一种农产品干燥装置和方法
【专利摘要】一种农产品干燥装置和方法，该方法采用微波干燥机构的微波能和热能干燥机构的热能分段干燥，并采用振动机构以使物料在干燥过程中呈均匀流态化状态，该微波干燥机构分别设置第一微波功率、第二微波功率和第三微波功率，该热能干燥机构分别设置第一干燥温度、第二干燥温度、第三干燥温度和第四干燥温度，该振动机构的振动电机分别设置第一振动频率、第二振动频率、第三振动频率和第四振动频率。该装置包括机架及安装在该机架上的微波干燥机构、热能干燥机构和物料托盘，该物料托盘相对于该微波干燥机构和热能干燥机构设置，还包括振动机构。本发明提高了热能和微波能的利用率，降低了干燥能耗，有效改善了微波干燥的均匀性，提高了产品的质量。
【专利说明】一种农产品干燥装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种农产品加工干燥装置和方法，特别是一种采用振动流态化干燥和微波及热能分段组合干燥果蔬的农产品干燥装置和方法。
【背景技术】
[0002]微波干燥利用微波辐射能进行物料的介质整体加热，干燥速度快、效率高、能耗低，具有较强的技术优势。我国常压微波干燥技术装备在化工、轻工、医疗和农产品加工等方面也有较为广泛的应用，在化工和医疗行业的应用最为广泛。但微波干燥均匀性差，容易过热出现物料边缘或尖角部分焦化，产品表面硬化和内部糊化等现象，导致产品品质裂变加剧，成品率低，微波干燥的成品率往往不足65%。因此，采用微波干燥与其它干燥相结合的联合干燥是干燥技术发展的主要方向之一，以充分发挥各自的技术优势，最大限度地弱化单一干燥方式的技术缺陷，缩短干燥时间，提高干燥效率，改善产品质量。
[0003]目前，微波组合干燥技术主要采用微波与热风、微波与真空、热风与微波真空、远红外微波真空等几种方式，组合干燥工艺技术的研究结果表明了微波组合干燥技术的高效、节能、高品质，但在微波组合干燥装备方面，仍然存在微波干燥的严重不均匀、干燥速度过快导致难控制物料最终水分等技术缺陷，制约了该技术的工业化应用推广。改善微波干燥的均匀性，是当前农产品微波联合干燥设备工业化应用中急需研究和解决的关键技术问题。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种针对农产品微波干燥的均匀性问题，能提高能量利用率，实现高效节能、快速均匀地微波干燥的农产品干燥方法和装置。
[0005]为了实现上述目的，本发明提供了一种农产品干燥装置，包括机架及安装在所述机架上的微波干燥机构、热能干燥机构和物料托盘，所述物料托盘相对于所述微波干燥机构和热能干燥机构设置，其中，还包括用于使物料在干燥过程中呈均匀流态化状态的振动机构，所述振动机构包括振动机架、振动电机和弹性减震件，所述振动机架通过所述弹性减震件安装在所述机架上，所述振动电机与所述振动机架连接，所述物料托盘安装在所述振动机架上，所述热能干燥机构设置在所述物料托盘下方，所述微波干燥机构分别对应于所述物料的干燥中期、干燥中后期及干燥后期设置有第一微波功率、第二微波功率和第三微波功率，所述热能干燥机构分别对应于所述物料的干燥初期、干燥中期、干燥中后期及干燥后期设置有第一干燥温度、第二干燥温度、第三干燥温度和第四干燥温度，所述振动电机分别对应于所述物料的干燥初期、干燥中期、干燥中后期及干燥后期设置有第一振动频率、第二振动频率、第三振动频率和第四振动频率。
[0006]上述的农产品干燥装置，其中，所述微波干燥机构包括微波干燥室、微波源和安装在所述微波干燥室顶端的多个磁控管，所述多个磁控管分别与所述微波源连接，所述物料托盘设置在所述微波干燥室内。[0007]上述的农产品干燥装置，其中，还设置有引风机构，所述引风机构包括引风机和引风通道，所述引风机安装在所述机架的顶端，所述引风通道的一端与所述微波干燥室连通，所述引风通道的另一端与所述引风机连接。
