謝永康，林雅文，朱廣飛，于賢龍，薛令陽(yáng)，高振江，劉嫣紅

0 引 言

射頻（radio frequency，RF）是一種高頻交流變化的電磁波[1]，其頻率范圍是3 kHz～300 MHz。為避免對(duì)通訊產(chǎn)生干擾，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）規(guī)定國(guó)際上用于工業(yè)、科研以及醫(yī)藥行業(yè)的3個(gè)射頻頻率分別為13.56、27.12和40.68 MHz[2]。射頻可穿透到物料內(nèi)部，引起物料內(nèi)部極性分子和帶電離子的振蕩遷移，相互摩擦，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，物料的溫度隨之升高，進(jìn)而達(dá)到干燥的目的[3]。同時(shí)，相比微波加熱，射頻技術(shù)具有設(shè)備投資小，穿透深度大和產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)[4]。利用射頻能量穿透深度大的優(yōu)勢(shì)，可解決裝料厚度受限的問(wèn)題，提高生產(chǎn)率[5]。但裝料厚度過(guò)大易導(dǎo)致物料內(nèi)部熱量和水分?jǐn)U散受阻，會(huì)出現(xiàn)局部高溫，由于與射頻加熱速率正相關(guān)的介電損耗因子隨溫度的升高而增大，射頻能量往往集中于局部溫度較高的部位，導(dǎo)致該部位過(guò)熱，出現(xiàn)熱偏移現(xiàn)象[6]。此外，當(dāng)裝有物料的規(guī)則料盤(pán)（如長(zhǎng)方體料盤(pán)）放在上下極板之間加熱時(shí)，作用于料盤(pán)邊緣的電場(chǎng)線會(huì)發(fā)生彎曲，邊角處電場(chǎng)密度增大，造成邊角處物料過(guò)度加熱，產(chǎn)生邊角效應(yīng)，出現(xiàn)加熱不均勻的情況[7-8]。射頻加熱過(guò)程中出現(xiàn)的熱偏移問(wèn)題和邊角效應(yīng)問(wèn)題不僅降低了物料的整體干燥速率，還會(huì)降低其干燥品質(zhì)，是影響射頻技術(shù)推廣的主要障礙[9-10]。

物料的干燥過(guò)程主要由內(nèi)部水分?jǐn)U散與表面水分蒸發(fā)或外部水分?jǐn)U散所決定。因此，堆積物料表面附近未及時(shí)擴(kuò)散的水分和表面蒸發(fā)水分之間較低的濃度差，減弱了對(duì)流傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)，從而降低了干燥速率[11]。熱偏移和邊角效應(yīng)引起的干燥不均主要有 2類，一是整個(gè)樣品熱點(diǎn)處出現(xiàn)加熱過(guò)度，二是冷點(diǎn)處物料未降至安全水分，這兩種不均勻都會(huì)導(dǎo)致物料的品質(zhì)難以得到保障[12]。因此，改善和解決熱偏移問(wèn)題及邊角效應(yīng)問(wèn)題十分必要。

通過(guò)熱風(fēng)對(duì)流方式可帶走干燥過(guò)程遷移至物料表面的水分。根據(jù)對(duì)流熱風(fēng)與物料相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向，熱風(fēng)干燥方式可分為橫流干燥、順流干燥及逆流干燥，其中，橫流干燥方式由于熱空氣流動(dòng)方向氣流量損失較多，一般常用于薄層物料的干燥，而順流干燥方式常用于大裝載量物料的干燥[13]。文獻(xiàn)研究表明[14]，熱風(fēng)在射頻干燥過(guò)程中主要起2個(gè)作用：一是加強(qiáng)物料表面的空氣流通，使物料表面氣化的水分盡快逸散到周圍環(huán)境中去，加強(qiáng)對(duì)流傳質(zhì)效果，從而提高干燥速率；二是當(dāng)物料溫度較高時(shí)起到降溫作用，當(dāng)物料溫度較低時(shí)起到加熱作用，使物料溫度保持在適宜的范圍，從而提高射頻加熱均勻性。同時(shí)，文獻(xiàn)研究中也發(fā)現(xiàn)通過(guò)多層料盤(pán)分層裝料可使物料內(nèi)部產(chǎn)生的熱量散失，進(jìn)而提高射頻加熱的均勻性[14-15]。因此，本文采用射頻干燥結(jié)合水平熱風(fēng)對(duì)流干燥技術(shù)，以及分層裝料的方法，解決射頻加熱大裝載量物料時(shí)產(chǎn)生熱偏移問(wèn)題和邊角效應(yīng)問(wèn)題。

