徐 凱,易克傳,曾其良,徐淑亮

(1.安徽省農(nóng)機鑒定站,合肥230031;2.安徽科技學院工學院,安徽鳳陽233100)

菊花微波干燥裝置的研究與設(shè)計

徐 凱1,易克傳2,曾其良2,徐淑亮2

(1.安徽省農(nóng)機鑒定站,合肥230031;2.安徽科技學院工學院,安徽鳳陽233100)

研究了菊花生理特性和對干燥過程的要求,分析了微波干燥的原理和特點。根據(jù)菊花干燥工藝和技術(shù)要求,進行了微波和熱風一體式干燥裝置的設(shè)計,對主要參數(shù)進行了計算?？蔀榫栈ㄉa(chǎn)向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效方向發(fā)展提供保障。

微波;熱風;菊花;干燥裝置;設(shè)計

菊花是菊科植物菊(chrysanthemum)的頭狀花序,是我國傳統(tǒng)的常用重要中藥材,具有抗氧化、抗衰老、擴冠強心、抗病原微生物、消炎、解熱和降血壓等功效[1]。也是保健飲品和高檔食用香料及化妝品香料生產(chǎn)的原料。我國每年干菊花的產(chǎn)量達8000～10000 t,隨著我國對外貿(mào)易的發(fā)展和人民生活水平的提高,菊花的需求量在急劇增長[2]。

鮮菊花采下后應(yīng)立即曬干或烘干,目前干花加工以自然曬干和干燥箱烘干為主,這些方法所需加工時間長,生產(chǎn)效率低,而且產(chǎn)品質(zhì)量不易控制,嚴重制約了菊花生產(chǎn)加工的發(fā)展[3]。為了解決這一問題,曾有學者做過普通的紅外線干燥、氣流干燥和真空干燥等試驗嘗試,但均不能達到使菊花干燥后很好地保持色、香、形、味不變的要求。我們在研究和實踐中,在熱風干燥的基礎(chǔ)上加入微波加熱進行菊花干燥設(shè)備研究,為菊花干燥研究提供參考。

1 菊花的生理特性和干燥要求

菊花是一種用途廣泛的中藥材,通常以其干燥的頭狀花序入藥或泡茶飲用,在人們?nèi)粘Ｉ钪?干菊花多被用于泡茶飲用,對于菊花的色、香、形、味要求很高。新鮮的菊花含水量均較高,其中花瓣部分含水量較少,組織較嫩,容易干燥;而花頭部分含水量較大,可達80%以上,且組織較老,不易失水干燥,所以菊花是一種組織極不均勻的中草藥;另外鮮花含酶量也較高,在干燥過程中容易產(chǎn)生氧化現(xiàn)象,從而影響菊花的品質(zhì)[4]。這些對菊花的干燥提出了很高的要求,即在干燥過程中,對花瓣部分進行弱干燥,對花蒂部分進行強干燥,而傳統(tǒng)的先蒸熟后曬干的干燥工藝不但過分依賴于天氣,而且容易造成花瓣過分干燥、花瓣大量脫落,干燥后的菊花質(zhì)量達不到要求,也遠不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。射器輸入微波;頂端開排濕孔;前壁中間開門,供加料和觀察內(nèi)部物料的運行情況;底端開熱風管接口。干燥塔尺寸的設(shè)計要依據(jù)干燥物料形狀、體積和處理量大小,同時考慮干燥塔內(nèi)的電場分布及其干燥效率。

2 微波干燥的機理及特點

圖1 微波干燥設(shè)備示意圖

微波是一種波長在1～0.001m、頻率在300MHz～300GHz的電磁波,由于其具有獨特的似光性、穿透性和熱特性,被廣泛用于物料的干燥和有效成分提取中。其加熱機理是利用物料內(nèi)部的極性分子在微波場作用下,從原來的隨機分布轉(zhuǎn)向按照電場的極性排列,而在高頻電磁場的作用下,這些排列取向按交變電磁場的頻率不斷變化,這一過程造成極性分子的高速運動和相互摩擦,從而產(chǎn)生熱能,使介質(zhì)溫度升高,從而達到加熱的目的。微波加熱過程是細胞內(nèi)水分子吸收微波能轉(zhuǎn)化為熱能,使細胞內(nèi)部溫度上升,不需要熱傳導(dǎo)的過程,同時具有自動平衡的性能,可以避免常規(guī)加熱過程引起的表面硬化和加熱不均的現(xiàn)象。因此,在菊花干燥過程中,先采用微波加熱,然后進行熱風干燥,可以解決傳統(tǒng)干燥中菊花殺青的問題,保證干燥的均勻,同時縮短干燥時間[5-6]。

3 微波熱風干燥裝置基本結(jié)構(gòu)和工作過程

微波菊花干燥設(shè)備主要由微波發(fā)生器、物料托盤、懸吊桿、排濕口、轉(zhuǎn)動軸、進出料門、干燥塔、換熱器、進風管等組成。如圖1所示。

3.1 各主要組成部分

(1)干燥塔

由于波導(dǎo)型干燥腔內(nèi)的磁力線比較集中,物料升溫較快,特別適合片狀物料的加熱干燥,因此選用波導(dǎo)型干燥腔,設(shè)計的雙層塔式微波干燥器,由304不銹鋼制成,四周側(cè)壁開有耦合口,供裝反

(2)物料盛放與運動裝置

在干燥塔中間設(shè)置轉(zhuǎn)動軸,軸上裝吊桿,吊桿掛物料托盤,用于盛放濕的菊花原料。通過電機帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,從而帶動托盤繞軸旋轉(zhuǎn)運動?？筛鶕?jù)被干燥菊花的厚度和微波功率采用變頻調(diào)速。

