微波紅外振動床協同干燥機設計與試驗

宿佃斌 曾詩雨 呂為喬 李 棟 趙 丹 趙東林

(1.山東理工大學農業工程與食品科學學院， 淄博 255000； 2.中國農業大學工學院， 北京 100083；3.中國農業機械化科學研究院集團有限公司， 北京 100083)

0 引言

電磁波在特定的波段下，能刺激水分子等極性小分子、基團高頻振蕩，進而形成熱效應，例如太陽能干燥、紅外干燥、微波干燥、射頻干燥等[1-5]。其中，微波干燥和紅外干燥的能量較為集中，被大量應用在果蔬物料的加工中[6-7]。

微波干燥中物料被整體加熱，具有精準高效和功率靈敏易控制等優點，被廣泛應用在果蔬等干燥領域[8-12]。然而，基于干燥過程中物料內部生物組織結構、分割形態、疊放位置、微波場強分布和穿透深度等因素的差異，干燥不均是果蔬物料微波干燥的主要問題[13-14]。

相對于微波干燥，紅外干燥在處理體積大、物料層較厚的塊狀果蔬物料上，穿透力不足，更多的熱量依賴由外向內的能量傳導[15-20]。

將振動的床體引入微波干燥設備，并通過電磁閥和可編程邏輯控制器(Programmable logic controller，PLC)控制振動的頻率和強度，可有效避免物料冷點、熱點的極限溫度出現[21]。文獻[14]通過HFSS軟件模擬仿真并優化設計，較早地研制了多饋源微波熱風振動床干燥機。文獻[21]以苦瓜為原料，跟蹤了大量工藝試驗，并從振動方式、送風系統等方面進行優化創新，研制了第二代微波熱風振動床干燥機。二代機中，近乎100%的熱風將通過物料層，有效提高了熱風的能效，但物料表層的干燥均勻性仍有待提高。將紅外發生器引入微波干燥設備，可以提高物料表層的受熱均勻性，加快物料表層水汽的蒸發，促進微波均勻干燥，但目前，尚未有微波紅外協同干燥的研究報道[22-23]。微波、紅外和振動三者協同，研制微波紅外振動床協同干燥(Microwave infrared vibrating-bed drying，MIVBD)設備，將有效改善微波干燥的傳熱傳質效果，對提升果蔬干燥品質具有重要意義。

本文研究微波紅外振動床協同干燥機。采用2支磁控微波管獨立饋入微波能，4支碳纖維中遠波紅外石英電熱管提供紅外輻射能，振動裝置使物料處于流化狀態，以保證物料干燥的均勻性，并利用該設備進行新鮮姜片干燥試驗驗證。

1 總體設計與工作原理

1.1 結構

為改善微波干燥農產品物料的均勻性，提高干燥效率和干燥品質，開發并試制了MIVBD設備，設備的結構如圖1所示。整機由微波系統、紅外系統、振動系統、排風系統、控制系統等主要工作系統組成。微波源采取2 450 MHz常見頻率的磁控管，紅外源采用以2.5～25 μm波段為主的中遠波紅外加熱管。微波和紅外作為農產品干燥的能量來源，協同布置于諧振腔的兩側和頂部。物料溫度由預留的紅外溫度傳感器采集，并通過PLC實時控制微波源、紅外源的工作強度。設備外部設有保溫層，確保紅外輻射能源的高效利用。圖2為整機和各工作系統的實物圖。

圖1 MIVBD設備結構原理圖Fig.1 Schematic of MIVBD structure1.振動床底座 2.減振彈簧 3.振動電機 4.助振柔性折彎片 5.物料托盤 6、11.微波源 7.顯示屏 8.排風管 9.排濕孔 10.諧振腔 12.振動連接桿 13.減振橡膠彈簧 14.柔性減振箱體 15.諧振腔支撐架 16.控制系統 17.排濕裝置 18.引風機 19.紅外加熱管 20.紅外溫度傳感器 21.紅外加熱倉 22.紅外倉溫度傳感器 23.紅外倉微波屏蔽裝置 24.諧振腔門 25.物料

