凌錚錚 - 任廣躍,2 -,2 段 續(xù),2 ,2 盧映潔 - 陳 曦
(1. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,河南 洛陽 471023;2. 糧食儲藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450001)
射頻(radio frequency,RF)是指頻率在3 kHz~3 GHz 的一種高頻交流變化電磁波的簡稱。由于射頻是一種非電離形式的電磁能量,對正常的通訊有影響,故美國聯(lián)邦通信委員會(The US Federal Communications Commission,F(xiàn)CC)規(guī)定在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的射頻頻率為13.56,27.12,40.68 kHz[1]。傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥主要通過熱傳導(dǎo)和對流將熱能從熱源傳遞到物料中,而射頻干燥的特點是直接與物料中的極性分子或離子進(jìn)行耦合,物料中的極性分子和離子受到高頻率交變電場激發(fā),正負(fù)離子發(fā)生離子遷移,進(jìn)而產(chǎn)生熱,對物料進(jìn)行干燥[2],因而比熱風(fēng)干燥效率更高。除此之外,射頻干燥相對微波干燥而言,具備更好的均勻性、更穩(wěn)定的溫度控制和更佳的干燥質(zhì)量[3-4]?;谏鲜鰞?yōu)點,射頻干燥已在水果[5]、豆類[6]、香料[7]和肉類[8]中都有應(yīng)用。然而射頻干燥存在著“熱點”和“冷點”的問題,致使干燥均勻性變差。為解決加熱不均勻的問題,Uyar等[9]通過改變牛肉粒的尺寸、形狀、射頻電極的位置以及樣品的介電性能,來改善射頻干燥的均勻性。Zhu等[10]通過添加電磁波導(dǎo)體,來改變樣品中的電場線分布,以減少中高水分馬鈴薯淀粉的冷點面積,改善射頻加熱均勻性問題。Chen等[11]通過模擬家用微波爐內(nèi)冷凍土豆泥的旋轉(zhuǎn)解凍,以期通過運動方式來改善射頻加熱的均勻性。Chen等[12]在之前的研究基礎(chǔ)上,模擬了小麥粒在傳送帶上的受射頻加熱的情況,其獲得的結(jié)論是:在進(jìn)行射頻加熱的過程中,運動可以改善射頻加熱過程的加熱均勻性。綜上所述,專家學(xué)者們通過不同手段、方法,改善了射頻給熱過程中的加熱均勻性。
在實際的食品工業(yè)中,熱風(fēng)干燥小顆粒(含粉料)物料時,會造成物料堆積,顆粒飛散,并且對干燥室的環(huán)境造成嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致物料的質(zhì)量變差,能耗變高。進(jìn)而導(dǎo)致小顆粒(含粉料)物料在食品工業(yè)上發(fā)展的滯后,不利于產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)行。然而,結(jié)合射頻給熱適合處理低水分含量物料的特點,射頻干燥可以替代熱風(fēng)干燥在小顆粒(含粉料)工業(yè)上的應(yīng)用,使干燥時物料處于相對靜止?fàn)顟B(tài),有效防止物料質(zhì)量變差,能耗提高。近些年關(guān)于射頻干燥在食品上的應(yīng)用研究,較多的集中在食品材料的滅酶、滅菌和延長食品的貨架期方面。Manzocco等[13]研究了射頻對蘋果中多酚氧化酶(PPO)和脂氧合酶(LOX)的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)射頻處理后蘋果樣品的PPO和LOX含量有效降低,由此得到的蘋果泥樣品在感官品質(zhì)上更好地被消費者所接受。