CO2冷阱微波真空干燥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

史揚(yáng)杰, 奚小波*, 袁日燦, 單翔, 張琦, 趙其東, 張瑞宏

(1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)工程中心， 江蘇 揚(yáng)州 225127； 2.興化市嘉禾食品有限公司， 江蘇 泰州 225700)

現(xiàn)有果蔬干燥技術(shù)主要有熱泵干燥、熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、微波干燥以及紅外干燥等[1]，常用的干燥設(shè)備也基本都依托于這些技術(shù)。但這些干燥設(shè)備普遍存在干燥速度慢、能耗較大及干燥成品品質(zhì)品相劣變明顯(除真空冷凍干燥外)等問題。而微波真空冷凍干燥技術(shù)集成真空冷凍干燥技術(shù)與微波干燥技術(shù)的優(yōu)勢，通過預(yù)冷凍使果蔬內(nèi)部水分結(jié)為冰晶，再通過抽真空與微波加熱促使冰晶升華完成干燥[2]。研究表明，微波真空冷凍干燥可有效降低干燥能耗[3]，提高物料干燥速率[4]，同時(shí)保證干燥成品品質(zhì)品相[5-6]。

同時(shí)，對影響微波真空冷凍干燥速率的工藝參數(shù)進(jìn)行研究表明，物料凍結(jié)效果以及微波功率對物料干燥速率影響顯著[7-9]。現(xiàn)有微波真空冷凍干燥技術(shù)一般通過冷卻空氣間接實(shí)現(xiàn)物料凍結(jié)，凍結(jié)效果與凍結(jié)速率均無法得到有效保證，液態(tài)CO2噴淋冷凍通過噴嘴噴射液態(tài)CO2，形成雪花狀的固體干冰和CO2氣體，直接與物料表面接觸實(shí)現(xiàn)物料的凍結(jié)，最低溫度可達(dá)-78.5 ℃，凍結(jié)速率更快且效果更好[10]。同時(shí)，液態(tài)CO2還可用于冷阱制冷劑，相較于液氮與乙二醇而言更經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

因此，本研究采用液態(tài)CO2作為制冷媒，設(shè)計(jì)了一套CO2冷阱微波真空干燥裝置，基于物料凍結(jié)與冷阱換熱原理設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)與布局，并以白蘿卜為原料進(jìn)行了工藝參數(shù)對裝置干燥速率影響試驗(yàn)。為微波真空冷凍裝置工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

CO2冷阱微波真空干燥裝置(圖1)主要包括干燥室、冷阱室、真空排氣系統(tǒng)、噴淋預(yù)冷凍裝置、微波加熱裝置、CO2循環(huán)冷阱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及其他輔助裝置等。其中，真空排氣系統(tǒng)主要用于對干燥室與冷阱室進(jìn)行抽真空處理，確保干燥過程對真空度的要求；噴淋預(yù)冷凍裝置用于對物料進(jìn)行噴淋冷凍，微波加熱裝置則用于給物料加熱，加快干燥進(jìn)程；CO2循環(huán)冷阱系統(tǒng)的作用為捕集干燥室內(nèi)形成的水蒸氣，同時(shí)連接干燥室、冷阱室和噴淋裝置，構(gòu)成CO2循環(huán)系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要由各傳感器、控制電路及PLC主板組成，可對整個(gè)裝置進(jìn)行監(jiān)測控制，整個(gè)裝置電氣設(shè)備由外接三相380 V電源供電。

