熱泵技術(shù)在常見果蔬干燥中的應(yīng)用進(jìn)展

呂笑沖 袁 俊 李國嘉 楊福勝 張 偉 洪 圣 張?jiān)缧?/p>

（1.西安交通大學(xué)a.化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院；b.能源與動力學(xué)院；2.西安近代化學(xué)研究所 氟氮化工資源高效開發(fā)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.江蘇慧天新能源有限公司）

水果和蔬菜中含有大量的維生素和人體所需的微量元素，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚母笔场?但是，果蔬中蘊(yùn)含的大量自由水和結(jié)合水是果蔬變質(zhì)的元兇。 所以，一直以來人們都在尋找一個(gè)快速有效的果蔬干制方法以延長其儲存時(shí)間。

在中國古代就有初步干制農(nóng)產(chǎn)品以防變質(zhì)的記載［1～3］；19世紀(jì)后半葉，早期的熱風(fēng)烘干技術(shù)開始出現(xiàn)［4，5］；20世紀(jì)后，熱風(fēng)干燥技術(shù)已經(jīng)可以應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。

隨著各國環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)的電加熱/燃燒加熱產(chǎn)生熱風(fēng)的方式已經(jīng)不能滿足人們對于節(jié)能減排的要求。 因此，熱泵技術(shù)在20世紀(jì)40～50年代被提出，并在60～70年代被廣泛應(yīng)用［6，7］，其作為高效、環(huán)保、自動化的熱風(fēng)產(chǎn)生方式應(yīng)用于食品干燥領(lǐng)域，便是一個(gè)自然的選擇。

1 閉式熱泵干燥系統(tǒng)

典型的閉式熱泵干燥系統(tǒng)示意圖如圖1所示。 MINEA V介紹了熱泵系統(tǒng)用于干燥的基本構(gòu)想，以及已有的十幾種熱泵干燥機(jī)模型，其中有的產(chǎn)生一定改進(jìn)效果，有的則作用甚微，目前還沒有通用的干燥熱泵模型［8］。 在另一篇報(bào)道中，MINEA V調(diào)查了熱泵干燥技術(shù)在農(nóng)副產(chǎn)品、生物制品及木材中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，從1997年到2013年期間國外食品、木材以及其他農(nóng)產(chǎn)品的熱泵干燥工藝有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展［9］，雖然作者指出相關(guān)研究沒有提供完備的數(shù)據(jù)，但是從應(yīng)用推廣角度來看，國外對熱泵果蔬干燥領(lǐng)域的研究還是頗有成效的。

圖1 閉式熱泵干燥系統(tǒng)

相比于國外， 我國的熱泵技術(shù)起步晚了20～30年，直到20世紀(jì)90年代，熱泵技術(shù)在我國才嶄露頭角［10］，因此其在干燥領(lǐng)域的應(yīng)用也較滯后。

2 果蔬干燥效果比較

使用熱泵產(chǎn)生熱風(fēng)與傳統(tǒng)的電加熱、燃燒加熱產(chǎn)生熱風(fēng)相比各有優(yōu)勢。 傳統(tǒng)方法可以更加簡便地布置設(shè)備，且其操作簡單，但耗時(shí)長、耗能大，干燥過程不易控制，產(chǎn)品品質(zhì)欠佳［11］。 而使用熱泵雖然設(shè)備安裝、操作較為復(fù)雜，但是節(jié)能減排效果明顯， 對干燥工藝過程的控制也更為精準(zhǔn)、方便。 兩種方法的對比見表1。

表1 傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥與熱泵熱風(fēng)干燥優(yōu)勢對比

2.1 傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥仍是國內(nèi)果蔬及其他農(nóng)副產(chǎn)品干燥的主要工藝，其主要加熱形式包括電加熱、燃煤/燃燒其他化石燃料加熱及生物質(zhì)能加熱等。

