劉成海，徐 浩，秦慶雨，付晗宇，王辰飛，沈柳楊，劉 釵，朱廣浩，孫井坤，鄭先哲*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

發(fā)芽糙米富含γ-氨基丁酸、肌醇、維生素等營養(yǎng)成分，為滿足消費者營養(yǎng)和健康需求，干燥后品質(zhì)指標成為發(fā)芽糙米干燥工藝與設(shè)備研發(fā)關(guān)注問題[1]。發(fā)芽糙米由糙米經(jīng)濕法發(fā)芽獲得，初始含水率超過30.0%（w.b.），糙米發(fā)芽溫度需高于30℃，短時間干燥至含水率15.0%（w.b.）以下，否則出現(xiàn)營養(yǎng)成分降解、異味等品質(zhì)劣變現(xiàn)象[2]。因此，干燥效率和生產(chǎn)能力是發(fā)芽糙米干燥設(shè)備關(guān)鍵性能指標。廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥處理。隨電磁學(xué)、材料學(xué)等相關(guān)學(xué)科研究深入和用戶對微波設(shè)備新需求，微波干燥機優(yōu)化設(shè)計是研究重點[3]。

目前微波干燥機優(yōu)化設(shè)計主要集中在兩方面：①模擬微波能在干燥機內(nèi)部分布，以提高微波輻射均勻性為目標，優(yōu)化微波干燥機干燥室結(jié)構(gòu)和形狀[4]。王明翔等應(yīng)用HFSS軟件模擬波導(dǎo)口位置和數(shù)量對矩形諧振腔內(nèi)部電磁場分布影響，確定多波導(dǎo)口對稱設(shè)置可有效改善腔體內(nèi)電磁場分布均勻性，設(shè)計對稱結(jié)構(gòu)正六邊形微波諧振腔[5]。研究磁控管與波導(dǎo)、波導(dǎo)與諧振腔匹配問題，降低微波傳遞損失，以提高微波有效利用，避免因微波反射不當(dāng)造成打火、擊穿破壞。②依據(jù)物料干燥特性或品質(zhì)要求，以提高微波能利用率和分布均勻性為目標，研制適合某類物料干燥微波干燥系統(tǒng)。王飛根據(jù)焦糖色素制取工藝要求和介電特性指標（介電常數(shù)、介電損耗因數(shù)和穿透深度）隨水分變化規(guī)律，以微波干燥設(shè)備腔體中模式較多、簡并比少、波形因數(shù)高等為優(yōu)化目標，確定適合焦糖色素微波干燥腔體尺寸，干燥時物料溫度均勻度高、干燥品質(zhì)符合要求[6]。針對藥丸等物料脫水速度過快易開裂，需一定濕度環(huán)境干燥，張燕燕等設(shè)計多層連續(xù)式微波藥丸干燥設(shè)備，抽濕系統(tǒng)采用設(shè)備出口底部進風(fēng)、頂部抽風(fēng)方式，使冷卻風(fēng)在設(shè)備內(nèi)部呈“S”型運動，有效改善藥丸干燥效果[7]。

微波加熱屬于體加熱方式，導(dǎo)致物料干燥不均勻、干燥強度大，引起農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)劣變，如稻谷裂紋、果蔬變色[8]。已有微波干燥機發(fā)芽糙米干燥試驗，僅30%微波輸出功率用于發(fā)芽糙米升溫和干燥去水，影響微波干燥發(fā)芽糙米品質(zhì)與效率。微波在干燥室內(nèi)傳遞模式是影響微波能利用與吸收主要因素之一，不同磁控管排布方式及干燥室結(jié)構(gòu)均對微波能吸收產(chǎn)生重要影響。

本文運用計算機仿真技術(shù)，針對發(fā)芽糙米微波干燥機干燥室不同結(jié)構(gòu)和微波輸入功率，模擬干燥室內(nèi)輸送帶料層上電場分布，計算電場強度分布百分比，分析微波干燥機內(nèi)電場強度分布規(guī)律，確定最佳磁控管波導(dǎo)排布方式及干燥室結(jié)構(gòu)。