注：1—框架；2—微波磁控管；3—干燥室；4—干燥室門；5—三角支架；6—轉(zhuǎn)盤；7—物料盤；8—支架軌道；9—微波控制器；10—制冷系統(tǒng)；11—冷阱室；12—冷阱管支架；13—冷阱管；14—CO2噴嘴；15—CO2噴淋管道；16—干燥室主排氣管；17—冷阱室主排氣管；18—冷阱室底座；19—真空泵；20—液態(tài)CO2儲(chǔ)氣罐；21—水環(huán)泵；22—羅茨泵；23—干燥室底座。Note: 1—Frame; 2—Microwave magnetron; 3—Drying chamber; 4—Drying chamber door; 5—Triangle bracket; 6—Rotary table; 7—Material tray; 8—Bracket track; 9—Microwave controller; 10—Refrigeration system; 11—Cold well chamber; 12—Cold well tube bracket; 13—Cold well tube; 14—CO2 nozzle;15—CO2 spray pipe; 16—Drying chamber main exhaust pipe; 17—Cold trap chamber main exhaust pipe; 18—Cold trap chamber base; 19—Vacuum pump; 20—Liquid CO2 storage tank; 21—Water ring pump; 22—Roots pump; 23—Drying chamber base.圖1 CO2冷阱微波真空干燥裝置三維結(jié)構(gòu)Fig.1 Three dimensional structure of CO2 cold trap microwave vacuum drying device

CO2冷阱微波真空干燥過程主要分為預(yù)冷凍、升華干燥、解析干燥三個(gè)過程[11]。預(yù)冷凍過程就是將物料中的自由水通過液態(tài)CO2噴淋的方式在短時(shí)間內(nèi)凍結(jié)為冰晶，凍結(jié)溫度一般在物料共晶點(diǎn)以下10 ℃[12]。升華干燥過程主要利用冰在三相點(diǎn)壓力(611.659 Pa)之下直接升華為水蒸氣的原理，通過對干燥室進(jìn)行抽真空處理，并在共熔點(diǎn)溫度下輔以微波加熱，加快冰結(jié)晶升華，同時(shí)通過冷阱捕集水蒸氣，實(shí)現(xiàn)對物料的干燥，升華干燥過程主要去除物除料內(nèi)部的自由水和少部分結(jié)合水[13]。解析干燥主要去除升華干燥過程中殘留的物料內(nèi)部的結(jié)合水，通過反復(fù)加溫，去除水蒸氣至干燥完成。CO2冷阱微波真空干燥技術(shù)原理如圖2所示。

注：1—干燥室；2—冷阱室；3—液態(tài)CO2儲(chǔ)氣罐；4—微波加熱裝置；5—冷阱管；6—水環(huán)泵；7—羅茨泵；8—真空泵；9—循環(huán)泵；10—壓縮機(jī)；11—冷凝器；12—控制中心；13—單向閥；14—電磁閥；15—膨脹閥；16—排水口。Note: 1—Drying chamber; 2—Cold well chamber; 3—Liquid CO2 storage tank; 4—Microwave heating device; 5—Cold well tube; 6—Water ring pump; 7—Roots pump; 8—Vacuum pump; 9—Circulating pump; 10—compressor; 11—Condenser; 12—Control center; 13—One-way valve; 14—Solenoid valve; 15—Expansion valve; 16—Drainage port.圖2 CO2冷阱微波真空干燥技術(shù)Fig.2 Microwave vacuum drying technology with CO2 cold trap

