一种负压微波均匀化喷动干燥装置及应用

摘要

一种负压微波均匀化喷动干燥装置及应用，属于均匀干燥装置技术领域。本发明由循环贮料器、供料器、负压喷动管、微波加热腔体、旋风分离器、真空贮罐、卸料器、水环真空泵、循环管和微波源所构成。循环贮料器贮存循环干燥的物料，供料器为负压喷动管提供干燥物料，负压喷动管是物料干燥及流动的通道，微波加热腔体内均匀分布微波源，微波加热腔体两端用封头密封。旋风分离器连接微波加腔体内负压喷动管的出口，并通过管道连接真空贮罐及卸料器。卸料器通过循环管道与循环贮料器连接。由于物料在负压下能够实现喷动，采用该装置可实现物料在微波真空干燥条件下喷动、旋转、流动，达到物料高效、均匀干燥的目的，同时缩短干燥时间40%以上，降低了大规模生产的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种物料在微波辅助条件下均匀干燥的方法及装置，适用于食品、化工、农业等行业颗粒物料负压微波均匀化喷动干燥。属于均匀干燥装置技术领域。

背景技术

当今常规物料特别是果蔬脱水加工技术及装备（主要是常压热风干燥与冻干）相对成熟。利用微波辅助冻干、热风加工技术及装备是提升传统果蔬脱水加工行业的一个重要方向。目前物料高效干燥研究的一般思路主要集中在采用微波、远红外、高频等内部加热热源进行联合干燥，实现热风干燥或冻干过程的缩短，达到高效、节能的目的。但高效、节能特征最显著的微波干燥存在非常显著的加热不均匀现象（冷热点现象），从而导致其干燥品质明显下降（过热焦化和过冷未干），成品均匀度仅为50%-60%，再次处理的成本大幅提高。同时，我国的出口脱水农产品加工产业存在三大突出难题及需求：（1）农产品干燥存在能耗大、干燥时间长、成本高等难题，对高效干燥技术有强烈需求。传统热风干燥果蔬产品感官品质差、复水率低；常规冻干工艺技术及装备虽可最大限度保留脱水蔬菜产品的感官及营养品质，但加工时间长、生产成本高，且两者皆有能耗高的缺陷，这已成为制约农产品脱水行业发展的瓶颈。（2）农产品高效干燥存在均匀性差、成品率低、产品综合品质变劣加剧等难题，对高效均匀干燥技术有强烈需求。单一的微波干燥，由于其加热的不均一性和微波的弱穿透性，微波加热的选择性以及微波的尖角集中性等特点，使得不同被加热物体各部分产生的热能可能产生较大的差异，从而使其在工业化生产应用上受到了限制。（3）出口热风干燥和冻干产品的综合竞争优势在下降，国际市场对高品质、低成本的出口热风干燥和冻干蔬果有强烈需求。而本发明通过负压下的喷动流场来实现高效干燥下的均匀、快速脱水，使一次干燥成品均匀度达到98%以上，实现真正快速、低成本均匀干燥。

张慜、孙金才、钟齐丰、颜伟强等（专利申请号200810244418.1）公开了提高颗粒状果蔬微波干燥均匀性的喷动辅助方法中，采用两类气流场进行微波喷动干燥，终产品含水量均在6%以下。张慜、孙金才、颜伟强等（专利申请号200910213559.1）还公开了一种提高微波喷动干燥颗粒状果蔬均匀膨化效果的分段方法。在不同的干燥阶段采用不同的进风量，即初始为热风喷动预干燥，后续采用气流和微波相结合的方法干燥。通过控制干燥果蔬颗粒在气流场和微波混合场中的运动情况，以达到提高颗粒状果蔬颗粒的膨化效果。但本专利的不同之处为在负压条件下实现物料的喷动、旋转、流动，通过调整真空度、抽气速率调整物料喷动效果，同时实现不同温度下物料的干燥，干燥过程连续完成，另外在负压状态下物料内水分蒸发速率高于常压状态，物料品质高于常压喷动干燥。