(3)微波發(fā)生器總成

微波發(fā)生器總成主要由磁控管、波導(dǎo)管、高壓變壓器、高壓二極管、高壓電容器、微波爐專用電風扇、高壓保險管等組成。微波發(fā)生器的功能是產(chǎn)生微波,根據(jù)干燥要求進行微波能量輸送與分布,使菊花在微波的作用下產(chǎn)生高溫,進而起到干燥的作用。

(4)排濕裝置

干燥塔內(nèi)的空氣濕度是影響干燥效率的重要因素之一,因為干燥過程中不斷從菊花中排出水蒸氣,如果不及時把水汽從塔中排出,就會增加塔內(nèi)的空氣濕度,降低菊花中水分的進一步蒸發(fā),因而降低工作效率。為提高干燥效率,應(yīng)設(shè)置排濕裝置,本設(shè)計采用上排式抽風機排濕裝置。

(5)熱風裝置

由燃燒室產(chǎn)生的高溫煙氣經(jīng)換熱器形成熱空氣,熱空氣經(jīng)進風管進入干燥室的下部,滲流透過物料層,加熱物料、物料內(nèi)部水分外移被蒸發(fā)帶走。

3.2 工作過程

鮮菊花含水率一般在82%左右,干菊花要求含水率為18%。為達到較好的干燥效果,物料加入后,先開啟微波發(fā)生器和排濕風機,使物料接受微波輻射而被加熱,時間控制在大約120 s左右,含水率降至65%左右,溫度從25℃升到75℃,這一過程主要進行殺青、同時除去大量的表面游離水分;然后關(guān)閉微波發(fā)生器,開啟熱風系統(tǒng)進行熱風干燥,至達到要求的最終含水率。工藝流程為:

鮮菊花→微波干燥→熱風干燥→干菊花

P——微波功率,60 kW

ρmax——最大功率耗散密度,常壓環(huán)境的最大功率耗散密度為:106W/m3,可計算出微波諧振腔最小容積為0.06 m3

微波干燥塔是主要的干燥場所,物料盤和加熱器均布置在其內(nèi)部。設(shè)計時應(yīng)考慮工作容積、工作壓力、物料加熱升溫和防漏波等情況[8]。

5 結(jié)論

50kg鮮菊花接受微波輻射而被加熱,時間控制在大約120 s左右,菊花含水率降至65%左右,溫度從25℃升到75℃,然后關(guān)閉微波發(fā)生器,開啟熱風系統(tǒng)進行熱干燥,至達到18%含水率。通過計算菊花含水率從65%下降到18%,這一過程需熱耗量17000kJ/h,考慮到菊花的花瓣較薄,微波頻率選用2450MHz。微波干燥法的應(yīng)用日益廣泛,特別是一些要求快速干燥的物料,如茶葉殺青、中草藥和食品的干燥。從產(chǎn)品品質(zhì)和干燥效率方面考慮,進行相關(guān)設(shè)計計算,選擇合理的微波功率是微波干燥成功的關(guān)鍵。

4 主要參數(shù)計算

4.1 微波功率計算

按設(shè)計要求每批干燥菊花50 kg,干燥前菊花含水率82%。根據(jù)干燥工藝要求,微波處理2min使含水率下降到65%,溫度從室溫25℃升到75℃,物料干燥需耗用的微波功率為:

P=(ΔT Cm+Qm′)/(860 t)[7]

式中 ΔT——物料溫升,50℃

C——菊花的比熱容,0.84 kJ/(kg·℃)

m——菊花原料質(zhì)量,50 kg

Q——液體蒸發(fā)潛熱或汽化熱,2309 kJ/kg

m′——蒸發(fā)的液體質(zhì)量,24.3 kg

t——微波作用時間,2m in

計算值為:P=33.84 kW,考慮加熱效率η1(一般取80%)和微波轉(zhuǎn)換效率η2(一般取70%),可得微波輸出功率為60 kW;同時,考慮到菊花的花瓣較薄,微波頻率選用2450 MHz。

4.2 熱耗量計算

根據(jù)干燥工藝要求,經(jīng)微波處理后,采用熱風恒溫干燥,時間為2 h,使菊花含水率從65%下降到18%。這一過程需排水分為14.7 kg,需熱耗量17000 kJ/h。

4.3 微波諧振腔容積計算

式中 Vmin——微波諧振腔最小容積,m3

[1]黃泰康主編.常用中藥有效成分與藥理手冊[M].中國中醫(yī)藥科技出版社,1994:1565.

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Study and Design ofM icrowave Dryer of Chrysan themum

XU Kai1,YIKe-chuan2,ZENGQi-Liang2,XU Shu-Liang2
(1.Identification Station ofAnhuiAgriculturalMachinery,Hefei230031,China; 2.Anhui Science and Technology University,Fengyang 233100,China)

In this paper,the physiological characteristic and demand of drying of Chrysanthemum were studied,the p rincip le and peculiarity ofm icrowave drying were analyzed.According to the demand of Chrysan themum drying,the integrated dryer ofmicrowave and hot airwas designed,and the main parameterswere calculated.This supp ly guaranteed for high quality,high yield and high efficiency in p rocessing Chrysanthemum.

m icrowave;hotair;chrysanthemum;drying equipment;design

book=25,ebook=198

TS203;S682.1+1

B

1005-1295(2010)06-0025-03

2010-09-14;

2010-10-18

安徽高等學校省級自然科學重點研究項目(KJ2010A075)

徐凱(1972-),男,工程師,主要從事農(nóng)業(yè)機械鑒定與研究。

易克傳(1969-),男,副教授,研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工工藝與設(shè)備。通訊地址:233100安徽風陽安徽科技大學工學院,E-mail:yikechuan@sina.com。

do i:10.3969/j.issn.1005-1295.2010.06.007