菊花微波干燥装置的研究与设计

徐 凯,易克传,曾其良,徐淑亮

(1.安徽省农机鉴定站,合肥230031;2.安徽科技学院工学院,安徽凤阳233100)

菊花微波干燥装置的研究与设计

徐 凯1,易克传2,曾其良2,徐淑亮2

(1.安徽省农机鉴定站,合肥230031;2.安徽科技学院工学院,安徽凤阳233100)

研究了菊花生理特性和对干燥过程的要求,分析了微波干燥的原理和特点。根据菊花干燥工艺和技术要求,进行了微波和热风一体式干燥装置的设计,对主要参数进行了计算。可为菊花生产向优质、高产、高效方向发展提供保障。

微波;热风;菊花;干燥装置;设计

菊花是菊科植物菊(chrysanthemum)的头状花序,是我国传统的常用重要中药材,具有抗氧化、抗衰老、扩冠强心、抗病原微生物、消炎、解热和降血压等功效[1]。也是保健饮品和高档食用香料及化妆品香料生产的原料。我国每年干菊花的产量达8000～10000 t,随着我国对外贸易的发展和人民生活水平的提高,菊花的需求量在急剧增长[2]。

鲜菊花采下后应立即晒干或烘干,目前干花加工以自然晒干和干燥箱烘干为主,这些方法所需加工时间长,生产效率低,而且产品质量不易控制,严重制约了菊花生产加工的发展[3]。为了解决这一问题,曾有学者做过普通的红外线干燥、气流干燥和真空干燥等试验尝试,但均不能达到使菊花干燥后很好地保持色、香、形、味不变的要求。我们在研究和实践中,在热风干燥的基础上加入微波加热进行菊花干燥设备研究,为菊花干燥研究提供参考。

1 菊花的生理特性和干燥要求

菊花是一种用途广泛的中药材,通常以其干燥的头状花序入药或泡茶饮用,在人们日常生活中,干菊花多被用于泡茶饮用,对于菊花的色、香、形、味要求很高。新鲜的菊花含水量均较高,其中花瓣部分含水量较少,组织较嫩,容易干燥;而花头部分含水量较大,可达80%以上,且组织较老,不易失水干燥,所以菊花是一种组织极不均匀的中草药;另外鲜花含酶量也较高,在干燥过程中容易产生氧化现象,从而影响菊花的品质[4]。这些对菊花的干燥提出了很高的要求,即在干燥过程中,对花瓣部分进行弱干燥,对花蒂部分进行强干燥,而传统的先蒸熟后晒干的干燥工艺不但过分依赖于天气,而且容易造成花瓣过分干燥、花瓣大量脱落,干燥后的菊花质量达不到要求,也远不能适应现代化生产的需要。射器输入微波;顶端开排湿孔;前壁中间开门,供加料和观察内部物料的运行情况;底端开热风管接口。干燥塔尺寸的设计要依据干燥物料形状、体积和处理量大小,同时考虑干燥塔内的电场分布及其干燥效率。

2 微波干燥的机理及特点

图1 微波干燥设备示意图

微波是一种波长在1～0.001m、频率在300MHz～300GHz的电磁波,由于其具有独特的似光性、穿透性和热特性,被广泛用于物料的干燥和有效成分提取中。其加热机理是利用物料内部的极性分子在微波场作用下,从原来的随机分布转向按照电场的极性排列,而在高频电磁场的作用下,这些排列取向按交变电磁场的频率不断变化,这一过程造成极性分子的高速运动和相互摩擦,从而产生热能,使介质温度升高,从而达到加热的目的。微波加热过程是细胞内水分子吸收微波能转化为热能,使细胞内部温度上升,不需要热传导的过程,同时具有自动平衡的性能,可以避免常规加热过程引起的表面硬化和加热不均的现象。因此,在菊花干燥过程中,先采用微波加热,然后进行热风干燥,可以解决传统干燥中菊花杀青的问题,保证干燥的均匀,同时缩短干燥时间[5-6]。

3 微波热风干燥装置基本结构和工作过程

微波菊花干燥设备主要由微波发生器、物料托盘、悬吊杆、排湿口、转动轴、进出料门、干燥塔、换热器、进风管等组成。如图1所示。

3.1 各主要组成部分

(1)干燥塔

由于波导型干燥腔内的磁力线比较集中,物料升温较快,特别适合片状物料的加热干燥,因此选用波导型干燥腔,设计的双层塔式微波干燥器,由304不锈钢制成,四周侧壁开有耦合口,供装反

(2)物料盛放与运动装置

在干燥塔中间设置转动轴,轴上装吊杆,吊杆挂物料托盘,用于盛放湿的菊花原料。通过电机带动转轴转动,从而带动托盘绕轴旋转运动。可根据被干燥菊花的厚度和微波功率采用变频调速。

(3)微波发生器总成

微波发生器总成主要由磁控管、波导管、高压变压器、高压二极管、高压电容器、微波炉专用电风扇、高压保险管等组成。微波发生器的功能是产生微波,根据干燥要求进行微波能量输送与分布,使菊花在微波的作用下产生高温,进而起到干燥的作用。

(4)排湿装置

干燥塔内的空气湿度是影响干燥效率的重要因素之一,因为干燥过程中不断从菊花中排出水蒸气,如果不及时把水汽从塔中排出,就会增加塔内的空气湿度,降低菊花中水分的进一步蒸发,因而降低工作效率。为提高干燥效率,应设置排湿装置,本设计采用上排式抽风机排湿装置。

