熱風微波耦合干燥技術和設備的研究進展

崔政偉， 陳麗君， 宋春芳， 金光遠

（江南大學 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫214122）

微波技術及其能量應用近幾十年取得了巨大發展，微波已從軍事、通訊應用走進百姓家庭；微波原器件實現批量化生產，價格大幅度降低；磁控管從風冷發展到水冷，長時間連續工作已成為可能，發展微波食品機械的時機己經成熟。作為主要的能量利用，微波加熱或干燥在農產品和食品的加工中得到了較快的發展和應用[1]。然而微波加熱干燥最主要的缺點是耗電量較大，成本較高，處理量又比較小，單純的微波干燥往往導致過度加熱，溫度難以控制導致產品劣變。因此，采用熱風干燥和微波干燥相結合的方法，可以降低干燥成本，提高生產能力。耦合干燥指在熱風干燥的同時輔以微波干燥，兩種干燥同時進行，可以使熱、質傳遞方向一致，大大縮短了干燥時間，如果工藝條件選取合適，還可較大程度地提高干燥產品質量，較好地保持物料的色、香、味和外形。

1 耦合干燥的技術原理和特點

微波作為一種能量形式，要轉化為熱量的形式對樣品進行加熱，一般須與電介質相互作用，這種轉化有多種方式，其中比較肯定的兩種是離子傳導和偶極子的轉動[2]。微波加熱干燥過程中，其傳熱傳質機理與傳統干燥有很大區別。

如圖1所示，在傳統的干燥過程中，隨著水分在干燥樣品表面的蒸發，表面的水分濃度降低，則樣品內部的水分逐漸的朝著樣品表面進行擴散；而能量的傳遞方向卻與此相反，由樣品表面向內部傳遞。溫度梯度是傳熱的主要推動力，外部溫度越高，形成的溫度梯度越大；傳質的推動力則是樣品內外的濃度差，因此傳質和傳熱的方向是相反的。而在介電干燥過程中熱量在樣品的內部產生，樣品內部水分形成大量的水蒸汽，其形成的壓力梯度成為傳質過程主要的推動力。如果樣品的初始含水量很高，則樣品內部水蒸汽形成的壓力上升速度較快，液態的水分也可以在壓力梯度作用下從樣品內部排出來，就像一種“泵”的作用[3]。在這種“泵”效應下，液態水和氣態水同時從樣品內部向樣品表面擴散，因此干燥速率快。物料內部的熱質傳遞方向與物料大小有關，當物料的尺寸為微波的穿透深度1～2倍時，則熱量可在內部積累，內部溫度高于外部溫度，傳熱傳質方向一致，若干燥系統無其它熱源，系統內部的空氣溫度不變，樣品表面溫度始終低于內部溫度。當樣品的尺寸相對于穿透深度而言大很多時，樣品內部的熱傳遞與傳統的干燥情況類似。耦合干燥技術是將熱風場和微波場同時作用于干燥物料，熱風能有效地排除物料表面的自由水分；微波加熱獨特的“泵”效應能快速排除內部的自由水分和結合水分，充分發揮各自的工藝優勢，其優點主要表現為：

1）實現內外同時加熱；

2）環境溫度上升加大系統抽濕能力；

3）合理分配兩者之間能量比例，可加快干燥速度，提高產品質量，降低干燥成本；

4）充分發揮各自的工藝優勢，如熱風的處理量大，干燥成本低，微波場中熱、質傳遞快；

5）干燥兼有殺菌、殺蟲功效，保證了產品的安全衛生；

6）實時監控，便于實現連續生產及自動化控制。

圖1 傳統干燥和介電干燥傳熱傳質的區別Fig.1 Difference of heat and mass transfer between conventional drying and dielectric drying

2 耦合干燥的研究現狀

熱風與微波聯合干燥（AD+MD）是將熱風干燥和微波干燥兩種方式有機組合的干燥技術[4]，主要有兩種類型：串聯干燥和耦合干燥。串聯干燥即熱風干燥和微波干燥分階段進行，微波作用于干燥過程的某個階段，比如先熱風后微波干燥；而耦合干燥即熱風與微波同時作用于干燥產品和整個干燥過程。