CO2冷阱微波真空干燥裝置首先將物料放置于干燥室內(nèi)轉(zhuǎn)盤上，各儀表檢查無誤后打開真空排氣系統(tǒng)，將干燥室和冷阱室內(nèi)部抽真空至一定數(shù)值后關(guān)閉；打開噴淋裝置對物料進(jìn)行噴淋速凍，期間打開真空泵，將冷阱室抽真空后關(guān)閉。待預(yù)冷凍步驟完成打開循環(huán)泵，將干燥室內(nèi)剩余CO2泵送至冷阱室，同時(shí)開啟膨脹閥，液態(tài)CO2經(jīng)膨脹閥轉(zhuǎn)化為氣體流經(jīng)冷阱管，兩者聯(lián)合使冷阱管壁迅速降溫。冷阱室與冷阱管內(nèi)CO2經(jīng)管道進(jìn)入壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)后經(jīng)冷凝器冷凝，最終輸送至液態(tài)CO2儲(chǔ)氣罐，實(shí)現(xiàn)CO2的循環(huán)利用。待干燥室內(nèi)剩余CO2泵送完畢開啟真空排氣系統(tǒng)，將干燥室內(nèi)部真空度降低至611.659 Pa以下關(guān)閉。開啟微波加熱裝置，微波促使物料內(nèi)冰晶體升華，去除物料中的結(jié)合水，待干燥室內(nèi)水蒸氣達(dá)到飽和時(shí)開啟循環(huán)泵和真空泵，水蒸氣在壓力梯度、溫度差以及循環(huán)泵的共同作用下進(jìn)入冷阱室，高溫水蒸氣被低溫冷靜管壁捕捉結(jié)霜，經(jīng)加熱系統(tǒng)融化后從排水口排出。之后重復(fù)微波加熱與水蒸氣去除步驟直至干燥完成。

1.2 液態(tài)CO2噴淋預(yù)冷凍裝置設(shè)計(jì)

1.2.1噴淋裝置設(shè)計(jì)與布置 噴淋裝置包括噴嘴、噴淋管路、液態(tài)CO2儲(chǔ)氣罐以及電磁閥等部件，同時(shí)還需配合轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料的預(yù)冷凍。噴淋管路均為銅管，外部包裹保溫材料，管道上每隔一段距離開有孔與噴嘴相連，通過電磁閥控制液態(tài)CO2噴出[14]。

本裝置采用Spraying System公司生產(chǎn)的LN-4W系列空心錐噴嘴。直徑1.5 cm，長10 cm，標(biāo)稱噴孔直徑1.5 mm，質(zhì)量流量M=0.003 kg·s-1(1.5 bar)，噴射角度為60°。液態(tài)CO2儲(chǔ)氣罐選用浙江普陽深冷裝備股份有限公司生產(chǎn)的DPL450-175-2.0型儲(chǔ)氣罐，工作壓力(working pressure，WP)2.0 MPa，安全閥開啟壓力(safe pressure，SP)2.4 MPa，正常使用壓力(normal operating pressure，NOP)0.55～2.2 MPa，試驗(yàn)壓力(test pressure，TP)4.0 MPa；體積流量(LCO2)0～3 m3·h-1。

為保證噴淋覆蓋范圍與極限狀態(tài)下噴淋過程的可靠性，需根據(jù)單個(gè)噴嘴的質(zhì)量流量[15]確定噴嘴個(gè)數(shù)。

(1)

式中，M單為單個(gè)噴嘴的質(zhì)量流量，kg·s-1；Q為液態(tài)CO2氣罐極限體積流量，m3·h-1；V為CO2的比容，m3·kg-1；n為噴嘴個(gè)數(shù)。

為提高噴淋覆蓋率，整個(gè)噴淋裝置中管道及噴嘴的布局如圖3所示。在距頂端5 cm處開設(shè)通孔，間距40 cm，噴淋范圍剛好覆蓋整個(gè)物料架。此外，噴淋管道的布置不能干涉物料支架的轉(zhuǎn)動(dòng)，且噴嘴角度應(yīng)與物料盤水平位置呈90°夾角，提高CO2利用率。根據(jù)物料支架尺寸和噴嘴長度，將噴淋管道的通孔定位于在Φ170 cm的圓與水平夾角為60°的右上方位置，噴嘴安裝角度為豎直向下。

注：1—噴淋管路；2—干燥室；3—絕熱保溫層；4—干燥室門；5—噴嘴。Note: 1—Spray pipeline; 2—Drying chamber; 3—Thermal insulation layer; 4—Drying chamber door; 5—Nozzle.圖3 噴淋裝置中管道及噴嘴的布局Fig.3 Pipes and nozzles in sprinkler

