高壓電場中蔗糖溶液的蒸發(fā)特性

李云祥等

摘要

[目的]為進(jìn)一步研究高壓電場中蔗糖溶液的蒸發(fā)特性和機(jī)理。[方法] 在高壓電場中，以不同濃度蔗糖溶液為研究對象，進(jìn)行電壓、電極間距、電場類型等參數(shù)對蒸發(fā)速度的試驗(yàn)研究，同時(shí)進(jìn)行在針-板電極中間放絕緣板阻擋和不放絕緣板的對比試驗(yàn)研究。[結(jié)果] 高壓電場可以提高蔗糖溶液的蒸發(fā)速度；在低濃度下，蔗糖濃度對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響極??；蒸發(fā)速度與電壓極距有關(guān)，極距越小，蒸發(fā)速度越大；交流電壓下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯高于直流電壓下；在無絕緣板阻擋的條件下蒸發(fā)速度明顯高于阻擋條件下的。[結(jié)論] 這為探索高壓電場干燥特性和機(jī)理提供新的實(shí)驗(yàn)理論上的線索和依據(jù)。

關(guān)鍵詞高壓電場；蔗糖溶液；蒸發(fā)速度

中圖分類號S509.3；TS205文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）21-011-04

基金項(xiàng)目內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)2014年度“大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目（2014025）。

作者簡介

李云祥（1993-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，本科生，專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)。*通訊作者，副教授，博士，從事電流體動力學(xué)干燥和電場生物效應(yīng)方面的研究。

收稿日期20150527

由于許多農(nóng)產(chǎn)品、蔬菜、水果等物料保存期較短，需要對它們進(jìn)行干燥處理。在干燥過程中，物料內(nèi)部糖的含量對干燥效果起非常大的影響。含糖量高的物料如枸杞、葡萄等很難干燥，干燥速度慢且耗能高；而含糖量低的物料如胡蘿卜、甘藍(lán)等則很容易進(jìn)行干燥，干燥速度快且耗能較低。由此可知，研究糖的干燥特性是非常有意義的。

目前常用的方法主要是常壓熱風(fēng)干燥法。該方法干燥時(shí)間長，耗能高，成本高，色澤差，而且使物料營養(yǎng)成分受到損失，外觀不盡人意。真空冷凍干燥對物料的外觀、形狀、保留營養(yǎng)成分等基本上無可挑剔，但是其高額的設(shè)備、運(yùn)費(fèi)相對產(chǎn)量較低。所以，研究新的干燥技術(shù)勢在必行。

高壓電場干燥技術(shù)（又稱Electrohydrodynamic （EHD））是一種新型的干燥技術(shù)。它是通過將被干燥物料放在下極板上，然后給上極板（平板、針狀、線狀等不同形狀的電極）加一定幅度的直流電壓或交流高電壓，在兩電極間形成電暈電場以實(shí)現(xiàn)物料干燥。在高壓電場中，水的蒸發(fā)速度加快4.0～8.5倍[1]。Chen等[2]報(bào)道了在針-板電極組成的電流體動力學(xué)系統(tǒng)中不同厚度的土豆片的干燥特點(diǎn)。在單個(gè)針-板電暈場中，2～4、8 mm厚土豆片的平均干燥速度分別是相應(yīng)對照組干燥速度的2.5倍和2.1倍，且對產(chǎn)品質(zhì)量無負(fù)面影響。Lai等[3-4]對針狀電極和線狀電極的EHD干燥進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)這兩種形狀的電極都能提高干燥的速度，且針狀電極的干燥效率好于線狀電極。該技術(shù)近年來已被越來越多地應(yīng)用于糧食、生物制品、水產(chǎn)品等熱敏性物料的干燥中[5-9]，且都取得較滿意的結(jié)果。有些學(xué)者對高壓電場干燥機(jī)理進(jìn)行了初步的研究與探索。Hashinaga等[10]認(rèn)為，高壓電場干燥的機(jī)理主要是由于高壓電場產(chǎn)生的離子風(fēng)外部吹動作用加速了物料的干燥。白亞鄉(xiāng)等[11]從部分試驗(yàn)出發(fā)，認(rèn)為高壓電場產(chǎn)生的離子風(fēng)對被干燥物料的沖擊作用是導(dǎo)致其干燥速度加快的主要原因。這些研究在某些領(lǐng)域較細(xì)致和系統(tǒng)，但各種因素（電壓大小、電場類型、電極間距、電極形狀等）對干燥效果影響的研究還不夠完善；同時(shí)，干燥機(jī)理的研究也還不夠深入和完善。