(5)热风装置

由燃烧室产生的高温烟气经换热器形成热空气,热空气经进风管进入干燥室的下部,渗流透过物料层,加热物料、物料内部水分外移被蒸发带走。

3.2 工作过程

鲜菊花含水率一般在82%左右,干菊花要求含水率为18%。为达到较好的干燥效果,物料加入后,先开启微波发生器和排湿风机,使物料接受微波辐射而被加热,时间控制在大约120 s左右,含水率降至65%左右,温度从25℃升到75℃,这一过程主要进行杀青、同时除去大量的表面游离水分;然后关闭微波发生器,开启热风系统进行热风干燥,至达到要求的最终含水率。工艺流程为:

鲜菊花→微波干燥→热风干燥→干菊花

P——微波功率,60 kW

ρmax——最大功率耗散密度,常压环境的最大功率耗散密度为:106W/m3,可计算出微波谐振腔最小容积为0.06 m3

微波干燥塔是主要的干燥场所,物料盘和加热器均布置在其内部。设计时应考虑工作容积、工作压力、物料加热升温和防漏波等情况[8]。

5 结论

50kg鲜菊花接受微波辐射而被加热,时间控制在大约120 s左右,菊花含水率降至65%左右,温度从25℃升到75℃,然后关闭微波发生器,开启热风系统进行热干燥,至达到18%含水率。通过计算菊花含水率从65%下降到18%,这一过程需热耗量17000kJ/h,考虑到菊花的花瓣较薄,微波频率选用2450MHz。微波干燥法的应用日益广泛,特别是一些要求快速干燥的物料,如茶叶杀青、中草药和食品的干燥。从产品品质和干燥效率方面考虑,进行相关设计计算,选择合理的微波功率是微波干燥成功的关键。

4 主要参数计算

4.1 微波功率计算

按设计要求每批干燥菊花50 kg,干燥前菊花含水率82%。根据干燥工艺要求,微波处理2min使含水率下降到65%,温度从室温25℃升到75℃,物料干燥需耗用的微波功率为:

P=(ΔT Cm+Qm′)/(860 t)[7]

式中 ΔT——物料温升,50℃

C——菊花的比热容,0.84 kJ/(kg·℃)

m——菊花原料质量,50 kg

Q——液体蒸发潜热或汽化热,2309 kJ/kg

m′——蒸发的液体质量,24.3 kg

t——微波作用时间,2m in

计算值为:P=33.84 kW,考虑加热效率η1(一般取80%)和微波转换效率η2(一般取70%),可得微波输出功率为60 kW;同时,考虑到菊花的花瓣较薄,微波频率选用2450 MHz。

4.2 热耗量计算

根据干燥工艺要求,经微波处理后,采用热风恒温干燥,时间为2 h,使菊花含水率从65%下降到18%。这一过程需排水分为14.7 kg,需热耗量17000 kJ/h。

4.3 微波谐振腔容积计算

式中 Vmin——微波谐振腔最小容积,m3

[1]黄泰康主编.常用中药有效成分与药理手册[M].中国中医药科技出版社,1994:1565.

[2]盛蒂,郭亚勤,王旭东等.七种栽培类型菊花的植物学特征、产量及有效成分比较研究[J].中草药, 2006,37(6):914-917.

[3]汪殿蓓,曹忆,王利君.菊花干燥花制作方法研究[J].孝感学院学报,2006,26(3):5-8.

[4]张晓辛,肖宏儒,曹曙明等.利用微波—气流组合干燥技术干燥菊花的试验研究[J].农业工程学报, 2000,16(4):129-131.

[5]祝圣远,王国恒.微波干燥原理及其应用[J].工业炉,2003,25(3):42-45.

[6]税安泽,王书媚,刘平安等.微波辅助干燥技术的应用进展[J].陶瓷,2007(3):5-8.

[7]肖宏儒,王立富,曹曙明等.微波气流式干燥技术在菊花干燥中的实验研究[J].农业机械学报,2000,31 (3):120-121.

[8]徐洁昕,方红霞,朱启国,等.黄山贡菊水溶性成分的超声波强化提取工艺研究[J].包装与食品机械, 2009,27(5):103-105.

Study and Design ofM icrowave Dryer of Chrysan themum

XU Kai1,YIKe-chuan2,ZENGQi-Liang2,XU Shu-Liang2
(1.Identification Station ofAnhuiAgriculturalMachinery,Hefei230031,China; 2.Anhui Science and Technology University,Fengyang 233100,China)

In this paper,the physiological characteristic and demand of drying of Chrysanthemum were studied,the p rincip le and peculiarity ofm icrowave drying were analyzed.According to the demand of Chrysan themum drying,the integrated dryer ofmicrowave and hot airwas designed,and the main parameterswere calculated.This supp ly guaranteed for high quality,high yield and high efficiency in p rocessing Chrysanthemum.

m icrowave;hotair;chrysanthemum;drying equipment;design

book=25,ebook=198

TS203;S682.1+1

B

1005-1295(2010)06-0025-03

2010-09-14;

2010-10-18

安徽高等学校省级自然科学重点研究项目(KJ2010A075)

徐凯(1972-),男,工程师,主要从事农业机械鉴定与研究。

易克传(1969-),男,副教授,研究方向为农产品加工工艺与设备。通讯地址:233100安徽风阳安徽科技大学工学院,E-mail:yikechuan@sina.com。

do i:10.3969/j.issn.1005-1295.2010.06.007