高压电场中蔗糖溶液的蒸发特性

李云祥等

摘要

[目的]为进一步研究高压电场中蔗糖溶液的蒸发特性和机理。[方法] 在高压电场中，以不同浓度蔗糖溶液为研究对象，进行电压、电极间距、电场类型等参数对蒸发速度的试验研究，同时进行在针-板电极中间放绝缘板阻挡和不放绝缘板的对比试验研究。[結果] 高压电场可以提高蔗糖溶液的蒸发速度；在低浓度下，蔗糖浓度对蔗糖溶液蒸发速度的影响极小；蒸发速度与电压极距有关，极距越小，蒸发速度越大；交流电压下蔗糖溶液的蒸发速度明显高于直流电压下；在无绝缘板阻挡的条件下蒸发速度明显高于阻挡条件下的。[结论] 这为探索高压电场干燥特性和机理提供新的实验理论上的线索和依据。

关键词高压电场；蔗糖溶液；蒸发速度

中图分类号S509.3；TS205文献标识码A文章编号0517-6611（2015）21-011-04

基金项目内蒙古工业大学2014年度“大学生创新实验计划”项目（2014025）。

作者简介

李云祥（1993-），男，内蒙古呼和浩特人，本科生，专业：电子信息科学与技术。*通讯作者，副教授，博士，从事电流体动力学干燥和电场生物效应方面的研究。

收稿日期20150527

由于许多农产品、蔬菜、水果等物料保存期较短，需要对它们进行干燥处理。在干燥过程中，物料内部糖的含量对干燥效果起非常大的影响。含糖量高的物料如枸杞、葡萄等很难干燥，干燥速度慢且耗能高；而含糖量低的物料如胡萝卜、甘蓝等则很容易进行干燥，干燥速度快且耗能较低。由此可知，研究糖的干燥特性是非常有意义的。

目前常用的方法主要是常压热风干燥法。该方法干燥时间长，耗能高，成本高，色泽差，而且使物料营养成分受到损失，外观不尽人意。真空冷冻干燥对物料的外观、形状、保留营养成分等基本上无可挑剔，但是其高额的设备、运费相对产量较低。所以，研究新的干燥技术势在必行。

高压电场干燥技术（又称Electrohydrodynamic （EHD））是一种新型的干燥技术。它是通过将被干燥物料放在下极板上，然后给上极板（平板、针状、线状等不同形状的电极）加一定幅度的直流电压或交流高电压，在两电极间形成电晕电场以实现物料干燥。在高压电场中，水的蒸发速度加快4.0～8.5倍[1]。Chen等[2]报道了在针-板电极组成的电流体动力学系统中不同厚度的土豆片的干燥特点。在单个针-板电晕场中，2～4、8 mm厚土豆片的平均干燥速度分别是相应对照组干燥速度的2.5倍和2.1倍，且对产品质量无负面影响。Lai等[3-4]对针状电极和线状电极的EHD干燥进行研究，发现这两种形状的电极都能提高干燥的速度，且针状电极的干燥效率好于线状电极。该技术近年来已被越来越多地应用于粮食、生物制品、水产品等热敏性物料的干燥中[5-9]，且都取得较满意的结果。有些学者对高压电场干燥机理进行了初步的研究与探索。Hashinaga等[10]认为，高压电场干燥的机理主要是由于高压电场产生的离子风外部吹动作用加速了物料的干燥。白亚乡等[11]从部分试验出发，认为高压电场产生的离子风对被干燥物料的冲击作用是导致其干燥速度加快的主要原因。这些研究在某些领域较细致和系统，但各种因素（电压大小、电场类型、电极间距、电极形状等）对干燥效果影响的研究还不够完善；同时，干燥机理的研究也还不够深入和完善。

以高压电场中不同浓度蔗糖溶液为研究对象，笔者研究了电压大小、电场类型、电极间距、电极形状等因素对不同浓度蔗糖溶液蒸发速度的影响，为进一步研究高压电场干燥特性和机理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料及装置