在傳統(tǒng)干燥機(jī)能源利用和環(huán)保方面， 劉照朋對可干燥2 000 kg的大型紅棗干燥房系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的加熱能源由秸稈燃燒提供［12］。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可估算出每干燥一次需耗能8 400 kW·h左右， 其SMER約為0.110 kg H2O/（kW·h）。但是由于其能源來源——秸稈為農(nóng)業(yè)廢物再利用，因此該設(shè)計(jì)的節(jié)能性能無法具體評判。 另外需要注意，文章中并未提到秸稈燃燒后的尾氣處理問題， 所以該設(shè)計(jì)環(huán)保方面的評價(jià)還有待確認(rèn)。 在另一篇對黃芪熱風(fēng)干燥的研究［17］中，則對黃芪的干燥模型進(jìn)行了細(xì)致地研究，文中用50 g±0.5 g的黃芪樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用不同的風(fēng)溫、風(fēng)速和樣品切片厚度進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，其總能耗在1.18～2.71 kW·h之間，其中，在50 ℃風(fēng)溫、0.8 m/s風(fēng)速、3 mm切片厚度的情況下取得最小能耗1.18 kW·h，此時(shí)系統(tǒng)SMER值為0.019 kg H2O/（kW·h）。傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥的耗能情況通過其他學(xué)者對茶樹菇［18］、木耳［19］等農(nóng)產(chǎn)品電加熱熱風(fēng)干燥的研究也可以很好的表現(xiàn)。 兩篇文獻(xiàn)都采用電加熱型熱風(fēng)干燥工藝，分別干燥大約9 kg的茶樹菇和8 kg的黃背木耳，其使用的干燥工藝的最低能耗分別為55.02 MJ和59.33 MJ， 通過計(jì)算得知其SMER 值分別為0.460 kg H2O/（kW·h）和0.370 kg H2O/（kW·h）。結(jié)合表1可知， 傳統(tǒng)熱風(fēng)加熱所造成的能源浪費(fèi)十分明顯。

另一方面，熱風(fēng)干燥對果蔬營養(yǎng)物質(zhì)破壞性極強(qiáng)，并不適合用于需保留較多營養(yǎng)物質(zhì)的水果的干燥。 這一點(diǎn)可以通過王慶衛(wèi)等對紅棗的研究得到證實(shí)［20］。 他們通過實(shí)驗(yàn)測得了熱風(fēng)、紅外及真空冷凍等不同干燥條件下的紅棗干制后各種營養(yǎng)物質(zhì)（如VC、酚類及有機(jī)酸等）的保留程度，結(jié)果表明， 熱風(fēng)干燥對紅棗中的酚類、VC的破壞明顯，且隨著干燥溫度的升高而加劇。 其原因是較長的干燥時(shí)間使得酚類物質(zhì)和VC氧化明顯加劇，其中熱風(fēng)干燥保留的VC不足鮮果的一半。 熱風(fēng)干燥對其他幾種營養(yǎng)物質(zhì)的破壞相較于紅外和冷凍干燥也較為明顯。 而在另一篇對檸檬干制的研究［21］中也得到了相似的結(jié)論：熱風(fēng)干燥對檸檬片中的VC保留率僅為19.14%，而對檸檬香味的保持程度對比中，作者測量了D-檸檬烯、萜品烯等5種揮發(fā)性風(fēng)味化合物的保留情況， 熱風(fēng)干燥保留率僅為0.00%～20.62%， 遠(yuǎn)不如紅外干燥的38.25%～77.46%和冷凍干燥的14.49%～49.08%。相 似 的 結(jié) 論 也 可 以 從 其 他 學(xué) 者 對 芒 果［23，24］、野 草莓［27］、香 菇［28］、芹 菜 葉［29］等 果 蔬 干 燥 的 研 究 中 展現(xiàn)出來， 熱風(fēng)干燥方法對相關(guān)產(chǎn)品抗氧化酸、酚類、β-胡蘿卜素、維生素以及色差、味覺、香氣的保留程度都遠(yuǎn)低于冷凍干燥及微波干燥。

2.2 熱泵熱風(fēng)干燥

近年來熱泵作為高效的產(chǎn)熱技術(shù)，在國內(nèi)外得到了廣泛的研究，在化工、供暖及熱水器等方面國內(nèi)外均已有了成熟的應(yīng)用［30～35］。另一方面，將熱泵作為熱風(fēng)干燥機(jī)熱源的研究報(bào)道還不夠充分。 在專利［36，37］中，作者分別設(shè)計(jì)了兩種熱泵干燥機(jī)組的運(yùn)行原理的基本框架， 而專利［38，39］則給出了使用熱泵機(jī)組干燥紅棗片和山楂糖塊的具體工藝。

