微波热泵联合干燥机的设计与试验研究
2016-03-23王教领宋卫东王明友吴今姬
王教领，宋卫东，王明友，吴今姬
(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)
微波热泵联合干燥机的设计与试验研究
王教领，宋卫东，王明友，吴今姬
(农业部南京农业机械化研究所，南京210014)
摘要：为了解决农产品干燥过程中能耗高、品质差等问题，研制了一种微波热泵联合干燥机，对该机的整机结构、工作原理和关键部件做了介绍分析，并以金针菇为原料进行了微波热泵联合干燥机的最佳干燥工艺探究试验。试验表明：在微波功率13.3kW、热风温度65℃、传送带转速0.6m/s时，干燥后的金针菇含水率12.37、复水比3.124、色差81.8，满足干燥要求且优于其他组合。该研究可为微波热泵联合干燥机的研制及金针菇的干燥提供参考。
关键词：微波；热泵；干燥；金针菇
0引言
我国农产品的干制技术落后，与发达国家差距较大，主要表现在干燥能耗高及干燥品相差等方面。目前，传统干燥一般采用热风与电加热等，耗能很大，营养流失和品质下降严重[1-4]。热泵干燥与传统热风相比，物料表面水分的蒸发速度与内部向表面扩散的速度接近，物料表面不易变硬、变形，干燥质量好，其干燥方向为由外向内[5-8]。微波干燥通过高频电磁波使得物料分子高速碰撞，由于物料中的水分介质损耗较大，能大量吸收微波能并转化为热能，同时在物料表面，由于蒸发冷却的缘故，使物料表面温度略低于里面的温度，形成压力梯度，因此物料由内向外干燥[9-12]。微波热泵联合干燥则结合了二者的优势，内外均匀干燥，既可以分段干燥也可以同时干燥，具有干燥时间短、品质好、能耗低的优点[13]。关志强[14]等研究了罗非鱼片热泵-微波联合干燥工艺。宋杨[15]等人研究了海参的微波热泵联合干燥工艺，试验采用热泵与微波真空联合的方式对海参进行干燥，并与单纯热泵干燥的试验进行了对比。马国远[16]等人对热泵微波联合干燥系统进行了研究，分析了空气旁通率、压缩机转速及空气质量流量等主要设计及运行参数对干燥性能的影响。在近几年的文献中，介绍微波热泵联合干燥工艺的较多，但针对机器系统结构及控制系统的设计阐述不多，且采用微波热泵联合干燥金针菇的文献也未见报道。为此，对研制的微波热泵联合干燥设备的结构与控制系统进行分析，并以金针菇为原料进行了烘干实验，从而为微波热泵联合干燥机的设计及金针菇的干燥提供参考。
1整机设计与工作原理
1.1 整机结构
热泵微波联合干燥机由微波干燥装置与热泵干燥装置组合而成, 如图1所示。热泵干燥装置由热泵本体与进出风道组成。泵体由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀和管道等组成。
微波干燥装置由机架、微波电源、微波发射装置、物料传送动和控制柜等组成。其中，微波发射器的腔体是封闭的，在腔体后面上设有散热进风口，前面设有出风口，在腔体内均匀装有4排共24组微波电源，并设有24组微波电源电流表便于观察电源的工作状态。同时，在腔体前面还设有封门，封门上设有观察孔，可以观察到传送带上物料的情况，如果出现异常，关掉微波打开风门可以对物料及时进行处理。在程序上对封门设置了保护装置，开启微波之前必须关门封门，在工作过程中若打开风门则微波自动关闭，确保工作安全。在进出料的两端设有微波抑制器防止微波泄露。热泵产生的热风利用热风进风风引通过热风进风管送到烘干隧道内，并通过回风风机的回风管道回风。控制柜中设有微波开启与关闭等开关，并且针对24组微波电源单独设置了24组开关，可以根据需要选不同的组合满足不同的功率要求。
1.机架 2.出料口 3.热风回风管道 4.回风风机 5.泵体 6.热风进风风引 7.热风进风管
1.2 工作原理
物料干燥时，首先启动热泵，当热风温度升到设定温度时，启动物料传送带，并在传送带上均匀摆放物料；当物料到达第1排微波发射装置位置时，启动6个微波发生器中的若干个进行微波干燥，按此顺序逐个开启另外3排；当结束放料时，为了使最后放入的物料可在微波开启的情况下通过整个通道，同时不至于损坏传送带，需要在放完物料后在传送带入口处铺入一条湿布，湿布随传送带进入干燥隧道；湿布的长度不小于隧道的长度，当最后放入的物料通过第4排微波发生装置位置时，关闭设备。另外，也可以采取先开热泵一段时间再开微波等分段干燥方式。物料在隧道中干燥时，微波渗透到物料内部，由内向外对物料干燥，同时热风对物料由外向内进行干燥，即可完成对物料的快速干燥。
