熱管—熱泵和紅外—熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用

李曉燕 - 強(qiáng)秋秋 - 樊博瑋 - 付 健 趙宜范 - 張麗紅 -

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

中國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，但農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)發(fā)展水平與國外相比，仍處于較低狀態(tài)，農(nóng)產(chǎn)品加工率僅60%，低于發(fā)達(dá)國家(80%)，加工和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比值為2.2∶1，低于發(fā)達(dá)國家的3.4∶1[1]。中國農(nóng)產(chǎn)品的低加工水平及低附加值已對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展造成較大影響[2]。農(nóng)產(chǎn)品加工過程中需要對(duì)食品進(jìn)行不同程度的干燥，以便后期運(yùn)輸、貯存和銷售[3-4]。

目前，熱泵干燥(heat pump drying，HPD)在農(nóng)產(chǎn)品干燥方面有著廣泛的應(yīng)用。熱泵采用逆卡諾循環(huán)原理，是一種將能量從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩?，并使能量品質(zhì)得到提升的裝置。熱泵干燥是一種節(jié)能干燥技術(shù)，在熱泵裝置的基礎(chǔ)上聯(lián)合冷凝除濕裝置，完成對(duì)熱濕空氣(干燥介質(zhì))能量回收的過程[5-6]。與其他干燥方式相比，熱泵干燥較溫和，能有效控制進(jìn)入干燥室內(nèi)空氣的溫度和濕度，使得干燥樣品表面水分的蒸發(fā)速度與內(nèi)部水分向表面遷移速度大致接近，制成品質(zhì)好、色澤好的干燥產(chǎn)品。同時(shí)，熱泵干燥系統(tǒng)的能效比在3.0左右，能源利用率高。此外，熱泵干燥使用范圍廣、環(huán)保無污染[7-8]。然而在熱泵干燥的中后期，干燥物料水分會(huì)降低，干燥速率變慢，干燥能耗增加，導(dǎo)致干燥產(chǎn)品發(fā)生氧化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，干燥產(chǎn)品品質(zhì)降低[9-10]。

單一的熱泵干燥技術(shù)已難以滿足干燥行業(yè)的需求，將熱泵干燥技術(shù)與其他干燥技術(shù)聯(lián)合是優(yōu)化干燥技術(shù)的新思路，如太陽能干燥技術(shù)、微波干燥技術(shù)、熱管余熱回收技術(shù)以及紅外干燥技術(shù)。其中，太陽能—熱泵干燥技術(shù)對(duì)太陽能依賴性較大，受地域性和天氣影響較大，也受不同時(shí)刻的太陽能輻射強(qiáng)度影響，制約了太陽能—熱泵干燥系統(tǒng)的推廣使用[11]。微波—熱泵干燥技術(shù)針對(duì)微波干燥在溫度控制以及干燥物料在吸收微波能的均勻性上仍存在較大問題，需深入研究，且生產(chǎn)成本較高，制約了其發(fā)展[12]。而熱管—熱泵干燥技術(shù)和紅外—熱泵干燥技術(shù)因其干燥品質(zhì)優(yōu)良、節(jié)能效果明顯，受到學(xué)者關(guān)注。

文章主要綜述熱管—熱泵干燥技術(shù)和紅外—熱泵干燥技術(shù)，通過分析兩種聯(lián)合干燥方式的干燥機(jī)理、干燥效率和干燥對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，探究熱管—熱泵干燥和紅外—熱泵干燥現(xiàn)存的問題，以期為優(yōu)化干燥農(nóng)產(chǎn)品提供幫助。

1 熱管—熱泵干燥技術(shù)

1.1 余熱回收式熱管

熱管是目前導(dǎo)熱能力最強(qiáng)的金屬傳熱元件之一，主要結(jié)構(gòu)包含蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能得益于管內(nèi)工作液體相變快速傳熱性質(zhì)。蒸發(fā)段吸收外界熱量驅(qū)動(dòng)其管芯內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)發(fā)生相變，使液態(tài)工質(zhì)相變?yōu)闅鈶B(tài)工質(zhì)。氣態(tài)工質(zhì)在蒸氣壓的作用下流向低壓的冷凝段，到達(dá)冷凝段后冷凝釋放汽化潛熱，并將熱量傳到管外環(huán)境?；诿?xì)虹吸效應(yīng)，冷凝的液體回流到蒸發(fā)段[13]，如此循環(huán)。熱管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1. 管殼 2. 吸液芯 3. 絕熱層 4. 管端板 5. 排氣口

