張紫恒，張吉軍，唐正，曹龍奎，衣淑娟，陳嘉睿

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江大慶，163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶，163319；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江大慶，163319)

0 引言

高粱是我國古老的旱地糧食作物之一，在我國已有幾千年的栽培歷史[1]。曾被人們稱為“救命之谷”[2]。高粱在我國有著廣泛的用途，籽粒可作食品、飼料，還可制酒、制淀粉、制醋等；莖稈可做建材、板材、燃料、制糖漿[3]，還可制酒精、作青飼料和青貯飼料[4-5]等；穗可作掃帚，殼可提取色素等。加速發(fā)展高粱產(chǎn)業(yè)，對(duì)提高我國農(nóng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、服務(wù)鄉(xiāng)村振興，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

我國高粱一般在蠟熟后期收獲，人工收獲要經(jīng)過晾曬、脫粒、曬粒過程；機(jī)器收獲直接脫粒、晾曬，將水分降到14%以下儲(chǔ)藏。自然晾曬是最傳統(tǒng)的干燥技術(shù)，其存在周期長(zhǎng)、易受天氣影響、占用大量場(chǎng)地、收獲量大時(shí)易使物料變質(zhì)等不足[6]。在黑龍江地區(qū)，高粱收獲季溫差較大，且含水率較高，需要及時(shí)的干燥處理才能保證高粱的品質(zhì)并進(jìn)行安全儲(chǔ)藏。自然晾曬的高粱儲(chǔ)藏期間易生蟲害，因此尋求既能達(dá)到高效去水，又能起到殺蟲抑菌作用，進(jìn)而減少儲(chǔ)糧損失目的的合適干燥方法是高粱高質(zhì)量?jī)?chǔ)藏的現(xiàn)實(shí)需求。

微波干燥是一種節(jié)能、高效、綠色的干燥技術(shù)，在糧食干燥、食品加工、農(nóng)產(chǎn)品干燥、殺菌殺蟲等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用[7]。雖然微波干燥具有干燥速率快、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，但微波對(duì)物料加熱具有選擇性，干燥均勻性較差，這種不均勻是影響物料干燥質(zhì)量和能量利用的關(guān)鍵問題[8-9]。干燥不均勻性是電場(chǎng)分布和物料特性等多因素共同作用的結(jié)果[10]。因此，有效評(píng)價(jià)微波干燥高粱的均勻性是保證其干燥品質(zhì)的重要內(nèi)容。借助電磁場(chǎng)仿真軟件的高效運(yùn)算性能和多場(chǎng)耦合分析能力可實(shí)現(xiàn)微波干燥復(fù)雜物理過程的數(shù)值模擬[11-13]。

目前，利用微波技術(shù)對(duì)高粱加工方面的研究，主要集中在微波輻射處理、微波改性等對(duì)高粱品質(zhì)影響方面[14-15]；從糧食干燥角度出發(fā)，微波干燥對(duì)高粱干燥特性的影響及干燥均勻性分析方面的研究未見公開報(bào)道，因此本研究針對(duì)北方粳高粱進(jìn)行了連續(xù)式微波干燥試驗(yàn)，分析主要干燥條件參數(shù)對(duì)高粱含水率及籽粒溫度的影響；并基于HFSS軟件仿真分析了本試驗(yàn)干燥機(jī)磁控管排布方式和微波作用距離對(duì)干燥均勻性的影響，為高粱微波干燥產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用及干燥機(jī)設(shè)計(jì)提供必要的理論和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設(shè)備

試驗(yàn)高粱為龍雜10號(hào)，產(chǎn)地為大慶杜爾伯特蒙古族自治縣，千粒重約為27 g，屬典型北方粳高粱。

試驗(yàn)儀器：GWM-80B型隧道式微波干燥滅菌機(jī)；DGG-9053A型電熱鼓風(fēng)干燥箱；MB25水分分析儀；LS6200C精密電子天平；ST20XB便攜式紅外測(cè)溫儀；電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS 15.0版本。