串聯干燥在國內外的研究較多，而耦合干燥在國外的實驗室有較多的研究，但國內研究較少。Schiffmann等[5]首次將微波與熱風相結合應用微波烤肉爐的設計中，開啟了熱風微波組合干燥研究。劉青梅等[6]以浙貝母為原料，研究熱風、微波及聯合干燥對其品質的影響，探討熱風-微波串聯干燥的最佳工藝參數，貝母最優串聯干燥工藝試驗結果：前期80℃熱風干燥30 min；后期微波功率240 W，干燥時間5 min。徐艷陽等[7]對玉米進行熱風與微波串聯干燥特性試驗研究，與單獨熱風干燥相比，串聯干燥的總能耗降低了50.6%，并有明顯的殺菌效果。Dev等[8]研究了豆莢串聯干燥和傳統的熱風干燥，通過氣相色譜-質譜法進行分析結果表明，串聯干燥方法顯著降低了揮發物物質在干燥過程中的損失。Kumar等[9]選取秋葵作為樣品，通過響應面分析對耦合干燥進行優化，發現微波對流干燥以1.51 m/s的風速，52.09℃的空氣溫度和2.41 W/g微波功率密度條件下秋葵的干燥產品質量最佳，能源消耗最低；Varith等[10]對龍眼肉進行耦合干燥，得出相對于65℃熱風干燥減少了64.3%的干燥時間和48.2%的能耗；Uprit等[11]用耦合干燥方法對奶酪進行干燥，得出當熱風溫度為53.5℃，微波功率為111.5 W時，干燥產品的質量較好。美國金谷通心面公司使用915 MHz、60 kW微波通心面干燥設備，在微波加熱干燥的同時輔以溫度為82～93℃、相對濕度為15%～20%的對流熱風，使通心面含水率由18%降到13%～13.5%，加工時間由原來的8 h縮短為1.5 h，節能25%，細菌含量僅為原加工法的1/15。Nijhuis等[12]運用微波-熱空氣耦合干燥洋蔥、土豆切片等蔬菜，Kisselmina等[13]利用熱風微波耦合系統，以番茄為樣品，通過控制過程中不同的微波功率密度得到最佳的產品質量。Botha[14]等采用耦合干燥并結合滲透脫水（90 min 40℃下55°糖度溶液浸泡），對菠蘿進行試驗，通過燒焦率、水分含量、可溶性固形物含量、水活度、硬度、顏色這6個方面對產品品質進行了評價，得出微波功率和空氣溫度是影響脫水菠蘿質量的兩個最重要的工藝參數。陳桂芬等[15]通過用響應面分析法對耦合干燥茶油籽工藝進行優化，得出較佳的干燥工藝：熱風溫度為58.9℃，熱風速度為1.262 m/s，微波功率密度為1.972 W/g，干燥時間為306 min時，油脂的過氧化值為1.047 2 nmol/kg；陳桂芬等[16]對剝殼荔枝肉采用熱風干燥、耦合干燥、真空微波干燥、真空凍干四種干燥方法，得出荔枝在耦合干燥條件下的荔枝蛋白質和還原糖含量最高。張琦等[17]采用波耦合干燥對鮮棗進行了干燥工藝研究，以微波功率、熱風溫度、載重為實驗因素。實驗表明，耦合干燥各因素對干燥速率及干燥產品質量均有明顯影響且耦合干燥相比微波干燥和熱風干燥，可以獲得更高干燥速率、VC含量高和復水性能良好的優質產品。總之，目前的國內外研究主要集中在干燥工藝參數研究，對耦合干燥設備研究的報道很少。

3 耦合干燥設備的主要技術問題及其工業化屏障

耦合干燥的研究目前主要停留在實驗研究水平，所用設備大都由微波爐改造而來，缺少性能優良的中試和工業化設備是制約該項技術發展和應用的主要障礙[18]。物料在微波加熱過程中，其內部溫度的變化除受微波腔中電磁場分布的影響外，還與物料本身的形狀、位置與介電特性等因素有關。微波是空間分布的電磁場，電場致熱而磁場不致熱，如果物料不動，電場作用點會導致過熱，如何合理地解決微波的均勻性是本項技術的關鍵，目前的主要技術有以下幾種。

3.1 物料隨轉盤運動

物料位置的改變可弱化對電磁場分布的過分依賴，平移或旋轉是改變物料位置的常用方法，如：轉盤式微波爐、輸送帶式微波干燥裝置等。圖2為物料隨轉盤運動[19]，微波能輸入位置固定，通過旋轉臺轉動，提高了物料對微波能的吸收均勻性。

