超声耦合热风干燥含湿多孔物料及强化干燥机理

针对传统热风干燥存在传热传质效率低、能耗高、产品质量低的问题，提出将气介式功率超声耦合于热风干燥中，利用超声的作用效应实现对热风干燥过程的强化。课题将测量超声在热风干燥体系中的声学参数值，研究其在不同干燥工况下的变化规律；进行超声耦合热风干燥和单一热风干燥方式下含湿多孔物料干燥动力学对比试验，分析超声耦合热风干燥技术在提高干燥效率、节能和改善产品品质方面的作用；探索在密闭环境中超声对物料湿分扩散系数和热导率的影响，研究超声产生的作用效应对传热传质的影响；运用能量守恒定律和质量守恒定律，建立超声耦合热风干燥含湿多孔介质的传热传质模型，并结合场协同强化传热传质理论，揭示超声强化热风干燥传热传质机理。. 本项目对于实现国家节能降耗中长期战略目标具有基础研究意义，为推动干燥领域向高效、节能和提高产品质量方向发展提供新方法，其研究成果将为开发先进节能型干燥设备提供科学依据。

针对传统热风干燥存在传热传质效率低和能耗高等问题，提出将功率超声耦合于热风干燥中，实现对干燥过程的强化。试验设计并开发了功率超声耦合热风干燥设备，测量了超声在热风干燥体系中的声学参数，利用该设备进行了含湿物料的干燥试验，考察了各因素的影响，并建立了相关数学模型，分析了干燥物料的品质变化，探讨了超声对物料热物性参数和干燥物料中水分状态的影响，研究了在热风干燥过程中超声的作用机制。. 试验研制的超声耦合热风干燥设备，由风量调节板、电加热管、风机、干燥室、超声波发生器、换能器、振动圆盘等组成。该设备具有自动搜索频率和使用方便等优点。试验发现，声速随热风干燥温度的升高逐渐增大，声阻抗随热风干燥温度的升高而减小，声强和声功率在空气中衰减比水中明显要快。声强与声功率衰减及弹性模量随热风温度的升高而增大。. 试验考察了超声功率、辐射圆盘距物料间距、风速、温度对胡萝卜片干燥效果的影响，并利用Page方程对干燥过程进行了拟合。结果表明，随超声功率增大和辐照距离减小，胡萝卜片的干燥速率增大；在较低风速和温度下，超声强化热风干燥的效果更明显，尤其在由内扩散控制阶段。当在热风干燥中附加超声后，胡萝卜片干燥所需时间较未加超声前的缩短了37.5%。所建的数学模型能较好地拟合试验数值。胡萝卜片感官品质分析发现，超声耦合热风干燥胡萝卜在复水性方面要明显优于热风干燥的，而在收缩系数、色泽和感官特性方面无明显区别。香菇片干燥试验表明，随厚度和装载量增加，超声强化热风干燥效果越明显。当在热风干燥中附加超声后，香菇片干燥时间缩短至未加超声前的50%，蒸发每千克水节约能耗约22％。. 对于两种不同干燥方法，胡萝卜导温系数和热导率均随着含水率降低呈线性减小趋势。但在相同干基含水率下，超声耦合热风干燥所得胡萝卜片比热风干燥的导温系数和热导率要高，并随超声功率增加，这种差异更加显著。在热风干燥中附加超声后，物料干基最终含水率明显下降，且随超声功率的增大，下降越明显。说明超声能够改变干燥物料的最终平衡含水率，所得胡萝卜干片的水分活度值低于热风干燥的样品。超声在热风干燥中不能产生空化效应，超声所产生的热效应对强化干燥过程贡献很小，超声强化热风干燥的机制主要归因于超声的机械波动效应，所引起的质点最大加速度比液体中大一个数量级，以及高频率的质点振动，均有效强化了含湿物料中水分的内扩散过程。