圖2 MIVBD整機和各工作系統實物圖Fig.2 Diagrams of MIVBD and its main working systems

1.2 工作原理

1.2.1MIVBD干燥原理

微波、紅外與振動的床體組合干燥，能充分利用單純微波干燥精準高效的優勢，協同改進微波干燥的品質，其原理如圖3所示。微波能以電磁輻射形式進入濕物料，由內到外產生大量水蒸氣，從而形成有效的氣壓差，驅動水分以氣體的形態向表面遷移，物料的傳熱方向、蒸汽遷移方向和溫度梯度方向一致，形成了微波組合干燥的優勢。同時受多種因素的影響，微波能在傳輸過程中會逐漸衰減，若把被干燥的物料體系看成一個整體，微波的穿透行為將會對干燥過程產生顯著的影響。但在物料堆放體積較小時，物料中心部位熱量不易及時散出，不斷積聚的熱量導致物料中心部位溫度較高，容易發生局部過熱，形成溫度的熱點。在物料堆放體積較大時，物料中心部位超出了微波的滲透深度，微波能量在物料中心部位已經發生顯著衰減，容易發生局部能量吸收不足，形成溫度的冷點。

圖3 微波紅外振動床協同干燥在干燥塊狀果蔬物料時的傳熱優勢Fig.3 Heat transfer advantages of MIVBD in drying of bulk agricultural products

研制的新型MIVBD設備將振動的床體引入微波干燥設備，并通過變頻器和PLC控制振動的頻率和強度，可有效避免物料冷點、熱點的極限溫度出現。單純的紅外干燥難以穿透較厚的物料體系。將紅外發生器引入微波干燥設備，并配合微波系統交替工作，可使物料內部在高強度的微波干燥中得到一定時間的緩蘇，同時加快物料表層水蒸氣的蒸發。在MIVBD設備中，微波、紅外和振動三者協同有利于提升果蔬微波干燥品質。

1.2.2MIVBD設備運行原理

在MIVBD設備整機工作時，首先將待干燥果蔬物料鋪滿物料盤，物料溫度由紅外傳感器在線監控。隨后，微波、紅外源以及振動系統同時工作，微波功率連續可調，紅外源功率和啟停時間連續可調，振動床工作啟停時間連續可調。

基于微波的能量饋入精準易控，但紅外能量饋入有一定的延遲性，設備設定物料溫度上限、中限和下限。當監測到的物料溫度低于溫度下限時，微波紅外同時工作；介于溫度下限和中限時，紅外源斷開，微波以固有功率單獨工作；介于溫度中限和上限時，紅外源斷開，微波以低功率單獨工作；高于溫度上限時，微波紅外全部停止工作。物料的振動和靜止時間可根據物料的干燥狀態實時調整。

1.3 主要技術指標

試驗搭建的MIVBD設備集微波、紅外和振動床功能為一體，主要用來干燥各種果蔬等農產品物料，特別是中高含水率農產品物料。設備裝機功率4 kW，物料裝載量為100～5 000 g，外形尺寸為440 mm×440 mm×350 mm，微波諧振腔尺寸為650 mm×500 mm×500 mm，物料盤尺寸為440 mm×440 mm×350 mm，微波功率為2 000 W，紅外功率為2 000 W，振動電機功率為30 W×2，物料盤開孔率為5%，測溫范圍為0～300℃，微波泄漏量低于1 mW/cm2。

2 關鍵部件設計

2.1 微波諧振腔設計

諧振腔是微波系統的重要組成部分，在諧振腔內物料吸收微波能并將其轉化為熱能，物料溫度升高促進自身水分擴散。如圖4(圖中a、b、d分別表示諧振腔在x、y、z方向的長、寬、高)所示，諧振腔體上集成了微波源、排濕孔、紅外溫度傳感器和紅外倉微波屏蔽裝置等重要部件，其形狀尺寸對內部微波場的分布、振動裝置的安裝和排濕裝置的工作狀態具有較大的影響。按照諧振腔結構特點其主要可以分為矩形、圓柱形和同軸線控諧振腔等。在實際工業生產中矩形諧振腔具有多諧性，制造加工、安裝等相對簡單，且介電損耗較低等特點，應用較為廣泛。同時，為方便本設備中振動系統、物料盤和微波源的安裝，減小加工制造難度，設備選擇多模矩形諧振腔。

