微波干燥均匀性研究进展

王顺民，胡志超，韩永斌，顾振新,*

微波干燥均匀性研究进展

王顺民1,2，胡志超3，韩永斌2，顾振新2,*

（1.安徽工程大学生物与化学工程学院，安徽 芜湖 241000；2.南京农业大学食品科技学院，江苏 南京 210095；3.农业部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014）

微波干燥技术及其设备已在轻化工业、食品与农产品加工业等行业得到广泛应用。然而微波加热不均匀性已成为微波干燥技术在生产实际应用过程中的瓶颈。本文就目前国内外关于微波干燥均匀性的研究现状进行较全面的分析和归纳，并对这一问题进行展望。

微波；干燥；均匀性；进展

微波干燥具有干燥速度快、热效率高、清洁生产、易实现自动化控制、能保持食品营养成分和兼有杀菌作用等特点，故而微波干燥技术及其设备已在轻化工、食品与农产品加工等行业得到广泛应用。目前，开发的微波干燥设备主要有微波干燥、微波真空干燥、微波冷冻干燥、微波喷动床干燥及其微波联合干燥等相关设备。但微波干燥存在一个很大的缺点——加热不均匀[1-2]，其已大大限制了微波加热技术的广泛应用[3-5]。因此，如何改善微波加热的不均匀性是目前微波急需解决的问题。

1 微波干燥技术

微波是一种频率在0.3～300 GHz之间、波长0.001～1.0 m的电磁波。微波干燥是干燥技术研究的热点之一[1,2,5]。干燥是利用物料中具有极性的水分子吸收微波后被加热蒸发，而达到干燥[6]。微波干燥起源于20世纪40年代，60年代后国外开始应用于生产实际。干燥技术被广泛应用于工业生产和日常生活，物料中的水分或溶剂经干燥而除去，以利于加工、使用和贮运等。我国干燥设备行业从形成、发展到逐步走向成熟经历了20多年，目前已初具规模。在干燥设备类型上，主要以热风干燥、真空干燥设备为主，而微波、远红外和热泵干燥等技术的应用面逐步扩大。其中，微波干燥已用于菠菜[7]、香芹[8]、芒果[9]、猕猴桃[10]、胡萝卜[11]、南瓜[12]、辣椒[13]、紫薯[14]、苹果[15]、莴笋[16]、蘑菇[17]和芦笋[18]等食品和农产品脱水。

2 微波加热均匀性研究

微波干燥时，在磁控管馈能口位置固定后，往往会因材料的几何形状不同而在其不同区域产生“热点”[4-5,19]，导致微波加热具有不均匀性[1-2]，过热导致食品焦糊和风味恶化[6,20]，甚至危害健康[21]。微波加热不均匀性是微波干燥技术在生产实际应用过程中的瓶颈[3-5]。改变微波加热馈能口的设计，调控磁控管匹配参数和控制干燥过程从而可改善微波干燥的不均匀性。

目前，改善微波干燥不均匀性的措施主要是通过改变微波腔内电磁场的模式来提高电磁场分布的均匀性以改善微波干燥的不均匀性。微波炉加热腔中电磁场的模式依赖于微波反馈系统的设计。因此微波腔内电磁场分布的均匀性可通过合适的反馈系统的设计来改善[22]。模式的改变可以改善电磁场的分布，故而微波干燥的不均匀性被改善[5,21]。如：改变功率[23-24]、控制功率输入[25-27]、改变反馈系统[22,28]和模式搅拌[21]，尤其是磁控管位置（馈能口）的设计均可有效改善微波加热的不均匀性。

2.1 微波设备设计

2.1.1 谐振腔结构设计

微波加热器谐振腔具有多谐性，其设计原则是设计的谐振腔应具有尽可能多的振荡模式，使它们叠加后能够获得更加均匀的能量分布状态[29-30]。对谐振腔进行结构尺寸设计，可以改变微波谐振模式数。微波谐振模式数直接表征了不同频率的微波类型的数量，模式数越大，谐振波型数量越多，则微波场越均匀。在特定的谐振频率范围内，谐振模式数可以通过微波谐振腔的设计而达到最大。只要对谐振腔的结构尺寸进行合理设计就可以获得比较均匀的微波场，其成本低，操作简便，因此得到了广泛的应用[31]。