Michael等[14]驗證研究了射頻對脫脂奶粉(NDM)中坂崎克羅諾桿菌和沙門氏菌的滅殺效果,得到射頻滅殺NDM中的坂崎克羅諾桿菌和沙門氏菌的方法是一種更為快速、均勻的方法。Jiao等[15]研究發(fā)現(xiàn)熱空氣輔助射頻技術(shù)處理烤咸花生后,大大延長了烤花生的貨架期。然而在小顆粒(含粉料)物料干燥上應(yīng)用射頻技術(shù)鮮有報道,僅王麗萍[16]研究了大麥苗粉在射頻干燥的情況下,對其風(fēng)味、營養(yǎng)成分的影響,表明射頻干燥有利于增加大麥苗粉的風(fēng)味。并未將射頻干燥作為一種新型的、低能耗的、高質(zhì)量的干燥方法去研究。
為將射頻干燥技術(shù)在食品行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用,試驗擬設(shè)計一臺占地面積<30 m2、處理量可達(dá)到1 500 kg/h、能耗<6 000 kJ/kg·H2O的中試射頻干燥機(jī)(干燥物料為玉米顆粒)。設(shè)計射頻干燥機(jī)干燥小顆粒(含粉料)以射頻源發(fā)射的射頻為主要給熱方式,翅片加熱管輔助給熱方式進(jìn)行干燥,在物料充分干燥(物料的含水率<10%)的前提下,保證干燥物料干燥均勻、快速,為射頻干燥小顆粒物料提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。
所設(shè)計的射頻干燥機(jī)主要由射頻源箱體、進(jìn)料口、輸送帶、厚度限制裝置、電加熱裝置、兩邊對稱的輥輪、底部支架、出料口、動力裝置、控制電路和顯示器等部分組成,其外型尺寸為22 000 mm×2 000 mm×1 200 mm,如圖1 所示。射頻箱體為與兩邊支架連接起來的箱體,保證射頻能量的充分利用;厚度限制裝置的接口處有一緩和裝置,以保證物料的均勻性;底部支架兩邊具有完整的電回路,以保證整個過程都在控制之下進(jìn)行;動力裝置主要為輸送帶提供穩(wěn)定的速度,以保證射頻干燥的均勻性;控制電路包括溫控模塊和射頻輸出控制模塊,溫控模塊控制電加熱裝置的輸出功率,以適合不同水分含量的物料。
1. 進(jìn)料口 2. 輸送帶 3. 厚度限制裝置 4. 射頻箱體 5. 底部支架 6. 電加熱裝置 7. 輥輪 8. 出料口
圖1 射頻干燥機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖
Figure 1 Overall design drawing of radio frequency dryer
將物料傾倒至進(jìn)料口處,在重力的作用下物料向下滑動或滾動至與輸送帶的接口處,輸送帶在電動機(jī)的作用下帶動物料向射頻箱體方向前進(jìn),物料在進(jìn)入到射頻箱體之前,會受到厚度限制裝置的作用,使物料保持一種厚度均勻的狀態(tài)進(jìn)入到射頻箱體。當(dāng)物料進(jìn)入到射頻箱體內(nèi)部時,物料內(nèi)的水分子與射頻源激發(fā)的電磁場進(jìn)行耦合,水分子開始劇烈運動,由于分子間的摩擦和分子的運動產(chǎn)生巨大的熱,并且由于深層分子先吸收能量,導(dǎo)致物料從內(nèi)部開始產(chǎn)熱,從內(nèi)層到外層產(chǎn)生由高到低的梯度熱,使物料內(nèi)的水分子順應(yīng)熱梯度,擴(kuò)散到空氣中[17]。