在能源效率方面熱泵干燥機(jī)表現(xiàn)突出。 楊先亮等對比了3種不同的熱泵紅棗干燥工藝， 其最節(jié)能的工藝干燥15 kg紅棗18 h能耗僅為116 MJ，計(jì)算其SMER值約為0.500 kg H2O/（kW·h）［13］。 相比于文獻(xiàn)［12］中的0.110 kg H2O/（kW·h），節(jié)能效果還是比較顯著的。 羅喬軍等總結(jié)了國內(nèi)學(xué)者對閉式熱泵干燥機(jī)、余熱回收型熱泵干燥機(jī)等五大類谷物熱泵干燥機(jī)的研究結(jié)果［14］，其SMER變化范圍為1.630～2.300 kg H2O/（kW·h），相比于傳統(tǒng)加熱的0.681 kg H2O/（kW·h） 節(jié)能效果明顯。 此外，使用太陽能輔助還可以進(jìn)一步提高熱泵干燥機(jī)的能效比。 在姚曜的研究中，通過實(shí)驗(yàn)對比了熱泵烤煙房和傳統(tǒng)燃煤烤煙房的能耗［15］。 相比于燃煤烤煙房每次烤煙600～800 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗，熱泵烤煙房的等效耗煤量僅為429 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)能效果出眾。 在另一篇有關(guān)煙葉干燥的文章［16］中， 作者計(jì)算出熱泵烤煙房每干燥1 kg煙葉比燃煤烤煙房節(jié)約0.52元人民幣，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

另一方面，熱泵干燥系統(tǒng)對產(chǎn)品的營養(yǎng)保持效果也明顯好于傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥。 龔麗等研究了小型熱泵干燥機(jī)的風(fēng)速、風(fēng)溫和檸檬的切片厚度對檸檬片的干燥時(shí)間、營養(yǎng)保持率、復(fù)水率和口感的 影 響［22］。 發(fā) 現(xiàn) 在60 ℃、0.5 m/s 的 熱 風(fēng) 送 風(fēng)、4 mm的切片條件下干燥110 g檸檬片用時(shí)7.5 h，VC保留率高達(dá)67%，這比傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥的檸檬片VC保留率［21］高出2倍以上。 熱泵干燥后的檸檬片的口感和復(fù)水率也均處于較高的水準(zhǔn)。 相似的結(jié)論也可以從文獻(xiàn) ［25，26］ 對芒果的研究和文獻(xiàn)［40］對菠蘿蜜的研究中找到：在45～55 ℃的風(fēng)溫下， 熱泵干燥機(jī)對芒果和菠蘿蜜VC保留率都在50%以上，β-胡蘿卜素、 其他維生素的保留率也在較高水平。 造成熱泵干燥的營養(yǎng)物質(zhì)保留率高于傳統(tǒng)熱風(fēng)的原因可能是熱泵干燥所需總時(shí)間較短，且風(fēng)溫、風(fēng)速可以根據(jù)果蔬干燥的實(shí)時(shí)狀態(tài)靈活調(diào)節(jié)。 需要指出，雖然熱泵干燥機(jī)對果蔬營養(yǎng)物質(zhì)的保留相比于傳統(tǒng)熱風(fēng)有了很大提高，但是總體上不論VC還是其他營養(yǎng)物質(zhì)的保留率都不及冷凍干燥以及微波干燥［21，23，24，27］。

3 果蔬干燥模型及干燥影響因素

3.1 果蔬干燥速率模型

果蔬在干燥過程中， 失水速率并不是一定的，如果干燥時(shí)不考慮果蔬的失水速率變化而采用固定的干燥條件，很可能會造成果蔬營養(yǎng)物質(zhì)的流失、產(chǎn)品表面發(fā)黑，或者干燥不充分、不均勻等一系列問題。 因此為保證果蔬干燥的品質(zhì)，必須依據(jù)相關(guān)果蔬干燥速率的變化曲線，按照干燥曲線動態(tài)調(diào)整風(fēng)速、風(fēng)溫以及其他干燥條件。

