熱風微波耦合乾燥技術

熱風微波耦合乾燥(簡稱耦合乾燥)是微波與熱風同時作用於乾燥物料的新型乾燥方法和技術，但微波加熱不均勻性是制約其發展的一個主要因素。熱風微波耦合乾燥相比微波乾燥和熱風乾燥，可以獲得乾燥速率快、維生素C保留率高、復水性能良好的產品。

熱風與微波聯合乾燥(AD+MD)是將熱風乾燥和微波乾燥兩種方式有機組合的乾燥技術等有兩種類型：串聯乾燥和耦合乾燥。串聯乾燥即熱風乾燥和微波乾燥分階段進行，微波作用於乾燥過程的某個階段，比如先熱風后微波乾燥；而耦合乾燥即熱風與微波同時作用於乾燥產品和整個乾燥過程。

熱風和微波串聯乾燥是微波和熱風兩個環節分別進行，從而達到乾燥目的的工藝。該種方式雖然可縮短乾燥時間，但各自缺點仍然存在。耦合乾燥融合了微波和熱風乾燥的優點。兩者互相結合，使食品快速乾燥的同時可保證產品質量。

基本介紹

• 中文名：熱風微波耦合乾燥技術
• 外文名：Coupled Hot—air and Microwave drying
• 縮寫：CHAM
• 特點：熱風和微波乾燥兩種方式有機組合
• 類型：串聯乾燥和耦合乾燥
• 優點：速率快、復水性能良好等

簡介

熱風微波耦合乾燥(簡稱耦合乾燥)是微波與熱風同時作用於乾燥物料的新型乾燥方法和技術，但微波加熱不均勻性是制約其發展的一個主要因素。熱風微波耦合乾燥相比微波乾燥和熱風乾燥，可以獲得乾燥速率快、維生素C保留率高、復水性能良好的產品。

熱風和微波串聯乾燥是微波和熱風兩個環節分別進行，從而達到乾燥目的的工藝。該種方式雖然可縮短乾燥時間，但各自缺點仍然存在。耦合乾燥融合了微波和熱風乾燥的優點。兩者互相結合，使食品快速乾燥的同時可保證產品質量。

1)熱風微波耦合乾燥能夠極大地提高幹燥速率,耦合乾燥速度高於微波乾燥,更是遠遠高於熱風乾燥速度。

2)耦合乾燥產品品質得到較大的提高，感官品質好、胡蘿蔔素保留率高、復水性良好。

3)利用正交表可以在所涉及到的條件範圍內得到較好的工藝參數組合。

原理和特點

微波作為一種能量形式。要轉化為熱量的形式對樣品進行加熱，一般須與電介質相互作用，這種轉化有多種方式，其中比較肯定的兩種是離子傳導和偶極子的轉動。微波加熱乾燥過程中，其傳熱傳質機理與傳統乾燥有很大區別。

如圖1所示，在傳統的乾燥過程中，隨著水分在乾燥樣品表面的蒸發，表面的水分濃度降低，則樣品內部的水分逐漸的朝著樣品表面進行擴散；而能量的傳遞方向卻與此相反，由樣品表面向內部傳遞。溫度梯度是傳熱的主要推動力，外部溫度越高，形成的溫度梯度越大：傳質的推動力則是樣品內外的濃度差，因此傳質和傳熱的方向是相反的。而在介電乾燥過程中熱量在樣品的內部產生，樣品內部水分形成大量的水蒸汽，其形成的壓力梯度成為傳質過程主要的推動力。如果樣品的初始含水量很高，則樣品內部水蒸汽形成的壓力上升速度較快，液態的水分也可以在壓力梯度作用下從樣品內部排出來，就像一種“泵”的作用。在這種“泵”效應下，液態水和氣態水同時從樣品內部向樣品表面擴散，因此乾燥速率快。物料內部的熱質傳遞方向與物料大小有關，當物料的尺寸為微波的穿透深度1～2倍時．則熱量可在內部積累，內部溫度高於外部溫度．傳熱傳質方向一致，若干燥系統無其它熱源，系統內部的空氣溫度不變，樣品表面溫度始終低於內部溫度。當樣品的尺寸相對於穿透深度而言大很多時，樣品內部的熱傳遞與傳統的乾燥情況類似。

