謝永康，林雅文，朱廣飛，于賢龍，薛令陽，高振江，劉嫣紅

0 引 言

射頻（radio frequency，RF）是一種高頻交流變化的電磁波[1]，其頻率范圍是3 kHz～300 MHz。為避免對通訊產(chǎn)生干擾，美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）規(guī)定國際上用于工業(yè)、科研以及醫(yī)藥行業(yè)的3個射頻頻率分別為13.56、27.12和40.68 MHz[2]。射頻可穿透到物料內(nèi)部，引起物料內(nèi)部極性分子和帶電離子的振蕩遷移，相互摩擦，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，物料的溫度隨之升高，進(jìn)而達(dá)到干燥的目的[3]。同時，相比微波加熱，射頻技術(shù)具有設(shè)備投資小，穿透深度大和產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)勢[4]。利用射頻能量穿透深度大的優(yōu)勢，可解決裝料厚度受限的問題，提高生產(chǎn)率[5]。但裝料厚度過大易導(dǎo)致物料內(nèi)部熱量和水分?jǐn)U散受阻，會出現(xiàn)局部高溫，由于與射頻加熱速率正相關(guān)的介電損耗因子隨溫度的升高而增大，射頻能量往往集中于局部溫度較高的部位，導(dǎo)致該部位過熱，出現(xiàn)熱偏移現(xiàn)象[6]。此外，當(dāng)裝有物料的規(guī)則料盤（如長方體料盤）放在上下極板之間加熱時，作用于料盤邊緣的電場線會發(fā)生彎曲，邊角處電場密度增大，造成邊角處物料過度加熱，產(chǎn)生邊角效應(yīng)，出現(xiàn)加熱不均勻的情況[7-8]。射頻加熱過程中出現(xiàn)的熱偏移問題和邊角效應(yīng)問題不僅降低了物料的整體干燥速率，還會降低其干燥品質(zhì)，是影響射頻技術(shù)推廣的主要障礙[9-10]。

物料的干燥過程主要由內(nèi)部水分?jǐn)U散與表面水分蒸發(fā)或外部水分?jǐn)U散所決定。因此，堆積物料表面附近未及時擴(kuò)散的水分和表面蒸發(fā)水分之間較低的濃度差，減弱了對流傳質(zhì)驅(qū)動，從而降低了干燥速率[11]。熱偏移和邊角效應(yīng)引起的干燥不均主要有 2類，一是整個樣品熱點(diǎn)處出現(xiàn)加熱過度，二是冷點(diǎn)處物料未降至安全水分，這兩種不均勻都會導(dǎo)致物料的品質(zhì)難以得到保障[12]。因此，改善和解決熱偏移問題及邊角效應(yīng)問題十分必要。

通過熱風(fēng)對流方式可帶走干燥過程遷移至物料表面的水分。根據(jù)對流熱風(fēng)與物料相對運(yùn)動的方向，熱風(fēng)干燥方式可分為橫流干燥、順流干燥及逆流干燥，其中，橫流干燥方式由于熱空氣流動方向氣流量損失較多，一般常用于薄層物料的干燥，而順流干燥方式常用于大裝載量物料的干燥[13]。文獻(xiàn)研究表明[14]，熱風(fēng)在射頻干燥過程中主要起2個作用：一是加強(qiáng)物料表面的空氣流通，使物料表面氣化的水分盡快逸散到周圍環(huán)境中去，加強(qiáng)對流傳質(zhì)效果，從而提高干燥速率；二是當(dāng)物料溫度較高時起到降溫作用，當(dāng)物料溫度較低時起到加熱作用，使物料溫度保持在適宜的范圍，從而提高射頻加熱均勻性。同時，文獻(xiàn)研究中也發(fā)現(xiàn)通過多層料盤分層裝料可使物料內(nèi)部產(chǎn)生的熱量散失，進(jìn)而提高射頻加熱的均勻性[14-15]。因此，本文采用射頻干燥結(jié)合水平熱風(fēng)對流干燥技術(shù)，以及分層裝料的方法，解決射頻加熱大裝載量物料時產(chǎn)生熱偏移問題和邊角效應(yīng)問題。

