低湿玉米籽粒的射频加热模拟与试验

2021-05-09谢为俊郑招辉杨德勇

农业工程学报 2021年4期

魏硕，谢为俊，郑招辉，范奔，杨德勇

（中国农业大学工学院，北京 100083）

0 引言

玉米是中国三大作物之一，种植面积广、总产量高、储存量大，除了作为粮食和饲料外，约有1/4的玉米还被加工成不同的增值产品[1]。中国大部分玉米仍采用露天晾晒方式进行干燥，籽粒与外界环境的长期接触容易携带大量的霉菌和害虫，而且受天气条件影响，晾晒后玉米籽粒的含水率参差不齐，不利于玉米籽粒统一储存，采用相应的热处理工序进行短时的灭菌、杀虫和干燥是必要的[2]。粮食热处理常采用热风作为传热介质，但存在传热慢、能耗大、灭菌杀虫不彻底、加工质量不高等缺陷，难以满足人们对绿色高效生产和优质健康原料的需求[3]。与之相比，射频加热具有加热迅速、热效率高、体积加热、选择性加热和能量穿透深度大等优势，已被广泛用于农产品的快速灭菌、杀虫和干燥等热处理环节[4-6]。因此，开展玉米籽粒的射频加热方面的研究具有重要意义。

温度作为射频加热过程影响产品品质的主要因素，了解玉米籽粒温度变化对于制订相关加热工艺尤为重要。然而，受玉米籽粒尺寸限制和射频加热过程高频电磁场的影响，测定不同条件下玉米籽粒内部温度变化难度较大[7]。计算机仿真模拟是研究农产品射频加热过程中温度分布的一种有效方法，已被用于研究射频加热机理、装置设计和工艺优化等方面[8-10]。目前关于颗粒物料的射频加热模型，大部分是基于虚拟连续介质假设构建的等效模型，无法获得颗粒物料内部的温度分布信息，而且射频加热受物料自身几何形状和姿态影响，这类模型没有考虑了这些因素，忽略一些有价值的信息[11-12]。为了研究射频加热过程中大豆籽粒内部的温度分布状况，Huang等[13]构建了大豆籽粒的射频加热模型，探讨了籽粒接触点能量聚集导致的过热问题。据调查，尚未关于结合玉米籽粒实际形状构建其射频加热模型的报道。

射频加热依靠材料与电磁波的相互作用，可利用介电特性定量描述[6-7]。农产品物料的介电特性通常与含水率、密度和化学成分等有关[14]。对于多组分物料，由于其组分之间化学成分和结构差异而导致介电异质性，射频加热过程的加热速率不同，即呈现选择性加热现象[8]。玉米籽粒通常可划分为胚乳和胚两个主要组分[15-16]。胚乳富含淀粉，主要用于生产淀粉和酒精；而胚富含蛋白质、脂肪和微量元素，是玉米粒中营养价值最高的组分，可用于加工胚芽油和高附加值产品[17-18]。此外，玉米籽粒中胚的含水率通常高于胚乳，可能导致两者介电特性的差异，射频加热过程呈现不同加热速率而造成玉米籽粒受热不均，被优先加热组分的品质更容易受到损害。目前，鲜有结合玉米籽粒的多组分结构特征研究其射频加热的报道。

为了准确预测射频加热处理过程玉米籽粒内部的温度分布变化，本文首先根据玉米籽粒的形状特征构建玉米籽粒的胚-胚乳二组分三维物理几何模型，然后利用试验对模型进行验证，最后利用验证后的模型对不同含水率和放置姿态玉米籽粒内部的温度、电场分布等信息进行模拟分析，以揭示低湿玉米籽粒的射频加热特性。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米（品种郑单958）取自河北省沧州市吴桥农业试验站，在果穗中部区域选取无破损、形状大小一致的籽粒手工脱粒，足量（5 kg）装入密封袋密封，室温（25 ℃）平衡48 h备用。利用烘箱干燥法（105 ℃烘干至恒定质量）测得玉米籽粒初始湿基含水率为20.0%。含水率为16.5%和13.0%的玉米籽粒通过烘箱（型号DHG-9140A，上海精宏实验仪器有限公司，中国）干燥（温度40 ℃、相对湿度20%）制备，每隔一定时间用电子天平（型号ACS-3EB，北京亚光仪器有限公司，中国，精度为0.1 g）称量一次。根据初始样品质量、初始含水率和目标含水率计算干燥后的目标质量，一旦达到所需的质量，立即从烘箱中取出，即为所需含水率玉米样品，然后在室温下密封储存48 h平衡水分备用。

