海帶干燥系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

朱 燁，江 濤，洪 揚(yáng)，鄒海生，邢精珠

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200092)

海帶采收后需進(jìn)行干燥[1-4]、鹽漬[5-7]等處理，以保證海帶新鮮度和存儲(chǔ)周期。大部分海帶采用鹽漬處理的方法：海上收菜、洗滌、95 ℃蒸煮(殺青)、冷卻、控水、加鹽30%攪拌、腌漬、鹵水洗滌、脫水、整理、稱量、包裝、貯存，而后根據(jù)客戶要求加工鹽漬海帶結(jié)、片、絲[8]。鹽漬海帶操作工藝已很成熟。而海帶干燥處理技術(shù)及工藝流程還不夠成熟，大部分是以露天沙地晾曬為主，品質(zhì)很難保證，天氣變化對(duì)海帶干燥有很大影響。江濤等[9]在大型海藻干燥方面有相關(guān)研究，對(duì)國(guó)內(nèi)藻類干燥進(jìn)行展望，并提出了建議。胡光華等[10]在龍須菜加工中采用熱泵太陽(yáng)能組合干燥的新模式，提出了可行性方案和設(shè)想，但未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)有針對(duì)海帶干燥方面的研究較少，朱燁等[11]在前期理論研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種基于海帶太陽(yáng)能輔熱耦合干燥系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由熱泵系統(tǒng)、太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)、陽(yáng)光棚組成。

海帶太陽(yáng)能輔熱耦合干燥系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中取得了良好的效果，但也發(fā)現(xiàn)了諸如能耗稍大、保溫性不高、海帶部分干燥不均勻等問(wèn)題。為了進(jìn)一步提高干燥系統(tǒng)中陽(yáng)光棚內(nèi)風(fēng)道風(fēng)速的均勻性和高效性，本文對(duì)原陽(yáng)光棚的風(fēng)道結(jié)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)和保溫性進(jìn)行了改進(jìn)，構(gòu)建了自然晾曬+儲(chǔ)熱+熱泵干燥耦合模式并進(jìn)行效果試驗(yàn)。

1 干燥系統(tǒng)(陽(yáng)光棚)的改進(jìn)

1.1 風(fēng)道改進(jìn)

風(fēng)道結(jié)構(gòu)是海帶干燥的最重要機(jī)構(gòu)，其可保證海帶干燥的均勻性和高效性。改進(jìn)前陽(yáng)光棚的引風(fēng)風(fēng)道是由多個(gè)可拆卸導(dǎo)風(fēng)板按照每隔20 cm的間距均勻分布的。因?yàn)楹Ц孔詈?，上部進(jìn)風(fēng)更容易將根部干燥，可對(duì)海帶進(jìn)行較均勻干燥。改進(jìn)前引風(fēng)風(fēng)道設(shè)計(jì)如圖1a所示。

圖1 改進(jìn)前后的風(fēng)道圖

在試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)部分海帶干燥不均勻的現(xiàn)象，經(jīng)風(fēng)速傳感器測(cè)量得出，各導(dǎo)風(fēng)板下方風(fēng)速相差很大。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖1b所示，由于原可拆卸導(dǎo)風(fēng)板之間的間歇是等距離的，但鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)向是不定的，而且由于風(fēng)道和風(fēng)速等問(wèn)題，導(dǎo)致中排風(fēng)速比后排風(fēng)速大。主要改進(jìn)內(nèi)容：(1)改變?cè)械木挚刹鹦秾?dǎo)風(fēng)板的結(jié)構(gòu)，按風(fēng)速調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)板間距，測(cè)得靠?jī)?nèi)側(cè)的風(fēng)速小，需增加內(nèi)側(cè)導(dǎo)風(fēng)板間距；(2)在干燥室中部，最上部加入可調(diào)引風(fēng)板，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)向下吹，讓后兩排海帶能更好受熱。

1.2 海帶受熱面改進(jìn)

原海帶懸掛方式是用夾子夾住海帶根部，再將夾子系鉤在鋼絲繩上，鋼絲繩穿掛在干燥室兩側(cè)。采用原海帶懸掛方式，海帶受熱干燥時(shí)，海帶兩邊會(huì)向內(nèi)折皺、扭曲，導(dǎo)致中間部位被包裹在內(nèi)部，無(wú)法達(dá)到均勻受熱的目的；海帶收縮后，其兩邊與中間部位會(huì)粘在一起，會(huì)影響海帶后期的加工；同時(shí)對(duì)干海帶整體美觀度和海帶售賣有很大影響。改進(jìn)后的海帶懸掛方式則在原有的基礎(chǔ)上加兩個(gè)鋸齒夾，夾住海帶兩側(cè)，拉伸、展平，使得受熱面積加大，不僅讓海帶整體均勻受熱，而且還保證海帶板型，可為后續(xù)加工及售賣提供更好的保障。