圖4 諧振腔結構示意圖Fig.4 Schematic of resonator structure1.微波屏蔽套筒 2.物料托盤 3、7.微波源 4.排濕孔 5.紅外溫度傳感器 6.紅外倉微波屏蔽裝置 8.諧振腔 9.諧振腔門 10.物料 11.振動連接桿

諧振腔內的微波分布會因物料加載量、擺放位置和介電屬性等因素發生改變[21]，加之諧振腔內振蕩模式及場強分布的復雜性，在實際尺寸計算過程中需要利用等效電路的相關理論通過測量得到該值，一般情況下首先要計算微波源的工作頻率，然后根據諧振頻譜分布和諧振腔中場強分布均勻性確定諧振腔的結構參數。工作頻率為2 450 MHz的磁控管技術較為成熟，且在微波加熱設備中應用較為廣泛[24]。基于此，本設備設計中選擇OM75P-11-ESDYF型磁控管(SAMAUNG公司，韓國)為微波源，額定輸入電壓220 V，輸出電壓2 500 V，額定功率1 000 W。

圖4所示的矩形諧振腔，在設計時常用近似計算公式對諧振腔工作模式所對應的諧振頻率進行計算，即

(1)

其中

(2)

式中f0——諧振頻率，Hz

Δf——工作頻率附近頻率寬度，取50 MHz

MS——修正系數

c——光速，m/s

m、n、p1——矩形諧振腔中振蕩模式在x、y、z方向的半駐波數目

εr——填充介質介電常數

δ——填充介質介電損耗正切角

V1——諧振腔體積，m3

Vr——填充介質體積，m3

在設計過程中可以對符合設計條件的任意a、b和d組合進行驗證，從計算結果中挑選工作模式多并且頻率間隔較為均勻的組合，并通過修正系數計算公式進行結果修正，以改善微波場強在諧振腔內分布的均勻性。

品質因數Q0表征諧振腔損耗，是品質指標，為了提高微波場分布的均勻性和減少能量損耗，一般需盡量提高諧振腔的品質因數，其計算公式為

(3)

其中

(4)

式中δ′——內壁集膚效應系數，m

S——諧振腔內部表面積，m2

σ——電導率，H/m

f——微波頻率，Hz

μ——磁導率，S/m

由式(3)可知，V1/S越大，Q0越大，但諧振腔體積過大會降低電場強度，影響加熱效率，因此Q0也不宜過大。一般情況下[25-26]，當微波源中心頻率為2 450 MHz時，諧振腔具有5個以上間隔大于10 MHz的模式頻譜寬度，Q0不大于1 000。通過分析市面上常用的微波諧振腔尺寸參數，并且參照最大單批次處理量、物料盤尺寸參數和安裝需求等相關因素，當諧振腔的尺寸為440 mm×440 mm×350 mm時，諧振腔的品質因數為932，符合設計要求。

2.2 不同饋波口位置微波場模擬分析與優化設計

諧振腔內的微波能量分布與內部微波場強的分布相關，微波場強在諧振腔內分布不均會使被干燥物料微波能吸收不均，造成被干燥物料局部溫度過高(即“干燥熱失控”)或者過低，這對物料加熱均勻性的提高和干燥品質的調控造成了很大的阻礙[27]。研究顯示，微波干燥的不均勻性仍然是目前微波干燥裝備設計制造過程中亟需解決的問題[28]。基于此，本文基于多物理場耦合技術對諧振腔中微波源的相對位置和物料工作面的高度進行了優化設計。

2.2.1三維模型構建與網格劃分

利用COMSOL軟件自帶的幾何模塊對微波紅外振動床干燥設備的諧振腔部分進行了三維模型重構。諧振腔的尺寸為440 mm×440 mm×350 mm；選擇BJ-26型矩形波導作為微波的饋入端，兩個波導分別布置于諧振腔左右兩側。為了充分考慮諧振腔內物料對微波場分布的影響，建模時將物料顆粒置于振動床干燥工作面上，仿真時設置干燥工作面的初始高度為60 mm，如圖5所示。