以高壓電場中不同濃度蔗糖溶液為研究對象，筆者研究了電壓大小、電場類型、電極間距、電極形狀等因素對不同濃度蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響，為進(jìn)一步研究高壓電場干燥特性和機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

蔗糖（超市購買）；賽多利斯BS124S電子天平（德國）；高壓電場干燥試驗(yàn)裝置見圖1，主要由YD（JZ）1.5/50型高壓電源（武漢）、KZX1.5KVA型控制柜（武漢）和電場系統(tǒng)組成。電場系統(tǒng)由兩個(gè)極板組成，其中下極板為平板（84 cm×44 cm），接地；上極板為多針電極（64 cm×40 cm，針狀電極用不銹鋼金屬絲鏈接，針長2 cm，針與針之間距離在橫向和縱向上都為4 cm），接高壓電源；在試驗(yàn)過程中，將物料放到下極板上。上下極板之間用絕緣柱支撐，可以通過改變長短來改變上下極板之間的距離。在物料上面可以加上絕緣擋板來阻擋離子束。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1

在蔗糖溶液蒸發(fā)速度試驗(yàn)中電壓參數(shù)的設(shè)定。

配好濃度為15%的蔗糖溶液以備進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)。向直徑為100 mm的玻璃培養(yǎng)皿中放入等量的蔗糖溶液，分別放在直流和交流（50 Hz）高壓電場下進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，上極板采用針狀電極，上下電極間距離為100 mm（針尖到下極板距離），電壓取值分別為0、5、10、15和20 kV，每隔20 min用賽多利斯BS124S電子天平測定樣品質(zhì)量。

1.2.2

不同類型的電場對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響。

將直徑為100 mm的玻璃培養(yǎng)皿放入等量濃度為15%的蔗糖溶液，放在直流和交流高壓電場下進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，上極板為針狀電極，上下電極間距離為100 mm（針尖到下極板距離），電壓采取20 kV，每隔20 min用賽多利斯BS124S電子天平測定樣品質(zhì)量。

1.2.3

相同電壓在蔗糖溶液蒸發(fā)速度試驗(yàn)中蔗糖濃度參數(shù)的設(shè)定。將直徑為100 mm的玻璃培養(yǎng)皿放入等量的蔗糖溶液，上極板采用針狀電極，上下電極間距離為100 mm（針尖到下極板距離），電壓取值分別為直流20 kV和交流20 kV。蔗糖溶液濃度分別為0、5%、10%、15%、20%、25%進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，每隔20 min用賽多利斯BS124S電子天平測定樣品質(zhì)量。

1.2.4

極距對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響。將直徑為100 mm的玻璃培養(yǎng)皿放入等量濃度為15%的蔗糖溶液，分別放在直流和交流高壓電場下進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，電壓采取20 kV，上極板為針狀電極，上下電極間距離分別為50、75、100 mm（針尖到下極板距離），每隔20 min用賽多利斯BS124S電子天平測定樣品質(zhì)量。

1.2.5

絕緣擋板對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響。將直徑為100 mm的玻璃培養(yǎng)皿放入等量濃度為15%的蔗糖溶液，放在交流高壓電場下進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，其中一部分樣品上面加絕緣阻擋物，另一部分樣品不加，上極板為針狀電極，上下電極間距為100 mm（針尖到下極板距離），電壓采取20 kV，每隔20 min用賽多利斯BS124S電子天平測定樣品質(zhì)量。

1.3指標(biāo)測定與方法

試驗(yàn)在溫度為20～25 ℃，相對濕度為30%±5%，周圍風(fēng)速為0 m/s的自然環(huán)境中進(jìn)行。蒸發(fā)速度的定義為：

vi=mi-1-miS（ti-ti-1）

（1）

式中，mi為ti時(shí)刻物料的質(zhì)量；S為培養(yǎng)皿的橫截面積。

2 結(jié)果與分析

2.1電壓大小對相同濃度蔗糖溶液（15%）蒸發(fā)速度的影響

從圖2和圖3可以看出，在交流或直流電場的作用下，15和20 kV高壓電場能夠明顯地提高蔗糖溶液的蒸發(fā)速度，且電壓高時(shí)蒸發(fā)速度快；在5、10 kV時(shí)，高壓電場對蔗糖溶液蒸發(fā)速度相比對照組影響不大。

