過(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)研究進(jìn)展

李少斌 - 方 婷 蘇煌杰 - 劉斌雄U -

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

過(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)是指具有較高焓值的過(guò)熱蒸汽可以快速地將熱量傳遞給被加工的物料，使物料水分快速蒸發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)：熱效率高，節(jié)能效果明顯[1]；傳熱系數(shù)高，無(wú)傳質(zhì)阻力[2]；有效減少危害物質(zhì)的二次污染和防止爆炸發(fā)生[3]。過(guò)熱蒸汽干燥室是一個(gè)密封環(huán)境，廢氣排出后會(huì)在冷凝器中冷凝，整個(gè)過(guò)程不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響；其干燥介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽，干燥時(shí)整個(gè)干燥室充滿過(guò)熱蒸汽，沒(méi)有氧氣參與，物料不會(huì)發(fā)生氧化或燃燒反應(yīng)[4]。該干燥技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于電廠[5]、污泥干燥[6]、罐頭加工[7]、木材干燥[8]、食品殺菌[9]等領(lǐng)域。

目前有關(guān)過(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)的研究較多，但僅局限于干燥工藝優(yōu)化、數(shù)學(xué)模型建立以及品質(zhì)分析等方面。文章擬分析不同處理室的過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)展，概述其設(shè)備原理及應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題，總結(jié)其優(yōu)勢(shì)，旨在為過(guò)熱蒸汽設(shè)備的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

1 過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備

20世紀(jì)80年代以來(lái)，過(guò)熱蒸汽技術(shù)已被美國(guó)等西方國(guó)家廣泛應(yīng)用至食品工業(yè)[10]。圖1為傳統(tǒng)過(guò)熱蒸汽干燥系統(tǒng)示意圖，其中尾氣回收循環(huán)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的關(guān)鍵步驟。根據(jù)操作壓力的不同，過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備可分為常壓、低壓以及高壓過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備。

1.1 常壓過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備

1.1.1 流化床過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備 常壓過(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)是指干燥環(huán)境的壓力接近一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的干燥技術(shù)。目前已在果蔬、農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品等方面被廣泛應(yīng)用[11]。肖志鋒等[12]為了提高干燥效率、耗能、物料品質(zhì)，結(jié)合過(guò)熱蒸汽干燥和流化床干燥的各自優(yōu)勢(shì)，研制了臥式過(guò)熱蒸汽流化床干燥設(shè)備(圖2)。

由圖2可知，整個(gè)設(shè)備完全封閉，干燥時(shí)無(wú)需額外通入蒸汽，避免干燥初期過(guò)熱蒸汽與濕物料接觸而出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。該設(shè)備需先排空氣并維持干燥腔體壓力后進(jìn)行濕物料干燥，干燥室上部的過(guò)熱蒸汽中混有物料的細(xì)顆粒，這些細(xì)顆?？梢酝ㄟ^(guò)旋風(fēng)分離器重新回收再利用。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果比較，該設(shè)備比傳統(tǒng)熱空氣流化床干燥在干燥速率、耗能、物料品質(zhì)等方面均有較好的效果。

1. 蒸汽發(fā)生器 2. 加熱器 3. 干燥室 4. 風(fēng)機(jī) 5. 熱交換器 6. 蒸汽回收器

圖1 過(guò)熱蒸汽干燥基本操作系統(tǒng)

Figure 1 Superheated steam drying system

Cheevitsopon等[13]為了最大限度地減少加熱時(shí)間對(duì)谷物中γ-氨基丁酸含量的影響，提高稻谷的糊化程度，研制了一臺(tái)過(guò)蒸汽流化床設(shè)備(見圖3)，該設(shè)備在閉環(huán)中運(yùn)行。由一個(gè)內(nèi)徑為15 cm、高為120 cm的不銹鋼圓筒形干燥室、一個(gè)15 kW的電加熱器、7.5 kW電蒸鍋和直徑為7.62 cm不銹鋼管道系統(tǒng)組成。該過(guò)熱蒸汽干燥稻谷的整精米率高于熱風(fēng)干燥；并且可在短時(shí)間內(nèi)鈍化糙米的過(guò)氧化物酶，抑制淀粉糊化[14-15]，稻谷的蒸煮和干燥結(jié)合成一個(gè)單一的階段，可以減少操作步驟，最大限度減少加熱時(shí)間對(duì)谷物中γ-氨基丁酸含量的影響。