1.2 射频加热试验

试验采用6 kW，27.12 MHz平行电极板式射频系统（型号SO6B，Stray field International Limited，Wokingham，UK）进行加热，其腔体尺寸为129 cm长×109 cm宽×74 cm高，上电极板尺寸为83 cm长×40 cm宽，下电极板尺寸为99 cm长×59 cm宽[13]。考虑到散装玉米籽粒的姿态杂乱无序，不利于后续物理几何模型精准构建和玉米籽粒表面温度分布测定，尤其是胚和胚乳表面温度的测定。射频加热试验过程中将玉米籽粒平放，其胚朝上，并按照10粒/行×10粒/列单层均匀排布在矩形聚丙烯料盘中（图1）。为了防止取放料盘时籽粒位置和姿态发生移动，用双面胶将籽粒背面与料盘底部粘连。选择料盘角落、边缘和中心三个位置处的玉米籽粒，用小手钻在平放玉米籽粒的正中央位置打孔，分别置入直径2 mm的光纤温度传感器探头（型号Umi8，Fiso Technologies Inc.，Quebec，Canada，精度为0.05 ℃）测定其温度。加热过程中用盖板密封料盘，防止空气流动导致水分蒸发对表面温度的影响，然后将料盘置于下电极板的中央进行加热。根据预试验设定射频极板间距为9.0 cm，以确保适宜的加热速率。玉米籽粒的表面温度利用红外热像仪（型号Ti55FT，Fluke electronic instrument and instrument company，Washington，USA，热敏度为0.05 ℃）测定，测定时将料盘迅速从加热腔中取出，置于调整好焦距红外相机视野中拍照，整个流程不超过10 s。试验重复三次。

1.3 射频加热模型构建

1.3.1 模型假设

玉米籽粒射频加热模型的构建和求解基于如下假设：1）玉米籽粒物理几何模型简化为胚和胚乳两个组分；2）玉米籽粒内部初始温度均匀分布；3）忽略射频加热过程玉米籽粒的微弱水分蒸发的影响；4）射频加热过程上电极电压均匀分布。

1.3.2 物理几何模型

根据多组分玉米籽粒几何模型[19]，通过部分组分合并获得由胚和胚乳两个组分组成的玉米籽粒几何模型（图2a）。玉米籽粒的摆放位置和射频加热腔根据实际尺寸绘制（图2b）。采用COMSOL软件（版本5.5，COMSOL Inc.Burlington，MA，USA）进行网格划分，最大单元尺寸为0.75 mm，增长速率为1.5。由于热交换在玉米籽粒表面和组分界面附近较为剧烈，为了准确捕捉这些现象，在这些区域进行网格加密处理。单个玉米籽粒几何网格由8 476个域单元、2 350个边界单元和153个边单元组成。整个几何网格由1 564 898个域单元、206 608个边界单元和14 384个边单元组成。通过网格敏感性测试确保模拟结果与划分的网格质量无关。

1.3.3 电磁与传热控制方程

射频加热腔中的电磁场分布情况可以用麦克斯韦方程组描述，而考虑到射频加热过程电磁波波长（约为11 m）远大于所加热物料的尺寸，可将准静态假设理论应用到麦克斯韦电磁场方程的求解中，常用拉普拉斯方程进行等效计算[20]

式中∇为梯度算子；f为频率，27.12 MHz；ε0为真空介电常数，8.86× 10-12F/m；ε"为损耗因子；j为虚部单位，-1；ε'为介电常数；V为极板电压，V。

射频加热过程中物料内部的传热过程可以结合傅里叶和能量守恒定律描述为

式中ρ为密度，kg/m3；Cp为比热容，J/(kg·K)；T为温度，K；t为时间，s；k为导热系数，W/(m·K)；E为电场强度，V/m，E=-∇V。

初始和边界条件：

1）射频加热腔壁面为热绝缘，∇T=0；

2）初始温度为室温，T0=25 °C；

3）射频加热腔壁面为电绝缘，∇E=0；

4）下电极接地，V=0；

5）上电极为电磁源，施加电压V=7 000 V，通过公式（3）进行估算[20]。由于研究使用的玉米籽粒含水率范围较窄（13%～20%），在其射频加热过程中，阳极电流（0.38～0.39 A）和电耗（3250±95 W/h）几乎不变，故模拟过程中上电极电压可以看作是相同的。