1 材料與方法

1.1 發(fā)芽糙米準備

發(fā)芽糙米由阿城金都米業(yè)提供，稻谷品種為長粒香，初始含水率33.0%（w.b.）。糙米在35℃下發(fā)芽36 h，得到萌芽狀態(tài)發(fā)芽糙米；常溫下將發(fā)芽糙米運至東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏實驗室，冰柜冷藏（4℃）備用。

1.2 試驗方案

利用自行設(shè)計微波干燥機（見圖1）展開發(fā)芽糙米模擬干燥試驗。發(fā)射微波磁控管安裝在微波干燥機頂部，微波經(jīng)波導(dǎo)口向干燥腔輻射，提供干燥所需能量；常溫氣流運動方向與輸送帶平行，通過料層上方產(chǎn)生質(zhì)熱對流傳遞。本研究設(shè)計干燥機內(nèi)含三層輸送帶，輸送帶在驅(qū)動機構(gòu)帶動下勻速運動。物料從進料口進入干燥機腔，均勻鋪在輸送帶上，每層輸送帶末端灑落到下層輸送帶始端。微波從干燥室頂端波導(dǎo)饋能口輸入干燥腔內(nèi)，形成多模式電磁波振蕩，引起溫度升高和水分蒸發(fā)；根據(jù)微波能在物料內(nèi)臨界滲透深度Lcrit=2.7δ-0.08（δ是與物料介電特性指標有關(guān)衰減因子倒數(shù)），確定鋪放在輸送帶上發(fā)芽糙米厚度略小于Lcrit/4，微波穿過上一物料層，投射到下一物料層產(chǎn)生體積熱，升溫干燥，至最后一層；風(fēng)機在干燥機側(cè)面通過氣流均布室向干燥室鼓入常溫氣流，氣流運動與輸送帶第一、三層為順流方向，與第二層為逆流方向，實現(xiàn)微波輻射與空氣對流組合干燥過程。

圖1 三重連續(xù)式微波干燥機發(fā)芽糙米過程Fig.1 Schematic process of GBR dried by a continuous microwave dryer with three layer

1.3 微波干燥機內(nèi)電場強度分布計算程序

針對干燥室不同結(jié)構(gòu)和微波輸入功率，運用Ansoft HFSS軟件（13.0，ANSYS公司），計算和描繪干燥室內(nèi)輸送帶料層上電場分布，截取每個料層上電場分布圖，用MATLAB軟件編程，計算電場強度分布百分比，得到均勻度指標。

I=imread('*.jpg'); %讀取電場分布彩色圖片

c=rgb2gray(I); %變?yōu)榛叶葓D

imshow(c) %顯示灰度圖

z0=max(max(max(I))) %圖象中最大灰度

z1=min(min(min(I))) %最小灰度

white=sum(sum(c＞125)) %上限灰度像素數(shù)

black=sum(sum(c＜100)) %下限灰度像素數(shù)

total=white+black %下限灰度像素數(shù)

