一种节能高效的果蔬脱水干燥设备及干燥方法

1.本发明属于果蔬干燥技术领域，具体涉及一种节能高效的果蔬脱水干燥设备及干燥方法。


背景技术：

2.真空冷冻干燥最大程度的保留了产品的颜色、风味、营养和质构特性，其产品品质被认为是所有干燥技术中最高的。然而冷冻干燥是一个非常耗时和耗能的过程，它的生产力小和成本高限制了其在工业上的广泛应用。为了改善以上问题，通过引入微波技术来辅助冻干干燥。微波冷冻干燥技术是在冻干基础上，使用微波发生器代替传统加热板，向冻结态物料提供升华潜热，从而脱水干燥。微波作用于物体主要通过偶极驰豫和离子传导两种机制，但是，该技术的应用还存在一些问题，均匀性较差是最大的挑战。干燥腔内微波场分布的差异会导致物料加热不均匀，产品边缘和尖角易过热焦糊。若冰晶融化，冰和水的巨大介电吸收差异会导致微波能集中在融化位点被吸收。如果输入的微波能量远超过场内物料可以容纳吸收、利用转化的限度，过剩的电磁波会在干燥腔内震荡形成“回波”。干燥末期，水分含量低，微波利用能力低，若输入功率控制不当，也会导致产品焦糊。此外，低压辉光放电现象也使微波冷冻干燥机的设计和构造具有挑战性，需要在设计时就模拟出电场的强度分布情况，并采用多模式的谐振腔，防止因设计错误而导致的不良影响。
3.冷冻干燥，非常耗时和耗能的过程，它的生产力小和成本高限制了其在工业上的广泛应用；微波场分布的差异会导致物料加热不均匀，产品边缘和尖角易过热焦糊。脉冲喷动微波联合冷冻干燥是目前最接近的技术，脉冲喷动是利用气流搅拌物料，达到均匀加热的目的。气流所需的能耗较高，并且由于冷冻干燥需要真空环境，经历喷动操作后，干燥腔回复压力需要较长时间；气流喷动处理物料的量较少，无法达到大量生产的目的。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种节能高效的果蔬脱水干燥设备，通过对干燥设备进行改进，加入微波连同转动实现均匀干燥，同时提高了干燥速率，节省了能源；同时提供了利用上述设备进行果蔬干燥的工艺方法，通过间歇式的搅拌方式，实现微波冷冻均匀加热，保证产品的质量。
5.一种节能高效的果蔬脱水干燥设备，物料桶6置于微波加热腔9内，连接有可调速电动机2、光纤传感器，桶壁上有供气体出入的微孔8，侧壁设有舱门7；微波加热腔9置于箱体3内，上有微波发生器5，连接控温冷阱箱10；控温冷阱箱10连接有真空泵1、冷冻单元13；光纤传感器、控温冷阱箱10、微波发生器5、真空泵1、电动机2通过控制面板4调控干燥过程。
6.优选地，控制面板安装在箱体3上。
7.优选地，所述物料桶内部有搅拌挡板。
8.上述干燥设备进行果蔬脱水干燥方法，具体过程为：（1）打开舱门7，装入待干燥的果蔬；
（2）预干燥阶段：微波不启动，打开控温冷阱箱，物料温度升温至-25
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18℃，时间0-0.5 h；（3）初始阶段：微波功率600-700w，物料温度升温至-18
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12℃，时间0-1.5 h；（4）第三阶段：微波功率1200-1400w，物料温度升温至10-15℃，时间0-3.5h；（5）第四阶段：微波功率600-700w，物料温度升温至20-30℃，时间0-1.0 h；（6）干燥末期：微波功率300-450w，物料温度升温至40-50℃，时间0-1.0 h；（7）打开舱门7，出料；上述干燥过程中物料桶转动时间间隔为20-30 min，转动时间2-5min。
9.本发明根据干燥过程中水分存在的状态及形式，根据物料特性，采用多阶段变功率微波；确保干燥的能耗的同时，保证产品的质量。在预干燥阶段，物料表面水分的状态为冰，此时微波起不到作用；在初始阶段，表面的冰脱出，采用低功率微波处理；在第三阶段，物料介电常数和损耗因子较高，物料与电磁场耦合效果较好，水分含量显著降低，干燥速率呈现先上升后下降趋势，这与介电特性的变化有关，此时微波频率最强，效果最突出；第四阶段，物料中仅含少量结合水，电常数和损耗因子较低，与微波电磁场耦合效果较差，水分缓慢拖出，进入低速干燥阶段，微波功率降低，减少能耗；干燥末期，采用较小的微波功率，得到含水率合格的，不焦糊的产品。
10.本发明的有益效果根据物料本身的特性，结合干燥过程，采用设计的果蔬脱水干燥设备，通过微波功率的调控，再结合冷阱真空泵实现微波与冷冻干燥的结合，保证干燥速率和节能的效果。转动联合微波冷冻干燥过程可有效避免辉光放电，且有利于提高干燥均匀性；与普通干燥相比，缩短30%—60%干燥时间，能耗减少约35%—40%。
附图说明