1.3 陽(yáng)光棚保溫性改進(jìn)

保溫性能越好，干燥效率越高，能耗越低，所以保溫是干燥系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在烘干設(shè)備中，保溫性起到很大作用。在原試驗(yàn)[11]過(guò)程中熱泵提供的熱量一部分為烘房?jī)?nèi)部提供熱量，一部分則為散失的能量，同時(shí)隨著外界溫差越大其散失的能量越多，從而導(dǎo)致晚上或陰天烘干過(guò)程中，需要提供大量的能量，能耗增加。由于試驗(yàn)地環(huán)境氣溫早晚溫差大，原陽(yáng)光棚未加任何保溫措施，只通過(guò)8 mm厚透明PVC中空板保溫，保溫性受很大影響。改進(jìn)后的陽(yáng)光棚，采用橡塑海綿保溫材料，在光照度不足，或者雨天等溫差、濕差較大的環(huán)境下，可用橡塑海綿進(jìn)行保溫處理，減少熱散失，提高熱效率。圖2為原始陽(yáng)光棚(圖2a)和加保溫材料陽(yáng)光棚(圖2b)(以下簡(jiǎn)稱單因子干燥室)。

1.4 自然晾曬+儲(chǔ)熱+熱泵干燥耦合模式的構(gòu)建

原模式[22]需間斷性開(kāi)啟外排風(fēng)機(jī)，能耗高。相比于自然晾曬(圖3)，其操作方法將海帶懸掛在晾曬架上，利用自然光照及風(fēng)吹進(jìn)行干燥，減少能耗。考慮試驗(yàn)中環(huán)境因素、光照度、風(fēng)速的綜合影響，試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期的效果，在日曬+風(fēng)吹干燥1 d的條件下，測(cè)得其自然晾曬海帶含水率為60%。

當(dāng)光照度不足時(shí)，將半成品海帶送入單因子干燥室，通過(guò)設(shè)定溫度和干燥時(shí)間，可控制干燥室相對(duì)含濕量，從而保證海帶的含水率，使干海帶含水率為10%以下。故白天太陽(yáng)晾曬海帶，光照不足時(shí)進(jìn)行熱泵烘干，可節(jié)約能耗。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)道結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證改進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu)的均勻性，進(jìn)行風(fēng)速測(cè)試試驗(yàn)。選擇晴天的條件下，開(kāi)啟熱泵內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)，以2000 m3/h風(fēng)量，測(cè)得干燥室前、中、后段中的上、中、下各3組位置風(fēng)速，對(duì)比未調(diào)節(jié)風(fēng)道的數(shù)據(jù)。記錄結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖2 改進(jìn)前后的陽(yáng)光棚

圖3 海帶自然晾曬

從圖4可以看出改進(jìn)后前上、前中、后上、后中部分的風(fēng)速數(shù)據(jù)比原始的風(fēng)速提高，其中原干燥室內(nèi)前段的前上0.218 m/s、前中0.182 m/s的風(fēng)速小，是由于處于鼓風(fēng)口下方，而風(fēng)的方向是向后吹，且可拆卸導(dǎo)風(fēng)板間距小從而使得風(fēng)速較小，調(diào)節(jié)可拆卸導(dǎo)風(fēng)板間距測(cè)得風(fēng)速為前上0.468 m/s、前中0.384 m/s，是原風(fēng)速的2倍左右；原干燥室內(nèi)中段的后上0.268 m/s、后中0.124 m/s的風(fēng)速小，由于風(fēng)向是通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)直接送入風(fēng)道，直通消耗風(fēng)速，熱風(fēng)到達(dá)不了后部，故中部加可調(diào)引風(fēng)板，調(diào)節(jié)適當(dāng)角度，測(cè)得后上0.593 m/s、后中0.561 m/s，是原風(fēng)速的2倍左右。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算得到原始的前段、中段、后段風(fēng)速平均值分別為0.550、0.516、1.010 m/s，改進(jìn)后的前段、中段、后段風(fēng)速平均值分別為0.710、0.707、1.026 m/s，風(fēng)速有較明顯增強(qiáng)。

