導槽應小于40mm。同時，根據微波的物理特性選擇熒光式光纖測溫裝置測量隧道溫度，設計的熱泵干燥裝置具有模糊控制與PID調節功能。
2)以金針菇為原料進行了熱泵微波聯合干燥試驗，選取微波功率、熱泵風溫和傳送帶轉速3個試驗因素，通過9組正交試驗研究與含水率、復水比與色差3個試驗指標之間的關系。
3)運用模糊評價法消除指標影響因素的主次順序不同的影響，通過極差與方差分析表明：熱泵功率為13.3kW、熱風溫度65℃、傳送帶轉速0.6m/s時，金針菇干燥后含水率12.37，復水比3.124，色差81.8，達到干燥要求，且復水比與色差均優于其他組合。
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Abstract ID:1003-188X(2016)12-0161-EA
The Design of Microwave Heat Pump Drying Machine and Experimental Research
Wang Jiaoling, Song Weidong, Wang Mingyou, Wu Jinji
(Nanjing Research Institute for Agriculture Mechanization， Ministry of Agriculture,Nanjing 210014, China)
Abstract：In order to solve the high energy consumption and poor quality problem of the agricultural products in the process of drying, The structure, working principle and key components of the machine are introduced. and take mushroom as raw material to explore the best dry process of microwave heat pump drying machine。The experiment results show that the microwave power 16kW, hot blast temperature 65℃, the conveyor belt speed 0.6 m/s, the moisture content of dried lily flowers 12.37, rehydration ration 3.124, color 81.8, meeting the needs of dry request and is superior to the other combination, the paper for the development of microwave heat pump drying machine and needle mushroom dry to provide the reference.
Key words：microwave; heat pump;dry; needle mushroom
中圖分類號：S226.6
文獻標識碼：A
文章編號：1003-188X(2016)12-0161-07
作者簡介：王教領(1988-)，男，安徽六安人，實習研究員，碩士研究生，(E-mail)kclwjl@126.com。通訊作者：宋衛東(1965-)，男，江蘇泰興人，研究員，碩士生導師，(E-mail)songwd@163.com。
基金項目：中國農業科學院科技創新工程項目(2015)；國家食用菌產業技術體系項目(CARS-24)；農業廢棄物基質化高效循環利用關鍵技術與裝備應用研究項目(BE2015726)
收稿日期：2015-11-18