熱管技術(shù)在回收利用傳統(tǒng)余熱方面有著非常大的潛力，尤其是應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥過程。由于振蕩熱管節(jié)能率高，運(yùn)行過程耗能少，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低，故張壁光等[14]提出采用振蕩熱管換熱器來回收木材干燥行業(yè)的余熱。肖旭霖等[15]采用熱管輔助射流干燥香菇，利用熱管回收余熱，明顯減少了能耗。厲從波等[16]設(shè)計(jì)了一種煙草干燥熱管換熱器，為煙草干燥工藝提供新的設(shè)計(jì)思路。周寧[17]將熱管技術(shù)運(yùn)用于茶葉的干制，發(fā)現(xiàn)熱管技術(shù)能將傳熱效率提高40%左右，并且大大改善了干燥品質(zhì)。周永光[18]利用熱管技術(shù)干燥油菜籽，回收利用柴油機(jī)排出的廢熱，減少了能耗。王龍龍等[19]開展了熱管干燥糧食試驗(yàn)，將熱管放置在換熱器頂部，有助于完成糧食干燥過程中的熱量回收。

1.2 熱管—熱泵干燥機(jī)理

熱管技術(shù)傳熱性能優(yōu)異，在熱泵干燥中能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)余熱的回收利用。熱管—熱泵干燥通過熱管換熱器完成對(duì)循環(huán)濕空氣中干燥介質(zhì)的預(yù)冷和預(yù)熱過程，當(dāng)干燥介質(zhì)通過熱管蒸發(fā)端時(shí)將被預(yù)冷至露點(diǎn)溫度，冷凝結(jié)露排出干燥室，而熱管冷凝端釋放的熱量能夠?qū)Ω稍锝橘|(zhì)預(yù)熱，提高進(jìn)入干燥室內(nèi)的空氣溫度，如圖2所示。由此可見，熱管—熱泵干燥系統(tǒng)在提高干燥介質(zhì)干燥能力、降低干燥能耗方面有著很大的優(yōu)勢。

1.3 熱管—熱泵干燥性能研究

熱管聯(lián)合熱泵技術(shù)于20世紀(jì)90年代已出現(xiàn)在木材干燥工藝中，中國學(xué)者主要研究如何提高干燥設(shè)備的除濕能力。金蘇敏[20]采用分離式熱管換熱器，發(fā)現(xiàn)熱泵干燥木材的除濕能力得到明顯提升，節(jié)約用電24%。為了解決常用豎直并聯(lián)式熱管換熱器冷凝端與蒸發(fā)端存在高度差，會(huì)造成風(fēng)管布置困難、氣流阻力大的問題，羅喬軍等[21]提出了一種水平排管式熱管換熱器，通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該熱管換熱器能有效提高干燥稻谷的干燥速率，可替代原有的豎直并聯(lián)式熱管換熱器進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品干燥加工。李永田等[22]對(duì)熱管和熱泵聯(lián)合技術(shù)在谷物干燥領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了節(jié)能分析，發(fā)現(xiàn)熱管聯(lián)合熱泵干燥技術(shù)相比于自然烘干節(jié)約費(fèi)用84%。

1. 干燥室 2. 冷凝器 3. 送風(fēng)機(jī) 4. 風(fēng)機(jī) 5. 貯液器 6. 壓縮機(jī) 7. 熱管換熱器冷凝段 8. 蒸發(fā)器 9. 熱管換熱器蒸發(fā)段

圖2 空氣回?zé)衢]式熱泵干燥系統(tǒng)示意圖

Figure 2 Diagram of heat pump drying system with air heat recovery

在大型糧食干燥過程中，傳統(tǒng)干燥工藝采用燃煤干燥，換熱介質(zhì)熱空氣僅與物料進(jìn)行一次換熱后直接排放到大氣中，浪費(fèi)能源，同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成了一定程度的污染。李偉釗等[23]設(shè)計(jì)了熱管聯(lián)合多級(jí)串聯(lián)熱泵干燥系統(tǒng)，結(jié)果表明，聯(lián)合熱泵系統(tǒng)干燥速率達(dá)2 016 kg/h，系統(tǒng)能耗為538 kW·h，除濕能耗比達(dá)3.75 kg/(kW·h)。結(jié)合目前干燥塔現(xiàn)狀，燃煤干燥玉米除濕量為732 kg/h，而聯(lián)合熱泵干燥玉米除濕量為2 016 kg/h，聯(lián)合熱泵干燥大大增強(qiáng)了廢熱的回收能力，能有效降低系統(tǒng)能耗，且整個(gè)閉式干燥系統(tǒng)能隔絕廢氣直接排放到環(huán)境中，從而保護(hù)環(huán)境。

