连续式微波干燥活性米设备的研究

王　磊，张艳哲，于　洁，王彦宇，刘成海，郑先哲

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



连续式微波干燥活性米设备的研究

王磊，张艳哲，于洁，王彦宇，刘成海，郑先哲

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：为了提高活性米干燥效率及干后品质，基于现有隧道式微波干燥机，设计了一种新型的微波干燥设备。该设备以微波作为干燥热源，由定量进料装置、微波干燥装置、缓苏装置及控制装置等部分组成，实现了微波干燥的连续性；通过分粮板、铺料刷等装置将物料以规则薄层铺放到输送带上，提高了干燥的均匀性；在连续干燥过程中加入缓苏装置，并通过控制系统精确控制干燥的目标含水率；分析确定了搅龙、输送装置、干燥仓、缓苏仓等关键部件的结构参数及具体尺寸。试验结果表明：该设备工作效率约为1 t/h，爆腰率20%以下，适用于连续式活性米干燥，提高了微波干燥效率，且干燥品质良好，高度保持了活性米的色香味及热敏性营养成分。

关键词：活性米；微波干燥机；缓苏；连续式

0引言

活性米具有丰富的营养物质，含有大量的γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)[1]。GABA具有增强脑细胞的代谢、降血压、活化肾功能、改善肝功能及防止肥胖等生理功能[2-3]，但刚制得的活性米含水率较高，易霉变，不便于贮藏，需及时干燥。现有设备干燥过程中出现效率较低、爆腰率较高、目标含水率难以精确控制等问题与不足。

热风干燥是常用的干燥方法，但热风干燥后活性米的色泽与原始活性米相差很大，γ-氨基丁酸等活性成分损失较大，造成品质劣变。微波干燥具备热效率高、干燥速度快等特点[4-5]，已经在粮食干燥领域得到广泛应用；但是，目前国内还少有适合活性米干燥的微波设备，且不能满足连续生产的需要，干燥效率低，干燥品质较差，爆腰率较高。

针对目前活性米干燥效率低、品质差等问题，设计了一套具有定量进料系统、干燥系统、缓苏系统及控制系统的新型微波干燥设备。该设备可使活性米干燥均匀，完成连续式干燥的同时，在干燥过程中加入缓苏装置，降低了活性米的爆腰率；同时，通过控制系统精确控制目标含水率，保证了干燥效率和干燥品质。

1结构及工作原理

微波干燥分为干燥—缓苏—再干燥3个阶段，设备主要由定量进料装置、微波干燥装置、缓苏装置、控制装置等部分组成，如图1所示。

1.进料仓　2.输送搅龙　3.分粮板　4.隔挡装置　5.传动滚筒

活性米由进料仓自由下落，经输送搅龙进行定量输送到出料口，由分粮板将其均匀铺放到输送带上。隔挡装置防止物料向带外溅射，且使活性米以均匀薄层进入干燥阶段。每个干燥腔内均安装有3个磁控管为干燥提供热源，物料由输送带在传动滚筒带动匀速穿过相互串联的微波干燥腔，运动过程中吸收微波能以降低自身含水率，传动动力由电机提供，且带速可调；在排湿风机的作用下，干燥腔内的水蒸气不断被排到腔外[6-7]，干燥一段时间的活性米进入缓苏仓。设置缓苏系统是为了降低爆腰率，保证活性米品质，并可以实现不同要求的缓苏比。其外层装有保温板，阻止与外界进行热量交换，到达了所需的缓苏时间后，由搅龙将其送至下一干燥阶段；此时，完成干燥的活性米继续进入缓苏仓，保持了缓苏仓内米量的动态平衡，实现了连续性微波干燥。

2关键部件的设计

2.1　定量进料系统

定量进料系统由料箱、搅龙、铺料刷及隔挡装置等零部件组成。由料箱自由落下的活性米经搅龙输送到出料口，由于搅龙螺旋叶片直径较小，在出料口设置一简易分粮板，使活性米均匀铺放到输送带上。隔挡装置可防止物料向带外溅射，较少损失，且可以达到理想规则的干燥宽度[8]。在输送带上方设有铺料刷，使活性米以均匀薄层进入干燥仓，提高了干燥的均匀性。搅龙设计的参数选择[9]及二维图如图2所示。

图2　输送搅龙尺寸

输送物料时，螺旋轴径所占据的截面虽然对输送能力有一定的影响，但对于整机而言所占比例不大。因此，螺旋输送机的物料输送量可粗略按下式计算，即

Q=3600F·λ·V·ε

(1)

