PDF《静电干燥原理及应用 3》

3 国家自然科学基金资助项目 收到初稿 修回 静电干燥原理及应用

3 梁运章 那日白亚乡 李玉峰 内蒙古大学农业物理工程技术研究中心 呼和浩特 摘要简述了国内外物料干燥的技术水平 提出了一个全新原理的新型干燥技术 ) ) ) 静电干燥 介绍其技术原 理 !技术特点 并对应用开发作了展望 关键词 静电场 干燥 应用 ΤΗΕ ΠΡΙΝΧΙΠΛΕ ΑΝΔ ΑΠΠΛΙΧΑΤΙΟΝΣ ΟΦ ΤΗΕ ΕΛΕΧΤΡ ΟΣΤΑΤΙΧ ΔΡ Ψ ΙΝΓ ≠∏

2 ≠ 2÷ ≠∏ 2? ( Ρεσ εαρχη Χ εντερ οφ Αγρ ιχυλ τυρ ε Πηψ σ ιχσ Ενγινεερ ινγ Τεχηνολ ογψ, Ιννερ Μονγολ ια Υνι? ερ σ ιτψ, Ηυηηοτ ) Αβσ τραχτ √ ∏ √ √ * ∏ Κεψ ωορδσ 概述 物料干燥是国民经济工农业各部门广泛采用的 生产工序 通常采用自然干燥 ! 蒸汽 ! 热风 !太阳能热 源或电流的热效应 如工频 !高频 !红外 !微波 等方 法 它们分别存在能耗高 !干燥不均匀 物料升温等 缺点 还有一种干燥方法就是冷冻真空干燥 它设备 造价高 运行费用高 不宜大规模普及使用≈ 人们 在生产中不断要求提高产品质量 !生产过程节能及 减少环境污染 从而促进了干燥科学与技术的发展 目前 国际干燥新技术的发展趋势具有如下特 点≈ 组合式传热方式 对流 !传导与介电或辐射 的组合 常规干燥技术的组合 气流 流化床干燥 ! 喷雾 流化床干燥 ! 喷雾 带式干燥等 气固新型接触技术 气流 流化床干燥 !喷雾流化床干燥 !喷雾 带式干燥等 新的或有效的生热方法及应用 如脉冲燃 烧 机械式及热力脱水的结合 如过滤器 干燥 器 运用非常规的方法 如超临界干燥 本文介绍的则是一种全新干燥原理支撑的新型 干燥技术 它是利用高电压电晕电场对多孔性物料 进行脱水而实现干燥目的的 它具有能耗低 ! 不污染 空气 ! 干燥均匀 ! 物料不升温 !还可杀灭细菌的优点 它特别适合于蔬菜 !食品加工 !土特产品加工 !中药 材加工 !农作物种子干燥等部门 目前在国内尚未见 到报道 静电干燥原理 多孔性物料的含水结构由以下几部分组成 充 满在物料中的狭窄而微细的孔隙的毛细管水 亦称 游离水 被胶体粒子所吸收而渗透入内的膨胀水 被分子力场束缚在胶体表面上的吸附水 作为分子 组成成分而与物料相结合的化学结合水 其中 毛细 管水是最易排出的 其次是膨胀水和吸附水 化学结 合水则必需用高温排除 通常干燥脱水是两个过程的结合 一是水分子 从物料内部向表面迁移 二是水分子从物料表面蒸 # # 卷年期发211 水分子在电场作用下从内部向表面的迁移 在毛细管水结构模型中 存在固液两相的界面 其界面处将形成偶电层 界面偶电层电荷形成平 板电容 器将其电位称为Ν电位模型≈ Ν = δΡ Ε Ε , ( ) 式中 Ρ 为面电荷密度 , δ 为偶电层间隔 .

在这样的体系中加上电场时 ,由于界面两侧的 电荷极性相反 ,作用于它们的静电力方向相反 ,因此 产生挟持着界面的相对运动 ,即产生动电现象 . 液体中电荷将受到电场力的作用而运动 ,由于 粘性力的影响 ,这些电荷与中性分子一同被搬运 ,故 产生流体运动 . 毛细管中水受电场作用的原理如图 所示 . 图 毛细管中水受电场作用的原理 在图 中 ,设外加与界面平行的电场为 Ε ,瞬间 形成稳定状态 ,在该状态下 ,考虑离界面 ξ 的厚度 ξ 的层面 ,它以均匀速度与界面平行运动 ,作用于 该层上的力有 : φ电场 = ΕΘ ξ , ( ) 式中 Θ为电荷密度 ;

φ粘Γ( ? ξ ) ξ ξ Γ( ? ξ ) ξ Γ ? ξ , ( ) 式中 ?为ξ层的移动速度 . 当 φ电场 φ粘时,则 Θ = Γ ? Ε ξ . ( ) 将此式代入一维泊松方程 <

ξ = ? Θ Ε ( ) 中 ,得 ? Ε Ε <

ξ = ? Γ ? ξ . ( ) 将其对存在的液体的整个区域进行两次积分 , 得?=ΕΕΝ / Γ . ( ) 由此式可见 ,在电场作用下毛细管中的水分运 动的速度与外电场强度成正比 . 膨胀水和吸附水则主要靠浓度梯度到达毛细 管 ,这部分水量较少 .