ratio=white/(white+black) %百分比

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥室內(nèi)電場強度仿真條件

運用電磁仿真設(shè)計軟件HFSS，模擬微波干燥室內(nèi)電磁場電場強度和磁場強度分布，計算物料電場強度值，分析磁控管安裝方式和干燥機形狀對微波能反射影響，為確定微波體積熱和分析微波場分布均勻性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。分析表明，在微波干燥室內(nèi)微波傳遞、反射、吸收等過程，受微波輸入功率、干燥室（簡化設(shè)為諧振腔）形狀、尺寸和物料介電特性指標影響。設(shè)計連續(xù)式微波干燥機應(yīng)考慮生產(chǎn)能力、工藝流程和磁控管安裝布局及冷卻方式等因素，優(yōu)先滿足干燥機整體形狀、干燥室尺寸（長、寬、高）和輸送帶規(guī)格等結(jié)構(gòu)參數(shù)。確定干燥機整體形狀為長方體，干燥室長、寬、高依次為4 000、600和800 mm；干燥室內(nèi)輸送帶長度和寬度分別為4 000和600 mm。為提高仿真結(jié)果適用性和優(yōu)化干燥室內(nèi)微波能分布，本研究依據(jù)上述干燥機結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建多重干燥機形狀，利用三維結(jié)構(gòu)電磁場Ansoft HFSS仿真軟件，分析磁控管波導(dǎo)安裝方式（橫式、縱式等）、干燥室三維面過渡形式（直角和圓?。Ω稍锸覂?nèi)電磁場傳遞和分布影響規(guī)律，優(yōu)化干燥室內(nèi)物料輸送帶安裝位置。微波干燥機輸出總功率24 kW，單體磁控管輸出功率1 200 W，微波功率2.45 GHz，選用相同規(guī)格磁控管（三星OM75P（11）風(fēng)冷型）20個，波導(dǎo)口尺寸40×80 mm。磁控管中微波能輸出波導(dǎo)安裝位置對電場強度、分布影響顯著[13]。應(yīng)用1.3中程序，計算微波干燥腔內(nèi)電場分布和均勻度。

2.2 微波干燥腔內(nèi)電場強度分布分析

在微波干燥發(fā)芽糙米過程中，干燥室內(nèi)各層輸送帶上電場強度見圖2～9，每層電場特征值見表1～8。

由圖2和表1可知，磁控管波導(dǎo)縱向排列微波干燥機圓棱角干燥室，上層和底層輸送帶上電場強度高于中層電場強度，中層電場分布較上、下層均勻。磁控管波導(dǎo)口縱向排列和干燥室周邊圓弧形過渡，微波傳遞和反射集中在上下兩層輸送帶物料上，經(jīng)兩層吸收后透射至中層物料上微波能減弱，電場強度下降，分布較均勻。

圖2 磁控管波導(dǎo)縱向排列微波干燥機圓棱角干燥室內(nèi)電場分布Fig.2 Electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with verticalarrangement of the magnetron waveguide

表1 磁控管波導(dǎo)縱向排列微波干燥機圓棱角干燥室內(nèi)電場分布特征值Table1 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with vertical arrangement of the magnetron waveguide

由圖3和表2可知，微波干燥機干燥室內(nèi)，干燥層上電場強度由高到低依次漸強，由于磁控管波導(dǎo)口縱橫排列方式，使沿長度方向上相鄰波導(dǎo)傳遞微波方向相互垂直，引起電場干涉和波導(dǎo)口反射，削弱電場強度，距離波導(dǎo)口越遠（z軸→坐標系原點方向），波導(dǎo)口干涉作用越弱，受周面直棱角對微波傳遞散射作用，使電場強度在中層和下層逐次加強，中層均勻度最高；底層受干燥室底板反射作用，電場強度達最高值，但均勻度最差。這種電場分布有較高干燥強度和較好均勻性，速度快、品質(zhì)好。

由圖4和表3可知，在磁控管波導(dǎo)口花式排列直棱角干燥室內(nèi)，電場強度在中間輸送帶料層上最高，上層最低、底層居中偏低，表明在上部料層處，花式排列磁控管波導(dǎo)口輸出電磁波有反射和干涉作用，受周面直棱角散射作用，上層平均電場強度減弱，分布不均勻；從上層透射微波能集中到中層，電場強度達最高水平，而經(jīng)過上、中兩層透射后，底層微波能量減少，電場強度較低，均勻度較高。

圖3 磁控管波導(dǎo)縱橫排列和直棱角微波干燥機干燥室內(nèi)電場分布Fig.3 Electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with vertical arrangement of the magnetron waveguide

表2 磁控管波導(dǎo)縱橫排列和直棱角微波干燥機干燥室內(nèi)電場分布特征值Table2 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with vertical arrangement of the magnetron waveguide