圖5 三維模型構建與網格劃分Fig.5 3D model construction and mesh generation

物料為邊長20 mm立方體，均勻地排布于工作平面上，共計64個(8行×8列)。仿真時考慮物料介電參數隨溫度變化，將物料塊介電參數設置為

(5)

式中ε′——介電常數ε″——損耗因子

T——溫度，取20～100℃

網格劃分尺寸對仿真結果的準確性具有重要的影響[29]，前期仿真綜合研究了網格劃分參數與模型收斂之間的耦合關系。基于此，使用COMSOL軟件自帶的網格模塊對模型進行了網格劃分，并且對物料干燥工作面、物料顆粒和微波源進行了網格加密。最后生成網格頂點數為141 508，單元數為714 485，平均單元質量為0.660 1。

2.2.2仿真控制方程及邊界條件

仿真中假設：生姜是各向同性的物質，初始溫度和含水率是相同的；濕空氣是不可壓縮的；仿真環境中存在熱平衡。宏觀層面上針對電磁問題的分析中，所有的分析都歸結于求解具有一定邊界條件的麥克斯韋方程組，一般情況下在仿真計算過程中習慣將麥克斯韋方程組寫成微分形式。

微波在實際生產中，微波的傳輸與作用效果會受到諧振腔和波導的材料屬性等的影響，因此微波能量在應用過程中存在一定的損耗，經過計算可得到微波能量損失表達式為

(6)

式中E——電場強度，V/m

D——電位移或電通量密度，C/m2

H——磁場強度，A/m

B——磁通量密度，H/m

J——電流密度，A/m2

n——對稱面法向矢量

V2——計算域

S1——計算域V2閉合邊界

在仿真過程中還考慮了果蔬物料顆粒內部的傳熱，增加了固體傳熱模塊，其方程可表示為

(7)

其中

(8)

式中ρ——被加熱物料密度，kg/m3

Cp——固體恒壓熱容，J/(kg·K)

k2——固體熱導率，W/(m·K)

u——當模型的部分在材料框架中移動時由平移運動子節點定義的速度場，m/s

Q——媒質吸收能量，J/kg

?T/?t——媒質加熱速率，K/s

在材料屬性設置中將諧振腔、出風口的材料屬性設置為不銹鋼，在軟件默認的理想邊界條件下進行微波分布與固體傳熱仿真。在理想情況下，邊界條件需要滿足

(9)

式中n2——介質法向矢量

E1、E2——理想狀態、有介質時電場強度，V/m

H1、H2——理想狀態、有介質時磁場強度，A/m

O——零向量

即在理想狀態下，理想邊界表達式為

n×E=O

(10)

式(10)表示特殊情況下的一種邊界條件，使電場的切向分量為零，已有研究表明邊界條件為理想邊界條件時，仿真結果與實際情況相差不大[30]。

2.2.3優化結果分析

干燥工作面電場強度云圖能直接反映微波在此表面的電場強度，因此研究干燥工作面的電場強度對提升物料的微波加熱均勻性具有重要意義。如圖4b所示，微波源的起始位置位于諧振腔左右兩側的中心位置，此時諧振腔微波分布極為不均勻，在干燥工作面(高度為60 mm)兩側有很多熱點，中部有很多冷點。目前，在微波干燥過程中主要是通過改變微波源在諧振腔中的排布位置、調整工作面高度、調整被干燥物料的相對位置以及輔助其他干燥工藝來提高物料的干燥均勻性[31-32]。因此，對微波源的排布位置進行了調整，仿真結果如圖6所示。

圖6 不同微波源位置時物料干燥工作面(高度為60 mm時)微波場分布云圖Fig.6 Microwave field distributions of material drying working face (at height of 60 mm) with different microwave source positions

