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。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

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

1.2 工作過程

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。

2 能耗核算

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。

3 射頻干燥機(jī)主要部件設(shè)計

3.1 射頻箱體

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。

3.2 輸送機(jī)

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)

3.3 厚度限制裝置

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)

3.4 電加熱裝置

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。

3.5 動力裝置

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。

4 試驗驗證

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。

5 結(jié)論

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。