樹莓果漿微波泡沫干燥過程能量吸收與利用

秦慶雨,鄭先哲,王 磊,朱 勇,劉 輝,張友朋,徐 浩

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030）

漿果中含有多種營養(yǎng)成分,具有較高的食用與保健價值[1]。采收的鮮漿果濕基含水率高達(dá)90%,不易貯藏,限制了漿果保鮮與食用。干燥是延長新鮮漿果貯藏期和增加產(chǎn)品附加值的有效方式,同時,漿果干制品也可滿足市場對天然安全類食品的需求[2]。微波干燥具有整體加熱速率快等優(yōu)勢,但干燥過程中易出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象,影響干燥品質(zhì)。泡沫干燥可大幅增加物料表面積加快干燥速率,但傳統(tǒng)泡沫干燥以熱空氣作為物料干燥的熱源,相比微波干燥,干燥時間大幅延長。微波泡沫干燥法能夠綜合微波干燥和泡沫干燥兩種方式的優(yōu)勢,相比傳統(tǒng)干燥方法,具有干燥效率及產(chǎn)品品質(zhì)高等優(yōu)勢,適合高黏度、熱敏性類物料干燥,如樹莓、藍(lán)莓、黑加侖等[3]。但受微波干燥電磁場分布不均勻、物料性質(zhì)等因素的影響,干燥過程常出現(xiàn)能量利用不均及微波能利用率過低等問題,導(dǎo)致局部溫度過高、活性物質(zhì)易降解,生產(chǎn)成本大幅增加,嚴(yán)重降低干燥效率及干品品質(zhì)[4]。因此,優(yōu)化微波能吸收與利用是當(dāng)前微波熱加工研究的熱點(diǎn)問題[5]。

目前針對微波能吸收與利用的研究主要包括以下兩方面：一是從微波設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,如優(yōu)化磁控管排列和干燥室結(jié)構(gòu)等提高微波能吸收率,李羲[6]確定3 個微波饋入口耦合時,物料內(nèi)部溫度分布更為均勻,微波能利用效率最高,Prommas等[7]發(fā)現(xiàn)磁控管配置方式可改善干燥過程樣品內(nèi)部溫度不均勻現(xiàn)象、提高微波能的有效利用；二是從工藝參數(shù)優(yōu)化方面研究,如優(yōu)化微波強(qiáng)度、物料厚度等參數(shù)以提高微波系統(tǒng)內(nèi)能量利用率,Ambros等[8]研究表明微波功率是影響干燥特性和效率的主要因素,Jafari等[9]研究不同微波功率和不同料層厚度下稻谷層溫度和水分變化,優(yōu)化出最高微波能吸收率的工藝參數(shù)。干燥均勻性及微波能利用率是評價物料微波能吸收與利用的重要指標(biāo),且干燥均勻性是影響產(chǎn)品品質(zhì)主要因素,干燥過程微波能利用率是影響產(chǎn)品加工成本的主要因素[10]。目前,在漿果微波泡沫干燥方面,關(guān)于同時保證干燥均勻性和高微波能利用率的工藝研究鮮見報道。

為明確微波泡沫干燥條件對干燥均勻性及微波能利用率的影響規(guī)律,優(yōu)化出高品質(zhì)高能效的漿果果粉生產(chǎn)工藝參數(shù)。本實驗通過模擬微波干燥腔內(nèi)料層電場分布,分析物料干燥不均勻的本質(zhì)原因；采取單因素試驗研究不同干燥條件對泡沫果漿干燥特性、干燥均勻性（溫度均勻性及含水率均勻性）及微波能利用率的影響規(guī)律,以期滿足漿果高能效、高品質(zhì)的干燥生產(chǎn)需要。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

樹莓漿果（平均初始濕基含水率為90%）,采自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院實驗站。

分子蒸餾單甘脂（食品級） 佳士力添加劑（海安）有限公司；大豆分離蛋白 山東省臨沂市山松生物制品有限任公司；羧甲基纖維素 天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MXD21S型連續(xù)式微波干燥設(shè)備（最大輸出功率21 kW,每次最低可調(diào)功率1 kW,精度10 W） 南京三樂微波技術(shù)發(fā)展有限公司；T-420紅外熱像儀 美國FLIR Systems公司；DZF-6030A型真空干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州智博瑞儀器制造有限公司；ARRW61型分析天平 上海奧豪斯公司；JJ-1型增力電動攪拌器 江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；JYL-Y5型高速破壁料理機(jī) 九陽股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樹莓起泡果漿制備和微波泡沫干燥

