太陽能脫水車間濕差脫水技術研究

馬寶龍，張永茂，畢 陽，張海燕，張 芳

(1.甘肅農業(yè)大學食品科學與工程學院，甘肅蘭州730070;2.甘肅省農業(yè)科學院農產(chǎn)品貯藏加工研究所，甘肅蘭州730070)

太陽能脫水車間濕差脫水技術研究

馬寶龍1，張永茂2，*，畢 陽1，張海燕2，張 芳2

(1.甘肅農業(yè)大學食品科學與工程學院，甘肅蘭州730070;2.甘肅省農業(yè)科學院農產(chǎn)品貯藏加工研究所，甘肅蘭州730070)

采用太陽能資源與西北干燥空氣合理結合的方式，以娃娃菜為例進行脫水干燥實驗研究。研究西北地區(qū)不同季節(jié)的氣候條件，對娃娃菜實際脫水速度與理論空氣脫水速度的影響。得出全年干燥參數(shù)。研究表明，干燥室滿載脫水時，室外干空氣絕對濕度顯著低于室內，不論白天和夜間都可以有效輔助太陽能進行脫水，150kg娃娃菜全年干燥時間為28～72h，干燥效率保持在80%左右。夏季將最大節(jié)能79%，秋季最小節(jié)能47%。利用spss17.0軟件對實驗結果進行分析表明，Cubic模型擬合效果較理想。

娃娃菜，太陽能干燥，節(jié)能，模型

Abstract:The drying process of cabbage was carried out by the solar energy along with dry atmosphere which was the characteristic in northwest of China.The relationship between the climatic conditions in the northwest region in different seasons and drying rate of cabbage in practice and in theory was examined.Based on this，annual drying parameters were determined.The results showed that the drying chamber packed with dehydration，the absolute humidity of outdoor drying air was significantly lower than that of indoor，no matter the night or the day，it can effectively aided solar drying.The drying time was 28～72h for 150kg cabbage.Annual drying efficiency could be maintained around 80%.The dehydration technology which was carried out by the humidity difference could effectively reduce the energy consumption.It saved 79%in summer and 47%in autumn，respectively.The experimental results showed that the Cubic model had satisfactory fitting goodness by using spss17.0 software.

Key words:cabbage;solar drying;energy saving;model

太陽能是一種清潔的自然可再生能源，取之不盡，用之不竭。利用太陽能干制果蔬是一種節(jié)能、有效的傳統(tǒng)方法［1］。運用日光溫室、太陽能集熱器及通風換濕系統(tǒng)等現(xiàn)代設施，能夠加速果蔬脫水干燥速率。然而，由于太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性(夜間及早晨中斷)，在果蔬脫水的規(guī)?；a(chǎn)過程中，其食品的安全、衛(wèi)生和感官質量無法保證［2］。為解決這一問題，大多數(shù)情況下，人們采取增加輔助加熱的措施，但這必將耗費煤、氣、電或其它能源［3］。本實驗著重研究我國西北地區(qū)，在果蔬太陽能脫水加工前提下，利用相對濕度較小的干燥空氣作為介質，在夜間及早晨，通過通風換氣代替太陽能脫水過程中的輔助加熱設施，以達到節(jié)能的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮娃娃菜 當?shù)厥袌鲑徺I。

JWSK-6AC01A型溫濕度傳感器 昆侖海岸公司;SwemaAir40型風速儀 重慶裕捷科技有限公司;DFY-4型輻射計 長春氣象儀器廠;YY63-4型申奇牌軸流風機 上海應發(fā)風機廠;SF2.5-4R型軸流風機 上海興通電機廠;PB203-N型電子天平 奧斯特(上海)公司。