[0008]上述的农产品干燥装置，其中，所述热能干燥机构包括电源和电加热管组，所述电加热管组与所述电源连接并通过一支架安装在所述机架上，所述电加热管组设置在所述物料托盘的下方。
[0009]上述的农产品干燥装置，其中，所述第一微波功率为15?30W/g，所述第二微波功率为8?20W/g，所述第三微波功率为5?15W/g。
[0010]上述的农产品干燥装置，其中，所述第一干燥温度和所述第二干燥温度为小于或等于75°C，所述第三干燥温度为小于或等于60°C，所述第四干燥温度为小于或等于45°C。
[0011]上述的农产品干燥装置，其中，所述第一振动频率为35?50Hz，所述第二振动频率为30?45Hz，所述第三振动频率和所述第四振动频率为25?40Hz。
[0012]为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种农产品干燥方法，其中，采用微波干燥机构的微波能和热能干燥机构的热能分段干燥，并采用振动机构以使物料在干燥过程中呈均匀流态化状态，所述微波干燥机构分别设置第一微波功率、第二微波功率和第三微波功率，所述热能干燥机构分别设置第一干燥温度、第二干燥温度、第三干燥温度和第四干燥温度，所述振动机构的振动电机分别设置第一振动频率、第二振动频率、第三振动频率和第四振动频率。
[0013]上述的农产品干燥方法，其中，包括如下步骤:
[0014]预处理步骤，对所述物料进行拣选、清洗、去皮、切块，进行漂烫或浸泡护色；
[0015]初期干燥步骤，调节所述振动机构的振动频率为所述第一振动频率，调节所述热能干燥机构的干燥温度为第一干燥温度，以除去所述物料中的部分自由水分并降低物料的水分含量；
[0016]中期干燥步骤，调节所述振动机构的振动频率为第二振动频率，调节所述热能干燥机构的干燥温度为第二干燥温度，调节所述微波干燥机构的微波功率为第一微波功率，进行物料内部水分干燥并去除迁移到物料表面的水分；
[0017]中后期干燥步骤，调节所述振动机构的振动频率为第三振动频率，调节所述热能干燥机构的干燥温度为第三干燥温度，调节所述微波干燥机构的微波功率为第二微波功率，进行物料内部水分干燥并去除迁移到物料表面的水分；
[0018]后期干燥步骤，调节所述振动机构的振动频率为第四振动频率，调节所述热能干燥机构的干燥温度为第四干燥温度，调节所述微波干燥机构的微波功率为第三微波功率，以除去所述物料剩余水分并防止干燥制品的色泽变化、糊化和品质裂化。
[0019]上述的农产品干燥方法，其中，所述初期干燥步骤中的干燥水分含量转换点为60%?70%，所述中期干燥步骤中的干燥水分含量转换点为35%?45%，所述中后期干燥步骤中的干燥水分含量转换点为15%?25%，所述后期干燥步骤中的所述物料的最终水分含量小于或等于8%。
[0020]本发明的技术效果在于:
[0021]本发明改变了物料在微波场的相对运动方式，采用机械振动进行物料的均匀流态化，多管微波叠加保证微波场的均匀分布，分段干燥有效综合热风干燥的高水分低成本和微波干燥的快速高效优势，使物料最大限度地吸收热能和微波能。采用振动辅助装置，通过调节振动频率来适应不同物料的振动要求，使物料在干燥过程中呈均匀流态化状态；采用多个微波磁控管馈入微波能，干燥室内的微波反射叠加，获得均匀的微波场，实现物料均匀加热能干燥。分段干燥根据物料干燥特性，将整个干燥过程分为多个干燥阶段，调节每个干燥阶段的干燥过程参数，获得满意的干燥效果和产品质量。本发明通过这种分段叠加振动辅助方法，获得均匀的微波场，保证物料在微波场中呈均匀流态化状态，提高了热能和微波能两种能源的利用率，降低了干燥能耗，有效改善了微波干燥的均匀性，提高了产品的质量，最大限度地保持物料原有的色泽、气味和滋味，提高干燥制品合格率。