2.2 保溫性

保溫性優(yōu)化試驗(yàn)，外界溫度25 ℃，測(cè)試升溫時(shí)間和熱損失(未考慮濕空氣)(表1)。

m=ρV

(1)

Δt=t室內(nèi)-t室外

(2)

Q=CmΔt

(3)

公式中：m為空氣質(zhì)量(kg)；V為烘房體積，為16 m3；ρ為空氣密度，為1.29 kg/m3；C為空氣比熱容，為1.003 J/(kg·K)；t室內(nèi)為室內(nèi)溫度(℃)；t室外為室外溫度(℃)；Δt為溫差(℃)；Q為熱量散失(J)。

從表1可以看出，在45～50 ℃時(shí)，由于室內(nèi)外溫差較大，其降溫時(shí)間快，加了保溫材料后降溫時(shí)間有所延長(zhǎng)；在40～45 ℃時(shí)，單因子干燥室的降溫時(shí)間比原始的降溫時(shí)間增加16倍，熱損耗減少95%；當(dāng)降溫的溫度越低時(shí)，室內(nèi)和室外溫差變小，其熱擴(kuò)散速度變慢，所以在35～40 ℃時(shí)，熱損耗會(huì)減少，則降溫幅度會(huì)更小。綜上可以得出，單因子干燥室的效果明顯要好，熱損耗小。

2.3 自然晾曬+儲(chǔ)熱+熱泵干燥耦合模式

在山東榮成地區(qū)晴天環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試、整理，得出海帶干燥時(shí)外部環(huán)境溫度、濕度、光照度隨時(shí)間的變化，同時(shí)測(cè)得干燥室內(nèi)部的溫度、濕度變化過(guò)程。在13:30溫度達(dá)到最高28.7 ℃。表2為改進(jìn)后結(jié)構(gòu)和通風(fēng)+儲(chǔ)熱+熱泵干燥模式試驗(yàn)結(jié)果。烘干后測(cè)得，海帶根部(最厚部位)含水率為8.21%。

圖4 改進(jìn)前后干燥室內(nèi)風(fēng)速測(cè)量結(jié)果

表1 降溫測(cè)試結(jié)果

表2 自然晾曬+儲(chǔ)熱+熱泵干燥模式測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，在18:00之前，采用外界日曬和風(fēng)干形式進(jìn)行海帶干燥，所以單因子干燥室內(nèi)溫濕度和環(huán)境溫濕度大致相同；當(dāng)光照不足時(shí)，需將半成品海帶送入單因子干燥室內(nèi)繼續(xù)干燥；在18:00之后，開(kāi)啟熱泵對(duì)干燥室進(jìn)行加熱，干燥室內(nèi)相對(duì)濕度下降很快，說(shuō)明單因子干燥室保溫性能好，溫度越高，蒸發(fā)出水分越多，其相對(duì)濕度就會(huì)降低。

在干燥結(jié)束后，抽樣測(cè)量干海帶各部分含水率，發(fā)現(xiàn)含水率相對(duì)均衡，比原模式有所改善。證明調(diào)節(jié)風(fēng)板對(duì)改善干燥均勻性有作用。

表3 模式對(duì)比結(jié)果

從表3可以看出，采用通風(fēng)+儲(chǔ)熱+熱泵干燥海帶模式，可實(shí)現(xiàn)干燥室內(nèi)部烘干，無(wú)需再次搬運(yùn)，可減少勞動(dòng)力和干燥時(shí)間，但需要間斷性開(kāi)啟外排風(fēng)機(jī)，功耗較高。而采用自然晾曬+儲(chǔ)熱+熱泵干燥模式，可大大降低功耗，但外部晾曬風(fēng)干后，需再次放入單因子干燥室，會(huì)增加勞動(dòng)力和干燥時(shí)間。故后期確定了將兩種模式相結(jié)合的新型自動(dòng)干燥模式，既減少勞動(dòng)力，又降低了功耗。為中試干燥設(shè)備研制做基礎(chǔ)。

3 討論

本文通過(guò)對(duì)原系統(tǒng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)和保溫性進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示，改進(jìn)后的干燥系統(tǒng)新模式具有一定優(yōu)勢(shì)。