由于金屬材料會反射射頻能量，電磁波會在金屬中激發(fā)電子產(chǎn)生大電流而在金屬材料和射頻極板之間產(chǎn)生大電流，進(jìn)而放電產(chǎn)生火花，嚴(yán)重時會擊穿極板及燒壞其它元器件。因此，一般稱量設(shè)備不可直接放置在射頻干燥裝置的 2個極板之間，而需在射頻加熱停止后將物料取出稱量，進(jìn)而計算相關(guān)參數(shù)，調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)，操作極為不便。與此同時，在物料取放及射頻設(shè)備啟閉過程中，外界環(huán)境條件難免對物料及干燥腔的狀態(tài)參數(shù)（比如溫度、相對濕度等）產(chǎn)生影響，無法實現(xiàn)干燥過程的精準(zhǔn)控制[16]。目前相關(guān)文獻(xiàn)和專利中并無射頻加熱系統(tǒng)自動稱量裝置，而與射頻加熱同屬介電加熱的微波系統(tǒng)中，董浩杰等[17]公開了微波干燥設(shè)備在線稱量系統(tǒng)，此稱量系統(tǒng)雖可實時檢測物料的質(zhì)量變化，但稱量對象是整個微波干燥設(shè)備，相比微波干燥設(shè)備，物料的質(zhì)量所占比重很小，因此測得的物料質(zhì)量誤差較大，試驗精度不高。因此，設(shè)計一種射頻-熱風(fēng)對流聯(lián)合干燥裝備在線稱重裝置，對于提高射頻-熱風(fēng)對流聯(lián)合干燥的自動化程度及試驗精度，是十分必要的。

本文針對現(xiàn)有射頻干燥系統(tǒng)裝料量大時，熱偏移和邊角效應(yīng)導(dǎo)致的干燥不均勻及干燥過程無法實時稱重等問題，設(shè)計了一種熱風(fēng)對流加熱裝置、裝料裝置及稱量裝置，采用射頻干燥結(jié)合熱風(fēng)對流技術(shù)，同時通過將裝有薄層物料的多層物料盤疊放在一起，中間留出適當(dāng)間隙的方法，解決熱偏移問題和邊角效應(yīng)問題，進(jìn)而提高射頻加熱均勻性；同時，設(shè)計的稱量裝置，可以實時監(jiān)測物料干燥過程中的含水率。

1 射頻-熱風(fēng)對流聯(lián)合干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 射頻-熱風(fēng)對流聯(lián)合干燥設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

射頻-熱風(fēng)對流聯(lián)合干燥設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由熱風(fēng)對流加熱裝置、裝料裝置、稱量裝置及控制系統(tǒng)等組成。

熱源供給系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)、加熱管和通風(fēng)管道等組成，風(fēng)溫風(fēng)速控制系統(tǒng)包括出風(fēng)口溫度和風(fēng)速的調(diào)節(jié)，氣流分配室由喇叭口、分流圓柱體和條形出風(fēng)板組成。裝料裝置由多層料盤組成，料盤由聚丙烯材料制成[18]。稱量裝置由傳感器（KNX-6型，北京航宇時代傳感器有限公司，中國）、托盤和支柱等組成。控制系統(tǒng)由繼電器、變送器和控制盒等組成。熱風(fēng)對流加熱裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