[0022]以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明一实施例的农产品干燥装置结构示意图；
[0024]图2为本发明的微波干燥机构的微波馈入口设置示意图；
[0025]图3A为本发明的多管微波场平面示意图；
[0026]图3B为本发明的微波场三维分布示意图；
[0027]图4为本发明一实施例的农产品干燥方法流程图。
[0028]其中，附图标记
[0029]I 机架
[0030]11 支架
[0031]2微波干燥机构
[0032]21微波干燥室22磁控管
[0033]23微波馈入口
[0034]3热能干燥机构31电加热管组
[0035]4物料托盘
[0036]5振动机构
[0037]51振动机架52振动电机
[0038]53弹性减震件
[0039]6引风机构
[0040]61弓丨风机62引风通道【具体实施方式】
[0041]下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述:
[0042]参见图1，图1为本发明一实施例的农产品干燥装置结构示意图。本发明的农产品干燥装置，用于加工干燥物料为天然或切制成块状、颗粒状的果蔬。包括机架I及安装在所述机架I上的微波干燥机构2、热能干燥机构3和物料托盘4，所述物料托盘4相对于所述微波干燥机构2和热能干燥机构3设置，还包括用于使物料在干燥过程中呈均匀流态化状态的振动机构5，所述振动机构5包括振动机架51、振动电机52和弹性减震件53，所述振动机架51通过所述弹性减震件53安装在所述机架I上，起到减振作用并保证机架I的稳固性。该弹性减震件53优选减振弹簧，所述振动电机52与所述振动机架51连接，振动电机52频率可以调节，通过调节振动频率使物料在干燥过程中呈均匀流态化状态，振动速度决定了物料的振动状态，以适应不同形状大小的物料振动流态化的要求。所述物料托盘4安装在所述振动机架51上，优选安装在振动机架5的顶端，所述热能干燥机构3设置在所述物料托盘4下方，所述微波干燥机构2分别对应于所述物料的干燥中期、干燥中后期及干燥后期设置有第一微波功率、第二微波功率和第三微波功率，所述热能干燥机构3分别对应于所述物料的干燥初期、干燥中期、干燥中后期及干燥后期设置有第一干燥温度、第二干燥温度、第三干燥温度和第四干燥温度，所述振动电机52分别对应于所述物料的干燥初期、干燥中期、干燥中后期及干燥后期设置有第一振动频率、第二振动频率、第三振动频率和第四振动频率。振动电机52带动振动机架51和物料托盘4进行振动，保证物料托盘4上的物料均匀振动，呈均匀流化状态。
[0043]本实施例中，所述微波干燥机构2包括微波干燥室21、微波源(图未示)和安装在所述微波干燥室21顶端的多个磁控管22，所述多个磁控管22分别与所述微波源连接，所述物料托盘4设置在所述微波干燥室21内。本实施例中，所述的微波干燥室21优选为不锈钢箱体，顶部共设有6个磁控管22，采用6个磁控管22的反射叠加，将微波能传输到微波干燥室21，通过优化设计微波干燥室21的6个磁控管22的馈入口位置，保证馈入到微波干燥室21的6个磁控管22的反射正向叠加获得均匀的微波场，减少微波能耦合损失，提高微波场的均匀性。参见图2，图2为本发明的微波干燥机构的微波馈入口设置示意图。所述的6个磁控管22，在微波干燥室21顶部的馈入口布置为三行四排交错均匀分布，如图2所示，每行布置两个磁控管22，该两个磁控管22优选位于同一直线，第一排和第三排为两个磁控管22，该两个磁控管22也位于同一直线上，第二排和第四排为一个磁控管22，其中第一排的两个磁控管22互相垂直设置，第二排和第四排的磁控管22位于第一排和第四排的两个磁控管22的连线的垂线上。