選擇色澤和成熟度一致的新鮮樹莓,去雜、放入高速破壁機(jī)中,粉碎處理6 min,直至果漿細(xì)膩均勻。依據(jù)本課題組前期優(yōu)化的起泡劑配方[4],稱取6 g分子蒸餾單苷脂和3 g大豆分離蛋白,溶解于100 mL蒸餾水中,并加入10 mL 0.5 g/100 mL羧甲基纖維素作為穩(wěn)定劑,攪拌均勻。置于70 ℃恒溫水浴鍋中,保溫30 min,同時用電動攪拌器以60 r/min轉(zhuǎn)速勻速攪拌,得到起泡劑。將起泡劑與樹莓果漿按質(zhì)量比1∶1進(jìn)行混合,均勻攪拌6 min,制得樹莓起泡果漿。

將制備好的樹莓起泡果漿均勻平鋪于相同規(guī)格（0.4 m×0.4 m×0.04 m）聚氯乙烯材質(zhì)的盛料盒內(nèi),置于連續(xù)式微波干燥設(shè)備輸送帶中間位置,保證盛料盒在微波干燥腔內(nèi)勻速前進(jìn)。微波強(qiáng)度、料層厚度、風(fēng)速及循環(huán)干燥時間的調(diào)整均可通過微波控制柜實現(xiàn),以達(dá)到所需的干燥條件。待起泡果漿水分降至安全含水率12%（濕基,下同）后,得到樹莓果粉,立即使用紅外熱像儀采集其溫度分布數(shù)據(jù),并測定同一盛料盒內(nèi)不同部位的含水率。

1.3.2 單因素試驗設(shè)計

以微波強(qiáng)度（2、3、4*、5、6 W/g）、料層厚度（3、4、5*、6、7 mm）及循環(huán)干燥時間（2、3、4*、5、6 min）為試驗因素（*表示該因素固定時的取值）,以溫度均勻度、含水率均勻度及微波能利用率為評價指標(biāo),研究各因素對其影響的規(guī)律,基于MXD21S型連續(xù)式微波干燥機(jī)的風(fēng)機(jī)風(fēng)速可調(diào)范圍為0～2.0 m/s,故取風(fēng)速中心值（1.0 m/s）作為單因素試驗料層表面風(fēng)速。各因素所取水平以預(yù)實驗結(jié)果為依據(jù),并綜合考慮干燥效率及干燥品質(zhì)。

1.3.3 指標(biāo)測定

1.3.3.1 溫度測定

干燥腔內(nèi)部料層溫度由連續(xù)式微波干燥設(shè)備的上方紅外溫度傳感器測得,干燥結(jié)束后,利用紅外熱像儀采集料層表面溫度圖像,需保證紅外熱像儀與料層之間距離保持不變,且盡快完成紅外熱像拍攝過程,減小實驗誤差。

1.3.3.2 含水率測定

采用GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》中直接干燥法測定物料濕基含水率。

1.3.3.3 含水率、溫度、電場分布均勻度測定

干燥結(jié)束后按圖1A取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣,依據(jù)GB 5009.3—2016中直接干燥法確定各點(diǎn)含水率；溫度取樣點(diǎn)分布如圖1B所示,采用紅外熱像儀對微波干燥后的泡沫果漿拍攝溫度圖像,利用紅外熱像儀自帶軟件FLIR Tools對紅外圖像進(jìn)行各取樣點(diǎn)溫度采集；采用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件對微波泡沫干燥過程果漿料層電場分布情況進(jìn)行模擬仿真,并依據(jù)圖1C對各取樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)公式（1）計算樹莓含水率、溫度、電場分布均勻度（K）,其中ΔX依據(jù)公式（2）計算[11]。

圖1 溫度均勻度（A）、含水率均勻度（B）、電場分布均勻度（C）測定的取點(diǎn)方式分布圖Fig.1 Selection of sampling point distribution for temperature (A),water content (B) and electric field (C) distribution uniformity