1.2.2轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的確定 在確定了噴嘴與噴淋裝置結(jié)構(gòu)的前提下，還需控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速來保證噴淋的均勻性，同時(shí)控制經(jīng)過有效噴淋區(qū)域的時(shí)間提高凍結(jié)效果。

為方便計(jì)算，將噴淋裝置的結(jié)構(gòu)圖簡化，并建立XOY坐標(biāo)系，長度單位為cm，如圖4所示。其中O點(diǎn)為干燥室空間中心點(diǎn)，R100圓弧表示干燥室外壁，R70圓弧表示物料盤轉(zhuǎn)動(dòng)路徑，C點(diǎn)為噴淋管中心，EF為噴嘴位置。

圖4 轉(zhuǎn)盤與噴嘴位置Fig.4 Position of rotary table and nozzle

通常將BDEF區(qū)域是為有效凍結(jié)區(qū)域，此區(qū)域的噴霧整體流向固定、流量大、溫度低、速凍效果好。因此，當(dāng)物料轉(zhuǎn)入BDEF區(qū)域內(nèi)時(shí)，凍結(jié)速率最快，為保證整體物料的預(yù)冷凍效果，一般控制物料經(jīng)過噴淋區(qū)域的時(shí)間大于30 s。

(2)

求得坐標(biāo)A(38.70，58.33)，再由O、A、B三點(diǎn)坐標(biāo)可求得OA=70、OB=69.35、AB=28.47；通過反三角函數(shù)求得：∠α≈23.75°，結(jié)合噴淋時(shí)間要求，則轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速n≤0.13 r·min-1。

1.3 冷阱裝置的設(shè)計(jì)與傳熱強(qiáng)度計(jì)算

1.3.1冷阱管的設(shè)計(jì)與參數(shù)確定 冷阱管是整個(gè)冷阱裝置中最重要的部件，承擔(dān)著冷阱室中液態(tài)CO2制冷媒和水蒸氣的換熱作用，其傳熱系數(shù)的高低決定著冷阱去除水蒸氣的速度，影響著整個(gè)干燥裝置的效率，因此冷阱管的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。傳熱方程如下。

Φ=hA×ΔT

(3)

式中，Φ為單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量，W；h為傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；A為換熱面積，m2；ΔT為溫度差，K。

根據(jù)上述傳熱方程，結(jié)合翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)可得以光側(cè)表面積為基準(zhǔn)的翅片式冷阱管傳熱系數(shù)[16]，計(jì)算公式如下。

(4)

式中，hf為傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；β為翅片比，翅片總表面積與光側(cè)表面積之比；hi、h0為冷阱管內(nèi)、外側(cè)換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；δ為管壁厚度，m；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；η0為翅片效率。

從上式可以看出，適當(dāng)增大翅片比可以提高傳熱系數(shù)。翅片比的最佳值一般在17～28之間[17]，又因管外介質(zhì)為水蒸汽，其膜狀凝結(jié)時(shí)對流換熱系數(shù)量級大致為10 000 W·m-2·K-1，翅片比應(yīng)盡量大些。翅片結(jié)構(gòu)如圖5所示，該翅片式冷阱管內(nèi)側(cè)為紫銅材質(zhì)薄壁光管，光管規(guī)格為Φ10 mm×1 mm，外側(cè)添加紫銅材質(zhì)波紋狀翅片，翅片尺寸為10 mm×0.2 mm，翅片間距3.2 mm，翅片比25，管道呈“蛇”形排列，共3層，64組。

注：R—翅片管外徑；di—基管壁厚；t—翅片節(jié)距；r—翅片管根徑；S—翅片厚度；h—翅片高度。Note:R—Fin tube outer diameter; di—Base tube wall thickness; t—Fin pitch; r—Fin tube root diameter; S—Fin thickness; h—Fin height.圖5 翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.5 Structural parameter of finned tube