工作時，外界氣體在離心風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入加熱管室，經(jīng)加熱后送入喇叭口氣流分配室，在氣流分配室內(nèi)的分流圓柱體作用下，氣體從條形出風(fēng)口均勻的流出。當(dāng)氣體溫度和風(fēng)速達(dá)到預(yù)定值時，開啟射頻干燥設(shè)備，射頻聯(lián)合熱風(fēng)對流干燥料盤中的物料。當(dāng)溫度傳感器檢測的出風(fēng)口溫度低于預(yù)設(shè)值時，加熱管開始加熱，而當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)值時，加熱管停止加熱。在氣體流量允許損失范圍內(nèi)，來自水平方向的熱風(fēng)可以沿料盤長度方向帶走多層物料產(chǎn)生的熱量和水分，提高干燥均勻性。特氟龍材料的支柱和聚丙烯材料的稱量托盤避免了射頻 2個極板之間存在金屬的問題，稱量系統(tǒng)每隔一定時間讀取并儲存物料的質(zhì)量數(shù)據(jù)，可以實時監(jiān)測物料含水率。

圖1 射頻-熱風(fēng)對流聯(lián)合干燥機(jī)實物及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Prototype structure and schematic of combined RF and hot air convection dryer

表1 熱風(fēng)對流加熱裝置主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of hot air convection heating device

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 氣流分配室模擬分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1.1 氣體控制方程及邊界條件

氣流經(jīng)入風(fēng)口進(jìn)入氣流分配室后以湍流形式運(yùn)動，受壓力差作用由條形出風(fēng)口噴出，流體部分廣泛采用k-ε湍流模型來計算流體與壁面間的對流換熱邊界條件。標(biāo)準(zhǔn)k-ε的湍流連續(xù)性k方程和ε方程[19]如下

式中ρ為流體密度，kg/m3；k為湍動能，J；μi為流體流速，m/s；μt為湍黏度，Pa·s；μ為黏度，ε為湍動能耗散，Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流項，Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能，J；YM為因擴(kuò)散而產(chǎn)生的湍流，σk為k的湍流特朗普數(shù)，SK為用戶定義的源項，PK為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流項，為生成項，為浮力修正

邊界條件：選取速度入口為入口邊界條件，沿法向進(jìn)氣，入口速度選取0.5～2.5 m/s范圍內(nèi)每隔0.5 m/s下的值。條形出風(fēng)口為壓力出口邊界條件，定義類型為靜壓。固體壁面使用無滑移條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行修正[20-21]。

2.1.2 氣流分配室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

氣流分配室主要承擔(dān)著優(yōu)化流場分布、平均分配條形出風(fēng)口流速的重要作用，不合理的設(shè)計會導(dǎo)致出風(fēng)口的氣流速度不均勻，繼而影響物料內(nèi)部熱量和水分的擴(kuò)散[22]。因此，為了確保條形出風(fēng)口風(fēng)速均勻一致，通過SolidWorks建立氣流分配室模型，設(shè)定邊界條件，采用Flow Simulation插件進(jìn)行流場模擬分析。速度偏差比 E用來評價不同高度方向條形出風(fēng)口氣流速度的偏差程度，速度不均勻性系數(shù)M用來評價速度分布的均勻性[23]。

圖 2為氣流分配室的原始模型和條形出風(fēng)口速度模擬分析結(jié)果，由圖2b可以看出，原始模型為長方體結(jié)構(gòu)時，由于進(jìn)風(fēng)口面積相比氣流分配室較小，在正對進(jìn)風(fēng)口處的條形出風(fēng)口風(fēng)速較大，而正對進(jìn)風(fēng)口之外處經(jīng)過的氣流較少，導(dǎo)致條形出風(fēng)口上下及兩側(cè)處風(fēng)速小于中心處的速度[24]。以進(jìn)風(fēng)口速度值2.5 m/s時的模擬結(jié)果為例進(jìn)行分析，其速度偏差比為31%，速度不均勻系數(shù)為19%。

為了提高條形出風(fēng)口速度均勻性，消除中間風(fēng)速高、上下及兩側(cè)風(fēng)速低的現(xiàn)象，通過增大進(jìn)風(fēng)口直徑，同時改變長方體氣流分配室為喇叭口氣流分配室[25]，經(jīng)過前期大量模擬結(jié)果，選擇條形出風(fēng)口均勻性較好、進(jìn)風(fēng)口直徑133 mm、傾斜角度19.3°的喇叭口氣流分配室，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3a所示。

