微波干燥技术的研究发展现状

(广东工业大学土木与交通工程学院，广东 广州 510006)

0 引 言

由于微波干燥技术越来越受重视，微波干燥技术的内加热温升方式比起传统干燥技术那种以媒介表面热的方式有着很大的优势。

0.1 温升速度快

真空中，电磁波的传播速度为3.0*108m/s，穿透物料的时间极为短暂，微波干燥方法能够对物料的内外部同时进行加热干燥。在实际微波干燥应用下，当物体的表面水分蒸发时，物体将具有从内向外的温度梯度，使得水分迁移的方向和传热方向一致，可以大大提高干燥速率。而传统的加热方式是从物料外部开始加热，再利用热传导方式将热量传递到物料内部，物料中温度梯度由外而内，温升速度慢。

0.2 能量利用率高

在微波干燥系统中，微波干燥装置是全封闭的，各组成部分都基本不吸收微波，故微波主要用于加热媒质，产生的微波能量损耗较小；另外微波光速进入湿物料内部，瞬间转化为热能，微波直接加热物料而不加热空气。加热装置是一个用特殊金属材料制制成的封闭腔体，壁面完全反射微波，从而避免了微波泄漏，因此微波基本上被湿物料完全吸收，加热过程基本没有热量耗散，最终实现了微波干燥技术的节能。

0.3 选择性加热

微波干燥过程的温度场分布受介质本身的介电性质影响，介电性质又是介质本身的温度或含水率的非线性变化函数。微波干燥过程，因为低温度和高含水率的地方，介电常数和介电损耗高，所以微波将集中在相应位置，使得温升更快。微波加热原理决定微波仅加热湿材料内的极性材料而不加热基质材料。 因此，在加热湿材料的过程中，主要是水分被加热，并且基质材料仅在湿气排放过程中通过热传导具有一定的温度升高。

0.4 控制简单

在微波入射的情况下，介质的温度将升高，并且随着微波输入的停止，温度将直接降低。 传统加热系统不存在大的滞后问题，简化了未知滞后的控制问题。

1 微波干燥技术研究状况

1.1 微波干燥的动力学模型

近年来，许多学者在研究微波干燥的动力学模型，掌握微波干燥各参数之间的变化规律，为实际工程上的应用提供了便利。哈尔滨工业大学的范乐乐 将微波干燥除湿装置内的干燥剂的厚度设置为0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14及0.16 m，经过模拟分析，模拟结果如图1所示。

图1120 s时干燥剂的吸附率与厚度的关系

通过对模拟结果进行二次曲线拟合，得出120 s时，干燥剂吸附率与干燥剂厚度之间的拟合函数为：

Y=-1.0595Χ2+1.0376Χ+0.0700

120s时，每一个微元通道内，干燥剂的除湿量与干燥剂厚度间的拟合函数为：

Y=-2.0595Χ2+0.7183Χ+0.0022

通过分析得出，干燥剂厚度在0.08 m～0.10 m之间较为合适[1]。

吕为乔等人在单位质量微波功率为0.8、1.2、1.6 W/g(干基)的条件下，对姜片进行干燥，分析实验结果，发现Page模型与Wang-Singh模型均能够描述姜片干燥过程，为得到最佳模型，作者对两个模型的数据进行了对比，见表1，Wang-Singh模型的决定系数R2最接近于1，Wang-Singh模型显著性分析的F值最大且为非常显著，均方误差小于Page模型。最终判定Wang-Singh模型最适合微波干燥姜片的干燥过程[2]。

表1不同干燥模型下的拟合结果

李婧怡等人，在实验条件(0.06 MPa真空度、400 W微波功率、1 kg/m2装料量)下展开实验，得出水分比MR与时间的变化曲线。比较实验值与模型的预测值，结果如图2所示。

图2相同条件下实验值与预测值的比较

分析图2，可以看出Page方程预测值与实验值基本一致，Page方程可以准确反映黄秋葵真空微波干燥的水分比变化规律，故Page模型可用于来描述黄秋葵真空微波干燥过程[3]。

1.2 微波干燥的能耗分析

随着微波干燥技术前景的迅猛发展，国内外许多学者注重于微波干燥技术的能耗分析研究。刘海力等人采用了传统电加热与微波干燥做对比实验，实验结果是微波干燥比电热干燥用时少很多，即使采用140 ℃的高温电加热，也需9 060 s，这是750 W微波干燥时间的10.8倍，1 500 W微波干燥时间的26.6倍，表明微波真空干燥具有明显的节能效果，相同的负荷， 微波干燥能耗小于电热干燥能耗的10%[4]。

