微波-熱風振動流化床干燥機設計與試驗

呂 豪 呂黃珍 王 雷 呂為喬 萬麗娜 趙 丹

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083；3.湖北省農業機械工程研究設計院， 武漢 430070)

0 引言

傳統的熱風干燥過程中，熱量以對流和傳導方式由外到內傳遞到物料內部，干燥時間過長且效率低[1-2]。微波干燥具有干燥速度快、干燥持續進行等特點，可以在溫升較低的條件下進行，常用于熱敏性強、附加值高的物料干燥，是農產品干燥領域研究的熱點[3]。由于微波場強和物料特性在干燥過程中表現出明顯的不均性，微波干燥的品質難以控制[4-5]。微波與其他干燥手段的結合，有助于提高干燥效率、改善產品品質[6-8]。目前，微波組合干燥仍存在干燥不均的問題，溫度和水分分布難以控制等缺陷導致干燥物料品質難以保障。因此改善微波干燥的干燥不均勻問題十分必要。

微波干燥的均勻性受諸多因素的影響，如腔體形狀、物料類型及存放位置、微波源的布置等[9]。國內外學者對微波加熱的不均勻性進行了廣泛研究，目前微波加熱均勻性研究主要是在微波組合其他干燥方式、改善微波加熱倉電磁場均勻性、改變物料在微波加熱倉內位置狀態和微波加熱倉形狀等方面。一些學者將微波組合其他干燥形式與單一微波干燥進行對比，發現其能在一定程度上改善微波加熱不均的問題[10-11]。文獻[12]通過對干燥室不同微波饋口進行微波場模擬仿真，得出單面開口電場均勻性更好。文獻[13]對微波倉電場分布進行了有限元模擬，結果表明，諧振腔半徑0.25 m、長度0.8 m電場均勻性較好。文獻[14-15]通過氣流噴動使物料充分混合，并對蘋果等物料進行了研究，結果表明，這種方法的干燥效率高，比固定態下的微波干燥時間節省約80%，與單一微波或者熱風干燥相比顯著改善了干燥物料品質。

本文針對微波干燥存在的干燥不均勻、色差大和單獨熱風干燥效率低、能耗大等問題，基于機械振動流態化技術，設計一種微波-熱風振動流化床干燥機(Microwave-hot-airflow vibrating drying, MAVD)，并以新鮮毛豆為例，試驗驗證MAVD的干燥效果。

1 總體結構與工作原理

1.1 結構

為改善果蔬等農產品物料微波干燥過程的溫度均勻性和水分均勻性，實現高效高品質干燥，課題組獨立設計了MAVD。按照實現干燥過程的主要功能，整機包括熱風加熱系統、微波加熱系統、振動流化床系統、測溫系統以及控制系統，結構如圖1所示。

圖1 干燥機原理圖Fig.1 Schematic diagram of MAVD1.控制面板 2.磁控管 3.蒸汽排風口 4.微波加熱倉 5.物料盤 6.柔性鋼絲網 7.振動電機 8.橡膠彈簧 9.電加熱箱10.高壓風機 11.振動床機架 12.熱風布風板 13.緩壓倉 14.微波隔離網 15.熱風布風板

熱風加熱系統由高壓風機、電加熱箱、熱風輸送管、熱風布風板、溫度傳感器等部件組成。熱風溫度連續可調，在進風口設計可調節風門。微波加熱系統由磁控管、驅動電源、加熱腔體、物料盤等部件組成。其中，微波源采用較成熟的頻率為2 450 MHz的磁控管，功率連續可調，安裝在干燥室頂部，采用旋轉天線饋能方式，通過獨立的微波饋入波導，磁控管驅動電源固定于機架兩側分別單獨驅動4支磁控管工作，干燥室采用多模箱式結構，采用不銹鋼材料。振動流化床系統由振動電機、橡膠彈簧、振動床機架、物料盤托盤等部件組成。其中，振動器采用變頻軟啟動，可有效防止振動床失諧、顫動、移位等現象，振動床機架與地面固定，流化床設計成剛性結構，物料盤采用聚四氟乙醚材料，該材料比傳統聚四氟乙烯材料強度更高、更耐高溫，可有效防止熱風溫度過熱和振動導致的物料盤變形。控制系統采用可編程式邏輯控制器(Programmable logic controller，PLC)和人機控制界面(Human machine interface，HMI)控制，分別與磁控管驅動電源、溫度傳感器、振動電機變頻器、電加熱箱、高壓風機連接，實時調控工作狀態。

