发芽糙米微波干燥室内电场强度分布分析

刘成海，徐 浩，秦庆雨，付晗宇，王辰飞，沈柳杨，刘 钗，朱广浩，孙井坤，郑先哲*

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

发芽糙米富含γ-氨基丁酸、肌醇、维生素等营养成分，为满足消费者营养和健康需求，干燥后品质指标成为发芽糙米干燥工艺与设备研发关注问题[1]。发芽糙米由糙米经湿法发芽获得，初始含水率超过30.0%（w.b.），糙米发芽温度需高于30℃，短时间干燥至含水率15.0%（w.b.）以下，否则出现营养成分降解、异味等品质劣变现象[2]。因此，干燥效率和生产能力是发芽糙米干燥设备关键性能指标。广泛应用于农产品干燥处理。随电磁学、材料学等相关学科研究深入和用户对微波设备新需求，微波干燥机优化设计是研究重点[3]。

目前微波干燥机优化设计主要集中在两方面：①模拟微波能在干燥机内部分布，以提高微波辐射均匀性为目标，优化微波干燥机干燥室结构和形状[4]。王明翔等应用HFSS软件模拟波导口位置和数量对矩形谐振腔内部电磁场分布影响，确定多波导口对称设置可有效改善腔体内电磁场分布均匀性，设计对称结构正六边形微波谐振腔[5]。研究磁控管与波导、波导与谐振腔匹配问题，降低微波传递损失，以提高微波有效利用，避免因微波反射不当造成打火、击穿破坏。②依据物料干燥特性或品质要求，以提高微波能利用率和分布均匀性为目标，研制适合某类物料干燥微波干燥系统。王飞根据焦糖色素制取工艺要求和介电特性指标（介电常数、介电损耗因数和穿透深度）随水分变化规律，以微波干燥设备腔体中模式较多、简并比少、波形因数高等为优化目标，确定适合焦糖色素微波干燥腔体尺寸，干燥时物料温度均匀度高、干燥品质符合要求[6]。针对药丸等物料脱水速度过快易开裂，需一定湿度环境干燥，张燕燕等设计多层连续式微波药丸干燥设备，抽湿系统采用设备出口底部进风、顶部抽风方式，使冷却风在设备内部呈“S”型运动，有效改善药丸干燥效果[7]。

微波加热属于体加热方式，导致物料干燥不均匀、干燥强度大，引起农产品品质劣变，如稻谷裂纹、果蔬变色[8]。已有微波干燥机发芽糙米干燥试验，仅30%微波输出功率用于发芽糙米升温和干燥去水，影响微波干燥发芽糙米品质与效率。微波在干燥室内传递模式是影响微波能利用与吸收主要因素之一，不同磁控管排布方式及干燥室结构均对微波能吸收产生重要影响。

本文运用计算机仿真技术，针对发芽糙米微波干燥机干燥室不同结构和微波输入功率，模拟干燥室内输送带料层上电场分布，计算电场强度分布百分比，分析微波干燥机内电场强度分布规律，确定最佳磁控管波导排布方式及干燥室结构。

1 材料与方法

1.1 发芽糙米准备

发芽糙米由阿城金都米业提供，稻谷品种为长粒香，初始含水率33.0%（w.b.）。糙米在35℃下发芽36 h，得到萌芽状态发芽糙米；常温下将发芽糙米运至东北农业大学工程学院农产品加工及贮藏实验室，冰柜冷藏（4℃）备用。

1.2 试验方案

利用自行设计微波干燥机（见图1）展开发芽糙米模拟干燥试验。发射微波磁控管安装在微波干燥机顶部，微波经波导口向干燥腔辐射，提供干燥所需能量；常温气流运动方向与输送带平行，通过料层上方产生质热对流传递。本研究设计干燥机内含三层输送带，输送带在驱动机构带动下匀速运动。物料从进料口进入干燥机腔，均匀铺在输送带上，每层输送带末端洒落到下层输送带始端。微波从干燥室顶端波导馈能口输入干燥腔内，形成多模式电磁波振荡，引起温度升高和水分蒸发；根据微波能在物料内临界渗透深度Lcrit=2.7δ-0.08（δ是与物料介电特性指标有关衰减因子倒数），确定铺放在输送带上发芽糙米厚度略小于Lcrit/4，微波穿过上一物料层，投射到下一物料层产生体积热，升温干燥，至最后一层；风机在干燥机侧面通过气流均布室向干燥室鼓入常温气流，气流运动与输送带第一、三层为顺流方向，与第二层为逆流方向，实现微波辐射与空气对流组合干燥过程。

