新型微波真空干燥機設計

楊曉童 段 續 任廣躍

(河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023)

新型微波真空干燥機設計

楊曉童 段 續 任廣躍

(河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023)

設計了一種集微波干燥與真空干燥于一體的新型裝置，將波導和波源冷卻裝置融為一體，有效地解決了微波分布不均和微波源受熱易損壞兩大難題。物料室是微波室和真空室的交集，可以使物料既能受到微波輻射，又能處于真空環境中。分層設計的物料盤一方面可以方便拆卸，另一方面可以充分地利用物料室的空間。模塊化的冷阱設計，使冷阱可以根據干燥的需求自由的裝卸，可以有效地提高冷阱的利用效率。該微波真空干燥設備設計巧妙，安全可靠，可以滿足高品質物料的干燥加工。

微波干燥；真空干燥；模塊化；冷阱

微波干燥可以使物料內外同步受熱，具有干燥速度快，干燥均勻的特點。但是干燥溫度一般在70℃以上，容易造成物料糊化。真空干燥可以使物料在較低的溫度下干燥，很好地保護了熱敏性物料的有效成分，但是熱傳導速率慢，干燥成本高。微波真空干燥是集微波干燥和真空干燥于一體的新型干燥技術，它以微波作為熱源，可克服真空干燥熱傳導慢的缺點。在真空環境下對物料進行干燥，大大降低了干燥溫度，很好地保護了物料中的有效成分。綜合起來具有干燥速度快，干燥品質好，干燥成本低等優點，是極具發展潛力的新型干燥技術[1-2]。這樣的優勢使得它在食品[3-5]、農產品[6-9]和醫藥[10-11]方面都有廣泛的應用。

微波真空干燥設備一般包括干燥室、微波系統、真空系統、測量系統和控制系統。根據設備中物料所處的狀態，可以分為靜態型微波真空干燥設備和動態型微波真空干燥設備。靜態型微波真空干燥設備是指物料是靜止不動的。李樹軍等[12]設計過一種微波真空干燥設備，保持物料靜止不動，在微波源下面加了一個微波攪拌器，使微波能夠更加均勻地作用于物料，但缺點是能裝載的物料有限。吳琦[13]曾經設計了一種對開門式微波真空干燥設備，外觀呈長方體，物料進口和出口位于箱體的前后兩端。微波發生器均勻地分布在箱體的側面上，將物料裝入多個干燥盒，依序從進口處加入，至到加滿為止。干燥完成后加入未干物料的新干燥盒，將干燥過的物料推向物料出口處取出，解決了干燥設備裝料的瓶頸問題，但是物料干燥時靜止不動，容易出現受熱不均的問題。動態型微波真空干燥設備就是物料是運動的。Toai等[14]開發了一套連續的微波真空干燥設備，將物料放在連續轉動的擱板帶上，物料和擱板都能吸收微波能，從而提高了干燥速率。但是單向運動的擱板帶嚴重制約著物料的干燥。Kaensup等[15]設計了一種轉鼓式微波真空干燥實驗設備，工作時，物料隨轉鼓運動，受熱均勻，且可避免出現過熱點問題，但由于物料與轉鼓之間存在相對運動，易損壞物料。此外，水蒸氣易在轉鼓上冷凝，影響干燥產品的質量。閆躍華[16]設計了一種微波真空干燥設備，在真空室內安裝六角形轉輪，在六角形轉輪的每個角安裝一個物料盤，物料隨轉盤不停運動，使得物料可以均勻受熱。但是微波源只能自然冷卻，容易因發熱而損壞。針對這一現狀，本研究專門設計了一種微波真空干燥設備。它將波源和波導進行了一體化設計，物料盤進行了分層設計，冷阱進行了模塊化設計，有效地克服了已有設備的缺點，以利于微波真空干燥得到更廣泛的應用。