1.3.3.4 微波能吸收與利用特性指標(biāo)計算

介電特性：泡沫果漿的介電常數(shù)（ε'）和介電損耗因子（ε”）是果漿溫度和含水率的函數(shù)[12],具體計算分別見公式（3）、（4）。

式中：T表示泡沫果漿溫度/℃；M表示泡沫果漿含水率/%；D表示泡沫果漿的密度/（g/cm3）。

比熱容：泡沫果漿比熱容（Cp/（J/（kg·℃）））隨果漿溫度、含水率及密度不斷變化[12],具體計算見公式（5）。

微波能吸收：在微波干燥過程中,物料對微波能的吸收量（Q/（W/m3））計算如式（6）所示[13]。

式中：f表示微波頻率（2.45 GHz）；ε0表示真空中介電常數(shù)（8.85×10-12F/m）；E表示料層上電場強(qiáng)度/（V/m）。

微波穿透深度：指其功率衰減到原始值的1/e（36.8%）時對應(yīng)的距離[14],具體計算如式（7）所示。

式中：Dp表示穿透深度/m；v表示微波在材料內(nèi)部傳播的速率/（m/s）。

微波能穿透物料的臨界厚度：指微波與物料作用時穿透的料層深度[15],具體計算如式（8）所示,其中的α按公式（9）計算。

式中：α表示微波在物料內(nèi)部的衰減因子/（Np/m）；λ0表示光在自由空間的波長（0.122 4 m）；Lcrit表示微波穿透臨界厚度/m。

此時，車內(nèi)Meridian?英國之寶音響系統(tǒng)奏響恢宏之曲，窗外則是復(fù)雜而美妙的畫面：新和舊、在地和外來、新時髦和老克勒、本幫菜和咖啡館，如同加快了播放速度的片段，勾勒出上海之景。

微波能利用率：泡沫果漿吸收微波能將其轉(zhuǎn)化為熱能的過程中,用于升溫和水分蒸發(fā)的能量為有效能,有效能與微波輸入能量的比值為微波能利用效率,其可用來評估微波能利用情況[16],微波能利用率（ηen/%）的計算如式（10）所示。

式中：m表示干燥過程中泡沫果漿質(zhì)量/g；γwp表示泡沫果漿的蒸發(fā)潛熱/（J/kg）；P表示微波功率/W；t表示干燥時間/s；mew表示泡沫果漿水分蒸發(fā)質(zhì)量/g；ΔT表示干燥過程中泡沫果漿干后溫度與初始溫度的差值/℃。

1.3.4 連續(xù)式微波泡沫干燥數(shù)值模擬

基于能量守恒與質(zhì)量守恒方程,采用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics對料層電場、微波能吸收及溫度分布情況進(jìn)行模擬仿真,所選物理場模塊有電磁場、固體傳熱及稀物質(zhì)傳遞,為保證數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,對被干燥物料泡沫果漿的網(wǎng)格劃分選用“極細(xì)化”等級,對磁控管、干燥腔等部分的網(wǎng)格劃分選用“細(xì)化”等級,模型在Windows 10操作系統(tǒng)、12核、2.5 GHz、64 G的戴爾工作站上完成運(yùn)算。

1.3.5 驗證實驗

選取實驗實測起泡果漿溫度及含水率均勻度作為驗證依據(jù)指標(biāo),與所建模型模擬的溫度及含水率分布均勻度進(jìn)行對比,驗證模型的可靠性。采用均方根誤差（root mean square error,RMSE）對模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行評價,計算方法如式（11）所示。

式中：N表示記錄的數(shù)據(jù)總數(shù)；Xs表示模擬溫度或含水率均勻度；Xe表示實際實驗測得溫度或含水率均勻度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

2 結(jié)果與分析

2.1 微波泡沫干燥條件對果漿干燥特性的影響

2.1.1 微波強(qiáng)度對果漿干燥特性的影響

圖2 不同微波強(qiáng)度下果漿干燥過程溫度（A）、含水率（B）變化規(guī)律Fig.2 Variation in temperature (A) and water content (B) during the drying process of pulp under different microwave intensities

微波強(qiáng)度2～6 W/g時泡沫果漿干燥過程溫度及含水率變化規(guī)律如圖2所示。對應(yīng)的試驗參數(shù)為料層厚度5 mm、風(fēng)速1.0 m/s、循環(huán)干燥時間4 min。由圖2A可知,隨微波強(qiáng)度增大,料層溫升速率呈逐漸升高的趨勢。其原因是微波強(qiáng)度越大,料層表面電場強(qiáng)度越大,由式（6）可知,料層吸收微波能與電場強(qiáng)度成正比,物料吸收微波能越多,溫度升高越快。由圖2B可知,隨干燥進(jìn)行,泡沫果漿含水率迅速下降,且微波強(qiáng)度越大,水分蒸發(fā)速率越大。其原因是在微波泡沫干燥過程中,物料干燥初期含水率較高,具有較高的介電損耗因子,吸收大量微波能,水分迅速蒸發(fā),水分蒸發(fā)加速泡沫果漿氣泡的產(chǎn)生和破裂,水蒸氣的滲透性增強(qiáng),促進(jìn)了泡沫果漿傳質(zhì)過程[17]。微波強(qiáng)度越高,單位質(zhì)量物料吸收微波能越多,用于水分蒸發(fā)能量越多,水分蒸發(fā)速率越快,干燥時間越短。

