張斌堯，張兆國，張付杰

(昆明理工大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，昆明 650500)

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一種微波功率可調(diào)的熱風微波耦合干燥裝置

張斌堯，張兆國，張付杰

(昆明理工大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，昆明 650500)

現(xiàn)有的微波發(fā)出功率多采用時間間斷式控制，磁控管的發(fā)射功率恒定，通過改變磁控管的通斷時間實現(xiàn)微波平均輸出功率的調(diào)節(jié)，這種方式不能改變微波的瞬間功率，微波功率輸出控制不精確，對物料品質(zhì)影響較大。為此，設(shè)計了一種微波耦合干燥裝置，通過改變磁控管高壓回路的電容，使磁控管高壓回路的阻抗發(fā)生改變，以達到微波發(fā)出功率的線性可調(diào)。以馬鈴薯為試驗研究對象，在熱風溫度為60°C、電容值魏0、0.25、0.33、0.5、1F)的條件下進行干燥對比試驗，試驗結(jié)果表明：熱風微波耦合的干燥效率明顯優(yōu)于單一熱風干燥，速度快、能耗低。熱風微波耦合干燥是一種快速，高效和節(jié)能的干燥方式，在農(nóng)產(chǎn)品和食品干燥中具有廣闊的應用前景。

熱風微波耦合 ;干燥效率 ;微波功率;陽極電壓

0 引言

食品、農(nóng)產(chǎn)品的干燥具有面廣量大的特點，如何用低能耗獲得優(yōu)質(zhì)的干燥產(chǎn)品是食品和農(nóng)產(chǎn)品干燥研究的一個重要方向。在眾多的干燥技術(shù)中，熱風干燥技術(shù)具有設(shè)備簡單、成本低的優(yōu)勢；熱風系統(tǒng)中，物料加熱是由外向內(nèi)通過熱傳導的方式進行，傳熱和傳質(zhì)方向相反，存在干燥速度慢、成本高、干燥產(chǎn)品的品質(zhì)損失大等特點。微波對物料內(nèi)外同時加熱，但單一微波干燥方式的能耗大、處理量小，常由于外表面散熱不及時，使得物體內(nèi)部溫升過高，從而造成干燥效果不佳[1-4]。若將熱風場和微波場耦合在一起，對物料進行干燥，則可以體現(xiàn)出兩種干燥方式的優(yōu)點：①實現(xiàn)物料內(nèi)外同時加熱，提高了熱、質(zhì)傳遞速度；②熱風場可以使環(huán)境溫度上升，加大系統(tǒng)抽濕能力，避免水蒸汽在內(nèi)部結(jié)露；③合理地分配熱風和微波兩者之間的比例，可提高處理量和降低干燥成本；④在不同物料的干燥上，可以同時發(fā)揮各自的工藝優(yōu)勢[5-10]。

熱風和微波耦合干燥可以分為兩種方式：①微波和熱風串聯(lián)干燥，即將微波干燥和熱風干燥兩個環(huán)節(jié)在時間上先后進行，達到最終的干燥目的[11-18]；②熱風和微波并聯(lián)干燥，稱為熱風微波耦合干燥，即熱風場和微波場同時存在，兩種干燥在時間上同時進行，可以真正實現(xiàn)物料的內(nèi)外同時干燥，縮短干燥時間，同時能夠提高干燥產(chǎn)品的質(zhì)量，保持其原有的色香味。但國內(nèi)、外在微波場的均勻性和微波功率的可控性方面一直未能很好解決[5-10]，至今還沒有性能較好的小型熱風微波耦合干燥設(shè)備。本文采用了一種旋轉(zhuǎn)滾筒物料裝載方法，解決了干燥時微波場的不均勻性問題，并通過改變磁控管陽極回路的阻抗來實現(xiàn)對磁控管功率的調(diào)節(jié)，設(shè)計了一種微波功率可調(diào)的熱風微波耦合干燥系統(tǒng)。同時，以馬鈴薯片為試驗原料，研究熱風微波耦合干燥馬鈴薯片的干燥速率和能耗，并與熱風干燥進行了對比。

