低壓過熱蒸汽干燥研究進(jìn)展

陳蒙，辛文才，陳屹林，張緒坤，傅偉良，張城鎮(zhèn)

南昌航空大學(xué)環(huán)保裝備技術(shù)研究所（南昌 330063）

在過去的幾十年中，過熱蒸汽干燥作為一種新型干燥技術(shù)，不斷吸引干燥領(lǐng)域的研究人員并展開一系列探索，被認(rèn)為是一種最具潛力的干燥技術(shù)之一。過熱蒸汽干燥技術(shù)是利用過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)與濕物料進(jìn)行熱交換，以蒸發(fā)掉物料中多余水分，達(dá)到要求的含水率[1]。由于干燥介質(zhì)和排出的廢氣均為蒸汽，在滿足環(huán)保要求的同時(shí)還可以將排出的廢蒸汽進(jìn)行循環(huán)利用。所以過熱蒸汽干燥技術(shù)具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，而且大量研究表明該技術(shù)干燥后的產(chǎn)品品質(zhì)好。采用常壓和高壓蒸汽干燥一些熱敏性物料或者果蔬類產(chǎn)品時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化或者出現(xiàn)熱損傷、融化等現(xiàn)象，而低壓過熱蒸汽干燥能夠很好解決這一問題[2-3]。對近年來國內(nèi)外對過熱蒸汽干燥和低壓過熱蒸汽干燥的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，闡述過熱蒸汽干燥對比與其他干燥方式的優(yōu)勢、影響干燥速率的因素及發(fā)展前景，為低壓過熱蒸汽干燥技術(shù)的進(jìn)一步研究提供理論參考。

1 低壓過過熱蒸汽干燥的優(yōu)勢

1.1 節(jié)能環(huán)保

低壓過熱蒸汽干燥在節(jié)能減排方面的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在干燥后的蒸汽還含有大量潛熱，可以加以利用。潛熱是物質(zhì)發(fā)生相變，在溫度不發(fā)生變化時(shí)吸收或放出的熱量，而顯熱是在同種物質(zhì)狀態(tài)因溫度的變化引起的熱量變化。釋放潛熱可以產(chǎn)生大量熱量。將干燥后排出的低壓蒸汽通過加壓加以利用再次對未干燥的物料進(jìn)行干燥，形成循環(huán)，可以大幅減小整個(gè)干燥過程的能耗，從而達(dá)到節(jié)能目的，針對蒸汽在壓縮這一問題，劉軍等[4]設(shè)計(jì)夾套式MVR熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)并開展研究，結(jié)果表明節(jié)能效果均十分顯著，給過熱蒸汽的循環(huán)再利用提供解決方案，同時(shí)可見低壓過熱蒸汽干燥在節(jié)能方面有著很好優(yōu)越性及巨大研發(fā)潛力。盧燁等[5]利用低壓過熱蒸汽對紫菜進(jìn)行干燥試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對過熱蒸汽干燥的能量消耗量進(jìn)行計(jì)算，并與熱風(fēng)干燥進(jìn)行對比，該試驗(yàn)的過熱蒸汽能量回收率為84.8%，能量消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱風(fēng)干燥，體現(xiàn)過熱蒸汽干燥在節(jié)能方面的優(yōu)越性。

由于低壓過熱蒸汽干燥使用蒸汽作為干燥介質(zhì)，整個(gè)干燥過程只有蒸汽一種氣體，而且排出的廢蒸汽還可以繼續(xù)循環(huán)利用，所以干燥過程中沒有其他污染氣體的排出，是環(huán)保效果非常好的干燥方式。

1.2 干燥產(chǎn)品品質(zhì)好

大量研究證明，低壓過熱蒸汽干燥后的產(chǎn)品品質(zhì)要優(yōu)于其他干燥方式。由于其在較低的干燥壓力下水的沸點(diǎn)也同樣降低，所以不需要很高的干燥溫度，避免物料由高溫而引起的變色、熱損傷、融化、膨脹等不良影響，使產(chǎn)品在干燥后仍能保持較好的色澤，較強(qiáng)的抗氧化性及復(fù)水性，較高的生物活性和營養(yǎng)品質(zhì)。

