在真空條件下，物料內(nèi)部水分在低溫狀態(tài)下就可以很快蒸發(fā)，達(dá)到低溫干燥的目的。微波真空干燥在果蔬、水產(chǎn)品、谷物等食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用研究得到廣泛關(guān)注。工業(yè)使用的微波干燥設(shè)備仍以常壓隧道式微波設(shè)備為主， 微波真空干燥設(shè)備仍處于微型小試和間歇式設(shè)備階段。本文設(shè)計(jì)三層連續(xù)微波真空干燥設(shè)備，采用三層往復(fù)輸送結(jié)構(gòu)，使物料在干燥過(guò)程中呈“準(zhǔn)動(dòng)態(tài)”狀態(tài)，可多次翻轉(zhuǎn)、移位。使物料干燥均勻度得到了很大的提高。

  1 三層連續(xù)微波真空干燥設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

  1.1 主要結(jié)構(gòu)

  三層連續(xù)微波真空干燥設(shè)備是由微波系統(tǒng)、微波真空干燥室、微波抑制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、真空抽氣抽濕系統(tǒng)、設(shè)備支架、進(jìn)出料系統(tǒng)等部件組成。在干燥過(guò)程中，采用三層連續(xù)式的PP網(wǎng)帶結(jié)構(gòu)，為防止落料，在網(wǎng)帶兩側(cè)增加擋邊，使得物料干燥更均勻、。該設(shè)備示意圖參見圖1。

  圖1 三層連續(xù)微波真空干燥設(shè)備示意圖

  其工作過(guò)程：第1步，啟動(dòng)真空泵，使真空干燥室內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，并通過(guò)真空截止閥來(lái)維持干燥室內(nèi)的真空度。第二步，物料通過(guò)雙真空進(jìn)料系統(tǒng)由進(jìn)料口進(jìn)入微波真空干燥室，此時(shí)啟動(dòng)微波源，物料開始進(jìn)行微波真空干燥加工，物料傳輸系統(tǒng)物料在微波真空干燥室內(nèi)以一定的速度勻速前進(jìn)，同時(shí)，在各層間呈“S”形運(yùn)動(dòng)，對(duì)物料形成翻轉(zhuǎn)，使得物料能更加均勻地接受到微波能，物料干燥過(guò)程結(jié)束后由雙級(jí)真空出料系統(tǒng)出料，物料進(jìn)入下一工序。

  1.2 關(guān)鍵技術(shù)

  (1)微波真空干燥室設(shè)計(jì)

  耦合口是微波真空干燥室與微波傳輸系統(tǒng)的連接處，是場(chǎng)強(qiáng)比較集中的地方，經(jīng)常出現(xiàn)氣體擊穿、打火和拉弧放電現(xiàn)象。采用微波源多饋入口輸入方式，即用多個(gè)微波源輸入，每個(gè)微波源通過(guò)各自的耦合口把微波能輸入到干燥室內(nèi)，進(jìn)一步降低耦合口的場(chǎng)強(qiáng)，該饋入方式同時(shí)提高了干燥室內(nèi)微波場(chǎng)分布的均勻性。

  適當(dāng)選擇耦合口的位置，使激勵(lì)場(chǎng)取不相干的極化方向，這樣可將微波源相互耦合減至小。干燥室內(nèi)計(jì)算出的模式數(shù)，只用于腔內(nèi)可能存在的模式數(shù)，其能否被激發(fā)，要取決于波導(dǎo)口的耦合情況，如果耦合情況好，就能得到這些模式;如果耦合不當(dāng)，就會(huì)使一些模式得不到激發(fā)而不存在，這些未得到激發(fā)的模式稱為禁戒模式。發(fā)生禁戒模式的條件是激勵(lì)口與該模式場(chǎng)的時(shí)空對(duì)稱性相反(即一個(gè)對(duì)稱，另一個(gè)反對(duì)稱)，因此在設(shè)計(jì)三層連續(xù)微波真空干燥設(shè)備波導(dǎo)口方位時(shí)，就考慮波導(dǎo)口處在需要激發(fā)的模式強(qiáng)場(chǎng)區(qū)和可能存在的寄生模式的弱場(chǎng)區(qū)。

  選擇在圓柱腔壁上不同方位開饋入口，有利于腔體內(nèi)模式的耦合和使腔內(nèi)場(chǎng)均勻分布，具體見圖2。

  圖2 耦合口方位展開圖及截面圖

  (2)進(jìn)出料裝置的設(shè)計(jì)

  為物料的連續(xù)進(jìn)出，采用雙級(jí)真空擋板閥裝置。該裝置由進(jìn)料斗、緩沖倉(cāng)、上真空擋板閥、暫存?zhèn)}、下真空擋板閥、接口等部分組成。同時(shí)，在進(jìn)料端輔以電磁布料裝置，使物料均勻分布于傳送帶上。其動(dòng)作過(guò)程為，初始狀態(tài)上、下真空擋板閥均閉合，物料經(jīng)進(jìn)料斗進(jìn)入緩沖倉(cāng)，達(dá)到一定質(zhì)量后，上真空擋板閥首先打開，物料進(jìn)入緩沖倉(cāng)，然后上真空擋板閥關(guān)閉，下真空擋板閥打開，物料經(jīng)接口進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，下真空擋板閥關(guān)閉，完成一動(dòng)作循環(huán)，準(zhǔn)備進(jìn)入下一循環(huán)。輔助的布料裝置，了間隙時(shí)間內(nèi)，物料的連續(xù)性。真空擋板閥采用電動(dòng)控制，同時(shí)擋板上嵌有食品級(jí)硅橡膠密封材料用以真空密封，接口處有導(dǎo)電材料密封微波。