芮汉明等人采用传统加热和微波干燥(分别用300、500、650、1 000 W的微波功率)两种方式对苹果加热，实验结果表明，微波干燥可以迅速提高样品的温度，并提高到相同的温度，微波干燥时间是传统加热的1/5，可以缩短样品暴露于高温的时间[5]。

Pickles等人研究了微波输出功率(160、400、560 W)、样品质量(5、10、20、30 g)和磁铁矿吸收剂对低阶次烟煤微波干燥的动力学过程的影响。实验结果表明，大功率和磁铁矿吸收剂的添加能够有效地促进了微波加热干燥。另外，微波加热干燥速率比常规加热干燥速率快1～2个数量级，煤的最终含水率也会降低[6]。

杨晚生等人对硅胶的微波和热风再生性能进行对比研究，研究结果得出在达到相同再生度时，微波再生功率在136 W以上所消耗的电能为热风再生所消耗电能的15%以下，且在再生度在0.1～0.6内前者的平均能源利用率是后者的10.24～17.86倍[7]。

Arikan和其同伴研究了胡萝卜微波干燥能耗与质量变化的关系，实验结果是较低的干燥温度和较长的微波间隔可以获得更稳定的干燥过程和高质量的产品[8]。Venkatesh Meda研究了微波水分干燥来减少果酱的水分含量，在不同的微波功率、干燥时间和装载量下，对微波真空干燥对果酱水含量的影响进行响应面分析，结果表明微波真空干燥可以实现果酱的水分和水分活度达到安全水平[9]。Jiang等人研究了微波——冷冻干燥香蕉片的工艺条件和产品质量，结果表明，微波功率和香蕉成熟度对干燥时间有显着影响[10]。

1.3 微波干燥的非热效应

微波的非热效应是微波化学界一直争论的焦点。有学者认为微波非热效应仅仅只是热效应的一种特殊表现形式；有学者用微波特殊效应或者微波非热效应来描述除微波热效应以外的其它效应；有学者认为微波干燥加热所取得的效果在传统加热方法下不能获得，则应认为存在非热效应[11]；还有学者错误把微波的特殊效应与非热效应的概念混淆，微波特殊效应是相对与传统方法而言，非热效应与特殊效应的本质区别在于特殊效应并不排除与温度的相关性，可以用温度变化来阐释的效应仍然属于微波的热效应，但是微波的非热效应是一种用温度变化来解释不了的特殊效应。

例如 Dayal.B使用微波照射胆汁酸与牛磺酸的混合物，经过较短的反应时间就合成了胆汁酸的衍生物，其产率高达70%。但如果使用传统的油浴加热，在相同温度下，该反应并未发生，该现象是单独的微波热效应所无法解释的[12]。

唐彬等人将麻辣鸡块处理为初始菌落数为1.5lgCFU/g，并采用微波处理，微波时间60 s，微波功率密度为4 W/g，并且麻辣鸡块的中心温度达到85℃即停止。研究结果显示，存在微波非热效应，并且非热效应占主导作用，非热效应的杀菌效果较好。最终得出结论，微波热效应主要起快速高温灭菌作用，而微波的非热效应主要会引起分子加速和振动，微生物细胞膜破裂，微生物体内的蛋白质及分泌酶和其他生理活性物质的变性或改变，造成微生物失去活力或死亡[13]。

郭季锋对煤样及三种模型化合物进行非等温动力学研究，发现四种脱硫系统的沸点都接近110 ℃，系统的加热速率随微波功率的增加而增加；随着微波功率的变化，新兖煤和三种模型化合物的活化能和指前因子也发生了相应的变化。 可以解释的是，微波对微波对煤与过氧乙酸脱硫反应的作用是非线性的； 除了热效应之外，微波效应仍然存在非热效应，会降低反应的活化能并增加指前因子[14]。

2 结束语

微波干燥是一种新型的干燥方式，具有温升速度快、能量利用率高、选择性加热和控制简单等优势，随着微波干燥技术前景的凸显，大部分研究发现Wang and Singh 模型和Page模型能够很好地描述微波干燥过程；微波干燥技术的能耗节省方面比传统干燥技术有着很大的优势；微波干燥存在着非热效应，能够起到较好的干燥效果。微波干燥技术被认为是在冶金、化工、石油等多种领域上均具有广泛的应用前景的技术；随着不断研究微波干燥技术，会有越来越多领域受益于该技术。