CN219981980U - 一种基于熔融相变温度的微波干燥设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于干燥设备技术领域，具体涉及一种基于熔融相变温度的微波干燥设备。所述设备包括微波加热、物料承载、监控计算和除湿除尘系统；微波加热系统包括磁控管、微波反射器和内胆等，内胆内部空间为谐振腔；物料承载系统包括电机、传动轴和载物台，可使物料低速旋转，保证了干燥的均匀性；监控计算系统包括中央控制器、红外温度传感器和近红外水分传感器，可使物料始终处于最适干燥温度，保证了干燥质量和干燥速率；除湿除尘系统包括除湿机、除尘器、湿度计、排气管和排水管，可使空气循环利用，保证了干燥的清洁无污染。本实用新型干燥质量佳、干燥效率高、终点控制精准、生产清洁无污染，在水产品干燥中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型属于干燥设备技术领域，具体涉及一种基于熔融相变温度的微波干燥设备。
背景技术
水产品季节性和地域性强，常温下易腐败变质，须在捕捞后进行及时有效的贮藏和加工。干燥是一种重要而常见的水产品加工方式，能够延长存储时间、便于运输和进一步加工，同时赋予水产品特殊的风味。
微波干燥是一种以高频电磁场为热源的由内及外的脱水方式，具有较强的穿透性和只对极性分子加热的选择性，同时具有加热速率快、热能效率高、产品质量佳、反应灵敏、生产清洁、易实现自动化控制等优点。近年来，微波技术被越来越多地应用于农产品(粮油、果蔬、茶叶、食用菌等)和中药材的脱水加工，但在水分含量高、热稳定性差、个体差异大的水产品中鲜有应用。
水产品的热转变是一个复杂的动力学过程，包括微晶结构的熔融和各级结构的逐级分解，但只要干燥温度不高于熔融相变温度(微晶结构熔融时的初始温度)，即可获得较高的干燥品质。该熔融相变温度与物料水分含量密切相关，水分含量越低，熔融相变温度越高。因此，在水产品干燥过程中随着水分含量的降低可以逐步提高干燥温度，从而提高干燥效率和干燥质量。
然而，现有微波干燥设备只能设定某一恒定功率，缺少物料温度和水分的在线监控功能，在干燥过程中无法根据物料水分变化实时调节干燥温度。在干燥初期，物料水分含量高，比热容量大，导致物料升温速度慢，干燥速率低；在干燥中期，物料持续升温，导致物料发生熔融相变，甚至膨化焦糊；在干燥后期，物料水分含量低，微波吸收少，导致物料升温慢，干燥速率低，从而影响了水产品的干燥效率和干燥质量，限制了微波技术在水产品干燥中的应用。
发明内容
本实用新型为了克服现有装备和技术中的缺陷，解决干燥温度精准控制的难题，提供了一种基于熔融相变温度的微波干燥设备。
为了实现以上目的，本实用新型包括以下设备和技术方案：
本实用新型提供一种基于熔融相变温度的微波干燥设备：所述微波干燥设备的工作原理：水分传感器实时监测物料的水分含量，中央控制器基于“水分含量-熔融相变温度”函数关系推算出物料的即时熔融相变温度，进而确定物料的即时最适干燥温度(To)；同时，温度传感器实时监测物料的表面温度，中央控制器基于“表面温度-中心温度”函数关系推算物料的即时中心温度(Ti)；若Ti>To，则中央控制器下调磁控管功率；若Ti＝To，则中央控制器维持磁控管功率；若Ti<To，则中央控制器上调磁控管功率。
所述基于熔融相变温度的微波干燥设备，包括微波加热系统、物料承载系统、监控计算系统和除湿除尘系统；
所述微波加热系统包括磁控管、微波反射器、内胆、侧旋门、视窗、把手和外壳；其中内胆内部空间为谐振腔，外部为外壳；磁控管和微波反射器机械连接，固定于内胆内壁面；谐振腔的一侧设有机械式侧旋门，以便开启谐振腔；在侧旋门表面设有视窗和把手；
所述物料承载系统包括电机、传动轴和载物台；其中电机和载物台通过传动轴机械相连，固定于内胆内的底部；