圖1

耦合乾燥技術是將熱風場和微波場同時作用於乾燥物料，熱風能有效地排除物料表面的自由水分；微波加熱獨特的“泵”效應能快速排除內部的自由水分和結合水分，充分發揮各自的工藝優勢，其優點主要表現為：

1)實現內外同時加熱；

2)環境溫度上升加大系統抽濕能力；

3)合理分配兩者之間能量比例，可加快乾燥速度，提高產品質量，降低乾燥成本；

4)充分發揮各自的工藝優勢，如熱風的處理量大，乾燥成本低，微波場中熱、質傳遞快；

5)乾燥兼有殺菌、殺蟲功效，保證了產品的安全衛生；

6)實時監控，便於實現連續生產及自動化控制。

主要技術

耦合乾燥的研究目前主要停留在實驗研究水平，所用設備大都由微波爐改造而來，缺少性能優良的中試和工業化設備是制約該項技術發展和套用的主要障礙。物料在微波加熱過程中，其內部溫度的變化除受微波腔中電磁場分布的影響外，還與物料本身的形狀、位置與介電特性等因素有關。微波是空間分布的電磁場，電場致熱而磁場不致熱，如果物料不動，電場作用點會導致過熱，如何合理地解決微波的均勻性是本項技術的關鍵，目前的主要技術有以下幾種。

圖2

物料隨轉盤運動

物料位置的改變可弱化對電磁場分布的過分依賴，平移或旋轉是改變物料位置的常用方法，如：轉盤式微波爐、輸送帶式微波乾燥裝置等。如圖2所示，圖2為物料隨轉盤運動，微波能輸入位置固定，通過旋轉台轉動，提高了物料對微波能的吸收均勻性。

圖3是實驗耦合乾燥裝置，此裝置具有線上檢測樣品溫度及質量變化的功能．同樣也是通過旋轉板轉動，帶動物料旋轉。中國科學院過程丁程研究所申請了迴轉式連續微波乾燥裝置專利俐，乾燥室置於微波腔內，通過旋轉盛放物料的乾燥室使得物料相互混合併作空間運動，而且隨著物料的不斷輸送，改變物料在爐腔內的橫向位置，從而改善微波加熱的均勻性。而微波連續帶式乾燥器，通過輸送帶改變物料的位置，又通過增加微波發生器數量、可調節輸出功率等來實現物料乾燥的均勻性。

圖3

然而只平移或旋轉盛放物料的容器對微波乾燥均勻性的改善是有限的，物料的堆積厚度也不能超過微波的穿透厚度。後來對帶有轉盤的微波爐中的加熱不均勻程度進行了研究，指出轉盤的轉動在一定程度上可以改變熱不均勻性，可以改善物料在同一層的熱均勻性，但對於物料的不同層，其熱不均勻性仍然很明顯。

圖4

物料在諧振腔內噴動

為克服平移或旋轉的不同層加熱不均勻性，對處理塊狀或顆粒狀的樣品．採取噴動方式對其乾燥是一種有效的選擇。圖4是噴動式乾燥原理圖。微波與熱風噴射的結合。使樣品在噴動氣流的作用下處於不斷運動的狀態。加熱更加均勻(均勻性提高22%～30%，通過改變熱風的溫度、流量、微波輻射量及加熱時間，得到較為合理的工藝條件。

微波動而物料不動

微波分布固定，物料平移或旋轉或噴動在一定程度上改善了物料微波加熱的均勻性，但這些方案最大的問題是裝置必須增加運動部件．給設備乾燥腔的設計和空間的有效利用帶來很多不便。大型化更是困難。針對這些弊病，利用無轉盤型家用微波爐改造成耦合實驗乾燥器，見圖5。採用無轉盤微波分散技術，通過波導出口處的微波模式攪拌器的擾動，改善微波場的均勻性，以胡蘿蔔片作為試驗材料，得出該實驗裝置乾燥的胡蘿蔔片的一胡蘿蔔素保留率、復水比、感官品質較傳統的熱風乾燥、微波乾燥的胡蘿蔔片好。

圖5