2.2交流和直流電壓對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響

從圖4可以看出，交流電場下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯高于直流電場。在100 min內(nèi)交流電場下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度為直流電場下的1.95倍。

2.3 相同電壓對不同濃度蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響

從圖5可以看出，當(dāng)濃度在0～25%范圍內(nèi)，高壓電場中濃度對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響不大，交流電場下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯高于直流電場。

2.4不同的極距對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響

從圖6可以看出，隨著極距的降低，蒸發(fā)速度加快，蒸發(fā)速度與極距呈增函數(shù)關(guān)系；隨著極距的加大，蒸發(fā)速度越來越小，交流電場下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯高于直流電場。

2.5 加絕緣阻擋板對蔗糖溶液蒸發(fā)速度的影響

從圖7和圖8可以看出，在無絕緣擋板條件下的蒸發(fā)速度明顯高于有絕緣板條件下的。在100 min內(nèi)，交流電場作用下無絕緣擋板條件下蒸發(fā)速度是有絕緣板條件下的2.77倍；在直流電場作用下無絕緣擋板條件下的蒸發(fā)速度是有絕緣板條件下的2.06倍。

3結(jié)論與討論

對于高壓電場的干燥機(jī)理，在學(xué)術(shù)界一直沒有定論。多數(shù)研究者認(rèn)為，電流體動力學(xué)干燥的機(jī)理主要?dú)w功于電場引起離子風(fēng)，在外部離子風(fēng)的吹動下帶走物料表面的水分，起到加速水分蒸發(fā)的作用[10]。在多針-板電極系統(tǒng)下，每個(gè)針狀電極都產(chǎn)生離子風(fēng)，從而經(jīng)過積累后干燥速度得到更好的提高[12]，且針電極的正下端離子風(fēng)最強(qiáng)[13]，起到的效果也最好。在5、10 kV時(shí)電場強(qiáng)度較低，不太可能產(chǎn)生離子風(fēng)，而在15、20 kV時(shí)電場強(qiáng)度較高，有可能產(chǎn)生離子風(fēng)。離子風(fēng)在蔗糖溶液蒸發(fā)過程中起很大的作用。電場強(qiáng)度越高，產(chǎn)生的離子風(fēng)越強(qiáng)，蒸發(fā)速度越大。改變極距，就改變電場強(qiáng)度，也就改變離子風(fēng)，從而影響蒸發(fā)速度。筆者用絕緣阻擋板進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。研究表明，絕緣阻擋板擋住了電場中的離子風(fēng)，此時(shí)蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯下降。

絕緣阻擋板擋住了高壓電場中的離子風(fēng)，蔗糖溶液的蒸發(fā)速度比對照組的還要高，且交流電場下的蒸發(fā)速度高于直流電場作用。這顯示在高壓電場干燥過程中除了離子風(fēng)以外，還有其他因素起到加速水分蒸發(fā)的效果。水分子是極性分子。水分子之間除范德華力外，還可由弱的氫鍵結(jié)合為大的水分子團(tuán)。水分子團(tuán)的這種構(gòu)造是一種動態(tài)結(jié)合，其穩(wěn)定存在時(shí)間只有10-12s左右，不斷有水分子加入某個(gè)水分子團(tuán)，又有水分子離開水分子團(tuán)。在室溫中，一般水的分子團(tuán)大小為30～40個(gè)水分子。在電場作用下水分子會發(fā)生極化分子取向，吸收一定的電場能量，促進(jìn)水分子中氫鍵的斷開，使分子團(tuán)變成單個(gè)的水分子，減小單個(gè)水集團(tuán)的體積，加速水分子的移動，從而提高物料中水分子的蒸發(fā)。

在交流電場作用下蔗糖溶液的蒸發(fā)速度明顯高于直流電場作用。由于直流電場作用下電場方向不隨時(shí)間變化，而交流電場作用電場方向隨時(shí)間而不斷改變。電場作用下水分子近似為一組方向各異的電偶極子，直流電場作用不會對偶極子的質(zhì)心運(yùn)動做功，但可以使偶極子轉(zhuǎn)動為電場方向，吸收一定的電場能量；交流電場作用可以使偶極子持續(xù)轉(zhuǎn)動，吸收的能量更多一些。這也許是交流電場下的蒸發(fā)速度高于直流電場下的一個(gè)原因。對高壓電場中蔗糖溶液蒸發(fā)特性的研究，可為進(jìn)一步研究高壓電場干燥特性和機(jī)理研究奠定基礎(chǔ)，提供新的試驗(yàn)理論上的線索和依據(jù)。

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