小颗粒(含粉料)物料射频干燥机设计与分析

凌铮铮 - 任广跃，2 -,2 段 续，2 ,2 卢映洁 - 陈 曦

(1. 河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023；2. 粮食储藏安全河南省协同创新中心，河南 郑州 450001)

射频(radio frequency，RF)是指频率在3 kHz～3 GHz 的一种高频交流变化电磁波的简称。由于射频是一种非电离形式的电磁能量，对正常的通讯有影响，故美国联邦通信委员会(The US Federal Communications Commission，FCC)规定在工业、科学和医学上应用的射频频率为13.56，27.12，40.68 kHz[1]。传统热风干燥主要通过热传导和对流将热能从热源传递到物料中，而射频干燥的特点是直接与物料中的极性分子或离子进行耦合，物料中的极性分子和离子受到高频率交变电场激发，正负离子发生离子迁移，进而产生热，对物料进行干燥[2]，因而比热风干燥效率更高。除此之外，射频干燥相对微波干燥而言，具备更好的均匀性、更稳定的温度控制和更佳的干燥质量[3-4]。基于上述优点，射频干燥已在水果[5]、豆类[6]、香料[7]和肉类[8]中都有应用。然而射频干燥存在着“热点”和“冷点”的问题，致使干燥均匀性变差。为解决加热不均匀的问题，Uyar等[9]通过改变牛肉粒的尺寸、形状、射频电极的位置以及样品的介电性能，来改善射频干燥的均匀性。Zhu等[10]通过添加电磁波导体，来改变样品中的电场线分布，以减少中高水分马铃薯淀粉的冷点面积，改善射频加热均匀性问题。Chen等[11]通过模拟家用微波炉内冷冻土豆泥的旋转解冻，以期通过运动方式来改善射频加热的均匀性。Chen等[12]在之前的研究基础上，模拟了小麦粒在传送带上的受射频加热的情况，其获得的结论是：在进行射频加热的过程中，运动可以改善射频加热过程的加热均匀性。综上所述，专家学者们通过不同手段、方法，改善了射频给热过程中的加热均匀性。

在实际的食品工业中，热风干燥小颗粒(含粉料)物料时，会造成物料堆积，颗粒飞散，并且对干燥室的环境造成严重破坏，导致物料的质量变差，能耗变高。进而导致小颗粒(含粉料)物料在食品工业上发展的滞后，不利于产业化的进行。然而，结合射频给热适合处理低水分含量物料的特点，射频干燥可以替代热风干燥在小颗粒(含粉料)工业上的应用，使干燥时物料处于相对静止状态，有效防止物料质量变差，能耗提高。近些年关于射频干燥在食品上的应用研究，较多的集中在食品材料的灭酶、灭菌和延长食品的货架期方面。Manzocco等[13]研究了射频对苹果中多酚氧化酶(PPO)和脂氧合酶(LOX)的影响，发现经射频处理后苹果样品的PPO和LOX含量有效降低，由此得到的苹果泥样品在感官品质上更好地被消费者所接受。Michael等[14]验证研究了射频对脱脂奶粉(NDM)中坂崎克罗诺杆菌和沙门氏菌的灭杀效果，得到射频灭杀NDM中的坂崎克罗诺杆菌和沙门氏菌的方法是一种更为快速、均匀的方法。Jiao等[15]研究发现热空气辅助射频技术处理烤咸花生后，大大延长了烤花生的货架期。然而在小颗粒(含粉料)物料干燥上应用射频技术鲜有报道，仅王丽萍[16]研究了大麦苗粉在射频干燥的情况下，对其风味、营养成分的影响，表明射频干燥有利于增加大麦苗粉的风味。并未将射频干燥作为一种新型的、低能耗的、高质量的干燥方法去研究。