1.2 粳高粱連續(xù)式微波干燥試驗(yàn)方法

高粱在干燥試驗(yàn)前要先進(jìn)行除雜處理，并篩選籽粒飽滿的高粱作為試驗(yàn)原料。采用單因素試驗(yàn)方法，在隧道式微波干燥機(jī)上，用特制干燥盒稱取定量高粱進(jìn)行連續(xù)式干燥試驗(yàn)。選取單位質(zhì)量干燥功率(以下簡(jiǎn)稱單位質(zhì)量功率)、每循環(huán)干燥時(shí)間、排濕風(fēng)速三個(gè)影響因素，每個(gè)因素選取5個(gè)水平值，如表1所示。連續(xù)式干燥就是高粱物料隨著傳送帶進(jìn)入干燥機(jī)腔體進(jìn)行干燥時(shí)，每個(gè)腔體都發(fā)射微波進(jìn)行干燥，一個(gè)干燥循環(huán)結(jié)束后快速進(jìn)行物料測(cè)溫及物料質(zhì)量測(cè)定，再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的干燥，直到高粱的水分降到安全水分(約12%左右)為止干燥結(jié)束。

表1 單因素干燥試驗(yàn)的因素水平表Tab.1 Factor level table of single factor drying test

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定

1.3.1 初始含水率

采用105 ℃烘箱法進(jìn)行干燥前高粱物料初始含水率的測(cè)定。

1.3.2 實(shí)時(shí)含水率

高粱實(shí)時(shí)含水率的測(cè)定以干燥過程中物料干物質(zhì)保持不變的原理為依據(jù)，通過測(cè)量每循環(huán)干燥后的高粱質(zhì)量，按照式(1)計(jì)算出高粱所對(duì)應(yīng)干燥循環(huán)次數(shù)(干燥時(shí)間)的實(shí)時(shí)含水率[16]。

(1)

式中：G(t)——干燥t時(shí)間后樣品的質(zhì)量，g；

M(t)——干燥t時(shí)間后樣品的含水率，%；

G0——干燥樣品的初始質(zhì)量，g；

M0——干燥樣品的初始含水率，%。

1.3.3 高粱籽粒溫度

籽粒溫度的測(cè)定采用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)定，每循環(huán)干燥結(jié)束后從微波干燥機(jī)出料口處測(cè)高粱籽粒溫度，操作要規(guī)范迅速。立即用測(cè)溫儀測(cè)定高粱中層的中心以及同一層面上離中心等距的周邊4個(gè)點(diǎn)的溫度，然后取平均值作為高粱籽粒的平均溫度。

1.4 微波干燥均勻性仿真分析

依據(jù)試驗(yàn)使用的隧道式微波干燥機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，采用HFSS電磁仿真軟件對(duì)干燥腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化建模，并對(duì)不同磁控管排布方式、不同微波作用距離條件下的干燥腔電磁場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真分析，理論上評(píng)價(jià)本試驗(yàn)干燥機(jī)的磁控管排布方式、微波作用距離對(duì)高粱干燥均勻性的影響。

本試驗(yàn)采用的是GWM-80型隧道式微波干燥機(jī)，該干燥機(jī)由多個(gè)干燥腔體串聯(lián)而成，每個(gè)干燥腔體干燥室總體尺寸約為6 000 mm×1 100 mm×630 mm，每個(gè)干燥腔磁控管排布方式有3×2×3方式、3×3×2方式和對(duì)角排布式三種；磁控管饋口形狀為邊長(zhǎng)75 mm的正方形，傳送帶與微波有效發(fā)射面的距離有200 mm、250 mm 和300 mm三種，傳送帶上物料厚度為8 mm，利用HFSS軟件進(jìn)行不同條件下的建模及仿真分析。在HFSS軟件中設(shè)置waveport激勵(lì)，微波頻率2 450 MHz，掃描頻率為2 445～2 455 MHz，掃描間隔10 MHz，在Driven Model模式下求解，獲得不同條件下電磁場(chǎng)分布結(jié)果。

