微波和高频干燥
概述
本世纪前叶，随着无线电工程技术的发展，科学家们开始使用无线电频率(理论上，其频率范围为104-3×1012Hz)进行金属热处理，以及加热干燥食品、木材、纸、纺织品等(见图18-1)，从而产生了一种非常规的干燥技术介电干燥。即在高频率的电磁场作用下；物料吸收电磁能量，在内部转化为热用于蒸发湿分(主要水分)，而普通干燥方法(对流、传导、红外辐射)蒸发水分所需的热量通 过物料的外表面向内部传递。一般地，用于加热和干燥的无线电频率分为两个 范围，即f1100MH(高频，RF)和300MH，300GH(微波，MV)。在这里，实际上将
理论意义上的"高频"(HF，3-30MHz)和"超高频"(VHF，30-300MHz)合称为高频(RF)。
挂链3介电加热干燥的特点
3.1介电加热的特点
(1)加热速度快普通加热方法采用热空气、燃气、蒸汽(或过热蒸汽)等对物料进行加热，通过物料内外的温度梯度传递热量，因此加热速度慢。采用介电 加热，电磁场与物料的整体发生作用，在物体内迅速地产生热效应，加热速度
很快，通常在几秒钟内便可完成加热过程。如对于塑料丝，加热速度可以达到30000℃/s，塑料丝被加热100℃左右，大约只需3ms【2】。该加热方法的控制参数与物料的质量、比热容、介电参数和几何形状、热损耗机理。能量耦合效率、物料中产生的功率以及介电加热系数的输出功率有关。
(2)均匀加热尽管介电加热并不总是能够保证加热均匀，但通常情况下，其体积热效应将导致均匀加热，避免了普通加热系统中出现大的温度梯度。
(3)有效利用能量电磁能直接与物料耦合，不需要加热空气、器壁及输送设备等，而且加热室为由金属制造的密封空腔，它们反射电磁波，使之不向外泄漏，而只能被物料吸收。
(4)过程控制迅速能量的输出可通过开或关闭发生器的电源而实现，操作便利；而且加热强度可通过控制功率的输出而实现。
(5)选择性加热一般地，电磁场只与物料中的溶剂而不与基质耦合。因此，湿分被加热、排出，而湿分的载体(基质)则主要是通过传导给热。但应注意热击穿现象的发生，因为温度提高，物料吸收微波的能力也相应提高。
手压式旋转拖把(6)有助于产品质量的提高因为表面温度不会变得很高，所以物料表面过热和结壳现象很少发生。从而
降低了产品不合格率。对食品、药品加热干燥时，电磁波的生物效应能在较低温度下杀死细菌。热效率高、受热时间短，从而使产品的、香、味、维生素等不致受到破坏。
(7)产生所希望的物化效应许多化学、物理反应是通过介电加热的方法促进的，可导致膨化、干燥、蛋白质变性、淀粉胶化等。
(8)占地面积小。
(9)避免环境高温，改善劳动条件。
3.2介电干燥的特点
介电干燥机理与普通干燥有很大差别(如图18-12)。普通干燥时水分开始从表面蒸发，内部的水分慢慢扩散至表面，加热的推动力是温度梯度通常需要很高的外部温度来形成所需的温度差(能量由外部传递到物料内部)，传质的推动力是物料内部和表面之间的浓度梯度。羟基磷酸钙
介电干燥的优点是:
--能量的有效利用;
modbus网关模块--无破坏性在较低的环境温度下进行干燥，不需要高的表面温度，物料的温度分布较低
--其他挥发性物质迁移量少溶剂经常以汽态形式排出，不会使其他物质传递至表
--均匀作用能量倾向于施加在湿润区;
--干燥迅速干燥时间可缩短50%或更多;
--干燥均匀形成更加均匀的温度场和湿分分布;
--系统占地面积少，减少操作步骤:
--产品质量改善避免表面硬化(结壳)内应力和其他质量问题。对于介电干
燥系统，令人最感兴趣的是其节能潜力须注意的是，此种系统虽然可以迅速地
加热，但是加热速度太快可能是有害的，即可能使物料焦化、燃烧，或由于蒸
汽不能相应地逸出，导致物料内部压力骤增而使被干燥物料撕裂或爆裂。
介电加热干燥系统，特别是微波干燥系统，经常与热空气联合，这样可提
高干燥过程的效率和经济性这是因为热空气能有效地排除物料表面的自由水分，而介电加热独特的泵
效应提供了排除内部自由水分和结合水分的有效方法。这样，就有可能发挥其各自的优点并使干燥成本下降。
微波和高频干燥与普通干燥方法联合有3种方式(如图18-13所示)
(1)预热将微波能或高频场能引入干燥器，物料内部的湿分被加热到蒸发温度，并立即将湿分排出物料表面。随之，使用普通干燥器在最适宜的条件下操作，干燥时间缩短(如图18-14)。
(2)增速干燥当干燥速度进入降速度段时将微波能或高频场能加入普通干燥器。此时物料表面是干的，湿分积聚在中心。加入的电磁能使物料内部产生热
