张斌尧，张兆国，张付杰

(昆明理工大学 现代农业工程学院，昆明 650500)



一种微波功率可调的热风微波耦合干燥装置

张斌尧，张兆国，张付杰

(昆明理工大学 现代农业工程学院，昆明 650500)

现有的微波发出功率多采用时间间断式控制，磁控管的发射功率恒定，通过改变磁控管的通断时间实现微波平均输出功率的调节，这种方式不能改变微波的瞬间功率，微波功率输出控制不精确，对物料品质影响较大。为此，设计了一种微波耦合干燥装置，通过改变磁控管高压回路的电容，使磁控管高压回路的阻抗发生改变，以达到微波发出功率的线性可调。以马铃薯为试验研究对象，在热风温度为60°C、电容值魏0、0.25、0.33、0.5、1F)的条件下进行干燥对比试验，试验结果表明：热风微波耦合的干燥效率明显优于单一热风干燥，速度快、能耗低。热风微波耦合干燥是一种快速，高效和节能的干燥方式，在农产品和食品干燥中具有广阔的应用前景。

热风微波耦合 ;干燥效率 ;微波功率;阳极电压

0 引言

食品、农产品的干燥具有面广量大的特点，如何用低能耗获得优质的干燥产品是食品和农产品干燥研究的一个重要方向。在众多的干燥技术中，热风干燥技术具有设备简单、成本低的优势；热风系统中，物料加热是由外向内通过热传导的方式进行，传热和传质方向相反，存在干燥速度慢、成本高、干燥产品的品质损失大等特点。微波对物料内外同时加热，但单一微波干燥方式的能耗大、处理量小，常由于外表面散热不及时，使得物体内部温升过高，从而造成干燥效果不佳[1-4]。若将热风场和微波场耦合在一起，对物料进行干燥，则可以体现出两种干燥方式的优点：①实现物料内外同时加热，提高了热、质传递速度；②热风场可以使环境温度上升，加大系统抽湿能力，避免水蒸汽在内部结露；③合理地分配热风和微波两者之间的比例，可提高处理量和降低干燥成本；④在不同物料的干燥上，可以同时发挥各自的工艺优势[5-10]。

热风和微波耦合干燥可以分为两种方式：①微波和热风串联干燥，即将微波干燥和热风干燥两个环节在时间上先后进行，达到最终的干燥目的[11-18]；②热风和微波并联干燥，称为热风微波耦合干燥，即热风场和微波场同时存在，两种干燥在时间上同时进行，可以真正实现物料的内外同时干燥，缩短干燥时间，同时能够提高干燥产品的质量，保持其原有的色香味。但国内、外在微波场的均匀性和微波功率的可控性方面一直未能很好解决[5-10]，至今还没有性能较好的小型热风微波耦合干燥设备。本文采用了一种旋转滚筒物料装载方法，解决了干燥时微波场的不均匀性问题，并通过改变磁控管阳极回路的阻抗来实现对磁控管功率的调节，设计了一种微波功率可调的热风微波耦合干燥系统。同时，以马铃薯片为试验原料，研究热风微波耦合干燥马铃薯片的干燥速率和能耗，并与热风干燥进行了对比。

1 热风微波耦合干燥装置设计

1.1 硬件系统总体设计方案

热风微波耦合干燥系统主要由热风干燥部分及微波发生装置两部分组成，如图1所示。热风干燥系统包括低噪声离心式鼓风机、数显PID温控仪及温度传感器。低噪声离心式鼓风机主要用于实现对干燥系统的送风，数显PID控温控仪用于控制热风干燥系统的热风温度，温度传感器用于感应烘箱内部的温度。微波发生装置用于产生干燥微波场，主要由磁控管、变压器及高压电容等组成。磁控管用于产生微波，高压电容和二极管组合成一个倍压整流电路，为磁控管提供一个4 100V的阳极工作电压。

1.2 微波功率调节方式

目前，常用的微波发生装置多采用间断式导通，实现对微波平均功率的调节。在工作过程中，磁控管发出的功率只有全功率和零功率两种状态，因此不能调节磁控管发出的瞬间功率。本装置通过改变高压电容的容值，从而使磁控管的高压回路阻抗发生变化，进而达到改变磁控管输出功率的目的，依据国标微波功率的测量方法，用水的温升来反应磁控管发出的功率[19]。试验测得的微波功率与电容值如表1所示。图2为高压电容值与磁控管输出功率的曲线。

图1 热风微波耦合干燥示意图

电容值/μF发出功率/W电网功率/W1．00621．251406．250．50290．00841．500．33166．25715．500．25113．75670．500．12587．50648．00