  圖3 進(jìn)出料裝置簡(jiǎn)圖

  (3)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  隨著干燥設(shè)備應(yīng)用的不斷深入，對(duì)設(shè)備的數(shù)字化、智能化的要求越來(lái)越高，除了干燥溫度的控制與顯示外，還要求故障的檢測(cè)與顯示以及信息的上傳，以便于集中管理與控制，這對(duì)于以往的繼電控制是很難實(shí)現(xiàn)的。采用抗干擾性能好，具有通信功能的PLC，以及人機(jī)界面觸摸屏，能較好地實(shí)現(xiàn)上述功能。

  電氣控制系統(tǒng)主要由帶模擬量輸入/輸出模塊和RS-485串行通信接口的PLC、人機(jī)界面觸摸屏、真空泵及通氣閥、物料輸送電機(jī)、紅外測(cè)溫儀、微波磁控管、電動(dòng)真空蝶閥、繼電器模塊及變頻器等組成。

  設(shè)備的控制分為自動(dòng)控制，通過(guò)相應(yīng)的PLC程序加以實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)功能是在干燥室一切正常時(shí)，按照干燥操作流程控制各部分電器自動(dòng)完成工作的一種程序。

  干燥操作流程如下：首先設(shè)定真空度和加溫溫度，關(guān)閉通氣閥抽真空到設(shè)定值，啟動(dòng)加料機(jī)、電動(dòng)真空蝶閥和物料傳送電機(jī)使物料進(jìn)入干燥室，打開磁控管冷卻電機(jī)和磁控管開始加熱干燥，設(shè)備正常工作。工作結(jié)束后先關(guān)閉微波，停止抽真空，關(guān)閉物料電機(jī)，冷卻片刻后關(guān)閉磁控管冷卻系統(tǒng)電機(jī)。

  由于PLC可靠性高、編程靈活，為設(shè)備的試制和調(diào)試提供了很大的方便，且與傳統(tǒng)的繼電器控制及單片機(jī)控制相比較，用PLC與觸摸屏控制，很大程度上提高了設(shè)備的數(shù)字化和智能化，使操作更簡(jiǎn)便、管理更容易，為設(shè)備的維護(hù)提供了有效的。

  2 其它關(guān)鍵問題及解決

  微波真空干燥是一門涉及微波技術(shù)、真空技術(shù)、干燥技術(shù)、流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)和自動(dòng)控制等學(xué)科復(fù)雜的技術(shù)，是交叉學(xué)科發(fā)展的產(chǎn)物。該系統(tǒng)涉及干燥不均勻問題、電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布、控制策略優(yōu)化、干燥終點(diǎn)判別、輝光放電、自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)相應(yīng)的設(shè)計(jì)、加工工藝、合理的操作規(guī)程等技術(shù)手段加以解決。

  2.1 微波發(fā)生源的冷卻

  三層連續(xù)微波真空干燥設(shè)備，要求具有長(zhǎng)時(shí)間不停機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。作為微波發(fā)射源的磁控管在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，其冷卻效果的好壞對(duì)磁控管本身的工作壽命影響很大。三層連續(xù)微波真空干燥設(shè)備設(shè)計(jì)了微波發(fā)生源的獨(dú)特冷卻系統(tǒng)。將電氣元件及微波發(fā)生器分布在頂層，微波發(fā)生器呈品字型分布在微波腔體頂部上，因此對(duì)設(shè)備的微波發(fā)生器部分及電氣元件采用水冷卻方式，變壓器冷卻采用水冷與油冷相結(jié)合，很好地解決了冷卻問題，了設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

  2.2 真空和微波密封

  連續(xù)式進(jìn)出料結(jié)構(gòu)可設(shè)備的連續(xù)化生產(chǎn)，由于進(jìn)出料連續(xù)不間斷，所以該結(jié)構(gòu)需具有較好的密封性來(lái)保持整個(gè)設(shè)備的真空度并防止微波泄漏，所以密封是該設(shè)備的關(guān)鍵。

  微波真空密封結(jié)構(gòu)在三層連續(xù)微波真空干燥設(shè)備的各個(gè)連接處，需要同時(shí)進(jìn)行真空和微波的雙重密封，將微波泄漏量控制在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，真空度也應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。因此，在微波真空干燥室和饋能裝置的接口、進(jìn)出料口和各法蘭等地方，不僅采用適合的微波密封材料來(lái)防止微波泄漏，而且還需采用橡膠圈進(jìn)行真空密封。三層連續(xù)微波真空干燥設(shè)備相應(yīng)采用導(dǎo)電橡膠條、導(dǎo)電金屬圈等作為微波密封材料。

  3 結(jié)語(yǔ)

  三層連續(xù)微波真空干燥設(shè)備提供了一種新型、高效的干燥設(shè)備。在研制過(guò)程中成功解決了物料連續(xù)真空進(jìn)出的難題，物料在干燥室均勻受熱，自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。下一步需要繼續(xù)研究和解決的問題是如何能準(zhǔn)確測(cè)定或模擬干燥室中微波場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布情況、微波干燥的瞬間傳熱理論以及多種干燥模式相結(jié)合的復(fù)合微波干燥技術(shù)。以上問題，在理論上顯得特別重要，同時(shí)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中提高設(shè)備的干燥效率，降低設(shè)備的能耗具有很大意義。