在國內(nèi)，李占勇等[6]對低壓過熱蒸汽干燥青蘿卜片過程進(jìn)行研究，低壓過熱蒸汽干燥在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度以上不僅干燥效率要高于真空干燥，而且青蘿卜片中維生素C的保留率也高于真空干燥。在國外，Niamnuy等[7]利用不同干燥方法對積雪草的生物活性化合物及生物活性開展研究，使用低壓過熱蒸汽干燥的干燥速率要高于熱風(fēng)干燥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)50 ℃時(shí)，低壓過熱蒸汽干燥使得樣品中酚類化合物、總?cè)圃碥?、抗氧化活性和抗菌活性最高。Sehrawat等[8]采用低壓過熱蒸汽、真空和熱風(fēng)干燥3種方法對干燥的芒果塊的質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)并對其干燥特性進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明在3種干燥方法中低壓過熱蒸汽干燥后的芒果塊抗壞血酸、β-胡蘿卜素、總酚含量和抗氧化活性最高，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)保持芒果塊質(zhì)量的最佳干燥條件是70 ℃下的低壓過熱蒸汽干燥。Sehrawat等[9]對洋蔥片的低壓過熱蒸汽干燥過程與真空干燥和熱風(fēng)干燥進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)對于洋蔥片來說在70 ℃下進(jìn)行低壓過熱蒸汽干燥是最好的干燥條件，干辣椒的味道刺激性、抗氧化活性、顏色和復(fù)水性都優(yōu)于同條件下的真空干燥和熱風(fēng)干燥，低壓過熱蒸汽干燥可以更好地保留生物活性成分。Hiranvarachat等[10]使用不同方法干燥胡蘿卜塊，研究發(fā)現(xiàn)與熱風(fēng)干燥相比，60 ℃下的低壓過熱蒸汽干燥后的胡蘿卜具有更多的胡蘿卜素含量及更高的抗氧化活性。在另一項(xiàng)研究中Devahastin等[11]發(fā)現(xiàn)低壓過熱蒸汽干燥干燥后胡蘿卜塊的復(fù)水特性要優(yōu)于真空干燥。Methakhup等[12]研究醋栗片低壓過熱蒸汽干燥過程，干燥溫度為65 ℃和75 ℃，干燥壓力為10和13 kPa，干燥結(jié)果與真空干燥對比表明低壓過熱蒸汽干燥的醋栗片具有更高的抗壞血酸保留率（5%～10%）和更好的顏色。

國外有學(xué)者認(rèn)為低壓過熱蒸汽干燥可以減少微生物的繁殖。Phungamngoen等[13]研究表明，雖然低壓過熱蒸汽干燥是干熱過程，但是干燥后食物表面有著較高的水分活性，有助于增強(qiáng)蛋白質(zhì)變性和膜降解，因此低壓過熱蒸汽干燥是溫和的溫度下對熱敏物料進(jìn)行殺菌和抑制微生物繁殖的有效方法[14]。

由此可以證明，低壓過熱蒸汽干燥是一種具有前景的保持較高產(chǎn)品品質(zhì)的干燥技術(shù)。

2 影響低壓過熱蒸汽干燥速率的因素

由于低壓過熱蒸汽是在特殊的低壓環(huán)境下進(jìn)行干燥，所以干燥壓力較低，可變范圍較小，而干燥溫度對干燥速率的影響變得尤為重要，而過熱蒸汽的過熱度，決定著干燥溫度的高低[15]。所以國內(nèi)外學(xué)者針對干燥溫度對干燥效率的影響進(jìn)行探究。

在國內(nèi)，劉建波等[16]研究在低壓過熱蒸汽干燥中白蘿卜片的干燥動(dòng)力學(xué)特性，結(jié)果表明，低壓過熱蒸汽干燥時(shí)的溫度是對干燥速率和白蘿卜品質(zhì)影響最大的因素，隨著干燥溫度升高，干燥時(shí)間縮短，但是干燥溫度的升高會(huì)導(dǎo)致物料的總色差值變大，復(fù)水性降低。在國外，Kozanoglu等[17]使用低壓過熱蒸汽流化床對芫荽籽顆粒的干燥特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著操作溫度升高，干燥速率增加，平衡含水率降低。但運(yùn)行壓力（40～67 kPa）和表面蒸汽流速（2.3～4.0 m/s）變化對含水率沒有顯著影響。試驗(yàn)表明，隨著過熱程度增加，平衡含水率降低，即過熱度是影響干燥速率的最重要參數(shù)。