1.2 工作原理

干燥機由PLC和HMI統一控制熱風干燥系統、微波加熱系統和振動流化床系統。工作時首先開啟熱風加熱裝置，熱風經過電加熱箱加熱后通過高壓風機和布風板進入微波干燥倉體內的緩壓倉內，熱風經過緩壓倉的緩壓作用能均勻穿透物料床層，調節熱風溫度，風速達到預定值時，根據不同物料調節振動電機變頻器來調節振動頻率，使物料在微波場中處于均勻流態化狀態，設定微波工作功率、干燥時間，開啟微波源，以實現物料的微波-熱風組合流化床干燥。也可在不開啟熱風系統的情況下實現單獨微波流態化干燥工藝，溫度設為4個擋位，當超過第1擋溫度時，微波功率衰減25%，當超過第2擋溫度時，微波功率衰減50%，當超過第3擋溫度時，微波功率衰減75%，當超過最高設定溫度時，磁控管停止工作，當達到設定干燥時間后取出物料，頂部引風機帶走物料加熱產生的水蒸氣，提高干燥效率和均勻性。

1.3 主要技術指標

干燥機集微波和熱風干燥為一體，能實現單批次干燥新鮮果蔬3～5 kg的生產能力，其主要技術參數如表1所示。

表1 干燥機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of MAVD

2 關鍵部件設計

2.1 微波干燥室設計

微波諧振腔具有多諧性，設計原則是諧振腔應具有盡可能多的振蕩模式，以取得較為均勻的能量分布狀態[16]。矩形諧振腔結構簡單，諧振腔內電磁波在腔體內傳播模式數越多，腔體內電場分布越均勻，干燥均勻性越好，諧振腔內模式數與腔體體積有關，腔體尺寸越大，腔內模式越多，干燥均勻性越好。矩形諧振腔如圖2所示。矩形諧振腔沿x、y、z軸方向上的長分別為a、b、d，分別代表矩形諧振腔的長、寬、高。

圖2 矩形諧振腔Fig.2 Rectangular resonator

振蕩模式諧振波長和諧振頻率的計算公式為

(1)

(2)

式中λ0——諧振波長，m

f0——諧振頻率，Hz

m、n、p——沿a、b、d邊分布的半駐波數目

v——光速，m/s

Q0是衡量諧振腔品質的一種質量指標，為了保證微波場分布的均勻性，應減少能量損耗和盡可能提高諧振腔品質因數Q0[17]，其可表示為

(3)

式中V——干燥室體積，m3

S——干燥室內表面積，m2

δ——內壁集膚效應系數,m

一般而言，V/S值與Q0成正比關系，V/S值越大，Q0越大，體積過大會影響微波工作頻率，一般認為對于中心頻率為2 450 MHz的多諧振腔體，具有5個以上、間隔大致為10 MHz的模式頻譜密度，Q0不大于1 000，內壁集膚效應系數計算公式為

(4)

式中f——諧振頻率，MHz

μ——磁導率，H/m

σ——電導率，S/m

δ越小，Q0越大。若δ取小值，μ、σ應取大值，諧振腔材質應選用電導率大的材質，還需考慮食品安全因素，干燥腔材料選用不銹鋼材質。工業上一般要求V/S為70～250 mm。

根據矩形諧振腔尺寸，不同的m、n、p可確定不同的模式。一個模式下，只有當該模式所對應的頻率處于中心工作頻率f0附近頻譜范圍，才是有效的工作模式，超出范圍的模式不能生成，即

(5)

式中 Δf——頻帶寬度，Hz

m、n、p的各種組合分別代表室內的一種電磁場分布結構。確定腔體尺寸a、b、d及微波工作頻率后，由式(5)可計算出符合計算要求的模式數目及對應的諧振頻率，選擇模式多、頻率間隔較均勻的有利于改善加熱均勻性的組合，通過比較以及參考國內外設備參數選擇微波諧振腔尺寸為560 mm×560 mm×400 mm，此時品質因數相對較高。確定腔體尺寸a、b、d以及微波工作頻率和頻帶寬度后，選取微波磁控管工作頻率2.45 GHz，頻帶寬度50 MHz。

