旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥機設(shè)計與試驗

代建武 楊升霖 XIE Yuceng 王 杰 溫夢達 任 領(lǐng)

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，雅安625014;2.華盛頓州立大學(xué)農(nóng)業(yè)與自然資源學(xué)院，普爾曼WA 99163)

0 引言

干燥被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物料的加工、運輸及貯藏中，是保證物料品質(zhì)的重要手段之一［1-3］。微波真空干燥是一種先進的干燥技術(shù)，相對于傳統(tǒng)熱風干燥方式，微波的穿透性使其干燥效率更高［4］，并且具有溫升速度快、能量利用率高、可選擇性加熱和控制簡單等優(yōu)點［5］。真空環(huán)境則可以使干燥在低溫條件下進行，保護物料內(nèi)的有效成分。近年來，微波真空干燥技術(shù)廣泛應(yīng)用于荔枝［6］、海星［7］、雙孢蘑菇［8］、杏鮑菇［9］、南瓜片［10］、青豆［11］、蘋果塊［12］等多種物料的干燥加工。但微波真空干燥也存在物料裝載量低、干燥均勻性欠佳等缺陷，需要進一步進行優(yōu)化改進［13］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對微波真空干燥裝置進行了研究。文獻［14］設(shè)計了一種對開門式微波真空干燥裝置，解決了干燥設(shè)備裝料局限的問題，但是干燥時物料靜止不動，容易出現(xiàn)受熱不均的現(xiàn)象。文獻［15］設(shè)計了一種微波真空干燥裝置，可使物料在干燥過程中受熱較均勻，但其單向水平式輸送的干燥方式嚴重影響了干燥效率。文獻［16］設(shè)計了一種滾筒式連續(xù)微波真空干燥裝置，解決了物料在干燥過程中受熱不均及干燥效率低的問題，但易造成物料損傷，無法保證干燥質(zhì)量。

針對傳統(tǒng)微波干燥熱點難以控制、干燥后品質(zhì)劣變嚴重及受熱不均等問題，本文設(shè)計一種旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥機，以番木瓜為試驗原料進行干燥機性能試驗。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥機主要由干燥箱、控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制冷循環(huán)系統(tǒng)和微波加熱系統(tǒng)等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

整個干燥箱外觀呈長方體，在裝置正面設(shè)置有箱門與控制面板，箱門中間設(shè)有可視化窗口，可實時觀測干燥室內(nèi)情況。微波發(fā)生裝置位于干燥腔室頂部，以實現(xiàn)對物料進行微波加熱。箱體底部的真空泵與冷凝器及水箱相連，以此形成制冷循環(huán)系統(tǒng)，保證真空泵運行時的真空度，并且節(jié)約了水資源。5個水平托盤均布置于干燥腔室內(nèi)并繞主軸平動，通過采用平行四連桿機構(gòu)并利用聚酰胺材料的自潤滑特性保持料盤內(nèi)物料始終處于水平狀態(tài)。同時托架在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的作用下帶動水平托盤勻速旋轉(zhuǎn)，提高了空間利用率與物料裝載量，且使物料受熱更加均勻。干燥室內(nèi)的壓力變化由控制系統(tǒng)控制真空微調(diào)閥的開閉來實現(xiàn)，真空系統(tǒng)在抽真空的同時也將物料蒸發(fā)出的水分抽離。

圖1 旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥機外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Appearance and internal structure diagrams of rotating tray microwave vacuum dryer

旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥機整體長、寬、高分別為1 250、1 070、1 770 mm，其干燥室容積達到0.414 m3，裝載物料的水平托盤尺寸為470 mm ×150 mm × 50 mm，而 微 波 功 率 在800、1 500、2 300 W 間可調(diào)，干燥溫度控制在室溫(20℃)至90℃之間，真空度控制在7.091 ～101.3 kPa，主軸轉(zhuǎn)速為5 r/min。

