功率超声在热风干燥领域中的研究进展

罗登林 徐宝成 朱文学 刘建学

（河南科技大学食品与生物工程学院，洛阳 471003）

干燥是农产品加工中的重要单元操作，其能耗相当惊人。据报导，我国干燥消耗的能量约占总能耗的12%，而其中又以传统的热风干燥占了相当大的比重。热风干燥作为一种主要的干燥技术，被广泛应用于食品、化工、材料、医药、农业等领域，尤其在脱水食品生产中占据90%以上。与真空干燥、冷冻干燥和喷雾干燥等技术相比，热风干燥具有设备简单、投资低、干燥工艺参数易控、自动化程度较高等优点［1］。但不容忽视的是，热风干燥也存在一些急待解决的问题，包括：传热传质效率低，干燥时间长，能耗偏高，产品质量低。为了提高热风干燥的效率，通常需要在较高的干燥温度下（70～85℃）进行。这一方面对食品中的许多热敏性成分和生理活性成分非常不利，易导致产品质量下降，如：营养物质和芳香物质损失、功效成分的失活、表面硬化开裂、过度收缩、低复水性和明显的颜色改变等；另一方面则显著增加了能耗。同时，较长的热风干燥过程极易引起微生物的滋生与繁殖，特别是食品的腐败变质［2］。因此，探索如何在提高热风干燥效率的同时，又能降低干燥温度和节约能耗，获得高质量的产品，这对于实现干燥领域新理论与新技术的突破乃至国家中长期的节能降耗目标均具有重要的研究意义。

近年来干燥领域正向节能、高效，并能进一步提高产品质量的高标准要求方向发展，探索热风干燥过程的强化及与其他技术的耦合成为当前的一个重要研究方向［3－4］。本文根据近年来热风干燥领域研究的新动态，重点介绍功率超声在这方面所取得研究成果，并指出存在的不足和今后发展方向。

1　功率超声简介

功率超声是指频率为2×104～2×109Hz、声强大于1W／cm2的声波。与其它频率的声波相比，超声具有传播方向性强，介质质点振动加速度大，在液体介质中能产生空化效应等突出特点。由于超声独特的作用效应，它常被作为一种非常有效的强化手段，在许多领域被广泛采用［5－6］。

1.1　在液体介质中强化传热传质

国内外的大量研究均表明，超声在液体介质中具有明显强化传热和传质的效果，认为这主要与超声在液体介质中能产生空化效应有关，同时超声所产生的微扰效应、波动效应、湍动效应、射流效应也起到了重要作用。在超声强化传热方面，国内任晓光等［7］研究了超声对无垢质蒸馏水传热和含垢质溶液传热的影响，发现超声的加入均可使这两种体系的传热系数明显提高（1.2～2.0倍）。超声在强化传质方面，Paniwnyk等［8］利用超声从迷迭香中萃取抗氧化成分，与传统的溶剂萃取法相比，超声强化溶剂萃取技术能明显提高萃取传质速率，采用该技术只需在较低的萃取温度、较小的溶剂／物料比和较短的时间内实现高效的萃取。近年来开展的超声强化超临界CO2流体萃取天然产物中活性成分的研究，发现超声能够强化萃取过程中固相内传质和固相－流体相界面传质，显著提高传质效率（传质系数提高30%以上），并且还能改变溶质在固体表面与内部的吸附－脱附平衡状态，使平衡过程朝向脱附方向移动，有利于溶质的萃取［9－10］。

1.2　在液体介质中强化渗透脱水

渗透脱水是食品领域中一种常见的加工方法，但通常由于新鲜物料组织结构紧密，导致渗透脱水速率非常缓慢，往往需要几周乃至几个月的时间才能达到加工要求。如果利用超声在液体介质中所产生的声空化效应，则可以显著提高脱水速率，脱水后产品的感官品质与鲜料几乎一样［11－12］。孙宝芝等［13］研究了超声强化苹果和梨渗透脱水的效果，发现超声空化对水果渗透脱水有显著的强化作用，经超声空化后的物料渗透脱水率和干物质均增大；董红星等［14］进一步探讨了超声对胡萝卜渗透脱水质量传递规律的影响，表明超声能有效强化胡萝卜渗透脱水过程中的传质；巴西学者Fernandes等［15］先利用超声对新鲜菠萝片进行辐照（25 kHz、4 780 W／m2、20 min），再热风干燥，发现采用此方法能使干燥过程的水分扩散系数提高45.1%，干燥时间缩短31%。显然，在干燥方面，超声对以液体为传播媒介的干燥体系具有明显的强化作用，不仅能够强化干燥过程，而且能够提高干燥产品品质。