由于金屬材料會(huì)反射射頻能量，電磁波會(huì)在金屬中激發(fā)電子產(chǎn)生大電流而在金屬材料和射頻極板之間產(chǎn)生大電流，進(jìn)而放電產(chǎn)生火花，嚴(yán)重時(shí)會(huì)擊穿極板及燒壞其它元器件。因此，一般稱量設(shè)備不可直接放置在射頻干燥裝置的 2個(gè)極板之間，而需在射頻加熱停止后將物料取出稱量，進(jìn)而計(jì)算相關(guān)參數(shù)，調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)，操作極為不便。與此同時(shí)，在物料取放及射頻設(shè)備啟閉過(guò)程中，外界環(huán)境條件難免對(duì)物料及干燥腔的狀態(tài)參數(shù)（比如溫度、相對(duì)濕度等）產(chǎn)生影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程的精準(zhǔn)控制[16]。目前相關(guān)文獻(xiàn)和專利中并無(wú)射頻加熱系統(tǒng)自動(dòng)稱量裝置，而與射頻加熱同屬介電加熱的微波系統(tǒng)中，董浩杰等[17]公開(kāi)了微波干燥設(shè)備在線稱量系統(tǒng)，此稱量系統(tǒng)雖可實(shí)時(shí)檢測(cè)物料的質(zhì)量變化，但稱量對(duì)象是整個(gè)微波干燥設(shè)備，相比微波干燥設(shè)備，物料的質(zhì)量所占比重很小，因此測(cè)得的物料質(zhì)量誤差較大，試驗(yàn)精度不高。因此，設(shè)計(jì)一種射頻-熱風(fēng)對(duì)流聯(lián)合干燥裝備在線稱重裝置，對(duì)于提高射頻-熱風(fēng)對(duì)流聯(lián)合干燥的自動(dòng)化程度及試驗(yàn)精度，是十分必要的。

本文針對(duì)現(xiàn)有射頻干燥系統(tǒng)裝料量大時(shí)，熱偏移和邊角效應(yīng)導(dǎo)致的干燥不均勻及干燥過(guò)程無(wú)法實(shí)時(shí)稱重等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種熱風(fēng)對(duì)流加熱裝置、裝料裝置及稱量裝置，采用射頻干燥結(jié)合熱風(fēng)對(duì)流技術(shù)，同時(shí)通過(guò)將裝有薄層物料的多層物料盤(pán)疊放在一起，中間留出適當(dāng)間隙的方法，解決熱偏移問(wèn)題和邊角效應(yīng)問(wèn)題，進(jìn)而提高射頻加熱均勻性；同時(shí)，設(shè)計(jì)的稱量裝置，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料干燥過(guò)程中的含水率。

1 射頻-熱風(fēng)對(duì)流聯(lián)合干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 射頻-熱風(fēng)對(duì)流聯(lián)合干燥設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

射頻-熱風(fēng)對(duì)流聯(lián)合干燥設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由熱風(fēng)對(duì)流加熱裝置、裝料裝置、稱量裝置及控制系統(tǒng)等組成。

熱源供給系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)、加熱管和通風(fēng)管道等組成，風(fēng)溫風(fēng)速控制系統(tǒng)包括出風(fēng)口溫度和風(fēng)速的調(diào)節(jié)，氣流分配室由喇叭口、分流圓柱體和條形出風(fēng)板組成。裝料裝置由多層料盤(pán)組成，料盤(pán)由聚丙烯材料制成[18]。稱量裝置由傳感器（KNX-6型，北京航宇時(shí)代傳感器有限公司，中國(guó)）、托盤(pán)和支柱等組成。控制系統(tǒng)由繼電器、變送器和控制盒等組成。熱風(fēng)對(duì)流加熱裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