式中Q—螺旋输送机输送量(t/h)；

F—料槽内物料层横截面积(m2)。

F=φD2π/4

(2)

其中：φ为填充系数；D为螺旋叶片直径(mm)；λ为物料的单位容积质量；ε为倾斜输送系数。不考虑物料轴向阻滞的影响，则物料在料槽内的轴向移动速度V为

V=ns/60

Q=47D2·S·n·φ·λ·ε

(3)

由式(3)可以看出：螺旋输送机的物料输送量与D、S、n、φ、λ、ε有关；当物料输送量Q确定后，可以调整螺旋外径D、螺距S、螺旋转速n和填充系数φ，来满足Q的要求。

按照要求，λ≈0.85t/m3，Q=1t/h；选取φ=0.3，ε=1。

螺旋轴的转速对输送量有较大的影响。一般说来，螺旋轴转速加快，输送机的生产能力提高；转速过小，则使输送机的输送量下降。但转速也不宜过高，因为当转速超过一定的极限值时，物料会因为离心力过大而向外抛，以致无法输送。所以，还需要对转速n进行一定的限定，不能超过某一极限值。当位于螺旋外径处的物料颗粒不产生垂直于输送方向的径向运动时，则它所受惯性离心力的最大值与其自身重力之间应有如下关系，即

(4)

(5)

考虑到不同的输送物料的影响，则有

(6)

(7)

n≤nmax

(8)

其中，K为物料的综合系数；g为重力加速度m/s2；nmax为螺旋的最大转速，即临界转速 (r/min)。

按要求，选取D=100mm，K=0.0573，则

(9)

选取n=7r/min，则

(10)

因此，选取S=120mm。

由于d=(0.2~0.35)D，因此选取d=0.3D=0.3×100=30mm。

2.2　干燥系统

干燥系统由传动滚筒、输送带、排湿风机、支架、电机、干燥仓及磁控管组成。物料由输送带在传动滚筒带动下匀速穿过相互串联的微波干燥腔，转速0～1 600r/min,传动动力由电机提供；根据生产要求，输送带可承载物料的宽度为400mm。因输送带较长，每间隔1m安装一处输送带托架。干燥热源(见图3)由型号2M259-M11 2.0kW的磁控管提供电磁波能量，通过波导引导电磁波传输至干燥腔的耦合处；耦合口是微波发生系统与微波干燥腔的连接处，在耦合口处场强较集中，易出现打火、气体击穿、拉弧放电等不良状况。本设计采用微波源多馈入口方式，每个微波源通过各自的耦合口把微波能传输到干燥室内，即在干燥腔顶部均匀设置 20 个耦合口，有利于提高干燥腔内微波场分布的均匀性[10-11]；在干燥腔的首末两段开有风口，连接风机作为排湿装置，排走由活性米产生大量的水蒸气，提高了干燥效率。

图3　磁控管

2.3　缓苏系统

缓苏系统由进料和出料输送带及保温层等组成，可实现不同缓苏比，且有保温效果好、进出料稳定等优点。活性米失水速率过快会使内部应力过大，从而造成严重的爆腰现象[12-13]，因而干燥一段时间的活性米将按一定的时间比进行缓苏。缓苏仓有良好的密封保温性能，为颗粒内部温度与粮食颗粒内的湿度均匀交换提供条件。缓苏仓设计原则：保证此干燥设备的连续性；内层选用不锈钢板提高仓体的稳定性与密闭性，较少糙米的粘壁现象，外层选用硬质聚氨酯保温板。硬质聚氨酯导热系数低，热工性能好，具有优良的隔热性能，最大程度减少了热量与外界的交换，达到缓苏的理想条件，使进出料流畅、顺利。原始数据：干燥长度L=6 000mm；干燥宽度D=300mm；干燥厚度H=15mm；干燥时间t值取2、4、6min；缓苏比i值取1:3、1:4、1:5，Q为缓苏仓体积。那么，则有

Q=L÷t×t×i×D×H

Q1=6000÷2×2×3×300×15

Q2=6000÷2×2×4×300×15

Q3=6000÷2×2×5×300×15

Qmax=6000÷6×6×5×300×15

=600×500×450

缓苏仓设计为长500mm、宽450mm、最大高度600mm，如图4所示。通过控制出料搅龙的开启时间，调节缓苏仓内活性米的体积，实现不同缓苏比的要求。当达到要求的缓苏时间后，开启输送搅龙，将下层米送至下一干燥阶段；同一时刻，干燥仓干燥完的活性米继续流入缓苏仓内，缓苏仓内活性米量实现动态平衡，达到缓苏要求。