邵俊杰、苏晓辉、赵旭等（专利申请号200810224613.8）公开了一种烟气半闭路循环褐煤直管式气流干燥方法。其通过褐煤直接燃烧产生烟气，该烟气作为载体将湿粉煤送入直管供气流干燥，一次干燥达到产品预定湿分，从出口排出获得干燥后的煤粉。但本专利的不同为物料干燥所需的热源为微波能，加热效率高、物料干燥均匀；物料采用管道负压输送，不需要正压过热气体输送，没有能源浪费；采用循环干燥方式，有利于物料干燥最终水分控制。

姜树和、霍兴茂、李宗瑞（专利申请号200820080086.3）公开了一种负压垂直上料系统，其由带入料口和落料口的输送管道组成，输送管道内有电机驱动的链条传动装置。所述的引入干燥物料用热气为发电过程中产生的废烟气，该系统应用于生物电厂的生物质燃料输送过程中的干燥。但本专利的不同为物料干燥所需的热源为微波能，加热效率高、物料干燥均匀；物料通过管道负压输送，阻力小，不需要链条输送。

青岛科技大学的硕士学位论文《气力输送系统节能研究》中，针对通过理论分析和计算得到的气力输送系统节能措施的效果进行了试验验证。对旁通管及双辅管系统进行耗气量的比较试验；在密相双管输送，采用可控旁通管补气方式及可调式LAVAL管气量控制进行了流量及破碎率的验证试验。通过实验，证实了双辅管系统节约气量及可调式LAVAL管节能的正确性。但是对气力输送干燥特别是采用微波没有进行研究。

昆明理工大学的硕士学位论文《热、气、固两相流耦合在管式干燥系统中的应用》中根据所研究对象工作的物理环境(热、流场)，综合考虑气固两相流理论、计算流体动力学理论以及气力输送理论，确定其影响的主要因素，建立了数学模型和控制方程；对研究问题的数学模型，利用ANSYS程序中的FLOTRAN CFD进行了有限元分析计算，得出整个三维模型流场的温度、速度、压力及气固两相的分布。但是对负压下物料干燥特别是采用微波没有进行研究。

华东理工大学煤气化教育部重点实验室肖为国，郭晓镭，代正华等在《工业级管道中粉煤浓相流动特性》中分别以干燥空气和粉煤为输送载气和介质，在39 mm工业级水平不锈钢管内进行了浓相气固两相流动特性实验研究。高速摄像仪拍摄到的粉煤流型表明，浓相输送条件下存在分层流。在流化气和调节气协同作用下，工业级管道中的粉煤浓相输送规律与此两路气流流量密切辅关，并获得了39 mm管径下的粉煤气力输送相图。与管径较小的20mm水平不锈钢管输送结果的比较表明：较大管径条件下，输送压力对粉煤流率的影响更为显著，输送的经济气速相对较高；相同输送通量情况下，较大管径的输送单位管长压降低，且输送通量变化引起的单位管长压降变化也较为平缓。但对负压下的物料干燥特别是采用微波没有进行研究。

江苏大学的硕士论文《喷动床粮食干燥技术研究》探索喷动床粮食干燥器的放大问题以及喷动床应用于小麦和麦芽干燥的可能性，在自行设计的喷动床干燥系统上，进行了小麦喷动干燥工艺优化试验和麦芽喷动干燥试验。试验表明：(1)所用喷动床设计合理；(2)最优工艺为空气流量取42 m³／h，湿麦装量为3.8kg，优化工艺的热耗为5588kJ／kg水，在各因素中热空气温度对指标有显著影响；(3)喷动床作为粮食干燥器时其结构特点有别予固定床、移动床和流化床，值得进一步进行放大研究。但对负压下的物料干燥特别是采用微波没有进行研究。

西北大学的硕士学位论文《文喷动床内气固两相流体流动数值模拟》采用双流体模型对喷动床内气固两相流体流动行为进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明：喷动床内分喷射区、喷泉区、环隙区三个区域；在喷动形成前，床体局部颗粒有腾涌现象；在射流入口处形成一个瓶颈。模拟计算得到的时间平均颗粒速度和浓度等分布与文献上实验数据进行比较，数值模拟结果与实验结果吻合的较好。但对负压下的物料干燥特别是采用微波没有进行研究。