工作時(shí)，外界氣體在離心風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入加熱管室，經(jīng)加熱后送入喇叭口氣流分配室，在氣流分配室內(nèi)的分流圓柱體作用下，氣體從條形出風(fēng)口均勻的流出。當(dāng)氣體溫度和風(fēng)速達(dá)到預(yù)定值時(shí)，開(kāi)啟射頻干燥設(shè)備，射頻聯(lián)合熱風(fēng)對(duì)流干燥料盤(pán)中的物料。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)的出風(fēng)口溫度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，加熱管開(kāi)始加熱，而當(dāng)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，加熱管停止加熱。在氣體流量允許損失范圍內(nèi)，來(lái)自水平方向的熱風(fēng)可以沿料盤(pán)長(zhǎng)度方向帶走多層物料產(chǎn)生的熱量和水分，提高干燥均勻性。特氟龍材料的支柱和聚丙烯材料的稱量托盤(pán)避免了射頻 2個(gè)極板之間存在金屬的問(wèn)題，稱量系統(tǒng)每隔一定時(shí)間讀取并儲(chǔ)存物料的質(zhì)量數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料含水率。

圖1 射頻-熱風(fēng)對(duì)流聯(lián)合干燥機(jī)實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Prototype structure and schematic of combined RF and hot air convection dryer

表1 熱風(fēng)對(duì)流加熱裝置主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of hot air convection heating device

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 氣流分配室模擬分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1.1 氣體控制方程及邊界條件

氣流經(jīng)入風(fēng)口進(jìn)入氣流分配室后以湍流形式運(yùn)動(dòng)，受壓力差作用由條形出風(fēng)口噴出，流體部分廣泛采用k-ε湍流模型來(lái)計(jì)算流體與壁面間的對(duì)流換熱邊界條件。標(biāo)準(zhǔn)k-ε的湍流連續(xù)性k方程和ε方程[19]如下

式中ρ為流體密度，kg/m3；k為湍動(dòng)能，J；μi為流體流速，m/s；μt為湍黏度，Pa·s；μ為黏度，ε為湍動(dòng)能耗散，Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流項(xiàng)，Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；YM為因擴(kuò)散而產(chǎn)生的湍流，σk為k的湍流特朗普數(shù)，SK為用戶定義的源項(xiàng)，PK為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流項(xiàng)，為生成項(xiàng)，為浮力修正

邊界條件：選取速度入口為入口邊界條件，沿法向進(jìn)氣，入口速度選取0.5～2.5 m/s范圍內(nèi)每隔0.5 m/s下的值。條形出風(fēng)口為壓力出口邊界條件，定義類型為靜壓。固體壁面使用無(wú)滑移條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行修正[20-21]。

2.1.2 氣流分配室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

氣流分配室主要承擔(dān)著優(yōu)化流場(chǎng)分布、平均分配條形出風(fēng)口流速的重要作用，不合理的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致出風(fēng)口的氣流速度不均勻，繼而影響物料內(nèi)部熱量和水分的擴(kuò)散[22]。因此，為了確保條形出風(fēng)口風(fēng)速均勻一致，通過(guò)SolidWorks建立氣流分配室模型，設(shè)定邊界條件，采用Flow Simulation插件進(jìn)行流場(chǎng)模擬分析。速度偏差比 E用來(lái)評(píng)價(jià)不同高度方向條形出風(fēng)口氣流速度的偏差程度，速度不均勻性系數(shù)M用來(lái)評(píng)價(jià)速度分布的均勻性[23]。

圖 2為氣流分配室的原始模型和條形出風(fēng)口速度模擬分析結(jié)果，由圖2b可以看出，原始模型為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)時(shí)，由于進(jìn)風(fēng)口面積相比氣流分配室較小，在正對(duì)進(jìn)風(fēng)口處的條形出風(fēng)口風(fēng)速較大，而正對(duì)進(jìn)風(fēng)口之外處經(jīng)過(guò)的氣流較少，導(dǎo)致條形出風(fēng)口上下及兩側(cè)處風(fēng)速小于中心處的速度[24]。以進(jìn)風(fēng)口速度值2.5 m/s時(shí)的模擬結(jié)果為例進(jìn)行分析，其速度偏差比為31%，速度不均勻系數(shù)為19%。

為了提高條形出風(fēng)口速度均勻性，消除中間風(fēng)速高、上下及兩側(cè)風(fēng)速低的現(xiàn)象，通過(guò)增大進(jìn)風(fēng)口直徑，同時(shí)改變長(zhǎng)方體氣流分配室為喇叭口氣流分配室[25]，經(jīng)過(guò)前期大量模擬結(jié)果，選擇條形出風(fēng)口均勻性較好、進(jìn)風(fēng)口直徑133 mm、傾斜角度19.3°的喇叭口氣流分配室，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3a所示。