并且在兩邊風(fēng)扇的作用下,將濕空氣抽出,達(dá)到干燥的目的,物料在輸送帶上的整個過程,都受到電加熱裝置的影響,一方面來自電加熱裝置的熱輻射,另一方面來自具有良好導(dǎo)熱性能的輸送帶的直觸加熱,提高物料的溫度,來減少射頻加熱的負(fù)擔(dān),整個射頻加熱過程中,物料都受到了溫控模塊的監(jiān)視,當(dāng)物料的溫度超出給定的范圍時,開始逐個停止射頻發(fā)射器,防止物料受到高溫作用后,導(dǎo)致物料的質(zhì)量不佳。當(dāng)物料到達(dá)出料口時,傳感器檢測物料的含水量是否達(dá)到要求,若物料已經(jīng)達(dá)到安全貯藏的水分含量,并且在出料口被收集、貯藏,若還未達(dá)到目標(biāo)含水量,則調(diào)整射頻干燥機(jī)參數(shù),重新干燥,直至物料達(dá)到含水量要求。
玉米是中國最主要的糧食作物,2017年玉米產(chǎn)量25 907.07 萬t,占全國糧食總產(chǎn)量的39.15%,為將新鮮玉米及玉米產(chǎn)品(一般含水率為25%~30%)安全地貯藏,必須將其干燥至適宜倉儲的含水率(13%~15%)。將玉米粉碎至顆粒狀的玉米糝是一種較為廣泛的加工貯藏方式,在玉米粉碎過程中,可充分利用粉碎機(jī)所散發(fā)的熱量來降低玉米顆粒的含水率。故試驗設(shè)計的射頻干燥機(jī)是以玉米顆粒為物料,以期在產(chǎn)地生產(chǎn)高附加值的玉米顆粒,獲得質(zhì)優(yōu)、低耗的玉米顆粒干制品,為玉米顆粒的射頻干燥工業(yè)化提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。
圖2 射頻干燥機(jī)的工作流程圖
中國的玉米熱風(fēng)干燥機(jī)熱效率低、單位能耗大,在6 700 kJ/kg·H2O 左右[18]。為了驗證設(shè)計射頻干燥機(jī)射頻干燥性能,暫時將電加熱輔助模塊關(guān)閉,僅考慮射頻給熱。設(shè)計該射頻干燥機(jī)能處理1 500 kg/h的玉米顆粒,為保證玉米顆粒的品質(zhì)(霉菌數(shù)量下降7個對數(shù)級),射頻給熱不得少于35 min(料厚100 mm、極板間距150 mm)[19],玉米顆粒最高達(dá)到65 ℃[20],在此基礎(chǔ)上進(jìn)行能耗核算。玉米顆粒的比熱Cp=1.6 kJ/(kg·℃),水在65 ℃的蒸發(fā)潛熱L=2 345 kJ/kg,玉米的熱導(dǎo)率λ=0.144 4 W/(m·K)。
(1) 將玉米顆粒加熱到65 ℃的理論能耗:
Pta=M×Cp×ΔT,
(1)
式中:
Pta——將玉米顆粒加熱到65 ℃的理論能耗,kW;
M——單位時間的產(chǎn)量,kg/s;
Cp——玉米顆粒的比熱,kJ/(kg·℃);
ΔT——物料升高的溫度,℃。
(2) 蒸發(fā)玉米顆粒中水分需要的理論能耗:
(2)
式中:
Pte——蒸發(fā)玉米顆粒中水分需要的理論能耗,kW;
m1——玉米顆粒的初始水含量,%;
m2——玉米顆粒的終含水含量,%;
L——水在65 ℃的蒸發(fā)潛熱,kJ/kg。
(3) 理論功率:
W=Pta+Pte,
(3)
式中:
W——理論功率,kW。
代入數(shù)值經(jīng)計算得W=222.101 1 kW。
(4) 實際功率:由于該設(shè)計的能耗估算是基于從輸電干線到射頻發(fā)生器輸出的能量,其轉(zhuǎn)化率約為1∶1.15。則需實際功率為:222.101 1 kW×1.15=255.582 4 kW。
則設(shè)計該射頻干燥機(jī)在僅打開射頻給熱模塊時能耗為4 089.318 4 kJ/kg·H2O,與熱風(fēng)干燥的能耗(6 700 kJ/kg·H2O)相比降低約39%的能耗,降低了制作干制品物料的消耗,為玉米顆粒的射頻干燥工業(yè)化提供借鑒參考。