图1 三重连续式微波干燥机发芽糙米过程Fig.1 Schematic process of GBR dried by a continuous microwave dryer with three layer

1.3 微波干燥机内电场强度分布计算程序

针对干燥室不同结构和微波输入功率，运用Ansoft HFSS软件（13.0，ANSYS公司），计算和描绘干燥室内输送带料层上电场分布，截取每个料层上电场分布图，用MATLAB软件编程，计算电场强度分布百分比，得到均匀度指标。

I=imread('*.jpg'); %读取电场分布彩色图片

c=rgb2gray(I); %变为灰度图

imshow(c) %显示灰度图

z0=max(max(max(I))) %图象中最大灰度

z1=min(min(min(I))) %最小灰度

white=sum(sum(c＞125)) %上限灰度像素数

black=sum(sum(c＜100)) %下限灰度像素数

total=white+black %下限灰度像素数

ratio=white/(white+black) %百分比

2 结果与分析

2.1 干燥室内电场强度仿真条件

运用电磁仿真设计软件HFSS，模拟微波干燥室内电磁场电场强度和磁场强度分布，计算物料电场强度值，分析磁控管安装方式和干燥机形状对微波能反射影响，为确定微波体积热和分析微波场分布均匀性提供基础数据。分析表明，在微波干燥室内微波传递、反射、吸收等过程，受微波输入功率、干燥室（简化设为谐振腔）形状、尺寸和物料介电特性指标影响。设计连续式微波干燥机应考虑生产能力、工艺流程和磁控管安装布局及冷却方式等因素，优先满足干燥机整体形状、干燥室尺寸（长、宽、高）和输送带规格等结构参数。确定干燥机整体形状为长方体，干燥室长、宽、高依次为4 000、600和800 mm；干燥室内输送带长度和宽度分别为4 000和600 mm。为提高仿真结果适用性和优化干燥室内微波能分布，本研究依据上述干燥机结构参数构建多重干燥机形状，利用三维结构电磁场Ansoft HFSS仿真软件，分析磁控管波导安装方式（横式、纵式等）、干燥室三维面过渡形式（直角和圆弧）对干燥室内电磁场传递和分布影响规律，优化干燥室内物料输送带安装位置。微波干燥机输出总功率24 kW，单体磁控管输出功率1 200 W，微波功率2.45 GHz，选用相同规格磁控管（三星OM75P（11）风冷型）20个，波导口尺寸40×80 mm。磁控管中微波能输出波导安装位置对电场强度、分布影响显著[13]。应用1.3中程序，计算微波干燥腔内电场分布和均匀度。

2.2 微波干燥腔内电场强度分布分析

在微波干燥发芽糙米过程中，干燥室内各层输送带上电场强度见图2～9，每层电场特征值见表1～8。

由图2和表1可知，磁控管波导纵向排列微波干燥机圆棱角干燥室，上层和底层输送带上电场强度高于中层电场强度，中层电场分布较上、下层均匀。磁控管波导口纵向排列和干燥室周边圆弧形过渡，微波传递和反射集中在上下两层输送带物料上，经两层吸收后透射至中层物料上微波能减弱，电场强度下降，分布较均匀。

图2 磁控管波导纵向排列微波干燥机圆棱角干燥室内电场分布Fig.2 Electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with verticalarrangement of the magnetron waveguide

表1 磁控管波导纵向排列微波干燥机圆棱角干燥室内电场分布特征值Table1 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with vertical arrangement of the magnetron waveguide

由图3和表2可知，微波干燥机干燥室内，干燥层上电场强度由高到低依次渐强，由于磁控管波导口纵横排列方式，使沿长度方向上相邻波导传递微波方向相互垂直，引起电场干涉和波导口反射，削弱电场强度，距离波导口越远（z轴→坐标系原点方向），波导口干涉作用越弱，受周面直棱角对微波传递散射作用，使电场强度在中层和下层逐次加强，中层均匀度最高；底层受干燥室底板反射作用，电场强度达最高值，但均匀度最差。这种电场分布有较高干燥强度和较好均匀性，速度快、品质好。

