筒子纱微波负压干燥试验研究

牛颖杰, 袁晨旺, 陈 革, b

(东华大学 a. 机械工程学院; b. 纺织装备教育部工程研究中心, 上海 201620)

筒子纱微波负压干燥试验研究

牛颖杰a, 袁晨旺a, 陈 革a, b

(东华大学 a. 机械工程学院; b. 纺织装备教育部工程研究中心, 上海 201620)

介绍了所开发的微波负压干燥设备的工作原理, 并利用其以筒子纱为干燥对象进行干燥试验， 分析了在微波负压干燥过程中, 筒子纱直径对干燥速率及干燥温度的影响, 并通过温度-干燥曲线分析干燥温度的变化趋势, 对筒子纱微波负压干燥工艺的产业化应用提供了参考.

筒子纱; 微波负压干燥; 干燥时间; 干燥效率

在纺织加工流程中, 染色纱线(筒子纱)存在若干湿加工环节, 因此需要采取干燥工序去除多余水分[1].传统干燥工序中, 为防止高温造成某些纱线变性, 影响纱线的各项性能, 通常干燥温度保持在90 ℃以下, 并采用热风烘干, 但其存在干燥效率低、能耗高等诸多缺点[2].

微波负压干燥技术作为一种新型的干燥技术, 其具有高效节能、便于控制、干燥效果好、经济效益显著等诸多优点[3], 特别适用于热敏性物料的低温脱水、干燥、萃取、浓缩、膨化, 将微波负压干燥技术应用于纱线的干燥工作中, 能够有效缩短湿加工时间, 提高生产效率[4].

本文采用微波负压干燥技术, 对不同直径的筒子纱进行干燥试验, 研究筒子纱直径对干燥时间、干燥温度的影响规律, 为微波负压干燥技术在纺织业的应用发展提供参考.

1 微波负压干燥原理及设备

微波干燥采用介质损耗原理.物料介质由极性分子与非极性分子组成, 在微波电磁场作用下, 极性分子从随机分布状态转为依照电磁场方向进行取向排列, 排列以每秒数十亿次的频率不断变化, 造成分子间碰撞摩擦, 从而产生热量[5].微波加热是介质材料自身损耗电场能量而发热的.水分子呈强极性, 其介电常数高达78.54, 是吸收微波的最好介质.含水分子的物质都可吸收微波, 电磁场中绝大部分能量均被物料中的水分子吸收.

在负压状态下, 随着真空度的提高, 水分或其他湿介质沸点会降低, 当物料中水分大量吸收微波能, 达到对应的饱和温度时, 水分或其他湿介质就会激烈地汽化.沸点的降低加大了湿物料内外的湿推动力, 加速了水分或其他湿介质由湿物料内部向表面移动和由表面向周围空气散发的速度, 从而加快了干燥过程.同时, 在物料表面, 由于蒸发冷却, 使物料表面温度低于内部温度, 且由于物料内部产生热量, 以致内部蒸汽迅速产生, 形成了温度梯度和湿度梯度, 加速了水分从物料内部向表面迁移, 从而实现干燥目的.

微波负压干燥技术综合了微波干燥与负压干燥的优点, 通过特制的设备, 即可实现微波负压干燥高速高效、节能降耗的特性, 因而具有广阔的应用前景.

从2000年开始，在水利部的部署下，长江委组织流域内各省（自治区、直辖市）开展长江片水功能区划。2002年2月，长江片水功能区划成果通过了水利部组织的审查，其内容纳入《中国水功能区划》，由水利部颁布试行。水功能区划的实施标志着我国水资源保护和合理开发利用工作进入新的发展阶段。

本文采用DHU2013型微波负压干燥设备(东华大学和上海中方宝达纺织智能仪器有限公司联合研制), 如图1所示, 最大微波功率为900 W, 无级可调， 真空度为-0.09 MPa.

图1 微波负压干燥装置图Fig.1 Schematic of microwave vacuum drying system

微波负压干燥设备主要由微波系统、负压系统两部分组成.负压系统利用单级水环式的真空泵将干燥箱内的空气抽出, 制造负压环境, 真空泵参数如表1所示.干燥箱置于微波系统的微波谐振腔内, 调节磁控管的阳极电压, 可使用不同功率的微波能进行干燥.汽化出的水蒸气在真空泵作用下与空气由管道排出.系统设有蓄水腔, 防止试验间歇水分回流.

表1 真空泵规格参数

设备工作时, 先将干燥对象放入干燥箱内, 放下箱门, 关闭微波谐振腔的防护门, 打开真空开关, 然后打开真空阀门, 对干燥箱抽真空, 检查真空表读数, 确认真空状态是否符合干燥要求, 复位控制面板上的微波干燥时间控制, 再次确认后, 可打开微波进行加热.