2.1.2 料層厚度對果漿干燥特性的影響

圖3 不同料層厚度下果漿干燥過程溫度（A）、含水率（B）變化規(guī)律Fig.3 Variation in temperature (A) and water content (B) during the drying process of pulp with different material layer thicknesses

固定物料質(zhì)量,改變料層厚度3～7 mm時,泡沫果漿干燥過程溫度及含水率變化規(guī)律如圖3所示,對應(yīng)的試驗參數(shù)為微波強(qiáng)度4 W/g,風(fēng)速1.0 m/s,循環(huán)干燥時間4 min。由圖3A可知,料層厚度4 mm時,所需干燥時間最短,溫升速率最大。其原因是由式（8）可計算得出,初始狀態(tài)時泡沫果漿料層穿透臨界厚度為3.51 mm。當(dāng)料層厚度小于4 mm時,隨干燥進(jìn)行,溫度不斷升高,含水率不斷下降,泡沫果漿介電常數(shù)降低,微波穿透臨界厚度逐漸增加,料層厚度低于微波穿透臨界厚度時,未被吸收微波能以其他形式耗散在干燥系統(tǒng)中,泡沫果漿微波能吸收量下降,故干燥過程溫度上升速率降低[18]。當(dāng)料層厚度大于4 mm時,由于微波不能穿透料層,微波能被料層表面及邊界吸收,物料內(nèi)部未能吸收微波能,其溫度升高需料層表面部分吸收微波能產(chǎn)生熱量向內(nèi)傳遞,因而溫度上升緩慢。

由圖3B可知,當(dāng)料層厚度小于4 mm時,隨料層厚度增加,含水率下降速率增加,干燥時間縮短,當(dāng)料層厚度大于4 mm時,隨料層厚度增加,干燥速率下降。其原因是當(dāng)料層厚度過低時,料層厚度小于微波穿透深度,微波能未被全部吸收,泡沫果漿總體微波能吸收量下降,用于水分蒸發(fā)能量減少。當(dāng)料層厚度過大時,微波能被料層表面及邊界吸收,導(dǎo)致含水率分布不均,且物料質(zhì)量固定,物料水分蒸發(fā)表面積減小,熱通量和水分通量值降低,水分蒸發(fā)速率減小[19]。

2.1.3 循環(huán)干燥時間對果漿干燥特性的影響

圖4 不同循環(huán)干燥時間下果漿干燥過程溫度（A）、含水率（B）變化規(guī)律Fig.4 Variation of temperature (A) and water content (B) during the drying process of pulp with different circulating drying times

圖4為循環(huán)干燥時間2～6 min時泡沫果漿干燥過程溫度及含水率變化規(guī)律,對應(yīng)的試驗參數(shù)為微波強(qiáng)度4 W/g、風(fēng)速1.0 m/s、料層厚度5 mm。由圖4A可知,隨循環(huán)干燥時間延長,泡沫果漿所需干燥時間呈先減少后增加趨勢。當(dāng)循環(huán)干燥時間為2、3 min時,循環(huán)干燥時間對溫度變化及干燥時間影響較小,干燥所需總時間均為18 min。其原因是由于每次循環(huán)過程中微波與物料相互作用時間短,因此電場分布不均及物料吸收特性對干燥均勻性影響不大,故對溫度變化及干燥時間影響也不大。當(dāng)循環(huán)干燥時間為4 min時,干燥所需時間最短。其原因是料層每次循環(huán)過程中微波能吸收與熱能有效利用均達(dá)到最大值,促進(jìn)了泡沫果漿微波干燥過程[20]；當(dāng)循環(huán)干燥時間大于4 min時,料層在微波干燥腔時間增加,因電場分布及干燥腔內(nèi)微波沿縱向傳遞方式,導(dǎo)致大量微波能被物料表層吸收,加劇干燥不均勻現(xiàn)象,延長了干燥時間。

由圖4B可知,料層含水率變化速率呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)循環(huán)干燥時間小于4 min時,循環(huán)干燥時間對含水率變化速率影響不大；當(dāng)循環(huán)干燥時間大于4 min時,隨循環(huán)干燥時間延長,干燥均勻性降低,泡沫果漿整體起泡量降低,弱化傳質(zhì)過程,水分向外傳遞速率減慢,干燥速率下降。