本实施例中，每行之间的中心距为172.5mm，且第一行距微波干燥室21的箱体边缘的距离为172.5mm,每排之间的中心距优选为160mm,第一排距离微波干燥室21的箱体边缘的距离为160mm，用于安装该磁控管22的微波馈入口 23为矩形结构，优选为40X80mm2。采用Ansoft HFSS软件，对6个磁控管22进行了该布置方式的微波场均匀性仿真，其微波场平面和三维分布图如图3A、3B所示，由图可见，经过6个磁控管22的反射叠加，微波干燥室21内的微波功率密度较一致，微波场分布均匀。
[0044]还可设置引风机构6，所述引风机构6包括引风机61和引风通道62，所述引风机61安装在所述机架I上，优选安装在所述机架I的顶端，所述引风通道62的一端与所述微波干燥室21连通，所述引风通道62的另一端与所述引风机61连接。冷风经过电加热管组31进行加热，分成2组进行控制热风温度，提供热风到微波干燥室21，同时排出料干燥过程中蒸发的水分。
[0045]所述热能干燥机构3包括电源(图未示)和电加热管组31，所述电加热管组31与所述电源连接并通过一支架11安装在所述机架I上，所述电加热管组31设置在所述物料托盘4的下方。本实施例的电加热管组31由4根电加热管连接组成，设置在微波干燥室21的底部下方。
[0046]本实施例中，所述第一微波功率为15?30W/g，所述第二微波功率为8?20W/g，所述第三微波功率为5?15W/g。所述第一干燥温度和所述第二干燥温度为小于或等于75°C，所述第三干燥温度为小于或等于60°C，所述第四干燥温度为小于或等于45°C。所述第一振动频率为35?50Hz，所述第二振动频率为30?45Hz，所述第三振动频率和所述第四振动频率为25?40Hz。
[0047]参见图4，图4为本发明一实施例的农产品干燥方法流程图。本发明的农产品干燥方法，采用微波干燥机构2的微波能和热能干燥机构3的热能分段干燥，并采用振动机构5以使物料在干燥过程中呈均匀流态化状态，所述微波干燥机构2分别设置第一微波功率、第二微波功率和第三微波功率，所述热能干燥机构3分别设置第一干燥温度、第二干燥温度、第三干燥温度和第四干燥温度，所述振动机构5的振动电机52分别设置第一振动频率、第二振动频率、第三振动频率和第四振动频率。
[0048]本实施例中，包括如下步骤:
[0049]预处理步骤SI，对所述物料进行拣选、清洗、去皮、切块，进行漂烫或浸泡护色，优选为切成5 X 5mm?14X 14mm的块状，有利于物料的后续干燥加工；
[0050]初期干燥步骤S2，调节所述振动机构5的振动频率为所述第一振动频率，调节所述热能干燥机构3的干燥温度为第一干燥温度，采用较高温度的热风干燥以除去所述物料中的部分自由水分并降低物料的水分含量；
[0051]中期干燥步骤S3，调节所述振动机构5的振动频率为第二振动频率，调节所述热能干燥机构3的干燥温度为第二干燥温度，调节所述微波干燥机构2的微波功率为第一微波功率，采用强微波干燥进行物料内部水分干燥并去除迁移到物料表面的水分；
[0052]中后期干燥步骤S4，调节所述振动机构5的振动频率为第三振动频率，调节所述热能干燥机构3的干燥温度为第三干燥温度，调节所述微波干燥机构2的微波功率为第二微波功率，采用中微波干燥进行物料内部水分干燥并去除迁移到物料表面的水分；
[0053]后期干燥步骤S5，调节所述振动机构5的振动频率为第四振动频率，调节所述热能干燥机构3的干燥温度为第四干燥温度，调节所述微波干燥机构2的微波功率为第三微波功率，采用低微波干燥以除去所述物料剩余水分并防止干燥制品的色泽变化、糊化和品质裂化。所述初期干燥步骤S2中的干燥水分含量转换点为60%?70%，所述中期干燥步骤S3中的干燥水分含量转换点为35%?45%，所述中后期干燥步骤S4中的干燥水分含量转换点为15%?25%，所述后期干燥步骤S5中的所述物料的最终水分含量小于或等于8%。其中干燥水分含量转换点可以根据控制干燥时间，每隔一段时间检测物料的质量变化，根据质量变化计算物料的水分含量，达到各干燥段的水分含量转换点时，调整干燥参数进入下一干燥阶段。
