吴慧栋， 孙铜生， 凌方庆

(安徽工程大学 机械工程学院，安徽 芜湖 241000)

我国是农业大国,近年来我国粮食产量规模逐年增大,但是刚收获的粮食无法直接运输与储藏,良好的干燥技术作为产后储前的重要环节一直引人关注。其中热风干燥相对经济,但热风由于温度过高对物料内部结构损伤严重且效率低下,已经逐渐被淘汰。真空冷冻干燥可以有效保护食品品质,但设备工作及维修成本较高不能广泛应用。微波干燥相较于其他干燥方式,其内外温度梯度和压力梯度均与物料内水分的迁移方向一致,干燥效率较高且对食品内部结构基本无损害,又以其环保可控,节能高效等优点,在食品干燥中应用广泛,研究意义重大。

微波真空干燥箱干燥物料时需要满足两个基本条件:(1) 微波能在炉腔内均匀分布,否则影响加热效率;(2) 波导管和腔体的阻抗匹配,否则对腔体造成伤害,二者缺一不可。了解物料对电磁场及耗散功率的影响,有助于提高干燥物料时的效率与安全性。干燥过程中物料不同,微波在传输过程中其传输、反射和吸收的效率相对应也会改变,干燥腔体本身的电磁场及耗散功率随之变化。本研究考虑在干燥过程中物质的属性变化对微波腔体加热过程中的电磁场及时效耗散功率产生影响,并比较2种物料最终水分浓度,进一步验证了物料介电特性与微波能吸收效率关系。

1 材料与方法

1.1 电磁波传播特性

微波干燥不同物料时微波腔体内的电磁场以及耗散功率反映了物料干燥效率。设定电磁波作用于波导处,真空干燥腔内的电磁分布由麦克斯韦波形方程解析:

(1)

式中，

μ

为相对磁导率;

E

为电场强度,V/m;

c

为光速,3.0×10m/s;

ζ

′,

ζ

″为介电常数和介电损耗因子;

f

为电磁场频率,Hz。

1.2 热量控制方程

微波腔体正常工作时,通过强电场将物料的原子拉成电偶极子产生电势能,并在强磁场的作用下将腔体内的微波能转化为物料的内能,以此加热食物,微波能在物料内部产生的体积热等于物料内部积累的热量和传递的热量以及水分传递和蒸发过程中消耗的热量。微波干燥腔体内部电磁能消耗与物料内能增加关系由坡印廷定理及能量守恒定律和傅里叶定律确定:

(2)

Q

=2π

fE

ζ

′

ζ

″

(3)

(4)

式中，

S

是坡印廷矢量,表示能量的流动;

E

是电场强度,V/m;

H

是磁场强度,A/m;

J

是电流密度,A/m;

ρ

是物料密度,kg/m;

C

是物料的比热容,J/(kg/K);k是物料导热系数,W/(m*k);T是温度,℃。

1.3 物质介电特性

微波干燥微观原理本质是介质在微波场中加热出现偶极子转向极化与界面极化,表现为将电磁场损耗转化为其本身能量。介电常数综合反映了介质束缚电荷的能力,宏观反映物料吸收微波能并转化为热能。在食品的微波加工过程中,介电特性作为食品物料能量转化的主要特性,对确定物料对微波能的吸收、转化能力以及微波加热过程中的热行为具有显著作用。

复介电常数综合考虑了介电常数与损耗因子二者对介质吸收微波能的影响,反映了介质在干燥过程中的电极化行为。考虑到两者介电损耗一致,即对电磁波能量的转化效率一致。单位质量物料吸收微波的能力为:

p

=2π

fE

ζ

′

(5)

式中，

P

为微波吸收功率,W/m;

可见在不考虑物料含水率、温度等因素影响下,物料吸收微波的能力与电场强度、频率以及介电常数有关。

1.4 几何模型和材料参数

对微波真空干燥箱采用实体精确建模,模拟干燥过程中不同物料在腔体内部的电磁场及功率分布以及最终水分浓度情况。

建立微波加热腔体模型,模型原型与实验室使用的RWBZ-08S微波真空干燥箱一致(图1)。不考虑外部结构,腔体尺寸为320 mm×340 mm×250 mm,腔体外部设置一个在TE10模式下工作的矩形波导,腔体和波导材料均为铜制,简化三维模型如图2所示。

