小黃魚熱泵干燥工藝及設備選型分析

吳耀森，劉 軍,3，李浩權，龍成樹，龔 麗

（1.廣東省現代農業(yè)裝備研究所，廣州 510630；2.廣東省農產品干燥加工工程重點實驗室，廣州 510630；3.中南林業(yè)科技大學機電工程學院，長沙 410004）

小黃魚熱泵干燥工藝及設備選型分析

吳耀森1,2，劉 軍1,2,3，李浩權1,2，龍成樹1,2，龔 麗1,2

（1.廣東省現代農業(yè)裝備研究所，廣州 510630；2.廣東省農產品干燥加工工程重點實驗室，廣州 510630；3.中南林業(yè)科技大學機電工程學院，長沙 410004）

研究了不同熱泵干燥溫度下小黃魚的干燥特性，并對其干燥品質進行分析。結果表明在干燥溫度55℃、鋪放密度為6.48 kg/m2的條件下干燥時間為13.5 h，干燥品質最優(yōu)。在綜合考慮能耗、企業(yè)加工條件和產品品質的前提下，將生產工藝參數確定為：干燥溫度60℃、鋪放密度為6～7 kg/m2，干燥時間為10～12 h。根據企業(yè)日處理量5.5～6.0 t的加工要求，通過對產能核算及加工成本計算，確定設備選型方案為：1臺GHRH-510型熱泵干燥機與2臺GHRH-340型熱泵干燥機，該方案投資回報期短，社會效益明顯。

熱泵干燥 工藝參數 設備選型 小黃魚

0 引言

小黃魚（Larimichthys polyactis）隸屬于鱸形目（Perciformes），石首魚科 （Sciaenidae），黃魚屬（Pseudosciaena Bleeker），俗名厚鱗仔，小黃瓜，黃花魚，古魚，大眼，花魚[1]。2012年我國小黃魚產量達400 615 t，主要產地為遼寧、浙江、山東和江蘇[2]。新鮮小黃魚含水量達75%～80%，需要采用適當的方式來解決小黃魚在捕撈、運輸、貯藏及銷售過程中發(fā)生腐爛質變等問題。目前，水產品的加工方式主要有冷加工和干燥加工。其中，冷加工能較好保存小黃魚原味，但其投資和運營成本高[3,4]。運用科學的干燥方法對新鮮水產品進行加工是很有必要的。干燥脫水后降低水分活度，可以防止變質和延長貯藏期，且干燥后體積小，質量輕，運輸及貯藏成本低。水產品傳統(tǒng)干燥方法主要是曬干和熱風干燥，曬干周期長，易受環(huán)境影響，干燥質量較差；而熱風干燥縮短了加工周期短，相對干燥品質較好，但是能耗較高、環(huán)境濕度大時品質不穩(wěn)定[5]。

熱泵干燥是利用熱泵從低溫熱源中吸收熱量，將其在較高溫度下釋放從而對物料進行干燥的方法。與傳統(tǒng)干燥相比，熱泵干燥充分利用了干燥排出的水蒸汽潛熱，進行回收，能耗低，是一種節(jié)能型新技術[6,7]。同時，熱泵干燥過程中是密閉的系統(tǒng)，可避免水產品中不飽和脂肪酸的氧化和表面發(fā)黃等現象發(fā)生，保證產品品質[8]。國內研究者采用響應面法對小黃魚（每尾約50 g）進行了熱泵-熱風聯合干燥技術的優(yōu)化，同時對魚干的貨架期進行了預測[9,10]。劉沖[11]在傳統(tǒng)烘烤小黃魚制作工藝的基礎上進行改進。本文通過研究熱泵干燥不同溫度對小黃魚干燥速度及品質的影響，以干燥工藝為參考，對干燥設備選擇方案進行分析，最終確定設備選型方案以滿足企業(yè)加工要求。