选取3种不同尺寸的涤纶筒子纱作为试验对象, 筒子纱高度均为17 cm, 直径分别为8, 9和10 cm.3种涤纶筒子纱纱线线密度为8.89 tex.微波负压干燥前, 将这3种规格的筒子纱浸入水中30 min, 然后取出, 置于室内自然状态下, 至无水分滴落, 再称得其质量, 如表2所示.

1978年党的十一届三中全会后，改革开放的春风遍及中华大地，以经济建设为中心的改革开放方针，使各行各业的经济建设开始复苏和焕发生机。科学、教育、文化、艺术事业的蓬勃发展，也促进了北京印刷业的繁荣和发展。回顾改革开放40年来，北京印刷业发生了翻天覆地的变化。

2 筒子纱微波负压干燥的试验方法

实施习近平总书记“长江大保护”战略要坚持尊重自然、顺应自然、保护自然的理念，把修复长江生态环境摆在压倒性位置，进一步修复水生生物重要栖息地和关键生境的生态功能；坚持上下游、左右岸、江河湖泊、干支流有机统一的空间布局，把水生生物和水域生态环境放在“山水林田湖草”生命共同体中，全面布局、科学规划、系统保护、重点修复。大保护必须统筹山水林田湖草整体保护，拯救濒危物种，尤其要强化长江流域鱼类和珍稀特有水生物种保护，严格渔业资源管理，禁止非法捕捞，加大增殖放流力度，促进珍稀特有物种种群的自然恢复，全面加强水生生物多样性保护。

干燥过程中可设置微波干燥时间, 当既定干燥时间结束, 微波会自动关闭.干燥结束后应首先关掉微波发生器, 然后打开放气阀, 最后关掉真空泵.完成操作后便可以打开防护门, 掀开箱门, 取出其中的试样, 检查干燥效果.

表2 浸泡前后筒子纱的质量

试验设备: DHU2013型微波负压干燥设备; 威衡WH-B08L型电子秤(称量范围0～7 kg, 精度为±1 g).

2.2 试验控制参数及试验方案

2.2.1 试验控制参数

为防止震动产生噪音污染，尽量选用低噪音设备，设备与基础之间采用弹性连接，将溜槽与设备之间的落差尽量减小，并设置特殊结构或设施(圆弧过度、保留煤堆、橡胶衬里等)，以降低噪音。在周围空地种植绿化隔音带，使厂内外噪音都能达到国家有关规定，即厂内小于等于85 dB(A)，厂外小于60 dB(A)。随着配套绿化和植被的实施，植被覆盖增加，将对改善区域生态环境和局地小气候，减少风力，提高土壤蓄水保肥能力具有一定的作用，也有利于自然植被的恢复，防止水土流失及土地沙漠化加剧，有利于保护区域生态环境。

(1) 干燥时间.干燥时间是干燥加工中最重要的工艺参数[1], 它对于干燥效果的影响重大.干燥时间太长, 不仅浪费能源, 而且易使干燥对象受损; 反之, 不能满足干燥要求.因此, 测量精确的干燥时间是试验的主要目标之一.

近年来研究认为RA是一种自身免疫性疾病,Th17/Treg免疫失衡是其重要的病机,且Th17/Treg免疫失衡与炎性微环境密切相关。Th17细胞所产生的IL-17能诱导炎症局部IL-6、TNF-α、IL-1等细胞因子和MCP-1、MIP-2等趋化因子的释放,激活机体免疫级联反应发挥吞噬及杀伤作用[4]。微环境中大量生成的IL-6、TGFβ等细胞因子能促进Th17细胞的分化,如IL-6可通过磷酸化信号传导与转录激活因子促进初始T细胞向Th17细胞方向分化[5-6]。同时,IL-6、TNF-α等细胞因子可激活NF-κB信号通路,最终影响Treg/Th17细胞的平衡。

(2) 湿度终点判断.本试验主要采用温度控制及质量检测的方式进行湿度终点判断.基于筒子纱本身有一定的吸湿性, 在常温下放置过程中, 将达到特定吸湿平衡.因此, 当实时温度上升趋势明显时, 检测筒子纱质量, 其含水率达到1%时即可认为被干燥物料中大量液态水已经汽化抽出, 干燥过程结束.

(3) 温度监控.因为纤维材料具有热敏性, 所以各类纤维材料的干燥温度应控制在合理的范围, 干燥温度应该比较低[6].因此, 必须对纱线的温度进行实时测试, 以保证纱线干燥后的品质[7].

本试验所用设备使用红外测温装置, 受强电磁场影响较小, 但根据其测温原理, 只能测量物料表面的温度[8].