1.2 工作原理

旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥機工作時，平鋪于多個水平托盤上的物料在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置作用下不斷接近和遠離干燥腔室頂部的微波發(fā)生裝置，通過改變其空間位置以保證均勻受熱。腔室內(nèi)置紅外溫度傳感器實時檢測物料溫度并調(diào)控微波發(fā)生裝置的通斷狀態(tài)，同時水環(huán)式真空泵與制冷循環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合對干燥腔室進行抽真空。如圖2 所示，a、d 分別為常壓保持時間終點、起點;b、c 分別為真空保持時間起點、終點;t1、t2分別為常壓保持時間、真空保持時間。當真空度達到預(yù)設(shè)值時(bc 段)，控制系統(tǒng)按設(shè)定的真空干燥時間進行倒計時，此時進入真空干燥階段(bc 段);當真空干燥階段結(jié)束后真空微調(diào)閥開啟，外界大氣由此進入干燥腔室內(nèi)使其壓力恢復(fù)為常壓(cd 段)，此時控制系統(tǒng)將按設(shè)定的常壓干燥時間開始倒計時，干燥介質(zhì)同時進入物料內(nèi)部吸收水分(de 段)。當常壓干燥完成后真空微調(diào)閥關(guān)閉，真空泵再次啟動進入真空階段，物料內(nèi)部的濕空氣被快速抽走。如此循環(huán)往復(fù)直到物料降到所需含水率為止，實現(xiàn)快速有效干燥。

圖2 真空-常壓壓力脈動示意圖Fig.2 Schematic of vacuum and atmospheric pressure circulation

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 微波真空干燥室

因諧振腔具有多諧性，文中的旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥室采用矩形諧振腔，通過確保盡可能多的振蕩模式，使它們疊加后能夠獲得更加均勻的能量分布狀態(tài)［17-18］。由于矩形諧振腔的尺寸設(shè)計對微波諧振模式數(shù)有很大影響，而模式數(shù)越大，諧振波形數(shù)量越多，微波場分布越均勻，進而物料受熱越均勻。因此，對諧振腔進行合理的尺寸設(shè)計可以得到較為均勻的微波場。其理論上的設(shè)計步驟為:先確定波長和期望的振蕩模式，根據(jù)公式計算出諧振腔的尺寸，然后由諧振腔大小去判定諧振腔中可能激勵出的振蕩模式，并修正。

如圖3 所示，矩形諧振腔沿x 方向上長為a，沿y 方向上長為b，沿z 方向上長為c。

圖3 矩形諧振腔Fig.3 Rectangular resonator

矩形諧振腔諧振波長和其對應(yīng)的自由空間中的諧振頻率計算公式為［19］

式中 λ——諧振波長，m

f ——諧振頻率，Hz

m、n、d——沿a、b、c 邊分布的半駐波數(shù)目

v——光速，m/s

確定原始諧振頻率及腔體尺寸后，其腔內(nèi)可能存在的譜頻有一定的頻率寬度±Δf，稱為頻譜范圍。諧振模式數(shù)計算公式為［20］

式中 f0——中心工作頻率，Hz

由式(3)可得多組符合計算要求的模式數(shù)目及對應(yīng)的諧振頻率，選擇模式多、頻率間隔與諧振模式分布較均勻且諧振頻率在中心頻率兩邊間隔大致相同的組合。

為了減少微波能耗，引入品質(zhì)因數(shù)Q0。品質(zhì)因數(shù)Q0是衡量諧振腔質(zhì)量的重要指標，計算公式為［18］

其中

式中 V——干燥室體積，m3

δ——內(nèi)壁集膚效應(yīng)系數(shù)，m

μ——磁導(dǎo)率，H/m

σ——電導(dǎo)率，S/m

S——干燥室內(nèi)表面積，m2

由式(4)可知，V/S 與品質(zhì)因數(shù)Q0成正比，δ 與品質(zhì)因素Q0成反比，δ 越小，Q0越大，故諧振腔應(yīng)采用電導(dǎo)率較大的材料。而V/S 越大，Q0越大，但諧振腔體積過大會影響微波工作頻率，因此Q0應(yīng)適當選取。一般認為［20］，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。最終通過比較以及參考相關(guān)研究確定微波真空干燥室的尺寸為640 mm×770 mm ×840 mm，其品質(zhì)因數(shù)可達913，符合總體設(shè)計要求。