为将射频干燥技术在食品行业内推广应用，试验拟设计一台占地面积<30 m2、处理量可达到1 500 kg/h、能耗<6 000 kJ/kg·H2O的中试射频干燥机(干燥物料为玉米颗粒)。设计射频干燥机干燥小颗粒(含粉料)以射频源发射的射频为主要给热方式，翅片加热管辅助给热方式进行干燥，在物料充分干燥(物料的含水率<10%)的前提下，保证干燥物料干燥均匀、快速，为射频干燥小颗粒物料提供理论依据及技术支撑。

1 整体结构与工作原理

1.1 整体结构

所设计的射频干燥机主要由射频源箱体、进料口、输送带、厚度限制装置、电加热装置、两边对称的辊轮、底部支架、出料口、动力装置、控制电路和显示器等部分组成，其外型尺寸为22 000 mm×2 000 mm×1 200 mm，如图1 所示。射频箱体为与两边支架连接起来的箱体，保证射频能量的充分利用；厚度限制装置的接口处有一缓和装置，以保证物料的均匀性；底部支架两边具有完整的电回路，以保证整个过程都在控制之下进行；动力装置主要为输送带提供稳定的速度，以保证射频干燥的均匀性；控制电路包括温控模块和射频输出控制模块，温控模块控制电加热装置的输出功率，以适合不同水分含量的物料。

1. 进料口 2. 输送带 3. 厚度限制装置 4. 射频箱体 5. 底部支架 6. 电加热装置 7. 辊轮 8. 出料口

图1 射频干燥机的总体结构示意图

Figure 1 Overall design drawing of radio frequency dryer

1.2 工作过程

将物料倾倒至进料口处，在重力的作用下物料向下滑动或滚动至与输送带的接口处，输送带在电动机的作用下带动物料向射频箱体方向前进，物料在进入到射频箱体之前，会受到厚度限制装置的作用，使物料保持一种厚度均匀的状态进入到射频箱体。当物料进入到射频箱体内部时，物料内的水分子与射频源激发的电磁场进行耦合，水分子开始剧烈运动，由于分子间的摩擦和分子的运动产生巨大的热，并且由于深层分子先吸收能量，导致物料从内部开始产热，从内层到外层产生由高到低的梯度热，使物料内的水分子顺应热梯度，扩散到空气中[17]。并且在两边风扇的作用下，将湿空气抽出，达到干燥的目的，物料在输送带上的整个过程，都受到电加热装置的影响，一方面来自电加热装置的热辐射，另一方面来自具有良好导热性能的输送带的直触加热，提高物料的温度，来减少射频加热的负担，整个射频加热过程中，物料都受到了温控模块的监视，当物料的温度超出给定的范围时，开始逐个停止射频发射器，防止物料受到高温作用后，导致物料的质量不佳。当物料到达出料口时，传感器检测物料的含水量是否达到要求，若物料已经达到安全贮藏的水分含量，并且在出料口被收集、贮藏，若还未达到目标含水量，则调整射频干燥机参数，重新干燥，直至物料达到含水量要求。

2 能耗核算

玉米是中国最主要的粮食作物，2017年玉米产量25 907.07 万t，占全国粮食总产量的39.15%，为将新鲜玉米及玉米产品(一般含水率为25%～30%)安全地贮藏，必须将其干燥至适宜仓储的含水率(13%～15%)。将玉米粉碎至颗粒状的玉米糁是一种较为广泛的加工贮藏方式，在玉米粉碎过程中，可充分利用粉碎机所散发的热量来降低玉米颗粒的含水率。故试验设计的射频干燥机是以玉米颗粒为物料，以期在产地生产高附加值的玉米颗粒，获得质优、低耗的玉米颗粒干制品，为玉米颗粒的射频干燥工业化提供理论依据及技术支撑。

图2 射频干燥机的工作流程图

中国的玉米热风干燥机热效率低、单位能耗大，在6 700 kJ/kg·H2O 左右[18]。为了验证设计射频干燥机射频干燥性能，暂时将电加热辅助模块关闭，仅考虑射频给热。设计该射频干燥机能处理1 500 kg/h的玉米颗粒，为保证玉米颗粒的品质(霉菌数量下降7个对数级)，射频给热不得少于35 min(料厚100 mm、极板间距150 mm)[19]，玉米颗粒最高达到65 ℃[20]，在此基础上进行能耗核算。玉米颗粒的比热Cp=1.6 kJ/(kg·℃)，水在65 ℃的蒸发潜热L=2 345 kJ/kg，玉米的热导率λ=0.144 4 W/(m·K)。