式中da为上电极到样品表面的距离，m；ds为样品料层厚度，m。

1.3.4 热物理特性参数

射频加热模型求解所需的空气、玉米胚和胚乳的热物理特性参数如表1所示。其中玉米籽粒不同组分的介电特性测定步骤如下：1）将玉米籽粒浸泡24 h，利用解剖刀将玉米胚和胚乳剥离分开，分别进行干燥（温度40 ℃、相对湿度20%）；2）将其进行细粉碎（≤0.425 mm）以确保后续检测时探头与样品紧密接触，接着分别测定其含水率，然后结合目标含水率和样品质量计算需要添加的去离子水的质量，以制备不同含水率的胚和胚乳粉末样品；3）将一定质量的胚和胚乳的粉末样品加入压缩模具（直径20 mm的铜管），利用万能材料试验机（型号4411，Instron Corporation，Boston，USA）压缩成一定高度的圆柱形样品，其高度根据实际密度和加入样品质量计算，以确保最终样品与各组分的实际密度相同；4）将压缩样品放入铜制样品池中，并与阻抗分析仪（型号E4991B，Keysight Technologies Co. LTD.，Palo Alto，California，USA）的同轴探头紧密接触测定介电特性，样品温度（25～70 °C）通过与样品池连接的电热式恒温油浴循环系统（型号SST-20，无锡冠亚恒温制冷技术有限公司，无锡，中国）控制；5）将测得的玉米胚和胚乳的介电特性（介电常数ε′和损耗因子ε"）与其对应的温度和含水率（W，%）进行多项式回归分析，确定适宜的参数模型。

1.4 模型求解

利用Dell计算机工作站（Windows 10操作系统，CPU Inter (R) Xeon (R) W-2145，3.70 GHz，运行内存128 G，显卡P2000）搭载的COMSOL仿真软件进行相关求解操作。模拟操作时选择焦耳热物理场模块，依次输入对应的初始和边界条件，采用直接线性求解器（MUMPS），其相对误差和绝对误差分别设定为0.01和0.001，时间步长设为1s，整个求解过程的平均运算时间约为155 min。

2 结果与讨论

2.1 模型验证

射频过程中平放玉米籽粒（13.0%）的模拟温度和试验温度变化如图3所示，料盘内三个位置的玉米籽粒温度随加热时间的延长呈线性增加趋势，两者的温度-时间变化曲线高度一致，最大相对误差仅为3.47%。角落和中心玉米籽粒的温度差逐渐增大，加热2、4和6 min时分别为（3.59±1.29）℃、（6.53±1.64）℃、（9.11±1.85）℃，这与图4红外相机观测到的玉米籽粒表面温度分布相照应。图4显示冷点出现在料盘的中心区域，热点出现在角落和边缘，这是矩形物料在射频加热过程中的典型现象。通常电场在几何形状较为尖锐的区域发生偏转、扭曲，射频能量在这些区域聚集，即几何效应，进而导致物料的边缘和角落过热[23-24]。比较玉米籽粒表面温度分布的试验结果与模拟结果显示，两者吻合较好，局部偏差可能是由于试验玉米籽粒几何形状尺寸的微小差异造成的。为了验证模型预测玉米籽粒中胚和胚乳温度的准确性，利用红外相机捕捉料盘中央的玉米粒表面温度分布细节。如图5所示，胚的温度高于胚乳约1.5～2.5 ℃，表现出胚优先加热的现象。红外相机测得的表面温度分布与模拟结果基本吻合，表面局部模拟偏差可能是由于所构建的模型忽略了种皮引起的。因此，对于低湿玉米种子的射频加热处理时，应关注胚的温度变化，避免较高温度影响其品质和发芽率。总的来看，构建的玉米籽粒射频加热模型是有效的，可利用该模型进一步研究不同条件下玉米籽粒的射频选择性加热特性变化。

2.2 不同摆放姿态玉米籽粒的射频加热模拟

玉米籽粒的几何结构为不完全对称，实际生产散装玉米在料盘中堆放时，玉米籽粒杂乱无章、存在多种姿态。射频加热过程不同姿态玉米籽粒的几何效应不同可能影响其温度分布变化。为此，本文模拟了平放、侧立、直立和斜放四种典型姿态玉米籽粒的射频加热过程（图6）。