所述监控计算系统包括中央控制器、温度传感器、水分传感器和电源开关；其中温度传感器和水分传感器平行固定于内胆内顶部；电源开关位于外壳表面，与中央控制器电性相连，用于控制设备的启动及关闭；中央控制器位于外壳表面，其与温度传感器、水分传感器、湿度计、磁控管电性相连；
所述除湿除尘系统包括除湿机、除尘器、湿度计、排气管、排水管和阀门；其中除湿机和除尘器固定于内胆和外壳之间，且均与中央控制器电性相连；排气管将谐振腔、除湿机和除尘器依次串联；排水管与除湿机机械相连，并在排水管上设有阀门；湿度计固定于内胆内顶部，实时监测空气湿度。
优选的，谐振腔的长、宽、高的比例为3:3:2.0～2.2。
优选的，所述载物台为网筛圆盘，孔径为0.2～2cm，内径为谐振腔长度的80～90％。
优选的，温度传感器为红外温度传感器，水分传感器为近红外水分传感器。
优选的，除尘器为干式静电除尘器。
一种基于熔融相变温度的微波干燥设备在水产品中的应用方法，包括以下步骤：
在载物台上平铺一层水产品，关闭侧旋门；打开电源开关，自动开启中央控制器，通过中央控制器输入水分含量-熔融相变温度、表面温度-中心温度函数关系的参数，设定物料干燥终点水分含量、最适干燥温度、电机转速、空气湿度、磁控管和除湿机初始功率；然后通过中央控制器的控制同时启开温度传感器、水分传感器、湿度计、磁控管、电机、除湿机和除尘器，开始对水产品进行微波干燥；
在干燥过程中，中央控制器基于“水分含量-熔融相变温度”函数关系推算出物料的即时熔融相变温度，进而确定物料的即时最适干燥温度(To)；同时，温度传感器实时监测物料的表面温度，中央控制器基于“表面温度-中心温度”函数关系推算物料的即时中心温度(Ti)；若Ti>To，则中央控制器下调磁控管功率；若Ti＝To，则中央控制器维持磁控管功率；若Ti<To，则中央控制器上调磁控管功率；
湿度计实时监测空气湿度；若空气湿度大于设定湿度，则上调除湿机功率；若空气湿度小于设定湿度，则下调除湿机功率；
水分传感器实时监测物料的水分含量，当水产品的水分含量达到设定终点时，信息反馈至中央控制器，设备自动停止工作，打开侧旋门，即可获得目标干燥产品。
优选的，“水分含量-熔融相变温度”的关系为对数函数，“表面温度-中心温度”的关系为线性函数，最适干燥温度低于熔融相变温度2～5℃。
优选的，电机转速为2～6rpm，空气湿度为30～40％。
优选的，温度传感器和水分传感器通道数均为10～20个/米，其监测长度为载物台直径的一半。
优选的，功率按照物料质量进行设定，每kg物料对应：磁控管(5)的功率为0～600W，除湿机(20)的功率为0～50W，除尘器(17)功率为3～5W。
上述技术方案中所述的水产品包括水生脊椎动物、腔肠动物、软体动物、节肢动物、爬行动物和哺乳动物的肌肉组织。
本实用新型的优点和技术效果是：
(1)干燥质量佳：水产品的水分含量高，热稳定性差，温度过高会导致物料熔融相变、膨化，甚至焦糊，还会导致热敏物质氧化失活。本实用新型能够实时监控物料干燥温度，使干燥温度始终不高于熔融相变温度，保证了干燥质量。
(2)干燥速率高：水产品的熔融相变温度与物料水分含量密切相关，水分含量越低，熔融相变温度越高。本实用新型基于物料水分含量精准调节干燥温度，使干燥温度始终略低于熔融相变温度，缩短了干燥时间，提高了干燥速率。
(3)干燥终点控制精准：水产品的个体差异大，干燥终点难以精准控制。本实用新型可以实时监控物料水分含量，当水分含量达到干燥要求时，中央控制器即时关闭微波加热系统，实现了物料水分含量的精准控制。
(4)生产清洁无污染：水产品干燥过程中通常引入大量空气，造成物料的粉尘和微生物污染；同时排出大量腥臭气体，导致大气污染。本实用新型基本实现了空气的循环利用，提高了物料清洁度，降低了废气排放量，减少了环境污染。
附图说明
图1为基于熔融相变温度的微波干燥设备工作原理。
图2为基于熔融相变温度的微波干燥设备正视图(A)、俯视图(B)和3D图(C)。