2.2 不同饋波口位置微波場模擬分析與優化設計

目前改善微波干燥不均勻的方式主要通過改善干燥腔內磁場分布的均勻性和使物料在干燥倉內做不規則運動來達到微波加熱均勻的目的[18]。微波饋口結構設計主要通過改善干燥腔體內電磁場分布均勻性來達到微波加熱均勻性的目的。因此，以多饋能系統改善電磁場的均勻性理論，根據已經確定的微波干燥腔大小，通過CATIA建立三維模型，設置激勵端口，設定邊界條件、仿真參數，對不同饋入口位置的諧振腔體進行仿真優化。選取場強分布最均勻的排布形式，優化微波饋口位置排布。

2.2.1模型建立

根據腔體尺寸優化結果，確定干燥腔尺寸為560 mm×560 mm×400 mm，物料放置在380 mm×380 mm×120 mm的物料盤里，物料盤距微波干燥腔體底部80 mm,如圖3a所示，起始微波磁控管開口位置如圖3b所示，端口位于距物料盤對稱軸1/4邊長處，4個端口同時激勵，相位相同。

2.2.2結果與分析

微波饋入口位置和數量對干燥腔體內和物料盤電磁場的分布影響較大。結合現有設備和前期研究，使用Ansoft HFSS軟件對微波饋入口6種饋口位置進行了仿真分析，干燥腔內電磁場分布情況和物料盤周圍電磁場強分布情況如圖4、5所示。

圖3 原始端口位置圖和物料盤位置圖Fig.3 Locations of original port and material tray

圖4 不同饋波口位置干燥腔磁場分布Fig.4 Magnetic field distribution maps of drying cavity in different excitation

圖5 不同饋波口位置物料盤表面磁場分布Fig.5 Magnetic field distribution maps on surface of material tray in different excitation

圖4為4個饋波口排布在干燥腔體頂部、不同排列饋波端口方式下仿真得到的微波干燥腔內磁場分布圖，圖5為不同饋波端口對應物料盤的表面電場分布情況。從圖中可以看出，在物料盤高度距離箱底不變的情況下，從電場在干燥腔體中的分布情況來看，把4個饋波端口的位置相對于原始的饋波端口位置外移30 mm，電場強的地方在物料的周圍分布較廣，并且在物料的表面電場分布相比于其他位置的電場分布更加均勻，電場差較小，能夠使物料的受熱更加均勻。

2.3 振動流化床裝置設計

2.3.1結構設計

振動流化床使物料在干燥腔體內處于流態化狀態，使物料在干燥時能更均勻地吸收微波能，從而保證被干燥物料的均勻性。振動流化床裝置結構如圖6所示，主要功能部件包括：物料盤、振動電機、橡膠彈簧、機架等。

圖6 振動流化床裝置Fig.6 Vibro-fluidized bed dryer1.物料盤 2.物料盤支撐板 3、4.振動電機 5.橡膠彈簧 6.機架

傳統微波干燥物料盤的材料使用聚四氟乙烯，聚四氟乙烯材料受高溫、振動易變形，本裝置物料盤采用聚四氟乙醚材料，聚四氟乙醚是應用到微波干燥中的新一代替代材料，該材料強度更大，可防止振動裝置振幅過大以及熱風溫度過高而導致的物料盤變形。振動電機通過放松螺母安裝在機架上，使兩個振動電機與機架成為一個剛性結構，振動電機產生激振力，帶動物料盤振動，物料在雙振動電機的激振力作用下形成特定軌跡振動，跳躍翻滾處于流化床狀態，這樣的設計使物料盤內物料在振動狀態下流態化狀態更加均勻，并且振動電機通過變頻器調節振動頻率，以適應不同物料的流化床需求，橡膠支撐具有非線性、變剛度等特性，橡膠彈簧用來連接物料盤和機架，起到減振作用，保證設備振動時的穩定性。