過(guò)熱蒸汽流化床工作原理是將散狀物料置于孔板上，由離心風(fēng)機(jī)輸送氣體，引起物料顆粒在氣體分布板上運(yùn)動(dòng)，在氣流中呈懸浮狀態(tài)，產(chǎn)生物料顆粒與氣體的混合底層，物料顆粒在此混合底層中與氣體充分接觸，進(jìn)行物料與氣體之間的熱傳遞與水分傳遞。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)為：適用于初始濕度高、加工附加值低的顆粒狀物料，如大豆[16]、油菜籽[17]等；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修方便，操作方便，運(yùn)行平穩(wěn)；傳熱速度快，熱效率高；設(shè)備維護(hù)費(fèi)用低。缺點(diǎn)為：鼓風(fēng)機(jī)能量消耗大；部分物料在干燥過(guò)程中可能會(huì)直接從進(jìn)料口飛向出料口，造成物料干燥不均勻；物料被沾污的可能性大，產(chǎn)品質(zhì)量差。

1. 流化干燥室 2. 進(jìn)料口 3. 玻璃窗 4. 蒸汽進(jìn)管 5. 孔板 6. 出料口 7. 換熱器 8. 循環(huán)風(fēng)機(jī) 9. 細(xì)顆粒儲(chǔ)盒 10. 旋風(fēng)分離器 11. 安全閥 12. 冷凝裝置

1. 蒸汽發(fā)生器 2. 離心風(fēng)機(jī) 3. 電加熱器 4. 干燥室 5. 控制面板

1.1.2 旋轉(zhuǎn)式過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備 Speckhahn等[18]為了解決牛肉在干燥過(guò)程中引起的表面硬化，制造了一臺(tái)中試規(guī)模的旋轉(zhuǎn)過(guò)熱蒸汽干燥器(見圖4)，該設(shè)備通過(guò)插入一個(gè)旁路來(lái)進(jìn)行小規(guī)模的干燥試驗(yàn)，并確定干燥參數(shù)，如重量損失、溫度和質(zhì)量流量。試驗(yàn)表明，降低干燥溫度和干燥介質(zhì)(過(guò)熱蒸汽)的流速，可縮短干燥時(shí)間，減少表面硬化現(xiàn)象，使牛肉的品質(zhì)更好。

過(guò)熱蒸汽滾筒干燥設(shè)備通常用于干燥糊狀或漿狀的飼料，如甜菜漿[19]、啤酒糟[20]等。該設(shè)備包括一個(gè)在軸承上旋轉(zhuǎn)的干燥滾筒，干燥滾筒內(nèi)含有刮刀，通過(guò)刮刀將達(dá)到干燥要求的物料刮下，該滾筒略平行于水平表面，在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下，按規(guī)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，使物料可以受熱均勻。過(guò)熱蒸汽滾筒干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，干燥速度快，熱利用率較高，產(chǎn)品的干燥質(zhì)量穩(wěn)定，但是其設(shè)備投資較高，刮刀易磨損，使用周期短。

1.1.3 沖擊式過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備 Borquez等[21]為了獲得具有高水分去除率和低ω-3脂肪酸化學(xué)損失的干燥產(chǎn)品，通過(guò)射流沖擊式過(guò)熱蒸汽設(shè)備(見圖5)，將魚漿置于過(guò)熱蒸汽溫度135 ℃，蒸汽流速0.09 m3/s的環(huán)境下進(jìn)行干燥試驗(yàn)，結(jié)果表明此設(shè)備能夠干燥魚漿，且干燥效果較好，射流沖擊式過(guò)熱蒸汽干燥可以很好地保留魚漿中的ω-3脂肪酸。Moreira等[22]以玉米餅和土豆片為試驗(yàn)原料，采用過(guò)熱蒸汽撞擊流干燥的方式生產(chǎn)的玉米餅質(zhì)量更優(yōu)，產(chǎn)品表面平整無(wú)氣孔，色澤鮮亮，營(yíng)養(yǎng)成分高。

由圖5可知，該設(shè)備由兩個(gè)不銹鋼制成的圓柱腔體串聯(lián)而成，可以獨(dú)立運(yùn)行。設(shè)備相對(duì)于水平方向成一定角度，并且傾斜角度可以從10°～20°根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從而控制物料在干燥室中的停留時(shí)間，物料從進(jìn)料口進(jìn)入沿干燥室運(yùn)動(dòng)至出料口。過(guò)熱蒸汽沿干燥室切向方向的氣槽進(jìn)入，與物料在干燥室內(nèi)做螺旋運(yùn)動(dòng)(圖6)并通過(guò)上部縱向氣體出口排出。由于流體阻力和重力迫使物料以螺旋運(yùn)動(dòng)前進(jìn)，以此來(lái)達(dá)到干燥的目的。沖擊式(或稱噴流式)過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備適用于干燥織物、煙葉、基材的表面涂層及薄片狀物料，如大豆殘?jiān)黐23]、魚餅。