2.2.2 试验方案

采用热盘炉预焚烧技术可使固体废弃物的整个燃烧过程发生在热盘炉内，最大程度上减少废弃物燃烧对分解炉产生的冲击，并增加固体废弃物炉内停留时间5～45min，使固体废弃物在1045℃的高温下彻底分解。

3.2 不同试样干燥速率对比

针对既定的试验对象进行单因素试验研究, 考察筒子纱体积对干燥过程中干燥速率及干燥温度的影响.

将3组筒子纱在600 W微波功率下进行快速干燥.考虑到纱线的回潮率, 在本试验中当干燥对象质量回归自然状态后即视为含水率趋于0, 干燥结束.

在相对真空度为-0.09 MPa, 微波功率为600 W 条件下, 筒子纱随着干燥时间t(min)的变化, 测得各时间点干燥后3种筒子纱的质量m(kg) 如表3所示.

3 结果与讨论

3.1 筒子纱含水率-温度变化曲线分析

图2为直径10 cm筒子纱在600 W微波负压干燥下的含水率、温度随时间变化的曲线图.由图2可知, 在干燥刚开始的5 min内, 处于升温阶段, 筒子纱含水率几乎没有下降.在5～40 min时间内, 筒子纱含水率基本呈现直线下降, 斜率变化不大, 为恒速干燥阶段.而在40 min以后, 筒子纱含水率下降平缓, 为降速干燥阶段.在微波功率与筒子纱直径一定的前提下, 随着干燥时间的延长, 筒子纱的含水率变低, 两者呈正相关关系.故根据含水率的变化规律, 可将干燥过程分为升温阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段.

（3）患者若术后未完全清醒，辅助其取侧卧位，清除患者呼吸道内的分泌物，若有必要，可进行吸痰治疗。主动与患者家属沟通，告知喂养患儿应以高营养值的流质食物为主。并配合开展一些健康教育工作，包括换药时间、伤口观察及护理措施等，注意仔细观察患者切口部位，若渗血量较大，需要及时分析原因，及时更换敷料，遵医嘱取止血药物治疗。待患者麻醉清晰后办理出院手续，手术当天出院。

图2 筒子纱干燥温度-含水率变化曲线(直径10 cm, 微波功率600 W)Fig.2 The drying temperature-percentage of moisture curve of cheese (diameter 10 cm, microwave power 600 W)

试验中发现, 进入降速干燥阶段后, 适当调小功率, 可改善干燥后筒子纱的品质, 且能有效地节约能源.若继续使用大功率进行干燥, 会导致筒子纱焦化或者局部色差比较明显.

在恒速干燥阶段, 筒子纱的表面温度基本为水在该压强下的沸点温度.由于该负压状态下水的沸点可控制在50 ℃以下, 所以在高温下易变质、破坏的物料, 采用负压干燥的方式进行干燥, 可提高干燥速率并保证干燥质量.

“良好睡眠牵系孩子健康成长、家庭和谐与人口素质。”《中国儿童发展纲要（2011－2020年草案）》将在前一个十年纲要基础上，继续完善0～3岁儿童家庭教育发展，而睡眠质量对于0～3岁儿童是最重要的发展内容。提高家庭教育中对婴幼儿睡眠重要性的认知、研究和行动干预势在必行。

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试验时, 将试验对象放入微波谐振腔中, 盖上箱盖, 抽真空, 由于微波负压干燥设备无法调节真空度, 本试验在能达到的最低真空度下进行, 实测真空度(相对)为-0.09 MPa.查表可得, 此真空状态下水的汽化温度为45.79 ℃.由于在微波真空环境下, 湿度传感器、重量传感器无法克服电磁场及真空环境的干扰, 无法实现在线测量湿度.因此每隔5 min停止干燥一次, 迅速取出筒子纱, 称得其质量, 为防止筒子纱温度变化, 质量测量操作均控制在10 s内完成.

表3 各组筒子纱在对应阶段的质量(微波功率600 W)

(续 表)

根据上述数据, 筒子纱单位时间内减少的水分质量, 称为干燥速率v, 可由式(1)求出.

Δt=t2-t1

(1)

其中:m1为在时刻t1测得筒子纱质量;m2为在t1之后的t2时刻测得的筒子纱质量.

2.1 材料与设备

将计算得到的各单位时间内的干燥速率绘制成图像, 如图3所示.由图3可知, 筒子纱直径为8 cm时, 干燥速率在曲线波峰段停留约10 min, 最高干燥速率(即恒速干燥阶段干燥速率)达到5.8 g/min; 而筒子纱直径为9和10 cm时, 波峰由6 min达到并分别持续到34及48 min, 同时直径为9 cm的筒子纱最快干燥速率为5.1 g/min, 直径为10 cm的筒子纱恒速干燥阶段干燥速率约为4.5 g/min.