圖2 物料隨轉盤運動耦合干燥器原理圖Fig.2 Schematic of dryer with turntable

圖3是Uprit等[12]設計的實驗耦合干燥裝置，此裝置具有在線檢測樣品溫度及質量變化的功能，同樣也是通過旋轉板轉動，帶動物料旋轉。中國科學院過程工程研究所申請了回轉式連續微波干燥裝置專利[20]，干燥室置于微波腔內，通過旋轉盛放物料的干燥室使得物料相互混合并作空間運動，而且隨著物料的不斷輸送，改變物料在爐腔內的橫向位置，從而改善微波加熱的均勻性。Atong[21]設計的微波連續帶式干燥器，通過輸送帶改變物料的位置，又通過增加微波發生器數量、可調節輸出功率等來實現物料干燥的均勻性。

圖3 熱風微波干燥設備原理圖Fig.3 Schematic of CHAM drying

然而只平移或旋轉盛放物料的容器對微波干燥均勻性的改善是有限的，物料的堆積厚度也不能超過微波的穿透厚度。Geedipalli等[22]對帶有轉盤的微波爐中的加熱不均勻程度進行了研究，指出轉盤的轉動在一定程度上可以改變熱不均勻性，可以改善物料在同一層的熱均勻性，但對于物料的不同層，其熱不均勻性仍然很明顯。

3.2 物料在諧振腔內噴動

為克服平移或旋轉的不同層加熱不均勻性，對處理塊狀或顆粒狀的樣品，采取噴動方式對其干燥是一種有效的選擇。圖4是噴動式干燥原理圖[23]。微波與熱風噴射的結合，使樣品在噴動氣流的作用下處于不斷運動的狀態，加熱更加均勻（均勻性提高22%～30%）[24]，通過改變熱風的溫度、流量、微波輻射量及加熱時間，得到較為合理的工藝條件。章虹[25]、Wang[26]和范樂明[27]對微波噴動干燥萵筍和土豆片片的產品質量進行研究，得出相對于穩定噴動床模式，在脈沖噴射模式下干燥更均勻，干燥時間更短。圖5為Feng等[28]設計的一種微波噴動裝置，利用微波-熱風噴動干燥器對切片蘋果進行試驗，并對干燥時間、干燥中物料內部溫度以及干燥產品的品質進行了測定。其中，干燥時間與物料隨轉盤運動型式相比降低88%，由于噴動床的氣流擾動使得物料有效混合并隨機運動，物料內部溫度分布均勻，測得干燥初期、中期最大溫度偏差為±1.4℃，干燥末期溫度偏差達±4℃。Askari[29]等對蘋果塊進行微波輔助流化床干燥試驗，通過模型預測水分分布和樣品的溫度變化，并對中心和表面溫度的數據進行驗證，證明流化床有利于微波能吸收的均勻性。Reyes等[30]在微波固定流化床與微波脈動流化床進行了蕪箐籽干燥動力學實驗。Szabo等[31]提出微波輔助熱空氣振動流化床干燥裝置。李占勇等[30]設計微波熱風轉鼓干燥器，轉鼓為圓錐形并水平轉動安裝于殼體內，在設置有料斗一端的轉鼓內同軸安裝有微波源的波導。實驗結果顯示，這種動態微波干燥效率遠遠大于靜態微波干燥，同時也比物料隨轉盤運動的微波干燥更加均勻。

圖4 噴動式耦合干燥設備原理圖Fig.4 Schematic of spouted CHAM dryer

圖5 微波噴動床干燥系統原理圖Fig.5 Schematic of MW and spouted bed drying system

3.3 微波動而物料不動

微波分布固定，物料平移或旋轉或噴動在一定程度上改善了物料微波加熱的均勻性，但這些方案最大的問題是裝置必須增加運動部件，給設備干燥腔的設計和空間的有效利用帶來很多不便，大型化更是困難。針對這些弊病，作者[33]利用無轉盤型家用微波爐改造成耦合實驗干燥器，見圖6。采用無轉盤微波分散技術，通過波導出口處的微波模式攪拌器的擾動，改善微波場的均勻性，以胡蘿卜片作為試驗材料，得出該實驗裝置干燥的胡蘿卜片的β-胡蘿卜素保留率、復水比、感官品質較傳統的熱風干燥、微波干燥的胡蘿卜片好。Dominguez[34]和Plazad等[35-36]通過多微波饋能系統改善電磁場的均勻性，指出饋能口的位置與饋能系統本身決定電磁場的均勻性。模式攪拌結合饋能口位置和數量優化可使微波均勻性極大提高。

圖6 無轉盤耦合干燥器Fig.6 Structural schematic of CHAM dryer without turntable

4 耦合干燥的設備研制

熱風和微波串聯干燥是微波和熱風兩個環節分別進行，從而達到干燥目的的工藝。該種方式雖然可縮短干燥時間，但各自缺點仍然存在。耦合干燥融合了微波和熱風干燥的優點，兩者互相結合，使食品快速干燥的同時可保證產品質量，但目前該工藝僅實驗研究，國內、外無定型工業設備，設備研制上有難點。