(1) 将玉米颗粒加热到65 ℃的理论能耗：

Pta=M×Cp×ΔT，

(1)

式中：

Pta——将玉米颗粒加热到65 ℃的理论能耗，kW；

M——单位时间的产量，kg/s；

Cp——玉米颗粒的比热，kJ/(kg·℃)；

ΔT——物料升高的温度，℃。

(2) 蒸发玉米颗粒中水分需要的理论能耗：

(2)

式中：

Pte——蒸发玉米颗粒中水分需要的理论能耗，kW；

m1——玉米颗粒的初始水含量，%；

m2——玉米颗粒的终含水含量，%；

L——水在65 ℃的蒸发潜热，kJ/kg。

(3) 理论功率：

W=Pta+Pte，

(3)

式中：

W——理论功率，kW。

代入数值经计算得W=222.101 1 kW。

(4) 实际功率：由于该设计的能耗估算是基于从输电干线到射频发生器输出的能量，其转化率约为1∶1.15。则需实际功率为：222.101 1 kW×1.15=255.582 4 kW。

则设计该射频干燥机在仅打开射频给热模块时能耗为4 089.318 4 kJ/kg·H2O，与热风干燥的能耗(6 700 kJ/kg·H2O)相比降低约39%的能耗，降低了制作干制品物料的消耗，为玉米颗粒的射频干燥工业化提供借鉴参考。

3 射频干燥机主要部件设计

3.1 射频箱体

基于以上的能量核算，为保证射频给热的连续性，以及设计的现实性，使干燥后的物料水分达到安全要求，Liu等[21]研究了射频对小麦粉的干燥灭菌效果的验证，参考其对射频源的设计并结合工业实际，将射频箱体(图3)设计为6个射频箱连接组成，箱体总长18 000 mm，一个单独的箱体内部有2个射频源(27.12 kHz，22 kW，50 Ω)，共12个射频源组成。箱体规格为3 000 mm×1 200 mm×500 mm，材料主要为铝。箱体之间连接致密，箱体与底部支架连接稳固，保持在输送带上进行射频干燥的密闭性，防止电磁辐射外泄。

3.2 输送机

为保证设备各部分连接紧密，依照各部分参数设计，以及设备占地面积的合理性，将设备主体框架的输送机整体规格设计为20 000 mm×1 000 mm。依据以上核算内容，将输送带带速定为23 m/h，输送带的主要材料涤棉帆布，表面涂有丁苯橡胶(Styrene Butadiene Rubber，SBR)，SBR可以使输送带表面光滑，提高输送带的紧密程度，不致使物料漏于设备内，减短设备的维护周期，SBR还使输送带耐受高温，涂后可使输送带耐受140 ℃高温，可达到T2等级的耐热等级[22]。输送机两端与进料口、出料口有紧密连接，以保证物料不外漏以减少损失。

图3 射频箱体简图(左视图)

3.3 厚度限制装置

厚度限制装置位于进料口与射频箱体之间，为防止物料倾倒过快导致物料堆积于厚度限制装置前方，故设计距离进料口800 mm，以保证物料在进入箱体时保持物料厚度均一，分布均匀。厚度限制装置的主材料为铝合金，为符合装置各个部分嵌合紧密，将装置的规格定为1 000 mm×150 mm，高度可以根据物料、产量、含水率的实际情况来调整(范围为50～180 mm)，如图4所示。装置上方设有一个1/4圆的缓和设计，目的是防止从进料口输送过多物料，导致物料堆积，或物料直接越过厚度限制装置，堆积在物料的上方进入射频干燥机，导致物料的厚度不均匀，对射频干燥的质量造成影响。

1. 物料缓和设计 2. 厚度限制盖 3. 高度调节螺栓 4. 电加热装置

图4 厚度限制装置设计图(左视图)