蔗糖（超市购买）；赛多利斯BS124S电子天平（德国）；高压电场干燥试验装置见图1，主要由YD（JZ）1.5/50型高压电源（武汉）、KZX1.5KVA型控制柜（武汉）和电场系统组成。电场系统由两个极板组成，其中下极板为平板（84 cm×44 cm），接地；上极板为多针电极（64 cm×40 cm，针状电极用不锈钢金属丝链接，针长2 cm，针与针之间距离在横向和纵向上都为4 cm），接高压电源；在试验过程中，将物料放到下极板上。上下极板之间用绝缘柱支撑，可以通过改变长短来改变上下极板之间的距离。在物料上面可以加上绝缘挡板来阻挡离子束。

1.2试验方法

1.2.1

在蔗糖溶液蒸发速度试验中电压参数的设定。

配好浓度为15%的蔗糖溶液以备进行蒸发试验。向直径为100 mm的玻璃培养皿中放入等量的蔗糖溶液，分别放在直流和交流（50 Hz）高压电场下进行蒸发试验，上极板采用针状电极，上下电极间距离为100 mm（针尖到下极板距离），电压取值分别为0、5、10、15和20 kV，每隔20 min用赛多利斯BS124S电子天平测定样品质量。

1.2.2

不同类型的电场对蔗糖溶液蒸发速度的影响。

将直径为100 mm的玻璃培养皿放入等量浓度为15%的蔗糖溶液，放在直流和交流高压电场下进行蒸发试验，上极板为针状电极，上下电极间距离为100 mm（针尖到下极板距离），电压采取20 kV，每隔20 min用赛多利斯BS124S电子天平测定样品质量。

1.2.3

相同电压在蔗糖溶液蒸发速度试验中蔗糖浓度参数的设定。将直径为100 mm的玻璃培养皿放入等量的蔗糖溶液，上极板采用针状电极，上下电极间距离为100 mm（针尖到下极板距离），电压取值分别为直流20 kV和交流20 kV。蔗糖溶液浓度分别为0、5%、10%、15%、20%、25%进行蒸发试验，每隔20 min用赛多利斯BS124S电子天平测定样品质量。

1.2.4

极距对蔗糖溶液蒸发速度的影响。将直径为100 mm的玻璃培养皿放入等量浓度为15%的蔗糖溶液，分别放在直流和交流高压电场下进行蒸发试验，电压采取20 kV，上极板为针状电极，上下电极间距离分别为50、75、100 mm（针尖到下极板距离），每隔20 min用赛多利斯BS124S电子天平测定样品质量。

1.2.5

绝缘挡板对蔗糖溶液蒸发速度的影响。将直径为100 mm的玻璃培养皿放入等量浓度为15%的蔗糖溶液，放在交流高压电场下进行蒸发试验，其中一部分样品上面加绝缘阻挡物，另一部分样品不加，上极板为针状电极，上下电极间距为100 mm（针尖到下极板距离），电压采取20 kV，每隔20 min用赛多利斯BS124S电子天平测定样品质量。

1.3指标测定与方法

试验在温度为20～25 ℃，相对湿度为30%±5%，周围风速为0 m/s的自然环境中进行。蒸发速度的定义为：

vi=mi-1-miS（ti-ti-1）

（1）

式中，mi为ti时刻物料的质量；S为培养皿的横截面积。

2 结果与分析

2.1电压大小对相同浓度蔗糖溶液（15%）蒸发速度的影响

从图2和图3可以看出，在交流或直流电场的作用下，15和20 kV高压电场能够明显地提高蔗糖溶液的蒸发速度，且电压高时蒸发速度快；在5、10 kV时，高压电场对蔗糖溶液蒸发速度相比对照组影响不大。

