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连续式微波真空干燥设备的研究

时间:2008-01-15 12:10:27  浏览:        

摘要 阐述连续式微波真空干燥设备的工作原理、结构特点和设计要点, 分析并确定微波真空干燥室、微波系统及进出料系统的结构和相关参数。试验表明, 整机结构合理、操作方便、性能稳定、安全可靠, 能快速低温干燥膨化高品质的苹果脆片。
    关键词: 微波 真空 干燥 连续式设备

    引言
    微波干燥加工比常规干燥方式加工提高了产品质量, 但由于干燥温度一般在70℃以上, 干燥速度快, 易导致部分产品内部糊化, 降低了产品品质; 微波真空干燥技术把真空干燥与微波干燥的特点有机结合, 在真空条件下利用微波能进行物料的干燥加工, 真空环境保证了物料能在低温条件下进行干燥,微波干燥物料又具有瞬时高效性, 因此可以实现物料的快速低温干燥[ 1~ 2 ]。研制的连续式微波真空干燥设备可保证物料的干燥温度在40℃左右, 干燥速度是真空热风干燥的数十倍, 极大提高了生产能力,而且干燥的产品可有效地保持色、香、味、形和营养成分, 提高了产品品质。
1 主要结构与关键技术
1.1 主要结构
    微波真空干燥装置是由真空系统和微波系统组成的一套干燥系统。其工作过程为: 首先关闭进出料挡板阀, 打开真空蝶阀, 同时启动真空泵, 使真空干燥室内产生一定的真空度, 并通过电磁压差放气真空截止阀来维持干燥室内的真空度。物料连续不断地进入到进料斗中, 通过进料系统进入微波真空工作室, 此时顺序启动各微波源, 物料开始进行微波真空干燥加工, 采用滚筒刮板螺旋输送物料, 使物料在微波真空干燥室内缓慢横向移动和上下径向转动,可均匀接受微波能。物料干燥处理结束后, 通过出料系统输出, 完成卸料。该设备主要包括进料系统、输送系统、微波系统、真空干燥室、出料系统和真空系统6 个部分。连续式微波真空干燥设备示意图参见图1。
   
    1. 进料系统 2. 输送系统 3. 微波系统 4. 真空干燥室 5. 出料系统 6. 真空系统
1.2 关键技术
    (1) 微波真空干燥室
    在真空状态下, 由于真空度的降低, 降低了空气的击穿场强, 使气体分子易被电场电离, 从而出现气体击穿、拉弧放电现象, 该现象最易发生在微波馈能耦合口和腔体内场强集中处, 不仅会消耗微波能, 而且会损坏部件并产生较大的微波反射, 缩短磁控管使用寿命[ 3 ]。在真空度和微波功率的给定范围条件下, 应合理设计确定微波真空干燥室的结构和尺寸,
使室内的空气击穿场强在安全范围之内。微波真空干燥室的结构还应保证微波场的均匀性, 避免物料介质某部分由于场强很强而过热, 而另一部分却由于弱电场而受热不足, 同时微波真空干燥室的结构还应满足压力容器的设计要求和规范。依据以上设计原则, 确定微波真空干燥室的主要结构和尺寸参数。
    (2) 微波真空密封结构
    在微波真空干燥设备各连接处, 需要同时进行微波和真空的双重密封, 将微波泄漏量控制在安全标准范围内, 真空度还应达到相应的设计要求。因此, 在微波真空干燥室和馈能装置的接口、各法兰和进出料口等处, 既要采用适合的微波密封材料来防止微波泄漏, 同时还需采用橡胶圈进行真空密封, 防止系统泄漏引起真空度的降低。根据连接处的不同结构型式, 分别采用导电橡胶条、导电金属圈和软性铁氧体等材料作为微波密封材料。
    (3) 连续式进出料结构
    连续式进出料结构可保证设备的连续化生产,由于进出料动作频繁, 所以该结构需具有较好的密封性来保持整个系统的真空度并防止微波泄漏, 所以密封是该部件的关键。传统的真空进出料结构采用旋转闭风器结构, 该结构连续输送性好, 入料均匀, 但容易堵料, 使密封件磨损严重, 密封件磨损后会使真空系统泄漏, 造成真空度不稳定[ 4 ]。同时, 微波沿着密封件磨损后的缝隙向外辐射, 导致微波泄漏量超过安全辐射标准。本研究采用双挡板阀结构将物料从进料斗送入微波干燥室, 再从该室卸料到常压环境。
2 主要部件设计
2.1 微波真空干燥室
    微波真空干燥室采用圆柱形谐振腔, 圆柱形加热器的磁力线比较集中, 物料升温较快, 比较适合物料干燥膨化的快速升温要求, 同时圆柱形结构易满足压力容器的设计要求。由工作负载的最大允许温度、工作的真空度以及空气击穿场强与压力的相关关系, 确定最大安全工作电场强度, 利用下式可计算出工作负载的最大功率耗散密度[ 5 ]
   

    干燥室内的单位微波功率应小于工作负载的最大功率耗散密度, 由此可计算出干燥室的最小体积,计算公式为
   
    确定了干燥室的最小体积, 并考虑物料系数、功率密度及微波场均匀性等因素, 来确定干燥室的主要参数。在输入功率不变的情况下, 腔体尺寸越大,出现的模式越多, 不同模式的电场叠加, 使得总的叠加电场在整个腔体内比较均匀。干燥室的另一个重要参数是品质因数, 品质因数表示了谐振腔的质量,其值越高, 微波效率利用率越高[ 6 ] , 计算公式为
   
2.2 微波系统
    微波系统采用多馈口独立输入微波能到干燥室内, 以降低馈能耦合口的功率密度, 防止出现气体击穿、拉弧放电现象, 每个独立微波源包括微波功率源和微波传输系统。微波功率源主要电气线路见图2,其中关键元件是磁控管V E, 该系统采用连续波磁控管, 由具有高漏电感的专用微波变压器T 提供磁控管正常工作所需电压, 在该变压器初级绕组上加220V 交流电压后, 在次级低压绕组中产生用于磁控管阴极加热的灯丝电压, 与此同时, 在次级高压绕组中产生千伏级的高压交流电, 经高压电容C 与高压二极管VD 组成倍压整流回路后, 加到磁控管两极之间, 为磁控管阴极提供一个负高压。磁控管工作时,会散发大量热量, 应进行冷却控制, 为了使用方便,通常采用强迫风冷, 即将风扇安装在磁控管散热片附近, 用于冷却工作中的磁控管。
   
    微波传输系统是通过标准波导将磁控管输出的微波功率以最低损耗传输到微波真空干燥室, 磁控管的输出天线插入标准波导宽边上的孔中, 保证其输出天线头上所附的金属丝网垫圈与波导孔的翻边凸缘均匀良好接触, 然后均匀拧紧固定螺钉, 即可使用[ 4 ]。波导与干燥室连接处的法兰加了一块聚四氟乙烯板, 可以阻隔干燥过程中的水蒸气, 并在法兰的凹槽中放入了橡胶圈密封真空, 保证干燥室内的真空环境, 采用软性铁氧体环防止微波泄漏。
  
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