根據(jù)模擬結(jié)果，計(jì)算得出速度偏差比降為22.4%，速度不均勻系數(shù)為13.5%。由計(jì)算結(jié)果及條形出風(fēng)口速度分布圖3b可知，上述措施雖然一定程度上降低了速度偏差比及速度不均勻系數(shù)，提高了出風(fēng)口均勻性，但并沒(méi)有完全消除中間風(fēng)速高、上下及兩側(cè)風(fēng)速低的現(xiàn)象。

圖2 優(yōu)化前氣流分配室結(jié)構(gòu)和條形出風(fēng)口速度分布Fig.2 Structure of airflow distribution room and velocity distribution of strip outlet before optimization

圖3 喇叭口氣流分配室結(jié)構(gòu)和條形出風(fēng)口速度分布Fig.3 Structure of flared air distribution room and velocity distribution of strip outlet

基于以上措施，為了消除中間速度高的現(xiàn)象，需要對(duì)經(jīng)過(guò)喇叭口氣流分配室內(nèi)的氣體產(chǎn)生擾流作用，使氣體均勻流出，因此需要在喇叭口氣流分配室內(nèi)增加擾流裝置[26]。由于篇幅有限，本文直接給出優(yōu)化后的氣流分配室結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4a所示。分流圓柱直徑為20 mm，3個(gè)分流圓柱的俯視圖中心點(diǎn)連線構(gòu)成等腰三角形，其底邊長(zhǎng)40 mm，高100 mm。

根據(jù)優(yōu)化后的模擬結(jié)果，計(jì)算得出其速度偏差比降為10.5%，速度不均勻系數(shù)降為7.6%。圖4b為優(yōu)化后的條形出風(fēng)口速度分布圖。由圖4b可以看出，進(jìn)風(fēng)口處的氣體在 3個(gè)分流圓柱的分散作用下均勻分配于喇叭口氣流分配室內(nèi)，條形出風(fēng)口處速度大小一致，消除了中間風(fēng)速高、上下及兩側(cè)風(fēng)速低的現(xiàn)象。

圖4 氣流分配室優(yōu)化結(jié)構(gòu)和條形出風(fēng)口速度分布Fig.4 Optimize structure of airflow distribution room and velocity distribution of strip outlet

采用等面積法取每排條形出風(fēng)口 6個(gè)點(diǎn)處的風(fēng)速實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較[26]，測(cè)量點(diǎn)如圖5所示，1～6代表排數(shù)，40～240代表每排測(cè)量點(diǎn)的位置。通過(guò)熱線式風(fēng)速計(jì)（法國(guó)凱茂VT100，分辨率0.01 m/s）對(duì)1到6排、每排6個(gè)等距離測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)定并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。風(fēng)速計(jì)精度為0.01 m/s。測(cè)量時(shí)，熱線式風(fēng)速計(jì)測(cè)風(fēng)計(jì)放置于測(cè)量點(diǎn)位置正前方0.01 m處，選取進(jìn)風(fēng)口速度值為2.5和1.0 m/s時(shí)、每排和每列垂直位置處實(shí)測(cè)值平均速度與模擬值平均速度進(jìn)行對(duì)比。

圖5 氣流速度測(cè)量點(diǎn)Fig.5 Air flow velocity measurement point

測(cè)量結(jié)果和模擬結(jié)果對(duì)比如圖6所示。結(jié)果顯示：模擬值和實(shí)測(cè)值基本一致，在風(fēng)速0.5～2.5 m/s范圍內(nèi)，模擬值和實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差范圍為0.01%～5.60%。

圖6 不同進(jìn)口風(fēng)速下出風(fēng)口速度的模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.6 Comparison between simulated and calculated velocity value under different inlet wind velocity

