熱泵除濕干燥技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用及展望
在食品的生產(chǎn)、加工和貯藏過程中，空氣溫度和相對濕度對其產(chǎn)量、質(zhì)量、外觀等，將有極大的影響。干燥是食品及農(nóng)副產(chǎn)品貯藏和深加工的主要方式之一，食品物料的種類繁多，干燥方法也千差萬別，但是加快干燥除濕速度，縮短干燥時間，提高干燥食品的質(zhì)量和節(jié)約干燥能耗一直是食品干燥研究的共同課題。
熱泵除濕干燥裝置是應(yīng)用冷凍除濕的原理，將濕空氣冷卻到露點溫度以下，析出水分后，再利用冷凝熱加熱冷卻后的干空氣，從而達到除濕的目的。熱泵除濕裝置能夠回收濕空氣的潛熱，因此節(jié)能效果顯著。另外，熱泵除濕干燥的溫度低，接近自然干燥，被干物料的品質(zhì)好，特別適合水產(chǎn)品、果蔬、種子等熱敏性物料的干燥加工。我國自80年代中期開始從國外引進熱泵干燥機，至90年代開始獨立設(shè)計，目前該技術(shù)有了較大的發(fā)展，熱泵除濕干燥由于節(jié)能效果顯著、干燥質(zhì)量好、用清潔的電能作為能源不污染環(huán)境，目前已成為常規(guī)干燥之后處于第二位的干燥技術(shù)[1]。
2.熱泵干燥的工作原理及分類
熱泵干燥機組如圖2.1所示主要由熱泵系統(tǒng)（蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥等）和空氣系統(tǒng)（干燥室、風(fēng)機、電加熱器等）組成。因此熱泵干燥循環(huán)包括兩個循環(huán)：（1）制冷工質(zhì)的蒸汽壓縮循環(huán)。（2）干燥空氣的循環(huán)。
制冷循環(huán)：由壓縮機出來的高溫高壓的制冷劑氣體進入冷凝器，將熱量傳給空氣后，冷凝成常溫高壓液體，經(jīng)膨脹閥節(jié)流后進入蒸發(fā)器，吸收由干燥室出來的濕空氣的熱量，變成低溫低壓氣體，在被壓縮機吸入壓縮，如此往復(fù)循環(huán)。
空氣系統(tǒng)：濕空氣在蒸發(fā)器處被冷卻到露點溫度以下，析出凝結(jié)水，含濕量下降，再進入冷凝器，吸收制冷劑的熱量而升溫，相對濕度降低，然后再送入干燥室。
圖2.1熱泵干燥循環(huán)系統(tǒng)圖
熱泵除濕干燥機的分類：
（1）按空氣循環(huán)系統(tǒng)劃分，可分為閉路式循環(huán)系統(tǒng)和開路式循環(huán)系統(tǒng)
閉路式循環(huán)系統(tǒng)是指干燥介質(zhì)在干燥器內(nèi)全部循環(huán)使用，開路式循環(huán)系統(tǒng)指干燥介質(zhì)離開干燥室進入熱泵的蒸發(fā)器與熱泵工質(zhì)換熱后直接排空。
（2）按制冷系統(tǒng)劃分，可分為一般型、降溫型、調(diào)溫型。
一般型是指空氣經(jīng)過蒸發(fā)器冷卻除濕，由冷凝器加熱升溫，降低相對濕度，系統(tǒng)出風(fēng)溫度不能調(diào)節(jié)，只能用于升溫干燥。
降溫型是指在一般型的系統(tǒng)上增設(shè)外部水冷或風(fēng)冷冷凝器，制冷劑的冷凝熱全部由增設(shè)的冷凝器帶走，空氣經(jīng)過主冷凝器后溫度不變，該系統(tǒng)可用于干燥熱敏性生物物料，或作低溫貯藏之用。
調(diào)溫型是指制冷劑的冷凝熱部分由水冷或風(fēng)冷冷凝器帶走，剩余冷凝熱用于加熱經(jīng)過蒸發(fā)器后的空氣，該系統(tǒng)出風(fēng)溫度能進行調(diào)節(jié)。
3.熱泵除濕干燥技術(shù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