1.3.2冷阱傳熱強(qiáng)度計(jì)算 根據(jù)冷阱工作環(huán)境與作用分析，冷阱內(nèi)部傳熱為有相變的對流換熱，即凝結(jié)換熱。因此，要分析冷阱內(nèi)部熱對流換熱情況，需要知道冷阱內(nèi)部氣體的流動(dòng)狀態(tài)。由于冷阱內(nèi)部進(jìn)行了抽真空處理，其內(nèi)部處于稀薄氣體環(huán)境下，在稀薄氣體動(dòng)力學(xué)中，通常引用克努森數(shù)Kn(Knudsen number)對稀薄氣體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行劃分[18]。克努森數(shù)是λ(氣體分子的平均自由程)與L(流場中物體的特征長度)之比，計(jì)算式為(5)。

(5)

式中，λ為氣體分子的平均自由程，m；L為流場中物體的特征長度，m；KB為玻爾茲曼常數(shù)，一般取1.38×10-23J·K-1；d為氣體分子直徑，m；T為氣體溫度，K；P為氣體壓力，Pa。

已知冷阱管的內(nèi)徑為10 mm，平均工作壓力為500 Pa，冷阱內(nèi)部工作溫度平均為-50 ℃，取空氣分子的直徑為3.72×10-10m，計(jì)算可得Kn≈1.002×10-3，由此可知冷阱室內(nèi)的流動(dòng)氣體大致處于滑流區(qū)(即10-3

努塞爾數(shù)(Nu)用來表示對流換熱的強(qiáng)度，冷阱中處于滑流區(qū)氣體的換熱努塞爾數(shù)表達(dá)式[19]如下。

(6)

式中，ζT為速度滑移系數(shù)；α為表面熱適應(yīng)系數(shù)；γ為比熱比；Pr為普朗特?cái)?shù)。取α=1，γ=1.3，Pr=0.5，上述求得Kn≈1.002×10-3，代入公式(5)可得Nu≈4.3，接近于常壓下冷阱內(nèi)部對流換熱強(qiáng)度，換熱效率高。

1.4 干燥參數(shù)試驗(yàn)

1.4.1試驗(yàn)材料及儀器 本試驗(yàn)所用材料為白蘿卜，外表無損傷、大小均勻，長20～30 cm，直徑5～8 cm，重量0.5～1 kg·根-1，并事先放置于20 ℃保鮮柜中進(jìn)行保鮮。試驗(yàn)儀器主要有培養(yǎng)皿、保鮮袋、電子天平、遠(yuǎn)紅外測溫儀等。

1.4.2試驗(yàn)方法 白蘿卜清洗干凈并瀝干后切為5 mm的圓片，取150 g樣品平鋪于物料盤上，將各物料盤編號后放入干燥室內(nèi),設(shè)3次重復(fù)。設(shè)定預(yù)凍結(jié)過程干燥室真空度1 000 Pa，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速0.13 r·min-1，噴淋時(shí)間10 min，干燥過程干燥室內(nèi)最低溫度-15 ℃，最高溫度-5 ℃，溫控延時(shí)5 s，真空度550 Pa，冷阱室溫度-50 ℃，脈沖工作時(shí)間10 s，脈沖間歇時(shí)間10 s。在進(jìn)行噴淋流量對干燥速率的影響試驗(yàn)時(shí)設(shè)定微波功率為6 kW，分別以控制液噴淋流量1.5、2、2.5、3 m3·h-1進(jìn)行預(yù)冷凍，噴淋結(jié)束后分別取樣觀察樣品的速凍效果。在進(jìn)行微波功率對干燥速率的影響試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定噴淋流量為3 m3·h-1，控制微波功率分別為2、4、6、8 kW。

通過周期性稱量樣品質(zhì)量來確定干燥進(jìn)程，以20 min為節(jié)點(diǎn)，總計(jì)干燥時(shí)間為3 h。每次干燥結(jié)束后的樣品立刻密封包裝以待接下來的測試，試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4.3干基含水量測定 本試驗(yàn)用干基含水量作為評價(jià)干燥速率的指標(biāo)，測定方法參照GB/T5009.3—2010《食品中的水分測定》[20]。用FA1004電子天平秤取干燥前后的白蘿卜重量后計(jì)算干基含水量。