根據(jù)模擬結(jié)果，計算得出速度偏差比降為22.4%，速度不均勻系數(shù)為13.5%。由計算結(jié)果及條形出風(fēng)口速度分布圖3b可知，上述措施雖然一定程度上降低了速度偏差比及速度不均勻系數(shù)，提高了出風(fēng)口均勻性，但并沒有完全消除中間風(fēng)速高、上下及兩側(cè)風(fēng)速低的現(xiàn)象。

圖2 優(yōu)化前氣流分配室結(jié)構(gòu)和條形出風(fēng)口速度分布Fig.2 Structure of airflow distribution room and velocity distribution of strip outlet before optimization

圖3 喇叭口氣流分配室結(jié)構(gòu)和條形出風(fēng)口速度分布Fig.3 Structure of flared air distribution room and velocity distribution of strip outlet

基于以上措施，為了消除中間速度高的現(xiàn)象，需要對經(jīng)過喇叭口氣流分配室內(nèi)的氣體產(chǎn)生擾流作用，使氣體均勻流出，因此需要在喇叭口氣流分配室內(nèi)增加擾流裝置[26]。由于篇幅有限，本文直接給出優(yōu)化后的氣流分配室結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4a所示。分流圓柱直徑為20 mm，3個分流圓柱的俯視圖中心點(diǎn)連線構(gòu)成等腰三角形，其底邊長40 mm，高100 mm。

根據(jù)優(yōu)化后的模擬結(jié)果，計算得出其速度偏差比降為10.5%，速度不均勻系數(shù)降為7.6%。圖4b為優(yōu)化后的條形出風(fēng)口速度分布圖。由圖4b可以看出，進(jìn)風(fēng)口處的氣體在 3個分流圓柱的分散作用下均勻分配于喇叭口氣流分配室內(nèi)，條形出風(fēng)口處速度大小一致，消除了中間風(fēng)速高、上下及兩側(cè)風(fēng)速低的現(xiàn)象。

圖4 氣流分配室優(yōu)化結(jié)構(gòu)和條形出風(fēng)口速度分布Fig.4 Optimize structure of airflow distribution room and velocity distribution of strip outlet

采用等面積法取每排條形出風(fēng)口 6個點(diǎn)處的風(fēng)速實測值進(jìn)行比較[26]，測量點(diǎn)如圖5所示，1～6代表排數(shù)，40～240代表每排測量點(diǎn)的位置。通過熱線式風(fēng)速計（法國凱茂VT100，分辨率0.01 m/s）對1到6排、每排6個等距離測量點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速測定并對模擬結(jié)果進(jìn)行試驗驗證。風(fēng)速計精度為0.01 m/s。測量時，熱線式風(fēng)速計測風(fēng)計放置于測量點(diǎn)位置正前方0.01 m處，選取進(jìn)風(fēng)口速度值為2.5和1.0 m/s時、每排和每列垂直位置處實測值平均速度與模擬值平均速度進(jìn)行對比。

圖5 氣流速度測量點(diǎn)Fig.5 Air flow velocity measurement point

測量結(jié)果和模擬結(jié)果對比如圖6所示。結(jié)果顯示：模擬值和實測值基本一致，在風(fēng)速0.5～2.5 m/s范圍內(nèi)，模擬值和實測值相對誤差范圍為0.01%～5.60%。

圖6 不同進(jìn)口風(fēng)速下出風(fēng)口速度的模擬值和實測值對比Fig.6 Comparison between simulated and calculated velocity value under different inlet wind velocity