2.2 旋轉(zhuǎn)托架

傳統(tǒng)平板式托架因單層料盤設(shè)計，其物料裝載量有限且占比空間較大，同時由于微波輻射到物料不同位置的能量不同，導(dǎo)致受熱不均勻，干燥效率較低。相關(guān)研究表明，轉(zhuǎn)盤式干燥方式相對于水平靜止不動的干燥方式加熱均勻性更好［21］。故本結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)托盤式加熱，使裝載物料的托盤隨托架勻速轉(zhuǎn)動，通過改變物料的位置來弱化對微波能量分布的依賴性，從而改善受熱的不均勻性，提高物料的干燥品質(zhì)。旋轉(zhuǎn)托盤架的具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)托架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of rotating bracket structure

整個旋轉(zhuǎn)托架的回轉(zhuǎn)直徑為510 mm，且由支撐側(cè)板與水平托盤架組成，內(nèi)置5 個水平托盤隨主軸回轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)空間利用率高，結(jié)構(gòu)材料選用聚酰胺，具有無毒、質(zhì)輕、優(yōu)良的機械強度、耐磨性及較好的耐腐蝕性，結(jié)合其自潤滑特性及平行四連桿設(shè)計可滿足干燥環(huán)境條件下托盤架始終保持水平狀態(tài)。水平托盤架用于放置裝載物料的托盤，其底部采用支撐條的鏤空設(shè)計，便于裝卸及進一步改善加熱均勻性。

2.3 真空泵

真空泵是使干燥室保持真空環(huán)境的重要部件。試驗中所需壓力為10.1 kPa，而水環(huán)真空泵所能獲得的極限真空度為2 000 ～4 000 Pa，滿足干燥條件。為了提高干燥效率，真空泵需要在較短時間內(nèi)將干燥室內(nèi)的壓力抽到預(yù)設(shè)值，因此需要計算真空泵的抽氣時間以作為重要選定參數(shù)［22］，公式為

式中 t——抽氣時間，s

K——修正系數(shù)

V0——真空設(shè)備容積，m3

Sp——真空泵實際抽速，m3/s

p1——初始真空度，kPa

p2——要求真空度，kPa

確定試驗要求壓力為10.1 kPa 時，修正系數(shù)為1.25。真空泵的實際抽速Sp與真空泵有效抽速S0以及真空泵與干燥室的連接管道流導(dǎo)有關(guān)，其關(guān)系式為［22］

其中

式中 U——連接管道流導(dǎo)，m3/s

p——管內(nèi)平均壓力，Pa

D——真空管路直徑，m

η——黏度，Pa·s

L——管道的等效長度，m

當管內(nèi)平均壓力為1 000 Pa，管路直徑為0.03 m，黏度為1.25 ×10-5Pa·s，管道等效長度為1.2 m，真空泵將干燥室內(nèi)的壓力由100 kPa 降低至11 kPa 的時間為20 s 時，由式(6)～(8)聯(lián)立可得，真空泵的抽氣速率為1.25 m3/min。因此選定真空泵為 2BV-2070 型水環(huán)真空泵。其功率為2.35 kW，轉(zhuǎn)速為2 880 r/min，最大抽氣量達到1.33 m3/min，極限壓力3 kPa。

2.4 制冷循環(huán)系統(tǒng)

制冷循環(huán)系統(tǒng)簡圖如圖5 所示。

圖5 制冷循環(huán)系統(tǒng)Fig.5 Water circulation system

制冷循環(huán)系統(tǒng)主要由真空泵、冷凝器、水箱構(gòu)成，其作用是降低真空泵工作溫度以保證真空泵壓力范圍。在干燥過程中，真空泵將干燥室內(nèi)物料所蒸發(fā)的水蒸氣及時抽離，但此時工作溫度較高，造成該環(huán)境下真空泵壽命大幅降低，真空度無法保障，故將其與冷凝器和水箱相連，不僅能確保真空泵的工作狀態(tài)，還能將冷卻水循環(huán)利用，節(jié)約資源。保證真空泵工作溫度的核心部件是冷凝器，其采用銅制長管并將其進行U 形循環(huán)排列，加長流通路徑使熱量散失到四周的空氣中，并且在管道上附加熱傳導(dǎo)性能優(yōu)異的散熱片，加大散熱面積并引入對流風機，加快熱量傳遞效率，保證水溫始終低于設(shè)定值以滿足干燥腔室內(nèi)真空壓力要求。