自20世紀(jì)70年代以來，美、日、法、德等國就開展了熱泵除濕干燥的研究，國際能源中心（IEA）集中了大量的有關(guān)熱泵干燥技術(shù)的研究成果。我國也在80年代引進了該項技術(shù)，最早而且應(yīng)用范圍最廣的是用于木材的干燥，由于熱泵干燥溫度低接近自然干燥，近幾年逐漸將其應(yīng)用到食品及農(nóng)副產(chǎn)品的干燥作業(yè)之中，取得了較好的經(jīng)濟效益，產(chǎn)品的附加值大大提高。特別是我國政府的節(jié)約能源和環(huán)境保護政策的實施，極大的促進了熱泵除濕干燥技術(shù)的發(fā)展。目前研究熱泵干燥技術(shù)的高校及科研院所主要集中在西南農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、天津大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、廣東省農(nóng)機研究所，上海桑菱能源研究所等幾家單位，干燥的物料也集中在木材、谷物、食品、農(nóng)副產(chǎn)品、紡織和紙張方面。熱泵除濕機的普及率南方優(yōu)于北方，目前生產(chǎn)除濕機的廠家有8—10個，國產(chǎn)設(shè)備占70%左右[1]，我國進口的除濕機主要集中在日本、美國、加拿大等國家。
3.1谷物
通過對谷物進行熱泵干燥，結(jié)果表明由于熱泵具有較低的溫度（在實驗中為30—40℃）和良好的可控性使熱泵除濕干燥技術(shù)將逐漸取代傳統(tǒng)的干燥方式。我國也在1998年的國家重點糧庫建設(shè)中，大量引進了這種設(shè)備和技術(shù)。
3.2種子
熱泵除濕干燥技術(shù)的低溫干燥特性比較適合于種子干燥，干燥后的種子不但要有適宜的含水率，而且還要保證種子的發(fā)芽率，用熱泵裝置干燥各類種子（菜籽、樹籽、草籽）發(fā)芽率和日曬比較提高5個百分點。對白菜種子進行了干燥實驗研究，結(jié)果表明：種子的干燥時間受干燥溫度、干燥空氣相對濕度和初含水率的影響，提高干燥溫度，減小干燥空氣相對濕度，降低初含水率，可以縮短干燥時間，在干燥空氣流速較低的情況下，干燥空氣流速對干燥速率影響很小。上海市能源研究所[5]于1992年研制了熱泵式糧食種子干燥裝置，試驗結(jié)果表明能耗明顯低于常規(guī)干燥的能耗，發(fā)芽率也有一定的提高。
3.3果蔬
20世紀(jì)90年代以來，我國科技工作者在果蔬的熱泵干燥研究領(lǐng)域做了許多研究工作，其范圍主要集中于蘑菇、洋蔥、木薯及蘿卜等方面。李志遠[6，7，8]用熱泵加工脫水蔬菜，以白菜和胡蘿卜為干燥物料，所得產(chǎn)品色澤鮮艷，葉綠素，胡蘿卜素，維生素C損失小，維生素保存率比熱風(fēng)干燥提高將近一倍。陸蒸[9]對毛竹筍進行了干燥實驗，結(jié)果表明毛竹筍切片厚度薄且經(jīng)漂燙、干燥溫度高的樣品干燥速度快，制品感官質(zhì)量好。吳雪輝[10]干燥西紅柿果脯，對熱泵干燥與熱風(fēng)干燥效果進行比較，熱泵干燥的樣品具有色澤鮮艷、能耗較低、干燥溫度低等優(yōu)點，由于干燥溫度在45℃以下，因此減少酶促褐變的發(fā)生。李云林[11]利用RG—110型熱泵干燥香菇，日加工量為600kg，可得含水率為13%以下的干香菇92kg，耗能費用為0.68元/kg是常規(guī)食用菌烘干機平均能耗費用1.19元/kg的57%。，節(jié)能效果顯著，且優(yōu)質(zhì)率提高60%，干燥后的香菇外形收縮均勻，不變形，菇蓋顏色為深褐色，氣味清香純正，不帶有煙味、焦味深受市場歡迎。王荷蘭[12]對生姜、大蒜的動態(tài)干燥特性進行研究，分析了不同干燥空氣溫度、相對濕度和流率對干燥的影響，找出合適的干燥工況，熱泵的低溫干燥溫度在45—50℃之間的工況非常適宜生姜和大蒜的干燥。U．Teeboonma[13]等人則更多地側(cè)重于熱泵干燥工藝的研究，他們分別以番木瓜和芒果為對象，通過對比分析干燥過程中空氣流量、蒸發(fā)器旁通空氣量、干燥溫度等因素對物料品質(zhì)的影響，從而找出干燥的優(yōu)化條件，并建立了番木瓜和芒果干燥的數(shù)學(xué)模型。