基于以上的能量核算,為保證射頻給熱的連續(xù)性,以及設(shè)計的現(xiàn)實性,使干燥后的物料水分達(dá)到安全要求,Liu等[21]研究了射頻對小麥粉的干燥滅菌效果的驗證,參考其對射頻源的設(shè)計并結(jié)合工業(yè)實際,將射頻箱體(圖3)設(shè)計為6個射頻箱連接組成,箱體總長18 000 mm,一個單獨的箱體內(nèi)部有2個射頻源(27.12 kHz,22 kW,50 Ω),共12個射頻源組成。箱體規(guī)格為3 000 mm×1 200 mm×500 mm,材料主要為鋁。箱體之間連接致密,箱體與底部支架連接穩(wěn)固,保持在輸送帶上進(jìn)行射頻干燥的密閉性,防止電磁輻射外泄。
為保證設(shè)備各部分連接緊密,依照各部分參數(shù)設(shè)計,以及設(shè)備占地面積的合理性,將設(shè)備主體框架的輸送機(jī)整體規(guī)格設(shè)計為20 000 mm×1 000 mm。依據(jù)以上核算內(nèi)容,將輸送帶帶速定為23 m/h,輸送帶的主要材料滌棉帆布,表面涂有丁苯橡膠(Styrene Butadiene Rubber,SBR),SBR可以使輸送帶表面光滑,提高輸送帶的緊密程度,不致使物料漏于設(shè)備內(nèi),減短設(shè)備的維護(hù)周期,SBR還使輸送帶耐受高溫,涂后可使輸送帶耐受140 ℃高溫,可達(dá)到T2等級的耐熱等級[22]。輸送機(jī)兩端與進(jìn)料口、出料口有緊密連接,以保證物料不外漏以減少損失。
圖3 射頻箱體簡圖(左視圖)
厚度限制裝置位于進(jìn)料口與射頻箱體之間,為防止物料傾倒過快導(dǎo)致物料堆積于厚度限制裝置前方,故設(shè)計距離進(jìn)料口800 mm,以保證物料在進(jìn)入箱體時保持物料厚度均一,分布均勻。厚度限制裝置的主材料為鋁合金,為符合裝置各個部分嵌合緊密,將裝置的規(guī)格定為1 000 mm×150 mm,高度可以根據(jù)物料、產(chǎn)量、含水率的實際情況來調(diào)整(范圍為50~180 mm),如圖4所示。裝置上方設(shè)有一個1/4圓的緩和設(shè)計,目的是防止從進(jìn)料口輸送過多物料,導(dǎo)致物料堆積,或物料直接越過厚度限制裝置,堆積在物料的上方進(jìn)入射頻干燥機(jī),導(dǎo)致物料的厚度不均勻,對射頻干燥的質(zhì)量造成影響。
1. 物料緩和設(shè)計 2. 厚度限制蓋 3. 高度調(diào)節(jié)螺栓 4. 電加熱裝置
圖4 厚度限制裝置設(shè)計圖(左視圖)
Figure 4 Design drawing of thickness limiting device (left view)
電加熱裝置位于輸送帶上下兩個帶面之間,共37個單獨的翅片電加熱發(fā)射器,曾煒杰等[23]模擬了翅片電加熱管的溫度分布情況,為防止加熱片之間距離過近,導(dǎo)致溫度分布局部過高,電加熱裝置之間間隔600 mm,組成聯(lián)合的射頻干燥機(jī)的電加熱輔助模塊,在數(shù)控模塊的調(diào)控下,對射頻干燥機(jī)進(jìn)行輔助給熱。翅片電加熱管與普通元件相比散熱面積擴(kuò)大了2~3倍,即翅片元件所允許的表面功率負(fù)荷是普通元件的3~4倍。由于元件的長度縮短,使得本身的熱損失減小,在相同的功率條件下,具有升溫快、發(fā)熱均勻、散熱性能好、熱效率高、使用壽命長、成本低等優(yōu)點[23]。其主材料為不銹鋼、改性氧化鎂粉、高電阻電熱合金絲、不銹鋼散熱片等,管徑12 mm,工作電壓220 V,功率1 000 W,如圖4所示。