(7)

式中，w為干基含水量；m2為干燥恒重后樣品質(zhì)量，g；m1為干燥前樣品質(zhì)量，g。當(dāng)相鄰兩次測量物料質(zhì)量差小于0.1 g時(shí)視為干燥完成，即w=0，相應(yīng)的時(shí)間視為干燥完成時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同噴淋流量對預(yù)凍結(jié)效果的影響

圖6為白蘿卜不同噴淋流量預(yù)冷凍后表面樣貌，可以看出，白蘿卜在經(jīng)不同流量噴淋10 min后預(yù)冷凍，白蘿卜表面冰結(jié)晶數(shù)量隨噴淋流量的增大而增多，但冰晶大小一致、分布均勻，未見明顯差異，且未出現(xiàn)凍傷現(xiàn)象，可見噴淋裝置設(shè)計(jì)合理。噴淋流量對預(yù)凍結(jié)效果無顯著影響，保證物料不被凍傷的前提下，適當(dāng)增大噴淋流量可獲得更好的預(yù)凍結(jié)效果。

圖6 白蘿卜不同噴淋流量預(yù)冷凍后表面樣貌Fig.6 Surface appearance of pre-frozen radish with different spray flow rate

2.2 不同噴淋流量對干燥速率的影響

圖7為白蘿卜在不同噴淋流量下樣品的干基含水量隨時(shí)間變化情況，可以看出，隨著噴淋流量的增加，樣品干燥完成時(shí)間相應(yīng)變短，對應(yīng)整體干燥速率變快。當(dāng)噴淋流量為3 m3·h-1時(shí)，干基含水量在120 min之后趨于恒定(w=0)，此時(shí)，其余3種噴淋流量下物料干基含水率分別為25%、29%和49%，噴淋流量每減少0.5 m3·h-1，干燥完成時(shí)間相應(yīng)增加大概20 min(干燥完成時(shí)間可能更短，這取決于測量間隔時(shí)間)。圖中折線斜率代表干燥速率，在不同噴淋流量下，樣品干燥速率變化均表現(xiàn)為先快后慢的趨勢。

圖7 白蘿卜在不同噴淋流量下樣品的干基含水量變化Fig.7 Changes of dry basis water content of radish samples under different spray flow rates

上述結(jié)果表明，噴淋流量對物料整體干燥速率有一定影響，噴淋流量越大，整體干燥速率越快，因此適當(dāng)提高干燥速率可增加噴淋流量。

2.3 不同微波功率對干燥速率的影響

從圖8可以看出，微波功率為6 和8 kW時(shí)，當(dāng)樣品干燥時(shí)間為120 min時(shí)，物料干基含水量趨于恒定(w=0)干燥完成；此時(shí)微波功率為4和2 kW下物料干基含水量分別為22%和41%，物料干燥完成時(shí)間分別為160和180 min。總體而言，微波功率越大，所需干燥完成時(shí)間越短，對應(yīng)整體干燥速率越快。

圖8 白蘿卜在不同微波功率下干基含水量變化Fig.8 Water content of radish on dry basis under different microwave power

對比微波功率下干燥速率(即折線斜率)變化情況可以看出，不同微波功率下樣品干燥速率均表現(xiàn)為先快后慢的趨勢。以物料內(nèi)部自由水完全除去為節(jié)點(diǎn)(即w=50%)，當(dāng)物料干基含水量下降到50%之前，微波功率為6和8 kW的干燥速率并無顯著差異，當(dāng)物料干基含水量下降到50%之后，微波功率為6和8 kW的干燥速率相較于微波功率為4和2 kW時(shí)明顯更快。