[0054]下面以胡萝卜原料为例，进行本发明的干燥方法的进一步详细说明。将胡萝卜清洗干净、磨掉表皮，去除泥土、死皮、小草等杂质；剥掉胡萝卜的不良品，去除稻草、金属、毛发等异物，再次用水先净泥沙及杂质；将胡萝卜切成6X6mm的块状，将切好的胡萝卜块进行漂烫冷却，漂烫温度95-100°C，漂烫时间8min，以烫透为准，但不可烫得软烂，快速冷却，并浙去胡萝卜丁的表面水分。分段干燥过程为:(I)干燥初期:设定振动频率45?50Hz，优选振动频率45Hz、干燥温度70°C，开启2组电加热管，处理时间30min，水分含量转换点为65.32%。(2)干燥中期:设定振动频率40?45Hz，干燥温度70°C，微波功率为18W/g，优选振动频率40Hz开启I组电加热管，处理时间20min，水分含量转换点为42.53%。(3)干燥中后期:设定振动频率35?40Hz，干燥温度50°C，微波功率为15W/g，优选振动频率40Hz，开启I组电加热管，处理时间15min，水分含量转换点为16.41%。(4)干燥后期:设定振动频率35?40Hz，干燥温度40°C，微波功率为10W/g，优选振动频率35Hz，处理时间7min，即为干燥终点。干燥后的脱水胡萝卜水分含量为7.2%，胡萝卜颗粒之间的水分含量差异在1.4%之内，未产生焦糊、变色等缺陷，能保持胡萝卜原有色泽、气味和滋味的干燥制品合格率达到 88.35%。
[0055]本发明在干燥过程中由机械振动帮助物料流化，采用振动电机52带动物料均匀振动，替代目前采用的带式或平面旋转方式改变物料在微波场中的二维运动情况，保证物料在微波场内处于流态化状态，采用热能和微波能两种能源，根据物料的微波流态化干燥特性，细分物料干燥过程，匹配各干燥段的振动频率、风速和微波功率，保证流场与微波场的协同作用对物料干燥的调节控制最优化，降低无效能耗的损失，提高干燥效率，并使处于流态化状态的物料所吸收的热能和微波能更为均匀。由振动电机52产生激振力使机器振动，物料在给定方向的激振力作用下跳跃，获得均匀的流化状态，无死空隙和吹穿现象，有利于边界层湍流，强化传热传质，热交换充分，干燥强度高，从而达到理想的干燥效果。同时，采用多个微波管同时馈入微波能，每个微波源通过各自的馈能装置把微波能输入到干燥室内，避免干燥室馈入口的功率密度较高，分析不同配置微波管的微波场分布，建立微波场的三维模型，优化选择微波管馈入口的位置，使激励场取不相干的极化方向，微波场反射叠加，把微波源相互耦合减至最小，提高微波场的均匀性。
[0056]当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种农产品干燥装置，包括机架及安装在所述机架上的微波干燥机构、热能干燥机构和物料托盘，所述物料托盘相对于所述微波干燥机构和热能干燥机构设置，其特征在于，还包括用于使物料在干燥过程中呈均匀流态化状态的振动机构，所述振动机构包括振动机架、振动电机和弹性减震件，所述振动机架通过所述弹性减震件安装在所述机架上，所述振动电机与所述振动机架连接，所述物料托盘安装在所述振动机架上，所述热能干燥机构设置在所述物料托盘下方，所述微波干燥机构分别对应于所述物料的干燥中期、干燥中后期及干燥后期设置有第一微波功率、第二微波功率和第三微波功率，所述热能干燥机构分别对应于所述物料的干燥初期、干燥中期、干燥中后期及干燥后期设置有第一干燥温度、第二干燥温度、第三干燥温度和第四干燥温度，所述振动电机分别对应于所述物料的干燥初期、干燥中期、干燥中后期及干燥后期设置有第一振动频率、第二振动频率、第三振动频率和第四振动频率。