不同姿态的玉米籽粒（13.0%）射频加热过程中胚和胚乳的温度和温差曲线如图7所示，各姿态玉米粒胚和胚乳的温度及其的温差逐渐增大，胚的温度高于胚乳的温度，其中直立玉米籽粒胚和胚乳的升温速率和温差最大（图7c），胚的优先加热程度最大，其次是斜放玉米籽粒的和侧立玉米籽粒的，平放玉米籽粒的升温速率和温差最小（图7a）。通常较慢的升温速率具有较好的缓苏作用，这也是平放玉米籽粒中胚和胚乳的温差较小而直立玉米籽粒中胚和胚乳的温差较大的原因之一。图8显示了不同姿态玉米籽粒（13.0%）加热至平均温度55 ℃时的温度、功率密度和电场分布。不同姿态玉米籽粒胚的功率密度大于胚乳，与其温度分布相照应，可以很好地解释玉米籽粒的选择性加热现象，而其胚的电场强度小于胚乳，在小麦-害虫混合物的射频加热过程中也有类似的现象[6]。直立玉米籽粒胚的场强和功率密度最大，因而其胚的温度最高，且胚与胚乳的温差也最大，为12.06 ℃（图8），其次是斜放玉米籽粒的和侧立玉米籽粒的，平放玉米籽粒的温差最小，为2.04 ℃。这主要是由于物料自身的几何效应差异引起的[12]。在玉米籽粒的四种姿态中，平放玉米籽粒的棱角最平滑，而直立玉米粒及其胚的几何形状最为尖锐，其几何效应最强，电场在胚与胚乳界面处发生明显偏折，向胚中聚集，增大了胚的电场强度。由此可见，几何效应不仅提高了低湿玉米籽粒的升温速率，而且增大了其胚的优先加热程度。在射频加热大豆与害虫的混合物中也有类似的报道，垂直放置的害虫温度高于斜放、水平放置的害虫温度[25]。尽管玉米籽粒姿态调整较为困难，但可以在装料后通过对料盘进行振动，使玉米籽粒尽可能处于平铺状态，确保籽粒受热均匀。

2.3 不同含水率玉米籽粒的射频加热模拟

考虑到玉米胚和胚乳含水率差异随着籽粒含水率的增加而增大，可能导致不同含水率玉米籽粒的介电异质性的改变，进而影响其射频选择性加热。本文模拟了含水率为13.0%、16.5%和20.0%的玉米籽粒的射频加热过程。射频加热过程中不同含水率平放玉米籽粒的胚和胚乳的温度和温差曲线如图9所示，玉米籽粒的胚和胚乳的温度逐渐增大，胚的温度高于胚乳的温度，含水率为13.0%的玉米籽粒中胚和胚乳的温差逐渐增大，而含水率为16.5%和20.0%的玉米籽粒中胚和胚乳的温差先增大后减小，这可能是与其介电常数与损耗因子可比性变化有关。通常物料介电常数和损耗因子较为接近时，即具有可比性，电磁能转化为热能效率较高，可以获得较快的升温速率[26]。含水率16.5%和20.0%的玉米籽粒中胚的较高含水率导致其介电可比性较差，加热后期其胚的升温速率缓慢降低印证了这一点（图9b和9c）。图10显示了不同含水率的玉米粒加热至55 ℃时的温度、功率密度和电场分布，含水率为16.5%的玉米籽粒中胚与胚乳的温差最大，为3.10 ℃，射频选择性加热效应最为突出，其次是含水率为13.0%的，含水率为20.0%的玉米籽粒胚与胚乳的温差最小，为0.71 ℃。功率密度和电场分布显示，随着玉米籽粒含水率的升高，尽管电场在胚与胚乳界面处偏转畸变程度有所增大，但电场强度明显下降，无法从根本上影响玉米籽粒的射频选择性加热。胚乳的功率密度逐渐降低，而含水率为16.5%的玉米籽粒胚的功率密度最大，此时胚与电场耦合效应最强，因而其优先加热程度最大。小麦的射频加热杀虫过程中也存在类似的结论[10]，含水率为15%的小麦中害虫的优先加热程度大于12%和18%。