楊曉童 段 續(xù) 任廣躍

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

新型微波真空干燥機(jī)設(shè)計(jì)

楊曉童 段 續(xù) 任廣躍

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

設(shè)計(jì)了一種集微波干燥與真空干燥于一體的新型裝置，將波導(dǎo)和波源冷卻裝置融為一體，有效地解決了微波分布不均和微波源受熱易損壞兩大難題。物料室是微波室和真空室的交集，可以使物料既能受到微波輻射，又能處于真空環(huán)境中。分層設(shè)計(jì)的物料盤(pán)一方面可以方便拆卸，另一方面可以充分地利用物料室的空間。模塊化的冷阱設(shè)計(jì)，使冷阱可以根據(jù)干燥的需求自由的裝卸，可以有效地提高冷阱的利用效率。該微波真空干燥設(shè)備設(shè)計(jì)巧妙，安全可靠，可以滿(mǎn)足高品質(zhì)物料的干燥加工。

微波干燥；真空干燥；模塊化；冷阱

微波干燥可以使物料內(nèi)外同步受熱，具有干燥速度快，干燥均勻的特點(diǎn)。但是干燥溫度一般在70℃以上，容易造成物料糊化。真空干燥可以使物料在較低的溫度下干燥，很好地保護(hù)了熱敏性物料的有效成分，但是熱傳導(dǎo)速率慢，干燥成本高。微波真空干燥是集微波干燥和真空干燥于一體的新型干燥技術(shù)，它以微波作為熱源，可克服真空干燥熱傳導(dǎo)慢的缺點(diǎn)。在真空環(huán)境下對(duì)物料進(jìn)行干燥，大大降低了干燥溫度，很好地保護(hù)了物料中的有效成分。綜合起來(lái)具有干燥速度快，干燥品質(zhì)好，干燥成本低等優(yōu)點(diǎn)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦透稍锛夹g(shù)[1-2]。這樣的優(yōu)勢(shì)使得它在食品[3-5]、農(nóng)產(chǎn)品[6-9]和醫(yī)藥[10-11]方面都有廣泛的應(yīng)用。

微波真空干燥設(shè)備一般包括干燥室、微波系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)備中物料所處的狀態(tài)，可以分為靜態(tài)型微波真空干燥設(shè)備和動(dòng)態(tài)型微波真空干燥設(shè)備。靜態(tài)型微波真空干燥設(shè)備是指物料是靜止不動(dòng)的。李樹(shù)軍等[12]設(shè)計(jì)過(guò)一種微波真空干燥設(shè)備，保持物料靜止不動(dòng)，在微波源下面加了一個(gè)微波攪拌器，使微波能夠更加均勻地作用于物料，但缺點(diǎn)是能裝載的物料有限。吳琦[13]曾經(jīng)設(shè)計(jì)了一種對(duì)開(kāi)門(mén)式微波真空干燥設(shè)備，外觀呈長(zhǎng)方體，物料進(jìn)口和出口位于箱體的前后兩端。微波發(fā)生器均勻地分布在箱體的側(cè)面上，將物料裝入多個(gè)干燥盒，依序從進(jìn)口處加入，至到加滿(mǎn)為止。干燥完成后加入未干物料的新干燥盒，將干燥過(guò)的物料推向物料出口處取出，解決了干燥設(shè)備裝料的瓶頸問(wèn)題，但是物料干燥時(shí)靜止不動(dòng)，容易出現(xiàn)受熱不均的問(wèn)題。動(dòng)態(tài)型微波真空干燥設(shè)備就是物料是運(yùn)動(dòng)的。Toai等[14]開(kāi)發(fā)了一套連續(xù)的微波真空干燥設(shè)備，將物料放在連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的擱板帶上，物料和擱板都能吸收微波能，從而提高了干燥速率。但是單向運(yùn)動(dòng)的擱板帶嚴(yán)重制約著物料的干燥。Kaensup等[15]設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)鼓式微波真空干燥實(shí)驗(yàn)設(shè)備，工作時(shí)，物料隨轉(zhuǎn)鼓運(yùn)動(dòng)，受熱均勻，且可避免出現(xiàn)過(guò)熱點(diǎn)問(wèn)題，但由于物料與轉(zhuǎn)鼓之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，易損壞物料。此外，水蒸氣易在轉(zhuǎn)鼓上冷凝，影響干燥產(chǎn)品的質(zhì)量。閆躍華[16]設(shè)計(jì)了一種微波真空干燥設(shè)備，在真空室內(nèi)安裝六角形轉(zhuǎn)輪，在六角形轉(zhuǎn)輪的每個(gè)角安裝一個(gè)物料盤(pán)，物料隨轉(zhuǎn)盤(pán)不停運(yùn)動(dòng)，使得物料可以均勻受熱。但是微波源只能自然冷卻，容易因發(fā)熱而損壞。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本研究專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種微波真空干燥設(shè)備。它將波源和波導(dǎo)進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，物料盤(pán)進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，冷阱進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，有效地克服了已有設(shè)備的缺點(diǎn)，以利于微波真空干燥得到更廣泛的應(yīng)用。