2.2 料盤(pán)的設(shè)計(jì)與制作

射頻干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，玉米種子為單層厚裝載量狀態(tài)，由于熱風(fēng)方向垂直于物料向上，熱風(fēng)在玉米種子中為多孔介質(zhì)流動(dòng)，其流動(dòng)特性受玉米種子裝載量和物料本身特性影響較大。考慮到待干燥樣品料盤(pán)中心處熱量需要及時(shí)散失，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一款可多層疊放的料盤(pán)。基于上述設(shè)計(jì)的單個(gè)條形出風(fēng)口的尺寸（長(zhǎng)×高）為280 mm×10 mm，2個(gè)條形出風(fēng)口之間的間距為30 mm，為了使水平熱風(fēng)帶走料盤(pán)中心處物料產(chǎn)生的水分和中心熱量，設(shè)計(jì)料盤(pán)的左右檔邊高度比前后檔邊的高度低，且料盤(pán)中物料上方間隙與單個(gè)條形出風(fēng)口高度對(duì)應(yīng)，為10 mm，其寬度稍小于條形出風(fēng)口寬度，選擇寬度為250 mm，高度為2個(gè)條形出風(fēng)口之間的距離。為使風(fēng)速在料盤(pán)長(zhǎng)度方向上損失最小，在出風(fēng)口速度值為 0.5～2.5 m/s條件下，用風(fēng)速計(jì)測(cè)量不同料盤(pán)長(zhǎng)度方向左右端速度值，統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同速度值下料盤(pán)左右兩端速度呈現(xiàn)左高右低的趨勢(shì)，且隨著出風(fēng)口速度的增大左右兩端的相對(duì)誤差增大。由表 2數(shù)據(jù)分析可知，條形出風(fēng)口速度值2.5 m/s條件下，料盤(pán)長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，風(fēng)速損失大；料盤(pán)長(zhǎng)度較短時(shí)，雖然風(fēng)速損失小，但物料裝載量相應(yīng)減少，因此，綜合考慮，選擇料盤(pán)長(zhǎng)度為350 mm。設(shè)計(jì)后的分層料盤(pán)，其熱空氣經(jīng)過(guò)玉米種子上部，為低雷諾數(shù)湍流運(yùn)動(dòng)，物料特性對(duì)介質(zhì)流動(dòng)特性影響較小。在預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，料盤(pán)四周檔邊無(wú)孔時(shí)，料盤(pán)四周溫度較高；當(dāng)邊角處添加孔后，四周溫度降低。這是由于分層結(jié)構(gòu)并未改變邊緣處電磁場(chǎng)彎曲程度，而是流過(guò)的熱風(fēng)和料盤(pán)邊角處增加的孔隙加快了邊角處的傳熱傳質(zhì)效果，進(jìn)而降低了邊角處的溫度。料盤(pán)內(nèi)孔的形狀為正方形，邊長(zhǎng)為4 mm。

表2 不同料盤(pán)長(zhǎng)度兩側(cè)風(fēng)速及極差值Table 2 Air velocity and range on both sides of different tray length

2.3 實(shí)時(shí)稱量裝置的設(shè)計(jì)與制作

由于金屬材料反射射頻能量，射頻 2個(gè)極板之間不能存在金屬物質(zhì)，此外，金屬稱量傳感器離極板較近時(shí)，容易受射頻場(chǎng)影響，造成稱量不準(zhǔn)。因此，金屬稱量傳感器固定在下極板下方20 cm處的底板上。然而物料的加熱在 2極板之間進(jìn)行，不能直接與稱量傳感器相連，因此，通過(guò)穿過(guò)下極板（不與下極板接觸）的 4個(gè)等高特氟龍材料支柱連接稱量傳感器和聚丙烯材料稱量托盤(pán)，其物料放置于稱量托盤(pán)上。稱量傳感器的結(jié)構(gòu)和量程，根據(jù)射頻下極板的結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)用物料的最大質(zhì)重量來(lái)確定。選擇 4個(gè)常用的懸臂式稱量傳感器[27]，單個(gè)傳感器的量程為6 kg，4個(gè)傳感器的最大量程為24 kg，精度為0.05%，稱量誤差范圍為0～12 g?？紤]到實(shí)際料盤(pán)結(jié)構(gòu)、尺寸及極板間距，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，適合于薄層物料干燥的最大處理量為18 kg。圖7為稱量裝置的模型和實(shí)物圖。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的作用主要實(shí)現(xiàn)物料內(nèi)部溫度、環(huán)境溫度和物料質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。通過(guò)單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)控制固態(tài)