2.3.2振動工作原理及運動分析

圖7是兩個振動電機振動流化床的工作原理圖，振動流化床的激振力由振動電機提供，電機做同步反向運動。在水平x-x軸上，兩個振動電機關于y-y軸對稱，偏心塊產生的慣性力在x-x方向上相互抵消，在y-y方向上慣性力互相疊加，在y-y軸上產生激振力，激振力隨著偏心塊的轉動呈周期性變化，從而實現物料在激振力作用下沿y-y軸方向上下往復跳動以實現物料在干燥倉內的流態化狀態，物料盤在振動電機帶動下振動，運轉到t時，激振力計算式[19]為

Fy=Grω2sin(ωt)=Fsin(ωt)

(6)

式中Fy——沿y方向激振力,kN

F——最大激振力，kN

G——偏心塊總質量,kg

r——偏心塊回轉半徑，mm

ω——回轉角速度，rad/s

t——時間，min

圖7 振動流化床工作原理圖Fig.7 Principle diagram of vibrating fluidized bed

2.4 控制系統

2.4.1控制系統硬件設計

控制系統用于干燥機的工作狀態監測、物料溫度采集、微波功率與振動頻率控制、數據顯示與參數設置等。主要包含以下模塊：

(1)主控模塊：本系統采用CPU型號為DVP20EX200R的臺達PLC進行數字輸入量(溫度開關、門開關)以及模擬輸入量(溫度)的信號采集，紅外測溫傳感器型號為S20-MW。對數據進行實時處理，同時通過DOP-B07S411型觸摸屏實現人機交互，完成數據顯示與參數設置。

(2)微波控制模塊：通過PLC電壓控制分別對兩組微波工作的功率進行調控。根據每組微波功率與電壓對應關系(2～3.7 V對應200～2 000 W)進行標定，多次測試確定功率曲線，利用調壓準確控制微波功率。

(3)振動流化控制模塊：通過型號為VFD2A7MS43ANSAA的變頻器來控制2個380 V、120 W的振動電機。變頻器通過modbus協議與PLC通訊，可以通過觸摸屏設置變頻器頻率來改變參數。

2.4.2控制系統軟件設計

利用PLC編程具有實時性高、控制穩定精確的特點，同時利用觸控屏實現所有操作、工作數據集中顯示和處理。由于設備內溫度緩慢穩定變化，對溫度傳感器數據進行中值濾波與低頻濾波，消除各種偶然因素帶來的信號噪聲。控制系統程序流如圖8所示。

圖8 控制系統程序流程圖Fig.8 Systematic program flow charts

3 試驗與分析

3.1 試驗材料

干燥機調試完成后，進行干燥工藝試驗和物料品質分析。基于當前果蔬物料微波干燥品質難以控制、產業化有待提高的現狀，試驗采用含水率低、糖分含量低的新鮮毛豆仁作為研究對象，確保干燥品質均勻穩定。試驗所用材料為同一批次，初始含水率為(71.08±0.26)%，清洗后放入溫度4℃、相對濕度為95%的環境中冷藏備用。

3.2 試驗方法

根據前期預試驗結果以及參考相關干燥的分析[20]，結合本干燥機的特點確定試驗方案和參數如表2所示。

試驗前取出物料放在室溫下回溫2 h，將物料均勻單層平鋪在物料盤上，每組試驗使用新鮮毛豆仁800 g，按照表2試驗方案和參數進行試驗，3種干燥方式下每隔5 min稱量1次，稱量之后樣品放回干燥倉繼續干燥，直到含水率小于7%。為了表征試驗誤差，每組試驗重復3次，取平均值。為了對比振動流化床對物料微波干燥均勻性的效果，進行物料表面溫度和水分均勻度的兩組對比試驗，在微波-熱風組合干燥和MAVD干燥過程中，每隔一段時間，利用FLIR E40型紅外熱像儀(前視紅外熱像系統貿易有限公司)測量毛豆仁表面溫度分布。重復以上試驗，每個時間段取16粒毛豆仁計算一個均勻度。分別計算微波-熱風組合干燥和MAVD干燥的水分均勻度，所有測量重復3次，取平均值。