发明内容

本发明是提供一种在微波辅助物料真空干燥条件下实现物料高效、均匀、低成本干燥，提高物料干燥品质的连续负压微波均匀干燥方法及装置。

本发明的技术方案：一种用于物料连续负压微波均匀化喷动干燥装置，包括循环贮料器1和供料器2，还包括负压喷动管3、微波加热腔体4、旋风分离器5、真空贮罐6、卸料器7、水环真空泵8、循环管9、微波源10。循环贮料器1位于供料器上部，通过管道连接；供料器2位于微波加热腔体4前上方，通过管道与负压喷动管3进口连接，负压喷动管水平分层放置在微波加热腔体内；旋风分离器5位于微波加热腔体后部，通过管道与负压喷动管出口相连，并右边连接真空贮罐6，下边连接卸料器7；卸料器7通过循环管9与循环供料器连接。

负压喷动管3在微波加热腔体4内水平方向排列数为3-10排，垂直方向排列层数为3-10排。微波加热腔体4内壁设有微波源10分布在腔体上下左右四个部位，并按长度方向均匀交替分布，每个方向分布微波源数量为2-10个。

负压喷动管管道内径为32-100mm，管道材质采用耐微波吸收率低、耐高温、低温、摩擦系数低的食品级聚四氟乙烯材料制作。

微波功率根据物料设定温度曲线自动连续调节跟踪，误差控制在±1℃。

物料在负压微波喷动干燥过程中从四个部位可以观察到变化状态。

物料在负压微波喷动干燥过程中真空度及抽气速率可自动调节。

物料在负压下物料喷动方式：物料在负压喷动管管道内流动干燥受到下述各力作用：1、在负压管道内气体（空气、低压过热水蒸汽）处于紊流状态，故存在紊流气体垂直方向分速度产生的力，其速度分量占平均速度15%以上；2、管底颗粒上、下流速不同在颗粒上下部静压差产生力；3、颗粒周围的环流与管内气流共同作用产生升力；颗粒状不规则产生的推力在垂直方向的分力；4、由于颗粒相互间或与管壁碰撞而跳跃，故存在反作用力在垂直方向的分力。在上述各力的作用下，物料在水平管内悬浮并随气流作跳跃式向前推进，依次起飞和降落，作边浮边沉运动。物料在干燥初期、中期、后期含水率逐渐降低，本发明通过自动调整水环泵抽气速率改变气流速率，使物料干燥处于悬浮状态。

所述连续负压微波均匀化喷动干燥装置的应用，其特征在于开启水环真空泵（8），使真空贮罐真空度达到设定值，设定负压喷动管内进口、出口、中间三个干燥区干燥时间内每隔1分钟温度值，设定最高干燥温度，设定干燥时间内每隔1分钟真空度值及流量调节阀设定值，将准备待干燥的颗粒物料放入供料器（2）内，打开启动开关，真空贮罐（6）与旋风分离器（5）连接阀自动打开，供料器（2）与负压喷动管（3）连接调节阀自动开启，流量根据设定自动调整，物料按设定流量进入负压喷动管内进行干燥，微波源功率根据物料温度自动调节大小；旋风分离器与卸料器（7）连接阀、循环管（9）与卸料器连接阀根据旋风分离器内物料高度自动开启，进行物料循环干燥；循环贮料器（1）与真空贮罐（6）连接阀在物料进行循环干燥时自动打开；设定干燥时间结束后，循环贮料器（1）与真空贮罐（6）连接阀自动关闭，物料从卸料器排出。

本发明的有益效果：

1、干燥均匀：由于物料在微波辅助干燥中过程中，呈现喷动、旋转、流动状态，实现物料均匀干燥，成品均匀度达到98%以上，无需再次处理。避免了传统微波干燥存在非常显著的加热不均匀现象（冷热点现象），其干燥品质下降（过热焦化和过冷未干），再次处理的成本大幅提高。