圖4 磁控管波導(dǎo)口花式排列直棱角干燥室內(nèi)電場分布Fig.4 Electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with fancy arrangement of the magnetron waveguide

表3 磁控管波導(dǎo)口花式排列直棱角干燥室內(nèi)電場分布特征值Table3 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with fancy arrangement of the magnetron waveguide

由圖5和表4結(jié)果可知，在磁控管波導(dǎo)入口花式排列圓棱角干燥室內(nèi)，電場強度由上層到底層依次漸強，由于近波導(dǎo)口電磁波反射和干涉作用較強，電場強度較弱，離開波導(dǎo)口距離越遠，作用減弱，電場強度分布均勻性提高，但周面圓棱形過渡有利于電磁波集中，可提高電場強度。

由圖6和表5可知，磁控管波導(dǎo)交錯排列圓棱角干燥室內(nèi)，從波導(dǎo)口輸出電磁波，因角度合適其反射和干涉作用減弱，假設(shè)周面弧形過渡面反射集中作用，可使干燥室整體電場強度處于較高水平，呈中間高、上層和底層較低電場強度，但電場分布均勻性較差。此電場分布干燥強度較高但均勻性差。

由圖7和表6可知，從上層輸送帶經(jīng)中層到底層輸送帶，電場強度呈低到高分布，原因是上層處電場干涉削弱和底部電場反射強化，但周面直棱角過渡引起電磁波散射，電場分布不均勻，整體電場強度均勻性較差。微波干燥時，發(fā)芽糙米從上層輸送帶頂端進入干燥機，但上層電場強度低，干燥能力弱，隨物料進入下層輸送帶，電場強度增高，干燥速度加快，但高溫物料進入高強度電場中，加劇溫度升高，引起品質(zhì)劣變，電場分布均勻性差，干燥后發(fā)芽糙米水分含量不均。

圖5 磁控管波導(dǎo)入口花式排列圓棱角干燥室內(nèi)電場分布Fig.5 Electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with the fancy arrangement of the magnetron waveguide

表4 磁控管波導(dǎo)入口花式排列圓棱角干燥室內(nèi)電場分布特征值Table4 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with fancy arrangement of the magnetron waveguid

圖6 磁控管波導(dǎo)交錯排列圓棱角干燥室內(nèi)電場分布Fig.6 Electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with staggered arrangement of the magnetron waveguide

表5 磁控管波導(dǎo)交錯排列圓棱角干燥室內(nèi)電場分布特征值Table5 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with staggered arrangement of the magnetron waveguid

圖7 磁控管波導(dǎo)交錯排列直棱角干燥室內(nèi)電場分布Fig.7 Electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with staggered arrangement of the magnetron waveguide

表6 磁控管波導(dǎo)交錯排列直棱角干燥室內(nèi)電場分布特征值Table6 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with staggered arrangement of the magnetron waveguid

由圖8和表7可知，在磁控管波導(dǎo)口橫向排列圓棱角干燥室內(nèi)，在中層輸送帶上平均電場強度最高，但均勻性較差，原因是上層電磁波干涉作用削弱電場強度，電場透射到中層量較大；其次是在底層輸送帶，均勻性較好；上層輸送帶上平均電場強度最低，均勻性最差。此電場分布干燥強度高、速度快，均勻性較好。

由圖9和表8可知，在磁控管波導(dǎo)出口橫向排列直棱角干燥室，橫向排列波導(dǎo)出口引起電磁波反射減少，上層干燥強度增大，均勻性最差；底層因干燥室底板反射加強微波強度，電場強度最高，均勻性較差；中層電場強度最低，均勻性較差。此電場分布干燥室，干燥效率低，均勻性差，溫度高導(dǎo)致發(fā)芽糙米品質(zhì)劣變。