2.2 料盤的設(shè)計與制作

射頻干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，玉米種子為單層厚裝載量狀態(tài)，由于熱風(fēng)方向垂直于物料向上，熱風(fēng)在玉米種子中為多孔介質(zhì)流動，其流動特性受玉米種子裝載量和物料本身特性影響較大?？紤]到待干燥樣品料盤中心處熱量需要及時散失，本試驗設(shè)計了一款可多層疊放的料盤。基于上述設(shè)計的單個條形出風(fēng)口的尺寸（長×高）為280 mm×10 mm，2個條形出風(fēng)口之間的間距為30 mm，為了使水平熱風(fēng)帶走料盤中心處物料產(chǎn)生的水分和中心熱量，設(shè)計料盤的左右檔邊高度比前后檔邊的高度低，且料盤中物料上方間隙與單個條形出風(fēng)口高度對應(yīng)，為10 mm，其寬度稍小于條形出風(fēng)口寬度，選擇寬度為250 mm，高度為2個條形出風(fēng)口之間的距離。為使風(fēng)速在料盤長度方向上損失最小，在出風(fēng)口速度值為 0.5～2.5 m/s條件下，用風(fēng)速計測量不同料盤長度方向左右端速度值，統(tǒng)計測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同速度值下料盤左右兩端速度呈現(xiàn)左高右低的趨勢，且隨著出風(fēng)口速度的增大左右兩端的相對誤差增大。由表 2數(shù)據(jù)分析可知，條形出風(fēng)口速度值2.5 m/s條件下，料盤長度較長時，風(fēng)速損失大；料盤長度較短時，雖然風(fēng)速損失小，但物料裝載量相應(yīng)減少，因此，綜合考慮，選擇料盤長度為350 mm。設(shè)計后的分層料盤，其熱空氣經(jīng)過玉米種子上部，為低雷諾數(shù)湍流運(yùn)動，物料特性對介質(zhì)流動特性影響較小。在預(yù)試驗中發(fā)現(xiàn)，料盤四周檔邊無孔時，料盤四周溫度較高；當(dāng)邊角處添加孔后，四周溫度降低。這是由于分層結(jié)構(gòu)并未改變邊緣處電磁場彎曲程度，而是流過的熱風(fēng)和料盤邊角處增加的孔隙加快了邊角處的傳熱傳質(zhì)效果，進(jìn)而降低了邊角處的溫度。料盤內(nèi)孔的形狀為正方形，邊長為4 mm。

表2 不同料盤長度兩側(cè)風(fēng)速及極差值Table 2 Air velocity and range on both sides of different tray length

2.3 實時稱量裝置的設(shè)計與制作

由于金屬材料反射射頻能量，射頻 2個極板之間不能存在金屬物質(zhì)，此外，金屬稱量傳感器離極板較近時，容易受射頻場影響，造成稱量不準(zhǔn)。因此，金屬稱量傳感器固定在下極板下方20 cm處的底板上。然而物料的加熱在 2極板之間進(jìn)行，不能直接與稱量傳感器相連，因此，通過穿過下極板（不與下極板接觸）的 4個等高特氟龍材料支柱連接稱量傳感器和聚丙烯材料稱量托盤，其物料放置于稱量托盤上。稱量傳感器的結(jié)構(gòu)和量程，根據(jù)射頻下極板的結(jié)構(gòu)以及試驗用物料的最大質(zhì)重量來確定。選擇 4個常用的懸臂式稱量傳感器[27]，單個傳感器的量程為6 kg，4個傳感器的最大量程為24 kg，精度為0.05%，稱量誤差范圍為0～12 g。考慮到實際料盤結(jié)構(gòu)、尺寸及極板間距，經(jīng)試驗驗證，適合于薄層物料干燥的最大處理量為18 kg。圖7為稱量裝置的模型和實物圖。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的作用主要實現(xiàn)物料內(nèi)部溫度、環(huán)境溫度和物料質(zhì)量的監(jiān)測。通過單片機(jī)輸出數(shù)字信號控制固態(tài)