2关键部件设计
2.1 微波分布及功率确定
微波干燥功率是联合干燥机的重要指标。微波加热作用对象是水，所以一般微波温度最多升到100℃，而干燥的果蔬和食用菌等其比容在3.5kJ/(kg·℃)左右，鲜品含水率较高，特别是草菇等食用菌一般达到90%以上。根据生产要求，本设备生产率是15kg/h。同时，微波转化和本身的元器件工作也要消耗一部分电能。综合以上分析，计算得出微波总功率为20kW。为了实现均匀加热，采用由24组微波电源独立控制24组微波发射装置，利用小功率多口馈入方式，均匀分布于干燥隧道上方。微波电源选用福建高奇CMP100FN120，通过指示灯或者输出信号及时了解电源的工作状态，其功率调节范围200～1 500W；磁控管选择松下2M210-M1，单只功率为0.9kW，配有SUNON DP200A散热风扇，每只磁控管由断路器控制可独立启闭，排布如图2所示。
图2 磁控管分布
物料加热所需要的微波功率为
(1)
物料干燥所需要的微波功率为
(2)
式中P—物料干燥所需要的微波功率(kW)；
△T—物料的温升(℃)；
C—物料的比热(kJ/kg·℃)；
W—物料的质量(kg)；
t—微波作用的时间(h)；
Q—水分蒸发潜热,取Q=540kJ/kg；
η—微波吸收效率，取η=0.7。
微波干燥器的总功率为
(3)
式中P'—选择的微波干燥器的功率(kW);
P—计算得到的微波功率(kW)，P=P1+P2；
η—物料的微波吸收效率。
微波干燥隧道内部需要装有温度传感器供给微波干燥系统进行检测分析，但传统的热电阻、热电偶等测温手段在微波场中因信号干扰、低压放电等原因而无法获得应用[17]。光纤测温以光线为纯介质材料,从根本上解决了微波场带来的影响，具有抗电磁干扰、体积小、质量轻、测温精度较高等优点[18]。因此，系统采用荧光式光纤测温装置对干燥过程中的物料进行实时监测。控温系统在检测隧道温度的同时，可以对微波最高工作温度进行设定，避免温度过高损坏元器件。
2.2 微波抑制器的设计
该微波热泵联合干燥机为使物料能够连续地在传送带上传输，设有进料口与出料口，但微波会随出入料口而泄露。目前，常用的防止微波泄露的方法根据其原理大致可分为电抗性泄露抑制器、电阻性泄露抑制器和屏蔽性泄露抑制器，而屏蔽性泄露抑制器不适合隧道式干燥。电阻式泄露抑制器借助于耗散性衰减材料，吸收各种模式的微波。电抗性泄露抑制器可对微波的几种主要传输模式进行抑制，抑制性较好。因此，本设备的抑制器采用前端1/4长波导槽抑制，后端采取以石墨为吸附原料的电阻性抑制器[19]。微波抑制器如图3所示。
1.石墨 2.传送带 3.微波抑制器
本设计采用1/4长波导槽抑制器。对于矩形波导，其不同模式的截止波长为
(4)
式中a—输入、输出口界面尺寸的宽度；
b—输入、输出口界面尺寸的长度。
输入、输出通道中所能传输的各模式的波导波长λgmn为
(5)
试验中采用频率为2 450MHz的微波，则λ0为
(6)
设计的物料出入口的尺寸为420mm×130mm，计算对应的各模式波长的相关参数如表1所示。
表1波导中各模式相应的波长数值
Table 1The corresponding wavelength values of each mode in the pilot
mm
由表1可知：合理的波导槽应小于40mm。这样既可以抑制主要模式的波导， 也使得进出料口的尺寸在合理范围。对于没有完全抑制的其他模式的微波，能利用石墨吸收掉。
2.3 热泵控制系统
热泵干燥原理：制冷剂在蒸发器中吸收空气中的热量气化，经空压机压缩后变成高压高温气体，经过冷凝器液化，同时将热量传给干燥隧道中供物料干燥；冷凝后的常温高压液体再经过膨胀阀减压后重新回到蒸发器中吸热气化，从而完成循环。在进风与回风处装有2个风机促进热风流动加速干燥。本热泵系统(见图4)在热风进风与回风管道及干燥隧道中部处分别设有3个温湿度传感器和风量传感器，用于采集数据。采用FX2N-64MR作为控制器，并通过PID与模糊控制结合的方式在确保功率要求的情况下使机器在最节能模式下运行。
1.压缩机 2.冷凝器 3.电辅助加热 4.进风风机
3性能试验
为了研究微波热泵联合干燥机的工作性能，利用金针菇为原料进行干燥试验。
3.1 仪器、设备与试剂