但是这种方法是将超声作为热风干燥前的一种预处理手段，利用超声空化效应改变物料表面和内部结构，增大细胞壁间隙，以利于后续的热风干燥。事实上这种技术只是利用超声预处理来改变物料的结构性状，以达到提高热风干燥效率的目的。而影响热风干燥效率的因素不仅与物料本身的性质有关，更重要的还取决于干燥过程中对流传热传质效率（动量传递、热量传递和质量传递），因而在缩短总干燥时间、降低耗能和提高产品质量等方面的改善效果有限。

目前关于超声强化干燥方面的研究主要集中于液体介质中，其原因主要归因于超声在液体中传播时能量衰减小，传播距离远，能够负载大的能量，而在气体（空气）中传播时声阻抗低，导致工作效率很低。如果能将超声直接有效耦合于热风干燥过程中，就可以利用超声的高频率强波动效应、空化效应及热学效应（产生流体湍流和微射流，降低传热传质边界面厚度，增加近壁面的速度梯度，传递超声能量引起液体介质吸收能量远大于气体介质加速物料水分向气体中扩散）的特点，满足超声既可改变物料本身性状又能对热风干燥中传热传质进行强化，这推动了对气介式大功率超声干燥设备与技术的研究。

2　气介式大功率超声干燥设备

早在1995年，林书玉等［16］就对大功率气介声波换能器进行了研究，提出了一种弯曲圆盘式换能器的设计思路，并研制出了实物进行试验，发现当输入电功率达200 W时，离换能器正前方1 m处，声场中的声压级可达150 dB。但是直到近来年，由于能源价格的迅速上涨才逐渐引起人们的关注。在2007年第八届Electron Devices and Materials会议上，有关学者介绍了关于气介式大功率超声换能器的设计原理及具体结构，超声波具备了在气体介质中与像在液体介质中一样传播的能力，超声有效强化热风干燥在实际中的应用真正成为一种可能［17－21］。

2.1　设计原理

要实现功率超声在空气中能量的传播，必须解决声阻抗配匹问题。由于弯曲圆盘的声阻抗低，易于实现与空气的匹配，从而可有效解决大功率超声的输出问题。图1为由相位均衡组件构成的圆盘辐射示意图，当夹心式换能器纵向振子的共振频率与圆盘弯曲振动某一振动模式共振频率一致时，二者在同一个共振频率上共振，此时复合系统的工作状态处于最佳状态。当辐射圆盘突出的台阶高度与超声波在空气中传播的半波长相等时，负相区域的声波不会与正相区域的声波相互抵消，相反会相互加强，这样来自圆盘各个点的辐射相是都是相等的。图2为设计出的由相位均衡组件构成的圆盘实物图，其具体参数如表1，也可以根据实际需要设计成波伏式方形辐射盘（图 3）［22－23］。

图1　由相位均衡组件构成的圆盘辐射示意图

图2　由相位均衡组件构成的圆盘实物图

图3　带有8个矩形节点线的矩形盘振动模式

表1　由相位均衡组件构成的圆盘参数

2.2　设备结构

超声强化热风干燥设备主要由热风系统和超声系统两部分组成，其中热风系统由加热器、风扇、测温计、风速计、干燥室（或装料室）等组成，还可配置真空室、真空泵和压力计等，超声系统由计算机、控制元件、功率放大、阻抗匹配、气介式超声换能器所组成，超声换能器可与干燥室外壳直接相连，也可直接伸入干燥室内。图4和图5分别为这两种结构的工作示意图［24－25］。在图4中，换能器直接与干燥室外壳相连，在超声工作过程中能带动整个外壳一起振动，从而作用于整个圆壳内的干燥热风和物料，辐照比较均匀。在图5中，只有处于超声换能器正下方的物料和热风才接受超声辐照，因此样品铺开的面积不能太大，否则干燥不均匀，由于配置的真空泵能及时将干燥后的湿热空气抽走，干燥速率也较快。