2.1.2 物料随机运动装置设计

保持物料“运动”的方式有两种，其中常见方式是在微波炉加热腔中安装转盘[32-35]。采用自动控制的转盘带着物料在谐振腔内转动或平动。这是目前最简单也是应用最多的方法，家用微波炉即采用了此设计。

保持物料“运动”的另一种方式是借助气流让物料在微波场中真“动”起来[18,36]。物料在腔体内循环“运动”，使整个物料更好地吸收微波。该方式则是近年来开始出现并被运用的新方法。颜伟强[36]研究了胡萝卜在微波喷动床干燥中的温度、水分和色泽等变化，结果表明胡萝卜在微波喷动床干燥中可以实现均匀干燥。通过红外成像温度分析，胡萝卜在干燥过程中温度均匀分布。喷动床干燥可以保证物料充分混和与有序的循环[37]，使物料在微波场中各个位置的出现机率相同，从而实现物料对微波能的均匀吸收。对微波场中不同时间和空间位置的温度变化的研究结果表明，微波喷动床的微波场温度分布特点是水平方向温度均匀而垂直方向的温度相差10 ℃[36]。Wang Yuchuan等[18]研究证实，芦笋在脉冲式喷动微波干燥场中能获得好的干燥均匀性。因此，干燥物料在微波场中保持随机运动，是微波喷动实现均匀干燥主要原因。

2.1.3 微波馈能口位置设计

微波磁控管在谐振腔中会产生多种电磁模式，每一个模式其沿坐标轴方向上功率变化都具有波函数的波动性，因此，在多模腔内功率的空间分布是不均匀的[36,38-39]。而采用波导[40]和增加馈能口的数量[22,41]、改变馈能口的分布[35,42]，均能改善微波加热的均匀性。增加馈能口数量和改变馈能口位置[22]可增加电磁场的模式数，以保证炉内微波场强分布的均匀性。研究结果证实不同位置的3 个磁控管分别进行加热时，微波加热均匀性不同且效果均较差。微波加热均匀性随物料在加热腔中空间位置的改变而变化[43]。

加热器内的模式多少与加热的均匀性是密切相关的。模式越多电磁场分布结构就越多，被加热物得到的能量也就越均匀，因此模式越多越好。通过控制微波功率输入的方式和大小来改善微波干燥的均匀性是切实可行的[6]。增加磁控管的数目和改变馈能口的位置改变了波导的输出模式[44]，故可以改善微波加热的均匀性。Jeni等[41]证实馈能口不对称分布比对称分布时，加热更加均匀。另外，微波加热箱体内可能存在多种模式，各种模式能否被激发，还要考虑微波源与箱体耦合口的位置。如耦合口附近的激励场和箱体内模式场的性质相一致时就能激发，反之，则不能激发或场强很弱。改变微波源与箱体耦合口的位置，使之能保证更多的模式被激发。在多磁控管工作下，干燥腔体中总场强分布为各耦合口辐射场强分布的迭加，因此其合成场强分布均匀性得到了提高[45]。颜伟强等[36]研究证实，增加微波馈能口可提高微波干燥的均匀性。而Duan Xu等[46]在微波冷冻真空干燥装置中采用3个磁控管将微波输入谐振腔，从而获得分布均匀的微波场。

在谐振腔周围不同方位上增加馈能口数量，合理设计馈能口位置或增加微波能的馈入量虽然可以增加腔体内微波场的强度，加快干燥速度。但是微波馈能口位置设计如果不合理则会导致微波能量集中，使物料的边缘部出现焦糊、硬壳。另外，增加微波能的输入则需要更多的微波源，其成本必然会增加[31]。

2.2 微波电磁场模式控制

安装模式搅拌器[47-50]、采用不同频率的微波源[51]、优化模式[44]和安装运动的微波辐射器[52]等方法均能够直接改变微波电磁场模式，以上措施均已被广泛用于改善微波加热的均匀性。通过增加谐振腔长度可增加等宽高矩形谐振腔的谐振频率模式数目，也可提高微波场均匀性[42]。