2.如权利要求1所述的农产品干燥装置，其特征在于，所述微波干燥机构包括微波干燥室、微波源和安装在所述微波干燥室顶端的多个磁控管，所述多个磁控管分别与所述微波源连接，所述物料托盘设置在所述微波干燥室内。
3.如权利要求2所述的农产品干燥装置，其特征在于，还设置有引风机构，所述引风机构包括引风机和引风通道，所述引风机安装在所述机架的顶端，所述引风通道的一端与所述微波干燥室连通，所述引风通道的另一端与所述引风机连接。
4.如权利要求3所述的农产品干燥装置，其特征在于，所述热能干燥机构包括电源和电加热管组，所述电加热管组与所述电源连接并通过一支架安装在所述机架上，所述电加热管组设置在所述物料托盘的下方。
5.如权利要求1、2、3或4所述的农产品干燥装置，其特征在于，所述第一微波功率为15~30W/g，所述第二微波功率为8~20W/g，所述第三微波功率为5~15W/g。
6.如权利要求5所述的农产品干燥装置，其特征在于，所述第一干燥温度和所述第二干燥温度为小于或等于75°C，所述第三干燥温度为小于或等于60°C，所述第四干燥温度为小于或等于45°C。
7.如权利要求6所述的农产品干燥装置，其特征在于，所述第一振动频率为35~50Hz，所述第二振动频率为30~45Hz，所述第三振动频率和所述第四振动频率为25~40Hz。
8.一种农产品干燥方法，其特征在于，采用微波干燥机构的微波能和热能干燥机构的热能分段干燥，并采用振动机构以使物料在干燥过程中呈均匀流态化状态，所述微波干燥机构分别设置第一微波功率、第二微波功率和第三微波功率，所述热能干燥机构分别设置第一干燥温度、第二干燥温度、第三干燥温度和第四干燥温度，所述振动机构的振动电机分别设置第一振动频率、第二振动频率、第三振动频率和第四振动频率。
9.如权利要求8所述的农产品干燥方法，其特征在于，包括如下步骤: 预处理步骤，对所述物料进行拣选、清洗、去皮、切块，进行漂烫或浸泡护色； 初期干燥步骤，调节所述振动机构的振动频率为所述第一振动频率，调节所述热能干燥机构的干燥温度为第一干燥温度，以除去所述物料中的部分自由水分并降低物料的水分含量; 中期干燥步骤，调节所述振动机构的振动频率为第二振动频率，调节所述热能干燥机构的干燥温度为第二干燥温度，调节所述微波干燥机构的微波功率为第一微波功率，进行物料内部水分干燥并去除迁移到物料表面的水分； 中后期干燥步骤，调节所述振动机构的振动频率为第三振动频率，调节所述热能干燥机构的干燥温度为第三干燥温度，调节所述微波干燥机构的微波功率为第二微波功率，进行物料内部水分干燥并去除迁移到物料表面的水分； 后期干燥步骤，调节所述振动机构的振动频率为第四振动频率，调节所述热能干燥机构的干燥温度为第四干燥温度，调节所述微波干燥机构的微波功率为第三微波功率，以除去所述物料剩余水分并防止干燥制品的色泽变化、糊化和品质裂化。
10.如权利要求9所述的农产品干燥方法，其特征在于，所述初期干燥步骤中的干燥水分含量转换点为60%~70%，所述中期干燥步骤中的干燥水分含量转换点为35%~45%，所述中后期干燥步骤中的干燥水分含量转换点为15%~25%，所述后期干燥步骤中的所述物料的最终水分含量小 于或等于8%。
【文档编号】F26B3/347GK103808109SQ201210447018
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月9日 优先权日:2012年11月9日
【发明者】李树君, 韩清华, 马季威, 杨炳南, 李仪凡, 赵东林 申请人:中国农业机械化科学研究院, 中国包装和食品机械总公司