江南大學江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室開發了3種大小不同的耦合干燥器。圖7（a）所示為小型耦合干燥機原理圖，主要用于實驗規模研究，由微波饋能系統、熱風系統和控制系統組成，微波功率為0～1 000 W無級可調。料盤由低介電常數的玻璃纖維網制成（允許微波和水蒸氣穿過），底部為微波饋能口。圖7（b）由磁控管、波導和模式攪拌器組成，微波經波導傳進入干燥腔內，波導出口處可旋轉的模式攪拌器，改變微波輻射角度，使微波在諧振腔中進行規律性擾動，從而改變腔體內微波的模式和電磁場分布，使微波的均勻性得到更大提高。干燥時，將物料平鋪在料盤的玻璃纖維網上，開啟熱風系統和微波系統，熱空氣在干燥腔內循環，高濕空氣由排濕口排出，實現熱風和微波同時作用干燥物料。Plaza等[33-34]也使用模式攪拌器改善微波加熱的不均勻性。此裝置解決了靜止物料微波受微波輻射均勻性問題，同時，干燥器空間大，可放置多層干燥物料。

圖7 小型熱風微波耦合干燥器Fig.7 Schematic of the small CHAM dryer

圖8為中等規模耦合干燥器[37]，由箱體、熱風循環系統和多個微波饋能組件組成。干燥時，在烘盤上放置物料，上軸流風機進風口吸入空氣，經腔體的上風道，進入左腔體，經過換熱器后，冷風轉變為高溫熱風，其中一部分熱風通過位于箱體左側下方的下軸流風機工作，進入下風道，由于下風道與干燥室相連通，使熱風可以在下風道中沿垂直方向進入干燥室，并形成穿流；另一部分熱風穿過左面板后進入干燥室，通過左右面板上開孔的設計和布置，使熱風的流向通過左面板后轉化為如圖8中箭頭所示的交叉對流，干燥室內形成交叉對流及穿流熱風，與在烘盤上的物料進行充分接觸，使傳熱和傳質效果好。

在干燥室內熱風循環的同時，微波饋能組件（4個）也開始工作，由磁控管發射出微波進入由波導進入干燥室，波導出口處模式金屬攪拌葉片轉動，改變干燥室內微波場的分布，從而使位于干燥室內烘盤上的物料受微波均勻輻射，實現熱風場和微波場同時共同作用于干燥物料。另外，可根據干燥室的大小設置微波饋能口數量，同時可調節每個微波饋能口輸入的微波能大小，從而能夠針對不同的干燥產品將熱風能量和微波能量比調節到合適的比例。

圖8 中等規模熱風微波耦合干燥器Fig.8 Schematic of CHAM dryer in middle scale

圖9為大型耦合干燥設備，即隧道式熱風干燥耦合設備，由風機，金屬料架，熱風加熱器，微波饋能組件等組成。該設備適用于大規模生產。在物料小車上放入所需干燥的物品后，風機啟動，使冷風經過熱風加熱器轉化為高溫熱風，與中型耦合設備原理相似，熱風在隧道內形成循環流動，見圖9中箭頭所示。微波饋能組件裝于前后兩側面，使整個隧道成為一個微波諧振腔。

圖9 隧道式熱風微波耦合干燥器Fig.9 Schematic of the tunnel CHAM dryer

5 展望

耦合干燥方式，與傳統的干燥方法相比，節約了干燥時間，改善了微波加熱的不均勻性，避免產品出現“熱點”的同時并可以提高被干燥物的品質。物料隨轉盤轉動、物料噴動、物料不動而微波變動都可以改善微波加熱均勻性。微波變動、物料不動的技術方案使干燥器結構簡單化，為工業耦合干燥設備的開發奠定了技術基礎。

自行設計研制了三種耦合干燥設備，對其結構、功能、用途等進行了簡要概述，對耦合干燥設備的工業化研制進行了探索工作。隨著技術的發展進步，耦合干燥設備將走向成熟，成為高效節能的干燥新技術。優化干燥裝置結構、模塊化設計以及微波場中物料溫度和濕度的在線檢測和微波能大小的控制，建立數學模型模擬耦合干燥場中的傳熱傳質等將是進一步深入研究的課題。熱風微波耦合干燥技術及其設備必將在我國農產品加工中發揮重要作用。

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