李云祥等

摘要

[目的]為進一步研究高壓電場中蔗糖溶液的蒸發(fā)特性和機理。[方法] 在高壓電場中，以不同濃度蔗糖溶液為研究對象，進行電壓、電極間距、電場類型等參數(shù)對蒸發(fā)速度的試驗研究，同時進行在針-板電極中間放絕緣板阻擋和不放絕緣板的對比試驗研究。[結(jié)果] 高壓電場可以提高蔗糖溶液的蒸發(fā)速度；在低濃度下，蔗糖濃度對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響極??；蒸發(fā)速度與電壓極距有關(guān)，極距越小，蒸發(fā)速度越大；交流電壓下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯高于直流電壓下；在無絕緣板阻擋的條件下蒸發(fā)速度明顯高于阻擋條件下的。[結(jié)論] 這為探索高壓電場干燥特性和機理提供新的實驗理論上的線索和依據(jù)。

關(guān)鍵詞高壓電場；蔗糖溶液；蒸發(fā)速度

中圖分類號S509.3；TS205文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）21-011-04

基金項目內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)2014年度“大學(xué)生創(chuàng)新實驗計劃”項目（2014025）。

作者簡介

李云祥（1993-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，本科生，專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)。*通訊作者，副教授，博士，從事電流體動力學(xué)干燥和電場生物效應(yīng)方面的研究。

收稿日期20150527

由于許多農(nóng)產(chǎn)品、蔬菜、水果等物料保存期較短，需要對它們進行干燥處理。在干燥過程中，物料內(nèi)部糖的含量對干燥效果起非常大的影響。含糖量高的物料如枸杞、葡萄等很難干燥，干燥速度慢且耗能高；而含糖量低的物料如胡蘿卜、甘藍等則很容易進行干燥，干燥速度快且耗能較低。由此可知，研究糖的干燥特性是非常有意義的。

目前常用的方法主要是常壓熱風(fēng)干燥法。該方法干燥時間長，耗能高，成本高，色澤差，而且使物料營養(yǎng)成分受到損失，外觀不盡人意。真空冷凍干燥對物料的外觀、形狀、保留營養(yǎng)成分等基本上無可挑剔，但是其高額的設(shè)備、運費相對產(chǎn)量較低。所以，研究新的干燥技術(shù)勢在必行。

高壓電場干燥技術(shù)（又稱Electrohydrodynamic （EHD））是一種新型的干燥技術(shù)。它是通過將被干燥物料放在下極板上，然后給上極板（平板、針狀、線狀等不同形狀的電極）加一定幅度的直流電壓或交流高電壓，在兩電極間形成電暈電場以實現(xiàn)物料干燥。在高壓電場中，水的蒸發(fā)速度加快4.0～8.5倍[1]。Chen等[2]報道了在針-板電極組成的電流體動力學(xué)系統(tǒng)中不同厚度的土豆片的干燥特點。在單個針-板電暈場中，2～4、8 mm厚土豆片的平均干燥速度分別是相應(yīng)對照組干燥速度的2.5倍和2.1倍，且對產(chǎn)品質(zhì)量無負面影響。Lai等[3-4]對針狀電極和線狀電極的EHD干燥進行研究，發(fā)現(xiàn)這兩種形狀的電極都能提高干燥的速度，且針狀電極的干燥效率好于線狀電極。該技術(shù)近年來已被越來越多地應(yīng)用于糧食、生物制品、水產(chǎn)品等熱敏性物料的干燥中[5-9]，且都取得較滿意的結(jié)果。有些學(xué)者對高壓電場干燥機理進行了初步的研究與探索。Hashinaga等[10]認為，高壓電場干燥的機理主要是由于高壓電場產(chǎn)生的離子風(fēng)外部吹動作用加速了物料的干燥。白亞鄉(xiāng)等[11]從部分試驗出發(fā)，認為高壓電場產(chǎn)生的離子風(fēng)對被干燥物料的沖擊作用是導(dǎo)致其干燥速度加快的主要原因。這些研究在某些領(lǐng)域較細致和系統(tǒng)，但各種因素（電壓大小、電場類型、電極間距、電極形狀等）對干燥效果影響的研究還不夠完善；同時，干燥機理的研究也還不夠深入和完善。