繼電器，從而控制加熱管和離心風(fēng)機(jī)。風(fēng)速的調(diào)節(jié)控制由單獨(dú)的變壓調(diào)節(jié)器完成。

圖7 自動(dòng)稱量裝置模型和實(shí)物圖Fig.7 Model and physical diagram of automatic weighting device

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)材料及條件

性能驗(yàn)證試驗(yàn)采用玉米種子（鄭單958）為試驗(yàn)材料，其初始濕基含水率為 29.21%±0.45%（烘干法，130 ℃，38 h ±2 h）。將質(zhì)量為12 kg的試驗(yàn)用玉米種子放在0～4 ℃的冰箱里保存，試驗(yàn)前取出，放在室溫下平衡3 h[28]。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)處風(fēng)溫風(fēng)速均勻性試驗(yàn)：如圖 8a所示 1～7標(biāo)記點(diǎn)用來(lái)監(jiān)測(cè)到達(dá)料盤(pán)處的風(fēng)溫和風(fēng)速，其中未畫(huà)出的標(biāo)記點(diǎn)8用來(lái)監(jiān)測(cè)出風(fēng)口處風(fēng)溫，實(shí)際測(cè)量中把3個(gè)料盤(pán)放在下極板正中間如圖8b所示。由于熱風(fēng)方向是從左向右，監(jiān)測(cè)點(diǎn)6、3和1用來(lái)驗(yàn)證水平方向是否會(huì)出現(xiàn)風(fēng)溫和風(fēng)速左高右低的現(xiàn)象；監(jiān)測(cè)點(diǎn)5、3和7用來(lái)驗(yàn)證3個(gè)料盤(pán)中心處垂直方向風(fēng)溫和風(fēng)速有無(wú)差別；點(diǎn) 1～4和 6用來(lái)驗(yàn)證同一水平面不同位置處的溫度有無(wú)差異。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速采用VT100熱線式風(fēng)速計(jì)（法國(guó)凱茂公司，分辨率0.01 m/s）測(cè)量3次取平均值；每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度采用FOT-L型光纖溫度傳感器（加拿大FISO公司）監(jiān)測(cè)15 min。數(shù)據(jù)采用SPSS19.0進(jìn)行顯著性分析。

圖8 風(fēng)溫與風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置和實(shí)物圖Fig.8 Monitoring point location diagram and physical monitoring diagram of air velocity and temperature

射頻系統(tǒng)優(yōu)化前后加熱均勻性對(duì)比試驗(yàn)：為了對(duì)比射頻系統(tǒng)優(yōu)化前后加熱均勻性效果，進(jìn)行了 2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)（風(fēng)溫值和風(fēng)速值）和射頻輸出功率（與極板間距有關(guān)）的合適匹配對(duì)消除射頻干燥能量富集區(qū)有明顯作用，當(dāng)目標(biāo)溫度、風(fēng)溫不變，要保持良好的均勻性，極板間距和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，例如：當(dāng)極板間距減小，熱風(fēng)風(fēng)速必須增大；當(dāng)極板間距增大，熱風(fēng)風(fēng)速必須減小。因此，經(jīng)過(guò)預(yù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的對(duì)比試驗(yàn)及條件如下：其中優(yōu)化前的設(shè)計(jì)試驗(yàn)為：質(zhì)量2 kg玉米種子不分層放置于 2個(gè)極板正中間，在極板間距 180 mm、橫流熱風(fēng)溫度 40 ℃、風(fēng)速 1.5 m/s條件下加熱30 min。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)試驗(yàn)為：質(zhì)量2 kg玉米種子分3層放置于2個(gè)極板正中間，在極板間距180 mm、順流熱風(fēng)溫度40 ℃、風(fēng)速1.5 m/s條件下加熱30 min。每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，玉米種子每次加熱30 min后，迅速在 Ti55紅外熱像儀（Fluke International Corporation,Utah, USA）下拍攝其表面溫度，再用SigmaPlot 12.5處理數(shù)據(jù)，計(jì)算出物料表面平均溫度及均勻性系數(shù)，以驗(yàn)證射頻-熱風(fēng)對(duì)流聯(lián)合加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與料盤(pán)形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)是否解決了大裝載量物料中心熱量和水分?jǐn)U散的問(wèn)題。射頻加熱均勻性系數(shù)用來(lái)評(píng)估射頻加熱均勻性優(yōu)劣的重要參數(shù)，已得到廣泛應(yīng)用[29-30]。計(jì)算公式如下:

式中α0和α分別代表物料的初始和最終的平均溫度，℃；σ0和σ1分別代表初始和最終物料溫度的標(biāo)準(zhǔn)差，λ值越小說(shuō)明射頻加熱均勻性越好。

稱量試驗(yàn)：自動(dòng)稱量裝置的安裝首先不能影響射頻的使用，通過(guò)有無(wú)自動(dòng)稱量裝置觀察不同極板間距下射頻面板上陽(yáng)極電流的變化以及 2個(gè)極板之間有無(wú)打火現(xiàn)象，以驗(yàn)證自動(dòng)稱量裝置對(duì)射頻有無(wú)影響；把標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在稱量托盤(pán)上，在無(wú)熱風(fēng)和有熱風(fēng)條件下讀取標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量，以驗(yàn)證熱風(fēng)對(duì)稱量結(jié)果有無(wú)影響。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速風(fēng)溫均勻性分析

如表3，根據(jù)測(cè)風(fēng)點(diǎn)1、3、6風(fēng)速大小、極差值和顯著性可知：在水平方向上，料盤(pán)最右端的測(cè)風(fēng)點(diǎn) 1和測(cè)風(fēng)點(diǎn)3、測(cè)風(fēng)點(diǎn)6的風(fēng)速值之間有顯著性差異，這是由于料盤(pán)有一定的長(zhǎng)度，在長(zhǎng)度方向上會(huì)有一定的流量損失，但從極差值看，風(fēng)速可以滿足試驗(yàn)要求。由測(cè)風(fēng)點(diǎn)3、5、7風(fēng)速值及其顯著性分析可知：在垂直方向上，風(fēng)速分布均勻，測(cè)風(fēng)點(diǎn)速度值之間差異不顯著。

表3 各風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速及極差值Table 3 Air velocity and range of monitoring points m·s-1

風(fēng)速的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致風(fēng)溫的分布也不均勻。由圖9可以看出，測(cè)溫點(diǎn)1～4和6表示同一料盤(pán)水平面的溫度值，溫度值為42 ℃±1.5 ℃，因此，沒(méi)有出現(xiàn)溫度左高右低的現(xiàn)象。測(cè)溫點(diǎn)5、3和7分別表示上中下3個(gè)料盤(pán)中心點(diǎn)的溫度，其溫度值為42 ℃±1.5 ℃，因此，3層之間的溫度差值也很小。測(cè)溫點(diǎn) 8表示出風(fēng)口的溫度，溫度在44 ℃上下波動(dòng)。無(wú)論從水平方向和垂直方向，都滿足溫度分布均勻的試驗(yàn)要求。

圖9 各風(fēng)溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度曲線Fig.9 Temperature profile of each wind temperature monitoring point

3.2.2 加熱均勻性分析

由表 4中的數(shù)據(jù)可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前玉米種子層之間溫差達(dá)到3.5 ℃，均勻性系數(shù)最大為0.237，其上層物料平均溫度較低，這是由于橫流熱風(fēng)在熱空氣流動(dòng)方向氣流量損失較多，上層物料缺乏熱風(fēng)保溫，表面熱量很快散失到空氣中；中間物料平均溫度較高，這是由于厚裝載量物料中間熱風(fēng)很少穿透過(guò)去，熱量散失不出去。優(yōu)化后玉米種子層與層之間的溫度差值在 2 ℃之內(nèi)，最大均勻性系數(shù)為0.091，均勻性指數(shù)提高了61.6%。因此，在熱風(fēng)和射頻合適的匹配參數(shù)下，采用射頻干燥結(jié)合熱風(fēng)對(duì)流技術(shù)，同時(shí)將裝有薄層物料的多層物料盤(pán)疊放在一起，中間留出適當(dāng)間隙的方法，可以解決熱偏移問(wèn)題和邊角效應(yīng)問(wèn)題，進(jìn)而提高射頻加熱均勻性。

表4 優(yōu)化前后物料表面的溫度和均勻性系數(shù)（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Table 4 Temperature and uniformity index of material surface before and after optimization (average ± standard deviation)