图3为鱿鱼片的熔融相变温度测定曲线(A)、“水分含量-熔融相变温度”的对数关系曲线(B)和“表面温度-中心温度”的线性关系曲线(C)。
图4为鱿鱼片干燥过程中表面温度(A)、水分含量(B)和干燥速率(C)的动态变化曲线；◆，热风干燥；●，恒定功率的微波干燥；▲，基于熔融相变温度的微波干燥。
图5为干燥鱿鱼片的场发射扫描电镜图；A：热风干燥；B，恒定功率的微波干燥；C，基于熔融相变温度的微波干燥。
附图标记：1-温度传感器，2-水分传感器，3-湿度计，4-微波反射器，5-磁控管，6-把手，7-中央控制器，8-电源开关，9-侧旋门，10-视窗，11-载物台，12-电机，13-传动轴，14-内胆，15-谐振腔，16-外壳，17-除尘器，18-排水管，19-阀门，20-除湿机，21-排气管。
具体实施方式
现详细说明本实用新型的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本实用新型的限制，而应理解为是对本实用新型的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本实用新型中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本实用新型。另外，对于本实用新型中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本实用新型内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本实用新型所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本实用新型仅描述了优选的方法和材料，但是在本实用新型的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本实用新型的范围或精神的情况下，可对本实用新型说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本实用新型的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本实用新型说明书和实施例仅是示例性的。
实施例1：
一种基于熔融相变温度的微波干燥设备，如图2所示，所述前、后、左、右的方位表述，均以图中的视角为准；所述设备包括微波加热系统、物料承载系统、监控计算系统和除湿除尘系统；
微波加热系统包括磁控管5、微波反射器4、内胆14、侧旋门9、视窗10、把手6和外壳16；其中内胆14内部空间为谐振腔15，内胆14外部为外壳16；谐振腔15的尺寸为1.5m(长)×1.5m(宽)×1.0m(高)；磁控管5和微波反射器4机械连接，固定于内胆14内部右侧壁面；谐振腔15的前部为机械式侧旋门9，在侧旋门表面设有视窗10和把手6。
所述物料承载系统包括电机12、传动轴13和载物台11；其中电机12和载物台11通过传动轴13机械相连，固定于内胆14的内部底部；其中载物台11为孔径1cm、内径1.3m的网筛圆盘；
监控计算系统包括中央控制器7、红外温度传感器1、近红外水分传感器2和电源开关8；其中温度传感器1和水分传感器2平行固定于内胆14内的顶部，监测距离均为0.65m，通道数均为10个；电源开关8位于外壳16右侧壁面，与中央控制器7电性相连，用于控制设备的启动及关闭；中央控制器7位于外壳16右侧壁面，其与温度传感器1、水分传感器2、湿度计3、磁控管5电性相连。
其中水分传感器2实时监测物料的水分含量，中央控制器7基于“水分含量-熔融相变温度”函数关系推算出物料的即时熔融相变温度，进而确定物料的即时最适干燥温度(To)；同时，温度传感器1实时监测物料的表面温度，中央控制器7基于“表面温度-中心温度”函数关系推算物料的即时中心温度(Ti)。若Ti>To，则中央控制器7下调磁控管5功率；若Ti＝To，则中央控制器7维持磁控管5功率；若Ti<To，则中央控制器7上调磁控管5功率。