2.3 微波干燥过程控制

控制干燥过程如调控加热时间[23,53]或在干燥后期降低微波功率可改善微波加热均匀性。微波加热后期物料含水量降低，若一直保持原有的功率水平则导致加热腔内功率密度过高，造成过大的内应力而使加热物料被损坏甚至焦糊[27]。为了避免物料被烧焦，前人研究采用固定功率-开关间歇操作[25]和脉动微波加热[54]的方式控制微波功率输入以改善微波加热的均匀性。Sunjka等[55]证实通过功率开-关脉冲模式控制越橘的微波加热，加热均匀性好，产品复水性好。Li Zhengfu等[28]采用三步控制功率的间歇干燥方法降低苹果的干燥速率[56]，避免功率过大导致物料温度过高而焦化。

2.4 微波施加方式控制

采用多口馈入、馈入口交错排列和不对称布置可改变微波加热腔中的谐振模式数，同样能够改善微波加热的不均匀性。王海鸥等[57]研究表明，微波源采用多口馈入和馈入口交错排列均能够改善微波真空冷冻干燥的均匀性。微波源双反馈设置要比单反馈设置具有更好的均匀性[41]。增加馈能口数目也能够改善微波加热的均匀性[33]。研究证实不同位置的任意两个磁控管组合加热，均匀性要优于单个磁控管的，而3 个磁控管功率匹配后加热均匀性明显优于两个磁控管的[43]。说明馈能口位置影响微波加热均匀性，馈能口数量的增加可改善微波加热的均匀性。多馈能口的磁控管功率匹配是改善微波加热均匀性的一种有效途径。

2.5 其他控制方法

微波加热过程中物料干燥是否均匀除受微波腔中电磁场（微波场）分布的影响外，还受物料本身的性质[58]、形状[59]、大小[4]和介电特性等因素的影响[4,60]。微波加热时，电场强度的不均匀度会随介电常数增大而增大[61]。而加热过程中物料介电常数的变化却能实现微波能量的自动平衡分配[62]。在频率和电场强度一定的条件下，物料干燥过程中吸收微波能的多少主要取决于物料的介质损耗因子。对干燥过程中胡萝卜在不同温度与含水率下的介电常数与介电损耗因子的变化的研究结果表明，胡萝卜的介电损耗因子随其温度升高与含水率降低而降低[36]。在微波干燥过程中，物料由于自身介电常数变化存在一种自动平衡能量现象，这是微波加热干燥物料所固有的特点，因此微波加热的自平衡性同样也能提高微波干燥的均匀性。另外不同形状的加热腔，均匀性也不同。但是，微波场的分布随着物料的放入与干燥过程的进行不断发生变化。因此，仅改变微波场的均匀性并不足以改善微波干燥的均匀性。

3 结 语

微波加热具有不均匀性，由此影响微波干燥技术在食品及农产品加工领域中规模化应用。目前微波加热均匀性的研究中，大都是采用传统的物料在微波场中旋转或移动的方式，这些物料在微波场中二维式的运动无法从根本上克服微波加热的不均匀性问题。

目前，已有许多研究者采用计算机模拟技术对微波干燥进行模拟和过程优化，为微波干燥不均匀性的改善寻找新的途径。该问题是否能在多馈能口的基础上，结合计算机系统建模技术来进行控制和实现，尚需研究者们继续去探索和实践。

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A Review of the Application of Microwave Drying: Improvement of Heating Uniformity

WANG Shun-min1,2, HU Zhi-chao3, HAN Yong-bin2, GU Zhen-xin2,*
(1. College of Biological and Chemical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China; 2. College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 3. Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Microwave drying technology and related equipment have been widely applied in light industries such as food and agricultural product processing. However, the non-uniformity of microwave heating has become one of the bottlenecks for the application of microwave drying technology. This paper provides a comprehensive review of the current status of studies on microwave drying uniformity in China and abroad. Furthermore, future research directions on this topic are discussed.

microwave; drying; uniformity; application

TQ051.5

A

1002-6630（2014）17-0297-04

10.7506/spkx1002-6630-201417056

2013-09-12

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2011AA100802）

王顺民（1975—），男，副教授，博士，研究方向为农产品加工与利用。E-mail：Wangshunmin@126.com

*通信作者：顾振新（1956—），男，教授，博士，研究方向为农产品贮藏加工及原料品质。E-mail：guzx@njau.edu.cn