2.2 微波泡沫干燥條件對果漿干燥均勻性的影響

2.2.1 微波強(qiáng)度對果漿干燥均勻性的影響

由圖5可知,隨微波強(qiáng)度增加,果漿干燥均勻度顯著增加（P＜0.05）,微波強(qiáng)度6 W/g條件下,相比微波強(qiáng)度2 W/g,溫度及含水率均勻度可分別提高19.29%、16.08%。選取溫度及含水率均勻度最低值和最高值兩組進(jìn)行對比分析,其溫度和含水率分布情況如圖6所示。果漿干后溫度及含水率分布不均勻現(xiàn)象明顯,隨微波強(qiáng)度增大,不同部位溫度及含水率整體偏差變小。其原因是微波加熱為體加熱方式,微波強(qiáng)度較低時,泡沫果漿干燥過程溫升及水分蒸發(fā)速率較慢,且物料含水率較高,大量微波能被物料邊緣處吸收,干燥不均勻現(xiàn)象明顯。隨微波強(qiáng)度增大,料層表面電場強(qiáng)度增加,單位質(zhì)量果漿吸收更多微波能,加速果漿內(nèi)部水分蒸發(fā)并產(chǎn)生大量氣泡,干后物料均勻度顯著增加[21]。另一方面,本研究采用的連續(xù)式微波干燥設(shè)備,通過增加磁控管開啟數(shù)量實現(xiàn)微波功率的增大,進(jìn)而提高微波強(qiáng)度,多個磁控管同時開啟時,干燥室內(nèi)電磁場分布為各個磁控管輻射場強(qiáng)的疊加,能有效提高電磁場分布均勻性,從而改善料層水分和溫度分布均勻性。

圖5 不同微波強(qiáng)度下物料溫度（A）和含水率（B）均勻度Fig.5 Uniformity of material temperature (A) and water content (B)under different microwave intensities

圖6 不同微波強(qiáng)度下物料溫度（A）和含水率（B）分布圖Fig.6 Distribution of material temperature (A) and water content (B)under different microwave intensities

2.2.2 物料厚度對果漿干燥均勻性的影響

圖7 不同料層厚度下物料溫度（A）和含水率（B）均勻度Fig.7 Uniformity of material temperature (A) and water content (B)under different material layer thicknesses

圖8 不同料層厚度下物料溫度（A）和含水率（B）分布圖Fig.8 Distribution of material temperature (A) and water content (B)under different material thicknesses

由圖7可知,隨物料厚度增加,果漿干燥均勻度顯著降低（P＜0.05）,物料厚度3 mm相比物料厚度7 mm條件下,溫度及含水率均勻度可分別提高22.08%、17.98%。選取溫度及含水率均勻度最高值和最低值兩組進(jìn)行對比分析,其溫度和含水率分布情況如圖8所示。隨料層厚度增大,不同部位溫度及含水率整體偏差變大。其原因是物料厚度較小時,其相對表面積變大,起泡果漿表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)系數(shù)較大,可緩解由于物料特性及電場分布不均導(dǎo)致的干燥不均勻現(xiàn)象[22]。隨物料厚度增大,初始狀態(tài)時泡沫果漿料層微波穿透臨界厚度為3.51 mm,微波不能穿透料層,微波能被物料邊緣處大量吸收,物料邊緣處吸收更多微波能用于溫度升高及水分蒸發(fā),邊緣部分果漿起泡程度較劇烈,溫度升高速率和干燥速率差異也增大,且物料總表面積減小,干燥過程中果漿水分蒸發(fā)面減小,干燥均勻性降低。

2.2.3 循環(huán)干燥時間對果漿干燥均勻性的影響

圖9 不同循環(huán)干燥時間下物料溫度（A）和含水率（B）均勻度Fig.9 Uniformity of material temperature (A) and water content (B)with different circulating drying times

圖10 不同循環(huán)干燥時間下物料溫度（A）和含水率（B）分布圖Fig.10 Distribution of material temperature (A) and water content (B)with different circulating drying times