前人已針對不同物料提出了很多干燥模型，幾個(gè)典型的干燥模型及其方程表達(dá)式列于表2，所有模型函數(shù)均為遞減性質(zhì)。

表2 典型干燥模型及其方程

魯潔等通過實(shí)驗(yàn)對熱風(fēng)紅棗干燥的干燥速率曲線進(jìn)行了測量和建模，發(fā)現(xiàn)紅棗的失水速率曲線變化與Page模型以及Logarithmic模型高度吻合，其決定系數(shù)（R2）均在0.998以上［47］。 李超新等則對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明紅棗的紅外干燥速率曲線依然適用Page模型［48］。 弋曉康比較了Page模型、Logarithmic模型、Weibull distribution模型以及其他常用模型，發(fā)現(xiàn)雖然前兩者擬合紅棗的干燥速率R2值均在0.990以上，但Weibull distribution模型的吻合度更高，其R2值可達(dá)0.999以上，且其均方根檢驗(yàn)值（RMSE）和卡方檢驗(yàn)數(shù)（χ2）也優(yōu)于前兩者［49］，故作者認(rèn)為Weibull distribution模型更適合紅棗干燥。

SEHRAWAT R等的研究表明，芒果干燥適用于Page模型， 其R2值在0.995以上，χ2和RMSE值也在合理的范圍內(nèi)［24］。 在文獻(xiàn)［50］中，作者發(fā)現(xiàn)雖然Page模型適用于芒果的干燥， 但是Midilli模型似乎擬合表現(xiàn)更佳， 其R2可達(dá)0.997，χ2和RMSE值也優(yōu)于Page模型。 對于山楂切片［51］、石榴皮［52］、蘿卜干［53］及香蕉片［54］等果蔬的干燥，Page模型吻合程度也是極好的，R2值均在0.990以上。當(dāng)然，一些果蔬產(chǎn)品也不乏更適合的模型， 比如山楂片的Lewis模型［51］和石榴皮的Logarithmic模型［52］等，在各自的干燥環(huán)境下所擬合出的干燥曲線都比Page模型更加適用于各自的果蔬干燥。

從整體上看，Page模型和各類果蔬干燥速率曲線吻合度都較高［11］，是一個(gè)具有普適性的果蔬干燥速率模型，在不清楚目標(biāo)果蔬的具體失水模型、且暫不滿足實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證條件的情況下，可以考慮采用Page模型進(jìn)行擬合。 但是，文獻(xiàn)［47，49～52］的結(jié)果也表明，有時(shí)Page模型并不是最適合某些特定果蔬的干燥曲線模型，在條件允許的情況下應(yīng)選擇與對應(yīng)果蔬干燥曲線最吻合的干燥速率模型。

3.2 風(fēng)溫、風(fēng)速影響

干燥時(shí)的風(fēng)速、風(fēng)溫影響著果蔬干燥速率和品質(zhì)，所以適宜的風(fēng)速和風(fēng)溫也是研究果蔬干燥的一個(gè)重要內(nèi)容。

張艷搭建比例尺為1.5∶1的小型實(shí)驗(yàn)臺，對紅棗的熱風(fēng)干燥過程進(jìn)行分析，雖然主要使用的加熱形式是電加熱法，但該方法在原理上與熱泵干燥相似，其結(jié)果可以參考［55］。 作者通過模型計(jì)算求出實(shí)驗(yàn)臺中紅棗干燥所需的能量、 風(fēng)量等參數(shù)，對加熱器、風(fēng)機(jī)等進(jìn)行了合理的選型。 通過逐時(shí)取樣的方法測出物料干基含水量與干燥時(shí)間的變化曲線，并由此得到干燥速度的變化。 同時(shí)，作者還對比了不同風(fēng)量、預(yù)熱階段不同的相對濕度對紅棗干燥特性的影響，結(jié)果表明，提高風(fēng)速可以縮短總體干燥時(shí)間，干燥效果也較好，在1.2 m/s風(fēng)速、60%RH的條件下干燥品質(zhì)最好。 此外，提高預(yù)熱階段的相對濕度有利于提高冬棗口感的厚實(shí)度，減輕表皮的硬化結(jié)殼現(xiàn)象，提高了成品品質(zhì)，且在預(yù)熱階段相對濕度的提升有利于紅棗表皮變軟，使其更容易在后期排出水分，進(jìn)而提高整體干燥速率。 最后，作者還對熱泵技術(shù)在其工藝中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，結(jié)論是熱泵相比于傳統(tǒng)加熱技術(shù)更加節(jié)能環(huán)保， 而且通過與PLC技術(shù)結(jié)合可以更好地控制烘房內(nèi)的溫濕度變化。 而另一篇對紅棗干燥影響因素的研究［56］則分別以不同的干燥溫度、干燥風(fēng)速和物料排布密度進(jìn)行3組單因素實(shí)驗(yàn)， 分析紅棗的干燥時(shí)間和干燥品質(zhì)。 結(jié)果表明，在干燥前期，溫度越高、風(fēng)速越大、密度排布越低，紅棗的干燥速率越大，但是過高的溫度和過大的風(fēng)速都會導(dǎo)致紅棗品質(zhì)變差，過小的排布密度則會導(dǎo)致單批次干燥紅棗總重量的降低， 因此上述3個(gè)因素的選擇應(yīng)當(dāng)適中，在40 ℃、0.8 m/s的條件下最為適宜。 后期隨著自由水的減少，三者對干燥速率的影響都不顯著。