2.4　控制系统

控制系统是依据活性米的干燥特性曲线在不同干燥段施加不同强度的微波，干燥过程主要可分为3个阶段:第1阶段为物料预热期；第2阶段是恒速干燥阶段；第3阶段是降速阶段，也称物料加热阶段。依据干燥时间与干燥阶段的关系，采用适当的传送速度[14-15]，5个干燥腔串联在一起，每个干燥腔内均安装有3个微波磁控管；物料输送带由变频电机驱动穿过相互串联的5个微波干燥腔，通过开通磁控管的多少控制不同阶段投放微波能的多少，使其在不同干燥阶段获取相应的微波能，既可充分提高能源的利用率，又能保证活性米的干燥品质。在每个干燥腔上安装1个红外温度传感器、1个湿度传感器，在进料口和排料口各安装1个水分传感器。仪表控制柜上安装有物料表面温度显示仪、空气温湿度显示仪、风机控制开关、水分显示仪、变频调速显示仪、电源开关、磁控管功率调节开关及磁控管工作时间调节开关、输送带电机开关。各显示仪分别与相应的传感器连接。

图4　缓苏装置

3试验结果与分析

电机采用 Y802-4 型号，额定功率为0.75 kW,同步转速n=60r/min。试验所用活性米由金都米业提供，作为干燥设备的性能试验材料。干燥要求：干燥设备能连续稳定工作，干燥效率约为1t/h，干燥品质良好。将原始含水率为32%的活性米平铺于连续式微波干燥装置传送带上，平铺厚度为10mm，风速为2 m/s，缓速比为1：4；干燥初始阶段，微波功率为10kW，当活性米超过45℃时，调整微波功率为4kW；将活性米干燥致含水率为14.5%,冷却后得到营养丰富、爆腰率低、感官品质好的活性米。测定活性米中γ-氨基丁酸含量、淀粉含量、爆腰率和色泽L*值。最后，结果取平均值，测定结果如表1所示。试验测试结果表明：

1)活性米经搅龙输送，由分粮板和隔挡装置将其均匀和定量铺放到输送带上，提高了干燥的均匀性。该设备工作性能稳定，提高了干燥效率，能实现连续的活性米干燥，适用于实际生产，有很大的推广价值。

2)干燥一段时间的活性米进入缓苏仓，很大程度减少了爆腰现象的发生。该缓苏仓设计能满足不同时间、不同缓苏比的干燥要求，且在连续工作中完成了缓苏工艺，提高了工作效率。

表1　微波连续干燥活性米试验结果

4结论

本文设计的干燥设备以微波作为干燥热源，由定量进料装置、微波干燥装置、缓苏装置及控制装置等部分组成，实现了连续式的微波干燥，且在连续干燥过程中加入了缓苏装置。性能试验结果表明：该微波干燥设备结构紧凑、性能良好，活性米干燥品质良好；设备工作效率约为1.5t/h，爆腰率在20%以下； 通过控制系统可以准确控制干燥的最终含水率，保证了物料干燥品质和干燥效率，有很大的借鉴与推广价值。

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Research on the Continuous Microwave Drying Equipment of Activity Meter

Wang Lei, Zhang Yanzhe, Yu Jie, Wang Yanyu, Liu Chenghai, Zheng Xianzhe

(College of Engineering , Northeast Agricultural University ,Harbin 150030,China)

Abstract：In order to enhance the activity of rice drying efficiency and quality of dry products, based on the existing tunnel microwave drying machine, we designed a new type of microwave drying equipment, which as a microwave drying heat source, the quantitative feeding apparatus, microwave drying equipment, tempering part of the device, the control device, to achieve a continuous microwave drying, through the sub-grain boards, decking and other means to brush a thin layer of material to the rules laid onto the conveyor belt, to improve the uniformity of drying, continuous drying process Join tempering equipment, and precise control of the drying of the target moisture content by the control system. Analysis identified auger conveyor means, dry container, slow structural parameters and specific dimensions and other key components of the Soviet positions. Experimental results show that the efficiency of the device is about 1 t / h, fissuring rate of 20% or less,suitable for continuous drying activity meters to improve the efficiency of microwave drying,drying and good quality, highly maintained active meter color, flavor and heat-sensitive vitamins and other nutrients.

Key words：active rice; microwave drying machine; tempering; continous

中图分类号：S226.6

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0092-04

作者简介：王磊(1990-)，男，黑龙江佳木斯人，硕士研究生，(E-mail)531965265@qq.com。通讯作者：郑先哲(1968-)，男，吉林德惠人，教授，博士生导师。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201403063)

收稿日期：2015-07-23