由圖9可知,隨循環(huán)干燥時間延長,果漿干燥均勻度顯著降低（P＜0.05）,循環(huán)干燥時間2 min相比6 min條件下,溫度及含水率均勻度可分別提高23.54%、14.30%。選取溫度及含水率均勻度最高值和最低值兩組進(jìn)行對比分析,其溫度和含水率分布情況如圖10所示,隨循環(huán)干燥時間延長,不同部位溫度及含水率不均勻程度變大。其原因是當(dāng)循環(huán)干燥時間較短時,料層隨輸送帶運(yùn)動經(jīng)歷電場疏密分布區(qū),料層電場分布不均對物料干燥均勻性影響較弱；循環(huán)干燥次數(shù)增加,干燥速率降低,泡沫果漿干燥過程中在自身熱質(zhì)傳遞作用下可降低溫度及含水率分布差異。隨循環(huán)干燥時間延長,微波與物料相互作用時間變長,料層吸收更多微波能,料層邊界熱對流效應(yīng)促進(jìn)了邊界水分蒸發(fā),加快了邊界干燥速率。同時電磁場在物料邊緣和角落位置的反射,增強(qiáng)了微波能在物料邊緣位置聚焦[23]。另一方面,隨著溫度的升高,物料的損耗因子逐漸增加,損耗因子高的部位會吸收更多的微波能,因而熱點(diǎn)處會持續(xù)升溫,導(dǎo)致干燥不均勻現(xiàn)象更加明顯,泡沫果漿溫度及含水率分布不均,干燥均勻性顯著降低。

2.3 微波干燥腔內(nèi)料層電場分布規(guī)律仿真

2.3.1 不同微波強(qiáng)度下料層電場分布規(guī)律

由于微波強(qiáng)度改變會對電場分布產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響物料干燥均勻性,而物料厚度與循環(huán)干燥時間對電場分布無影響,為了解微波干燥不均勻本質(zhì)原因,本實驗?zāi)M不同微波強(qiáng)度下連續(xù)式微波干燥機(jī)內(nèi)料層表面電場分布?？紤]到多個物理場之間的耦合作用,利用電磁場模塊和頻域研究獲取微波傳遞和分布特征。圖11中,從上至下分別為隨微波強(qiáng)度增加對應(yīng)的電場分布圖,微波干燥條件為料層厚度5 mm、風(fēng)速1.0 m/s、循環(huán)干燥時間4 min。由仿真結(jié)果可知,料層表面電場分布均勻性較差,存在多處電場“強(qiáng)點(diǎn)”和“弱點(diǎn)”區(qū)域,且前半部電場“強(qiáng)點(diǎn)”和“弱點(diǎn)”分布較后半部更加明顯。

圖11 不同微波強(qiáng)度下料層電場分布Fig.11 Electric field distribution of material layer under different microwave intensities

表1 不同微波強(qiáng)度下電場分布均勻度Table 1 Uniformity of electric field distribution under different microwave intensities

由表1可知,隨微波強(qiáng)度增加,電場分布均勻性呈升高的趨勢,其原因是波導(dǎo)定向引導(dǎo)微波傳輸?shù)街C振腔內(nèi),經(jīng)過壁面的反射在諧振腔內(nèi)形成電場分布。對于多饋口微波諧振腔,多個磁控管產(chǎn)生的微波在干燥腔內(nèi)形成電場疊加,因波導(dǎo)口間存在反射損耗作用,泡沫果漿料層上電場強(qiáng)度表現(xiàn)出“強(qiáng)點(diǎn)”和“弱點(diǎn)”分布特征[24]。且隨干燥進(jìn)行,介電特性指標(biāo)ε'、ε”逐漸下降,泡沫果漿微波能吸收量逐漸降低,考慮微波能的有效利用,干燥機(jī)磁控管排布為前半部密集后半部稀疏方式,故前半部電場“強(qiáng)點(diǎn)”和“弱點(diǎn)”分布更為明顯。微波強(qiáng)度較高時,需調(diào)節(jié)磁控管開啟數(shù)量來實現(xiàn)微波強(qiáng)度的改變,對于多磁控管同時工作時,干燥室內(nèi)總場強(qiáng)分布為各耦合口輻射場強(qiáng)分布的迭加,隨磁控管開啟數(shù)量增加,不同磁控管所形成的“強(qiáng)點(diǎn)”與“弱點(diǎn)”重合,可有效提高電磁場分布均勻性,從而改善料層水分和溫度分布的均勻性。因此隨微波強(qiáng)度增大,電場分布均勻性顯著提高。

2.3.2 驗證實驗結(jié)果

為進(jìn)一步分析數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,進(jìn)行微波泡沫干燥驗證實驗,數(shù)值模擬主要分析連續(xù)式微波干燥機(jī)料層表面電場分布規(guī)律,對于干燥腔電場分布情況,由于測定儀器受到電磁波干擾,目前缺少合理的實驗驗證方法。但料層電場分布均勻程度影響物料溫度及水分分布均勻度,因此本實驗選取實測起泡果漿溫度及含水率均勻度作為驗證依據(jù)指標(biāo),與所建模型模擬的溫度及含水率分布均勻度進(jìn)行對比。