1 熱風微波耦合干燥裝置設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計方案

熱風微波耦合干燥系統(tǒng)主要由熱風干燥部分及微波發(fā)生裝置兩部分組成，如圖1所示。熱風干燥系統(tǒng)包括低噪聲離心式鼓風機、數(shù)顯PID溫控儀及溫度傳感器。低噪聲離心式鼓風機主要用于實現(xiàn)對干燥系統(tǒng)的送風，數(shù)顯PID控溫控儀用于控制熱風干燥系統(tǒng)的熱風溫度，溫度傳感器用于感應烘箱內(nèi)部的溫度。微波發(fā)生裝置用于產(chǎn)生干燥微波場，主要由磁控管、變壓器及高壓電容等組成。磁控管用于產(chǎn)生微波，高壓電容和二極管組合成一個倍壓整流電路，為磁控管提供一個4 100V的陽極工作電壓。

1.2 微波功率調(diào)節(jié)方式

目前，常用的微波發(fā)生裝置多采用間斷式導通，實現(xiàn)對微波平均功率的調(diào)節(jié)。在工作過程中，磁控管發(fā)出的功率只有全功率和零功率兩種狀態(tài)，因此不能調(diào)節(jié)磁控管發(fā)出的瞬間功率。本裝置通過改變高壓電容的容值，從而使磁控管的高壓回路阻抗發(fā)生變化，進而達到改變磁控管輸出功率的目的，依據(jù)國標微波功率的測量方法，用水的溫升來反應磁控管發(fā)出的功率[19]。試驗測得的微波功率與電容值如表1所示。圖2為高壓電容值與磁控管輸出功率的曲線。

圖1 熱風微波耦合干燥示意圖

電容值/μF發(fā)出功率/W電網(wǎng)功率/W1．00621．251406．250．50290．00841．500．33166．25715．500．25113．75670．500．12587．50648．00

圖2 高壓電容值與磁控管輸出功率的曲線

1.3 微波發(fā)生裝置

1.3.1 微波發(fā)生裝置的設(shè)計

微波發(fā)生裝置主要由磁控管、變壓器及高壓電容等組成。本微波裝置安裝在外殼尺寸為長40cm、寬30cm、高22cm的鐵箱中，磁控管采用型號為 Panasonic J05-0525 水冷磁控管，變壓器的型號是SY90QT-1050A，為燈絲提供電壓和磁控管提供陽極電壓。高壓電容使用容值為1.00μF的電容。系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 微波發(fā)生裝置電路圖

1.3.2 微波發(fā)生裝置均勻性的改善

微波場的均勻性對于干燥的結(jié)果有著十分重要的影響，干燥用微波大多采用2.45GHz，其波長為12cm，由于小型微波裝置多采用1個磁控管，致使微波場的均勻性不好。為了克服微波的均勻性問題，作者采用了一種用電機帶動的旋轉(zhuǎn)滾筒物料裝載方法，達到克服微波場不均勻的目的，物料放在滾筒內(nèi)，滾筒上的空洞可以讓熱風通過。滾筒采用微波易穿透的材料。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗方法

2.1 熱風干燥

將馬鈴薯洗凈后，晾干表面水分，切成3mm厚的薄片待用。用電子天平(JY10001，上海浦春計量儀器有限公司，精度0.1g)，稱取質(zhì)量為150g左右的馬鈴薯片放置于自制的轉(zhuǎn)籠中，加入60℃的熱風進行干燥至濕基含水率≤10%。每10min對轉(zhuǎn)籠稱量1次。

馬鈴薯片的初始含水率依據(jù)國標GB/T 5009.3-2010測定，測得馬鈴薯的濕基含水率為81.2%左右，馬鈴薯的干基含水率為[20]

(1)

式中Md—干基含水量(g/100g)；

mw—物料中所含水的質(zhì)量(g)；

ms—物料中所含干物質(zhì)的質(zhì)量(g)。

2.2 熱風微波耦合干燥

選取60℃熱風溫度，在不同微波功率下進行試驗，干燥至濕基含水率≤10%左右為止。取高壓電容分別是0、0.25、0.33、0.5、1μF 分別做干燥試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 微波功率對干燥速率的影響

圖5為不同電容值下馬鈴薯的干燥曲線。由圖5可以看出：電容值越大，馬鈴薯的干燥時間越短；說明了電容值越大，其高壓回路的阻抗越小，高壓回路的電流值越大，磁控管發(fā)出功率越大，因此干燥過程越快。在高壓電容為1μF的情況下，微波功率較高，只需40min就可以完成干燥；而0.25μF，低功率需要耗費150min左右。長時間的干燥不利于干燥產(chǎn)品的品質(zhì)。但過高的微波功率雖然耗時短，卻容易過熱而影響干燥品質(zhì)，所以，耦合干燥時只要選取合適的微波功率，就可以達到同時提高干燥效率和干燥品質(zhì)的目的。