图1 RWBZ-08S微波真空干燥箱示意图

图2 腔体三维模型及网格划分效果

微波腔体边界参数以及稻谷和小麦物理参数见表1～3。

表1 微波腔体边界参数

表2 稻谷属性参数

表3 小麦属性参数

稻谷与小麦物料模型轴半径a,b,c如表4所示:

表4 物料几何参数

选择小麦、稻谷2种物料作为研究对象置于微波干燥腔体内。物理场与研究类型选择电磁波-频域,电磁热研究序列,采用2.45 GHz频率、600 W功率,20 ℃外界环境,采用瞬态研究,设定模拟时间为300 s,时间步间隔为10 s,网格划分选择常规大小。

2 结果与分析

2.1 电磁场与功率场分布规律

将稻谷和小麦规则排布,近似模拟微波干燥相同体积大小的稻谷与小麦时腔体内部电磁场强度与时均耗散功率变化情况以及两者最终水分浓度结果,最终结果如图3～7所示。

图3 微波干燥腔内电场分布

图4 微波干燥腔内磁场分布

图5 微波干燥腔内耗散功率分布

由图5可知,由于腔体结构远远大于波长,微波能在内部最终形成漫反射,导致微波腔体内的电磁场分布不均匀。由式(5)可知,物料吸收微波能的效率与电场强度、频率以及介电常数有关。图3～5仿真结果显示在频率及初始场强一定情况下,由于小麦介电常数小于稻谷,绝缘性更高,干燥过程不利于吸收并储存微波电磁能,小麦的腔体内部电磁场强度会小于稻谷。微波干燥小麦效率更低,时均耗散功率会略小于稻谷,验证了介电特性与干燥效率的关系。

2.2 水分浓度变化规律

使用COMSOL模拟在上述情况下稻谷与小麦在微波干燥1～5 min后的水分浓度情况,由图6可见,干燥开始阶段,稻谷干燥效率便高于小麦,稻谷最低水分浓度达到1.46 mol/m。由图7所示,干燥5 min后,由于结构差异,小麦表面干燥效果良好,但是稻谷最低处水分浓度为1.10×10mol/m,小麦的水分浓度最低处为1.15×10mol/m,最终稻谷水分浓度更低,干燥效率略高于小麦。

图6 1 min水分浓度图

图7 5 min水分浓度图

2.3 实验验证

为了验证上述研究的正确性,购买并筛选出完整饱满的稻谷与小麦进行干燥实验。将样品作复水处理后静置一段时间,使用电容式谷物水分测量仪测定样品的含水率,待到确认两者含水率一致时,取相同质量样品放入微波干燥箱内干燥,每隔1分钟取出并检测含水率,结果如表5所示。

表5显示,小麦最终含水率达到21.7%,稻谷含水率为21.3%,证明了小麦的干燥速率略小于稻谷,且图8显示两者干燥速率均逐渐呈现下降的趋势,但稻谷干燥速率仍高于小麦。其原因除了内部水分干燥难度较大外,随着含水率逐渐下降,样品的介电常数下降,吸收微波能的能力也逐渐下降也是重要原因,验证了上述仿真的正确性。

表5 稻谷与小麦含水率变化情况

图8 稻谷与小麦含水率变化图

实际情况下,不同物料的干燥效率不相同,介电常数作为干燥效率的关键在干燥过程中不断改变,水分含量、温度及物质成分均等对介电常数起重要作用,介电常数与物料吸收功率无法呈现正相关关系,构建介电常数与上述因素数学模型有助于更加精准预测物料含水率及相关品质,对物料介电特性的动态变化研究可作为进一步研究方向。

3 结论

研究了不同物料的微波干燥效率差异,结果显示,介电常数作为能量转化的关键,样品介电特性较小时,吸收功率也相应较小,微波腔体内部电磁场相应减小,干燥效率与耗散功率较低。后续实验验证了仿真正确性,并且随着干燥进程持续,物料含水率下降,介电特性改变,两种样品的干燥速率都会逐渐变小。

研究揭示了在微波干燥过程中,物料的介电常数影响干燥速率且受含水率等因素的影响不断改变。后续构建介电常数与含水率、温度等因素的数学模型可为基于介电特性的含水率检测提供方向,详细研究物质介电常数的动态变化将成为未来农产品干燥研究的重点与难点,对提高食品干燥效率与品质与干燥意义重大。