2 紅外—熱泵干燥技術(shù)

2.1 紅外—熱泵干燥機(jī)理

熱泵干燥依靠熱風(fēng)由表及里對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行干燥，但該干燥方式會(huì)阻礙干燥的均勻性，且在熱泵干燥后期，農(nóng)產(chǎn)品中水含量降低，物料內(nèi)部和表面溫度梯度增大，干燥速率減小。遠(yuǎn)紅外是指波長在5.6～1 000.0 μm的電磁波，其在干燥行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，如對(duì)煙葉、玉米、香蕉等農(nóng)產(chǎn)品加工[24-26]。紅外干燥主要利用遠(yuǎn)紅外輻射(far-infrared radiation，F(xiàn)IR)的電磁波能量從加熱元件快速轉(zhuǎn)移到干燥物料內(nèi)部1～3 mm處[27]，使物料表面水分快速蒸發(fā)，在不加熱周圍空氣的情況下使物料受熱更快速、更均勻，抑酶、抑菌效果良好，能提供優(yōu)質(zhì)的干燥產(chǎn)品[28-30]。將紅外干燥技術(shù)與熱泵干燥技術(shù)聯(lián)合進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，不僅能提高干燥速率，還能提升干燥產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化干燥效果[31]。紅外—熱泵干燥前期采取熱泵低溫除濕干燥，以便更好地保持干燥物料的熱敏性活性成分，而在干燥后期采用遠(yuǎn)紅外輻射干燥，有利于提高干燥速率，減少干燥能耗。遠(yuǎn)紅外聯(lián)合熱泵干燥裝置原理圖見圖3。

1. 冷凝器 2. 壓縮機(jī) 3. 干燥室 4. 遠(yuǎn)紅外加熱器 5. 計(jì)算機(jī) 6. 直流穩(wěn)壓電源 7. 數(shù)據(jù)采集模塊 8. 循環(huán)風(fēng)機(jī) 9. 排水口10. 蒸發(fā)器 11. 節(jié)流閥

圖3 遠(yuǎn)紅外聯(lián)合熱泵干燥裝置原理圖

Figure 3 Schematic diagram of far-infrared combined heat pump drying device

2.2 紅外—熱泵干燥效率

干燥效率是優(yōu)化干燥工藝的重要參數(shù)之一，近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)干燥過程除濕效率進(jìn)行了深入研究。宋小勇等[32]以濕毛巾為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)紅外聯(lián)合熱泵干燥較單一熱泵干燥的除濕能力分別提高8.1%，15.7%，22.2%。宋小勇[33]又以鐵棍山藥為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)鐵棍山藥的水分?jǐn)U散率與紅外加熱功率的大小呈正相關(guān)，加熱功率越大，鐵棍山藥干燥效率越好。Nachaisin等[34]研究紅外干燥糙米時(shí)發(fā)現(xiàn)，在紅外干燥初期有效水分?jǐn)U散率隨糙米含水率的降低而增加，當(dāng)糙米含水率接近臨界含水量時(shí)，有效水分?jǐn)U散率逐漸下降。Thuwapanichayanan等[35]基于隨溫度t變化的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff的Arrhenius方程建立了耦合傳熱傳質(zhì)模型，并指出，當(dāng)Deff為0.41×10-10～1.43×10-10m2/s時(shí)，該模型能夠較好地預(yù)測蒜末含水量和內(nèi)部溫度的變化規(guī)律；在進(jìn)行紅外—熱泵干燥蒜末試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，前期熱泵干燥階段對(duì)蒜末水分含量的影響無顯著性差異，而后期的紅外干燥階段干燥后樣品內(nèi)部溫度較高，與熱泵干燥相比，其含水率降低更快，干燥效率得到明顯提高。Nathakaranakule等[36]對(duì)紅外—熱泵干燥龍眼進(jìn)行干燥能耗效率分析(表1)，發(fā)現(xiàn)HP55+FIR450比HP55的比能耗更低。

表1不同干燥工藝的比能耗?

