微波與熱風耦合干燥技術的研究發展現狀

徐毅鋒 楊晚生

【摘 要】微波與熱風耦合干燥技術是將微波與熱風技術相結合使用的一種干燥技術，具有干燥質量好、干燥速度快及干燥能耗低等特點。文章從最優工藝組合、干燥動力學模型和裝置設備方面綜述國內外耦合干燥技術的研究現狀，分析了該技術目前存在的問題，并探索了未來微波熱風耦合干燥技術的發展趨勢。

【關鍵詞】微波熱風耦合;動力學模型;設備

0 引言

微波干燥是通過微波作用在物料的內部產生熱量，具有選擇加熱性、干燥效率高、能量應用率高等特點。在一些微波干燥的過程中，由于物料受到的微波不均勻，使物料的一些位置受微波作用的效果格外強烈，所以該位置的溫度急速上升，從而產生熱點。熱點的產生會導致物料的內部結構遭到破壞，并且微波干燥還有成本高、物料處理量小等缺點。國內外有許多學者將微波干燥和其他干燥方式結合應用，可以克服單一微波干燥的缺點，同時能提高干燥質量和干燥效率，例如微波與熱風聯合干燥等。

微波與熱風聯合干燥分為串聯干燥和耦合干燥。串聯干燥是指微波干燥與熱風干燥分別和分段對物料進行干燥;耦合干燥是將微波干燥和熱風干燥結合，同時對物料進行干燥。

1 原理及特點

微波的作用是在物料進行干燥的過程中，使材料內部的運動分子獲得能量而發生振動和碰撞進而產生熱量，使得干燥材料內部溫度升高，內部水分吸熱蒸發，產生由內到外的壓力梯度，也就是“泵”效應[1]，推動水分擴散到物料表面，傳熱與傳質的方向一致。熱風干燥則作用于物料表面，使物料表面溫度升高且表面水分吸收熱量后氣化轉移到空氣中，由此形成溫度梯度和濃度梯度[2]，驅使水分向表面轉移，熱能從干燥物料的表面向內部傳遞，傳質與傳熱的方向相反。這樣，熱風能帶走物料表面的自由水;微波能帶走內部的結合水和自由水。由此可見，微波與熱風耦合干燥能同時發揮各自的優勢，其主要特點如下：①能對物料內外同時進行加熱;②具有比微波干燥和熱風干燥更快的干燥速率和更高的干燥品質，能合理分配兩者之間的能量比例，從而降低能耗;③干燥兼具殺菌、殺蟲的功效，能保證產品的安全與衛生。

目前，國內外許多學者對微波與熱風耦合干燥的研究主要集中在最優工藝組合、相關動力學模型及裝置設備等方面。

2 研究現狀

2.1 最優工藝組合

近年來，為了使產品干燥質量更好，干燥效率更高，干燥能耗更低，許多學者對各種物料在微波與熱風耦合干燥技術下的最優干燥工藝組合進行了研究，為實際工程中的應用提供了數據參考。Alibas Ilknur[3]對含水量為9.31 g/g干固體、重量為50 g的南瓜片分別使用微波、熱風和熱風與微波耦合干燥3種干燥方法進行干燥，實驗結果顯示：微波與熱風耦合干燥時獲得了最佳干燥周期、顏色和能耗，最佳干燥組合為熱風50 ℃時+微波350 W。Kumar等人[4]用微波與熱風耦合干燥技術對秋葵進行干燥處理，并用響應面法進行優化分析，結果得出秋葵的干燥產品在2.41 W/g微波功率密度和風速為1.15 m/s、溫度為52.09 ℃熱風的條件下干燥質量最好，能源消耗最低。

Uprit等人[5]用熱風與微波耦合干燥方法對奶酪進行干燥研究，結果顯示所得產品在功率為111.5 W的微波和風速為2 m/s、溫度為53.5 ℃熱風的條件下干燥質量最好。易麗等人[6]為研究番木瓜片，采用熱風與微波耦合干燥的最優工藝組合，對產品質量的各項參數、單位能耗和干燥速率進行分析，結果表明在微波功率密度為5.5 W/g、熱空氣溫度為60 ℃、風速為0.5 m/s的條件下，綜合干燥效果最優。宋瑞凱等人[7]以馬鈴薯為研究對象，研究了在單一微波、單一熱風及熱風與微波耦合干燥狀態下馬鈴薯丁的干燥特性，利用正交試驗對其產品質量參數、干燥速率及單位能耗進行方差分析，得到馬鈴薯丁在微波功率密度為6 W/g、熱空氣溫度為50 ℃、風速為1.6 m/s的條件下的干燥效果最優。