1 整體布局和工作過(guò)程

如圖1(a)所示，該微波真空干燥設(shè)備的外觀呈長(zhǎng)方體。在設(shè)備的正面設(shè)置了門(mén)體系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和真空測(cè)量系統(tǒng)。門(mén)體上設(shè)置有可視性窗口，窗口由玻璃制成并加裝了微波屏蔽金屬網(wǎng)，既可以清楚地看清物料室內(nèi)的干燥狀況，又能保證微波不會(huì)泄漏。在門(mén)體的旁邊設(shè)置了操作面板，用來(lái)控制設(shè)備的各個(gè)系統(tǒng)。門(mén)體的下方安裝了真空計(jì)，用來(lái)測(cè)量真空發(fā)生室的真空度。在整個(gè)設(shè)備底部的4個(gè)角處對(duì)稱(chēng)安裝了4個(gè)輪子，以方便設(shè)備的移動(dòng)。如圖1(b)所示，該微波真空干燥設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括微波制熱部分和真空制冷部分。微波制熱部分包括微波源，波導(dǎo)和微波室。真空制冷部分包括真空室、真空泵、制冷機(jī)和冷阱。微波室包括微波發(fā)生室和物料室。真空室包括真空發(fā)生室和物料室。物料室為真空室和微波室交叉部分。

該設(shè)備的工作過(guò)程：先將需要干燥的物料放在-20℃ 左右進(jìn)行預(yù)冷凍2 h，然后將物料放入-80℃冰箱進(jìn)行速凍，確保物料中的水分都變成固態(tài)冰。接著打開(kāi)倉(cāng)門(mén)，將物料放入物料室的托盤(pán)中，關(guān)閉倉(cāng)門(mén)和冷阱放水閥。打開(kāi)真空泵抽真空，真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)制冷機(jī)，向冷阱中注入制冷劑，確保冷阱正常工作。然后，打開(kāi)微波發(fā)生器對(duì)物料進(jìn)行微波加熱，并開(kāi)啟冷阱和波源冷卻裝置連接處的閥門(mén)。待加熱結(jié)束后，關(guān)閉微波發(fā)生器和制冷機(jī)，打開(kāi)放氣閥，待真空倉(cāng)內(nèi)的壓力恢復(fù)到大氣壓，打開(kāi)倉(cāng)門(mén)取出物料。接著，打開(kāi)注水閥，向冷阱中注入水，待冷阱中的冰霜全部融化后，打開(kāi)放水閥，將水排出。

1. 控制面板 2. 門(mén)體 3. 門(mén)體觀察窗 4. 波源波導(dǎo) 5. 真空計(jì) 6. 真空泵 7. 制冷機(jī) 8. 冷阱 9. 微波發(fā)生室 10. 物料室 11. 真空發(fā)生室

2 微波真空干燥設(shè)備各部分的設(shè)計(jì)