1.5 數(shù)據(jù)分析處理

高粱含水率變化特性曲線和籽粒溫度變化特性曲線圖采用EXCEL軟件進(jìn)行繪制；仿真分析采用HFSS軟件處理結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥特性分析

2.1.1 單位質(zhì)量功率對(duì)高粱干燥特性的影響

在排濕風(fēng)速為0.5 m/s、每循環(huán)干燥時(shí)間為2.08 min 的條件下，選取單位質(zhì)量功率分別為2 W/g、3 W/g、4 W/g、5 W/g、6 W/g進(jìn)行連續(xù)式循環(huán)干燥試驗(yàn)。圖1為不同單位質(zhì)量功率對(duì)高粱含水率的影響，圖2為不同單位質(zhì)量功率對(duì)高粱籽粒溫度的影響。

圖2 不同單位質(zhì)量功率對(duì)高粱籽粒溫度的影響Fig.2 Effect of different power per unit mass on grain temperature of sorghum

從圖1可以看出，單位質(zhì)量功率在2～4 W/g范圍內(nèi)，隨著單位質(zhì)量功率的增加，高粱平均含水率下降幅度加快，與Magdalena Zielinska[17]結(jié)論一致；在5～6 W/g范圍時(shí)，第2次干燥循環(huán)之前，單位質(zhì)量功率由5 W/g增大到6 W/g，含水率下降幅度與4 W/g相差不大，第2次干燥循環(huán)之后，單位質(zhì)量功率由5 W/g增大到6 W/g，含水率下降幅度變緩，干燥總時(shí)間有所增加，在曲線變化上存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，圖1中的第2次干燥循環(huán)就是轉(zhuǎn)折點(diǎn)。原因?yàn)?，在總功率一定的條件下，單位質(zhì)量功率越大，表明微波干燥的物料量越少。單位質(zhì)量功率由2 W/g增大到4 W/g時(shí)，特制干燥盒內(nèi)的物料量由2 500 g減到1 250 g，單位質(zhì)量上微波作用程度增大。此時(shí)物料量相對(duì)較多，含水量較多，因此含水率下降過程加快。單位質(zhì)量功率由5 W/g增大到6 W/g 時(shí)，特制干燥盒內(nèi)的物料量由1 000 g減到 833 g，單位質(zhì)量上微波作用程度進(jìn)一步增大，但此時(shí)物料量較少，總含水量相對(duì)較少，在干燥初期，較多水分被蒸發(fā)而失去，到了干燥中后期，物料總含水量已經(jīng)偏少，導(dǎo)致含水率下降幅度變緩，在曲線變化上存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖1 不同單位質(zhì)量功率對(duì)高粱含水率的影響Fig.1 Effect of different power per unit mass on moisture content of sorghum

從圖2可以看出，連續(xù)式微波干燥過程中，改變不同的單位質(zhì)量功率，高粱物料總體溫度變化都包括溫度快速上升和溫度趨于穩(wěn)定兩個(gè)變化階段，與于潔[18]研究結(jié)論一致。主要原因?yàn)椋涸诟稍锴捌冢吡坏目傮w含水量比較多，吸收微波轉(zhuǎn)化熱能能力強(qiáng)，吸收微波產(chǎn)熱大于水分蒸發(fā)吸熱，因此高粱溫度上升較快；在干燥中后期，高粱水分含量偏低，其吸收微波產(chǎn)熱與水分蒸發(fā)吸熱大致相當(dāng)，因此高粱溫度趨于穩(wěn)定。

