微波技术与对流干燥器的组合应用研究

微波技术与对流干燥器的组合应用研究2014-08-12 蒲公英
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微波干燥的投资和操作费用比较高，所以用微波加热作为唯一的能源并不经济，特别是当物料湿含量很高时，微波加热干燥的节能优点就不显著了。当物料的湿含量接近或达到临界点时，对流传热的效率就越来越低，干燥速率也就越来越慢，如果此时对物料施以微波能，将使干燥速率急剧提高。本文就微波和对流式干燥的组合形式、结构特点和工作原理作一探讨。

1  对流干燥与微波干燥

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1.1  对流干燥

对流干燥是指以对流传热方式为主的干燥方式。这种类型的干燥器很多，如带式干燥器、气流干燥器、闪蒸干燥器、喷雾干燥器、流化床干燥器和烘箱等。它们共同的特点是以空气作为干燥介质（载热体），与湿物料接触进行热传递，传递方式以对流传递为主。当湿物料的温度升高后，其中的湿分就会变成蒸汽由空气带走，即传质过程。湿物料经过热、质传递后即可达到干燥的目的。

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湿物料都具有一定的干燥特性，每一种湿物料都可以通过干燥动力学试验的方式测定物料平均湿含量在一定的温度下随时间而变化的数据，并将这些数据绘制成干燥特性曲线，如图1所示。
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$ W7 S/ F& q+ f9 I+ B9 p- g2 Q# h（1）恒速干燥段，其干燥速率取决于外部热量传递，即气相侧的传热系数和传质系数为常数，此时物料的干燥过程是等速的；

（2）降速干燥段，其干燥速率取决于内部热量传递。此时在物料表面已没有充足的自由水分，热量传至湿物料后，物料升温并在内部形成温度梯度，使热量从外部传到内部，从而使内部水分汽化并向物料表面迁移。这个传热和传质过程是减速的，当物料的含湿量越低，干燥速率就越小；

（3）临界点俗称为拐点，即恒速干燥段和降速干燥段的分界点。

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1.2 微波干燥

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微波是一种能量形式（非热量），它对物体加热的方式与常规的方式（对流、传导、辐射）不同。主要机理是：介质在外加交变电场的作用下，介质中的有极分子电介质被反复极化，不断地发生“取向”排列，分子间的摩擦产生热能，从而使介质的温度升高。

1.2.1 微波加热特点

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微波加热特点：（1）加热速度快,微波直接对物料的整体产生作用，在物料内部迅速产生热效应，而不需要由外向内的传递过程；（2）加热均匀，因为有体积热效应，避免了出现较大的温度梯度；（3）热效率高，因为有选择性加热特点，只对物料中的介电质（如水分）加热，不需要加热被干燥物料、周围的空气、器壁及输送设备等。

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1.2.2 微波干燥的特性

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微波干燥优点：（1）能够有效地利用能量；（2）无破坏性，可在较低的环境温度下进行干燥，不需要高的表面温度，对物料的物性影响较小；（3）干燥快；（4）干燥均匀，形成更加均匀的温度场和湿分分布；（5）微波有杀菌功能。

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微波干燥虽然有很多优点，但仍然没有被广泛使用，其原因如下：（1）微波干燥器的制作要求较高，特别是防止漏能的要求高，在结构上要设置特殊的装置，制造费用增加；（2）磁控管的价格较高，造成维护费用增加；（3）微波加热干燥的能源是电，电能本身就是一种价格昂贵的能源，虽然热效率高，但总的干燥成本并不合算，特别是对初水分含量较高的物料，情况更是如此。

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2 微波干燥与常规干燥的组合

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2.1 微波干燥与常规干燥组合的效果

常规对流干燥和微波干燥都有其优点和缺点，将两种干燥方式联合起来，实现优势互补，大大提高干燥过程的效率和经济性。因为热风能有效地排除物料表面的自由水分，热风的能源可以利用价格相对低廉的煤、油和蒸汽等。而微波加热的“泵”效应提供了排除内部水分的有效方法，特别是在降速干燥段，其作用更为显著，可大大提高干燥速度，增加产量，降低干燥成本。

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对流干燥是恒速干燥段有效的干燥方法，如果此时加微波能的话，在物料的内部起到一定的预热作用，缩短了干燥时间，但对总的干燥时间影响不是很大，因为对干燥时间起决定性因素的是降速干燥段时间的长短。我们认为，此时加微波能的意义不是很大，并会增加干燥成本。

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降速干燥段，对流干燥的速率降低，干燥时间增长，如果加微波能与热风联合，便可以较大地提高效率。此时，微波把物料内部的水分（包括结合水）迅速地蒸发，当水汽迁移到物料表面时，热风将水汽带走。据有关资料介绍，此时每加入一个单位的电磁能，便可使干燥能力以6︰1或8︰1的倍数增加，其效果如图2所示。

                               
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2.2 微波与热风带式组合式干燥器

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目前国内关于微波与常规干燥器的组合形式，多为微波真空干燥设备，这是将微波用于真空干燥器的一种比较有效的组合形式，例如常州震华干燥设备有限公司生产的立式和卧式微波真空干燥机，已是一种定型产品，并得到广大用户的认可，市场销售量在逐年上升，广泛应用在制药和食品工业。但是微波与对流干燥的组合，应用较少，微波与带式干燥的组合流程示意图如图3所示。

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组合式干燥器分为两个干燥段：第一干燥段为对流干燥段，此段中的物料水分含量较高，而且多为表面自由水分，为恒速干燥段。关于热风的流量、温度、流向、热风的分配和物料在网带上的铺料情况，均可参照普通带式干燥器进行设计。第二干燥段为微波加对流干燥段，此段中的物料水分含量已接近或达到临界状态，为降速干燥段，在此时增加微波，将大大提高干燥速度。此时热风的流量、温度可以适当降低一点。微波的功率可根据临界点以后所要蒸发的水分量进行估算(估算依据：每支微波管的干燥能力为0.45～0.8 kg·H2O/支·h，每支微波管的功率为0.875 kW/支)。

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微波管的布置应尽量均匀分布，各处物料接受的微波能基本一致，使物料干燥均匀，防止过干或不干现象发生。应设置扼流装置，主要是干燥器的门及出料口，防止微波漏能。

微波与带式组合式干燥器结构设计如图4所示, 其只能算作设想图。

                               
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3 结语

微波和对流组合干燥器具备了对流干燥和微波干燥的优点，并克服了各自的缺点，其特点是：干燥时间短、产品质量好、干燥成本低。

组合式干燥器特别适用于果蔬类的干燥，因为新鲜果蔬的初含水量都在70%～90%之间，在恒速干燥段所需蒸发的水分量很大，需要大量的热量，此阶段最好以低价能源提供热量，用对流方式干燥。果蔬的最终含水量要求大都在5%左右，此含水率用微波干燥正适合，可大大提高干燥速度，缩短干燥时间，同时，微波对果蔬有杀菌作用。

综上所述，微波和对流组合式干燥器的优点是显而易见的，是值得开发和推广的一种新型干燥设备。

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