以高壓電場中不同濃度蔗糖溶液為研究對象，筆者研究了電壓大小、電場類型、電極間距、電極形狀等因素對不同濃度蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響，為進一步研究高壓電場干燥特性和機理奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及裝置

蔗糖（超市購買）；賽多利斯BS124S電子天平（德國）；高壓電場干燥試驗裝置見圖1，主要由YD（JZ）1.5/50型高壓電源（武漢）、KZX1.5KVA型控制柜（武漢）和電場系統(tǒng)組成。電場系統(tǒng)由兩個極板組成，其中下極板為平板（84 cm×44 cm），接地；上極板為多針電極（64 cm×40 cm，針狀電極用不銹鋼金屬絲鏈接，針長2 cm，針與針之間距離在橫向和縱向上都為4 cm），接高壓電源；在試驗過程中，將物料放到下極板上。上下極板之間用絕緣柱支撐，可以通過改變長短來改變上下極板之間的距離。在物料上面可以加上絕緣擋板來阻擋離子束。

1.2試驗方法

1.2.1

在蔗糖溶液蒸發(fā)速度試驗中電壓參數(shù)的設(shè)定。

配好濃度為15%的蔗糖溶液以備進行蒸發(fā)試驗。向直徑為100 mm的玻璃培養(yǎng)皿中放入等量的蔗糖溶液，分別放在直流和交流（50 Hz）高壓電場下進行蒸發(fā)試驗，上極板采用針狀電極，上下電極間距離為100 mm（針尖到下極板距離），電壓取值分別為0、5、10、15和20 kV，每隔20 min用賽多利斯BS124S電子天平測定樣品質(zhì)量。

1.2.2

不同類型的電場對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響。

將直徑為100 mm的玻璃培養(yǎng)皿放入等量濃度為15%的蔗糖溶液，放在直流和交流高壓電場下進行蒸發(fā)試驗，上極板為針狀電極，上下電極間距離為100 mm（針尖到下極板距離），電壓采取20 kV，每隔20 min用賽多利斯BS124S電子天平測定樣品質(zhì)量。

1.2.3

相同電壓在蔗糖溶液蒸發(fā)速度試驗中蔗糖濃度參數(shù)的設(shè)定。將直徑為100 mm的玻璃培養(yǎng)皿放入等量的蔗糖溶液，上極板采用針狀電極，上下電極間距離為100 mm（針尖到下極板距離），電壓取值分別為直流20 kV和交流20 kV。蔗糖溶液濃度分別為0、5%、10%、15%、20%、25%進行蒸發(fā)試驗，每隔20 min用賽多利斯BS124S電子天平測定樣品質(zhì)量。

1.2.4

極距對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響。將直徑為100 mm的玻璃培養(yǎng)皿放入等量濃度為15%的蔗糖溶液，分別放在直流和交流高壓電場下進行蒸發(fā)試驗，電壓采取20 kV，上極板為針狀電極，上下電極間距離分別為50、75、100 mm（針尖到下極板距離），每隔20 min用賽多利斯BS124S電子天平測定樣品質(zhì)量。

1.2.5

絕緣擋板對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響。將直徑為100 mm的玻璃培養(yǎng)皿放入等量濃度為15%的蔗糖溶液，放在交流高壓電場下進行蒸發(fā)試驗，其中一部分樣品上面加絕緣阻擋物，另一部分樣品不加，上極板為針狀電極，上下電極間距為100 mm（針尖到下極板距離），電壓采取20 kV，每隔20 min用賽多利斯BS124S電子天平測定樣品質(zhì)量。

1.3指標測定與方法

試驗在溫度為20～25 ℃，相對濕度為30%±5%，周圍風(fēng)速為0 m/s的自然環(huán)境中進行。蒸發(fā)速度的定義為：

vi=mi-1-miS（ti-ti-1）

（1）

式中，mi為ti時刻物料的質(zhì)量；S為培養(yǎng)皿的橫截面積。

2 結(jié)果與分析

2.1電壓大小對相同濃度蔗糖溶液（15%）蒸發(fā)速度的影響

從圖2和圖3可以看出，在交流或直流電場的作用下，15和20 kV高壓電場能夠明顯地提高蔗糖溶液的蒸發(fā)速度，且電壓高時蒸發(fā)速度快；在5、10 kV時，高壓電場對蔗糖溶液蒸發(fā)速度相比對照組影響不大。