2.1 微波制熱部分

2.1.1 微波源及波導(dǎo) 如圖2所示，微波源和波導(dǎo)焊接為一個(gè)整體，上層是微波源，下層是波導(dǎo)，波源和波導(dǎo)之間設(shè)置有法蘭，該法蘭與微波真空干燥設(shè)備的外層金屬壁焊接或螺釘連接，保證微波不會(huì)泄漏。下層的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是一個(gè)由空心不銹鋼管制成的彈簧結(jié)構(gòu)。彈簧底部設(shè)置了不銹鋼底板，以利于微波的反射。彈簧結(jié)構(gòu)的螺距為d，該距離可以使反射的微波順利通過(guò)。這樣的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以使微波在波導(dǎo)底板和彈簧之間復(fù)雜的反射，最后從彈簧縫隙處射出，得到的微波更加均勻。另外，微波源使用過(guò)程發(fā)熱會(huì)嚴(yán)重影響其使用壽命，傳統(tǒng)的自然冷卻效果差，所以本波導(dǎo)的彈簧結(jié)構(gòu)由空心不銹鋼管制成，管內(nèi)可以加入制冷劑對(duì)微波源進(jìn)行冷卻。并在波導(dǎo)的進(jìn)口處分別設(shè)置了進(jìn)口閥(圖中未顯示)，便于控制制冷劑的進(jìn)入，波導(dǎo)的出口是封死的，防止制冷劑泄漏。

1. 進(jìn)口 2. 波源 3. 法蘭 4. 波導(dǎo) 5. 不銹鋼底板 6. 出口

2.1.2 微波室 微波室包括上層的微波發(fā)生室和下層的物料室。微波發(fā)生室和物料室之間用陶瓷板隔開(kāi)。因?yàn)樘沾砂鍖?duì)微波能的吸收可以忽略。既可以最大程度地作用到凍干物料上，又能防止水、灰塵等進(jìn)入波導(dǎo)部分，保證設(shè)備部件的性能和使用壽命，提高微波能的轉(zhuǎn)換效率。

(1) 微波發(fā)生室：如圖3所示，微波發(fā)生室上面和四周面為不銹鋼，防止微波泄露。下面為陶瓷板，允許微波順利進(jìn)入物料室，陶瓷板與不銹鋼外壁之間真空密封連接。

1. 不銹鋼外壁 2. 陶瓷板

(2) 物料室：如圖4所示，物料室為雙層結(jié)構(gòu)。外層由不銹鋼組成，防止微波泄露。內(nèi)層由聚四氟乙烯組成，微波可以順利的通過(guò)。物料托盤(pán)也是由聚四氟乙烯組成，既可以盛放物料又允許微波順利通過(guò)。所述的物料托盤(pán)與物料室的聚四氟乙烯內(nèi)層裝配到一起。即聚四氟乙烯內(nèi)層作為支架部分，物料托盤(pán)作為盛料部分。物料托盤(pán)為抽屜狀的，可以自由地在內(nèi)層聚四氟乙烯支架上推拉，既方便物料的裝卸，又可以根據(jù)實(shí)際的需要增加物料托盤(pán)的數(shù)量。物料室的下面設(shè)置有微波屏蔽板。微波屏蔽板為不銹鋼金屬板，金屬板上均勻分布有直徑為2～4 mm的小孔。所述微波屏蔽板一方面可防止微波進(jìn)入真空發(fā)生室，通過(guò)真空管泄露，另一方面可允許物料室中的水蒸氣通過(guò)，被冷阱捕捉。

另外，在微波屏蔽板上還開(kāi)有允許照明設(shè)備和測(cè)溫設(shè)備通過(guò)的管道，即測(cè)量裝置在物料室，連接測(cè)量裝置的電線(xiàn)在真空發(fā)生室。照明設(shè)備和測(cè)溫設(shè)備的外面都設(shè)有微波屏蔽的外殼(即金屬材質(zhì)的外殼，上面均勻分布2～4 mm的小孔)，這樣可以有效防止測(cè)量裝置打火放電。