由图4和表3可知，在磁控管波导口花式排列直棱角干燥室内，电场强度在中间输送带料层上最高，上层最低、底层居中偏低，表明在上部料层处，花式排列磁控管波导口输出电磁波有反射和干涉作用，受周面直棱角散射作用，上层平均电场强度减弱，分布不均匀；从上层透射微波能集中到中层，电场强度达最高水平，而经过上、中两层透射后，底层微波能量减少，电场强度较低，均匀度较高。

图3 磁控管波导纵横排列和直棱角微波干燥机干燥室内电场分布Fig.3 Electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with vertical arrangement of the magnetron waveguide

表2 磁控管波导纵横排列和直棱角微波干燥机干燥室内电场分布特征值Table2 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with vertical arrangement of the magnetron waveguide

图4 磁控管波导口花式排列直棱角干燥室内电场分布Fig.4 Electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with fancy arrangement of the magnetron waveguide

表3 磁控管波导口花式排列直棱角干燥室内电场分布特征值Table3 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with fancy arrangement of the magnetron waveguide

由图5和表4结果可知，在磁控管波导入口花式排列圆棱角干燥室内，电场强度由上层到底层依次渐强，由于近波导口电磁波反射和干涉作用较强，电场强度较弱，离开波导口距离越远，作用减弱，电场强度分布均匀性提高，但周面圆棱形过渡有利于电磁波集中，可提高电场强度。

由图6和表5可知，磁控管波导交错排列圆棱角干燥室内，从波导口输出电磁波，因角度合适其反射和干涉作用减弱，假设周面弧形过渡面反射集中作用，可使干燥室整体电场强度处于较高水平，呈中间高、上层和底层较低电场强度，但电场分布均匀性较差。此电场分布干燥强度较高但均匀性差。

由图7和表6可知，从上层输送带经中层到底层输送带，电场强度呈低到高分布，原因是上层处电场干涉削弱和底部电场反射强化，但周面直棱角过渡引起电磁波散射，电场分布不均匀，整体电场强度均匀性较差。微波干燥时，发芽糙米从上层输送带顶端进入干燥机，但上层电场强度低，干燥能力弱，随物料进入下层输送带，电场强度增高，干燥速度加快，但高温物料进入高强度电场中，加剧温度升高，引起品质劣变，电场分布均匀性差，干燥后发芽糙米水分含量不均。

图5 磁控管波导入口花式排列圆棱角干燥室内电场分布Fig.5 Electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with the fancy arrangement of the magnetron waveguide

表4 磁控管波导入口花式排列圆棱角干燥室内电场分布特征值Table4 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with fancy arrangement of the magnetron waveguid

图6 磁控管波导交错排列圆棱角干燥室内电场分布Fig.6 Electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with staggered arrangement of the magnetron waveguide

表5 磁控管波导交错排列圆棱角干燥室内电场分布特征值Table5 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with staggered arrangement of the magnetron waveguid

图7 磁控管波导交错排列直棱角干燥室内电场分布Fig.7 Electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with staggered arrangement of the magnetron waveguide

表6 磁控管波导交错排列直棱角干燥室内电场分布特征值Table6 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with staggered arrangement of the magnetron waveguid

由图8和表7可知，在磁控管波导口横向排列圆棱角干燥室内，在中层输送带上平均电场强度最高，但均匀性较差，原因是上层电磁波干涉作用削弱电场强度，电场透射到中层量较大；其次是在底层输送带，均匀性较好；上层输送带上平均电场强度最低，均匀性最差。此电场分布干燥强度高、速度快，均匀性较好。

由图9和表8可知，在磁控管波导出口横向排列直棱角干燥室，横向排列波导出口引起电磁波反射减少，上层干燥强度增大，均匀性最差；底层因干燥室底板反射加强微波强度，电场强度最高，均匀性较差；中层电场强度最低，均匀性较差。此电场分布干燥室，干燥效率低，均匀性差，温度高导致发芽糙米品质劣变。