除湿除尘系统包括除湿机20、干式静电除尘器17、湿度计3、排气管21和排水管18；其中除湿机20和除尘器17固定于左侧内胆14和外壳16之间，且均与中央控制器7电性相连；排气管21将谐振腔15、除湿机20和除尘器17依次串联；排水管18与除湿机20机械相连，用以排出除湿机20生成的冷凝水，并在排水管18上还设有阀门19；湿度计3固定于内胆14顶部，实时监测空气湿度：若空气湿度大于设定湿度，则上调除湿机20功率；若空气湿度小于设定湿度，则下调除湿机20功率。
本实用新型实施例1的微波干燥设备加工产品选择为鱿鱼片；同理，可以选择不同水产品的肌肉组织。
具体步骤如下：
将鱿鱼解冻，沿腹腔中线剖开，除去软骨、墨囊、内脏和头部，撕去外膜，清洗干净后沸水蒸煮3分钟，冷却，切成直径3.0cm的圆片。
在网筛圆盘上平铺一层预处理后的鱿鱼片(约3kg)，关闭侧旋门9；打开电源开关8，自动开启中央控制器7，输入“水分含量-熔融相变温度”的对数关系函数(式1)和“表面温度-中心温度”的线性关系函数(式2)。
y ＝ – 25.79ln(x) + 162.50 (1)
其中，x为水分含量，％；y为熔融相变温度，℃。
y ＝ 0.9371x + 5.4248 (2)
其中，x为表面温度，℃；y为中心温度，℃。
通过中央控制器7设定最适干燥温度低于熔融相变温度5℃，干燥终点的水分含量为15％，电机12转速为5rpm，空气湿度为35％，磁控管5功率为1800W，除温机20功率为150W，除尘器17功率为10W；通过中央控制器7的控制同时开启电机12、磁控管5、温度传感器1、水分传感器2、湿度计3、除温机20和除尘器17，开始微波干燥；干燥过程中，通过中央控制器基于“水分含量-熔融相变温度”函数关系推算出物料的即时熔融相变温度，进而确定物料的即时最适干燥温度(To)；同时，温度传感器实时监测物料的表面温度，中央控制器基于“表面温度-中心温度”函数关系推算物料的即时中心温度(Ti)；若Ti>To，则中央控制器下调磁控管功率；若Ti＝To，则中央控制器维持磁控管功率；若Ti<To，则中央控制器上调磁控管功率；
当鱿鱼片水分含量达到设定的干燥终点(15％)时，中央控制器7控制设备自动停止工作，打开侧旋门9，即可获得干燥鱿鱼片约0.7kg。
性能测试
选择实施例1得到的微波干燥设备和干燥鱿鱼片进行后续测试。
测试方法：
(1)样品制备
将鱿鱼解冻，剖开，除去软骨、墨囊、内脏和头部，撕去外膜，洗净后沸水蒸煮3分钟，冷却，切成直径3.0cm的圆片，然后分别进行热风干燥(45℃)、恒定功率(150W/kg物料)的微波干燥和基于熔融相变温度的微波干燥，至最终水分含量为15％。
(2)干燥动态
参照GB/T 5009.3-2016和近红外水分传感器分别测定水分含量，利用差示扫描量热仪(DSC-204F1，德国Netzsch)测定熔融相变温度，通过红外和热电偶温度传感器分别检测表面温度和中心温度。按式(3)和式(4)分别计算含水率(X)和干燥速率(RS)。
X (％) ＝ (mt – mg)/m0 × 100 (3)
RS (％) ＝ (X2 – X1)/(t2 – t1) × 100 (4)
其中，mt为t时刻的物料质量，g；mg为干燥至恒重时的物料质量，g；m0为物料的初始质量，g；X2–X1为相邻时刻物料含水率的差值，g；t2–t1为时间间隔，min。
(3)理化分析
按照GB/T 5009.6-2016、GB 5009.227-2016和GB 5009.228-2016，分别测定脂肪、过氧化值和挥发性盐基氮，利用色差仪(UltraScan PRO，美国Hunter Lab)测定色度，通过场发射扫描电子显微镜(JSM-IT200，日本JEOL)观测微观结构，利用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用仪(TQ8040、日本Shimadzu)检测挥发性合化物；通过干燥前后样品的体积计算收缩率；将样品置于25℃蒸馏水中浸泡12h，通过浸泡前后的样品质量计算复水比。
