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微波设备干燥原理及应用

来源:乐鱼彩票 作者:乐鱼娱乐 | 发布日期: 2022-08-14 02:32:51 | | 浏览量:2

  介绍了微波干燥的原理和主要特点及其应用的现状, 并且给出了微波干燥经济核算的计算方法。

  微波是波长在1 mm~1 m之间, 频率在3.0×10 2 ~3.0×10 5 MHz具有穿透性的一种电磁波。在工业加热上只允许使用特定的频率, 在我国为915 MHz和2 450 MHz。微波干燥起源于20世纪40年代, 到60年代末, 微波已能应用于加热、干燥、杀虫、灭菌、医疗等领域。由于微波具有的独特优点, 使其发展很快, 微波技术及其应用作为一项高新技术被指定为我国“十五”计划重点研发项目。

  当介电质置于交变电磁场中时, 带有不对称电荷的分子受到交变电磁场的激励, 产生转动, 由于物质内部原有的分子无规律热运动和相邻分子之间作用, 分子的转动受到干扰和限制, 产生“摩擦效应”, 结果一部分能量转化为分子热运动功能, 即以热的形式表现出来, 从而物料被加热。也就是电场能转化为势能, 尔后转化为热能。单位体积内介质吸收的微波功率Pɑ与该处的电场强度和频率f有下列关系:

  ε′—介质的“介电系数”, 是表征介质极化程度的参量, (A·s) / (V·m) ;

  这是微波加热的最大特点, 不管是传导、对流、辐射的加热方式, 热源都是在外面, 物料温度的升高是由外及里, 将表面加热之后再传导到内部, 这要受到傅立叶定律的限制, 通常被加热物料是热的不良导体, 有很大的热阻, 加热时间自然很长。微波加热热量在被加热物料内部产生, 这样里外一起热, 不仅温度很均匀, 而且不会带来夹生现象。

  常规加热时, 温度表面高, 内部低, 这种温度分布, 不利于水分迅速蒸发。而微波加热里外一起热, 同时因为表面较容易散热, 往往是内部温度高于外部, 温度梯度方向和水分梯度的方向相同, 传热和传质方向一致, 促使内部水分迅速蒸发, 形成内部压力梯度, 使水分很快扩散到表面挥发掉, 这就使干燥时间大为缩短。

  穿透能力是指电磁波穿透到物体内部的本领, 电磁波透入介质表面并向里传播时, 能量不断被吸收转化成热能, 波所携带的能量由表向里以指数衰减, 电磁波的能量衰减到只有表面处的1/e2≈1/2.722≈13.5%时所能透入的介质的深度D, 称为“穿透深度”, 大约有86.5%的能量在介质表面深度为D的一层内消耗掉, 也就是说热量主要在这一层产生。近似地有:

  上式表明, 一般介质的穿透深度大致与波长是同一数量级。以915 MHz (λ=33 cm) 和2 450 MHz (λ=12.2 cm) 的常用加热频率来讲, 通常燥物料的D值大约为几十cm到几cm的范围, 除很大的物体外, 一般可以大致做到表里一致均匀加热。故燥物料的尺寸大小, 主要取决于穿透深度。

  微波干燥的效果和被加热物料的电性质有着密切的联系。Pɑ与介质的介电常数ε′和损耗正切tɑn δ之积成正比。各种物质的ε′各不相同, 但除高含水物料和某些“铁电”物质外, 一般介质的ε′在1~10之间, 水的ε′特别大, 为78.54。所以含水量越高, 微波所能发挥的效能越好。基于这一点, 一般微波源应安装在物料的入口处。各种介质的损耗正切相差更大, 优良介质 (如石英、聚四氟乙烯等) 的tan δ1/1 000, 所以在微波加热器中, 采用聚四氟乙烯作为传送带或者托滚的材料, 用玻璃器皿盛放物料, 为的是减少对微波的吸收。吸收性介质的tan δ最大可以达到十分之几, 如水的tan δ约为0.3, 故无论从tan δ还是ε′来看水都能强烈地吸收微波。一般含水量在百分之几到百分之几十的各种含水物质的ε′和tan δ都很大, 能有效吸收微波, 适用于微波加热。但是由金属或者是优良介质作成的产品不适于用微波加热。因此不同物质微波加热的效果不同, 这就是微波加热的选择性。这种选择性使得一些产品不能用微波来直接加热。但是在某些产品干燥中却十分有利。在使用微波干燥产品时, 物料中的水分比其中的干物质对微波吸收大的多, 温度也就高的多, 这种产品内部微波对水的选择加热的结果, 使得水分迅速蒸发, 使产品不至于过热。特别应该指出的是, 其中的干物质主要是通过传导传热, 温度会相对地低, 这样在物料内部就产生温度均衡的作用。

  物料内部水分有两种状态:自由水和结合水。自由水和结合水的损耗因子是不同的。在加热过程刚开始时, 物料含水量高, 自由水分子占多数, 此时ε″是负温度系数 (dε″/dt0, 即温度升高ε″下降) , 故温度低的地方ε″大, 吸收功率多, 温度高的地方ε″小, 吸收功率少, 有利于均匀加热。而且随着温度升高, ε″下降, 使吸收的微波功率自动减少, 这种自动调节是十分有利的。但在干燥后期, 自由水分子已经大部分蒸发, 剩下的主要是结合水分子, 此时ε″变成正温度系数 (dε″/dt0, 即温度升高ε″升高) , 越是温度高的地方, ε″越是大, 吸收越是多, 而且随着温度的升高, 吸收功率随之增多, 温升更大, 最后会有失去控制的危险。结果会使温度急剧上升, 造成过热, 使产品烧焦, 在严重时甚至能着火。为了保证产品质量, 这种现象必须防止, 例如在产品将要烘干时, 应降低输入的微波功率。