3.2.3 實(shí)時(shí)稱量分析

本研究使用的射頻加熱系統(tǒng)是由英國(guó) Strayfield International公司生產(chǎn)的 COMBI 6-S型設(shè)備，功率為6 kW，頻率為 27.12 MHz，其使用說(shuō)明書(shū)標(biāo)注同一極板間距下，陽(yáng)極電流Ia的變化如果大于0.01 A說(shuō)明極板之間有裝載物料或者有其他信號(hào)影響射頻加熱。在不同極板間距下觀察有、無(wú)自動(dòng)稱重裝置時(shí)控制面板上Ia的值，從表5中數(shù)據(jù)可以看出Ia的值變化不超過(guò)0.01 A，故安裝自動(dòng)稱重裝置不會(huì)影響射頻加熱。本研究采用的稱量裝置儀器總體精度在0.05%之內(nèi)，量程為24 kg，誤差范圍為0～12 g。有、無(wú)熱風(fēng)下用該自動(dòng)稱量裝置稱量標(biāo)準(zhǔn)砝碼，標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)試值如表6所示，2種條件下測(cè)試質(zhì)量值與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量值偏差為1～10 g。有、無(wú)熱風(fēng)下，測(cè)試質(zhì)量值之間偏差為1～4 g，表明，熱風(fēng)對(duì)自動(dòng)稱量裝置稱量結(jié)果的影響小于儀表的基本誤差。通過(guò)設(shè)置修正系數(shù)對(duì)稱量?jī)x表的測(cè)試質(zhì)量值進(jìn)行校正，有熱風(fēng)條件下測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差可縮小為 1～5 g，自動(dòng)稱量裝置的總體精度可提高至0.02%。本自動(dòng)稱量裝置量程較大，從表中數(shù)據(jù)也可以看出，物料質(zhì)量越大，稱量越準(zhǔn)確，建議應(yīng)用時(shí)物料質(zhì)量大于1 000 g。

表5 有無(wú)稱量裝置對(duì)射頻面板電流參數(shù)的影響Table 5 Influence of weighing device on RF panel current parameters

表6 稱量傳感器在有無(wú)熱風(fēng)下測(cè)量值及校正后測(cè)量值和最大偏差值Table 6 Measurements of weighing sensor under having or having not hot air and measured values after correction as well as maximum deviation value g

4 結(jié) 論

本文優(yōu)化了射頻干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的系統(tǒng)由熱風(fēng)對(duì)流加熱裝置、裝料裝置和稱量裝置組成。

1）改變氣流分配室為喇叭口形狀及增加分流圓柱體可提高條形出風(fēng)口的均勻性，其出風(fēng)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度偏差比從31%降為10.5%，速度不均勻系數(shù)從19%降為7.6%。風(fēng)速值計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果相對(duì)誤差范圍為 0.01%～5.60%。

2）下極板下方20 cm處安裝自動(dòng)稱量裝置，其陽(yáng)極電流變化值不超過(guò)0.01 A，安裝位置不會(huì)影響射頻加熱。有、無(wú)熱風(fēng) 2種條件下測(cè)試質(zhì)量值與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量值偏差為1～10 g；測(cè)試質(zhì)量值之間偏差為1～4 g，表明，熱風(fēng)對(duì)自動(dòng)稱量裝置稱量結(jié)果的影響小于儀表的基本誤差。順流熱風(fēng)下，通過(guò)設(shè)置修正系數(shù)對(duì)稱量?jī)x表的測(cè)試質(zhì)量值進(jìn)行校正，測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差可縮小為1～5 g，自動(dòng)稱量裝置的總體精度可提高至0.02%。稱量裝置最大量程為24 kg，分層后的薄層物料每次試驗(yàn)最大處理量為18 kg，在最大處理量范圍內(nèi)，稱量質(zhì)量越大，稱量越精確，建議應(yīng)用時(shí)物料質(zhì)量大于1 000 g。

3）優(yōu)化后的射頻系統(tǒng)，其物料層之間的溫度差在2 ℃之內(nèi)，均勻性系數(shù)為0.091，較優(yōu)化前提高了61.6%。因此，在熱風(fēng)和射頻合適的匹配參數(shù)下，射頻干燥技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合熱風(fēng)對(duì)流技術(shù)，同時(shí)通過(guò)將薄層物料的多層物料盤(pán)疊放在一起，中間留出適當(dāng)間隙的方法解決了由熱偏移和邊角效應(yīng)導(dǎo)致的射頻加熱不均勻問(wèn)題。

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