2.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)用于干燥機工作狀態(tài)的監(jiān)測、旋轉(zhuǎn)托架的驅(qū)動、微波功率與真空度的控制、真空微調(diào)閥的開合、內(nèi)部數(shù)據(jù)的顯示與參數(shù)設(shè)置?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

控制系統(tǒng)主要包含5 個模塊:

(1)主控模塊:系統(tǒng)以P89V51RD2FN 為核心，進行整個系統(tǒng)的信號采集、數(shù)據(jù)處理及測量結(jié)果顯示控制等任務(wù)。

(2)A/D 轉(zhuǎn)換模塊:實現(xiàn)干燥機內(nèi)溫度、壓力等模擬信號的采集，并與主控模塊進行A/D 轉(zhuǎn)換。

圖6 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of control system

(3)擴展模塊:設(shè)置看門狗電路，實現(xiàn)斷電數(shù)據(jù)保存、上電掉電復(fù)位及電源電壓監(jiān)控等功能，使單片機可以在無人狀態(tài)下實現(xiàn)連續(xù)工作。

(4)輸出控制模塊:通過輸出數(shù)字信號，實現(xiàn)干燥機內(nèi)微波發(fā)射器、真空泵及真空微調(diào)閥等的通斷。

(5)鍵盤與顯示模塊:用于接收數(shù)值及命令輸入、顯示數(shù)值及提示信息等，實現(xiàn)人機交互。

3 性能驗證試驗

3.1 試驗原料及試驗條件

本文選擇番木瓜為試驗原料對旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥機進行性能驗證試驗，結(jié)合本機特點及前期預(yù)試驗結(jié)果確定切片厚度為6 mm，干燥溫度為55℃，微波功率設(shè)置為800 W，功率密度及真空度分別為0.3 W/g 和10.1 kPa。

番木瓜購自四川雅安農(nóng)貿(mào)市場，選擇新鮮、均勻、成熟度一致的個體作為試驗對象。試驗前將新鮮番木瓜進行清洗、削皮、去籽及切片處理，其初始含水率為91.7%(濕基)。將物料均勻分布于料盤中，按上述參數(shù)進行3 種不同干燥技術(shù)的對比試驗，熱風干燥條件下每隔60 min 取樣一次，直至質(zhì)量不再變化;微波干燥條件下每隔40 min 取樣一次，直至質(zhì)量不再變化;微波真空干燥條件下每隔30 min取樣一次，直至質(zhì)量不再變化。每組試驗重復(fù)3 次，取其平均值。干燥后將物料取出，冷卻后用塑料袋密封包裝。

3.2 干燥參數(shù)計算

干燥速率和干基含水率的計算公式為［23-24］

式中 R——干燥速率，g/(g·min)

Δw——相鄰兩次測定的干基含水率的差值，g/g

Δt——相臨兩次測定的時間間隔，min

w——干基含水率，g/g

mt——物料t 時刻對應(yīng)的質(zhì)量，g

mg——物料絕干質(zhì)量，g

依據(jù)CIELAB 表色系統(tǒng)測量番木瓜色度L*、a*、b*值，同時對干燥前后總色澤差異值ΔE*(色差)進行評價［25］，公式為

式中 L*——明亮度

a*——紅綠值

b*——黃藍值

番木瓜干燥過程中使用脫水量均勻度Ka表示干燥均勻性，Ka越接近100%，干燥均勻性越好，其計算公式為［26］

ΔX——所有料盤脫水量均方差，g

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 干燥速率

以干燥速率為指標對番木瓜在熱風干燥、傳統(tǒng)微波干燥與旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥條件下進行對比，其干燥速率曲線如圖7 所示。