隨著單位質(zhì)量功率的增加，物料溫度表現(xiàn)出逐漸下降趨勢(shì)。主要原因?yàn)椋罕驹囼?yàn)中單位質(zhì)量功率表征為一定的微波功率作用在定量的物料上，干燥過程中微波總功率不變，改變的是高粱的物料量。單位質(zhì)量功率越小，表明干燥的高粱越多，總的含水量越多，因此在同樣干燥時(shí)間內(nèi)，高粱吸收微波能越多，溫度越高；單位質(zhì)量功率越大，干燥的高粱量越少，總體含水量越少，同樣時(shí)間內(nèi)吸收微波能越少，溫度越低。因此隨著單位質(zhì)量功率的增加，高粱籽粒溫度有所下降。

2.1.2 每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)高粱干燥特性的影響

在排濕風(fēng)速為0.5 m/s、單位質(zhì)量功率為3 W/g的條件下，選取每循環(huán)干燥時(shí)間分別為1.02 min、2.08 min、3.13 min、4.17 min、5.0 min進(jìn)行連續(xù)式干燥試驗(yàn)。圖3為不同每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)高粱含水率的影響，圖4為不同每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)高粱籽粒溫度的影響。

圖3 不同每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)高粱含水率的影響Fig.3 Effect of different drying time per cycle on moisture content of sorghum

圖4 不同每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)高粱籽粒溫度的影響Fig.4 Effect of different drying time per cycle on grain temperature of sorghum

每循環(huán)微波干燥時(shí)間是影響高粱干燥速率和籽粒溫度的重要因素之一。從圖3可以看出，隨著每循環(huán)干燥時(shí)間的增加，高粱含水率下降幅度顯著增強(qiáng)，達(dá)到安全水分時(shí)的干燥循環(huán)次數(shù)明顯減少。原因?yàn)椋弘S著每循環(huán)干燥時(shí)間的增加，微波輻射時(shí)間增長(zhǎng)，高粱熱量的累積增大，籽粒溫度升高較快，水分蒸發(fā)速度加快。

從圖4可以看出，隨著每循環(huán)干燥時(shí)間在1.02～5.0 min范圍內(nèi)增加，高粱籽粒熱量積累增大，籽粒溫度增速顯著?？傮w看，高粱籽粒溫度變化也包括快速上升和趨于穩(wěn)定兩個(gè)階段，原因與前述一致。尤其是當(dāng)時(shí)間為1.02 min時(shí)，高粱籽粒溫度兩個(gè)階段的變化表現(xiàn)的比較充分。

2.1.3 排濕風(fēng)速對(duì)高粱干燥特性的影響

在每循環(huán)干燥時(shí)間為2.08 min、單位質(zhì)量功率為3 W/g的條件下，選取排濕風(fēng)速分別為0.0 m/s、0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s進(jìn)行連續(xù)式干燥試驗(yàn)。圖5為不同排濕風(fēng)速對(duì)高粱含水率的影響，圖6為不同排濕風(fēng)速對(duì)高粱籽粒溫度的影響。

圖5 不同排濕風(fēng)速對(duì)高粱含水率的影響Fig.5 Effect of different air velocity on moisture content of sorghum

圖6 不同排濕風(fēng)速對(duì)高粱籽粒溫度的影響Fig.6 Effect of different air velocity on grain temperature of sorghum