由圖6可知，諧振腔左右兩側微波源的高度對干燥工作面的微波場分布具有明顯的影響，分析發現，當左側微波源上移20 mm，右側微波源居中時，干燥工作面沒有明顯的冷點和熱點區域，微波分布較為均勻。此時，諧振腔xz面的微波場分布如圖7a所示，可見在該切面上電場分布也存在不均勻的現象，在沿z軸方向上仍然存在熱點和冷點區域交替的現象。因此需要對干燥工作面的高度進行調整，進一步提高干燥工作面的微波場分布均勻性。

圖7 不同干燥作業面高度時其表面微波場分布Fig.7 Distributions of microwave field on surface of different drying heights

當干燥作業面處于不同高度時，工作表面微波場分布如圖7b～7d所示。當干燥工作面高度為80 mm時，熱點區域基本消失，但是干燥工作面出現了面積較小的冷點區域，但隨著干燥工作面高度的進一步升高，冷點區域面積明顯增大，并且也出現了電場強度較大的熱點區域。基于上述研究確定MIVBD設備左側微波源位于以中心位置上移10 mm，右側微波源居中布置，干燥工作面高度為80 mm。

2.3 紅外裝置設計

紅外部分選取碳纖維中遠波紅外石英電熱管，額定電壓220 V，額定功率為2 000 W(500 W/支×4支)，均衡布置在諧振腔頂部，紅外倉體下部為不銹鋼多孔面板結構，開孔率80%以上，在防止微波對紅外系統發生影響的同時，提高紅外輻射的效率。紅外倉體的四周和頂部面板均設有隔熱層，減少能量耗散，結構如圖8所示。在農產品MIVBD過程中，通過溫度傳感器實時監測紅外加熱倉內部的溫度，當達到紅外加熱管的安全溫度上限(500℃)時，紅外加熱管在PLC控制下間歇式工作，并且紅外加熱管工作時間可通過PLC連續控制，確保對不同物料不同干燥階段饋入合理的能量。

圖8 紅外加熱系統結構示意圖Fig.8 Structure diagrams of infrared heating system1.紅外加熱管接線柱 2.絕緣端子 3.紅外加熱倉外壁 4.陶瓷絕緣板 5.溫度傳感器 6.紅外加熱管 7.紅外反射板 8.紅外溫度傳感器安裝口 9.隔熱層 10.紅外加熱倉 11.微波屏蔽裝置

2.4 振動裝置設計

2.4.1結構設計

振動床裝置包括物料盤、振動電機、橡膠彈簧和振動連接桿等，如圖9a所示。在微波干燥中，諧振腔內的零部件使用聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，PTFE)制作，MIVBD設備的物料盤和振動連接桿使用聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，PPS)制作。物料盤置于微波諧振腔內，柔性助振機構和減振機構置于諧振腔外。振動電機與助振柔性盤通過螺栓固聯，且在助振柔性盤上對稱布置；助振柔性盤與助振柔性折彎片焊接成一體。振動連接桿通過螺栓與物料盤和助振柔性折彎片連接，可以通過調整螺栓位置對物料盤的高度進行調控。振動電機產生的振動傳遞到助振柔性盤和助振柔性折彎片后，經振動連接桿傳遞至物料盤，物料盤中的物料在雙振動電機的激勵下按照一定的規律混合運動，從而實現物料的充分混合，并且可以通過變頻器調整振動電機的轉速，以適應不同物料的混合需求。橡膠彈簧噪聲小，在共振區時振幅更小，結構穩定性更好，且易于設計，因此設備選擇橡膠彈簧來連接機架和振動裝置，起到減振作用，保證設備的正常運行。

圖9 振動系統結構和工作原理圖Fig.9 Structure and working principle diagrams of vibration system1.振動架固定底板 2.振動床底部機架 3.減振底座 4.減振彈簧連接件 5.柔性減振箱體 6.減振橡膠彈簧底部鋼墊 7.減振橡膠彈簧 8.助振柔性折彎片 9.物料托盤 10.振動連接桿 11.助振柔性盤 12.振動電機 13.減振彈簧