綜上所述，干燥溫度是影響低壓過熱蒸汽干燥的重要因素，其中過熱度對速率的影響尤為重要，低壓過熱蒸汽干燥的干燥壓力較低，蒸汽的飽和溫度也較低，所以可以適當(dāng)提升蒸汽的過熱度來達(dá)到提高干燥速率的目的。

3 低壓過熱蒸汽與其他干燥方式的聯(lián)合干燥

由于低壓過熱蒸汽干燥也存在著初始階段凝結(jié)現(xiàn)象以及干燥時(shí)間長等弊端，在一些干燥要求比較高的生產(chǎn)中采用聯(lián)合干燥會(huì)得到更好的效果。Nimmol等[18]研究一種食品的低壓過熱蒸汽與遠(yuǎn)紅外輻射干燥相結(jié)合的聯(lián)合干燥方式，主要研究不同參數(shù)下對干燥時(shí)間及能耗的影響，結(jié)果表明，低壓過熱蒸汽和紅外輻射的聯(lián)合干燥在90 ℃和7 kPa條件下，能耗最低，如果可將低壓過熱蒸汽中的干燥后的蒸汽加以利用，能耗將遠(yuǎn)小于真空紅外輻射聯(lián)合干燥。Nimmol等[19]將聯(lián)合干燥系統(tǒng)應(yīng)用到干燥香蕉干，結(jié)果顯示低壓過熱蒸汽-遠(yuǎn)紅外輻射干燥的聯(lián)合干燥比和低壓過熱蒸汽-真空干燥的聯(lián)合干燥的產(chǎn)品質(zhì)量更好。Lekcharoenkul等[20]發(fā)現(xiàn)白菜在60 ℃低壓過熱蒸汽干燥下進(jìn)行10 min，在45 ℃下進(jìn)行真空干燥直至達(dá)到最終含水率，這種聯(lián)合干燥的方法得到的蘿卜硫素含量最高。由此可見，在一些情況下，選擇合適的聯(lián)合干燥方法可以最大化地保留物料中養(yǎng)分。Li等[15]研究發(fā)現(xiàn)低壓過熱蒸汽干燥的時(shí)間明顯比真空干燥的時(shí)間更長，但是使用低壓過熱蒸汽干燥-熱風(fēng)干燥的聯(lián)合干燥方式會(huì)縮短干燥時(shí)間而且能耗也低于單一的低壓過熱蒸汽干燥?？梢娛褂玫蛪哼^熱蒸汽和其他干燥方式的聯(lián)合干燥會(huì)彌補(bǔ)低壓過熱蒸汽干燥的時(shí)間、能耗等方面的不足。

在國內(nèi)，干燥方式主要有傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥、過熱蒸汽干燥、微波干燥、紅外輻射干燥等，每種干燥方式都有著自身的優(yōu)越性與不足之處，低壓過熱蒸汽干燥與其他干燥方式的聯(lián)合干燥可以做到優(yōu)勢互補(bǔ)，優(yōu)勢最大化，將會(huì)成為干燥應(yīng)用市場中的一種趨勢。

4 低壓過熱蒸汽干燥的動(dòng)力學(xué)模擬

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，干燥過程的數(shù)學(xué)建模與動(dòng)力學(xué)研究對干燥試驗(yàn)的進(jìn)行和干燥設(shè)備的開發(fā)有著積極影響。在低壓過熱蒸汽干燥的試驗(yàn)研究中，大多數(shù)研究主要針對干燥速率、干燥過程的能耗干燥特性等方面。而干燥動(dòng)力學(xué)主要研究干燥過程中濕含量與各種支配因素之間的關(guān)系，從宏觀和微觀上間接地反映傳熱傳質(zhì)的變化規(guī)律，對深入了解干燥機(jī)理、發(fā)展新型干燥設(shè)備及提高干燥加工工藝技術(shù)非常必要。