3.4水產(chǎn)品
生鮮的魚貝類的含水率一般為75%—80%，為了實現(xiàn)水產(chǎn)品的長期貯藏，方便運輸?shù)饶康?，必須對水產(chǎn)品實行干燥，由于水產(chǎn)品是熱敏性物質(zhì)，干燥溫度過高，干燥過程過長等都會造成品質(zhì)的下降。廣東省農(nóng)機研究所從一九八九年開始研制了RG—110型熱泵干燥機[14]，從1989到1996年中對多種魚類和扇貝等海珍品進行了干燥實驗，產(chǎn)品色亮味美，深受美、日等國喜愛，為國家創(chuàng)造了可觀的外匯。洪國偉[15]利用熱泵干燥魷魚，產(chǎn)品外觀和色澤都較好。李浙[16]將魚片在20℃—25℃的溫度下進行干燥，其制品的質(zhì)量比用傳統(tǒng)的洞道式蒸汽烘房干燥的魚片具有色白、透明、營養(yǎng)成分損失少等優(yōu)點。陳忠忍[17]等將熱泵用于海產(chǎn)品的干燥，能保證產(chǎn)品的色澤和風(fēng)味，并節(jié)能50%。
3.5其他干燥物料
西南農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位進行茶葉熱泵干燥中期實驗研究[18]，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)烘干工藝相比熱泵干燥的能源費用節(jié)約了30%—40%，綜合成本下降了20.5%。田曉亮[19，20]等研制了TXL型軟膠丸熱泵干燥機，實際應(yīng)用表明，每臺干燥機能耗不足5kw，僅為原干燥工藝能耗的1/9；縮短了干燥周期，現(xiàn)僅為8h（原36h），解決了粘連問題，減少了污染，含濕量也均勻一致。
4.熱泵除濕干燥技術(shù)當(dāng)前存在的問題
4.1傳統(tǒng)制冷劑對臭氧層的破壞
目前在熱泵干燥系統(tǒng)中通常是R22為制冷劑，這種HCFC類的工質(zhì)的泄漏會造成大氣臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)。
4.2干燥周期長
熱泵干燥的優(yōu)點就是溫度低，一般不超過60℃通常在45℃以下，適宜熱敏性物料，但這也使得干燥過程中干燥時間過長，生產(chǎn)能力下降，生產(chǎn)周期加長。
4.3其他
熱泵除濕干燥在電價高的地區(qū)使用會受到影響，特別是單熱源熱泵的使用會出現(xiàn)節(jié)能不借錢的現(xiàn)象。另外，目前我國除濕干燥機的外觀設(shè)計、加工精度、電磁閥等零部件質(zhì)量等還存在著一定的問題，需進一步改進。
5.熱泵除濕干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢及前景
5.1制冷劑的替代
由于熱泵循環(huán)系統(tǒng)中通常使用的R22等HCFC類制冷劑對臭氧層和全球氣候有破壞作用，因此研究工作主要集中在單工質(zhì)替代物R134a，混合工質(zhì)替代物R407c和對環(huán)境無破壞性的綠色自然工質(zhì)（二氧化碳）在熱泵干燥循環(huán)系統(tǒng)中的研究。
5.2提高干燥溫度
熱泵干燥的溫度大都集中在40℃—60℃之間，為了能使熱泵干燥所適用的干燥物料范圍擴大，所以設(shè)法提高干燥的溫度也是研究的一個熱點。目前較常用的方法是通過輔助加熱系統(tǒng)，將經(jīng)過冷凝器加熱過的空氣進一步提高其溫度，這種方法雖然簡單有效，但能源消耗顯著增加，為解決這一問題，應(yīng)針對熱泵干燥的制冷工況以及空氣循環(huán)狀態(tài)采用復(fù)合工質(zhì)，研究開發(fā)高溫高壓制冷壓縮機，以提高冷凝溫度，從而滿足較高的干燥溫度要求。
