微波热泵联合干燥机的设计与试验研究_王教领

加热作 用 对 象 是 水 ， 所以一般微波温度最多升到 100 ℃ ， 而干燥的果 蔬 和 食 用 菌 等 其 比 容 在 3 ． 5 kJ / （ kg · ℃ ） 左右 ， 鲜品含水率较高 ， 特别是草菇等食用 菌一般达到 90% 以上 。 根据生产要求 ， 本设备生产率 是 15kg / h 。 同时 ， 微波转化和本身的元器件工作也要 消耗一部分电能 。 综合以上分析 ， 计算得出微波总功 率为 20kW 。 为了实现均匀加热 ， 采用由 24 组微波电 源独立控制 24 组微波发射装置 ， 利用小功率多口馈 入方式 ， 均匀分布于干燥隧道上方 。 微波电源选用福 建高奇 CMP100FN120 ， 通过指示灯或者输出信号及
定温度时 ， 启动物料传送带 ， 并在传送带上均匀摆放 物料 ； 当物料到达第 1 排微波发射装置位置时 ， 启动 6 个微波发生器中的若干个进行微波干燥 ， 按此顺序逐 个开启另外 3 排 ； 当结束放料时 ， 为了使最后放入的 物料可在微波开启的情况下通过整个通道 ， 同时不至 于损坏传送带 ， 需要在放完物料后在传送带入口处铺 入一条湿布 ， 湿布随传送带进入干燥隧道 ； 湿布的长 度不小于隧道的长度 ， 当最后放入的物料通过第 4 排 微波发生装置位置时 ， 关闭设备 。 另外 ， 也可以采取 先开热泵一段时间再开微波等分段干燥方式 。 物料 在隧道中干燥时 ， 微波渗透到物料内部 ， 由内向外对 物料干燥 ， 同时热风对物料由外向内进行干燥 ， 即可 完成对物料的快速干燥 。
P —物料干燥所需要的微波功率（ kW） ； △T—物料的温升（ ℃ ） ； C —物料的比热（ kJ / kg·℃ ） ； W—物料的质量（ kg） ； t—微波作用的时间（ h） ； Q—水分蒸发潜热， 取 Q = 540kJ / kg； η—微波吸收效率， 取 η = 0． 7 。 微波干燥器的总功率为 P' = P1 + P2 η （ 3）
图2 Fig． 2
磁控管分布
Magnetron distribution
物料加热所需要的微波功率为 P1 = ΔT × C × W 860 t （ 1）
物料干燥所需要的微波功率为 P2 = 式中 Δ T × C × W + QW 860 t （ 2）
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2． 1
关键部件设计
微波分布及功率确定 微波干燥功率是联合干燥机的 重 要 指 标 。 微 波
。 微波热泵联合干燥则结合了二者的优势 ， 内
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外均匀干燥 ， 既可以分段干燥也可以同时干燥 ， 具有 干燥时间短 、 品质好 、 能耗低的优点 。 关志强
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等
研究了罗非鱼片热泵 － 微波联合干燥工艺 。 宋杨
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等人研究了海参的微波热泵联合干燥工艺 ， 试验采用 热泵与微波真空联合的方式对海参进行干燥 ， 并与单 纯热泵干燥的试验进行了对比 。 马国远
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燥装置组合而成 ，如图 1 所示 。 热泵干燥装置由热泵 本体与进出风道组成 。 泵体由压缩机 、 冷凝器 、 蒸发 器、 膨胀阀和管道等组成 。 微波干燥装置由机架 、 微波电源 、 微波发射装置 、 物料传送动和控制柜等组成 。 其中 ， 微波发射器的腔 体是封闭的 ， 在腔体后面上设有散热进风口 ， 前面设 有出风口 ， 在腔体内均匀装有 4 排共 24 组微波电源 ， 并设有 24 组微波电源电流表便于观察电源的工作状 态 。 同时 ， 在腔体前面还设有封门 ， 封门上设有观察 孔， 可以观察到传送带上物料的情况 ， 如果出现异常 ， 关掉微波打开风门可以对物料及时进行处理 。 在程 序上对封门设置了保护装置 ， 开启微波之前必须关门 封门 ， 在工作过程中若打开风门则微波自动关闭 ， 确 保工作安全 。 在进出料的两端设有微波抑制器防止 微波泄露 。 热泵产生的热风利用热风进风风引通过 热风进风管送到烘干隧道内 ， 并通过回风风机的回风 管道回风 。 控制柜中设有微波开启与关闭等开关 ， 并 且针对 24 组微波电源单独设置了 24 组开关 ， 可以根
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设计的物料出入口的尺寸为 420mm × 130mm， 计 算对应的各模式波长的相关参数如表 1 所示。
表 1 波导中各模式相应的波长数值 Table 1 The corresponding wavelength values of each mode in the pilot 模式 TE10 TE20 TE30 TE40 TE50 λc 840 420 280 210 168 λg 123． 8 128 136． 1 150． 6 178． 7 λ g /4 30． 95 32． 00 34． 03 37． 65 44． 68 mm
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f 为 2 450MHz， c 为光速 3． 0 × 10 8 m / s， 则 λ0 = = 122． 4mm。
。 光纤测温以光线为纯介质材料 ，