Figure 4 Design drawing of thickness limiting device (left view)

3.4 电加热装置

电加热装置位于输送带上下两个带面之间，共37个单独的翅片电加热发射器，曾炜杰等[23]模拟了翅片电加热管的温度分布情况，为防止加热片之间距离过近，导致温度分布局部过高，电加热装置之间间隔600 mm，组成联合的射频干燥机的电加热辅助模块，在数控模块的调控下，对射频干燥机进行辅助给热。翅片电加热管与普通元件相比散热面积扩大了2～3倍，即翅片元件所允许的表面功率负荷是普通元件的3～4倍。由于元件的长度缩短，使得本身的热损失减小，在相同的功率条件下，具有升温快、发热均匀、散热性能好、热效率高、使用寿命长、成本低等优点[23]。其主材料为不锈钢、改性氧化镁粉、高电阻电热合金丝、不锈钢散热片等，管径12 mm，工作电压220 V，功率1 000 W，如图4所示。

3.5 动力装置

设计射频干燥机的动力来源主要由电动机提供，电动机位于进料口的侧方。电动机及减速器、轴承座等应均安装在由地脚螺栓固定的底座上，以防止向任何方向移动，保持结构的稳定。电动机为卧式鼠笼通用型电动机，电动机应装有冷却风扇，完全封闭，符合防尘标准(DIP)，电机防护等级采用IP54，来确保电动机工作过程中的安全。输送机的托辊直径300 mm，输送机的托辊采用的轴承为滚珠轴承，以保证输送机轴承的使用寿命。

4 试验验证

基于上述设计，按图5、6组装相应的中试样机，样机机组供电输入电源为三相五线380 V，射频输出频率27.12 kHz，单个射频源输出功率22 kW(功率可调)，干燥量1 500 kg/h，使用环境温度-5～40 ℃，进料口高度100 mm，传送带带宽1 000 mm(食品级，16 mm厚)，输送带线速度23 m/h，传送电机功率为单相-0.75 kW(电子调速)，机组尺寸22 200 mm×2 050 mm×1 210 mm(长×宽×高)，机组与设计总体误差<5%，样机主体材料为铝合金和不锈钢，验证射频干燥机的干燥性能。

挑选无虫无害的新鲜玉米粒，经粉碎机粉碎为新鲜玉米颗粒。依据上述设备描述，在此基础上进行试验验证。每次试验玉米颗粒质量为1 000 kg。

由表1可知，干燥1 000 kg玉米颗粒，平均耗时

1. 电动机

图6 射频干燥机主要部分关系图

表1 验证实验结果

40.83 min，比预测耗时多2.07%；平均干燥能耗4 241.438 9 kJ/kg·H2O，比设计能耗(4 089.318 4 kJ/kg·H2O)高3.72%；玉米颗粒最终含水率都达到目标值。较现有的热风干燥能耗(6 700 kJ/kg·H2O)降低约36.7%。综上，所设计的射频干燥机基本符合预期。

5 结论

针对小颗粒(含粉料)物料的干燥要求，结合热力学、动力学和电磁学原理，设计了一款针对性较强的射频干燥机。该设备将射频加热与热空气辅助加热结合起来，通过对物料内的传质传热进行分析，合理利用热梯度，构建适宜温度梯度，在保证不破坏物料质量的前提下，使物料从内部加热，加快水分子从物料内部扩散至外部的速率，并且运用动力学原理，缓解了射频加热不均匀的问题。整个射频干燥机都在数控系统的控制下，对整个射频干燥过程进行多重控制，使射频干燥过程更加精准高效，不仅节省了人力物力，满足了食品工业上对产品的要求，而且保证了产品的营养成分不流失，提高了产品价值，延长了产品的货架期。然而，试验针对的小颗粒(含粉料)物料所设计的射频干燥样机在进行验证时，仅采用玉米颗粒为试验样品，为保证设计的科学性，仍需对其他小颗粒(含粉料)物料进行进一步的验证。