1. 旋轉(zhuǎn)干燥箱 2. 控制器 3. 溫度表 4. 壓力表 5. 控制面板 6. 冷凝器 7. 真空風(fēng)機(jī) 8. 加熱管

綜上，過(guò)熱蒸汽干燥雖然可以保留食品中營(yíng)養(yǎng)成分，但是干燥后物料的質(zhì)量可能會(huì)差于熱風(fēng)干燥的。例如銀耳在過(guò)熱蒸汽干燥后，雖然部分水分蒸發(fā)了，但是物料發(fā)生熟化，導(dǎo)致后續(xù)的水分無(wú)法蒸發(fā)，最終得不到干銀耳。過(guò)熱蒸汽干燥在食用菌方面的應(yīng)用具有局限性，因此過(guò)熱蒸汽干燥對(duì)物料的干燥具有一定的針對(duì)性。

1.2 低壓過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備

低壓過(guò)熱蒸汽干燥通常是指待干燥物料在比常壓低的全密封容器中。一般情況下，采用過(guò)熱蒸汽干燥時(shí)，過(guò)熱蒸汽的溫度超過(guò)100 ℃，如果熱敏性物料長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫環(huán)境中，容易破壞物料中的營(yíng)養(yǎng)成分，因此對(duì)于一些熱敏性物料，可以降低干燥環(huán)境的壓力。低壓環(huán)境下，飽和蒸汽溫度下降，能夠防止一些熱敏性物料營(yíng)養(yǎng)成分流失，同時(shí)可以降低冷凝結(jié)露現(xiàn)象，避免待干燥物料外觀不良的情況。低壓過(guò)熱蒸汽干燥的干燥壓力一般為9～20 kPa，目前已被應(yīng)用于芒果[24]、洋蔥片[25]、芫荽[26]和胡椒種子[27]等農(nóng)產(chǎn)品干燥中。

1. 干燥室 2. 入口通道 3. 旋轉(zhuǎn)閥 4. 進(jìn)料槽 5. 氣體出口 6. 出料口

1. 膨脹室 2. 干燥室 3. 固體顆粒 4. 狹槽 5. 氣體入口

Barbieri等[28]以羅勒為干燥對(duì)象，利用低壓過(guò)熱蒸汽干燥與熱風(fēng)干燥進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低壓過(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)可以最大程度保留羅勒的香氣物質(zhì)，設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)臺(tái)式低壓過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備，其斷面圖如圖7所示，其由圓柱形鋼材質(zhì)制成，外部覆蓋隔熱層，內(nèi)部有一個(gè)由金屬絲網(wǎng)制成的環(huán)形樣品籃用來(lái)容納樣品。

如圖8所示，低壓過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備由連接到電動(dòng)機(jī)的軸驅(qū)動(dòng)的離心風(fēng)機(jī)使過(guò)熱蒸汽流過(guò)樣品，設(shè)備配有壓力傳感器，通過(guò)數(shù)字顯示器讀取，溫度控制在-19.9～99.9 ℃，該設(shè)備內(nèi)部有一根輸入功率為1 300 W的電阻絲用于加熱蒸汽。通過(guò)真空泵的作用，將蒸汽—香氣混合物抽出系統(tǒng)，使其通過(guò)由直徑為0.08 m，高度為0.30 m的玻璃圓柱體制成的冷凝器，使大部分水蒸氣分離，剩余的氣體被輸送到直徑為0.03 m，高度為0.40 m的玻璃圓柱體制成的冷阱中，該冷阱浸沒(méi)在15 ℃的乙二醇—水混合物中，幾乎所有化合物均能在其中冷凝。

李占勇等[29]采用低壓過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備干燥青蘿卜片，設(shè)備示意圖如圖8所示，該設(shè)備與傳統(tǒng)的過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備比較相似，只需增加干燥室的氣密性和真空泵。干燥后的青胡蘿卜維生素C的保留率高于真空干燥的，其樣品質(zhì)量?jī)?yōu)于真空干燥的。