1 熱泵干燥原理及設備簡介

熱泵干燥系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由熱泵系統(tǒng)（蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、節(jié)流閥等）、物料干燥室、供氣系統(tǒng)（風機及管道）組成。其中用于干燥的熱泵系統(tǒng)主要采用逆卡諾循環(huán)原理，壓縮機將制冷劑壓縮，成為高溫高壓的氣體進入冷凝器，制冷劑冷在冷凝器里冷凝液化釋放出高溫熱量，為干燥系統(tǒng)提供熱能，而冷凝后的制冷劑成為液態(tài)，經過膨脹閥膨脹，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，轉化成低溫低壓的氣體，氣態(tài)工質重新流回到壓縮機，完成熱泵工質的閉路循環(huán)過程[12,13,14]。

圖1 熱泵干燥系統(tǒng)示意圖Fig.1 Heat pump drying system diagram

熱泵最主要的性能指標是制熱系數，可用符號COP表示，制熱系數一般定義為：

當制熱系數COP=4時，熱泵系統(tǒng)的能流圖如圖2。從圖中可以直觀的看出，熱泵的優(yōu)點就是消耗較少電能來獲得成倍的有用能，是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的干燥設備。

圖2 熱泵系統(tǒng)的能流圖Fig.2 The energy flow diagram of a heat pump system

2 材料與方法

2.1 材料

冰凍小黃魚（經開膛、去頭、去內臟和腌制脫脂處理，每尾重約10 g）由浙江寧波蘭洋水產食品有限公司提供，測得初始水分為73.93%。

2.2 實驗設備

試驗設備配備見表1。

2.3 實驗方法

2.3.1 干燥前處理

取一袋小黃魚，連包裝一起流水解凍，充分解凍后測出總凈重，均勻鋪放在篩盤上，單層平鋪，并計算鋪放密度。

表1 試驗設備一覽表Tab.1 Test equipment list

2.3.2 不同熱泵干燥溫度對小黃魚干燥的影響

將小黃魚分別在熱泵干燥溫度為50℃，55℃，60℃，風速為1.0 m/s的干燥條件下進行干燥，每30 min測定其質量的變化，并記錄實驗數據。

2.3.3 水分含量測量

采用賽多利斯水分測定儀MA150測量水分。

2.3.4 復水比測定

隨機選取3尾小魚干放于1 000 ml燒杯中加熱水500 ml，調節(jié)溫度40℃，置于40℃恒溫水浴鍋復水2 h，前1 h每10 min測量一次質量，后1 h每20 min測量一次質量，測量時應用濾紙吸干表面水分[15]。復水比定義為：

式中 M1為魚干初始質量；M2為復水后魚干質量。

2.3.5 色差值測定

采用DC-P3型全自動測色色差計來測定小黃魚干的色差值，隨機挑選3尾小黃魚測量其色差值，測量3次，取平均值。

2.3.6 感官評定

在50℃，55℃，60℃不同的溫度條件下干燥的成品，進行感官評定，由5名專業(yè)人員對樣品進行客觀的評分，分別對干燥小黃魚的氣味、顏色、形態(tài)、表面、魚皮進行評定，每項20分，共100分，評分標準見表2。

表2 小黃魚感官評分標準Tab.2 Dried Larimichthys polyactis sensory evaluation scoring criteria

3 結果與討論

3.1 干燥溫度對小黃魚干燥速度的影響

圖3 小黃魚熱泵干燥曲線Fig.3 The heat pump drying curve of Larimichthys polyactis

圖3 為在50℃，55℃，60℃不同熱泵溫度條件下小黃魚含水率隨時間的變化曲線。從圖中可看出，溫度越高，達到要求水分的時間越短。溫度越高，物料內外形成的水分梯度越大，表面水分蒸發(fā)快，水分由內部向表面遷移越快，整體干燥速度越快。雖然提高溫度可以在一定范圍內增加干燥速率，根據資料介紹，當溫度高于75℃時，魚類蛋白質將全部變性[16]導致結構變化，從而降低整體的干燥速度。但溫度過低水分揮發(fā)較慢，干燥周期變長，在一定程度上影響了加工效率與品質。從生產實際來看，一般要求小黃魚干燥時間不超過12 h。選擇適當的干燥速率，可以既保證干燥品質，又能滿足實際生產需求。

3.2 干燥溫度對小黃魚復水性的影響

復水比是反應干制品復水能力強弱的重要指標。圖4是小黃魚復水曲線，隨著復水時間延長，復水比逐漸增大，復水50 min左右達到平衡。不同干燥溫度條件下小黃魚干的復水比在43.3%～47.6%之間，變化不明顯，說明在實驗溫度范圍內，改變溫度對小黃魚的復水性影響不明顯。