比較圖2～9電磁場在3層物料上分布，以各層平均電場強度最高和平均變異系數(shù)最低為選擇依據(jù)，運用1.3程序，結(jié)果見表9。

圖6中磁控管波導(dǎo)交錯排列圓棱角干燥室內(nèi)電場分布最高平均值18 545.3 V·m-1，平均變異系數(shù)為0.5；其次是圖3磁控管波導(dǎo)縱向排橫列和直棱角干燥室內(nèi)平均電場強度為11 198.9 V·m-1，電磁波分布變異系數(shù)低為0.3。高變異系數(shù)表明電場分布不均勻程度較高，局部電場較高引起干燥后發(fā)芽糙米水分和溫度不均勻。

圖8 磁控管波導(dǎo)口橫向排列圓棱角干燥室內(nèi)微波場分布Fig.8 Electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with horizontal arrangement of the magnetron waveguide

表7 磁控管波導(dǎo)口橫向排列圓棱角干燥室內(nèi)微波場分布特征值Table7 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with circular edges in microwave dryer with horizontal arrangement of the magnetron waveguid

圖9 磁控管波導(dǎo)出口橫向排列直棱角干燥室電場分布Fig.9 Electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with horizontal arrangement of the magnetron waveguide

表8 磁控管波導(dǎo)出口橫向排列直棱角干燥室電場分布特征值Table8 Characteristic value of electric field distribution of drying indoor with straight edges in microwave dryer with horizontal arrangement of the magnetron waveguid

表9 微波干燥機內(nèi)電場強度和均勻度比較Table9 Comparison of electric field intensity and uniformity in microwave drying machine

2.3 模型驗證

受試驗條件和設(shè)備限制，本文無法直接測定微波干燥機內(nèi)發(fā)芽糙米料層電場強度分布。為證實仿真優(yōu)化結(jié)果合理性，針對優(yōu)化微波干燥機結(jié)構(gòu)參數(shù)，用紅外相機測定料層上溫度；采用COMSOL軟件模擬相同微波干燥條件下發(fā)芽糙米料層上溫度分布，用內(nèi)熱源（微波體積熱）非等溫流體傳熱、表層水分蒸發(fā)和對流傳質(zhì)擴散模塊表征發(fā)芽糙米微波干燥過程。微波干燥臺架試驗和仿真模型中發(fā)芽糙米溫度變化見圖10。

圖10 發(fā)芽糙米溫度試驗值和模擬值比較Fig.10 Comparison of temperature of measurement and simulation for the layer of germination brown rice in a continuous microwave dryer

由圖10可知，在干燥前期試驗值和模擬值具有較高擬合程度，但在干燥后期臺架試驗中物料溫度值趨向穩(wěn)定，模型中溫度值仍繼續(xù)上升。由于在臺架試驗中，干燥前期初始含水率較高，水介電常數(shù)較大，微波吸收能力強，料層吸收微波能主要用于升溫，水分逐漸蒸發(fā)；吸收微波能主要用于料層液態(tài)水分蒸發(fā)，溫度趨于恒定值。但在仿真模型構(gòu)建過程中忽略物料水分表層蒸發(fā)，吸收微波能全部用于升溫，導(dǎo)致干燥溫度持續(xù)上升，干燥后期溫度略高于試驗值。不同微波強度下試驗值與模擬值之間均方根誤差（RMSE）值較低，證明該仿真模型可靠，證實料層上電場強度仿真結(jié)果正確，優(yōu)化結(jié)果有利于改善料層上電場分布均勻性，提高微波能利用率。