圖5 不同電容值下馬鈴薯的干燥曲線

3.2 熱風干燥與熱風微波耦合干燥速率的比較

圖6為熱風溫度60℃,不同電容值下馬鈴薯的干燥曲線。由圖6中可以看出：微波干燥輔以一定溫度的熱風，可以提高干燥速率。熱風微波耦合干燥的干燥速率快于熱風干燥。微波功率在熱風微波耦合干燥過程中起主導作用。微波功率越大，干燥速率越快。熱風干燥的干燥機理是通過使馬鈴薯的內(nèi)部自由水通過毛細管擴散到表面，再由表面擴散到外界，一般去除的是自由水和表面水。熱風干燥會使物料表面的孔隙閉合，阻止水分的逸出，所以干燥時間長。微波干燥是利用物料內(nèi)部水分對微波的吸收特性，將被吸收的微波能轉(zhuǎn)化為熱能，使內(nèi)部水分氣化而逸出。由于微波能全方位的穿透物料直徑達到20～60mm[2]，使物料內(nèi)外同時生熱，無需傳熱介質(zhì)，故微波干燥時升溫快、熱效率高。但是，單一微波干燥時，物料周圍的空氣的溫度基本保持恒定，表面水分排出較慢，影響干燥速度，同時物料中心部位熱量積累多，內(nèi)部溫度升高而嚴重影響干燥產(chǎn)品質(zhì)量。熱風微波耦合干燥可以真正地實現(xiàn)物料的內(nèi)外同熱，使得物料內(nèi)部以及表面的水分快速的蒸發(fā)，提高干燥速率和干燥品質(zhì)。

圖6 不同電容值下馬鈴薯的干燥曲線(熱風溫度60℃)

3.3 干燥能耗對比

圖7為不同微波功率下干燥馬鈴薯的耗電量。從圖7可以看出：在耗電量上，干燥同樣質(zhì)量的馬鈴薯，熱風溫度60℃，電容值為1μF的微波發(fā)生裝置干燥速率最快，耗電量最低，耗電量約為普通單一熱風干燥的1/3。

圖7 不同電容值下干燥馬鈴薯的耗電量(熱風溫度60℃)

4 結(jié)論

1)本裝置通過改變磁控管高壓回路的電容，而改變磁控管高壓回路阻抗，從而使磁控管的發(fā)出功率達到可控。

2)以馬鈴薯片為干燥對象，對熱風微波耦合干燥與單一熱風干燥進行干燥對比試驗，前者在干燥速率上明顯優(yōu)于后者。

3)該設(shè)備工作穩(wěn)定，可用于下一步對三七的干燥研究以及試驗研究。

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A Coupled Hot Air and Microwave Drying System with Microwave Power Controlled

Zhang Binyao, Zhang Zhaoguo, Zhang Fujie

(Faculty of modern Agricultural Engineering,Kunming University of science and Technology,Kunming 650500,China)

In order to solve the existing problem of the system of coupled hot air and microwave drying, microwave power is controlled by the time intermittent. The instantaneous power of magnetron works constantly, by the way of adjusting the on-off time of magnetron to achieve an average output power of microwave. This approach can not change the instantaneous power of magnetron and the output power of microwave is inaccurate, this lead to great damage on the quality of materials. This research designed a system of coupled hot air and microwave drying,the author achieved a way of continuous controllable of microwave power by adjusting high-pressure circuit capacitance to change the impedance anode circuit. The potato slices are used as the samples of the contrast experiment at the temperature of hot air 60°C and different capacitance value(0F ,0.25F ,0.33F, 0.5F, 1F).The results show that the drying efficiency of coupled hot air and microwave drying is better than hot air only, the speed is higher and the consumption is lower. The coupled hot air and microwave drying is a drying way which is fast, efficient and energy-saving, there will be more application in agricultural production and food drying field.

coupled hot air and microwave； drying efficiency； microwave power； anode voltage

2016-05-17

云南省重點新產(chǎn)品開發(fā)計劃項目(2014BC007)

張斌堯(1990-),男,山西永濟人，碩士研究生，(E-mail)416436560@qq.com。

張兆國(1965-),男,山東單縣人，教授，博士生導師，(E-mail)zhaoguozhang@163.com。

S226.6

A

1003-188X(2017)07-0240-04