1 整體布局和工作過程

如圖1(a)所示，該微波真空干燥設備的外觀呈長方體。在設備的正面設置了門體系統、控制系統和真空測量系統。門體上設置有可視性窗口，窗口由玻璃制成并加裝了微波屏蔽金屬網，既可以清楚地看清物料室內的干燥狀況，又能保證微波不會泄漏。在門體的旁邊設置了操作面板，用來控制設備的各個系統。門體的下方安裝了真空計，用來測量真空發生室的真空度。在整個設備底部的4個角處對稱安裝了4個輪子，以方便設備的移動。如圖1(b)所示，該微波真空干燥設備的內部結構主要包括微波制熱部分和真空制冷部分。微波制熱部分包括微波源，波導和微波室。真空制冷部分包括真空室、真空泵、制冷機和冷阱。微波室包括微波發生室和物料室。真空室包括真空發生室和物料室。物料室為真空室和微波室交叉部分。

該設備的工作過程：先將需要干燥的物料放在-20℃ 左右進行預冷凍2 h，然后將物料放入-80℃冰箱進行速凍，確保物料中的水分都變成固態冰。接著打開倉門，將物料放入物料室的托盤中，關閉倉門和冷阱放水閥。打開真空泵抽真空，真空度達到設定值時，打開制冷機，向冷阱中注入制冷劑，確保冷阱正常工作。然后，打開微波發生器對物料進行微波加熱，并開啟冷阱和波源冷卻裝置連接處的閥門。待加熱結束后，關閉微波發生器和制冷機，打開放氣閥，待真空倉內的壓力恢復到大氣壓，打開倉門取出物料。接著，打開注水閥，向冷阱中注入水，待冷阱中的冰霜全部融化后，打開放水閥，將水排出。

1. 控制面板 2. 門體 3. 門體觀察窗 4. 波源波導 5. 真空計 6. 真空泵 7. 制冷機 8. 冷阱 9. 微波發生室 10. 物料室 11. 真空發生室

2 微波真空干燥設備各部分的設計

2.1 微波制熱部分

2.1.1 微波源及波導 如圖2所示，微波源和波導焊接為一個整體，上層是微波源，下層是波導，波源和波導之間設置有法蘭，該法蘭與微波真空干燥設備的外層金屬壁焊接或螺釘連接，保證微波不會泄漏。下層的波導結構是一個由空心不銹鋼管制成的彈簧結構。彈簧底部設置了不銹鋼底板，以利于微波的反射。彈簧結構的螺距為d，該距離可以使反射的微波順利通過。這樣的波導結構可以使微波在波導底板和彈簧之間復雜的反射，最后從彈簧縫隙處射出，得到的微波更加均勻。另外，微波源使用過程發熱會嚴重影響其使用壽命，傳統的自然冷卻效果差，所以本波導的彈簧結構由空心不銹鋼管制成，管內可以加入制冷劑對微波源進行冷卻。并在波導的進口處分別設置了進口閥(圖中未顯示)，便于控制制冷劑的進入，波導的出口是封死的，防止制冷劑泄漏。

1. 進口 2. 波源 3. 法蘭 4. 波導 5. 不銹鋼底板 6. 出口

2.1.2 微波室 微波室包括上層的微波發生室和下層的物料室。微波發生室和物料室之間用陶瓷板隔開。因為陶瓷板對微波能的吸收可以忽略。既可以最大程度地作用到凍干物料上，又能防止水、灰塵等進入波導部分，保證設備部件的性能和使用壽命，提高微波能的轉換效率。

(1) 微波發生室：如圖3所示，微波發生室上面和四周面為不銹鋼，防止微波泄露。下面為陶瓷板，允許微波順利進入物料室，陶瓷板與不銹鋼外壁之間真空密封連接。

1. 不銹鋼外壁 2. 陶瓷板

(2) 物料室：如圖4所示，物料室為雙層結構。外層由不銹鋼組成，防止微波泄露。內層由聚四氟乙烯組成，微波可以順利的通過。物料托盤也是由聚四氟乙烯組成，既可以盛放物料又允許微波順利通過。所述的物料托盤與物料室的聚四氟乙烯內層裝配到一起。即聚四氟乙烯內層作為支架部分，物料托盤作為盛料部分。物料托盤為抽屜狀的，可以自由地在內層聚四氟乙烯支架上推拉，既方便物料的裝卸，又可以根據實際的需要增加物料托盤的數量。物料室的下面設置有微波屏蔽板。微波屏蔽板為不銹鋼金屬板，金屬板上均勻分布有直徑為2～4 mm的小孔。所述微波屏蔽板一方面可防止微波進入真空發生室，通過真空管泄露，另一方面可允許物料室中的水蒸氣通過，被冷阱捕捉。