3.3 干燥溫度對小黃魚感官及色差的影響

表3和圖5表明干燥溫度越低，色差值越小，感官評分越高，即干燥溫度在一定程度上影響產品色澤和外形。干燥溫度越低，褐變反應越慢，且熱泵提供相對密封的干燥環(huán)境，這也是保證產品較高品質的一個因素。在實驗干燥溫度（50～60℃）范圍內，所得小黃魚干品感官評分均高于80分，說明熱泵中溫干燥適合于小黃魚干燥加工，具有很好的應用價值。

圖4 小黃魚復水曲線Fig.4 The curve of rehydration of dried Larimichthys polyactis product

圖5 干燥溫度對小黃魚干感官評分的影響Fig.5 The quality of Larimichthys polyactis dried at different temperatures scored by sensory evaluation

表3 小黃魚干的色差值Tab.3 Color difference value of Larimichthys polyactis under different temperature

3.4 小結

水產品干燥是延長其貯藏時間的重要方法，傳統(tǒng)干燥工藝的不足越來越難以滿足高度關注食品安全的現有國情。同時，在全球能源緊張和低碳環(huán)保的背景下，新型干燥工藝和設備是解決當前問題的關鍵，而熱泵干燥具有低能耗、高品質的優(yōu)點是很好的選擇。同時，實驗證明熱泵干燥在小黃魚干加工中的應用具有可行性，在相對較低的能耗下能夠獲得較高的干燥品質，滿足相關企業(yè)的需求。

4 熱泵干燥設備選型設計及可行性分析

結合企業(yè)實際加工需求和實驗所得工藝要求出成率30%，干燥時間要求10 h，日處理量5.5～6.0 t。根據日處理量和工藝要求選擇1臺GHRH-510型熱泵干燥機與2臺GHRH-340型熱泵干燥機。

4.1 熱泵干燥設備介紹及經濟性分析

GHRH系列熱泵干燥溫度范圍為35～63℃，可分段自動控溫控濕；采用PLC和觸摸屏，15種工藝供用戶設置選用，每種工藝可分50段智能自動控制，具有自動記錄干燥過程的溫度、濕度和風速等數據功能，并具有輸出CSV報表功能。結構簡圖如圖6所示。

圖6 GHRH系列熱泵干燥設備簡圖Fig.6 GHRH series heat pump dry equipment sketch

4.2 產能及加工成本核算

GHRH型熱泵干燥機平均脫水比能耗為2 kg水/kW·h。以GHRH-510為列，平均除水能力165 kg/h，按每天工作10 h計算，即每天除水量為1 650 kg，則每批總裝料量=1 650 kg÷（1-30%）= 2 357 kg≈2.3 t（30%為出成率），成品質量為707 kg，總耗電量為825 kW·h，電費按1.00元/kW·h計算，得出產品加工成本為1.17元/kg。

4.3 社會效益

GHRH系列熱泵除濕干燥機通過對流過物料后的熱空氣進行除濕、加熱后再回流向物料再次干燥的除濕速率控制技術和空氣回熱技術，干燥能耗較傳統(tǒng)熱風干燥降低50%。而且整個干燥過程為閉式干燥，基本沒有廢氣排放。利用GHRH系列熱泵除濕干燥機如每年加工1 650 t小黃魚，節(jié)約標準煤6 567 t，減少二氧化碳排放16 400 t。

4.4 設備投資與回報期

企業(yè)現有加工設備生產小黃魚干的成本為1.64元/kg，用熱泵干燥機干燥生產小黃魚干成本為1.17元/kg。GHRH-510型熱泵干燥機裝機售價為55萬元，GHRH-340型熱泵干燥機裝機售價為40萬元。

該企業(yè)用3臺熱泵干燥機日處理小黃魚原料5 500 kg，日得小黃魚干1 650 kg，年產小黃魚干495 t（以300 d計）。3臺熱泵干燥機總投資為135萬元（55萬元+40萬元×2=135萬元）。與現有加工設備相比，用熱泵干燥機加工，每年可節(jié)省加工成本23萬元（495 t/年×（1.64元 /kg-1.17元/kg）=23萬元），每年因產品品質改善增值49.5萬元（增值按1元/kg產品計）。僅以產品增值和節(jié)約加工成本來折算，設備投資回收期為：135萬元÷（23+49.5）萬元/年=1.86年，即投資回報期低于2年，短期經濟效益顯著。

[1]劉增勝，李書民.中國漁業(yè)年鑒[M].北京：中國農業(yè)出版社，2012.