(4)感官评价
筛选25名经验型评价员，以热风干燥鱿鱼片为对照样进行差异程度检验(DOD)；选择42名消费者型评价员，在实验室场所进行偏爱排序检验(PRT)；最后选择10名训练型评价员进行定量描述检验(十分制)。
(5)统计分析
数据以平均值±标准差表示，统计分析利用一维方差分析(ANOVA)，多重比较采用最小显著差数法(LSD)，P<0.05被认为存在显著差异。
测试结果
(1)函数关系
如图3A所示，通过差示扫描量热仪测得鱿鱼片(水分含量64.2％)的熔融相变温度为55.2℃；同理，可以测得不同水分含量鱿鱼片的熔融相变温度，并拟合得到鱿鱼片“水分含量-熔融相变温度”的对数函数关系(图3B)。通过测定不同水分含量鱿鱼片的表面温度和中心温度，可以拟合得到鱿鱼片“表面温度-中心温度”的线性函数关系(图3C)。
(2)干燥动态
热风干燥鱿鱼片的表面温度15min后即稳定保持在45.0℃左右，直至干燥终点；恒定功率的微波干燥鱿鱼片表面温度呈缓慢上升的趋势，在干燥终点升至66.1℃；基于熔融相变温度的微波干燥鱿鱼片快速升温到45.8℃，而后逐渐提高至90.7℃(图4A)。热风干燥、恒定功率和基于熔融相变温度的微波干燥鱿鱼片水分含量均随时间逐渐下降，分别在720min、235min和150min到达干燥终点，基于熔融相变温度比恒定功率的微波干燥时间缩短了36.2％(图4B)；干燥速率均呈先上升后下降的趋势，均未出现恒定干燥阶段，分别在第40min、85min和50min达到峰值(图4C)，并且微波的最大干燥速率明显高于热风干燥。
(3)理化品质
三种方式干燥鱿鱼片的水分和脂肪含量无显著性差异(表1)；两种微波干燥鱿鱼片的L*、a*和b*值均显著高于热风干燥，而挥发性盐基氮和过氧化值均显著低于热风干燥；基于熔融相变温度的微波干燥鱿鱼片收缩率最低，而复水比最高。基于熔融相变温度的微波干燥鱿鱼片总挥发性化合物、烷烃类和胺类物质与其它方式干燥无显著性差异，醛类、醇类、酯类和杂环类最高，酮类和酸类最低，而醚类、烯烃类和芳香烃类介于热风干燥和恒定功率的微波干燥之间。
此外，热风干燥鱿鱼片的质地致密，肌纤维呈条带状水平有序排列，几乎没有空隙或孔洞(图5)；微波干燥鱿鱼片的质地疏松，无序连接的片状薄膜构成了不规则的蜂窝或海绵状结构，未见有序排列的条带状纤维，亦未见明显的断裂或坍塌区域。相较于恒定功率的微波干燥，基于熔融相变温度的微波干燥鱿鱼片的薄膜更厚，孔洞更大，质地更疏松。
表1不同方式干燥鱿鱼片的理化品质
(4)感官品质
差异程度检验结果表明，热风干燥、恒定功率的微波干燥和基于熔融相变温度的微波干燥鱿鱼片之间存在显著差异。偏爱排序检验结果表明，消费者更偏爱微波干燥的鱿鱼片，但对恒定功率的微波干燥和基于熔融相变温度的微波干燥鱿鱼片的偏爱程度无显著差异。定量描述检验结果显示，两种微波干燥鱿鱼片的感官特性均无显著性差异，腥味与热风干燥亦无显著差异，但色泽、形态、硬度、油脂味和香气均显著优于热风干燥(表4)。
表4不同方式干燥鱿鱼片的描述检验
说明：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围内。
Claims (5)
1.一种基于熔融相变温度的微波干燥设备，其特征在于，包括微波加热系统、物料承载系统、监控计算系统和除湿除尘系统；
所述微波加热系统包括磁控管(5)、微波反射器(4)、内胆(14)、侧旋门(9)、视窗(10)、把手(6)和外壳(16)；其中内胆(14)内部空间为谐振腔(15)，外部为外壳(16)；磁控管(5)和微波反射器(4)机械连接，固定于内胆(14)内壁面；谐振腔(15)的一侧设有机械式侧旋门(9)，以便开启谐振腔(15)；在侧旋门(9)表面设有视窗(10)和把手(6)；