從圖5可以看出，排濕風(fēng)速從0.0 m/s增大到1.0 m/s 的過程中，高粱物料含水率曲線差異不大，趨于重疊。當(dāng)排濕風(fēng)速增大到1.5 m/s和2.0 m/s時(shí)，高粱物料含水率下降幅度有所減緩，干燥循環(huán)次數(shù)有所增加，與王俊[19]的結(jié)論基本一致。原因分析：排濕風(fēng)速處于較低水平甚至零風(fēng)速時(shí)(0.0～1.0 m/s)，雖然干燥腔內(nèi)的水蒸氣不能得到及時(shí)排除，但是高粱物料溫度遠(yuǎn)高于周圍介質(zhì)溫度，高粱與周圍介質(zhì)的換熱程度低，物料內(nèi)部熱量積聚增強(qiáng)，用于水分增發(fā)的熱量較高，因而干燥速率略有增加。當(dāng)排濕風(fēng)速處于較高水平時(shí)(1.5～2.0 m/s)，干燥腔內(nèi)的水蒸氣得到及時(shí)排除，同時(shí)高粱物料與周圍介質(zhì)換熱程度加強(qiáng)，物料內(nèi)部熱量積聚減少，用于水分增發(fā)的熱量相對(duì)減少，含水率下降幅度略有減緩，干燥總時(shí)間略增。同時(shí)，由于本試驗(yàn)干燥的高粱物料量有定量限制，因此總含水量較少，排濕風(fēng)速的變化對(duì)含水率下降幅度影響程度較小。

從圖6可以看出，隨著排濕風(fēng)速的增加，高粱物料的溫度略有下降，排濕風(fēng)速在0.0～1.5 m/s范圍時(shí)溫度變化幅度較小。隨著排濕風(fēng)速增加到2.0 m/s，干燥腔內(nèi)的水蒸氣得到排除的同時(shí)，高粱物料與周圍介質(zhì)換熱程度得到加強(qiáng)，物料內(nèi)部熱量積聚減少，因此高粱溫度有所下降。改變不同排濕風(fēng)速，高粱籽粒溫度變化總體也包括快速上升和趨于穩(wěn)定兩個(gè)階段，原因與前述一致。

2.2 高粱微波干燥均勻性仿真分析

2.2.1 不同磁控管排布方式對(duì)干燥均勻性的影響

微波腔內(nèi)電磁場(chǎng)的分布對(duì)微波加熱均勻性的影響至關(guān)重要[20]。因此，在微波作用距離為250 mm、磁控管饋口形狀為邊長(zhǎng)75 mm的正方形條件下，針對(duì)不同磁控管排布方式進(jìn)行仿真(圖7)。

(a)磁控管為“四四對(duì)角排布”的模型及電磁場(chǎng)分布結(jié)果

如圖7(a)，磁控管為“四四對(duì)角排布”方式，微波場(chǎng)中有2處非居中、電磁場(chǎng)密度達(dá)到0.515 8～0.552 6 A/m的區(qū)域，14處電磁場(chǎng)密度達(dá)到0.405 5～0.479 1 A/m的區(qū)域，電磁場(chǎng)密度最大值約為0.589 4 A/m；圖7(b)為“三三二排布”方式，微波場(chǎng)中有3處非居中、電磁場(chǎng)密度達(dá)到0.470 0～0.503 4 A/m的區(qū)域，14處電磁場(chǎng)密度達(dá)到0.369 8～0.436 6 A/m的區(qū)域，電磁場(chǎng)密度最大值約為0.536 8 A/m；圖7(c)為“三二三排布”方式，微波場(chǎng)中有3處居中偏上、電磁場(chǎng)密度達(dá)到0.435 4～0.466 4 A/m的區(qū)域，22處電磁場(chǎng)密度達(dá)到0.342 5～0.404 4 A/m的區(qū)域，電磁場(chǎng)密度最大值約為0.497 3 A/m；對(duì)比三種排布方式可知，“三二三排布”的方式電磁場(chǎng)密度較小，分布更均勻。理論上表明，本試驗(yàn)微波干燥機(jī)采用磁控管為“三二三排布”方式，對(duì)高粱干燥的均勻性是有利的。

2.2.2 不同微波作用距離對(duì)干燥均勻性的影響

磁控管按“三二三排布”時(shí)，改變不同微波作用距離(微波有效發(fā)射面到物料傳送帶表面的距離)進(jìn)行了仿真分析，微波作用距離分別為200 mm、250 mm、300 mm 三種情況(圖8)。