含水率的變化是衡量干燥速率的一項(xiàng)重要指標(biāo)，國內(nèi)外學(xué)者對于低壓過熱蒸汽干燥過程中能夠預(yù)測物料含水率變化動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行研究。Suvarnakuta等[21]建立低壓過熱蒸汽干燥數(shù)學(xué)模型，該模型由熱傳導(dǎo)和質(zhì)擴(kuò)散方程及1個(gè)經(jīng)驗(yàn)方程組成，并考慮物料收縮。結(jié)果表明，該模型可以預(yù)測胡蘿卜塊內(nèi)部熱量和水分變化特性，以及U-胡蘿卜素的變化。Kittiworrawatt等[22]研究一種動(dòng)力學(xué)模型來模擬低壓過熱蒸汽干燥中熱量和質(zhì)量的傳輸，預(yù)測產(chǎn)品干燥過程中含水率和溫度，該模型考慮初始蒸汽凝結(jié)對干燥過程的影響，采用更加符合實(shí)際的傳質(zhì)邊界條件，即蒸汽壓力梯度和物料表面的物理?xiàng)l件?？紤]物料收縮的影響，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的可預(yù)測性。該研究可用于預(yù)測食品和生物材料的低壓過熱蒸汽干燥過程，在各種條件下都可以預(yù)測產(chǎn)品的芯部溫度和含水率的變化。Srivastav等[23]對低壓過熱蒸汽干燥動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行研究，并使用干燥試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，來獲得最佳預(yù)測含水率，對Page模型、指數(shù)模型、對數(shù)模型和ANN模型進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)ANN模型得到最大測定系數(shù)為0.999 7，說明模型可以很好地預(yù)測出低壓過熱蒸汽干燥的含水率和干燥速率。

除了對干燥過程的含水率變化的研究之外，有學(xué)者對干燥過程建立數(shù)學(xué)模型，探究干燥溫度和壓力對干燥速率的影響及對干燥速率的預(yù)測。為研究蒸汽溫度和壓力對干燥速率的影響，建立低壓過熱蒸汽干燥中1 cm3網(wǎng)格的ANN模型，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化的ANN模型各項(xiàng)數(shù)據(jù)都優(yōu)于指數(shù)模型、對數(shù)模型和Page模型[24]。Messai等[25]研究多孔介質(zhì)的低壓過熱蒸汽干燥過程，建立一個(gè)理論模型來對多孔顆粒在低壓過熱蒸汽干燥中的干燥過程進(jìn)行模擬，研究表示，在干燥過程的恒速周期和降速周期，隨著壓力的降低和流體溫度升高，物料流量增大。Elustondo等[26]提出一種計(jì)算低壓過熱蒸汽干燥食品干燥速率的簡化表達(dá)式，并對不同的物料進(jìn)行干燥，使用試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)擬合表達(dá)式中的試驗(yàn)參數(shù)，擬合方程被證明可用于預(yù)測干燥速率。

對低壓過熱蒸汽干燥進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究是深入干燥理論研究的一個(gè)重要手段，通過綜述國內(nèi)外學(xué)者在這方面的研究表明，動(dòng)力學(xué)模擬有助于我們掌握整個(gè)干燥過程，預(yù)測干燥速率、含水率、壓力等參數(shù)，通過動(dòng)力學(xué)模擬的研究，可對過熱蒸汽干燥的工程設(shè)計(jì)、計(jì)算等方面提供幫助，使得過熱蒸汽干燥理論更加完整準(zhǔn)確，也將促進(jìn)過熱蒸汽干燥在工程實(shí)際應(yīng)用中的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

5 低壓過熱蒸汽的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度

逆轉(zhuǎn)點(diǎn)是在低壓過熱蒸汽干燥過程中的一個(gè)特殊的溫度值，當(dāng)過熱蒸汽的溫度比該點(diǎn)的溫度高時(shí)，低壓過熱蒸汽干燥的干燥速率高于熱風(fēng)干燥，低于它時(shí)則相反。大量研究證明干燥過程中逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的存在，如果能夠計(jì)算出逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，并使得干燥溫度高于逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，那將使干燥速率大幅提高，相比于熱風(fēng)干燥的優(yōu)勢更加明顯[1]。

在國內(nèi)，李占勇等[6]對低壓過熱蒸汽干燥青蘿卜片的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度進(jìn)行研究，結(jié)果表明，青蘿卜片在低壓過熱蒸汽干燥過程中都存在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。在干燥壓力0.009 5 MPa時(shí)，基于整個(gè)干燥階段與第一降速干燥階段計(jì)算的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度分別為92.7和86.1 ℃，但只有當(dāng)干燥溫度超過逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度時(shí)，過熱蒸汽干燥才具有干燥效率優(yōu)勢。低壓過熱蒸汽干燥在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度以上不僅干燥效率要高于真空干燥，而且青蘿卜片中維生素C的保留率也高于真空干燥。研究結(jié)果還表明降低干燥壓力與物料厚度可獲得較低的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。