量和蒸汽压，把湿分驱至表面并迅速被排除。干燥速度迅速提高，每加入一单
位电磁能使干燥能力以6:1或8:1倍增加。这对于厚的难以加热干燥的热料是
最有效的。
(3)终端干燥普通干燥系统在接近干燥终止时效率最低，也许有2/3的干燥时间花费在排除最后的1/3水分上。在普通干燥器的出口处加一个微波或高频
干燥器，由于内部产生热，这可改变热空气干燥的低效率，提高了普通干燥器
的处理量。这种方法可以精确控铜最终湿含量，避免物料干燥过度。
4介电干燥动力学及数学模型潜流湿地
4.1介电干燥动力学
干燥动力学是研究在于燥过程中，物料湿含量、温度随时间的变化规律。
通过干燥动力学特性，我们便可确定水分蒸发量、能量消耗、干燥时间等参数。对于介电干燥，物料内部的水分很快达到其沸点，从而在物料中发生高强度蒸发，物料的质构将阻碍水分的流动，从而在物料内部形成压力梯度，这是干燥
时质量传递的主要推动力。物料与电磁能耦合产生热量，在物料内部形成正的
温度梯度，从而促使水分以液态、汽态或分子流的形式向物料表面移动。毛细
管多孔介质在高强度介电加热条件下，内部水分沸腾，提高了内部水汽的压力，从而将液态水喷出表面(图18-15)--由不连续的气相和汽压所致的液体流动。
渗透性差的物料(如新鲜木材)将出现内部开裂或压力导致的其他破坏。
在非吸湿性物料中，自由水分存在于多孔物料的空隙间，处于汽压平衡状态，由Oapeyron方程确定；结合水分其汽压低于平衡蒸汽压由热动力学确定。
事实上，结合水分以种不同形式存在于多孔介质中，介电加热对不同形式的水
分有不同的作用。
在高频率的电磁场中，结合水与自由水分的激励响应情况不同，主要区别于:
(1)某一湿含量下，物理、化学结合方式对水分的旋转和电子响应有影响。这样，介电常数和损耗因子的值比含有自由水分的物料低，并随结合水含量提高，也逐步升高，如图18-6所示。这说明强吸湿性物料比非吸湿性物料不易于实现介电调平(使湿分分布均衡)。
(2)在许多情况下电磁能直接与吸附的水分耦合，不影响固相，改变了从对流加热条件下观察到的吸附和扩散特性。Gibson等人增塑PVC中移去低浓度(10-3)的环氧乙烷(EO)的实验发现，在物料处于相同的温度下，微波干燥使挥
发性物质的扩散系数增加l倍与普通干燥相比)，(EO的活化能明显下降)。对
含有机械结合水、细胞结合水的物料的介电干燥已经广泛地进行研究。尤其对
于木材、纸和食品的干燥。Morrow将山毛榉试样放置于80MH的高频电场中，
从湿含量85%(db)干燥剂8qo(如图18-16所示)。介电损耗因子逐渐下降直至湿
定向扬声器含量达到20%0在20%以下，损耗因子相当低，几乎不发生变化，如图18-10所示。即说明湿含量高于20%时为细胞或机械结合水分，低于20qo为物理吸附水分。初始加热，物料达到沸点，在干燥至20%时温度又开始上升，且口开始降
速干燥。此后，输入的电磁能大多数变为固体的显热(即蒸发的冷却效应小)，
蒸汽通过细胞膜和孔隙的解吸和扩散活动产生波动。
对化学结合水分，束缚力远远大于电磁场作用下的偶极子力，这种水分对
微波或高频响应不显著。实际上，这个特点可用于含水物料的自我抑制干燥，
参见图18-17。
某些情况下，介电干燥可以完全地改变物料中湿分的分布，、这是因为物
料介电参数和物化参数(如扩散系数)是温度和湿含量的函数，从而会发现物料
内部的湿含量和温度的分布近似为一条平直的直线。
一般地，介电干燥过程可划分为4个阶段(如图18-18所示)
(1)预热段湿物料的温度提高到湿分的沸点，这一阶段没有水分散失，物料内部的汽压可视为与外部大气压相等。
(2)压力升高阶段水蒸气受物料内部传质阻力的影响，逐渐升高，直至达到最大值，蒸汽向表面流动。吸收输入的功率后，内部汽压
(3)恒速干燥阶段(输入功率为定值时)水蒸气流动速度受内部传质阻力和所吸收功率的影响。
(4)降速干燥阶段湿含量的减少导致吸收功率的减少以及传质推动力的下降。如果在低湿含量下，于物料是主要的能量吸收者，那么物料的温度会升高。
上面所述只是一种理想的状态，只在特殊的条件(如湿含量很高的毛细管多孔介质在功率密度足够的条件下)。干燥动力学也受到如下因素的制约:
--提供蒸发潜热的热源(介电干燥或介电干燥与热/冷空气组合干燥)
--湿物料的吸湿特性(非吸湿、部分吸湿或强吸湿物料).
--物料的结构和热质传递阻力(内部传递阻力能否忽略或较为显著).