綜上，微波功率對干燥速率影響較大，適當(dāng)提高微波功率可加快干燥進(jìn)程。

3 討論

本文以白蘿卜為例對設(shè)計(jì)的CO2冷阱微波真空干燥裝置干燥參數(shù)進(jìn)行了研究。由于液態(tài)CO2溫度較低，若霧化不均勻，干燥室內(nèi)較難形成均勻的溫度場，物料凍結(jié)過程均勻性無法保證，且液態(tài)CO2直接滴落在物料表面容易造成凍傷影響品質(zhì)。因此，為保證凍結(jié)速率與均勻性，選擇合適的噴嘴流量并進(jìn)行合理的布局至關(guān)重要。本研究結(jié)果表明，在保證物料不被凍傷的情況下，噴淋流量越大，物料預(yù)凍結(jié)效果越好；且隨著噴淋流量增大，物料整體干燥速率變快，干燥速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢。其原因主要為：從干燥角度考慮，體積大的冰晶容易升華，而過小的冰晶不易升華。噴淋流量越大，等時(shí)間內(nèi)形成冰晶數(shù)量越多，升華階段自由水去除量越多，所以總體干燥完成時(shí)間也越短。隨著干燥的進(jìn)行，易去除的自由水逐漸減少，樣品內(nèi)水分主要以結(jié)合水方式存在，結(jié)合水較難去除，故干燥速率變慢[21]。根據(jù)冰晶形成機(jī)理，在越短的時(shí)間內(nèi)通過最大冰晶生成區(qū)，形成的冰晶體體積小，數(shù)量多且分布均勻，同時(shí)細(xì)胞膜內(nèi)外形成壓力差就越小，細(xì)胞就不容易被破壞[22]，可最大程度保持物料組織結(jié)構(gòu)和性能，保留物料內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)與風(fēng)味。

冷阱系統(tǒng)是微波真空干燥設(shè)備的重要組成部分，起到快速捕集水蒸氣的作用。從干燥室進(jìn)入冷阱室的氣體為含有水蒸氣的空氣混合氣體，當(dāng)混合氣體進(jìn)入冷阱后，由于所處環(huán)境溫度急降，其中水蒸氣發(fā)生相變，在冷阱管外壁凝結(jié)，即被冷阱壁冷凝捕集[23]，水蒸氣的相變熱由冷阱管低溫CO2帶走，剩余少量不凝性氣體隨真空泵排除。在一定范圍內(nèi)，微波功率越大，整體干燥速率越快，干燥速率變化呈現(xiàn)為先快后慢的趨勢。其原因主要為：微波功率越大，單位面積物料所接受的微波能量越多，干燥速率也相應(yīng)更快。當(dāng)物料中水分越多時(shí)樣品吸收的微波能越多，干燥速率也更快，當(dāng)樣品中水分逐漸減少，樣品吸收微波的能力也逐漸減弱，干燥速率也相應(yīng)變緩[24]。針對試驗(yàn)中微波功率為6和8 kW時(shí)干燥完成時(shí)間相近的問題，可能是由于在解析干燥階段干燥速率緩慢的情況下，伴隨樣品內(nèi)部水分的減少，測量單位時(shí)間內(nèi)干燥室內(nèi)部水蒸氣并不能達(dá)到飽和狀態(tài)，將物料取出進(jìn)行測量造成了微波能量的浪費(fèi)，所以造成增加微波功率也并未表現(xiàn)出應(yīng)有效果的現(xiàn)象。因此在后續(xù)試驗(yàn)中應(yīng)考慮在解析干燥階段適當(dāng)延長測量節(jié)點(diǎn)時(shí)間。

綜上，要提高物料干燥速率同時(shí)保證成品品質(zhì)品相，可適當(dāng)增大噴淋流量。同時(shí)從節(jié)能角度考慮，在升華干燥階段，可選取適宜且較低的微波功率，而在解析干燥階段，則應(yīng)盡可能增大微波功率，從而縮短干燥時(shí)間。本研究可為同類微波真空干燥裝置設(shè)計(jì)提供參考。