2.4.2振動裝置原理分析及關鍵部件選型

振動裝置工作原理如圖9b所示，振動裝置的激振力由振動電機提供。為了控制物料盤只在豎直(z1軸)方向振動，兩個振動電機在x1軸上相對于z1軸對稱布置，在水平方向上關于x1軸對稱安裝，通過PLC控制兩個振動電機同步反向轉動，此時，兩個振動電機在x1軸方向產生的慣性力相互抵消[33]，在z1軸方向產生的慣性力相互疊加。振動電機中偏心塊在電機的帶動下勻速旋轉，z1軸方向的慣性力在偏心塊的帶動下產生周期性變化，從而實現物料盤帶動物料在豎直方向實現周期性的運動，物料群在上下運動過程中相互碰撞、擠壓導致相對位置變化，從而實現了物料的流化狀態。

對振動裝置的總參振體進行受力分析，發現總參振體受到振動電機提供的激振力F和橡膠彈簧提供的恢復力∑Kmz，總參振體激振力方程為

(11)

式中M——總參振質量，kg

z——豎直方向位移，m

∑Km——橡膠彈簧提供的總剛度，N/m

由式(11)可得振動裝置的激振力為

(12)

式中r——振動裝置振幅，取0.002 m

ω——振動頻率，取100.48 rad/s

當振動裝置處于靜止時，振動裝置引起的橡膠彈簧的變形量應稍大于振動裝置處于振動狀態時的振幅(λ=0.005 m)，則單個橡膠彈簧剛度Km為

(13)

系統固有頻率為

(14)

通常情況下振動裝置總體振動頻率大于共振狀態的頻率時整個振動系統才能穩定工作，即頻率比ω/ω0一般取2～6.5[33]，該振動裝置的頻率比為2.27，振動系統可以穩定運行，據此選擇欣佳宏牌TO-0.1A型振動電機(激振力為280 N/m)和鑫鼎誠牌Φ80×Φ110×Φ40型橡膠彈簧(彈簧剛度為12 250 N/m)，兩臺振動電機總激振力為560 N/m(大于406.8 N/m)，均滿足設計要求。

2.5 控制系統設計

2.5.1總體設計

控制系統是MIVBD設備的核心裝置之一，負責設備工作狀態監測、振動床體驅動、微波和紅外加熱功率控制、引風機開關、內部關鍵參數顯示和干燥參數設置等，實現果蔬干燥環境和干燥參數始終有序可控，保證MIVBD過程操作的穩定性和高效性。

設備選擇DVP30EX200R型PLC作為控制器；并且，控制系統可以通過上位機(觸控屏)實時顯示干燥過程中各部件的工作狀態和物料溫度。操作時主要通過觸控屏對物料溫度、紅外溫度、微波功率等進行設定，干燥過程中的紅外溫度、物料溫度等信息通過信號采集模塊傳遞給中央控制器，然后由中央控制器根據設定的程序對振動電機變頻器、紅外加熱模塊、微波模塊和排引風機的工作狀態進行調控，控制系統流程如圖10所示。

圖10 控制系統流程圖Fig.10 Flow chart of control system

2.5.2溫度負反饋調控單元設計

物料溫度作為重要的干燥參數，對物料干燥效率、干燥品質等具有重要影響，在干燥過程中需要對其進行實時監控和調控。為此，MIVBD設備控制系統中內置了加熱裝置-物料溫度負反饋調控單元，如圖10所示。

干燥開始后，紅外溫度傳感器將持續檢測物料溫度，并將物料溫度傳送至控制系統，控制系統將根據干燥溫度對微波功率和紅外加熱功率進行動態調控。首先，微波和紅外加熱管將以設定功率對物料進行加熱，隨著干燥過程推進物料溫度逐漸升高，當物料溫度升高至T1時，為了防止物料溫度發生非可控飆升，微波功率將減小至初始功率的70%，紅外加熱管停止工作；當物料溫度升高至T2時，微波功率將減小至初始功率的40%；當物料溫度升高至T3時，微波源停止工作；微波源和紅外加熱管停止運行后，物料溫度會逐漸降低，當紅外溫度傳感器檢測到物料溫度低于T3和T2時，微波源將分別以設定功率的40%和70%進行工作；當物料溫度降至T1后，微波源和紅外加熱管將按照設置功率進行工作。由于紅外加熱具有一定的滯后性，且當物料溫度低于T1時，若紅外加熱管保持工作狀態，極易產生紅外加熱管自身溫度的非可控飆升；為此，控制紅外加熱管為“每隔t1工作t2”間歇式工作狀態，且在紅外加熱裝置中設計了紅外倉溫度傳感器，當紅外加熱倉溫度大于500℃時，紅外加熱管停止工作。加熱裝置-物料溫度負反饋調控單元在整個干燥作業中保持工作狀態，直至干燥結束。