繼電器，從而控制加熱管和離心風(fēng)機(jī)。風(fēng)速的調(diào)節(jié)控制由單獨(dú)的變壓調(diào)節(jié)器完成。

圖7 自動稱量裝置模型和實物圖Fig.7 Model and physical diagram of automatic weighting device

3 試驗驗證

3.1 試驗材料及條件

性能驗證試驗采用玉米種子（鄭單958）為試驗材料，其初始濕基含水率為 29.21%±0.45%（烘干法，130 ℃，38 h ±2 h）。將質(zhì)量為12 kg的試驗用玉米種子放在0～4 ℃的冰箱里保存，試驗前取出，放在室溫下平衡3 h[28]。

監(jiān)測點(diǎn)處風(fēng)溫風(fēng)速均勻性試驗：如圖 8a所示 1～7標(biāo)記點(diǎn)用來監(jiān)測到達(dá)料盤處的風(fēng)溫和風(fēng)速，其中未畫出的標(biāo)記點(diǎn)8用來監(jiān)測出風(fēng)口處風(fēng)溫，實際測量中把3個料盤放在下極板正中間如圖8b所示。由于熱風(fēng)方向是從左向右，監(jiān)測點(diǎn)6、3和1用來驗證水平方向是否會出現(xiàn)風(fēng)溫和風(fēng)速左高右低的現(xiàn)象；監(jiān)測點(diǎn)5、3和7用來驗證3個料盤中心處垂直方向風(fēng)溫和風(fēng)速有無差別；點(diǎn) 1～4和 6用來驗證同一水平面不同位置處的溫度有無差異。每個監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速采用VT100熱線式風(fēng)速計（法國凱茂公司，分辨率0.01 m/s）測量3次取平均值；每個監(jiān)測點(diǎn)溫度采用FOT-L型光纖溫度傳感器（加拿大FISO公司）監(jiān)測15 min。數(shù)據(jù)采用SPSS19.0進(jìn)行顯著性分析。

圖8 風(fēng)溫與風(fēng)速監(jiān)測點(diǎn)布置和實物圖Fig.8 Monitoring point location diagram and physical monitoring diagram of air velocity and temperature

射頻系統(tǒng)優(yōu)化前后加熱均勻性對比試驗：為了對比射頻系統(tǒng)優(yōu)化前后加熱均勻性效果，進(jìn)行了 2組對比實驗。在預(yù)試驗中發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)（風(fēng)溫值和風(fēng)速值）和射頻輸出功率（與極板間距有關(guān)）的合適匹配對消除射頻干燥能量富集區(qū)有明顯作用，當(dāng)目標(biāo)溫度、風(fēng)溫不變，要保持良好的均勻性，極板間距和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，例如：當(dāng)極板間距減小，熱風(fēng)風(fēng)速必須增大；當(dāng)極板間距增大，熱風(fēng)風(fēng)速必須減小。因此，經(jīng)過預(yù)試驗，設(shè)計的對比試驗及條件如下：其中優(yōu)化前的設(shè)計試驗為：質(zhì)量2 kg玉米種子不分層放置于 2個極板正中間，在極板間距 180 mm、橫流熱風(fēng)溫度 40 ℃、風(fēng)速 1.5 m/s條件下加熱30 min。優(yōu)化后的設(shè)計試驗為：質(zhì)量2 kg玉米種子分3層放置于2個極板正中間，在極板間距180 mm、順流熱風(fēng)溫度40 ℃、風(fēng)速1.5 m/s條件下加熱30 min。每組試驗重復(fù)3次取平均值，玉米種子每次加熱30 min后，迅速在 Ti55紅外熱像儀（Fluke International Corporation,Utah, USA）下拍攝其表面溫度，再用SigmaPlot 12.5處理數(shù)據(jù)，計算出物料表面平均溫度及均勻性系數(shù)，以驗證射頻-熱風(fēng)對流聯(lián)合加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與料盤形狀的優(yōu)化設(shè)計是否解決了大裝載量物料中心熱量和水分?jǐn)U散的問題。射頻加熱均勻性系數(shù)用來評估射頻加熱均勻性優(yōu)劣的重要參數(shù)，已得到廣泛應(yīng)用[29-30]。計算公式如下:

式中α0和α分別代表物料的初始和最終的平均溫度，℃；σ0和σ1分別代表初始和最終物料溫度的標(biāo)準(zhǔn)差，λ值越小說明射頻加熱均勻性越好。

稱量試驗：自動稱量裝置的安裝首先不能影響射頻的使用，通過有無自動稱量裝置觀察不同極板間距下射頻面板上陽極電流的變化以及 2個極板之間有無打火現(xiàn)象，以驗證自動稱量裝置對射頻有無影響；把標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在稱量托盤上，在無熱風(fēng)和有熱風(fēng)條件下讀取標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量，以驗證熱風(fēng)對稱量結(jié)果有無影響。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 監(jiān)測點(diǎn)處風(fēng)速風(fēng)溫均勻性分析

如表3，根據(jù)測風(fēng)點(diǎn)1、3、6風(fēng)速大小、極差值和顯著性可知：在水平方向上，料盤最右端的測風(fēng)點(diǎn) 1和測風(fēng)點(diǎn)3、測風(fēng)點(diǎn)6的風(fēng)速值之間有顯著性差異，這是由于料盤有一定的長度，在長度方向上會有一定的流量損失，但從極差值看，風(fēng)速可以滿足試驗要求。由測風(fēng)點(diǎn)3、5、7風(fēng)速值及其顯著性分析可知：在垂直方向上，風(fēng)速分布均勻，測風(fēng)點(diǎn)速度值之間差異不顯著。

表3 各風(fēng)速監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速及極差值Table 3 Air velocity and range of monitoring points m·s-1

風(fēng)速的不均勻分布會導(dǎo)致風(fēng)溫的分布也不均勻。由圖9可以看出，測溫點(diǎn)1～4和6表示同一料盤水平面的溫度值，溫度值為42 ℃±1.5 ℃，因此，沒有出現(xiàn)溫度左高右低的現(xiàn)象。測溫點(diǎn)5、3和7分別表示上中下3個料盤中心點(diǎn)的溫度，其溫度值為42 ℃±1.5 ℃，因此，3層之間的溫度差值也很小。測溫點(diǎn) 8表示出風(fēng)口的溫度，溫度在44 ℃上下波動。無論從水平方向和垂直方向，都滿足溫度分布均勻的試驗要求。

圖9 各風(fēng)溫監(jiān)測點(diǎn)的溫度曲線Fig.9 Temperature profile of each wind temperature monitoring point

3.2.2 加熱均勻性分析

由表 4中的數(shù)據(jù)可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前玉米種子層之間溫差達(dá)到3.5 ℃，均勻性系數(shù)最大為0.237，其上層物料平均溫度較低，這是由于橫流熱風(fēng)在熱空氣流動方向氣流量損失較多，上層物料缺乏熱風(fēng)保溫，表面熱量很快散失到空氣中；中間物料平均溫度較高，這是由于厚裝載量物料中間熱風(fēng)很少穿透過去，熱量散失不出去。優(yōu)化后玉米種子層與層之間的溫度差值在 2 ℃之內(nèi)，最大均勻性系數(shù)為0.091，均勻性指數(shù)提高了61.6%。因此，在熱風(fēng)和射頻合適的匹配參數(shù)下，采用射頻干燥結(jié)合熱風(fēng)對流技術(shù)，同時將裝有薄層物料的多層物料盤疊放在一起，中間留出適當(dāng)間隙的方法，可以解決熱偏移問題和邊角效應(yīng)問題，進(jìn)而提高射頻加熱均勻性。

表4 優(yōu)化前后物料表面的溫度和均勻性系數(shù)（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Table 4 Temperature and uniformity index of material surface before and after optimization (average ± standard deviation)