3.1 風(fēng)道結(jié)構(gòu)分析

海帶的葉狀體、柄、根狀物厚薄不同，在干燥過(guò)程中，薄的部位干得快，而干燥室內(nèi)風(fēng)向的不定性，更容易導(dǎo)致干燥不均勻的現(xiàn)象。利用風(fēng)速傳感器對(duì)干燥室內(nèi)各角度位置進(jìn)行測(cè)量，改進(jìn)可調(diào)風(fēng)板的間距大小，得到最優(yōu)風(fēng)速。從試驗(yàn)結(jié)果中得到，整體的平均風(fēng)速有明顯提高，其中前段的前上、前中、后上、后中，以及中段的前上、前中、前下、后上、后中最為明顯。本試驗(yàn)取得了一定效果，海帶干燥均勻性有所提高。調(diào)節(jié)風(fēng)板間距，得到前段的前上風(fēng)速為0.468 m/s，前中為0.384 m/s，雖然風(fēng)速有提高，但風(fēng)量不大，由于前段靠風(fēng)口處是死角，后期還需增加角落鼓風(fēng)機(jī)，消除盲點(diǎn)，提高海帶干燥均勻度，加快海帶干燥速度。

3.2 保溫性分析

保溫性是通風(fēng)+儲(chǔ)熱+熱泵干燥系統(tǒng)[12-13]重要因素之一，保溫性越好能耗越低。采用透明PVC中空板材料制作的陽(yáng)光棚，適合光照度高、濕度低的地區(qū)，干燥效果明顯[14-15]；但是山東榮成地區(qū)濕度高，早晚溫差大，熱損失多，無(wú)法滿足保溫效果，所以采用橡塑海綿保溫材料，增加陽(yáng)光棚的保溫性。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，熱損耗減少95%，保溫性得到提高。后期還需考慮外部環(huán)境因素，陽(yáng)光棚放在自然環(huán)境中，環(huán)境的溫濕度對(duì)加保溫材料的陽(yáng)光棚也有一定影響，若外界溫度很低，則熱損失會(huì)增加，所以適當(dāng)時(shí)候考慮放入室內(nèi)進(jìn)行干燥，使得熱損失最少。

3.3 未來(lái)海帶干燥技術(shù)分析

目前旅游項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，將逐漸限制海帶晾曬用地，傳統(tǒng)沙灘晾曬海帶的方式將發(fā)生變化；采用鍋爐、煤炭、煤油為介質(zhì)的方式進(jìn)行海帶干燥，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染大、能源消耗大等問(wèn)題[16]，未來(lái)將鼓勵(lì)使用潔凈能源[17]；而在酷暑的環(huán)境中沙灘曬海帶會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)人員突發(fā)性中暑，甚至影響生命安全。新的干燥方式應(yīng)該較好利用自然能源，在應(yīng)用過(guò)程中解決用地、能源、安全性問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，海帶干燥技術(shù)將不斷完善，干燥質(zhì)量也將大幅度提高，海帶的社會(huì)需求量也會(huì)越來(lái)越大。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)海帶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了一批新型干燥技術(shù)，采用紅外干燥、微波干燥等新型干燥技術(shù)[18-21]，產(chǎn)品品質(zhì)好，規(guī)范化程度高。但新型干燥技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品品質(zhì)之間存在著很大的矛盾。本文通過(guò)改進(jìn)與試驗(yàn)了一種新型、高效、節(jié)能的干燥模式(自然晾曬+儲(chǔ)熱+熱泵干燥)，解決了成本高的問(wèn)題，提高了對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能的利用率。當(dāng)光照不足時(shí)，采用熱泵及熱水箱儲(chǔ)熱等形式進(jìn)行干燥，符合低碳環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。測(cè)試結(jié)果顯示，改進(jìn)后的干燥室，采用可調(diào)節(jié)風(fēng)板，使得風(fēng)速均勻，測(cè)得前段和中段風(fēng)速提高2倍左右，整體的平均風(fēng)速也有明顯提高；用兩個(gè)鋸齒夾撐開(kāi)海帶兩側(cè)，使得干燥后的海帶比較平整，保證海帶板形；加蓋保溫層，在40～50 ℃時(shí)，降溫時(shí)間比原先增加9倍，保溫性能良好；干燥后的海帶具有品相好，顏色為墨綠色，保證有“太陽(yáng)味”的特性，同時(shí)干海帶含水率為8.21%，可滿足儲(chǔ)藏要求。