3 試驗

3.1 試驗材料

試驗選取高含水率的生姜作為試驗原料，對MIVBD設備的干燥性能進行試驗驗證。所選材料購于本地超市，為同一品種和批次，含水率92.05%。將物料用固定的切分模具切成5 mm厚薄片，置于4℃冰箱待用。

3.2 試驗方法

在MIVBD試驗中，每批次將1.5 kg姜片加入物料盤中，設定物料溫度上限65℃、中限63℃和下限60℃，微波上限功率為1.5 W/g，紅外功率為1.0 kW。當溫度傳感器監測到的姜片溫度低于溫度下限60℃時，微波紅外同時工作；當監測到的物料溫度介于下限60℃和中限63℃時，紅外源斷開，微波以上限功率單獨工作；介于溫度中限63℃和上限65℃時，紅外源斷開，微波以低功率單獨工作；當監測到的物料溫度高于上限溫度65℃時，微波紅外全部停止工作。MIVBD前開啟紅外加熱將諧振腔預熱至60℃。干燥過程中開啟振動時，振動床的靜止和工作時間設為300 s和30 s，并可根據干燥狀態調整。干燥過程中保持引風機開啟，以及時排出諧振腔中的水蒸氣。結合MIVBD設備特點和上述總體參數確定試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案和參數設置Tab.1 Experimental scheme and parameter setting

3.2.1干燥動力學

在干燥過程中每隔一定時間稱量生姜質量，并對干基含水率、水分比和干燥速率進行計算分析。

3.2.2干燥均勻性

干燥過程中將諧振腔爐門打開，利用Ti55FFT型紅外熱像儀(福祿克儀器有限公司，美國)快速獲得物料盤中樣品的熱像圖，使用紅外熱像儀自帶的分析軟件Smart View 4.3對熱像圖進行數據分析。如圖5b所示，將物料托盤底部均勻分成9個網格，并取每個網格的中心作為溫度監測點，在熱像圖中對9個溫度監測點的溫度進行取值，溫度不均勻系數計算公式為

(15)

式中σT——監測點溫度均方根偏差

Ti——監測點溫度，℃

n——監測點數目

3.2.3色澤測試

使用色差儀測定生姜樣品的顏色，總色差計算公式為

(16)

式中L*、a*、b*——生姜干品亮度指數、紅色指數、黃色指數

3.2.4能耗計量

干燥過程中使用DTS4921型電能表(浙江鼎碩電氣有限公司)計量設備的總能耗。

3.2.5數據分析方法

所有試驗重復3次，使用Origin數據繪圖分析軟件對試驗數據進行處理和繪圖。使用SPSS 20.0進行Duncan檢驗(P<0.05，差異顯著)等統計學分析。

3.3 結果分析

3.3.1干燥特性

按照表1所示的干燥方案和參數對新鮮的姜片進行干燥，得到了4種不同干燥工藝下干基含水率隨干燥時間的變化曲線，如圖11所示。

圖11 姜片干基含水率隨干燥時間變化曲線Fig.11 Variation curves of moisture content of dry basis of ginger slices with drying time

紅外振動干燥和微波振動干燥分別用時(320±5)min和(80±1.5)min，微波紅外干燥和微波紅外振動干燥分別用時(70±1.3)min和(60±1.2)min；微波振動干燥比紅外振動干燥時間縮短了75%，微波紅外振動干燥比微波紅外干燥時間縮短了14.29%，微波和紅外聯合提高了物料的干燥效率，并且振動對干燥效率的提高具有顯著影響。