對于其他果蔬的干燥也有相似的結(jié)論。 在對檸檬片干燥中，龔麗等的研究表明，風(fēng)速、溫度和切片厚度對干燥速率和干燥品質(zhì)都有影響，其中風(fēng)速的影響最小， 溫度對干燥速率的影響更高，而切片厚度則顯著影響檸檬片的口感和品質(zhì)［22］。在對芒果的研究中，姚隆洋探討了干燥溫度對干燥速率和品質(zhì)的影響［57］。 發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，干燥所需時(shí)間明顯縮短，在70 ℃時(shí)芒果片的總干燥時(shí)間僅為50 ℃時(shí)的42%。 但是，過高的溫度會使產(chǎn)品品質(zhì)明顯變差，超過65 ℃時(shí)干制果品的顏色明顯變暗，并伴隨著部分焦糊。

以上結(jié)果表明，風(fēng)速對干燥時(shí)間和品質(zhì)雖有影響，但是不如溫度的影響大。 在干燥速率方面，溫度越高、風(fēng)速越大，干燥時(shí)間越少；而考慮產(chǎn)品品質(zhì)，溫度過高會造成大量營養(yǎng)流失以及表面焦糊， 應(yīng)根據(jù)果蔬的干燥特性選擇合適的干燥溫度。

4 環(huán)保工質(zhì)替代

4.1 簡述

熱泵干燥機(jī)在節(jié)能減排方面性能優(yōu)異，原因之一是之前在2.2節(jié)中所展現(xiàn)出的熱泵干燥機(jī)極高的SMER值；而另一方面，則是熱泵干燥機(jī)既不像傳統(tǒng)燃燒熱風(fēng)干燥機(jī)那樣直接產(chǎn)生有害氣體（焚燒秸稈和煤炭如果尾氣處理不到位都會排放大量有毒有害氣體［58～60］），又不像電加熱那樣消耗大量電能。 在我國電能以火電為主的大環(huán)境下，節(jié)約電能等于間接減少污染物排放。

但是，熱泵干燥機(jī)的制冷劑泄漏也會導(dǎo)致一定的污染物排放和環(huán)境影響。 制冷劑經(jīng)過了一代又一代的發(fā)展，其環(huán)保性能也是逐步增強(qiáng)，各代制冷劑的對比見表3。

表3 各代制冷劑對比

第一代制冷劑和第二代制冷劑（代表性物質(zhì)如R12、R22）會對臭氧層產(chǎn)生破壞，通過《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》（下簡稱《蒙特利爾議定書》）實(shí)施在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)完全淘汰，在國內(nèi)也處于淘汰的邊緣。

目前國內(nèi)外市場應(yīng)用較為廣泛的第三代制冷劑實(shí)現(xiàn)了對臭氧層的零破壞，但是卻可能造成嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。 第三代制冷劑的GWP值普遍在1 000～3 000之間［61］，故已被《京都議定書》列入6種常見溫室氣體之中，根據(jù)《歐盟關(guān)于限制使用氟化溫室氣體的第517/2014號條例》（下簡稱《歐盟第517/2014號條例》）、《蒙特利爾議定書》 的基加利修正案的相關(guān)要求， 對GWP大于150的HFC類制冷劑要在2023年1月1日前在歐洲完全禁用。需要指出的是，R22和R134a正是目前市場上果蔬干燥的熱泵機(jī)組常用的制冷劑工質(zhì)。