图2 高压电容值与磁控管输出功率的曲线

1.3 微波发生装置

1.3.1 微波发生装置的设计

微波发生装置主要由磁控管、变压器及高压电容等组成。本微波装置安装在外壳尺寸为长40cm、宽30cm、高22cm的铁箱中，磁控管采用型号为 Panasonic J05-0525 水冷磁控管，变压器的型号是SY90QT-1050A，为灯丝提供电压和磁控管提供阳极电压。高压电容使用容值为1.00μF的电容。系统的原理如图3所示。

图3 微波发生装置电路图

1.3.2 微波发生装置均匀性的改善

微波场的均匀性对于干燥的结果有着十分重要的影响，干燥用微波大多采用2.45GHz，其波长为12cm，由于小型微波装置多采用1个磁控管，致使微波场的均匀性不好。为了克服微波的均匀性问题，作者采用了一种用电机带动的旋转滚筒物料装载方法，达到克服微波场不均匀的目的，物料放在滚筒内，滚筒上的空洞可以让热风通过。滚筒采用微波易穿透的材料。结构如图4所示。

图4 滚筒结构示意图

2 试验方法

2.1 热风干燥

将马铃薯洗净后，晾干表面水分，切成3mm厚的薄片待用。用电子天平(JY10001，上海浦春计量仪器有限公司，精度0.1g)，称取质量为150g左右的马铃薯片放置于自制的转笼中，加入60℃的热风进行干燥至湿基含水率≤10%。每10min对转笼称量1次。

马铃薯片的初始含水率依据国标GB/T 5009.3-2010测定，测得马铃薯的湿基含水率为81.2%左右，马铃薯的干基含水率为[20]

(1)

式中Md—干基含水量(g/100g)；

mw—物料中所含水的质量(g)；

ms—物料中所含干物质的质量(g)。

2.2 热风微波耦合干燥

选取60℃热风温度，在不同微波功率下进行试验，干燥至湿基含水率≤10%左右为止。取高压电容分别是0、0.25、0.33、0.5、1μF 分别做干燥试验。

3 试验结果与分析

3.1 微波功率对干燥速率的影响

图5为不同电容值下马铃薯的干燥曲线。由图5可以看出：电容值越大，马铃薯的干燥时间越短；说明了电容值越大，其高压回路的阻抗越小，高压回路的电流值越大，磁控管发出功率越大，因此干燥过程越快。在高压电容为1μF的情况下，微波功率较高，只需40min就可以完成干燥；而0.25μF，低功率需要耗费150min左右。长时间的干燥不利于干燥产品的品质。但过高的微波功率虽然耗时短，却容易过热而影响干燥品质，所以，耦合干燥时只要选取合适的微波功率，就可以达到同时提高干燥效率和干燥品质的目的。

图5 不同电容值下马铃薯的干燥曲线

3.2 热风干燥与热风微波耦合干燥速率的比较

图6为热风温度60℃,不同电容值下马铃薯的干燥曲线。由图6中可以看出：微波干燥辅以一定温度的热风，可以提高干燥速率。热风微波耦合干燥的干燥速率快于热风干燥。微波功率在热风微波耦合干燥过程中起主导作用。微波功率越大，干燥速率越快。热风干燥的干燥机理是通过使马铃薯的内部自由水通过毛细管扩散到表面，再由表面扩散到外界，一般去除的是自由水和表面水。热风干燥会使物料表面的孔隙闭合，阻止水分的逸出，所以干燥时间长。微波干燥是利用物料内部水分对微波的吸收特性，将被吸收的微波能转化为热能，使内部水分气化而逸出。由于微波能全方位的穿透物料直径达到20～60mm[2]，使物料内外同时生热，无需传热介质，故微波干燥时升温快、热效率高。但是，单一微波干燥时，物料周围的空气的温度基本保持恒定，表面水分排出较慢，影响干燥速度，同时物料中心部位热量积累多，内部温度升高而严重影响干燥产品质量。热风微波耦合干燥可以真正地实现物料的内外同热，使得物料内部以及表面的水分快速的蒸发，提高干燥速率和干燥品质。

图6 不同电容值下马铃薯的干燥曲线(热风温度60℃)

3.3 干燥能耗对比

图7为不同微波功率下干燥马铃薯的耗电量。从图7可以看出：在耗电量上，干燥同样质量的马铃薯，热风温度60℃，电容值为1μF的微波发生装置干燥速率最快，耗电量最低，耗电量约为普通单一热风干燥的1/3。

图7 不同电容值下干燥马铃薯的耗电量(热风温度60℃)

4 结论

1)本装置通过改变磁控管高压回路的电容，而改变磁控管高压回路阻抗，从而使磁控管的发出功率达到可控。

2)以马铃薯片为干燥对象，对热风微波耦合干燥与单一热风干燥进行干燥对比试验，前者在干燥速率上明显优于后者。

3)该设备工作稳定，可用于下一步对三七的干燥研究以及试验研究。

[1] Hehnar Schubert,Marc Regier．食品微波加工技术[M]．徐树来，郑先哲,译．北京：中国轻工业出版社，2008：112-115．

[2] 高福成．微波食品[M]．北京：中国轻工业出版社，1995：23-24．

[3] 黄全，黄艾祥．食品干燥加工技术[M]．北京：化学工业出版社，2007：66-68.

