熱泵除濕干燥技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用及展望

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(guò)程中，空氣溫度和相對(duì)濕度對(duì)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(wàn)別，但是加快干燥除濕速度，縮短干燥時(shí)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(diǎn)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(dá)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(guó)自80年代中期開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)熱泵干燥機(jī)，至90年代開(kāi)始獨(dú)立設(shè)計(jì)，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(jī)組如圖2.1所示主要由熱泵系統(tǒng)（蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥等）和空氣系統(tǒng)（干燥室、風(fēng)機(jī)、電加熱器等）組成。因此熱泵干燥循環(huán)包括兩個(gè)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(jī)出來(lái)的高溫高壓的制冷劑氣體進(jìn)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(jìn)入蒸發(fā)器，吸收由干燥室出來(lái)的濕空氣的熱量，變成低溫低壓氣體，在被壓縮機(jī)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(diǎn)溫度以下，析出凝結(jié)水，含濕量下降，再進(jìn)入冷凝器，吸收制冷劑的熱量而升溫，相對(duì)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(jī)的分類：

　?。?）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(kāi)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(kāi)路式循環(huán)系統(tǒng)指干燥介質(zhì)離開(kāi)干燥室進(jìn)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(guò)蒸發(fā)器冷卻除濕，由冷凝器加熱升溫，降低相對(duì)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(guò)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(guò)蒸發(fā)器后的空氣，該系統(tǒng)出風(fēng)溫度能進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　3.熱泵除濕干燥技術(shù)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

　　自20世紀(jì)70年代以來(lái)，美、日、法、德等國(guó)就開(kāi)展了熱泵除濕干燥的研究，國(guó)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(guó)也在80年代引進(jìn)了該項(xiàng)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(jì)效益，產(chǎn)品的附加值大大提高。特別是我國(guó)政府的節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)政策的實(shí)施，極大的促進(jìn)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(jī)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(jī)的普及率南方優(yōu)于北方，目前生產(chǎn)除濕機(jī)的廠家有8—10個(gè)，國(guó)產(chǎn)設(shè)備占70%左右[1]，我國(guó)進(jìn)口的除濕機(jī)主要集中在日本、美國(guó)、加拿大等國(guó)家。

　　3.1谷物

　　通過(guò)對(duì)谷物進(jìn)行熱泵干燥，結(jié)果表明由于熱泵具有較低的溫度（在實(shí)驗(yàn)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(guó)也在1998年的國(guó)家重點(diǎn)糧庫(kù)建設(shè)中，大量引進(jìn)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(shù)籽、草籽）發(fā)芽率和日曬比較提高5個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)白菜種子進(jìn)行了干燥實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：種子的干燥時(shí)間受干燥溫度、干燥空氣相對(duì)濕度和初含水率的影響，提高干燥溫度，減小干燥空氣相對(duì)濕度，降低初含水率，可以縮短干燥時(shí)間，在干燥空氣流速較低的情況下，干燥空氣流速對(duì)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(yàn)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(lái)，我國(guó)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(yuǎn)[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(duì)毛竹筍進(jìn)行了干燥實(shí)驗(yàn)，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(duì)熱泵干燥與熱風(fēng)干燥效果進(jìn)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(diǎn)，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(fèi)用為0.68元/kg是常規(guī)食用菌烘干機(jī)平均能耗費(fèi)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(chǎng)歡迎。王荷蘭[12]對(duì)生姜、大蒜的動(dòng)態(tài)干燥特性進(jìn)行研究，分析了不同干燥空氣溫度、相對(duì)濕度和流率對(duì)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(duì)象，通過(guò)對(duì)比分析干燥過(guò)程中空氣流量、蒸發(fā)器旁通空氣量、干燥溫度等因素對(duì)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(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品的長(zhǎng)期貯藏，方便運(yùn)輸?shù)饶康?，必須?duì)水產(chǎn)品實(shí)行干燥，由于水產(chǎn)品是熱敏性物質(zhì)，干燥溫度過(guò)高，干燥過(guò)程過(guò)長(zhǎng)等都會(huì)造成品質(zhì)的下降。廣東省農(nóng)機(jī)研究所從一九八九年開(kāi)始研制了RG—110型熱泵干燥機(jī)[14]，從1989到1996年中對(duì)多種魚類和扇貝等海珍品進(jìn)行了干燥實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)品色亮味美，深受美、日等國(guó)喜愛(ài)，為國(guó)家創(chuàng)造了可觀的外匯。洪國(guó)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(jìn)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(yíng)養(yǎng)成分損失少等優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)行茶葉熱泵干燥中期實(shí)驗(yàn)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(fèi)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(jī)，實(shí)際應(yīng)用表明，每臺(tái)干燥機(jī)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(wèn)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(wèn)題