第四代制冷劑 （氫氟烯烴或自然工質(zhì)為主，代表制冷劑R1234ze、CO2） 在保持上一代臭氧層零破壞特性的基礎(chǔ)上，對溫室效應(yīng)的影響幾乎可以忽略不計(jì)。 所以，在熱泵系統(tǒng)中使用第四代制冷劑是符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的重要研究方向。

在謝酈卿等的研究中，作者對比了可以替代R134a的第四代制冷劑R1234ze以及R1234yf的各項(xiàng)性質(zhì)［62］。 兩種制冷劑的GWP值都在1以下；但是隨著冷凝溫度的上升，R1234yf的容積制熱能力和效率都有了明顯的下滑， 在65～90 ℃的冷凝溫度下，R1234yf的容積制熱能力及制熱效率分別由90%和95%下降至80%和85%， 而R1234ze則穩(wěn)定在75%和100%；且在相同工況（冷凝溫度54.4 ℃，蒸發(fā)溫度7.2 ℃，過冷度8.3 K）下R1234ze的理論COP（6.08）也高于R1234yf的（5.94）。 所以在果蔬干燥的溫度環(huán)境下，R1234ze是目前替代R134a的最佳選擇。

4.2 R1234ze型制冷劑目前的應(yīng)用情況

目前，R1234ze型制冷劑在國內(nèi)的應(yīng)用僅僅停留在理論階段；國外大部分也停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未形成大規(guī)模的商用。 這些研究大部分都是用于制冷空調(diào)及熱泵供暖方面，在熱泵干燥機(jī)方面新制冷劑替代的研究少之又少。

FAROOQ M 等通過數(shù)學(xué)模型分析對比了R1234ze（Z）、R1234yf以及R1233zd（E）與R134a在蒸汽壓縮制冷中的應(yīng)用表現(xiàn)， 無論在制冷效果、壓縮機(jī)輸入功率、COP 還是溶劑制冷量方面，R1234ze（Z）型制冷劑與R134a的表現(xiàn)最為接近，R1234yf次之，R1233zd（E）的表現(xiàn)最差［63］。 在另一篇 研 究［64］中 則 是 通 過 實(shí) 驗(yàn) 來 比 較R1234yf 和R1234ze（E）在自動冷飲販賣機(jī)制冷機(jī)組中的表現(xiàn)。以恒定柜內(nèi)溫度為2 ℃（系統(tǒng)蒸發(fā)溫度比此溫度低約10 ℃）、 冷凝溫度比環(huán)境溫度高10～15 ℃設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)， 測試達(dá)到穩(wěn)態(tài)后30 min內(nèi)的系統(tǒng)表現(xiàn)。 通過比較使用不同制冷劑系統(tǒng)的制冷量、COP等參數(shù)，作者得出結(jié)論，兩種制冷劑都適合作為R134a的替代品，R1234ze （E） 型各項(xiàng)指標(biāo)與R134a相似，而R1234yf在某些情況下性能甚至優(yōu)于R134a。 而在MOTA-BABILONI A等的研究［65］中，作者采用不同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分別使用R134a、R1234yf和R1234ze（E）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在制冷量和COP的對比中，R1234yf與R134a更為接近，但隨著溫度的升高，R1234ze（E）與R134a的差值會逐步減小。 考慮到實(shí)驗(yàn)的蒸發(fā)溫度在-13～7 ℃之間， 而熱泵干燥機(jī)的蒸發(fā)溫度一般都在10 ℃以上， 有理由相信R1234ze的性能在干燥條件下與R134a更吻合。另一篇對水-水熱泵的研究［66］中可以得到佐證，在冷凝溫度為350 K、蒸發(fā)溫度為290 K時(shí)，R1234ze（E）機(jī)組的COP甚至高于R134a機(jī)組，在熱負(fù)荷的表現(xiàn)R1234ze（E）也與R134a機(jī)組相差不過14%。 作者在結(jié)論中指出，R1234ze（E）型制冷劑更適用于溫度較高的熱泵機(jī)組。