[4] 潘永康．现代干燥技术[M]．北京：化学工业出版社，1998：541-543．

[5] Feng H，Tang J，Cavalicri RP，et al．Heat and mass transport in microwave drying of porous materials in a spouted bed[J]．AIChE，200l，47(7)：1499-1512.

[6] Gowen A A，Abu—Ghannam N，Frias J，et al．Modeling dehydration and rehydration of cooked soybeans subjected to combined microwave-hot-air drying[J]．Innovative Food Science and Emerging Technologies，2008，9(1)：129-137．

[7] llknurA．Microwave air and combined microwave-air-drying parameters of pumpkin slices[J]．LWT-Food Science and Technology,2007，40(8)：1445-1451．

[8] Varith J，Dijkanarukkul P,Achariyaviriya A, et al.Combined microwave-hot air drying of peeled longan[J]．Journal of Food Engineering，2007，8l(2)：459-468．

[9] Confreres C，Martin-Esparza M E，Chiralt A，et al．Influence of microwave application on convective drying[J]．Journal of Food Engineering，2008，88(1)：55-64．

[10] Silva F A, Marsaioli Jr A，Maximo G J，et al．Microwave assisted drying of macadamia nuts[J]．Journal of Food Engineering，2006，77(3)：550-558．

[11] 马先英，林艾光，牟晨晓．用热风与微波组合干燥胡萝卜的工艺[J]．大连水产学院学报，2007，22(2)：139-142．

[12] 肖宏儒．微波干燥技术在金银花烘干中的应用研究[J]．食品科学，2001，22(5)：41-43．

[13] 于秀荣．微波干燥玉米的研究[J]．郑州粮食学院学报，1998，19(2)；50-52．

[14] 王俊，许乃章．微波干燥香菇试验研究[J]．科技通报，1994，12(1)：48-53．

[15] Na'dia R Pereira,Antonio Marsaioli Jr,Li'lia M Ahrne’．Effect of microwave power,air velocity and temperature on the final drying of osmotically dehydrated bananas[J]．Journal of Food Engineering，2007，81(1)：79-87．

[16] Cheng W M，Raghavan G S V，Ngadi M，et a1．Microwave power control strategies on the drying process I．Development and evaluation of new microwave dryingsystem[J]．Journal of Food Engineering，2006，76(2)：188-194．

[17] And Andres，Cristina Bilbao，Pedro Fito．Drying kinetics of apple cylinders under combined hot air-microwave dehydration[J]．Journal of Food Engineering，2004，63(1)：71-78．

[18] 彭增华，刘丽，罗平，等．采用微波．热风干制鲜姜的工艺研究[J]．昆明理工大学学报，2002，27(4)：24-27．

[19] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB/T 18800—2008/IEC 60705:2006 家用微波炉 性能试验方法 [S]．

[20] 周祖锷.农业物料学[M].北京:中国农业出版社, 1994.

A Coupled Hot Air and Microwave Drying System with Microwave Power Controlled

Zhang Binyao, Zhang Zhaoguo, Zhang Fujie

(Faculty of modern Agricultural Engineering,Kunming University of science and Technology,Kunming 650500,China)

In order to solve the existing problem of the system of coupled hot air and microwave drying, microwave power is controlled by the time intermittent. The instantaneous power of magnetron works constantly, by the way of adjusting the on-off time of magnetron to achieve an average output power of microwave. This approach can not change the instantaneous power of magnetron and the output power of microwave is inaccurate, this lead to great damage on the quality of materials. This research designed a system of coupled hot air and microwave drying,the author achieved a way of continuous controllable of microwave power by adjusting high-pressure circuit capacitance to change the impedance anode circuit. The potato slices are used as the samples of the contrast experiment at the temperature of hot air 60°C and different capacitance value(0F ,0.25F ,0.33F, 0.5F, 1F).The results show that the drying efficiency of coupled hot air and microwave drying is better than hot air only, the speed is higher and the consumption is lower. The coupled hot air and microwave drying is a drying way which is fast, efficient and energy-saving, there will be more application in agricultural production and food drying field.

coupled hot air and microwave； drying efficiency； microwave power； anode voltage

2016-05-17

云南省重点新产品开发计划项目(2014BC007)

张斌尧(1990-),男,山西永济人，硕士研究生，(E-mail)416436560@qq.com。

张兆国(1965-),男,山东单县人，教授，博士生导师，(E-mail)zhaoguozhang@163.com。

S226.6

A

1003-188X(2017)07-0240-04