1.2 工藝流程

娃娃菜清洗→切塊、去根→漂燙→冷卻→瀝水→上料→脫水

實驗在甘肅省農業(yè)科學院農產(chǎn)品貯藏加工研究所研制的“日光溫室+高效集熱器+自控濕差通風排濕”型太陽能脫水車間中進行。該車間的太陽能接收和轉換部分由陽光板屋面+太空管集熱器+換熱器及循環(huán)泵構成。干燥室裝配進風風機和排濕風機，引入外部干燥空氣的同時排出室內濕空氣。氣流循環(huán)系統(tǒng)由進風系統(tǒng)(風口+風機)、排風系統(tǒng)、內循環(huán)風機組成。由工控微機和溫濕度傳感器組成自動控制和監(jiān)測記錄部分。干燥室內放置5組物料架，物料架為不銹鋼網(wǎng)盤式結構，規(guī)格為2m×0.9m，每組設三層，高度 1.7m，層間距 0.5m，每組面積5.4m2，總共可裝載物料約150kg。

含水率(%)=(試樣干燥至t時的質量-試樣干燥至恒重時的質量)/試樣干燥至t時的質量×100

脫水速率(%/min)=試樣干燥Δt時間內的脫水量/干燥前物料質量/時間間隔

2 結果與討論

2.1 太陽能干燥室內外相對濕度的變化

2.1.1 干燥室空載時內外空氣相對濕度變化 我國西部地區(qū)干旱少雨，空氣濕度的水平和年變化規(guī)律對運用干燥空氣進行輔助脫水有著指導意義。由于干燥室內外在太陽能的作用下產(chǎn)生較大的溫度差，空氣相對濕度會隨溫度發(fā)生改變，因此室內外存在一定相對濕度差。通過對干燥室(空載)內外空氣相對濕度的周年觀測記錄，得到不同季節(jié)空氣相對濕度平均水平。結果見表1。

表1 干燥室內外相對濕度的季節(jié)變化Table 1 Changes in relative humidity both inside and outside the greenhouse in different seasons

如表1所示，年周期內，西部地區(qū)空氣相對濕度隨季節(jié)有較大變化，平均相對濕度最高(秋季)可達到62.27%，最低(春季)44.59%，空氣較為干燥。另外，一天之間，相對濕度也存在明顯的變化(圖1)。將全年相對濕度數(shù)據(jù)分時段進行統(tǒng)計(早8點～次日5點，每3h為1時段)，取平均值，得到各時段全年平均相對濕度變化曲線，見圖1。利用spss17.0對車間內外相對濕度進行顯著性差異分析。

圖1 干燥室內外相對濕度各時段變化Fig.1 The average changes in relative humidity both inside and outside the greenhouse

圖1結果表明:空載時，脫水車間內相對濕度在所有時段均低于車間外。在一天中，脫水車間內外的相對濕度在8:00最高，17:00達到最低。脫水車間內年平均相對濕度為39.2%，車間外年平均相對濕度為52.8%。在14:00左右平均相對濕度差達到最大值24.8%，在23:00左右平均相對濕度差最小，為3.8%。經(jīng)顯著性差異檢驗，23:00檢測點差異不顯著(p=0.338＞0.05)，其余時段脫水車間內外相對濕度均存在顯著性差異(p=0～0.036＜0.05)。說明在太陽能脫水車間內外，空氣相對濕度變化很大。在空載的條件下，室內相對濕度始終小于室外相對濕度。

2.1.2 在一個果蔬脫水周期內，室內外空氣含水量的變化 西部干燥空氣為太陽能輔助脫水提供了良好的條件，在干燥室實載時，室內空氣濕度增加。由于干空氣的脫水能力取決于室內外空氣的絕對濕度差，故在脫水周期內研究空氣濕度水平。將處理好的150kg娃娃菜于11:00放入干燥室，開啟進出風機，在太陽能干燥室中進行脫水干燥。每1h記錄室內外溫濕度數(shù)值，將溫濕度轉化為空氣含水量(表示每千克空氣中含有水的克數(shù))，直到物料含水率降為10%左右結束。每季節(jié)做兩次實驗，取平均值。結果見圖2。

圖2 實載時室內外空氣平均含水量的季節(jié)變化Fig.2 Air average humidity in different seasons both inside and outside during solar drying process