图3 筒子纱干燥速率图(微波功率600 W)Fig.3 The drying rate of different cheeses(microwave power 600 W)

分析以上数据得出, 筒子纱的直径对于干燥速率有显著影响, 最大干燥速率及干燥时间与厚度呈负相关.物料尺寸越小, 干燥时间越短, 干燥速率峰值也越高.

3.3 最高干燥温度的测定

经过一番调查取证，警方终于找到了真凶——当然不是什么“幽灵”，而是蜡像师陆影。在证据面前，他只好承认了自己的罪行。

取含水率达到1%时为湿度干燥终点, 判定干燥完成, 通过对比分析试验的各组数据, 绘制出每组数据所对应的干燥曲线如图4所示, 作图取得最高干燥温度.

(a) 1#

(b) 2#

(c) 3#图4 不同直径筒子纱干燥温度和含水率变化曲线图(微波功率600 W)Fig.4 The drying temperature and percentage of moisture curve of different cheeses(microwave power 600 W)

由图4可知, 当筒子纱含水率下降到5%以下, 接近干燥终点时, 3组筒子纱的表面温度均急剧上升.3组筒子纱在达到干燥终点时取得最高温度.相比之下, 筒子纱的厚度越大, 对应的最高干燥温度越高, 直径为10 cm的筒子纱最高干燥温度为59 ℃.因此, 在具体加工环境中, 应根据物料的干燥温度要求, 来选择相应合理的筒子纱尺寸.

4 结 语

本文以涤纶筒子纱为干燥对象, 对于筒子纱微波负压干燥的原理和方法进行了介绍, 通过试验得出如下结论:

由图1可知：随着传感器网络节点逐渐远离原点,噪声干扰对距离测量误差的影响逐渐增大.基于MDS法的机器人传感器网络节点定位误差随距离的增大逐渐发散,存在较大误差.而本文提出的MDS和KL联合定位方法测量的平均误差距离MED逐渐收敛,远低于传统的MDS定位方法.在γ=10噪声水平下,MDS法定位误差高达100多m,而本文提出的MDS和KL联合定位误差小于20 m;同样,在γ=20,定位误差小于5 m,在γ=30,定位误差在1 m左右.相比于MDS法,误差减小到20%以下，证明了本文提出的MDS和KL联合定位方法对提高定位跟踪性能的有效性.

(1) 筒子纱的最大干燥速率与筒子纱厚度呈负相关.物料尺寸越大, 干燥时间越长, 且其所能达到的最大干燥速率也越小;

(2) 筒子纱在干燥过程中, 含水率下降到5%后各组筒子纱温度急剧上升, 当达到干燥终点时干燥温度最高;

(3) 3种尺寸的筒子纱相比, 厚度越大, 对应的最高干燥温度越高.

[1] 王喜鹏. 微波真空干燥过程的特性及应用研究[D]. 沈阳: 东北大学机械工程及自动化学院，2006.

[2] NIJHUIS H H, TORRINGA H M, MURESAN S, et al. Approaches to improving the quality of dried fruit and vegetables[J]. Trends in Food Science & Technology, 1998, 9(1):13-20.

[3] 杜春林.织物真空微波干燥的实验研究[D]. 沈阳: 东北大学机械工程及自动化学院，2006.

[4] 纪勋光, 张力伟, 车刚, 等. 微波真空干燥技术的探讨[J]. 干燥技术与设备, 2009,7(5):224-227.

[5] 杨伯伦, 贺拥军. 微波加热在化学反应中的应用进展[J]. 现代化工, 2001, 21(4): 8-12.

[6] 单志均. 终点判断在冷冻干燥设备中的应用[J]. 全国第五届冷冻干燥学术交流会论文集, 1997.

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(责任编辑：于冬燕)

Experimental Study on Microwave Vacuum Drying for Cheese

NIUYingjiea,YUANChenwanga,CHENGea, b

(a. College of Mechanical Engineering; b. Engineering Research Center of Advanced Textile Machinery, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The principle of the microwave vacuum drying device was introduced and it was used to finish the drying cheese experiment. The influence of the diameter of cheese was analyzed on drying rate and drying temperature in the process of microwave vacuum drying. And the change tendency of drying temperature was analyzed according to the drying temperature and percentage of moisture curve, which provided reference for the industrial application of microwave vacuum drying for cheese.

cheese; microwave vacuum drying; drying time; drying efficiency

1671-0444 (2017)02-0205-05

2016-01-29

牛颖杰(1992—)，男，陕西榆林人，硕士研究生，研究方向为微波负压干燥. E-mail: abelniu@126.com 陈 革(联系人)，男，教授，E-mail: chenge@dhu.edu.cn

TS 103

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