　　4.1傳統(tǒng)制冷劑對(duì)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(huì)造成大氣臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)。

　　4.2干燥周期長(zhǎng)

　　熱泵干燥的優(yōu)點(diǎn)就是溫度低，一般不超過(guò)60℃通常在45℃以下，適宜熱敏性物料，但這也使得干燥過(guò)程中干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，生產(chǎn)能力下降，生產(chǎn)周期加長(zhǎng)。

　　4.3其他

　　熱泵除濕干燥在電價(jià)高的地區(qū)使用會(huì)受到影響，特別是單熱源熱泵的使用會(huì)出現(xiàn)節(jié)能不借錢的現(xiàn)象。另外，目前我國(guó)除濕干燥機(jī)的外觀設(shè)計(jì)、加工精度、電磁閥等零部件質(zhì)量等還存在著一定的問(wèn)題，需進(jìn)一步改進(jìn)。

　　5.熱泵除濕干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(duì)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(duì)環(huán)境無(wú)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(kuò)大，所以設(shè)法提高干燥的溫度也是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前較常用的方法是通過(guò)輔助加熱系統(tǒng)，將經(jīng)過(guò)冷凝器加熱過(guò)的空氣進(jìn)一步提高其溫度，這種方法雖然簡(jiǎn)單有效，但能源消耗顯著增加，為解決這一問(wèn)題，應(yīng)針對(duì)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(kāi)發(fā)高溫高壓制冷壓縮機(jī)，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(kāi)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(guò)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(jī)組達(dá)到所要干燥的溫度后排放掉的那一部分熱量，試驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(duì)物料進(jìn)行三維加熱，形成溫度內(nèi)高外低的正向溫度場(chǎng)（與水分排出物料的運(yùn)動(dòng)方向一致）的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)問(wèn)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(shí)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(fù)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(yùn)行費(fèi)用僅為1/5[23]。

　　在太陽(yáng)能充足的地區(qū)采用太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合干燥，可以實(shí)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(yáng)能—熱泵聯(lián)合干燥裝置，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出該裝置的節(jié)電率在15%~47.8%之間[24]。

　　5.5自動(dòng)控制[25]

　　干燥是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，干燥過(guò)程中各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)控制參數(shù)值有較大幅度調(diào)整，手動(dòng)調(diào)節(jié)難度大，控制精度低。計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展為數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集、顯示和保存及參數(shù)的自動(dòng)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(shí)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(cè)、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(cè)、傳感及控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于熱泵干燥加工，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)干燥加工過(guò)程的全自動(dòng)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(guò)程是一個(gè)巨大的耗能過(guò)程，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家里用于干燥所消耗的能量占全國(guó)總能耗的7%—15%，而熱效率僅為25%—50%[26]，并且大部分干燥過(guò)程特別是對(duì)熱敏性物料例如食品和生物物料都會(huì)對(duì)其色澤、營(yíng)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(diǎn)，其優(yōu)異的節(jié)能效果已被國(guó)內(nèi)外的各種試驗(yàn)研究所證明。目前熱泵干燥正朝著提高干燥溫度，開(kāi)發(fā)新型熱泵干燥系統(tǒng)，及熱泵的自動(dòng)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?jī)烧咄昝澜y(tǒng)一起來(lái)的技術(shù)給食品干燥行業(yè)帶來(lái)重大變革。