2.2交流和直流电压对蔗糖溶液蒸发速度的影响

从图4可以看出，交流电场下蔗糖溶液的蒸发速度明显高于直流电场。在100 min内交流电场下蔗糖溶液的蒸发速度为直流电场下的1.95倍。

2.3 相同电压对不同浓度蔗糖溶液蒸发速度的影响

從图5可以看出，当浓度在0～25%范围内，高压电场中浓度对蔗糖溶液蒸发速度的影响不大，交流电场下蔗糖溶液的蒸发速度明显高于直流电场。

2.4不同的极距对蔗糖溶液蒸发速度的影响

从图6可以看出，随着极距的降低，蒸发速度加快，蒸发速度与极距呈增函数关系；随着极距的加大，蒸发速度越来越小，交流电场下蔗糖溶液的蒸发速度明显高于直流电场。

2.5 加绝缘阻挡板对蔗糖溶液蒸发速度的影响

从图7和图8可以看出，在无绝缘挡板条件下的蒸发速度明显高于有绝缘板条件下的。在100 min内，交流电场作用下无绝缘挡板条件下蒸发速度是有绝缘板条件下的2.77倍；在直流电场作用下无绝缘挡板条件下的蒸发速度是有绝缘板条件下的2.06倍。

3结论与讨论

对于高压电场的干燥机理，在学术界一直没有定论。多数研究者认为，电流体动力学干燥的机理主要归功于电场引起离子风，在外部离子风的吹动下带走物料表面的水分，起到加速水分蒸发的作用[10]。在多针-板电极系统下，每个针状电极都产生离子风，从而经过积累后干燥速度得到更好的提高[12]，且针电极的正下端离子风最强[13]，起到的效果也最好。在5、10 kV时电场强度较低，不太可能产生离子风，而在15、20 kV时电场强度较高，有可能产生离子风。离子风在蔗糖溶液蒸发过程中起很大的作用。电场强度越高，产生的离子风越强，蒸发速度越大。改变极距，就改变电场强度，也就改变离子风，从而影响蒸发速度。笔者用绝缘阻挡板进行了验证试验。研究表明，绝缘阻挡板挡住了电场中的离子风，此时蔗糖溶液的蒸发速度明显下降。

绝缘阻挡板挡住了高压电场中的离子风，蔗糖溶液的蒸发速度比对照组的还要高，且交流电场下的蒸发速度高于直流电场作用。这显示在高压电场干燥过程中除了离子风以外，还有其他因素起到加速水分蒸发的效果。水分子是极性分子。水分子之间除范德华力外，还可由弱的氢键结合为大的水分子团。水分子团的这种构造是一种动态结合，其稳定存在时间只有10-12s左右，不断有水分子加入某个水分子团，又有水分子离开水分子团。在室温中，一般水的分子团大小为30～40个水分子。在电场作用下水分子会发生极化分子取向，吸收一定的电场能量，促进水分子中氢键的断开，使分子团变成单个的水分子，减小单个水集团的体积，加速水分子的移动，从而提高物料中水分子的蒸发。

在交流电场作用下蔗糖溶液的蒸发速度明显高于直流电场作用。由于直流电场作用下电场方向不随时间变化，而交流电场作用电场方向随时间而不断改变。电场作用下水分子近似为一组方向各异的电偶极子，直流电场作用不会对偶极子的质心运动做功，但可以使偶极子转动为电场方向，吸收一定的电场能量；交流电场作用可以使偶极子持续转动，吸收的能量更多一些。这也许是交流电场下的蒸发速度高于直流电场下的一个原因。对高压电场中蔗糖溶液蒸发特性的研究，可为进一步研究高压电场干燥特性和机理研究奠定基础，提供新的试验理论上的线索和依据。

参考文献

[1]

BARTHAKUR N，ARNOLD N.Evaporation rate enhancement of water with air ions from a corona discharge[J].International Journal of Biometeorology，1995，39（1）：29-33.

[2] CHEN Y，BARTHAKUR N N，ARNOLD N P.Electrohydrodynamic （EHD） drying of potato slabs[J].Journal of Food Engineering，1994，23（1）：107-119.

[3] LAI F，WONG D.EHDenhanced drying with needle electrode[J].Drying Technology，2003，21（7）：1291-1306.

[4] LAI F，LAI K W.EHDenhanced drying with wire electrode[J].Drying Technology，2002，20（7）：1393-1405.

[5] CAO W，NISHIYAMA Y，KOIDE S，et al.Drying enhancement of rough rice by an electric field[J].Biosystems Engineering，2004，87（4）：445-451.