圖7 番木瓜在不同干燥方式下的干燥速率曲線Fig.7 Drying rate curves of papaya by different drying methods

由圖7 可以看出，3 種不同干燥方式下的干燥過程大體都呈現(xiàn)為降速干燥趨勢，這可能是由于番木瓜的干燥主要由內(nèi)部水分擴散控制。其中，微波真空干燥的最大干燥速率可達0.26 g/(g·min)，相比熱風干燥和傳統(tǒng)微波干燥分別提升了3.3倍和1.2 倍。整體來看，熱風干燥的平均干燥速率為0.002 5 g/(g·min)，傳 統(tǒng) 微 波 干 燥 約0.067 g/(g·min)，旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥為0.12 g/(g·min)，其干燥速率相比傳統(tǒng)微波干燥提升了約79%，這可能是由于干燥過程中微波真空通過多次抽真空，將物料表面蒸發(fā)的水蒸氣及時抽離，導(dǎo)致干燥室內(nèi)壓力降低，加大了物料表面與干燥環(huán)境的壓力差，提高了水分蒸發(fā)的驅(qū)動力，從而提高了其干燥速率。

3.3.2 能耗

根據(jù)干燥試驗參數(shù)，得到番木瓜在兩種不同干燥方式下的干燥能耗對比如表1 所示。

表1 番木瓜在不同干燥方式下能耗對比Tab.1 Comparison of energy consumption of papaya by different drying methods

由表1 可知，旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥方式的滿裝載量遠高于傳統(tǒng)微波干燥方式，相同微波加熱條件下有效干燥的裝載量為605g，比傳統(tǒng)微波干燥提高了80%，而干燥時間卻縮短了43.8%，平均能耗相對于后者減小了29.8%。因此，與傳統(tǒng)微波干燥相比，旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥機明顯提高了干燥機的處理能力，縮短了干燥時間，單位能耗大幅度降低，提高了微波真空技術(shù)的應(yīng)用范圍。

3.3.3 番木瓜品質(zhì)

色澤是果蔬干制品評價的重要指標之一，對商品價值有重要影響［27］。表2 反映了傳統(tǒng)微波干燥、旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥兩種不同干燥技術(shù)對番木瓜色澤的影響。

表2 不同干燥技術(shù)對番木瓜色澤參數(shù)的影響Tab.2 Effects of different drying technologies on color parameters of papaya slices

由表2 可以看出，相較于傳統(tǒng)微波干燥，旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥所得木瓜片與未干燥前木瓜片色澤更為接近，說明旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥后成品的色澤明顯強于傳統(tǒng)微波干燥方式，褐變程度更小，干后品質(zhì)更優(yōu)。且整個干燥過程中物料脫水量均勻度Ka均值達到97%(圖8)，干燥后的番木瓜片內(nèi)外色澤均勻一致。這說明在干燥過程中，物料在干燥室內(nèi)受熱均勻，該結(jié)構(gòu)能提升微波真空的干燥均勻性，完全滿足實際工作中的要求。

圖8 脫水量均勻度在干燥過程中的變化曲線Fig.8 Uniformity degree changes of all plates dehydration during drying process

4 結(jié)論

(1)針對微波真空干燥機物料受熱不均、裝載量小等問題，設(shè)計了一臺旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥機。工作時，可平鋪于干燥腔室內(nèi)5 個均布的料盤托架內(nèi)，裝載量大幅提升，同時，物料隨旋轉(zhuǎn)托架在驅(qū)動裝置的作用下勻速轉(zhuǎn)動，使物料受熱更均勻。采用制冷循環(huán)系統(tǒng)，使真空泵始終處于最佳工作狀態(tài)，精確維持干燥腔室內(nèi)真空度。

(2)以番木瓜為試驗原料，對所設(shè)計的干燥機進行了性能試驗。結(jié)果表明:旋轉(zhuǎn)托盤式微波真空干燥機性能較好，與傳統(tǒng)微波干燥方式相比，滿裝載量提高了80%，干燥時間縮短了43.8%，單位能耗降低了29.8%，且脫水量均勻度達到97%，物料色澤內(nèi)外一致，干燥均勻性好。