11.图1为干燥设备的示意图；1为真空泵；2为可调速电动机；3为箱体；4为控制面板；5为微波发生器；6为物料桶；7为舱门；8为微孔；9为微波加热腔；10为控温冷阱箱；图2为物料桶的示意图。
具体实施方式
12.实施例1一种节能高效的果蔬脱水干燥设备，物料桶6置于微波加热腔9内，桶壁上有供气体出入的微孔8，侧壁设有舱门7；物料桶6连接有可调速电动机2、光纤传感器；微波加热腔7置于箱体3内，上有微波发生器5，连接控温冷阱箱10；控温冷阱箱10连接有真空泵1、冷冻单元13；光纤传感器、控温冷阱箱10、微波发生器5、真空泵1、电动机2通过控制面板4调控干燥过程；控制面板安装在箱体3上；物料桶内部有搅拌挡板。
13.本发明的干燥设备具体使用方法，打开物料桶6的舱门7，然后装入待干燥的物料，打开控温冷阱箱10，根据物料特性调控控制面板4；调整物料桶的转动间隔时间及转动时间、打开或关闭冷阱；根据物料桶的数据调整冷阱电动机的频率。
14.实施例2转动协同多阶段变功率微波冷冻干燥过程干燥山药粒打开物料桶6的舱门7，然后装入山药粒；
物料桶转动间隔 20 min，转动时间2 min预干燥阶段0—0.5h：打开控温冷阱箱，微波不启动，环境温度对物料的热传导促使生化一部分表面冰晶，物料温度上升至-25℃。
15.初始阶段0.5—2.0h：保持控温冷阱箱打开，微波功率600w，微波加载功率较低，水分被逐渐脱除，伴随物料温度缓慢上升至-18℃；第三阶段2.0—5.5h：保持控温冷阱箱打开，微波功率1200w，微波加载功率最高阶段，此阶段物料介电常数和损耗因子较高，物料与电磁场耦合效果较好，水分含量显著降低，干燥速率呈现先上升后下降趋势，这与介电特性的变化有关。同时，伴随物料温度逐渐上升至10℃。
16.第四阶段5.0—6.0h：保持控温冷阱箱打开，微波功率600w，物料中仅含少量结合水，介电常数和损耗因子较低，与微波电磁场耦合效果较差，水分缓慢拖出，进入低速干燥阶段，物料温度快速升高至20℃。
17.干燥末期6.0—7.0 h：保持控温冷阱箱打开，微波功率300w，采用较小微波功率，防止物料出现焦糊等现象，与第四阶段相似，物料温度升高至40℃。
18.实施例3转动协同多阶段变功率微波冷冻干燥过程干燥大蒜打开物料桶6的舱门7，然后装入大蒜；物料桶转动间隔 30 min，转动时间3min预干燥阶段0—0.5h：打开控温冷阱箱，微波不启动，环境温度对物料的热传导促使生化一部分表面冰晶，物料温度上升至-20℃。
19.初始阶段0.5—1.5h：保持控温冷阱箱打开，微波功率650w，微波加载功率较低，水分被逐渐脱除，伴随物料温度缓慢上升至-15℃第三阶段1.5—4.5h：保持控温冷阱箱打开，微波功率1300w，微波加载功率最高阶段，此阶段物料介电常数和损耗因子较高，物料与电磁场耦合效果较好，水分含量显著降低，干燥速率呈现先上升后下降趋势，这与介电特性的变化有关。同时，伴随物料温度逐渐上升至13℃。
20.第四阶段4.5—5.5h：保持控温冷阱箱打开，微波功率650w，物料中仅含少量结合水，介电常数和损耗因子较低，与微波电磁场耦合效果较差，水分缓慢拖出，进入低速干燥阶段，物料温度快速升高至25℃。
21.干燥末期5.5—6.5 h：保持控温冷阱箱打开，微波功率390w，采用较小微波功率，防止物料出现焦糊等现象，与第四阶段相似，物料温度升高至45℃。
22.实施例4转动协同多阶段变功率微波冷冻干燥过程干燥草莓打开物料桶6的舱门7，然后装入草莓；物料桶转动间隔 20 min，转动时间5min预干燥阶段0—0.5h：打开控温冷阱箱，微波不启动，环境温度对物料的热传导促使生化一部分表面冰晶，物料温度上升至-18℃。
23.初始阶段0.5—2.0h：保持控温冷阱箱打开，微波功率700w，微波加载功率较低，水分被逐渐脱除，伴随物料温度缓慢上升至-12℃第三阶段2.0—5.5h：保持控温冷阱箱打开，微波功率1400w，微波加载功率最高阶段，此阶段物料介电常数和损耗因子较高，物料与电磁场耦合效果较好，水分含量显著降
低，干燥速率呈现先上升后下降趋势，这与介电特性的变化有关。同时，伴随物料温度逐渐上升至15℃。
24.第四阶段5.0—6.0h：保持控温冷阱箱打开，微波功率700w，物料中仅含少量结合水，介电常数和损耗因子较低，与微波电磁场耦合效果较差，水分缓慢拖出，进入低速干燥阶段，物料温度快速升高至30℃。
25.干燥末期6.0—7.0 h：保持控温冷阱箱打开，微波功率450w，采用较小微波功率，防止物料出现焦糊等现象，与第四阶段相似，物料温度升高至50℃。
26.实施效果例采用实施例2-4进行转动协同多阶段变功率微波冷冻干燥过程干燥（协同干燥）、单纯冷冻干燥（不加入微波，单纯冷冻干燥，其余同本技术的实施例）。
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