(a)磁控管微波作用距離為200 mm時(shí)的模型及電磁場(chǎng)分布結(jié)果

如圖8(a)，微波作用距離為200 mm時(shí)，微波場(chǎng)中有2處居中、電磁場(chǎng)密度達(dá)到0.638 3～0.683 7 A/m的區(qū)域，8處電磁場(chǎng)密度達(dá)到0.501 9～0.592 8 A/m的區(qū)域，電磁場(chǎng)密度最大值約為0.729 2 A/m；如圖8(b)，微波作用距離為250 mm時(shí)，微波場(chǎng)分布與圖7(c)保持一致；如圖8(c)，微波作用距離為300 mm時(shí)，微波場(chǎng)中有2處居中、電磁場(chǎng)密度達(dá)到0.471 8～0.505 3 A/m的區(qū)域，10處電磁場(chǎng)密度達(dá)到0.371 0～0.438 2 A/m的區(qū)域，電磁場(chǎng)密度最大值約為0.538 9 A/m；對(duì)比分析可知，磁控管微波作用距離為250 mm時(shí)的電磁場(chǎng)密度更小，覆蓋區(qū)域更全面，分布更均勻。理論表明試驗(yàn)用干燥機(jī)微波作用距離為250 mm 對(duì)高粱干燥均勻性是有利的。

綜上仿真分析結(jié)果，理論上認(rèn)為本試驗(yàn)采用的隧道式微波干燥機(jī)的磁控管排布方式、微波作用距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)高粱干燥均勻性是有利的。

3 結(jié)論

1)粳高粱微波連續(xù)干燥過程中，每循環(huán)干燥時(shí)間、單位質(zhì)量功率、排濕風(fēng)速等因素對(duì)高粱含水率都產(chǎn)生了影響。單位質(zhì)量功率在較低水平范圍(2～4 W/g)內(nèi)，隨著單位質(zhì)量功率的增加，高粱平均含水率下降幅度加快；在較高水平范圍(5～6 W/g)內(nèi)，隨著單位質(zhì)量功率的增加，含水率下降幅度變緩，干燥總時(shí)間略有增加，含水率曲線變化出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；隨著每循環(huán)干燥時(shí)間在1.02～5.0 min范圍內(nèi)的增加，高粱累積的熱量逐漸增加，高粱籽粒含水率下降幅度顯著增強(qiáng)；排濕風(fēng)速在較低水平范圍(0.0～1.0 m/s)內(nèi)，隨著排濕風(fēng)速的增加，高粱物料含水率差異不大；在較高水平范圍(1.5～2.0 m/s)時(shí)，高粱物料含水率下降幅度有所減小，干燥總時(shí)間有所增加。

2)粳高粱微波干燥過程中，每循環(huán)干燥時(shí)間、單位質(zhì)量功率、排濕風(fēng)速等因素對(duì)高粱籽粒的溫度都產(chǎn)生了影響。隨著單位質(zhì)量功率的增加，高粱籽粒溫度有所下降；隨著排濕風(fēng)速的增加，高粱籽粒溫度略有下降；隨著每循環(huán)干燥時(shí)間的增加，高粱籽粒溫度顯著增加。改變每循環(huán)干燥時(shí)間、單位質(zhì)量功率和排濕風(fēng)速中的任一個(gè)因素，對(duì)于高粱籽粒溫度總體變化來說，都包含快速上升和趨于穩(wěn)定兩個(gè)變化階段。

3)仿真結(jié)果表明，磁控管三種排布方式中，采用“三二三排布”方式時(shí)的電磁場(chǎng)分布更均勻，電磁場(chǎng)密度最大值更小，達(dá)到0.497 3 A/m；微波作用距離為250 mm時(shí)的電磁場(chǎng)分布更均勻。仿真結(jié)果從理論上表明本試驗(yàn)使用的微波干燥機(jī)磁控管采用“三二三排布”、微波作用距離為250 mm等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)高粱干燥均勻性是有利的。