3.2.3 實時稱量分析

本研究使用的射頻加熱系統(tǒng)是由英國 Strayfield International公司生產(chǎn)的 COMBI 6-S型設(shè)備，功率為6 kW，頻率為 27.12 MHz，其使用說明書標(biāo)注同一極板間距下，陽極電流Ia的變化如果大于0.01 A說明極板之間有裝載物料或者有其他信號影響射頻加熱。在不同極板間距下觀察有、無自動稱重裝置時控制面板上Ia的值，從表5中數(shù)據(jù)可以看出Ia的值變化不超過0.01 A，故安裝自動稱重裝置不會影響射頻加熱。本研究采用的稱量裝置儀器總體精度在0.05%之內(nèi)，量程為24 kg，誤差范圍為0～12 g。有、無熱風(fēng)下用該自動稱量裝置稱量標(biāo)準(zhǔn)砝碼，標(biāo)準(zhǔn)值與測試值如表6所示，2種條件下測試質(zhì)量值與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量值偏差為1～10 g。有、無熱風(fēng)下，測試質(zhì)量值之間偏差為1～4 g，表明，熱風(fēng)對自動稱量裝置稱量結(jié)果的影響小于儀表的基本誤差。通過設(shè)置修正系數(shù)對稱量儀表的測試質(zhì)量值進(jìn)行校正，有熱風(fēng)條件下測試值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差可縮小為 1～5 g，自動稱量裝置的總體精度可提高至0.02%。本自動稱量裝置量程較大，從表中數(shù)據(jù)也可以看出，物料質(zhì)量越大，稱量越準(zhǔn)確，建議應(yīng)用時物料質(zhì)量大于1 000 g。

表5 有無稱量裝置對射頻面板電流參數(shù)的影響Table 5 Influence of weighing device on RF panel current parameters

表6 稱量傳感器在有無熱風(fēng)下測量值及校正后測量值和最大偏差值Table 6 Measurements of weighing sensor under having or having not hot air and measured values after correction as well as maximum deviation value g

4 結(jié) 論

本文優(yōu)化了射頻干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的系統(tǒng)由熱風(fēng)對流加熱裝置、裝料裝置和稱量裝置組成。

1）改變氣流分配室為喇叭口形狀及增加分流圓柱體可提高條形出風(fēng)口的均勻性，其出風(fēng)口監(jiān)測點(diǎn)速度偏差比從31%降為10.5%，速度不均勻系數(shù)從19%降為7.6%。風(fēng)速值計算結(jié)果和模擬結(jié)果相對誤差范圍為 0.01%～5.60%。

2）下極板下方20 cm處安裝自動稱量裝置，其陽極電流變化值不超過0.01 A，安裝位置不會影響射頻加熱。有、無熱風(fēng) 2種條件下測試質(zhì)量值與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量值偏差為1～10 g；測試質(zhì)量值之間偏差為1～4 g，表明，熱風(fēng)對自動稱量裝置稱量結(jié)果的影響小于儀表的基本誤差。順流熱風(fēng)下，通過設(shè)置修正系數(shù)對稱量儀表的測試質(zhì)量值進(jìn)行校正，測試值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差可縮小為1～5 g，自動稱量裝置的總體精度可提高至0.02%。稱量裝置最大量程為24 kg，分層后的薄層物料每次試驗最大處理量為18 kg，在最大處理量范圍內(nèi)，稱量質(zhì)量越大，稱量越精確，建議應(yīng)用時物料質(zhì)量大于1 000 g。

3）優(yōu)化后的射頻系統(tǒng)，其物料層之間的溫度差在2 ℃之內(nèi)，均勻性系數(shù)為0.091，較優(yōu)化前提高了61.6%。因此，在熱風(fēng)和射頻合適的匹配參數(shù)下，射頻干燥技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合熱風(fēng)對流技術(shù)，同時通過將薄層物料的多層物料盤疊放在一起，中間留出適當(dāng)間隙的方法解決了由熱偏移和邊角效應(yīng)導(dǎo)致的射頻加熱不均勻問題。

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