徐毅锋 杨晚生
【摘 要】微波与热风耦合干燥技术是将微波与热风技术相结合使用的一种干燥技术，具有干燥质量好、干燥速度快及干燥能耗低等特点。文章从最优工艺组合、干燥动力学模型和装置设备方面综述国内外耦合干燥技术的研究现状，分析了该技术目前存在的问题，并探索了未来微波热风耦合干燥技术的发展趋势。
【关键词】微波热风耦合;动力学模型;设备
0 引言
微波干燥是通过微波作用在物料的内部产生热量，具有选择加热性、干燥效率高、能量应用率高等特点。在一些微波干燥的过程中，由于物料受到的微波不均匀，使物料的一些位置受微波作用的效果格外强烈，所以该位置的温度急速上升，从而产生热点。热点的产生会导致物料的内部结构遭到破坏，并且微波干燥还有成本高、物料处理量小等缺点。国内外有许多学者将微波干燥和其他干燥方式结合应用，可以克服单一微波干燥的缺点，同时能提高干燥质量和干燥效率，例如微波与热风联合干燥等。
微波与热风联合干燥分为串联干燥和耦合干燥。串联干燥是指微波干燥与热风干燥分别和分段对物料进行干燥;耦合干燥是将微波干燥和热风干燥结合，同时对物料进行干燥。
1 原理及特点
微波的作用是在物料进行干燥的过程中，使材料内部的运动分子获得能量而发生振动和碰撞进而产生热量，使得干燥材料内部温度升高，内部水分吸热蒸发，产生由内到外的压力梯度，也就是“泵”效应[1]，推动水分扩散到物料表面，传热与传质的方向一致。热风干燥则作用于物料表面，使物料表面温度升高且表面水分吸收热量后气化转移到空气中，由此形成温度梯度和浓度梯度[2]，驱使水分向表面转移，热能从干燥物料的表面向内部传递，传质与传热的方向相反。这样，热风能带走物料表面的自由水;微波能带走内部的结合水和自由水。由此可见，微波与热风耦合干燥能同时发挥各自的优势，其主要特点如下：①能对物料内外同时进行加热;②具有比微波干燥和热风干燥更快的干燥速率和更高的干燥品质，能合理分配两者之间的能量比例，从而降低能耗;③干燥兼具杀菌、杀虫的功效，能保证产品的安全与卫生。
目前，国内外许多学者对微波与热风耦合干燥的研究主要集中在最优工艺组合、相关动力学模型及装置设备等方面。
2 研究现状
2.1 最优工艺组合
近年来，为了使产品干燥质量更好，干燥效率更高，干燥能耗更低，许多学者对各种物料在微波与热风耦合干燥技术下的最优干燥工艺组合进行了研究，为实际工程中的应用提供了数据参考。Alibas Ilknur[3]对含水量为9.31 g/g干固体、重量为50 g的南瓜片分别使用微波、热风和热风与微波耦合干燥3种干燥方法进行干燥，实验结果显示：微波与热风耦合干燥时获得了最佳干燥周期、颜色和能耗，最佳干燥组合为热风50 ℃时+微波350 W。Kumar等人[4]用微波与热风耦合干燥技术对秋葵进行干燥处理，并用响应面法进行优化分析，结果得出秋葵的干燥产品在2.41 W/g微波功率密度和风速为1.15 m/s、温度为52.09 ℃热风的条件下干燥质量最好，能源消耗最低。
Uprit等人[5]用热风与微波耦合干燥方法对奶酪进行干燥研究，结果显示所得产品在功率为111.5 W的微波和风速为2 m/s、温度为53.5 ℃热风的条件下干燥质量最好。易丽等人[6]为研究番木瓜片，采用热风与微波耦合干燥的最优工艺组合，对产品质量的各项参数、单位能耗和干燥速率进行分析，结果表明在微波功率密度为5.5 W/g、热空气温度为60 ℃、风速为0.5 m/s的条件下，综合干燥效果最优。宋瑞凯等人[7]以马铃薯为研究对象，研究了在单一微波、单一热风及热风与微波耦合干燥状态下马铃薯丁的干燥特性，利用正交试验对其产品质量参数、干燥速率及单位能耗进行方差分析，得到马铃薯丁在微波功率密度为6 W/g、热空气温度为50 ℃、风速为1.6 m/s的条件下的干燥效果最优。
2.2 干燥動力学模型