圖12 不同微波強(qiáng)度條件下泡沫果漿溫度及含水率均勻度實測值與模擬值對比圖Fig.12 Comparison of measured and simulated values of uniformity under different microwave intensities

圖12為不同微波條件下,泡沫果漿溫度及含水率分布均勻度實測值與模擬值的比較。經(jīng)統(tǒng)計分析可知,不同微波強(qiáng)度條件下,果漿溫度均勻度模擬值與實測值的RMSE為2.15%,果漿含水率均勻度模擬值與實測值的RMSE為2.16%,模擬值與實測值較接近,說明所建仿真模型能夠反映料層表面電場分布規(guī)律。溫度及含水率均勻度實驗值高于模擬值,其原因是實驗測量時需取出干燥盒,干燥盒內(nèi)料層中存在溫度和水分差,在其作用下發(fā)生傳熱、傳質(zhì)過程,使得料層內(nèi)的溫度及含水率分布均勻度有所提高。

2.4 泡沫果漿溫升與微波能吸收轉(zhuǎn)化的相關(guān)關(guān)系

圖13 微波泡沫干燥過程料層表面溫度分布Fig.13 Surface temperature distribution of material layer during microwave foam drying

圖14 微波泡沫干燥過程料層表面微波能吸收分布Fig.14 Microwave energy absorption distribution of material layer during microwave foam drying

圖13、14為微波強(qiáng)度4 W/g、料層厚度5 mm、表觀風(fēng)速1.0 m/s、循環(huán)干燥時間4 min下,干燥過程中料層表面溫度及微波能吸收分布仿真圖。對比分析兩圖可知,隨溫度不斷升高,泡沫果漿微波能吸收能力不斷下降,溫度及微波能吸收分布均勻性明顯提高。其原因是隨微波干燥過程進(jìn)行,泡沫果漿開始大量起泡,果漿密度降低同時溫度不斷升高,含水率不斷下降,由式（4）、（6）可知,泡沫果漿介電損耗因子隨干燥進(jìn)行不斷減小,微波能吸收能力下降。由式（5）可知,隨干燥進(jìn)行,泡沫果漿比熱容不斷減小,升高相同溫度所需能量減小,故吸收的大量微波能被用于水分蒸發(fā)和通風(fēng)熱對流效應(yīng),且隨泡沫果漿溫度升高,層邊界熱對流效應(yīng)明顯增強(qiáng),帶走泡沫果漿熱量同時促進(jìn)內(nèi)部熱傳導(dǎo),強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過程,提高溫度分布均勻性[25-26]。因而隨泡沫果漿溫度不斷升高,微波能吸收能力呈下降趨勢,溫度及微波能吸收分布均勻性顯著提高同時存在些許差異。

2.5 微波泡沫干燥條件對果漿微波能利用率的影響

圖15 微波強(qiáng)度（A）、料層厚度（B）和循環(huán)干燥時間（C）對泡沫果漿微波能利用率的影響Fig.15 Effect of microwave intensity (A), layer thickness (B) and circulating drying time (C) on microwave energy utilization of foamed pulp

圖15A為不同微波強(qiáng)度下微波能利用率變化圖,隨微波強(qiáng)度增加,微波能利用率呈先增加后降低趨勢,微波強(qiáng)度3 W/g相比6 W/g時,微波能利用率可提高21.60%。微波強(qiáng)度2 W/g相比3 W/g時,單位質(zhì)量吸收微波能降低,所需干燥時間增加,輸入微波能能量增加,微波能利用率下降。從微波能吸收角度考慮,伴隨泡沫果漿內(nèi)部水分蒸發(fā),干燥過程中干燥腔內(nèi)部料層質(zhì)量減少,泡沫果漿微波強(qiáng)度逐漸增加,單位時間內(nèi)料層水分蒸發(fā)速率增加,加劇果漿中泡沫的形成,降低果漿密度[27]。由式（4）可知,隨溫度升高、含水率及果漿密度降低,介電損耗因子降低,料層整體微波能吸收能力減弱,能量損耗增加,因此微波能利用率降低,微波強(qiáng)度越大,該現(xiàn)象越明顯。