5.3相變貯熱材料在熱泵干燥中的應(yīng)用
浙江大學(xué)制冷及低溫工程研究所從1999年開始了相變材料在熱泵節(jié)能中的研究。王劍鋒[21]高廣春[22]等通過將相變溫度為50—52℃的相變材料石蠟放置在冷凝器至干燥室的旁通管路內(nèi)，回收由于干燥機組達到所要干燥的溫度后排放掉的那一部分熱量，試驗結(jié)果表明相變材料應(yīng)用于熱泵干燥具有明顯的節(jié)能效果，當(dāng)干燥溫度為45℃物料的平均質(zhì)量百分比為24.5%時，放置相變材料，干燥節(jié)能21.9%；當(dāng)干燥溫度為50℃，干燥物料的平均質(zhì)量百分比為35.5%時，放置相變材料干燥節(jié)能36.5%。
5.4熱泵與其他方式聯(lián)合干燥系統(tǒng)
微波及紅外線干燥均有透入物料表面對物料進行三維加熱，形成溫度內(nèi)高外低的正向溫度場（與水分排出物料的運動方向一致）的優(yōu)點，但在低溫下不利于將物料表面富集的水蒸氣排除，熱泵的引入可很好地解決這個問題，利用熱泵制取的低溫干燥空氣可快速帶走物料表面的水分，同時也保證了物料成品的質(zhì)量。熱泵式真空干燥裝置利用熱泵蒸發(fā)器將物料中排出的水分凝結(jié)析出，可降低真空設(shè)備的負荷，與電加熱式真空干燥裝置相比，熱泵式真空干燥裝置的運行費用僅為1/5[23]。
在太陽能充足的地區(qū)采用太陽能與熱泵聯(lián)合干燥，可以實現(xiàn)良好的節(jié)能效果，福建省林業(yè)科學(xué)研究所研制了太陽能—熱泵聯(lián)合干燥裝置，經(jīng)實驗得出該裝置的節(jié)電率在15%~47.8%之間[24]。
5.5自動控制[25]
干燥是一個非穩(wěn)態(tài)的傳熱傳質(zhì)過程，干燥過程中各個狀態(tài)點控制參數(shù)值有較大幅度調(diào)整，手動調(diào)節(jié)難度大，控制精度低。計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展為數(shù)據(jù)的計算機自動采集、顯示和保存及參數(shù)的自動監(jiān)控提供了便利。根據(jù)物料脫水情況及環(huán)境狀況適時調(diào)控干燥工藝參數(shù)，有利于提高能量利用率及產(chǎn)品質(zhì)量，可以減少人工監(jiān)測、調(diào)控的失誤，減少系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和靈敏度。因此，將現(xiàn)代檢測、傳感及控制技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于熱泵干燥加工，能夠?qū)崿F(xiàn)對干燥加工過程的全自動人工智能控制，從而降低操作成本和干燥能耗，提高制品品質(zhì)。
6.結(jié)論
干燥過程是一個巨大的耗能過程，據(jù)統(tǒng)計，在大多數(shù)發(fā)達國家里用于干燥所消耗的能量占全國總能耗的7%—15%，而熱效率僅為25%—50%[26]，并且大部分干燥過程特別是對熱敏性物料例如食品和生物物料都會對其色澤、營養(yǎng)、風(fēng)味和組織產(chǎn)生影響。熱泵除濕干燥技術(shù)具有能源消耗少，環(huán)境污染小、干燥品質(zhì)高、適用范圍廣等優(yōu)點，其優(yōu)異的節(jié)能效果已被國內(nèi)外的各種試驗研究所證明。目前熱泵干燥正朝著提高干燥溫度，開發(fā)新型熱泵干燥系統(tǒng)，及熱泵的自動控制技術(shù)等方面發(fā)展，熱泵干燥作為能將降低能源消耗和提高產(chǎn)品質(zhì)量兩者完美統(tǒng)一起來的技術(shù)給食品干燥行業(yè)帶來重大變革。
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