图4 旋转托架结构示意图
Fig.4 Schematic of rotating bracket structure
1.水平托盘架 2.支撑侧板
整个旋转托架的回转直径为510 mm，且由支撑侧板与水平托盘架组成，内置5 个水平托盘随主轴回转，其结构空间利用率高，结构材料选用聚酰胺，具有无毒、质轻、优良的机械强度、耐磨性及较好的耐腐蚀性，结合其自润滑特性及平行四连杆设计可满足干燥环境条件下托盘架始终保持水平状态。水平托盘架用于放置装载物料的托盘，其底部采用支撑条的镂空设计，便于装卸及进一步改善加热均匀性。
2.3 真空泵
真空泵是使干燥室保持真空环境的重要部件。试验中所需压力为10.1 kPa，而水环真空泵所能获得的极限真空度为2 000 ～4 000 Pa，满足干燥条件。为了提高干燥效率，真空泵需要在较短时间内将干燥室内的压力抽到预设值，因此需要计算真空泵的抽气时间以作为重要选定参数［22］，公式为
式中 t——抽气时间，s
K——修正系数
V0——真空设备容积，m3
Sp——真空泵实际抽速，m3/s
p1——初始真空度，kPa
p2——要求真空度，kPa
确定试验要求压力为10.1 kPa 时，修正系数为1.25。真空泵的实际抽速Sp 与真空泵有效抽速S0以及真空泵与干燥室的连接管道流导有关，其关系式为［22］
其中
式中 U——连接管道流导，m3/s
p——管内平均压力，Pa
D——真空管路直径，m
η——黏度，Pa·s
L——管道的等效长度，m
当管内平均压力为1 000 Pa，管路直径为0.03 m，黏度为1.25 ×10-5 Pa·s，管道等效长度为1.2 m，真空泵将干燥室内的压力由100 kPa 降低至11 kPa 的时间为20 s 时，由式(6)～(8)联立可得，真空泵的抽气速率为1.25 m3/min。因此选定真空泵为 2BV-2070 型水环真空泵。其功率为2.35 kW，转速为2 880 r/min，最大抽气量达到1.33 m3/min，极限压力3 kPa。
2.4 制冷循环系统
制冷循环系统简图如图5 所示。
图5 制冷循环系统
Fig.5 Water circulation system
1.水箱 2.冷凝器 3.真空泵
制冷循环系统主要由真空泵、冷凝器、水箱构成，其作用是降低真空泵工作温度以保证真空泵压力范围。在干燥过程中，真空泵将干燥室内物料所蒸发的水蒸气及时抽离，但此时工作温度较高，造成该环境下真空泵寿命大幅降低，真空度无法保障，故将其与冷凝器和水箱相连，不仅能确保真空泵的工作状态，还能将冷却水循环利用，节约资源。保证真空泵工作温度的核心部件是冷凝器，其采用铜制长管并将其进行U 形循环排列，加长流通路径使热量散失到四周的空气中，并且在管道上附加热传导性能优异的散热片，加大散热面积并引入对流风机，加快热量传递效率，保证水温始终低于设定值以满足干燥腔室内真空压力要求。
2.5 控制系统
控制系统用于干燥机工作状态的监测、旋转托架的驱动、微波功率与真空度的控制、真空微调阀的开合、内部数据的显示与参数设置。控制系统结构如图6 所示。
控制系统主要包含5 个模块:
(1)主控模块:系统以P89V51RD2FN 为核心，进行整个系统的信号采集、数据处理及测量结果显示控制等任务。
(2)A/D 转换模块:实现干燥机内温度、压力等模拟信号的采集，并与主控模块进行A/D 转换。
图6 控制系统硬件结构图
Fig.6 Structure diagram of control system
(3)扩展模块:设置看门狗电路，实现断电数据保存、上电掉电复位及电源电压监控等功能，使单片机可以在无人状态下实现连续工作。
(4)输出控制模块:通过输出数字信号，实现干燥机内微波发射器、真空泵及真空微调阀等的通断。
(5)键盘与显示模块:用于接收数值及命令输入、显示数值及提示信息等，实现人机交互。
3 性能验证试验
3.1 试验原料及试验条件
本文选择番木瓜为试验原料对旋转托盘式微波真空干燥机进行性能验证试验，结合本机特点及前期预试验结果确定切片厚度为6 mm，干燥温度为55℃，微波功率设置为800 W，功率密度及真空度分别为0.3 W/g 和10.1 kPa。
番木瓜购自四川雅安农贸市场，选择新鲜、均匀、成熟度一致的个体作为试验对象。试验前将新鲜番木瓜进行清洗、削皮、去籽及切片处理，其初始含水率为91.7%(湿基)。将物料均匀分布于料盘中，按上述参数进行3 种不同干燥技术的对比试验，热风干燥条件下每隔60 min 取样一次，直至质量不再变化;微波干燥条件下每隔40 min 取样一次，直至质量不再变化;微波真空干燥条件下每隔30 min取样一次，直至质量不再变化。每组试验重复3 次，取其平均值。干燥后将物料取出，冷却后用塑料袋密封包装。