[2]潘迎捷.水產辭典[M].上海：上海辭書出版社，2007：284-353.

[3]沈月新.水產食品學[M].北京：中國農業(yè)出版社，2000：199.

[4]段振華.水產品干燥技術研究[J].食品研究與開發(fā)，2012（5）.

[5]潘永康，王喜忠.現代干燥技術[M].化學工業(yè)，2007.

[6]Colak N,Hepbasli A.A review of heat pump drying:Part 1-Systems,models and studies[J].Energy Conversion and Management,2009,50:2180 -2186.

[7]鄭春明.熱泵在農副產品干燥中的應用[J].農機與食品機械，1997（2）：26-28.

[8]錢炳俊，蘇樹強，連之偉，等.熱泵干燥技術在水產品加工應用中的研究概況[J].浙江農業(yè)科學，2010（4）.

[9]孫嬡，謝超，何韓煉.響應面法優(yōu)化熱泵-熱風聯合干燥小黃魚（Pseudosciaena polyactis）的節(jié)能參數[J].海洋與湖沼，2013（5）.

[10]孫嬡，謝超，何韓煉.東海小黃魚（Pseudosciaena polyactis）熱泵-熱風聯合干燥技術優(yōu)化及品質分析[J].海洋與湖沼，2013（4）.

[11]劉沖.即食小黃魚制品的開發(fā)和研究[D].杭州：浙江大學，2012.

[12]張進疆，劉清化，吳耀森，等.稻谷熱泵干燥技術與裝備[J].現代農業(yè)裝備，2012（7）.

[13]張進疆，吳耀森，劉清化，等.廣式臘腸熱泵除濕干燥生產性應用研究[J].現代農業(yè)裝備，2013（2）.

[14]張艷來，尹凱丹，龍成樹，等.熱泵技術在我國農產品干燥中的應用及展望[J].農機化研究，2014（5）.

[15]張國琛，毛志懷，牟晨曉，等.微波真空干燥扇貝柱的物理和感觀特性研究[J].農業(yè)工程學報，2004（3）.

[16]范三紅，劉曉華，胡雅喃，等.加熱處理對魚肉蛋白質理化特性的影響[J].食品工業(yè)科技，2014（12）：104-107.

Larimichthys Polyactis Heat Pump Drying Process and Equipment Selection Analysis

Wu Yaosen1,2,Liu Jun1,2,3,Li Haoquan1,2,Long Chenshu1,2,Gong Li1,2
(1.Guangdong Agricultural Machinery Research Institute,Guangzhou 510630,China；2.Key Lab of GD for Agricultural Products Dry Processing Engineering,Guangzhou 510630,China 3.College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University of Forestry and Technology Changsha 410004,China.)

This paper studies the drying characteristics of Pseudosciaena polyactis under different heat pump drying temperatures,analyze the drying quality.The results show that the best dry quality is got under the drying temperature 55℃,placement density 6.48 kg/m2and drying time is 13.5 hours.Comprehensive considerate energy consumption,enterprise processing conditions and product quality production process parameters determined as：drying temperature 60℃,placement density of 6～7 kg/m2,drying time is 10 to 12 hours.According to calculating capacity and processing costs the equipment options is one GHRH-510 and two GHRH-340 heat pump dryer to meet the enterprise processing requirements of daily processing capacity of 5.5～6.0 t,access to better social benefits and short-term return on investment.

heat pump drying,parameters,equipment selection,Larimichthys polyactis

廣東省科技計劃項目（2012A080103013）。

吳耀森(1979-)，男（漢族），廣東，碩士，高級工程師，主要從事農產品加工裝備的研發(fā)及推廣應用。E-mail:scutwys@163.com