2、效率高、成本低：由于物料在微波辅助干燥过程中，处与高速运动状态，换热面积及水分蒸发面积远高于传统干燥方式，因此物料干燥速度快，干燥效率高、成本低。

3、投资小、操作方便：由于物料在负压管道内流动并干燥，管道采用耐微波加热、微波吸收率低、耐高温、低温、摩擦系数低的聚四氟乙烯材料制作，省去传统庞大的干燥腔体，所以投资小，使用操作方便。

附图说明

图1 本发明系统流程图。1、循环贮料器，2、供料器，3、负压喷动管，4、微波加热腔体，5、旋风分离器，6、真空贮罐，7、卸料器，8、水环真空泵，9、循环管。

图2 本发明微波加热腔体及负压喷动管布置图。10、微波源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细地描述。

实施例1  一种用于颗粒状物料连续负压微波喷动均匀化干燥的装置，如图1、图2所示。包括循环贮料器1和供料器2，还包括负压喷动管3、微波加热腔体4、旋风分离器5、真空贮罐6、卸料器7、水环真空泵8、循环管9和微波源10。供料器2是存放需要干燥物料的容器，通过流量调节控制进入负压喷动管3的物料量。负压喷动管安装在微波加热腔体4内，物料进行多流程流动及干燥。物料干燥后进入旋风分离器5，通过流量调节进入卸料器7，根据物料水分含量确定通过循环管9进入循环贮料器1，或干燥结束。水环真空泵8与真空贮罐6相连接，真空贮罐与旋风分离器、循环贮料器相连。

本发明采用负压方式实现物料在管内喷动、旋转、流动，改变了传统微波辅助干燥物料静止干燥方式或相对静止干燥方式，增大物料干燥过程中换热面积、物料表面水分蒸发面积，具有干燥均匀、效率高、投资少、成本低等优点。

实施例2、胡萝卜粒负压微波喷动均匀化干燥方法

将新鲜胡萝卜清洗干净，切成5mm-10mm的立方体，在96-98℃漂烫2-3分钟，捞出后加入1%的葡萄糖粉进行混合静止20分钟，用离心机脱去表面附着水分准备待用。开启水环真空泵8，使真空贮罐真空度达到4000Pa，设定负压管内进口、出口、中间三个干燥区内1小时内每隔1分钟温度值，最高温度为50℃，设定1小时内每隔1分钟真空度值及流量调节阀设定值，将准备待用胡萝卜放入供料器2内，打开启动开关，真空贮罐与旋风分离器5连接阀自动打开，供料器2与负压喷动管3连接调节阀自动开启，流量根据设定自动调整，物料按设定流量进入负压喷动管内进行干燥，微波源功率根据物料温度自动调节大小；旋风分离器与卸料器7连接阀、循环管9与卸料器连接阀根据旋风分离器内物料高度自动开启，进行物料循环干燥。循环贮料器1与真空贮罐6连接阀在物料进行循环干燥时自动打开。设定干燥时间结束后，循环贮料器与真空贮罐连接阀自动关闭，物料从卸料器7中排出。

实施例3、香葱段负压微波喷动均匀化干燥方法

将新香葱清洗干净，切成3-5mm段，在浓度为2%的次氯酸钠水溶液中浸泡漂烫10-15分钟，捞出静止10分钟，用离心机脱去表面附着水分准备待用。开启水环真空泵8，使真空贮罐真空度达到5000Pa，设定负压管内进口、出口、中间三个干燥区内40分钟内每隔1分钟温度值，最高温度为60℃，设定40分钟内每隔1分钟真空度值及流量调节阀设定值，将准备待用香葱放入供料器2内，打开启动开关，真空贮罐6与旋风分离器5连接阀自动打开，供料器2与负压喷动管3连接调节阀自动开启，流量根据设定自动调整，物料按设定流量进入负压喷动管内进行干燥，微波源功率根据物料温度自动调节大小；旋风分离器与卸料器7连接阀、循环管9与卸料器连接阀根据旋风分离器内物料高度自动开启，进行物料循环干燥。循环贮料器1与真空贮罐6连接阀在物料进行循环干燥时自动打开。设定干燥时间结束后，循环贮料器1与真空贮罐6连接阀自动关闭，物料从卸料器7中排出。