圖15B為不同料層厚度下微波能利用率,隨料層厚度增加,微波能利用率呈先增加后降低趨勢。料層厚度為3 mm時,微波能利用率為53.40%,處于較低水平,原因是此時料層厚度低于微波穿透物料臨界厚度,泡沫果漿未能吸收全部微波能,未被吸收微波能以其他形式耗散在干燥系統(tǒng)中[28],主要表現(xiàn)形式為連續(xù)式微波干燥腔壁和抑制腔壁損耗,微波傳遞時少量能量耗散于金屬表層,產(chǎn)生導(dǎo)體“趨膚深度”功率損耗[29]。由能量守恒定律可知,微波干燥過程中能量損耗增加,用于溫升和水分蒸發(fā)的有效能便降低,故微波能利用率較低。料層厚度4 mm時,相比7 mm,微波能利用率可提高35.20%。其原因是該料層條件下,料層微波能吸收增加,使泡沫果漿內(nèi)部溫度升高,水分蒸發(fā),能加速泡沫果漿氣泡的產(chǎn)生和破裂,加快液相水和水蒸氣擴(kuò)散速率,有效提高微波能在傳熱、傳質(zhì)過程中的利用效率。同時隨干燥進(jìn)行,泡沫果漿介電特性不斷下降,微波穿透深度逐漸增加,料層吸收微波能的能力增強(qiáng)。當(dāng)料層厚度大于4 mm時,隨著料層厚度繼續(xù)增加,微波能利用效率顯著降低（P＜0.05）。這是由于料層厚度繼續(xù)增加,水分蒸發(fā)表面積變小,水分蒸發(fā)能力變?nèi)?在一定的微波能吸收能力下,所需干燥時間延長,微波干燥機(jī)輸出能量增加,微波能利用率下降。

圖15C為不同循環(huán)干燥時間下微波能利用率,隨循環(huán)干燥時間延長,微波能利用率呈現(xiàn)先增加后降低趨勢,循環(huán)干燥時間4 min相比6 min,微波能利用率可提高17.70%,循環(huán)干燥時間為2 min和3 min時,微波能利用效率分別為47.0%和47.2%,微波能利用率差異不顯著（P＞0.05）。其原因是循環(huán)干燥時間為2 min和3 min時,分別經(jīng)歷9 個和6 個干燥段才能達(dá)到安全含水率以下,干燥時間均為18 min,同時料層最終溫度相近,且循環(huán)過程中微波與物料連續(xù)作用時間短,電場分布不均及物料吸收微波特性對干燥均勻性影響不顯著[30]。循環(huán)干燥時間為4 min時,干燥時間縮短為16 min,有效降低了干燥所需的輸入微波能,微波能吸收與熱能有效利用率均增大,微波能利用率提高。循環(huán)干燥時間為5 min和6 min時,料層駐留微波輻射場中時間延長,沿運(yùn)動方向積累的微波能隨之增加,由于干燥腔內(nèi)微波沿縱向傳遞,故表層吸收的微波能最高,因此表層先達(dá)到安全含水率,水分蒸發(fā)不均衡,整體達(dá)到安全含水率時間延長,降低了微波能到有效熱能的轉(zhuǎn)化效率。

3 結(jié) 論

料層電場分布不均及物料吸收特性對干燥均勻性影響顯著,隨微波強(qiáng)度增加,料層電場分布均勻度提高,單位質(zhì)量泡沫果漿吸收更多微波能,加速料層內(nèi)部水分傳遞,干燥均勻度增加；隨物料厚度增加,物料厚度大于微波穿透深度,干燥均勻度下降；隨循環(huán)干燥時間延長,由于料層邊界熱對流效應(yīng)及電磁場在物料邊緣位置聚焦,干燥均勻度下降。

不同微波干燥條件對泡沫果漿微波能利用率影響顯著。微波強(qiáng)度低于3 W/g時,所需干燥時間延長,輸入微波能能量增加；微波強(qiáng)度高于3 W/g時,料層整體微波能吸收能力減弱,能量損耗增加。料層厚度低于4 mm時,未被吸收微波能以其他形式耗散在干燥系統(tǒng)中,產(chǎn)生功率損耗；料層厚度高于4 mm時,水分蒸發(fā)表面積變小,所需干燥時間延長。循環(huán)干燥時間低于4 min時,循環(huán)干燥次數(shù)增加,能量損耗增加；循環(huán)干燥時間高于4 min時,水分蒸發(fā)不均衡,整體達(dá)到安全含水率時間延長。

當(dāng)微波強(qiáng)度為2～6 W/g時,溫度均勻度、含水率均勻度及微波能利用率最大值與最小值分別相差19.29%、16.08%、21.60%；當(dāng)料層厚度為3～7 mm時,溫度均勻度、含水率均勻度及微波能利用率最大值與最小值分別相差22.08%、17.98%、35.20%；當(dāng)循環(huán)干燥時間為2～6 min時,溫度均勻度、含水率均勻度及微波能利用率最大值與最小值分別相差23.54%、14.30%、17.70%。