3 討論

微波加工過程中，物料對微波能吸收和轉(zhuǎn)化能力影響加工效率、能量利用和產(chǎn)品質(zhì)量，是評價微波設(shè)備先進性和加工工藝適用性主要依據(jù)[10]。在微波設(shè)備矩形波導(dǎo)諧振腔內(nèi)，入射波與反射波相遇，產(chǎn)生駐波現(xiàn)象，產(chǎn)生電場強分布、物料受熱不均，影響干燥品質(zhì)[11]。有關(guān)電場分布均勻性和強度研究認為，改變波導(dǎo)排布方式，增加磁控管數(shù)量，調(diào)整干燥腔結(jié)構(gòu)可有效改善電場分布效果[12-13]。發(fā)芽糙米具有高含水率和熱敏性成分豐富等特性[1,14]，現(xiàn)有通用微波干燥設(shè)備難以實現(xiàn)發(fā)芽糙米高品質(zhì)、高效率干燥加工。為此，本研究以自行設(shè)計三重連續(xù)式微波干燥機為模型，針對發(fā)芽糙米在干燥室內(nèi)電場強度和分布均勻性分析，確定磁控管波導(dǎo)縱向排橫列和直棱角微波干燥機干燥室形式，有較高微波能利用率和微波場分布均勻度，間接試驗結(jié)果可證實其合理性，研究結(jié)果可為提高微波干燥發(fā)芽糙米均勻性和控制干燥溫度提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

a.運用電場仿真軟件HFSS分析自行設(shè)計三重連續(xù)式微波干燥機內(nèi)電場強度，研究發(fā)現(xiàn)，磁控管波導(dǎo)安裝方式（橫式、縱式等）及干燥室結(jié)構(gòu)（干燥室內(nèi)六條邊界面間過渡形式）對發(fā)芽糙米電場分布均勻性及強度有顯著影響，電場強度重要影響因素是波導(dǎo)排布位置和安裝形式。

b.磁控管波導(dǎo)縱向排橫列和直棱角微波干燥機干燥室形式，有較高微波能利用率和電場強度均勻度，磁控管波導(dǎo)交錯排列圓棱角干燥室，平均電場強度最大，但電場分布不均勻。

[1] 鄭先哲,于潔,張艷哲,等.活性米微波干燥特性及品質(zhì)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,46(11):86-94.

[2] Sumargo F,Gulati P,Weier S A,et al.Effects of processing moisture on the physical properties and in vitro digestibility of starch and protein in extruded brown rice and pinto bean composite flours[J].Food Chemistry,2016,211:726-733.

[3] 尚書磊.一種功率連續(xù)可調(diào)的試驗室用小型微波干燥裝置[D].昆明:昆明理工大學(xué),2013.

[4] Balbay A,Kaya Y,Sahin O.Drying of black cumin(Nigella sati?va)in a microwave assisted drying system and modeling using extreme learning machine[J].Energy,2012,44(1):352-357.

[5] 王明翔.工業(yè)微波爐腔體電磁場仿真與優(yōu)化[D].昆明:昆明理工大學(xué),2014.

[6] 王飛.基于HFSS仿真技術(shù)制取焦糖色素的微波爐優(yōu)化設(shè)計研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2010.

[7] 張燕燕,蘇建勇,張士偉,等.多層連續(xù)式微波藥丸干燥設(shè)備的設(shè)計[J].武漢輕工大學(xué)學(xué)報,2015,34(1):32-36.

[8] 許綽微,張璐,趙思明,等.發(fā)芽糙米熱風(fēng)和微波干燥特性及品質(zhì)研究[J].現(xiàn)代食品科技,2016,32(1):256-260,135.

[9] 王磊.活性米微波干燥系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2016.

[140] 安鳳平,黃建立,宋洪波,等.微波真空干燥機干燥系統(tǒng)的設(shè)計及干燥均勻性的改善[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,40(1):85-90.

[11] 朱建清,劉熒,柴舜連.電磁波原理與微波工程基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[12] 王東東,黃勤,閆建偉,等.波導(dǎo)布置方式對矩形微波加熱腔電場的影響[J].現(xiàn)代機械,2016,(2):44-46.

[13] 李濤,張偉,陳海龍,等.箱型微波腔體的設(shè)計及其棱角對電場分布的影響[J].橡膠工業(yè),2015,62(9):44-46.

[14] 賈富國,韓珊,曹銀平,等.發(fā)芽糙米的干燥特性研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,44(2):142-145.