表2 試驗方案和參數Tab.2 Design and parameters for experiments

3.3 干燥參數計算

干燥參數采用水分比，計算公式為[21-22]

(7)

(8)

式中Mt——干燥t時刻物料干基含水率，g/g

M0——物料初始干基含水率，g/g

mt——干燥時間t時總質量

md——干物質質量，g

水分均勻度定義為相對標準差(Relative standard deviation, RSD),公式為[23]

(9)

式中R——樣本含水率的相對標準差

S——樣本含水率的標準差

X——樣本含水率的平均值

3.4 結果與分析

3.4.1干燥特性

按照表2的干燥參數及方案，得到新鮮毛豆仁在3種不同干燥條件下水分比隨干燥時間變化的干燥曲線如圖9所示。

圖9 毛豆仁在不同干燥條件下的干燥特性曲線Fig.9 Drying characteristic curves of soybean under different drying conditions

單獨的微波流化床干燥，整個干燥過程需要82 min，MAVD干燥整個過程需要54 min，微波-熱風組合干燥整個干燥過程62 min，MAVD干燥比單獨微波流化床干燥時間縮短34.1%，MAVD干燥比

微波-熱風組合干燥效率提高12.9%，這說明熱風溫度有利于提高微波流化床干燥效率，加快微波干燥速率，同時流化床也對提高微波-熱風組合干燥速率有顯著影響。

3.4.2振動流化床對毛豆仁干燥均勻性的影響

從圖10可以看出，與微波-熱風組合干燥相比，MAVD干燥過程物料溫度總是低于微波-熱風組合干燥的物料表面溫度，這可能是由于振動使物料在干燥倉內翻滾轉動，不停改變物料在干燥倉內位置，使物料蒸發出的水蒸氣更快被排除，物料散熱效果更好，到干燥后期，物料表面溫度會有一個降低的過程，這可能是物料隨著干燥時間的進行，含水率到后期比較低，樣品損耗因子降低導致。

圖10 毛豆仁在微波-熱風流化床干燥和微波-熱風組合干燥過程熱像圖Fig.10 Thermal imagery of soybean dried using microwave-hot air fluidized bed drying and microwave-hot air combined drying

表3和表4顯示新鮮毛豆仁在MAVD干燥和微波-熱風組合干燥中平均含水率和水分均勻度。 從表3、4可以看出，振動流化床和無振動流化床兩種干燥方法水分均勻度變化趨勢相同，隨著干燥時間增加，RSD先增加后下降，在達到最大值后逐步下降。這可能是由于干燥到后期樣本溫度升高，高溫可能導致物料內部間隙減小，從而改變內部水分遷移速率[24]。在MAVD干燥過程中物料之間含水率差異與無流化床的單獨微波熱風干燥過程相比較低。MAVD干燥的RSD最大為4.76%，微波-熱風組合干燥的RSD最大為27.37%，干燥結束時微波-熱風振動流化床干燥RSD為1.93%，微波-熱風組合干燥RSD為9.30%，這說明振動流化床對提高微波干燥均勻性有顯著作用。

表3 毛豆仁在MAVD干燥過程中的平均含水率和水分 均勻度Tab.3 Mean moisture content and uniformity of soybean taken from microwave-hot air fluidized bed drying

表4 毛豆仁在微波-熱風組合干燥過程中的平均 含水率和水分均勻度Tab.4 Mean moisture content and uniformity of soybean taken from microwave-hot air combined drying

4 結論

(1)提出通過機械振動的方式實現物料流態化形式，從而提高微波干燥的均勻性，并通過仿真優化和理論計算，進行該裝置總體結構設計和關鍵部件參數的確定，試驗測試表明，該裝置各個系統運行穩定，能得到品質較好物料。

(2)3種微波方式對毛豆仁干燥特性具有顯著影響，熱風溫度有利于提高微波流化床干燥效率，加快微波干燥速率，同時振動流化床也對提高微波熱風組合干燥速率有顯著影響。

(3)在MAVD干燥過程中，物料表面的溫度均勻性明顯優于微波-熱風組合干燥過程溫度的均勻性，MAVD干燥新鮮毛豆仁樣品的水分均勻度遠高于微波熱風干燥的水分均勻度。