在國外也有一些專家學(xué)者對逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度進(jìn)行探究，Messai等[27]計(jì)算恒定速率周期和下降速率周期的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度。結(jié)果表明，這2個(gè)干燥階段的溫度不相同。此外，研究外部壓力、顆粒直徑和顆粒滲透率等因素對逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度的影響?？梢钥闯觯孓D(zhuǎn)點(diǎn)溫度隨參數(shù)的變化不是線性的。Suvarnakuta等[28]研究表明，超過逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度時(shí)低壓過熱蒸汽干燥速率高于真空干燥的干燥速率，整個(gè)干燥階段的溫度逆轉(zhuǎn)點(diǎn)和降速干燥階段的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)不同，基于整個(gè)干燥階段進(jìn)行研究沒有發(fā)現(xiàn)確定的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)低壓過熱蒸汽干燥的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度會(huì)隨著工作壓力增大而升高。

綜上所述，低壓過熱蒸汽干燥在不同干燥階段的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度不同，所以要想達(dá)到更高的干燥速率，要在整個(gè)干燥過程的不同階段設(shè)定不同的干燥溫度，保證低壓過熱蒸汽干燥的干燥速率大于熱風(fēng)干燥。而且要在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度以上尋找一個(gè)最佳點(diǎn)，使得在盡可能節(jié)約能源的情況下使干燥效率最大化，過熱蒸汽流動(dòng)狀態(tài)與邊界條件的不同會(huì)導(dǎo)致逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度的值有所變化，關(guān)于這些方面的問題還需進(jìn)一步探究。

6 結(jié)語與研究展望

低壓過熱蒸汽干燥的節(jié)能環(huán)保、干燥品質(zhì)好、傳熱傳質(zhì)效率高等優(yōu)越性被許多試驗(yàn)研究所證明，尤其是在特殊的低壓無氧環(huán)境下，對于熱敏性物料和食品的干燥優(yōu)勢尤為突出。應(yīng)盡可能在節(jié)約能耗的前提下提高過熱蒸汽的過熱度，可以提高干燥效率，同時(shí)干燥溫度的設(shè)定要高于逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度，以保證比熱風(fēng)干燥更快的干燥效率。由于低壓過熱蒸汽干燥成本較高，所以在節(jié)能方面要進(jìn)行乏汽回收，以利用廢蒸汽中的潛熱，利用MVR技術(shù)將蒸汽再壓縮后進(jìn)行循環(huán)，以達(dá)到節(jié)能效果。由于單一干燥方式的局限性，很多研究發(fā)現(xiàn)低壓過熱蒸汽干燥與其他干燥方式的聯(lián)合干燥系統(tǒng)往往能產(chǎn)生更好的效果，不同干燥方法可以同時(shí)進(jìn)行，也可以分階段進(jìn)行，如在快速升溫階段，用熱風(fēng)干燥或者遠(yuǎn)紅外干燥進(jìn)行輔助干燥來避免蒸汽的凝結(jié)，就能有效提升干燥效率。除此之外，使用數(shù)學(xué)建模對低壓過熱蒸汽干燥進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬對實(shí)際試驗(yàn)有一定指導(dǎo)意義，也能更好地了解低壓過熱蒸汽干燥過程中的傳熱傳質(zhì)，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍[29]，也是今后的研究方向之一。提高創(chuàng)新性低壓過熱蒸汽干燥技術(shù)，進(jìn)一步研發(fā)更加高效的干燥設(shè)備，針對不同類型物料，開發(fā)不同的干燥工藝等方面還需要未來更加深入的研究。低壓過熱蒸汽干燥由于物料特性多樣、干燥條件不同、干燥過程中各個(gè)階段特性不同等因素，對干燥動(dòng)力學(xué)理論模型的建立有著很大影響，所以動(dòng)力學(xué)研究工作通用性不強(qiáng)，采用通用性較強(qiáng)的干燥動(dòng)力學(xué)模型，能夠有效避免干燥條件的變化所帶來影響。后續(xù)應(yīng)針對過熱蒸汽干燥通用動(dòng)力學(xué)模型開展深入研究。