目前，我们在微波与热风耦合干燥过程中对物料内部温度和水分含量的实时检测还存在技术难点，物料干燥动力学模型的研究对实际干燥过程的优化和控制具有指导作用。汪汉羊等人[8]将山药作为研究对象，对其微波热风耦合干燥过程的动力学模型进行分析，选取了9种常用的干燥动力学模型进行拟合，得出最优动力学模型为Two-term exponen-tial模型，并对模型进行验证，结果表明该模型能很好地预测山药微波与热风耦合干燥过程。Mehdi Torki-Harchegani等人[9]通过研究薄荷叶干燥的脱水行为、数学建模、能量特性及精油产量，对药材的热空气和微波干燥进行综合分析。选取常用的6个干燥动力学模型作为研究对象，结果表明Midilli and Kukcuk模型对干燥曲线进行了最佳描述。A.A.Gowen等人[10]研究了对流热风与微波耦合干燥的黄豆干燥工艺，并对Henderson and Pabis模型、Lewis模型、Bi-exponential模型及Page模型进行分析，结果表明Page模型为黄豆对流热风与耦合微波干燥的最优拟合模型，并且提出了以下模型，将MR描述为干燥时间、空气温度、微波功率及干燥方法的函数：
于海明[11]对山楂片微波与热风耦合干燥动力学进行研究，选取12个常用的干燥动力学模型作为研究对象，利用实际数据进行拟合，得到最优动力学模型为Weibull distribution模型，并对其进行修正。又利用能量守恒定理，推导出WHADK模型，通过实际数据拟合分析后得出该模型可以对干燥水分比进行预测，并对特殊干燥条件下的WHADK模型进行修正，最后得到可以全面预测干燥水分比的数学模型。
2.3 干燥装置设备
微波与热风耦合干燥设备的研究，目前仍存在较大的局限性，因为大多数装置都是通过改造微波炉而来，干燥物料处理量小，缺少具有大处理量和高自控化的设备是该项技术发展和应用亟须克服的主要难题。Uprit等人[5]设计了一种可以实时检测样品质量变化和温度变化的微波与热风耦合干燥装置，该装置利用托板的转动，使物料能均匀地受微波作用，提高了物料对微波能的吸收均匀性。Askari[12]设计了一种试验级微波辅助流化床烘干机，用于对苹果立方体进行热风与微波耦合干燥。该装置由家用微波炉改造而成，安装时间控制器以实现更小的逐步功率变化。通过模型预测及实验数据拟合分析得出流化床可以提高物料吸收微波的均匀性。但该装置的物料处理量非常小，仅能用于实验阶段的研究，并不适合工业化。
张斌尧[13]设计了一种微波与热风耦合干燥装置，通过改变磁控管高压回路的电容，使其阻抗发生变化，实现微波功率可以线性可调的目的，并经过实验发现该系统中微波场存在不均匀性问题，导致热点产生，干燥后的物料有少许烧焦现象;并且实验结果的精度和结论的准确性受到了人工操作的影响，存在较大误差。崔政伟[14]设计了一种中等规模的微波与热风耦合干燥装置，为箱体式结构，分为左右腔室和干燥室，上下两风道分别与各腔室相连。根据干燥室的大小可自行设置微波口数量，同时每个微波发生器的功率均为线性可调，达到通过调节热风能量和微波能量的比例有针对性地处理不同的干燥产品的目的。该装置对物料的处理量较大，属于中等规模的干燥设备。
3 展望
微波和热风耦合干燥技术，相对单一热风干燥技术来说，具有能耗低、干燥效率高等特点。与单一微波干燥相比，耦合干燥技术不仅改善了微波加热的不均匀性，避免产品出现热点和热失控，还可以提高干燥物料的品质。
在干燥动力学的研究方面，由于耦合场的复杂性，因此大多是利用现有经典干燥动力学模型进行研究，根据实际的干燥过程建立数学和物理模型进行分析计算的研究较少。目前，利用多耦合场分析软件COMSOL对实际干燥过程的模拟，是微波与热风耦合干燥动力学模型研究的一个趋势。
随着技术的發展与进步，微波与热风耦合干燥设备将走向成熟，成为高效节能的干燥新技术。针对大容量、连续式、均匀性好及自控化程度高的微波与热风耦合干燥系统进行研究，开发新型的干燥设备，将是未来人们需要进一步研究的课题。
参 考 文 献
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