212 表面水分的蒸发 通常表面水分的蒸发主要受空气温度 !湿度 ! 压 力等因素制约 ,而不由物料内部条件决定 .但在电场 干燥时 ,运动到物料表面的水分还要受到电场力的 作用而加速蒸发 . 水分子是很强的极性分子 ,彼此间存在着电偶 极矩的相互作用 ,在电晕电场中的偶极矩将受到电 场力的作用 ,将偶极子拉入电场强度最大的区域中 去.Φ=Ε(Ε ? ) # ( Ε ) ?, ( ) 式中 ?为自由水体积元 , Φ为体积元所受的 电场力 , Ε 为体积元处的电场强度模 , Ε 为水的相 对介电系数 . 静电干燥技术特点 静电干燥技术具有以下特点 静电干燥是一种物料不升温干燥技术 这无 疑对那些需要干燥的热敏性物料具有重要的实用价 值 在干燥过程中伴随产生一定量的臭氧 而臭 氧具有很强的消毒灭菌作用 因此在干燥过程中还 可以同时对物料进行灭菌 静电干燥是在电场力的作用下实现的 电场 力是在高电压小电流的条件下产生的 因此能耗低 是显著特点 实现静电干燥技术的设备造价低 因为现代 材料工业和电工技术的发展使静电电源的制造成本 大大下降 由于静电干燥具有以上特点 使它在干燥技术 领域具有不可替代的地位 干燥技术领域中使用的 各种干燥方法的技术特点见表 从表 比较结果可看出 用造价 ! 能耗等较低的 # # 物理 设备 可得到品质较高的干燥效果 表 各种干燥方法技术特点比较 干燥方法 特点 传统加热干燥 真空冷冻干燥 静电干燥 工作原理 分子热运动 升华干燥 电场力作用 对热敏性物料 品质的影响 色香味不变 不灭菌 色香味不变 可灭菌 色香味不变 可灭菌 设备造价 一般 高昂 较低 能耗 一般 高 较低 运行费用 一般 高 较低 应用举例 为了实现该技术的应用 我们研制了一个小型 工业试验装置 见图 选择了部分物料进行干燥 工艺试验 图 静电干燥装置

1 金属保温箱

1 通风装置

1 高压装置

1 控制系统

1 加热装置

411 胡萝卜片干燥 将选好的胡萝卜清洗去皮后 整体热烫 立即用冷水冷却 切成 ) 厚的薄片 均匀铺入 网盘置于静电干燥箱中 试验结果如表 表 胡萝卜片的静电干燥与热力干燥对比 干燥方式 湿料重量 含水量 铺放面积 干燥温度 ε 初级电压 ? 干燥重量 含水量 干燥时间 干燥速度 静电

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1 1 热力

1 1 表 马铃薯片的静电干燥与热力干燥对比 干燥方式 湿料重量 含水量 铺放面积 干燥温度 ε 初级电压 ? 干燥重量 含水量 干燥时间 干燥速度 静电

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1 1 热力

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1 1 从表 中可见 ε 温度环境下静电干燥比 ε 温度环境下热力干燥速度提高约

412 马铃薯片干燥 将质量好的马铃薯切成 ) 厚的圆片 用 沸水热烫 用凉水冲洗后 凉干表面水 然后放 入网盘 置于静电干燥箱中 试验结果如表 所示 从表 中可见 ε 温度环境下的静电干燥比 ε 的热力干燥速度提高约 试验结果还表明 静电干燥的干燥质量明显好 于加热干燥 运行费用也低 已引起部分用户极大兴 趣 我们相信 它必将在干燥技术领域占有相当重要 地位 参考文献≈潘永 康等现代干燥技术北京化学工业出版社1)°≠2ετ αλ ? * ≈ ∏∏ ≥ 中国第五届干燥技术交流会论文集1)2 ≈ 方俊鑫等 电介质物理学 北京 科学出版社

1 ) ? ∏2÷ ετ αλ ° ∞ ≥ ° ) ≤ ≈ 鲍重光 静电技术原理北京北京理工大学出版社1)≤2 √ * ° ) ≤ # # 卷年期 ........