微波热泵联合干燥机(自行研制)；DHG-9070A 型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；康光SC-80C全自动色差计(上海志幸科学仪器有限公司)；HH-4恒温水浴锅(常州智博瑞仪器制造有限公司)；BSA224S电子天平(广州市深华生物技术有限公司)；柠檬酸；亚硫酸钠；抗坏血酸。
3.2 试验方法
试验地点选在江苏省溧阳市龙潭林场内，金针菇购买自丹阳市江南食用菌有限公司。选取质量好的金针菇，进行漂烫与护色处理待用。开始干燥时，先开启热泵装置并调好温度，待温度升到设定温度时，开启微波传送带并开始将金针菇均匀的铺在传送带上；当传送到微波发射装置位置时开启对应微波开关，结束放料时铺入一条湿布，直到所有金针菇出料后关闭微波和热泵，取出湿布，取样待测。成分测定方法如下：
1)水分。水分的测定按 GB/T 5009.3-2003食品中水分的测定中直接干燥法。
2)复水比。产品复水性能用复水比表示，为产品在复水一定时间后的质量与复水前质量之比，计算公式为
RR=Mf/Mg
其中，RR为复水比；Mf为产品复水沥干后的质量(kg)；Mg为复水前产品的质量(kg)。
试验时，取干燥后并称量的一定质量的样品放入 40℃恒温的蒸馏水中，恒温保温30min后，取出沥干20min，并用吸水纸拭干表面水分，称质量。每组进行3次平行试验，结果取平均值。
3)色差。色差计的L值表示物料色泽的明暗度。L=0 表示黑色，L=100 表示白色。L值大，颜色白，褐变程度低；L值小，颜色暗，褐变程度高。为避免不同金针菇产品及同一产品不同部位褐变不均匀，本试验对每个处理组均抽取10个样品测试，每个产品取不同部位测试(每个样品测 6 处，上下两表面各测3处)，每个处理组检测 60 次，最后取其平均值作为这个处理组的色差值[20]。
3.3 正交试验及结果分析
对于前期的单因素试验，分别考察3个不同水平的微波功率、热风温度、传送带转速对试验指标的影响。在此基础上，确定本试验的3个试验因素微波强度 A、热风温度B、传送带转速C的水平范围，以含水率Y1、复水比Y2、色差Y3为试验指标。其中，微波开16组是每排开4组，微波开20组时每排开5组。试验数据采用mintabv15.1进行分析与统计。正交试验及结果分析如表2～表4所示。
表2 正交试验因素水平编码表
表3 试验方案及结果
续表3
Y1为烘干后的含水率(%)；Y2为复水比(%)；Y3为色差(NBS)。
表4 金针菇烘干指标方差分析
P<0.01(极显著)，0.01
极差分析(表3)表明：含水率各试验因素水平的较优组合是A1C3B2，因素主次影响顺序是微波功率>传送带转速>热风温度；复水比各实验因素水平的较优组合是C3A1B3，因素主次影响顺序是传送带转速>微波功率>热风温度；色差各实验因素水平的较优组合是A1C3B1，因素主次影响顺序是微波功率>传送带转速>热风温度。方差分析表明：3个试验指标在95%的置信度下，微波功率与传送带转速均影响显著，而热风温度影响不显著。综合极差与方差分析可知在3个试验指标中其试验因素的影响主要是微波功率与干燥时间，原因可能是因为干燥时间较短、热风温度不高，热风的作用只是将金针菇表面的水分蒸发吹走，而起到主要干燥作用的应该是微波。
3.4 各因素的综合优化
本试验3个指标影响因素的主次顺序不同，各指标影响因素较优组合的水平也各不相同，故采用模糊综合评价方法对试验结果进行分析[21-23]，选出使性能指标都尽可能达到最优的参数组合。为消除3个评价指标量纲和数量级不同的影响，需对含水率Y1、复水比Y2和色差Y3进行处理，转换为指标隶属度值。Y1为偏小型指标，Y2、Y3为偏大型指标，因此根据式(7)、式(8)建立其隶属函数，得出指标Y1、Y2、Y3隶属度值r1n、r2n、r3n，如表5所示。隶属度值构成模糊关系矩阵rn为
(7)
(8)
(9)
9次试验中的含水率均低于安全含水率13%，全部满足对含水率的控制要求，因此综合权衡分配权重比为P=[0 0.550.45] ，由模糊矩阵Rr与权重分配集P确定模糊综合评价值集W，W=P·Rr。综合评分结果见表5中Wx列。