設(shè)計射頻干燥機(jī)的動力來源主要由電動機(jī)提供,電動機(jī)位于進(jìn)料口的側(cè)方。電動機(jī)及減速器、軸承座等應(yīng)均安裝在由地腳螺栓固定的底座上,以防止向任何方向移動,保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。電動機(jī)為臥式鼠籠通用型電動機(jī),電動機(jī)應(yīng)裝有冷卻風(fēng)扇,完全封閉,符合防塵標(biāo)準(zhǔn)(DIP),電機(jī)防護(hù)等級采用IP54,來確保電動機(jī)工作過程中的安全。輸送機(jī)的托輥直徑300 mm,輸送機(jī)的托輥采用的軸承為滾珠軸承,以保證輸送機(jī)軸承的使用壽命。
基于上述設(shè)計,按圖5、6組裝相應(yīng)的中試樣機(jī),樣機(jī)機(jī)組供電輸入電源為三相五線380 V,射頻輸出頻率27.12 kHz,單個射頻源輸出功率22 kW(功率可調(diào)),干燥量1 500 kg/h,使用環(huán)境溫度-5~40 ℃,進(jìn)料口高度100 mm,傳送帶帶寬1 000 mm(食品級,16 mm厚),輸送帶線速度23 m/h,傳送電機(jī)功率為單相-0.75 kW(電子調(diào)速),機(jī)組尺寸22 200 mm×2 050 mm×1 210 mm(長×寬×高),機(jī)組與設(shè)計總體誤差<5%,樣機(jī)主體材料為鋁合金和不銹鋼,驗證射頻干燥機(jī)的干燥性能。
挑選無蟲無害的新鮮玉米粒,經(jīng)粉碎機(jī)粉碎為新鮮玉米顆粒。依據(jù)上述設(shè)備描述,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗驗證。每次試驗玉米顆粒質(zhì)量為1 000 kg。
由表1可知,干燥1 000 kg玉米顆粒,平均耗時
1. 電動機(jī)
圖6 射頻干燥機(jī)主要部分關(guān)系圖
表1 驗證實驗結(jié)果
40.83 min,比預(yù)測耗時多2.07%;平均干燥能耗4 241.438 9 kJ/kg·H2O,比設(shè)計能耗(4 089.318 4 kJ/kg·H2O)高3.72%;玉米顆粒最終含水率都達(dá)到目標(biāo)值。較現(xiàn)有的熱風(fēng)干燥能耗(6 700 kJ/kg·H2O)降低約36.7%。綜上,所設(shè)計的射頻干燥機(jī)基本符合預(yù)期。
針對小顆粒(含粉料)物料的干燥要求,結(jié)合熱力學(xué)、動力學(xué)和電磁學(xué)原理,設(shè)計了一款針對性較強的射頻干燥機(jī)。該設(shè)備將射頻加熱與熱空氣輔助加熱結(jié)合起來,通過對物料內(nèi)的傳質(zhì)傳熱進(jìn)行分析,合理利用熱梯度,構(gòu)建適宜溫度梯度,在保證不破壞物料質(zhì)量的前提下,使物料從內(nèi)部加熱,加快水分子從物料內(nèi)部擴(kuò)散至外部的速率,并且運用動力學(xué)原理,緩解了射頻加熱不均勻的問題。整個射頻干燥機(jī)都在數(shù)控系統(tǒng)的控制下,對整個射頻干燥過程進(jìn)行多重控制,使射頻干燥過程更加精準(zhǔn)高效,不僅節(jié)省了人力物力,滿足了食品工業(yè)上對產(chǎn)品的要求,而且保證了產(chǎn)品的營養(yǎng)成分不流失,提高了產(chǎn)品價值,延長了產(chǎn)品的貨架期。然而,試驗針對的小顆粒(含粉料)物料所設(shè)計的射頻干燥樣機(jī)在進(jìn)行驗證時,僅采用玉米顆粒為試驗樣品,為保證設(shè)計的科學(xué)性,仍需對其他小顆粒(含粉料)物料進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。