施華 張偉燕 黃晶晶

摘要：新鮮紅參的含水量較高，極難長(zhǎng)期保存，所以需要盡快將其干燥以脫除水分。針對(duì)紅參干燥要求與特點(diǎn)，通過開展設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與CST微波仿真研究，采用微波和熱風(fēng)聯(lián)合干燥的方式，將干燥后的紅參含水量控制在適宜范圍內(nèi)，為后續(xù)同類物料的干燥提供工藝技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：紅參;CST微波仿真;微波干燥;熱風(fēng)干燥

0 引言

紅參是一種中藥，有大補(bǔ)元?dú)?、?fù)脈固脫、益氣攝血的功效，其藥用價(jià)值很高，但高質(zhì)量的紅參對(duì)含水量要求較高，宜控制在12%～15%，而常規(guī)的烘干方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無法保證烘干質(zhì)量。

微波技術(shù)作為一種將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的特殊導(dǎo)熱方式，在食品加熱、殺蟲滅菌、干燥保鮮等方面用途廣泛，同時(shí)，更向催化化學(xué)反應(yīng)、新材料微波處理等應(yīng)用發(fā)展[1]。微波干燥比傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥更快、能效更高、產(chǎn)品品質(zhì)更均一[2]。微波干燥系統(tǒng)能量集中，與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥設(shè)備相比，其只占用20%～30%的空間，就能實(shí)現(xiàn)快速、有效的熱處理且可有效防止產(chǎn)品品質(zhì)下降。本文所闡述的紅參干燥設(shè)備是一種采用微波與熱風(fēng)干燥技術(shù)相結(jié)合的新型設(shè)備。

1 設(shè)計(jì)原理

本文所研究的物料為紅參，其干燥過程是將物料放入腔體聚丙轉(zhuǎn)盤上，在微波與熱風(fēng)的聯(lián)合作用下進(jìn)行干燥。若采用傳統(tǒng)加熱方式，加熱均勻性很難得到保證，而微波加熱依靠微波滲透至物料內(nèi)，與物料的極性分子間相互作用轉(zhuǎn)化為熱能，使物料內(nèi)各部分都在同一瞬間獲得熱量而升溫，該干燥設(shè)備具有干燥均勻、高效節(jié)能、操作方便、殺菌環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.1 ? ?機(jī)械結(jié)構(gòu)

該微波設(shè)備由機(jī)架組合、腔體組合、轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)等組成。物料擺放在聚丙轉(zhuǎn)盤上，在微波與熱風(fēng)的聯(lián)合作用下進(jìn)行干燥，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 ? ?微波能量傳輸形式設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)物料加熱的均勻性，經(jīng)仿真設(shè)計(jì)腔體結(jié)構(gòu)，從兩側(cè)面及后面將微波能量傳輸至腔體內(nèi)，每個(gè)面的功率為1 kW，設(shè)備所需微波功率為3 kW，考慮到該設(shè)備在運(yùn)行過程中要反復(fù)開機(jī)、停機(jī)，故選擇三星油冷式1 kW磁控管3只。微波能量傳輸形式基本是360°全方位加熱，均勻性較好。

3 仿真設(shè)計(jì)

CST是一款專用于微波無源器件及天線設(shè)計(jì)與分析的微波仿真軟件，其強(qiáng)大的實(shí)體建模前端基于著名的ACIS建模內(nèi)核，結(jié)構(gòu)輸入過程簡(jiǎn)便，再加上完善的圖形化反饋，極大地簡(jiǎn)化了對(duì)各種器件的定義。本文中考慮到物料加熱時(shí)間和溫度變化情況確定微波能量傳輸形式為四面?zhèn)鬏敚蕦?duì)此種方案進(jìn)行仿真分析。其仿真模型示意圖如圖2所示。

腔體采用3只1 kW磁控管將微波能量從輸能窗傳輸至腔體內(nèi)，輸能窗分別分布在除門之外的3個(gè)側(cè)面上，下設(shè)托盤和轉(zhuǎn)軸，頂部分布紅外測(cè)溫，同時(shí)設(shè)置排濕口，底面設(shè)置熱風(fēng)進(jìn)口，仿真設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3、圖4所示。

經(jīng)仿真優(yōu)化，腔體尺寸：長(zhǎng)×寬×高=800 mm×800 mm×645 mm，托盤尺寸：500 mm×500 mm×10 mm。從仿真結(jié)果看，各能量傳輸口S參數(shù)在2.45 GHz頻率附近均小于-10 dB，對(duì)于2.45 GHz多管磁控管設(shè)備可以滿足使用要求。靜態(tài)仿真結(jié)果顯示，負(fù)載處電場(chǎng)和功率密度較為均勻，后期進(jìn)行轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)和熱風(fēng)補(bǔ)償后，均勻性會(huì)更佳。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，物料均勻性較好，經(jīng)過檢測(cè)，物料溫差在±5 ℃。經(jīng)過調(diào)查研究，紅參干燥后的含水量宜控制在12%～15%。為此對(duì)初始含水量不同的紅參進(jìn)行工藝試驗(yàn)，對(duì)其吸收微波功率的大小及干燥時(shí)間進(jìn)行工藝摸索，使干燥后的紅參含水量始終保持在12%～15%。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

5 結(jié)語

新鮮紅參干燥在微波干燥領(lǐng)域一直是難點(diǎn)之一。本文從紅參干燥的具體需求出發(fā)，研究出了一種微波和熱風(fēng)聯(lián)合干燥的新型方式，有效地保證了干燥后紅參的含水量在12%～15%，很好地解決了產(chǎn)品干燥效率、均勻性方面的問題，為后續(xù)同類物料的干燥提供了工藝技術(shù)支撐。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王志偉.關(guān)于微波干燥設(shè)備的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].科技視界，2014（27）：339.

[2] 朱建錫.食品干燥新技術(shù)[J].新農(nóng)村，2019（4）：35.

收稿日期：2020-08-13

作者簡(jiǎn)介：施華（1990—），女，江蘇泰州人，助理工程師，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。