2.2交流和直流電壓對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響

從圖4可以看出，交流電場下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯高于直流電場。在100 min內(nèi)交流電場下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度為直流電場下的1.95倍。

2.3 相同電壓對不同濃度蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響

從圖5可以看出，當(dāng)濃度在0～25%范圍內(nèi)，高壓電場中濃度對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響不大，交流電場下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯高于直流電場。

2.4不同的極距對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響

從圖6可以看出，隨著極距的降低，蒸發(fā)速度加快，蒸發(fā)速度與極距呈增函數(shù)關(guān)系；隨著極距的加大，蒸發(fā)速度越來越小，交流電場下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯高于直流電場。

2.5 加絕緣阻擋板對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響

從圖7和圖8可以看出，在無絕緣擋板條件下的蒸發(fā)速度明顯高于有絕緣板條件下的。在100 min內(nèi)，交流電場作用下無絕緣擋板條件下蒸發(fā)速度是有絕緣板條件下的2.77倍；在直流電場作用下無絕緣擋板條件下的蒸發(fā)速度是有絕緣板條件下的2.06倍。

3結(jié)論與討論

對于高壓電場的干燥機理，在學(xué)術(shù)界一直沒有定論。多數(shù)研究者認為，電流體動力學(xué)干燥的機理主要歸功于電場引起離子風(fēng)，在外部離子風(fēng)的吹動下帶走物料表面的水分，起到加速水分蒸發(fā)的作用[10]。在多針-板電極系統(tǒng)下，每個針狀電極都產(chǎn)生離子風(fēng)，從而經(jīng)過積累后干燥速度得到更好的提高[12]，且針電極的正下端離子風(fēng)最強[13]，起到的效果也最好。在5、10 kV時電場強度較低，不太可能產(chǎn)生離子風(fēng)，而在15、20 kV時電場強度較高，有可能產(chǎn)生離子風(fēng)。離子風(fēng)在蔗糖溶液蒸發(fā)過程中起很大的作用。電場強度越高，產(chǎn)生的離子風(fēng)越強，蒸發(fā)速度越大。改變極距，就改變電場強度，也就改變離子風(fēng)，從而影響蒸發(fā)速度。筆者用絕緣阻擋板進行了驗證試驗。研究表明，絕緣阻擋板擋住了電場中的離子風(fēng)，此時蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯下降。

絕緣阻擋板擋住了高壓電場中的離子風(fēng)，蔗糖溶液的蒸發(fā)速度比對照組的還要高，且交流電場下的蒸發(fā)速度高于直流電場作用。這顯示在高壓電場干燥過程中除了離子風(fēng)以外，還有其他因素起到加速水分蒸發(fā)的效果。水分子是極性分子。水分子之間除范德華力外，還可由弱的氫鍵結(jié)合為大的水分子團。水分子團的這種構(gòu)造是一種動態(tài)結(jié)合，其穩(wěn)定存在時間只有10-12s左右，不斷有水分子加入某個水分子團，又有水分子離開水分子團。在室溫中，一般水的分子團大小為30～40個水分子。在電場作用下水分子會發(fā)生極化分子取向，吸收一定的電場能量，促進水分子中氫鍵的斷開，使分子團變成單個的水分子，減小單個水集團的體積，加速水分子的移動，從而提高物料中水分子的蒸發(fā)。

在交流電場作用下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯高于直流電場作用。由于直流電場作用下電場方向不隨時間變化，而交流電場作用電場方向隨時間而不斷改變。電場作用下水分子近似為一組方向各異的電偶極子，直流電場作用不會對偶極子的質(zhì)心運動做功，但可以使偶極子轉(zhuǎn)動為電場方向，吸收一定的電場能量；交流電場作用可以使偶極子持續(xù)轉(zhuǎn)動，吸收的能量更多一些。這也許是交流電場下的蒸發(fā)速度高于直流電場下的一個原因。對高壓電場中蔗糖溶液蒸發(fā)特性的研究，可為進一步研究高壓電場干燥特性和機理研究奠定基礎(chǔ)，提供新的試驗理論上的線索和依據(jù)。

參考文獻

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