1. 連接管 2. 樣品籃 3. 離心風(fēng)機(jī) 4. 加熱電阻絲 5. 真空泵

1. 蒸汽發(fā)生器 2. 蒸汽調(diào)節(jié)閥 3. 蒸汽過(guò)熱器 4. 放空閥 5. 壓力表 6. 電加熱器 7. 物料托盤#1 8. 蒸汽分布器 9. 稱重傳感器 10. K型熱電偶 11. 物料托盤#2 12. 干燥箱 13. 質(zhì)量采集器 14. 溫度采集器 15. PID控制器 16. 冷凝器 17. 冷凝液收集瓶 18. 真空泵

綜上，低壓過(guò)熱蒸汽干燥擁有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在較多問(wèn)題使其無(wú)法大范圍應(yīng)用。由于大多數(shù)熱敏性農(nóng)產(chǎn)品的附加值較低，設(shè)備成本高，需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，對(duì)干燥室的氣密性有非常高的要求，因此低壓過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備的制造、運(yùn)行、維護(hù)成本較高。

1.3 高壓過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備

高壓過(guò)熱蒸汽干燥是指干燥環(huán)境的壓力高于大氣壓，通常干燥環(huán)境壓力為500～2 500 kPa。由于高壓過(guò)熱蒸汽技術(shù)對(duì)設(shè)備要求較高，目前，此類設(shè)備在國(guó)外應(yīng)用比較多，中國(guó)比較少見。法國(guó)Nangis制糖廠研制了一款干燥機(jī)(見圖9)，該干燥機(jī)與渦輪發(fā)電機(jī)同時(shí)供應(yīng)高壓蒸汽2 500 kPa，在干燥機(jī)中產(chǎn)生的蒸汽被送至蒸發(fā)器中對(duì)果汁進(jìn)行干燥，每制取100 kg白糖所消耗的燃料大概為12 kg[30]，可以減少能量消耗。

閃蒸干燥設(shè)備(圖10)是由瑞典查爾默斯大學(xué)的GEA Exergy開發(fā)的。該第一臺(tái)工業(yè)閃蒸干燥設(shè)備于1979年在瑞典Rockhammar工廠成功建成并用于紙漿干燥[31-32]，同時(shí)可以干燥木屑、木纖維、糖和甜菜漿。過(guò)熱蒸汽從背壓式渦輪機(jī)中抽出，其中800～1 500 kPa的壓力作為間接加熱液；過(guò)熱蒸汽在200～500 kPa的加壓條件下通過(guò)許多平行管循環(huán)，收集一次蒸汽中所有的冷凝水(170～200 ℃)，抽回鍋爐重復(fù)利用。干燥產(chǎn)物與蒸汽的混合物進(jìn)入旋風(fēng)分離器，使用壓力旋轉(zhuǎn)閥從干燥機(jī)中回收分離出的固體。該干燥設(shè)備的凈能耗為0.4～0.7 GJ/t 紙漿，相比之下，使用空氣進(jìn)行閃蒸干燥的能耗為3.0～3.5 GJ/t紙漿。

閃蒸過(guò)熱蒸汽干燥的原理是過(guò)熱蒸汽由管道入口以切線方向進(jìn)入干燥室底部的環(huán)隙，并螺旋狀上升，同時(shí)，物料由加料器定量加入塔內(nèi)，并與過(guò)熱蒸汽進(jìn)行充分熱交換，較大、較濕的物料在攪拌器作用下被機(jī)械破碎，濕含量較低及顆粒度較小的物料隨旋轉(zhuǎn)氣流一并上升，輸送至分離器進(jìn)行氣固分離。其優(yōu)點(diǎn)是熱效率高、干燥時(shí)間短、節(jié)能效果好。對(duì)膏糊狀物料可直接干燥制成粉狀干燥產(chǎn)品，節(jié)省了干燥前預(yù)處理，干燥后粉碎、篩分等工序，閃蒸過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備尤其適用于干燥顆粒、晶體、糊狀、漿狀或黏性以及粉狀材料，如魚粉[33]、煙草[34]等。