比较图2～9电磁场在3层物料上分布，以各层平均电场强度最高和平均变异系数最低为选择依据，运用1.3程序，结果见表9。

图6中磁控管波导交错排列圆棱角干燥室内电场分布最高平均值18 545.3 V·m-1，平均变异系数为0.5；其次是图3磁控管波导纵向排横列和直棱角干燥室内平均电场强度为11 198.9 V·m-1，电磁波分布变异系数低为0.3。高变异系数表明电场分布不均匀程度较高，局部电场较高引起干燥后发芽糙米水分和温度不均匀。

图8 磁控管波导口横向排列圆棱角干燥室内微波场分布Fig.8 Electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with horizontal arrangement of the magnetron waveguide

表7 磁控管波导口横向排列圆棱角干燥室内微波场分布特征值Table7 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with horizontal arrangement of the magnetron waveguid

图9 磁控管波导出口横向排列直棱角干燥室电场分布Fig.9 Electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with horizontal arrangement of the magnetron waveguide

表8 磁控管波导出口横向排列直棱角干燥室电场分布特征值Table8 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with horizontal arrangement of the magnetron waveguid

表9 微波干燥机内电场强度和均匀度比较Table9 Comparison of electric field intensity and uniformity in microwave drying machine

2.3 模型验证

受试验条件和设备限制，本文无法直接测定微波干燥机内发芽糙米料层电场强度分布。为证实仿真优化结果合理性，针对优化微波干燥机结构参数，用红外相机测定料层上温度；采用COMSOL软件模拟相同微波干燥条件下发芽糙米料层上温度分布，用内热源（微波体积热）非等温流体传热、表层水分蒸发和对流传质扩散模块表征发芽糙米微波干燥过程。微波干燥台架试验和仿真模型中发芽糙米温度变化见图10。

图10 发芽糙米温度试验值和模拟值比较Fig.10 Comparison of temperature of measurement and simulation for the layer of germination brown rice in a continuous microwave dryer

由图10可知，在干燥前期试验值和模拟值具有较高拟合程度，但在干燥后期台架试验中物料温度值趋向稳定，模型中温度值仍继续上升。由于在台架试验中，干燥前期初始含水率较高，水介电常数较大，微波吸收能力强，料层吸收微波能主要用于升温，水分逐渐蒸发；吸收微波能主要用于料层液态水分蒸发，温度趋于恒定值。但在仿真模型构建过程中忽略物料水分表层蒸发，吸收微波能全部用于升温，导致干燥温度持续上升，干燥后期温度略高于试验值。不同微波强度下试验值与模拟值之间均方根误差（RMSE）值较低，证明该仿真模型可靠，证实料层上电场强度仿真结果正确，优化结果有利于改善料层上电场分布均匀性，提高微波能利用率。

3 讨论

微波加工过程中，物料对微波能吸收和转化能力影响加工效率、能量利用和产品质量，是评价微波设备先进性和加工工艺适用性主要依据[10]。在微波设备矩形波导谐振腔内，入射波与反射波相遇，产生驻波现象，产生电场强分布、物料受热不均，影响干燥品质[11]。有关电场分布均匀性和强度研究认为，改变波导排布方式，增加磁控管数量，调整干燥腔结构可有效改善电场分布效果[12-13]。发芽糙米具有高含水率和热敏性成分丰富等特性[1,14]，现有通用微波干燥设备难以实现发芽糙米高品质、高效率干燥加工。为此，本研究以自行设计三重连续式微波干燥机为模型，针对发芽糙米在干燥室内电场强度和分布均匀性分析，确定磁控管波导纵向排横列和直棱角微波干燥机干燥室形式，有较高微波能利用率和微波场分布均匀度，间接试验结果可证实其合理性，研究结果可为提高微波干燥发芽糙米均匀性和控制干燥温度提供理论依据。

4 结 论

a.运用电场仿真软件HFSS分析自行设计三重连续式微波干燥机内电场强度，研究发现，磁控管波导安装方式（横式、纵式等）及干燥室结构（干燥室内六条边界面间过渡形式）对发芽糙米电场分布均匀性及强度有显著影响，电场强度重要影响因素是波导排布位置和安装形式。

b.磁控管波导纵向排横列和直棱角微波干燥机干燥室形式，有较高微波能利用率和电场强度均匀度，磁控管波导交错排列圆棱角干燥室，平均电场强度最大，但电场分布不均匀。

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