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从根本上 解 决 了 微 波 场 带 来 的 影 响 ， 具有抗电磁干 扰、 体积小 、 质量轻 、 测温精度较高等优点 。 因此 ， 系统采用荧光式光纤测温装置对干燥过程中的物料 进行实时监测 。 控温系统在检测隧道温度的同时 ， 可 以对微波最高工作温度进行设定 ， 避免温度过高损坏 元器件 。 2． 2 微波抑制器的设计 该微波热泵联合干燥机为使物料能够连续地 在 传送带上传输 ， 设有进料口与出料口 ， 但微波会随出 入料口而泄露 。 目前 ， 常用的防止微波泄露的方法根 据其原理大致可分为电抗性泄露抑制器 、 电阻性泄露 抑制器和屏蔽性泄露抑制器 ， 而屏蔽性泄露抑制器不 适合隧道式干燥 。 电阻式泄露抑制器借助于耗散性 衰减材料 ， 吸收各种模式的微波 。 电抗性泄露抑制器 可对微波 的 几 种 主 要 传 输 模 式 进 行 抑 制 ， 抑制性较 好 。 因此 ， 本设备的抑制器采用前端 1 /4 长波导槽抑 制， 后端采取以石墨为吸附原料的电阻性抑制器 微波抑制器如图 3 所示 。
DOI:10.13427/ki.njyi.2016.12.031
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引言
与发达国家差距较 我国农产品的干制技术落后 ，
数对干燥性能的影响 。 在近几年的文献中 ， 介绍微波 热泵联合干燥工艺的较多 ， 但针对机器系统结构及控 制系统的设计阐述不多 ， 且采用微波热泵联合干燥金 针菇的文献也未见报道 。 为此 ， 对研制的微波热泵联 合干燥设备的结构与控制系统进行分析 ， 并以金针菇 为原料进行了烘干实验 ， 从而为微波热泵联合干燥机 的设计及金针菇的干燥提供参考 。
大， 主要表现在干燥能耗高及干燥品相差等方面 。 目 前， 传统干燥一般采用热风与电加热等 ， 耗能很大 ， 营 养流失和品质下降严重
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。 热泵干燥与传统热风相
比， 物料表面水分的蒸发速度与内部向表面扩散的速 物料表面不易变硬 、 变形 ， 干燥质量好 ， 其干 度接近 ， 燥方向为由外向内
Microwave and heat pump combined drying machine
1． 2
工作原理 物料干燥时 ， 首先启动热泵 ， 当热风温 度 升 到 设
时了解电 源 的 工 作 状 态 ， 其 功 率 调 节 范 围 200 ～ 1 500W ； 磁控管选择松下 2M210 － M1 ， 单只功率为 0． 9kW ， 配有 SUNON DP200A 散热风扇 ， 每只磁控管由 断路器控制可独立启闭 ， 排布如图 2 所示 。
。
1． 石墨 2． 传送带 3． 微波抑制器 图3 Fig． 3 微波抑制器结构与分布 The structure and distribution of microwave suppressor
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。 微波干燥通过高频电磁波使
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整机设计与工作原理
整机结构 热泵微波联合干燥机由微波干燥装置与热 泵 干
得物料分子高速碰撞 ， 由于物料中的水分介质损耗较 大， 能大量吸收微波能并转化为热能 ， 同时在物料表 面， 由于蒸发冷却的缘故 ， 使物料表面温度略低于里 面 的 温 度， 形 成 压 力 梯 度， 因此物料由内向外干 燥
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2016 年 12 月 据需要选不同的组合满足不同的功率要求 。
农 机 化 研 究
第 12 期
1． 机架 2． 出料口 3． 热风回风管道 4． 回风风机 5． 泵体 6． 热风进风风引 7． 热风进风管 8． 散热风机 9． 微波电源 10． 进料口 11 、 18． 微波抑制器 12． 电流表 13． 散热出风口 14． 微波发射装置 15． 封门 16． 观察孔 Fig． 1 17． 散热风管 19． 物料传送带 20． 微波控制箱 21． 热泵控制面板 图1 热泵微波联合干燥机
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等人对热
泵微波联 合 干 燥 系 统 进 行 了 研 究 ， 分析了空气旁通 率、 压缩机转速及空气质量流量等主要设计及运行参
收稿日期： 2015 － 11 － 18 基金项目： 中国农业科学院科技创新工程项目（ 2015 ） ； 国家食用菌产 业技术体系项目 （ CAＲS － 24 ） ； 农 业 废 弃 物 基 质 化 高 效 循 环利用关键技术与装备应用研究项目（ BE2015726 ） 作者简介： 王教领（ 1988 － ） ， 男， 安徽六安人， 实习研 究 员， 硕士研究 （ E － mail ） kclwjl@ 126． com 。 生， 男， 江苏 泰 兴人， 研 究 员， 硕 士生导 师， 通讯作者： 宋卫东 （ 1965 － ） ， （ E － mail ） songwd@ 163． com 。
由表 1 可知： 合理的波导槽应小于 40mm。 这样既 可以抑制主要模式的波导，也使得进出料口的尺寸在 合理范围。对于没有完全抑制的其他模式的微波， 能 利用石墨吸收掉。 2． 3 热泵控制系统 热泵干燥原理 ： 制冷剂在蒸发器中吸收空气中的 热量气化 ， 经空压机压缩后变成高压高温气体 ， 经过 冷凝器液 化 ， 同时将热量传给干燥隧道中供物料干 燥 ； 冷凝后的常温高压液体再经过膨胀阀减压后重新 回到蒸发器中吸热气化 ， 从而完成循环 。 在进风与回 风处装有 2 个风机促进热风流动加速干燥 。 本热泵 系统 （ 见图 4 ） 在热风进风与回风管道及干燥隧道中 部处分别设有 3 个温湿度传感器和风量传感器 ， 用于