1. 過(guò)熱蒸汽干燥機(jī) 2. 蒸發(fā)器 3. 渦輪 4. 過(guò)熱器 5. 高壓鍋爐

1. 濕漿螺旋給料機(jī) 2. 旋風(fēng)分離器 3. 風(fēng)扇 4. 渦輪 5. 過(guò)熱器 6. 高壓鍋爐

綜上，高壓過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備對(duì)于設(shè)備的強(qiáng)度、高壓鍋爐的產(chǎn)氣量以及技術(shù)要求非常高。相比于常壓與低壓過(guò)熱蒸汽設(shè)備，高壓過(guò)熱蒸汽設(shè)備蒸汽溫度過(guò)高，會(huì)使過(guò)熱器管、蒸汽管道、汽輪機(jī)高壓部分等產(chǎn)生額外熱應(yīng)力，還會(huì)加快金屬材料的蠕變，縮短設(shè)備的使用壽命；發(fā)生超溫時(shí)甚至?xí)斐蛇^(guò)熱器爆管。高壓過(guò)熱蒸汽干燥比較適合于干燥化工類產(chǎn)品，因?yàn)檫^(guò)熱蒸汽的溫度為150～250 ℃，當(dāng)達(dá)到過(guò)熱蒸汽的飽和溫度時(shí)，食品內(nèi)部溫度超過(guò)100 ℃，其營(yíng)養(yǎng)成分發(fā)生變化。因此高壓過(guò)熱蒸汽不適合于大部分食品物料干燥。

1.4 常壓過(guò)熱蒸汽聯(lián)合干燥設(shè)備

由于常壓過(guò)熱蒸汽工作溫度>100 ℃，因此對(duì)于熱敏性產(chǎn)品不適合，盡管低壓過(guò)熱蒸汽能夠克服這個(gè)難點(diǎn)，但是會(huì)造成延長(zhǎng)干燥時(shí)間和降低干燥效率的新問(wèn)題，因此將過(guò)熱蒸汽干燥與其他干燥方式進(jìn)行聯(lián)合的干燥方法便應(yīng)運(yùn)而生，可以解決單一過(guò)熱蒸汽干燥帶來(lái)的弊端。

目前，聯(lián)合干燥技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于鮑魚[35]、馬鈴薯粉[36]、香蕉片[37]、羊腿[38]等方面。賈真等[39]將二次尾汽進(jìn)行回收利用，真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和環(huán)保，并制造了一臺(tái)物源性過(guò)熱蒸汽聯(lián)合余熱回收節(jié)能干燥設(shè)備(見圖11)。該干燥設(shè)備無(wú)需另設(shè)過(guò)熱蒸汽發(fā)生裝置，干燥所需的過(guò)熱蒸汽全部來(lái)源于物料，即物料在干燥室內(nèi)受熱升溫，內(nèi)部水分汽化，蒸發(fā)的水蒸氣與空氣相互混合，并通過(guò)排氣閥不斷被排出，隨著干燥的進(jìn)行，干燥室內(nèi)空氣逐漸被蒸汽取代，蒸汽在干燥室內(nèi)被循環(huán)加熱，最終轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽，并作為干燥介質(zhì)去除物料中剩余水分。能量消耗方面，干燥相同質(zhì)量的海帶，物源性過(guò)熱蒸汽聯(lián)合余熱回收節(jié)能干燥系統(tǒng)的總能耗比熱風(fēng)干燥節(jié)省了44.29%。Chryat等[40-41]研究表明，聯(lián)合干燥可以降低干燥時(shí)間，提高能量效率和物料品質(zhì)。

蘇煌杰等[42]將兩種完全不同干燥工藝的優(yōu)點(diǎn)融合在一起，制造了過(guò)熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥一體機(jī)(見圖12)。以竹筍為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，如表1所示，過(guò)熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥的干燥時(shí)間和每蒸發(fā)1 kg水所需能量均比熱風(fēng)干燥節(jié)省1/2以上，實(shí)現(xiàn)了干燥時(shí)間短、效率高、節(jié)能減排的目的。

綜上，將過(guò)熱蒸汽干燥與其他技術(shù)進(jìn)行組合干燥能克服單一干燥方式所存在的弊端，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)降低能耗。在性能評(píng)估和能量回收的基礎(chǔ)上，對(duì)幾種干燥技術(shù)進(jìn)行對(duì)比(表2)，發(fā)現(xiàn)過(guò)熱蒸汽干燥能更有效地回收余熱。值得注意的是，在技術(shù)工作中，干燥機(jī)和干燥過(guò)程的能量性能可以用各種指標(biāo)來(lái)表征，包括體積蒸發(fā)率、蒸發(fā)效率、蒸汽消耗、單位熱量消耗、能量效率和熱效率。由于這些不一致的性能參數(shù)，基于各種類型干燥器的能耗和能效的比較分析是復(fù)雜的。通過(guò)將過(guò)熱蒸汽與現(xiàn)有其他干燥技術(shù)的合理聯(lián)合干燥可以實(shí)現(xiàn)大部分產(chǎn)品的干燥要求。