娃娃菜在不同季節(jié)干燥，室外空氣含水量均低于室內，滿足干燥需求。其中，夏季室內外空氣含水量差達到最大值3.44g/kg，最小值出現(xiàn)在秋季，為1.23g/kg。說明在西北地區(qū)實載的條件下，室外絕對濕度顯著小于室內絕對濕度，我們正是利用“濕差”，通過風機將室外相對干燥的空氣抽進室內，帶走物料及室內濕度較大的空氣，達到物料脫水的目的。

2.2 在一個干燥周期內濕差脫水的效果

2.2.1 四季太陽能濕差脫水曲線 為驗證濕差脫水效果，在不同季節(jié)，將150kg娃娃菜于11:00放入干燥室，開啟進出風機，在太陽能干燥室中進行脫水干燥。白天物料的干燥為太陽能與干空氣共同干燥，夜晚將由空氣獨立進行干燥，每1h稱重并記錄脫水車間內外溫濕度數(shù)值，直至娃娃菜含水率將為10%左右結束。每季節(jié)做兩次實驗，取平均值。繪制不同季節(jié)脫水曲線見圖3。

圖3結果表明，秋季平均干燥時間為72h，冬季為64h，春季為30h，夏季為28h。夏季干燥時間短，秋季干燥時間長與室內外溫度及空氣含水量差值有關，符合2.1結果。較以往報道，太陽能與干空氣共同干燥明顯縮短了干燥時間。

圖3 不同季節(jié)脫水曲線Fig.3 Drying curves under different seasons

2.2.2 夜間濕差脫水分析 為獨立研究干空氣輔助脫水能力，排除太陽能作用的效果，將150kg娃娃菜于11:00放入干燥室，開啟進出風機，在太陽能干燥室中進行脫水干燥。于夜間(20:00～次日5:00)，每1/2h監(jiān)測記錄室內外空氣溫濕度，轉化為空氣含水量。由2.2.1結果可知，秋冬季干燥時間大約為3d，春夏季干燥時間約為1.5d，故以冬夏為例研究夜間空氣干燥情況，實驗結果見圖4。

由圖4結果可知，在夜間沒有太陽提供能量時，室外空氣含水量均低于室內，且室內外空氣含水量趨于穩(wěn)定，說明室外干空氣可以穩(wěn)定地輔助太陽能進行脫水。其中，冬季夜間室外平均空氣含水量為1.23g/kg，室內空氣含水量隨著物料脫水的進行逐漸降低。

結合圖3、圖4，冬季白天(6:00～19:00)共脫水106.3kg，夜間及早晨(20:00～次日5:00)共脫水29.7kg，夜間及早晨脫水量占總脫水量的22%。說明在太陽能間歇期，利用干空氣濕差脫水，完成了超過1/5的脫水量。夏季白天共脫水127.5kg，夜間及早晨共脫水8.7kg，夜間及早晨脫水量占總脫水量的6.4%。夏季夜間濕差脫水量較低，主要是由于溫度高、干燥速度快，大部分水分已在白天脫除的緣故。實驗表明濕差脫水能夠有效輔助太陽能干燥過程。

2.2.3 濕差脫水效果 由于白天太陽提供的熱能傳遞給空氣，熱空氣進一步對物料進行脫水，濕熱交換后，濕空氣由排濕風機排出，故將太陽能干燥與干空氣輔助干燥看作同一過程研究，在脫水車間內于不同季節(jié)進行滿載濕差脫水實驗，每1/2h觀測脫水車間空氣進出口溫濕度數(shù)值，利用焓濕圖計算軟件計算空氣含水量，取平均值，結果見表2。

表2 進出口空氣含水量Table 2 Air humidity at the inlet and outlet

由于干燥室密閉，故可根據(jù)進出口風機風量結合空氣含水量，計算理論干燥時間，計算過程如下。

蒸發(fā)1kg水所需的干空氣質量M(g)用公式(1)計算:

式中:d2為出口空氣含水量，d1為進口空氣含水量，把表2數(shù)據(jù)代入式(1)中。

圖4 夜間室內外空氣含水量Fig.4 Air humidity both inside and outside in the night

式中:U為空氣比容(m3/kg)，U隨空氣溫濕度變化，結果見表3。

表3 干空氣的比容和蒸發(fā)1kg水所需空氣體積Table 3 The specific volume of dry air and the air volume for evaporating 1kg water