3.2 干燥参数计算
干燥速率和干基含水率的计算公式为［23-24］
式中 R——干燥速率，g/(g·min)
Δw——相邻两次测定的干基含水率的差值，g/g
Δt——相临两次测定的时间间隔，min
w——干基含水率，g/g
mt——物料t 时刻对应的质量，g
mg——物料绝干质量，g
依据CIELAB 表色系统测量番木瓜色度L* 、a* 、b* 值，同时对干燥前后总色泽差异值ΔE* (色差)进行评价［25］，公式为
式中 L* ——明亮度
a* ——红绿值
b* ——黄蓝值
番木瓜干燥过程中使用脱水量均匀度Ka 表示干燥均匀性，Ka 越接近100%，干燥均匀性越好，其计算公式为［26］
式中
——所有料盘脱水量平均值，g
ΔX——所有料盘脱水量均方差，g
3.3 结果与分析
3.3.1 干燥速率
以干燥速率为指标对番木瓜在热风干燥、传统微波干燥与旋转托盘式微波真空干燥条件下进行对比，其干燥速率曲线如图7 所示。
图7 番木瓜在不同干燥方式下的干燥速率曲线
Fig.7 Drying rate curves of papaya by different drying methods
由图7 可以看出，3 种不同干燥方式下的干燥过程大体都呈现为降速干燥趋势，这可能是由于番木瓜的干燥主要由内部水分扩散控制。其中，微波真空干燥的最大干燥速率可达0.26 g/(g·min)，相比热风干燥和传统微波干燥分别提升了3.3倍和1.2 倍。整体来看，热风干燥的平均干燥速率为0.002 5 g/(g·min)，传 统 微 波 干 燥 约0.067 g/(g·min)，旋转托盘式微波真空干燥为0.12 g/(g·min)，其干燥速率相比传统微波干燥提升了约79%，这可能是由于干燥过程中微波真空通过多次抽真空，将物料表面蒸发的水蒸气及时抽离，导致干燥室内压力降低，加大了物料表面与干燥环境的压力差，提高了水分蒸发的驱动力，从而提高了其干燥速率。
3.3.2 能耗
根据干燥试验参数，得到番木瓜在两种不同干燥方式下的干燥能耗对比如表1 所示。
表1 番木瓜在不同干燥方式下能耗对比
Tab.1 Comparison of energy consumption of papaya by different drying methods
由表1 可知，旋转托盘式微波真空干燥方式的满装载量远高于传统微波干燥方式，相同微波加热条件下有效干燥的装载量为605g，比传统微波干燥提高了80%，而干燥时间却缩短了43.8%，平均能耗相对于后者减小了29.8%。因此，与传统微波干燥相比，旋转托盘式微波真空干燥机明显提高了干燥机的处理能力，缩短了干燥时间，单位能耗大幅度降低，提高了微波真空技术的应用范围。
3.3.3 番木瓜品质
色泽是果蔬干制品评价的重要指标之一，对商品价值有重要影响［27］。表2 反映了传统微波干燥、旋转托盘式微波真空干燥两种不同干燥技术对番木瓜色泽的影响。
表2 不同干燥技术对番木瓜色泽参数的影响
Tab.2 Effects of different drying technologies on color parameters of papaya slices
由表2 可以看出，相较于传统微波干燥，旋转托盘式微波真空干燥所得木瓜片与未干燥前木瓜片色泽更为接近，说明旋转托盘式微波真空干燥后成品的色泽明显强于传统微波干燥方式，褐变程度更小，干后品质更优。且整个干燥过程中物料脱水量均匀度Ka均值达到97%(图8)，干燥后的番木瓜片内外色泽均匀一致。这说明在干燥过程中，物料在干燥室内受热均匀，该结构能提升微波真空的干燥均匀性，完全满足实际工作中的要求。
图8 脱水量均匀度在干燥过程中的变化曲线
Fig.8 Uniformity degree changes of all plates dehydration during drying process
4 结论
(1)针对微波真空干燥机物料受热不均、装载量小等问题，设计了一台旋转托盘式微波真空干燥机。工作时，可平铺于干燥腔室内5 个均布的料盘托架内，装载量大幅提升，同时，物料随旋转托架在驱动装置的作用下匀速转动，使物料受热更均匀。采用制冷循环系统，使真空泵始终处于最佳工作状态，精确维持干燥腔室内真空度。
(2)以番木瓜为试验原料，对所设计的干燥机进行了性能试验。结果表明:旋转托盘式微波真空干燥机性能较好，与传统微波干燥方式相比，满装载量提高了80%，干燥时间缩短了43.8%，单位能耗降低了29.8%，且脱水量均匀度达到97%，物料色泽内外一致，干燥均匀性好。