1. 計(jì)算機(jī) 2. 溫度采集器 3. 熱電偶 4. 過(guò)熱蒸汽干燥箱體 5. 控制器 6. 加熱器 7. 渦旋離心風(fēng)機(jī) 8. 導(dǎo)流板 9. S型稱重傳感器 10. 稱重?cái)?shù)顯表 11. 排氣閥 12. 真空干燥箱體 13. 緊湊型換熱器 14. 渦旋式離心風(fēng)機(jī) 15. 集水器 16. 散熱器 17. 真空泵 18. 集水器 19. 排水閥

2 過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程中的數(shù)學(xué)模型與傳熱傳質(zhì)

過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)模型可以分為兩種：① 利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，建立熱量、質(zhì)量和能量傳遞的回歸模型；② 利用相流理論和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，模擬干燥室內(nèi)相流動(dòng)和溫度、濕度變化[47]。干燥數(shù)學(xué)模型的研究能夠?yàn)閮?yōu)化干燥工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)改進(jìn)干燥設(shè)備、降低干燥能耗提供理論依據(jù)。

Taechapairoj等[48]建立了過(guò)熱蒸汽流化床干燥稻谷的數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測(cè)稻谷的含水率和溫度。Hampel等[49]建立了描述過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程中米粒內(nèi)部傳熱傳質(zhì)的瞬態(tài)宏觀模型，該模型的控制方程是基于體積平均法導(dǎo)出的，為了提供模型輸入?yún)?shù)，測(cè)量糙米顆粒的某些熱物理性質(zhì)。Bourassa等[50]對(duì)酒糟的干燥特性進(jìn)行研究，根據(jù)Fick擴(kuò)散定律，建立了酒糟有限圓柱體模型。這些酒糟用120 ℃的過(guò)熱蒸汽在水平和垂直兩個(gè)方向上干燥，用Page方程模擬的干燥特性表明不同取向的干燥特性存在顯著差異(P<0.05)。Kumbhar等[51-52]研究表明，Page模型比較適合于描述過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程。

1. 蒸汽發(fā)生器 2. 截止閥 3. 閘閥 4. 風(fēng)機(jī) 5. 加熱器 6. 載物網(wǎng)盤 7. 承載傳感器 8. 溫度控制器 9. 壓力表(或真空度表) 10. 過(guò)熱蒸汽干燥箱 11. 壓力調(diào)節(jié)閥 12. 真空泵 13. 載物盤 14. 散熱器 15. 真空干燥箱 16. 冷凝水收集器 17. 放水龍頭 18. 減壓閥

表1 過(guò)熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥與熱風(fēng)干燥能耗對(duì)比表

表2 不同過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備的比較

值得注意的是，對(duì)過(guò)熱蒸汽為干燥介質(zhì)在數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)工作中的研究較少。由于干燥所用設(shè)備、干燥條件、物料物理特性存在較大差異，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，各模型難以推廣應(yīng)用。在絕大多數(shù)情況下，需要根據(jù)實(shí)際需要對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3 前景與展望

目前，過(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)已被測(cè)試于各種類型的干燥器中，如流化床、旋轉(zhuǎn)干燥器、閃蒸和沖擊干燥器。過(guò)熱蒸汽干燥系統(tǒng)的發(fā)展已有較長(zhǎng)時(shí)間，但其產(chǎn)業(yè)化僅限于少數(shù)幾種產(chǎn)品，其主要原因是由于缺乏實(shí)驗(yàn)室研究工作，對(duì)蒸汽干燥動(dòng)力學(xué)的理解較差。流化床、旋轉(zhuǎn)和沖擊式干燥機(jī)已成功應(yīng)用于稻谷、種子、食品等少數(shù)產(chǎn)品的過(guò)熱蒸汽干燥測(cè)試中。這些烘干機(jī)(除旋轉(zhuǎn)烘干機(jī)外)是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，可以蒸發(fā)掉大量的水，但是這些烘干機(jī)還未進(jìn)行工業(yè)化，需進(jìn)一步研究以證明其可行性。

中國(guó)的過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，主要原因有：① 設(shè)備要求高，維護(hù)成本高；② 不適宜熱敏性物料干燥；③ 尾氣的回收轉(zhuǎn)化利用率低。由于干燥能耗占總能耗的比例逐年增加，因此，發(fā)展高效、節(jié)能的干燥設(shè)備具有經(jīng)濟(jì)效益。