另外，在微波屏蔽板上還開有允許照明設備和測溫設備通過的管道，即測量裝置在物料室，連接測量裝置的電線在真空發生室。照明設備和測溫設備的外面都設有微波屏蔽的外殼(即金屬材質的外殼，上面均勻分布2～4 mm的小孔)，這樣可以有效防止測量裝置打火放電。

1. 不銹鋼外壁 2. 陶瓷板 3. 聚四氟乙烯內壁 4. 微波屏蔽板5. 物料盤 6. 測溫裝置 7. 照明裝置

2.2 真空制冷部分

2.2.1 真空室 真空室包括物料室和真空發生室。物料室是真空室和微波室的交叉部分，所以這里就不再贅述。真空發生室如圖5所示，四周及底面由不銹鋼組成，防止微波泄露。上面為微波屏蔽板，將物料室和微波發生室隔離。所述的微波屏蔽板與微波制熱部分所述的屏蔽板為同一個屏蔽板，所以這里也不再贅述。微波發生室的左面上設置了均勻分布多個的水蒸氣捕捉口，捕捉口與冷阱相通，物料室的水蒸氣通過微波屏蔽板進入真空發生室，再從真空發生室通過水蒸氣捕捉口進入冷阱被冷阱捕捉，均勻分布的水蒸氣捕捉口可以防止冷阱出現局部冰層過厚的現象。

1. 水蒸氣捕捉口 2. 微波屏蔽板 3. 照明裝置 4. 測溫裝置5. 不銹鋼外壁 6. 真空管道

2.2.2 真空泵 如圖6所示，所述的真空泵由不銹鋼制成。外觀為近似的長方體，在泵體的最上部設置了把手以方便拿取。還設置了底座保證泵體受力平衡，可以平穩的放置。另外，在泵體上還設置了進油口和出油口。進油口為換油時注入油的地方，位于泵體上部，這樣在重力的作用下可以保證油順利的進入泵體。出油口為換油時流出油的地方，位于泵體下面，剛好與泵體油腔的底面相切，這樣可以保證油完全流出。油腔的側面上還設置了由玻璃制成的目視鏡，可以清楚的觀察油腔的內部情況。目視鏡上設置了最高刻度和最低刻度，方便估算加入油的量。真空管道位于最上端，與真空發生室通過管道真空密封連接。底座處設置了電源插口，用來通電驅動真空泵工作。

1. 出油口 2. 進油口 3. 真空管 4. 把手 5. 電源插口 6. 目視鏡

2.2.3 制冷機和冷阱 如圖7所示，制冷機的制冷劑輸出端與冷阱的進口端相連。冷阱的出口端與波導的進口端相連，使得冷阱中的冷凝劑也可以進入波導的彈簧結構中，為微波源降溫，提高微波源的使用壽命。并且在冷阱與波導的連接處設置了真空閥，用來控制冷阱與波導接通與否。冷阱與真空發生室之間設置有相通的水蒸氣捕捉口，使得物料室內產生的水蒸氣先進入真空發生室，再從真空發生室的水蒸氣捕捉口進入冷阱，被冷凝管單元捕捉。