1. 不銹鋼外壁 2. 陶瓷板 3. 聚四氟乙烯內(nèi)壁 4. 微波屏蔽板5. 物料盤(pán) 6. 測(cè)溫裝置 7. 照明裝置

2.2 真空制冷部分

2.2.1 真空室 真空室包括物料室和真空發(fā)生室。物料室是真空室和微波室的交叉部分，所以這里就不再贅述。真空發(fā)生室如圖5所示，四周及底面由不銹鋼組成，防止微波泄露。上面為微波屏蔽板，將物料室和微波發(fā)生室隔離。所述的微波屏蔽板與微波制熱部分所述的屏蔽板為同一個(gè)屏蔽板，所以這里也不再贅述。微波發(fā)生室的左面上設(shè)置了均勻分布多個(gè)的水蒸氣捕捉口，捕捉口與冷阱相通，物料室的水蒸氣通過(guò)微波屏蔽板進(jìn)入真空發(fā)生室，再?gòu)恼婵瞻l(fā)生室通過(guò)水蒸氣捕捉口進(jìn)入冷阱被冷阱捕捉，均勻分布的水蒸氣捕捉口可以防止冷阱出現(xiàn)局部冰層過(guò)厚的現(xiàn)象。

1. 水蒸氣捕捉口 2. 微波屏蔽板 3. 照明裝置 4. 測(cè)溫裝置5. 不銹鋼外壁 6. 真空管道

2.2.2 真空泵 如圖6所示，所述的真空泵由不銹鋼制成。外觀為近似的長(zhǎng)方體，在泵體的最上部設(shè)置了把手以方便拿取。還設(shè)置了底座保證泵體受力平衡，可以平穩(wěn)的放置。另外，在泵體上還設(shè)置了進(jìn)油口和出油口。進(jìn)油口為換油時(shí)注入油的地方，位于泵體上部，這樣在重力的作用下可以保證油順利的進(jìn)入泵體。出油口為換油時(shí)流出油的地方，位于泵體下面，剛好與泵體油腔的底面相切，這樣可以保證油完全流出。油腔的側(cè)面上還設(shè)置了由玻璃制成的目視鏡，可以清楚的觀察油腔的內(nèi)部情況。目視鏡上設(shè)置了最高刻度和最低刻度，方便估算加入油的量。真空管道位于最上端，與真空發(fā)生室通過(guò)管道真空密封連接。底座處設(shè)置了電源插口，用來(lái)通電驅(qū)動(dòng)真空泵工作。

1. 出油口 2. 進(jìn)油口 3. 真空管 4. 把手 5. 電源插口 6. 目視鏡

2.2.3 制冷機(jī)和冷阱 如圖7所示，制冷機(jī)的制冷劑輸出端與冷阱的進(jìn)口端相連。冷阱的出口端與波導(dǎo)的進(jìn)口端相連，使得冷阱中的冷凝劑也可以進(jìn)入波導(dǎo)的彈簧結(jié)構(gòu)中，為微波源降溫，提高微波源的使用壽命。并且在冷阱與波導(dǎo)的連接處設(shè)置了真空閥，用來(lái)控制冷阱與波導(dǎo)接通與否。冷阱與真空發(fā)生室之間設(shè)置有相通的水蒸氣捕捉口，使得物料室內(nèi)產(chǎn)生的水蒸氣先進(jìn)入真空發(fā)生室，再?gòu)恼婵瞻l(fā)生室的水蒸氣捕捉口進(jìn)入冷阱，被冷凝管單元捕捉。

如圖8所示，冷阱包括冷凝管單元、外殼、進(jìn)水口、出水口和溢流閥。如圖9所示冷凝管單元是由空心不銹鋼管組成的正方體，使得正方體的每個(gè)面都呈“田”字型，空心管之間通過(guò)無(wú)縫焊接相互連通，保證冷凝劑可以在冷凝管單元內(nèi)自由流動(dòng)。在正方體的前后兩面的正中間分別設(shè)有冷凝劑的進(jìn)出口。由于冷凝管單元的尺寸都是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可以方便地根據(jù)干燥物料的多少來(lái)增減冷凝管單元的數(shù)量，以提高冷阱的利用率。冷凝管單元的進(jìn)出口處都車(chē)有螺紋，冷凝管單元之間用標(biāo)準(zhǔn)管接頭連接。冷凝管單元位于冷阱外殼正中央，它們之間通過(guò)螺栓連接，冷阱外殼為長(zhǎng)方體，四周面和后面用不銹鋼制成，前面用透明玻璃制成，玻璃和不銹鋼之間真空密封配合。這樣的構(gòu)造可以清楚地從玻璃窗處觀察冷阱里面水分捕捉情況及加入水的量。干燥結(jié)束以后，水蒸氣被冷阱捕捉成冰霜，附著在冷凝管單元上，此時(shí)加入常溫的水可以將冰霜融化成液態(tài)水，順利地排出。因此，在冷阱外殼的最里面設(shè)置有進(jìn)水口，出水口及溢水閥。進(jìn)水口位置最高，出水通道位置最低，這樣可以利用重力作用方便地加水或放水。溢水閥位于進(jìn)水口和出水口之間，用于防止加入的水過(guò)多溢出。

