廖超

（云南師范大學(xué)太陽能研究所，云南 昆明 650500）

高壓電場干燥具有結(jié)構(gòu)簡易、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，易于在農(nóng)村地區(qū)推廣使用，其機(jī)理是通過向針電極施加高電壓而發(fā)生局部電離，離子在電場力的作用下向負(fù)極移動(dòng)并與中性粒子碰撞而產(chǎn)生離子風(fēng)[1]。這種離子風(fēng)擾亂潮濕物料邊界層，加快物料與環(huán)境空氣的傳熱傳質(zhì)[2]。離子風(fēng)能有效促進(jìn)物料脫水，但普遍存在干燥速率低、干燥時(shí)間長的問題[3]。相關(guān)報(bào)道高壓電場干燥枸杞，含水率下降到到10%所用時(shí)間為40小時(shí)；高壓電場干燥海參，干燥時(shí)間是烘箱干燥下的3.15倍，干燥速率僅為烘箱干燥下的30%。目前電場普遍采用針—板結(jié)構(gòu)，離子風(fēng)分布受限，只能作用于物料上表層，若能使離子風(fēng)同時(shí)作用于物料上下表層，將提高干燥速率及減少干燥時(shí)間。為解決針-板結(jié)構(gòu)的缺陷，設(shè)計(jì)針-網(wǎng)-針結(jié)構(gòu)的電場（圖1）。板電極換成網(wǎng)狀電極，有利于下針尖電極產(chǎn)生的離子風(fēng)作用在物料下表面。采用針-網(wǎng)-針結(jié)構(gòu)的高壓電場干燥時(shí)，離子風(fēng)能同時(shí)作用在物料上下表面，更能促進(jìn)水分的蒸發(fā)。

圖1中將物料內(nèi)部水分按Ⅰ、Ⅱ區(qū)域進(jìn)行劃分。采用針—板結(jié)構(gòu)的高壓電場干燥時(shí)，Ⅱ區(qū)域內(nèi)的水分只能擴(kuò)散到上表層后蒸發(fā)到環(huán)境中，其水分?jǐn)U散路程較長，擴(kuò)散阻力較大。而采用針—網(wǎng)—針結(jié)構(gòu)的高壓電場干燥時(shí)，Ⅱ區(qū)域水分可通過下表層蒸發(fā)到環(huán)境中，水分?jǐn)U散路程及擴(kuò)散阻力減小。因此，采用針—網(wǎng)—針結(jié)構(gòu)的高壓電場干燥時(shí)，物料內(nèi)部水分?jǐn)U散阻力更小，見圖1。

本研究中，采用針-網(wǎng)-針結(jié)構(gòu)的高壓電場干燥系統(tǒng)。以馬鈴薯為對象，針—板結(jié)構(gòu)的高壓電場干燥系統(tǒng)作對照，研究不同電場強(qiáng)度對馬鈴薯干燥特性的影響，為優(yōu)化電場結(jié)構(gòu)提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料制備

馬鈴薯選用青薯9號(hào)，測得干基含水率為4.9～5.1。去皮后切成直徑70 mm，厚度40 mm的圓片（約20 g）備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖2是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，其中高壓直流電源（ZGS-60KV/2mA）的最大輸出電壓、電流分別是60KV、2mA。電場為針—網(wǎng)—針結(jié)構(gòu)，上下為多針電極（100mm×100 mm），針狀電極用金屬絲鏈接，接高壓電源。針尖密度為20mm×20mm，針尖曲率半徑為0.1mm，針長為50mm，針尖與網(wǎng)電極的間距是50mm。中間不銹鋼網(wǎng)( 110mm×110mm) 作為負(fù)極，接地。電場放在高精度稱重傳感器（GJBLS-1）上，中間用聚苯乙烯隔開。排濕口處設(shè)置溫濕度探頭，用于記錄相對濕度。使用風(fēng)速儀測試上下針尖所產(chǎn)生的離子風(fēng)。用將同樣針尖密度和針板間距的針—板結(jié)構(gòu)電場作為對照組。采用兩種不同結(jié)構(gòu)的電場，分別在4 kv/cm、25 kv/cm、6 kv/cm的電場強(qiáng)度下干燥，每隔20 min記錄一次數(shù)據(jù)（質(zhì)量、相對濕度），直至干基含水率降低到0.17時(shí)停止干燥。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，結(jié)果用平均值表示。所有實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度 26±1℃，相對濕度 51%～53%的室內(nèi)進(jìn)行。

2 干燥特性

任意時(shí)刻干基含水率Mi、 水分比MR及干燥速率DR

式中,mi——第i時(shí)刻馬鈴薯的質(zhì)量，g；mg——馬鈴薯干基質(zhì)量，g；mo——初始時(shí)刻干基含水率，%；me——平衡時(shí)刻干基含水率，%；——第時(shí)刻干基含水率，%。

3 結(jié)果與討論

圖3是采用不同結(jié)構(gòu)的高壓電場干燥，不同電場強(qiáng)度下干基含水率隨時(shí)間的變化。圖3中，采用針—網(wǎng)—針結(jié)構(gòu)的高壓電場干燥時(shí)，隨電場強(qiáng)度的增加，離子風(fēng)增強(qiáng)，外部傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力增加，薄層馬鈴薯由干基含水率5.025下降至0.17所用時(shí)長分別是：19h、10h、6.33h。與對照組相比，干燥時(shí)長分別減少38.7%、40%、41.9%。這是由于離子風(fēng)同時(shí)作用于薄層馬鈴薯的上下表層，同一電壓下與對照組相比，使其外部傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)。

4 結(jié)語

通過搭建針—網(wǎng)—針結(jié)構(gòu)的高壓電場干燥系統(tǒng)，以薄層馬鈴薯為研究對象，分析不同電場強(qiáng)度下的干燥特性，得出以下結(jié)論：

采用針—網(wǎng)—針結(jié)構(gòu)的高壓電場干燥系統(tǒng)，隨電場強(qiáng)度（4kv/cm～6kv/cm）的增加，平均干燥速率逐漸增加及干燥時(shí)長逐漸減少，平均干燥速率分別是0.255g·(g·h-1)、0.583g·(g·h-1)、0.766g·(g·h-1)，與對照組相比，分別提高63.4%、66.7%、68.3%。干燥時(shí)長分別是19h、10h、6.33h，與對照組相比，分別減少38.7%、40%、41.9%。