  微波干燥设备的资金投入相对较高。微波干燥消耗的是高品质的能源——电能, 而从电能到电场能的转化率只有大约50%。因此这种技术只适合于干燥具有高附加值的产品。比方说, 对那些用别的方法需要很长时间才能达到去水要求的产品, 或者是, 用别的方法不能获得需要的品质 (如颜色等) 的产品。所以微波干燥只适用于某些特殊情况。微波主要是用来提高干燥能力 (迅速去除水分而不在物料内部产生温度梯度) 或是用于终端干燥, 用于去除干燥后期需要花费很长时间才能出来的几个百分点的水分。一般讲, 微波加热可以和对流或真空干燥结合来达到降低能量消耗的目的。目前微波真空干燥和微波冷冻干燥已经有商业化的应用。

  微波系统与真空系统相结合的微波真空干燥技术表现出两者的优点, 既降低了干燥温度又加快了干燥速度, 具有快速、高效、低温等特点, 能较好的保留燥食品或是药品等物料原有的色香味, 而且维生素等热敏性营养成分或者活性成分的损失大为减少, 得到较好的干燥品质。该技术特别适用于食品、药品、生物制品等热敏物料的干燥, 而且设备成本、操作费用低。

  微波真空干燥在果蔬脱水方面具有较大的潜力, 果蔬含水量大, 用冷冻干燥成本极高。许多研究表明, 微波真空干燥果蔬制品, 其色香味及热敏成分的保留率十分接近于冷冻干燥。虽然质构较硬, 与冷冻干燥有一定的差距, 但干燥时间和成本可大幅度降低。美国加州大学研究用微波真空干燥技术生产脱水膨化葡萄, 能很好地保持鲜葡萄风味和色泽, 外形也能不萎缩。由于微波干燥温度低, 干燥时间短, 维生素B1、B2、C能得到较高的保留率。如果能将这项高新技术应用于我国新疆葡萄干的制作上, 完全会改变我国葡萄干皱瘪外形, 而且在风味、品质和营养成分方面也能一改目前的仅有甜味, 而维生素几乎完全丧失的局面。

  微波冷冻干燥通常在远低于水的三相点的温度下使用。冷冻干燥是指物料在冻结情况下, 由冰直接升华为水蒸汽, 中间不经过液相的过程。冷冻干燥制品具有下列特色:保持原有的品质和营养成分;多孔疏松海绵状结构, 良好的复水性;不含任何防腐保鲜剂, 不需冷藏;重量轻, 体积缩小。适用的物料有:

  冷冻干燥已经在医药和食品行业中应用广泛, 它的干燥质量是最好的, 基本上能保留药品和食品原有的色香味和生物活性。目前我国能打进国际市场的高档脱水蔬菜制品均是采用冷冻工艺生产的, 传统的各种干燥工艺无法生产高品质的脱水果蔬。但是冷冻干燥不仅设备昂贵 (进口设备一般几十万到几百万美元, 国产设备与国外设备相比还有很大差距) , 且操作费用高 (需要维持为5 MPa的高线 ℃的低温, 干燥时间为20 h) , 生产能力有限。现在微波冷冻干燥商业化最大的障碍就是巨大的花费。

  不管是在大气还是在真空环境中, 可以把微波应用到各种各样其他的干燥机中。比如说, 流化床、喷动床、振动床或是托盘式干燥机中来提高干燥速度。所有这些技术都能带来所需干燥时间的显著减少, 但不幸的是, 由于初投资和操作费用非常大, 以至于获得的提高速度和减少用时不能补偿增加的费用。实验证明用微波对流干燥机来干燥处理后的葡萄效果非常好, 然而费用也相当高。

  目前微波干燥的主要局限性就是成本高, 因此有必要进行经济核算。但是微波加热的经济核算很复杂, 不同的产品, 不同的要求, 情况不一, 事先准确的经济核算很困难。下面为国外资料介绍的对微波干燥进行经济核算的方法。

  某厂生产面食350 kg/h, 初含水为23% (湿基) , 在产品干燥过程中将物料加热到80 ℃, 产品含水12.5% (湿基) 已知使用普通方法生产单位重量这种产品的工业花费为4.41元/kg。如果假定将普通方法干燥的设备的投资和干燥机运行费用除去, 单位重量产品的费用就会降到4.16元/kg。

  能处理350 kg/h干面食的工业微波圆筒应用装置大约花费48万元, 意味着整个微波系统的投资是133万元。

  这种系统的运行费用的估计是基于从输电干线到微波发生器输出的能量转化率 (ηg) 大约为55%, 于是

  值得强调的是投资折旧应该加到上面的费用中去。通常这种类型设备在每年工作5 500 h的情况下的折旧率是12%/a, 于是

  这些费用必须加到普通生产线除去干燥部分时的费用里, 大约为4.16元/kg, 将原有的普通干燥替换为微波干燥设备时总的花费为:

  这个花费比使用普通干燥方法 (估计值为4.41元/k品) 的花费要高, 但是这种新的方法最大的优势就是将有效的干返回搜狐,查看更多

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