所述物料承载系统包括电机(12)、传动轴(13)和载物台(11)；其中电机(12)和载物台(11)通过传动轴(13)机械相连，固定于内胆(14)内的底部；
所述监控计算系统包括中央控制器(7)、温度传感器(1)、水分传感器(2)和电源开关(8)；其中温度传感器(1)和水分传感器(2)平行固定于内胆(14)内顶部；电源开关(8)位于外壳(16)表面，与中央控制器(7)电性相连，用于控制设备的启动及关闭；中央控制器(7)位于外壳(16)表面，其与温度传感器(1)、水分传感器(2)、湿度计(3)、磁控管(5)电性相连；
所述除湿除尘系统包括除湿机(20)、除尘器(17)、湿度计(3)、排气管(21)、排水管(18)和阀门(19)；其中除湿机(20)和除尘器(17)固定于内胆(14)和外壳(16)之间，且均与中央控制器(7)电性相连；排气管(21)将谐振腔(15)、除湿机(20)和除尘器(17)依次串联；排水管(18)与除湿机(20)机械相连，并在排水管(18)上设有阀门(19)；湿度计(3)固定于内胆(14)内顶部，实时监测空气湿度。
2.根据权利要求1所述的一种基于熔融相变温度的微波干燥设备，其特征在于，谐振腔(15)的长、宽、高的比例为3:3:2.0～2.2。
3.根据权利要求1所述的一种基于熔融相变温度的微波干燥设备，其特征在于，所述载物台(11)为网筛圆盘，孔径为0.2～2cm，内径为谐振腔(15)长度的80～90％。
4.根据权利要求1所述的一种基于熔融相变温度的微波干燥设备，其特征在于，温度传感器(1)为红外温度传感器，水分传感器(2)为近红外水分传感器。
5.根据权利要求1所述的一种基于熔融相变温度的微波干燥设备，其特征在于，除尘器(17)为干式静电除尘器。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202321712763.XU CN219981980U (zh) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | 一种基于熔融相变温度的微波干燥设备 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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|---|---|
| CN219981980U true CN219981980U (zh) | 2023-11-10 |
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ID=88614081
Family Applications (1)
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| CN202321712763.XU Active CN219981980U (zh) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | 一种基于熔融相变温度的微波干燥设备 |
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|---|---|
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-
2023
- 2023-06-30 CN CN202321712763.XU patent/CN219981980U/zh active Active
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