如圖8所示，冷阱包括冷凝管單元、外殼、進水口、出水口和溢流閥。如圖9所示冷凝管單元是由空心不銹鋼管組成的正方體，使得正方體的每個面都呈“田”字型，空心管之間通過無縫焊接相互連通，保證冷凝劑可以在冷凝管單元內自由流動。在正方體的前后兩面的正中間分別設有冷凝劑的進出口。由于冷凝管單元的尺寸都是標準化設計，可以方便地根據干燥物料的多少來增減冷凝管單元的數量，以提高冷阱的利用率。冷凝管單元的進出口處都車有螺紋，冷凝管單元之間用標準管接頭連接。冷凝管單元位于冷阱外殼正中央，它們之間通過螺栓連接，冷阱外殼為長方體，四周面和后面用不銹鋼制成，前面用透明玻璃制成，玻璃和不銹鋼之間真空密封配合。這樣的構造可以清楚地從玻璃窗處觀察冷阱里面水分捕捉情況及加入水的量。干燥結束以后，水蒸氣被冷阱捕捉成冰霜，附著在冷凝管單元上，此時加入常溫的水可以將冰霜融化成液態水，順利地排出。因此，在冷阱外殼的最里面設置有進水口，出水口及溢水閥。進水口位置最高，出水通道位置最低，這樣可以利用重力作用方便地加水或放水。溢水閥位于進水口和出水口之間，用于防止加入的水過多溢出。

1. 制冷機 2. 連接管 3. 冷阱

3 性能試驗

該微波真空干燥設備微波輸入功率設計為20 kW，波導尺寸為100 mm×150 mm，物料室體積為0.66 m3，微波屏蔽板上小孔直徑為2～4 mm。選取型號為WBL-1000的微波源一只，型號為IS-KI5100的測溫裝置1只，型號為6RG781212的照明裝置2只。挑選大小均勻且無病蟲害的新鮮荔枝，按照前面所述的設備工作過程干燥荔枝，測定設備的主要性能參數(見表1)。從表1可以看出該設備的各項指標均達到了設計要求。所得的荔枝干的干基含水率為0.17 kg/kg，干燥后荔枝皮的形狀保持不變，里邊的果肉呈暗褐色，果肉香軟可口。

1. 冷凝管進口 2. 進水口 3. 溢流閥 4. 出水口 5. 水蒸氣捕捉口 6. 冷凝管出口

1. 冷凝管進口 2. 冷凝管 3. 冷凝管出口 4. 管接頭 5. 螺紋

表1 微波真空干燥設備性能參數?Table 1 Performance parameters of the microwave vacuum drying equipment

4 結論

本研究設計將波導和波源冷卻裝置巧妙地融為一體，既能保證物料受熱均勻，又提高了波源的使用壽命。物料室為真空室和微波室的交叉部分，能同時滿足微波和真空的環境。將物料托盤設計為抽屜型，既方便裝卸，又充分利用了空間。“田”字型的冷阱設計，可以單元化的安裝和拆卸，大大地提高了冷阱的利用率。經實驗驗證，該微波真空干燥設備結構合理,操作方便、性能穩定、安全可靠，完全滿足設計的要求。

本研究設計的微波真空干燥設備是在實驗室試驗的基礎上設計的，很多參數需要在實際應用的過程中進行完善或修正。

該設備可以滿足大多數熱敏性物料對干燥速率和干燥品質的要求，但是它的自動化控制系統仍需完善，以便進一步降低加工成本，適應更寬廣的市場。

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Design of a new microwave-vacuum dryer

YANG Xiao-tongDUANXuRENGuang-yue

(FoodandBiologyEngineeringCollege,HenanUniversityofScience&Technology,Luoyang,Henan471023,China)

A new type of microwave and vacuum drying device combining waveguide and wave source cooling device was designed. This improvement helped to solve two big problems effectively, uneven distribution of microwave and wave source easily broken on heat. Because the material chamber is the intersection of microwave and vacuum chambers, material could be in microwave radiation as well as in vacuum environment. Thus, the material plates were hierarchical designed. On the one hand, they were easily tear down, on the other hand, material room space could be made full use. Moreover, the cold traps designed by modular to make it easily loaded and unloaded according to the requirements of drying, and this could effectively improve the utilization efficiency of the themselves. The microwave vacuum drying equipment design was clever, safe and reliable, and could satisfy the drying processing of high quality material.

microwave drying; vacuum drying; modular; cold trap

楊曉童，男，河南科技大學在讀碩士研究生。

段續(1973-)，男，河南科技大學教授，博士。 E-mail: duanxu_dx@163.com

2016—07—05

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.022