4.3 其他第四代制冷劑的應(yīng)用情況

除了R1234ze型制冷劑， 國內(nèi)外學(xué)者也對其他HFOs制冷劑進(jìn)行了探討。 例如R1234yf型制冷劑，它作為R1234ze型制冷劑的同分異構(gòu)體，也可以充當(dāng)R134a的替代制冷劑［63～65］；但是其臨界溫度較低 （僅為94.8 ℃，R1234ze （E） 為109.4 ℃，R1234ze（Z）為150.3 ℃，R134a為101.1 ℃［61］），故在一些需要高溫的場合使用受到限制。

在自然工質(zhì)的研究方面，張超等建立了以CO2作為制冷劑的空氣源熱泵熱水器的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了性能分析［67］，作者發(fā)現(xiàn)在冷凝溫度為75 ℃、蒸發(fā)溫度在10 ℃以下時(shí)，系統(tǒng)的制熱量和COP都可以保持在較為穩(wěn)定的水平； 但是蒸發(fā)溫度升高后，兩者將會隨之下降。 JOKIEL M等則設(shè)計(jì)了使用CO2工質(zhì)的熱泵干燥機(jī)系統(tǒng)，分別對3 kg和100 kg蘋果干燥模型進(jìn)行仿真［68］。 對比了開式系統(tǒng)、無空氣旁路的閉式系統(tǒng)、20%和50%空氣旁路的閉式系統(tǒng)，3種系統(tǒng)的COP均在3.2左右，但隨著空氣旁路開度的增加， 系統(tǒng)干燥時(shí)間和SMER值逐步增加。 與無旁路系統(tǒng)相比，50%旁路系統(tǒng)約節(jié)能30%，卻增加了24%的干燥時(shí)間。上述研究表明，在果蔬干燥的溫度條件下，使用CO2作為制冷工質(zhì)也有較大的潛力。 但是由于CO2的各項(xiàng)物性與傳統(tǒng)第三代制冷劑相差過大，在做制冷劑替代時(shí)需要對原有系統(tǒng)做較大的改動［69］，故其并不適用于現(xiàn)有第三代制冷機(jī)組的制冷劑替代，而更適用于新機(jī)組的設(shè)計(jì)。

R1336mzz（Z）型制冷劑是常見的應(yīng)用于高溫?zé)岜玫腍FOs制冷劑。 楊夢等對R1336mzz（Z）的制備方法和理化性質(zhì)進(jìn)行了討論［70］，作者認(rèn)為調(diào)聚反應(yīng)是制備R1336mzz的最佳方法，而在理化性質(zhì)上，R1336mzz的各項(xiàng)性能也優(yōu)于傳統(tǒng)制冷劑。 在KONTOMARIS K的研究中［71］，作者進(jìn)一步對比了其與第三代制冷劑HFC-245fa的物理性能、 化學(xué)性能和循環(huán)特性。 在物性方面，R1336mzz型制冷劑具有較高的臨界溫度和較低的臨界壓力，使其在同等壓力條件下可適用于更高的溫度；在化學(xué)穩(wěn)定性方面，R1336mzz 的熱穩(wěn)定性也高于R245fa； 對于熱力循環(huán)性能，R1336mzz具有更高的循環(huán)效率和COP。 總之，R1336mzz型制冷劑更適用于高溫?zé)岜茫?是第三代R245fa制冷劑的完美替代品。

5 結(jié)論

5.1 熱泵干燥相比傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥更加節(jié)能、環(huán)保，其能耗在傳統(tǒng)方式的1/3左右；且對果蔬的主要營養(yǎng)成分及觀感、 口感也保持較好，VC保留率最高可比傳統(tǒng)方式提高近3倍， 是傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥技術(shù)的升級選擇。

5.2 Page模型是適用于大多數(shù)果蔬干燥過程的的常見通用模型，但是部分果蔬也有吻合程度更好的模型匹配，要根據(jù)具體的干燥產(chǎn)品選擇最為合適的干燥模型。

5.3 風(fēng)溫相比于風(fēng)速對干燥速度和干燥品質(zhì)影響更為顯著，溫度越高、干燥速度越快，但是過高的溫度會對產(chǎn)品的干燥品質(zhì)產(chǎn)生破壞。 在對果蔬進(jìn)行干燥時(shí)應(yīng)選擇合適的干燥溫度，并依據(jù)干燥曲線加以靈活調(diào)整。

5.4 R1234型制冷劑可以實(shí)現(xiàn)對目前熱泵干燥機(jī)中R134a制冷劑的替代，其中R1234ze（E）型是較理想的選擇。