图4　与外壳直接相连的超声干燥设备示意图

图5　带真空系统的超声干燥设备示意图

3　气介式大功率超声强化热风干燥的应用

García－Péreaz等［25］探讨了采用频率 21.8 kHz、功率75 W的超声对热风干燥过程的强化作用，发现对不同结构的物料，超声的强化效果不同，物料结构越紧密，超声的强化效果越明显；在热风流速较小的情况下，超声均能显著提高各种物料的水分扩散速率，流速越小，超声的强化效果越明显。同时还能降低热风干燥温度。有学者认为高的热风流速会降低空气介质中超声能量，超声对热风干燥动力学的影响归因于超声降低了边界层厚度，在低的风速下（＜5 m／s），干燥速率主要取决于外扩散阻力，而风速的增加降低了扩散边界层的厚度；当风速增大至某一阈值时（＞5 m／s），干燥速率不再取决于风速的大小，而是由内扩散阻力所控制［25－26］。

Cárcel等［27］考察了超声干燥橄榄叶对萃取物的抗氧化能力的影响，发现当萃取时间较短时（如30 min），经超声干燥后所得萃取物的抗氧化活性比普通热风干燥的要高出38%，但是当萃取时间较长时（＞60 min），相反普通热风干燥所得萃取物的抗氧化活性比超声干燥要高，其原因未作分析。

Fuente－Blanco等［22］研究了在不同功率的超声作用下胡萝卜的脱水情况，发现随着超声功率的增大，胡萝卜的脱水速率明显加快，在热风干燥速率和干燥温度分别为2 m／s和30℃条件下，附加20 kHz、100W的超声可使新鲜胡萝卜在90 min内失水率超过70%，而不附加超声的普通热风干燥的样品失水率仅为15%。

Soria等［28］对超声干燥胡萝卜的物化性质进行了分析，在75 min内经烫漂后的胡萝卜失水达90%，认为超声产生的一系列效应（微扰、产生微孔道、水分子空化）能够将物料中水分较容易的移去，干燥可在较低的温度（≤60℃）下进行。在低温下（≤40℃），经超声干燥后的胡萝卜中还原糖的损失很小，但在60℃时，还原性糖有明显的损失，尤其是葡萄糖（54%）；对于蔗糖、景天庚酮糖和肌醇而言，在不同干燥参数下均很稳定。与冷冻干燥相比，超声干燥的胡萝卜在总酚含量、抗氧化活性、复水率、直径变化方面没有明显区别。

植物种子的保藏对于来年种子的发芽和作物产量非常重要，科学的干燥方法有利于延长种子的保藏期，提高生产效率。Khmelev等［29］设计了一种锅式超声干燥设备，用来干燥各种植物种子，包括甜瓜、西红柿、玉米、小麦、荞麦等，发现采用超声干燥后的种子比普通热风干燥后的更耐贮藏；并利用此设备进一步进行了明胶、织物、豌豆和胡萝卜等多种原料干燥试验，在160 min内明胶的干基含水率由175%降低到25%，在140 min内豌豆的湿度由46%降低到3%以下，在150 min内新鲜胡萝卜的湿度由600%降低到350%，根据公式“干燥效率＝（耗电量×干燥时间）／除去的水分质量”比较了超声干与热风干燥的效率，计算得出超声的干燥效率为129.83 W·min／g，而传统热风干燥的效率为352.11 W·min／g，即在获得相同含水率的物料条件下，超声干燥的效率是热风干燥效率的2.7倍［30］。

4　存在问题及今后发展方向

虽然近年来国外对超声在热风干燥领域的应用已开始了一些初步研究，但局限于超声对热风干燥影响效果方面的探索，一些重要性的基础问题尚未涉及［31－33］，主要表现在：

超声在热风干燥系统中的声学传播规律。超声在气体中传播与在液体中传播存在明显不同，特别是热风和物料的性质对超声波的传播影响很大。因此，不能简单借鉴超声在液体中的传播规律。只有获得超声在热风干燥系统中的关键性声学参量值，才能为超声有效强化热风干燥过程提供理论指导。

超声在热风干燥中的作用效应。超声在液体介质中能产生空化效应，但在气体介质中是不能产生空化效应的。目前大多数观点认为超声对液体介质的强化作用主要归因于其产生的空化效应。那么在热风干燥中一定功率的超声能否通过气体介质传播在气－液－固三相共存体系中产生空化效应，具体是超声的哪种效应占强化干燥的主导作用。

超声场对热风干燥中的温度场、能量场、动量场的影响。目前的一些研究只是将超声与热风干燥结合起来探讨其干燥工艺参数的影响，并没有深入研究超声、热风干燥与物料特性等因素之间的关联，建立起耦合超声场、温度场、能量场、动量场的作用关系，即如何科学地将超声耦合于热风干燥过程，实现超声强化作用的最大化。

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