進風口的風量(L)為1600m3/h，用150kg娃娃菜進行滿載脫水實驗，脫至含水量為10%結束，脫水量為141kg。濕差脫水理論時間(T0)用公式(3)計算:

結果見表4。從表4可知，理論干燥時間低于實際干燥時間。主要是由于娃娃菜組織對水分的束縛，降低了水分的散失速度。四季的干燥效率都在80%左右，說明脫水車間在四季都能穩(wěn)定進行濕差脫水。

表4 不同季節(jié)的干燥效率Table 4 Drying efficiency in different seasons

2.3 干燥曲線數(shù)學模型

2.3.1 薄層干燥方程 娃娃菜干制在太陽能脫水車間中進行，根據(jù)干制特點選用薄層模型，其一般形式為MR=(Mt-Me)/(M0-Me)，本文選用Cubic模型進行擬合，即

式中:t-干燥時間(h);MR-水分比;Mt-t時刻物料的濕基含水率(%);M0-物料濕基初始含水率(%);Me-娃娃菜的濕基平衡含水率(%);b0，b1，b2，b3-為待定常數(shù)。

2.3.2 方程的擬合 利用spss17.0軟件對本次實驗結果進行非線性模型擬合，并進行顯著性檢驗。結果如表5所示。

表5 參數(shù)估計及其顯著性檢驗Table 5 Parameter estimation and test of significance

由方差分析可知，模型在1%置信水平下均為極顯著，所有模型R2＞0.985，說明模型與實驗值擬合的非常好。擬合曲線見圖5。

圖5 不同季節(jié)擬合曲線Fig.5 Fitting curve in different seasons

2.4 太陽能干燥能耗

太陽能與干空氣聯(lián)合干燥過程中，消耗的主要為電能，用到的電器有:SF2.5-4R軸流風機1個，功率200W;YY63-4申奇牌軸流風機2個，總功率180W;其它電器設備功率100W。消耗的電能Q用公式(5)計算:

式中:P為使用的電器設備功率(W)，T為電器設備的使用時間(h)。結果見表6。

從表6可知，脫水車間在春夏季節(jié)能耗較小，秋季能耗最大。以CT-CIV熱風循環(huán)烘箱干燥為例，干燥150kg娃娃菜需耗能64.8 kW·h。節(jié)能率用公式(6)計算:

將表6的數(shù)據(jù)代入式(6)中，公式(6)計算結果為:夏季將最大節(jié)能79%，秋季最小節(jié)能47%。

表6 不同季節(jié)干燥能耗Table 6 The drying energy consumption in different seasons

3 結論

太陽能脫水車間內外空氣含水量差異顯著，適合一年四季連續(xù)工作。太陽能脫水車間夜間利用干空氣可以穩(wěn)定的進行濕差脫水。太陽能脫水車間能夠有效利用空氣濕差脫水，干燥效率全年保持在80%左右。太陽能脫水車間節(jié)能效果明顯，最大節(jié)能率達到79%。實驗結果表明，Cubic模型可以較好地描述水分比隨干燥時間變化的關系。

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Research of humidity difference dehydration technology in solar drying chamber

MA Bao-long1，ZHANG Yong-mao2，*，BI Yang1，ZHANG Hai-yan2，ZHANG Fang2
(1.College of Food Science and Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China;2.Institute of Agricultural Product Storage and Processing Research，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China)

TS205.9

A

1002-0306(2012)12-0349-04

2011-08-25 *通訊聯(lián)系人

馬寶龍(1986-)，男，碩士研究生，研究方向:農產(chǎn)品貯藏及加工工程。

國家“十一五”科技支撐計劃(2007BAD52B03);科技部2007年農業(yè)科技成果轉化資金項目(2007GB2G100323);甘肅省2008年重大科技專項(0801XKDA027);公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(nyhyzx07-024);現(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項資金。