該設備干燥過程中的總能耗如表2所示，與紅外干燥和微波振動干燥相比，微波紅外振動干燥顯著降低了干燥能耗。微波紅外干燥和微波紅外振動干燥的能耗沒有顯著性差異，但由Tu的變化可知，增加振動之后顯著提升了物料的溫度分布均勻性。

表2 物料溫度不均勻系數和色差Tab.2 Temperature non-uniformity coefficient and color difference of materials

3.3.2干燥均勻性分析

圖12(圖中M1～M9表示溫度監測點位置)為姜片干燥后期的熱像圖和監測點溫度。由圖12可知，紅外振動干燥均勻性較好，但物料平均溫度偏低，微波振動干燥和微波紅外干燥物料溫度較高，但物料盤表面出現了大量的熱點，干燥均勻性較差；微波紅外振動干燥時物料表面溫度均勻性較好。

圖12 姜片干燥后期熱像圖及P1監測線溫度Fig.12 Thermal image and temperature values at monitoring points of ginger slices during drying

由圖12e可知，紅外振動干燥時物料的平均溫度為(56.23±3.79)℃，溫度差值為15.10℃，造成這一現象的原因是紅外輻射的穿透性有限，物料受熱水分蒸發帶走了較多的熱量，導致物料表面溫度偏低；微波振動干燥時物料的平均溫度為(92.46±8.03)℃，溫度差值較大，為28.20℃，說明微波加熱效率較高，雖然振動在一定程度上緩解了微波加熱的不均勻性，但仍然難以克服微波場強分布不均導致的局部溫度過高。

微波紅外干燥時物料的平均溫度為(59.37±6.99)℃，溫度差值為24.00℃，與振動相比，紅外的介入更大程度上緩解了微波干燥中物料表面溫度不均勻的現象。振動僅改變了微波干燥過程中物料的相對位置，在一定程度上克服了微波空間分布不均造成的物料加熱不均勻的現象。干燥過程中，微波和紅外線對物料的滲透深度是不同的，當物料顆粒較小時，微波可以完全滲透到物料中心部位，導致物料中心部位溫度高于表層部位溫度，紅外的介入進一步提高了物料表層的溫度，增加了單顆物料的干燥均勻性；紅外的介入給物料提供了新的熱源，使微波強度較弱區域的物料也可以被加熱，提升了物料整體的干燥均勻性。

圖12f為物料托盤P1線位置物料表面的溫度分布曲線，微波紅外振動干燥時物料表面具有較好的溫度分布均勻性，同時由表2可知微波紅外振動干燥時監測點的溫度不均勻系數最小(2.28%)。

3.3.3干燥方式對生姜片干燥品質的影響

由表2可知，微波紅外振動干燥對姜片的亮度指數L*和黃色指數b*影響較小，對紅色指數a*影響較大。相對于其他3種干燥工藝，微波紅外振動干燥后姜片的色差值ΔE最小(5.07±0.96)，說明微波紅外振動干燥工藝對姜片的色澤具有較好的保持作用。

綜合分析圖11、12和表2可知，微波紅外振動干燥時物料表面溫度分布均勻性較好，干燥效率較高，并且對姜片的色澤具有較好的保持作用。這主要是由于微波的加熱方式極大地提升了物料溫度，增大了物料的降水速率；振動和紅外輻射的介入進一步緩解了由微波場強分布擾動造成的物料群表面溫度分布不均勻現象，進一步提升了物料的干燥效率，降低了物料于空氣的接觸時間，對物料的色澤起到了較好的保護作用。

4 結論

(1)提出了微波紅外振動床協同干燥機的設計思路，通過理論計算和虛擬仿真對MIVBD設備的微波系統、振動系統和控制系統進行了設計，試驗測試表明，該設備各系統運行平穩，干燥后的物料品質較高。

(2)不同的干燥工藝對姜片的干燥效率有明顯的影響，紅外輻射和振動對物料的干燥效率有較大影響，微波紅外振動干燥能顯著提高物料的干燥效率。

(3)MIVBD過程中，紅外輻射和振動能顯著提高物料表面溫度分布的均勻性，微波紅外振動干燥時物料的干燥不均勻系數最小(2.28%)，并且MIVBD對保持物料的色澤品質具有顯著的作用。