2.2 干燥動力學模型

目前，我們在微波與熱風耦合干燥過程中對物料內部溫度和水分含量的實時檢測還存在技術難點，物料干燥動力學模型的研究對實際干燥過程的優化和控制具有指導作用。汪漢羊等人[8]將山藥作為研究對象，對其微波熱風耦合干燥過程的動力學模型進行分析，選取了9種常用的干燥動力學模型進行擬合，得出最優動力學模型為Two-term exponen-tial模型，并對模型進行驗證，結果表明該模型能很好地預測山藥微波與熱風耦合干燥過程。Mehdi Torki-Harchegani等人[9]通過研究薄荷葉干燥的脫水行為、數學建模、能量特性及精油產量，對藥材的熱空氣和微波干燥進行綜合分析。選取常用的6個干燥動力學模型作為研究對象，結果表明Midilli and Kukcuk模型對干燥曲線進行了最佳描述。A.A.Gowen等人[10]研究了對流熱風與微波耦合干燥的黃豆干燥工藝，并對Henderson and Pabis模型、Lewis模型、Bi-exponential模型及Page模型進行分析，結果表明Page模型為黃豆對流熱風與耦合微波干燥的最優擬合模型，并且提出了以下模型，將MR描述為干燥時間、空氣溫度、微波功率及干燥方法的函數：

于海明[11]對山楂片微波與熱風耦合干燥動力學進行研究，選取12個常用的干燥動力學模型作為研究對象，利用實際數據進行擬合，得到最優動力學模型為Weibull distribution模型，并對其進行修正。又利用能量守恒定理，推導出WHADK模型，通過實際數據擬合分析后得出該模型可以對干燥水分比進行預測，并對特殊干燥條件下的WHADK模型進行修正，最后得到可以全面預測干燥水分比的數學模型。

2.3 干燥裝置設備

微波與熱風耦合干燥設備的研究，目前仍存在較大的局限性，因為大多數裝置都是通過改造微波爐而來，干燥物料處理量小，缺少具有大處理量和高自控化的設備是該項技術發展和應用亟須克服的主要難題。Uprit等人[5]設計了一種可以實時檢測樣品質量變化和溫度變化的微波與熱風耦合干燥裝置，該裝置利用托板的轉動，使物料能均勻地受微波作用，提高了物料對微波能的吸收均勻性。Askari[12]設計了一種試驗級微波輔助流化床烘干機，用于對蘋果立方體進行熱風與微波耦合干燥。該裝置由家用微波爐改造而成，安裝時間控制器以實現更小的逐步功率變化。通過模型預測及實驗數據擬合分析得出流化床可以提高物料吸收微波的均勻性。但該裝置的物料處理量非常小，僅能用于實驗階段的研究，并不適合工業化。

張斌堯[13]設計了一種微波與熱風耦合干燥裝置，通過改變磁控管高壓回路的電容，使其阻抗發生變化，實現微波功率可以線性可調的目的，并經過實驗發現該系統中微波場存在不均勻性問題，導致熱點產生，干燥后的物料有少許燒焦現象;并且實驗結果的精度和結論的準確性受到了人工操作的影響，存在較大誤差。崔政偉[14]設計了一種中等規模的微波與熱風耦合干燥裝置，為箱體式結構，分為左右腔室和干燥室，上下兩風道分別與各腔室相連。根據干燥室的大小可自行設置微波口數量，同時每個微波發生器的功率均為線性可調，達到通過調節熱風能量和微波能量的比例有針對性地處理不同的干燥產品的目的。該裝置對物料的處理量較大，屬于中等規模的干燥設備。

3 展望

微波和熱風耦合干燥技術，相對單一熱風干燥技術來說，具有能耗低、干燥效率高等特點。與單一微波干燥相比，耦合干燥技術不僅改善了微波加熱的不均勻性，避免產品出現熱點和熱失控，還可以提高干燥物料的品質。

在干燥動力學的研究方面，由于耦合場的復雜性，因此大多是利用現有經典干燥動力學模型進行研究，根據實際的干燥過程建立數學和物理模型進行分析計算的研究較少。目前，利用多耦合場分析軟件COMSOL對實際干燥過程的模擬，是微波與熱風耦合干燥動力學模型研究的一個趨勢。

隨著技術的發展與進步，微波與熱風耦合干燥設備將走向成熟，成為高效節能的干燥新技術。針對大容量、連續式、均勻性好及自控化程度高的微波與熱風耦合干燥系統進行研究，開發新型的干燥設備，將是未來人們需要進一步研究的課題。

參 考 文 獻

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