综合评分极差分析(见表6)表明：各因素的最优组合为C3A1B3，因素主次影响顺序是传送带转速>微波功率>热风温度；综合评分方差分析(见表7)表明：传送带转速与微波功率对综合评分影响显著，而热风温度不显著。当选择参数为热泵功率为13.3kW、热风温度65℃、传送带转速0.6m/s时，试验表明：优选后的金针菇干燥后含水率为12.37，复水比为3.124，色差为81.8，达到干燥要求，其复水比与色差均优于其他组合。
表5 综合评分结果
表6 综合评分极差分析
表7 综合评分方差分析
续表7
4总结
1)设计了一种微波热泵联合干燥机，确定了微波总功率20kW。微波馈口均匀分布于干燥隧道上，在保证物料正常进出的情况下要求波导槽应小于40mm。同时，根据微波的物理特性选择荧光式光纤测温装置测量隧道温度，设计的热泵干燥装置具有模糊控制与PID调节功能。
2)以金针菇为原料进行了热泵微波联合干燥试验，选取微波功率、热泵风温和传送带转速3个试验因素，通过9组正交试验研究与含水率、复水比与色差3个试验指标之间的关系。
3)运用模糊评价法消除指标影响因素的主次顺序不同的影响，通过极差与方差分析表明：热泵功率为13.3kW、热风温度65℃、传送带转速0.6m/s时，金针菇干燥后含水率12.37，复水比3.124，色差81.8，达到干燥要求，且复水比与色差均优于其他组合。
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Abstract ID:1003-188X(2016)12-0161-EA
The Design of Microwave Heat Pump Drying Machine and Experimental Research
Wang Jiaoling, Song Weidong, Wang Mingyou, Wu Jinji
(Nanjing Research Institute for Agriculture Mechanization， Ministry of Agriculture,Nanjing 210014, China)
Abstract：In order to solve the high energy consumption and poor quality problem of the agricultural products in the process of drying, The structure, working principle and key components of the machine are introduced. and take mushroom as raw material to explore the best dry process of microwave heat pump drying machine。The experiment results show that the microwave power 16kW, hot blast temperature 65℃, the conveyor belt speed 0.6 m/s, the moisture content of dried lily flowers 12.37, rehydration ration 3.124, color 81.8, meeting the needs of dry request and is superior to the other combination, the paper for the development of microwave heat pump drying machine and needle mushroom dry to provide the reference.
Key words：microwave; heat pump;dry; needle mushroom
中图分类号：S226.6
文献标识码：A
文章编号：1003-188X(2016)12-0161-07
作者简介：王教领(1988-)，男，安徽六安人，实习研究员，硕士研究生，(E-mail)kclwjl@126.com。通讯作者：宋卫东(1965-)，男，江苏泰兴人，研究员，硕士生导师，(E-mail)songwd@163.com。
基金项目：中国农业科学院科技创新工程项目(2015)；国家食用菌产业技术体系项目(CARS-24)；农业废弃物基质化高效循环利用关键技术与装备应用研究项目(BE2015726)
收稿日期：2015-11-18