1. 制冷機(jī) 2. 連接管 3. 冷阱

3 性能試驗(yàn)

該微波真空干燥設(shè)備微波輸入功率設(shè)計(jì)為20 kW，波導(dǎo)尺寸為100 mm×150 mm，物料室體積為0.66 m3，微波屏蔽板上小孔直徑為2～4 mm。選取型號(hào)為WBL-1000的微波源一只，型號(hào)為IS-KI5100的測(cè)溫裝置1只，型號(hào)為6RG781212的照明裝置2只。挑選大小均勻且無(wú)病蟲(chóng)害的新鮮荔枝，按照前面所述的設(shè)備工作過(guò)程干燥荔枝，測(cè)定設(shè)備的主要性能參數(shù)(見(jiàn)表1)。從表1可以看出該設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。所得的荔枝干的干基含水率為0.17 kg/kg，干燥后荔枝皮的形狀保持不變，里邊的果肉呈暗褐色，果肉香軟可口。

1. 冷凝管進(jìn)口 2. 進(jìn)水口 3. 溢流閥 4. 出水口 5. 水蒸氣捕捉口 6. 冷凝管出口

1. 冷凝管進(jìn)口 2. 冷凝管 3. 冷凝管出口 4. 管接頭 5. 螺紋

表1 微波真空干燥設(shè)備性能參數(shù)?Table 1 Performance parameters of the microwave vacuum drying equipment

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)將波導(dǎo)和波源冷卻裝置巧妙地融為一體，既能保證物料受熱均勻，又提高了波源的使用壽命。物料室為真空室和微波室的交叉部分，能同時(shí)滿(mǎn)足微波和真空的環(huán)境。將物料托盤(pán)設(shè)計(jì)為抽屜型，既方便裝卸，又充分利用了空間?！疤铩弊中偷睦溱逶O(shè)計(jì)，可以單元化的安裝和拆卸，大大地提高了冷阱的利用率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該微波真空干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)合理,操作方便、性能穩(wěn)定、安全可靠，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。

本研究設(shè)計(jì)的微波真空干燥設(shè)備是在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，很多參數(shù)需要在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中進(jìn)行完善或修正。

該設(shè)備可以滿(mǎn)足大多數(shù)熱敏性物料對(duì)干燥速率和干燥品質(zhì)的要求，但是它的自動(dòng)化控制系統(tǒng)仍需完善，以便進(jìn)一步降低加工成本，適應(yīng)更寬廣的市場(chǎng)。

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Design of a new microwave-vacuum dryer

YANG Xiao-tongDUANXuRENGuang-yue

(FoodandBiologyEngineeringCollege,HenanUniversityofScience&Technology,Luoyang,Henan471023,China)

A new type of microwave and vacuum drying device combining waveguide and wave source cooling device was designed. This improvement helped to solve two big problems effectively, uneven distribution of microwave and wave source easily broken on heat. Because the material chamber is the intersection of microwave and vacuum chambers, material could be in microwave radiation as well as in vacuum environment. Thus, the material plates were hierarchical designed. On the one hand, they were easily tear down, on the other hand, material room space could be made full use. Moreover, the cold traps designed by modular to make it easily loaded and unloaded according to the requirements of drying, and this could effectively improve the utilization efficiency of the themselves. The microwave vacuum drying equipment design was clever, safe and reliable, and could satisfy the drying processing of high quality material.

microwave drying; vacuum drying; modular; cold trap

楊曉童，男，河南科技大學(xué)在讀碩士研究生。

段續(xù)(1973-)，男，河南科技大學(xué)教授，博士。 E-mail: duanxu_dx@163.com

2016—07—05

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.022