Table 1Specific energy consumption of different drying processes

干燥方法干燥時(shí)間/h比能耗/(MJ·kg-1)HP 55 ℃15.555.98HP 55 ℃+FIR250 W12.040.07HP 55 ℃+FIR350 W11.034.02HP 55 ℃+FIR450 W9.527.86

? HP表示熱泵溫度；FIR表示紅外功率。

2.3 紅外—熱泵干燥對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)影響

不同的干燥工藝條件對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響不同，干燥品質(zhì)越高其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值也越大。在魷魚干燥過程中，主要營養(yǎng)物質(zhì)蛋白質(zhì)是衡量其干燥品質(zhì)好壞的重要指標(biāo)，而揮發(fā)性鹽基總氮(TVB-N)是國內(nèi)外評(píng)價(jià)魚的質(zhì)量指標(biāo)。汪岳剛等[37]對(duì)比了熱泵干燥和100，500，800 W紅外熱泵干燥4種不同的干燥方式對(duì)魷魚片中蛋白質(zhì)和揮發(fā)性鹽基總氮含量的影響，發(fā)現(xiàn)紅外輻射板溫度對(duì)魷魚片TVB-N值無顯著差異。Antonio等[38]在用熱風(fēng)干燥魷魚時(shí)，發(fā)現(xiàn)TVB-N值隨空氣干燥溫度的升高而顯著增加。Wang等[39]研究發(fā)現(xiàn)，干燥后魷魚的必需氨基酸和非必需氨基酸含量無明顯變化，Deng等[40]采用紅外—熱泵干燥魷魚時(shí)也得出了類似的觀察結(jié)果。Wang等[39]還發(fā)現(xiàn)， 100 W紅外—熱泵干燥造成的魷魚片氨基酸質(zhì)量損失最小，此條件更適合魷魚片的干燥。Luo等[41]研究結(jié)果表明，與干燥溫度39 ℃的單一熱泵干燥相比，紅外加熱溫度90 ℃、熱泵加熱溫度39 ℃、轉(zhuǎn)換含水率55%時(shí)，紅外—熱泵干燥中綠原酸、木犀草苷、花色苷含量分別增加了3.3%，0.6%，1.3%，金銀花褐變度降低了4.1%。

3 存在的問題及展望

(1) 紅外—熱泵干燥系統(tǒng)中，熱泵干燥屬于聯(lián)合干燥的前一階段，而聯(lián)合干燥的后一階段為紅外干燥。紅外輻射板的溫度對(duì)干燥產(chǎn)品的水分?jǐn)U散率、結(jié)構(gòu)以及干燥樣品所含的營養(yǎng)物質(zhì)均會(huì)產(chǎn)生影響，而紅外輻射板存在較大的熱慣性，容易造成超過設(shè)定溫度范圍進(jìn)而損壞干燥物料，故研究紅外加熱溫度的控制系統(tǒng)對(duì)紅外—熱泵干燥系統(tǒng)的干燥性能優(yōu)化不可缺少。

(2) 熱管—熱泵干燥系統(tǒng)中，熱管換熱器的余熱回收能力存在不足，而熱管換熱器的結(jié)構(gòu)更直接影響了其與熱泵干燥系統(tǒng)的耦合干燥性能。熱管—熱泵干燥系統(tǒng)的發(fā)展主要體現(xiàn)在熱管換熱器的變化。傳統(tǒng)的分體式熱管換熱器一方面存在攜帶現(xiàn)象影響傳熱能力的問題，另一方面安裝布置的難度使得系統(tǒng)的能耗增加，而傳熱性能更優(yōu)的環(huán)路熱管也面臨著啟動(dòng)問題和不穩(wěn)定性等問題，故后續(xù)研究方向是如何優(yōu)化熱管換熱器的結(jié)構(gòu)，提升其余熱回收性能，進(jìn)而增強(qiáng)熱管—熱泵干燥系統(tǒng)的干燥性能。

(3) 對(duì)聯(lián)合干燥的研究較多停留在工藝層面上，缺乏理論上的深入研究，對(duì)物料的干燥工藝參數(shù)、聯(lián)合干燥的先后順序及干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)的確定都未進(jìn)行細(xì)致深入的研究。后續(xù)的研究方向還需在研究工藝的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究干燥理論，深層次分析不同工藝條件的作用機(jī)理，深入探究物料的干燥規(guī)律。

熱管—熱泵干燥和紅外—熱泵干燥具有干燥時(shí)間短、干燥品質(zhì)高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但聯(lián)合熱泵干燥存在著紅外輻射板、熱管回?zé)崞髯陨硇阅芎徒Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，仍需進(jìn)行深入研究。經(jīng)設(shè)計(jì)和技術(shù)的不斷優(yōu)化，熱管—熱泵干燥技術(shù)和紅外—熱泵干燥技術(shù)將會(huì)有助于緩解能源危機(jī)和減少環(huán)境污染，為節(jié)能環(huán)保帶來更大效益。