低氧熱泵干燥技術的國內外研究概況

胡珊　黃皓　梁衛驅　羅華建　陳仕麗　李艷芳　徐匆

摘 要 低氧熱泵干燥技術是采用其他氣體，如二氧化碳和氮氣等代替常規空氣作干燥介質，密閉循環系統進行低氧環境的氣調干燥加工。該技術提升干燥品質，節約能耗，提高干燥效率，有效解決氧敏性、熱敏性物質的干制問題，有廣闊的應用前景。本文介紹低氧熱泵干燥技術中不同氣體作干燥介質的物性研究、對干燥品質特性的影響、相關裝置的研制等方面的國內外研究概況。

關鍵詞 低氧 ；熱泵干燥 ；干燥介質 ；干燥品質

中圖分類號 TS255 文獻標識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.10.018

Abstract The hypoxia-heat pump drying technology can dry the air in a closed circulation system by using other gases such as carbon dioxide and nitrogen instead of conventional air. This drying method can improve the drying quality， save energy and raise dry efficiency. It is also an effective way to solve the drying problem of some materials sensitive to heat and oxygen. This technology has a wider application prospect. The research and development of hypoxia-heat pump drying technology were reviewed， including the characteristics of drying medium， the quality of dried products and its related devices.

Keywords hypoxia ； heat pump drying ； drying medium ； drying quality

干燥品質的改善和干燥效率的提高，是目前干燥技術研究的主要方向。干燥過程中品質劣化的主要原因是有氧環境、高溫、酶促褐變等，而氧氣、溫度、多酚氧化酶是酶促褐變的主要條件[1]。因此，干燥過程中，溫度和氧氣濃度是影響干制品品質的2個主要因素。降低干燥過程中的氧含量和干燥溫度是改善干制品品質和提高干燥效率的重要途徑。

低氧熱泵干燥技術是采用其他氣體如二氧化碳和氮氣等代替常規空氣作干燥介質，在封閉式熱泵干燥系統實現設備內定量氣體循環傳質、傳熱，達到低氧干燥效果。該技術不僅可通過對閉式干燥系統中定量氣體的成份調節作干燥介質，進行低氧環境的氣調干燥加工，減少因氧化和酶促反應對干制物料的色澤、營養物質和揮發性香氣物質造成不同程度的破壞和損失，改善干制品的品質；又改變了熱風干燥過程不斷吸入新鮮氣體，排出高溫廢氣的傳統模式，有效利用干燥過程的潛熱，大大節約能耗，提高干燥效率[2]。技術能有效解決氧敏性、熱敏性物質的干制問題，提升品質，降低能耗，實現高效、清潔、環境友好干制加工生產，有廣闊的應用前景。本文介紹低氧熱泵干燥技術中不同氣體作干燥介質的物性研究、對干燥品質特性的影響、相關裝置的研制等方面的國內外研究概況。

1 不同氣體作干燥介質的物性研究

表面傳熱傳質系數是影響干燥過程中熱質傳遞的重要參數。在干燥過程中，表面傳熱傳質系數除了受流動狀態和接觸面積的影響外，也受干燥介質的密度、粘度、熱導率和比熱容等物性參數的影響。不同氣體作干燥介質，由于各種氣體的物性參數均不相同，所以其干燥過程的流動狀態和熱質傳遞性能與常規空氣干燥必有差別。

Hawlader等[3-4]研究姜、番石榴和番木瓜等在二氧化碳、氮氣與標準空氣不同種介質的熱泵干燥，氮氣作干燥介質得到的有效擴散率最大，二氧化碳其次，標準空氣最低。Doungporn等[5]對不同物料的氣調干燥速率進行分析，認為高濕度的物料如蘋果、胡蘿卜等受干燥介質的氧氣體積分數的影響較為顯著，會導致其干燥速率隨著氧氣體積分數的降低而提高，而低濕度的谷物（干基含水率32%）則不受氧氣體積分數的影響。謝繼紅等[6]研究空氣、氮氣、二氧化碳、氬氣、氫氣、氦氣6種熱泵干燥介質的基本物性和熱物性數據，包括1個大氣壓下不同溫度下的密度、定壓比熱容、熱導率、導溫系數、運動黏度、動力黏度等，并對各種干燥介質的適用性進行分析。根據物料物性和干燥過程的需要， 在熱泵干燥裝置中采用由上述單種或多種氣體組合得到的干燥介質，選擇最佳干燥介質，實現干燥速率快、能源效率高、干燥品質好等多個目標，為采用空氣之外的其他適宜干燥介質提供了良好的研究基礎。陳東等[7]采用氫氣作為干燥介質，在相同的并流廂式熱泵干燥裝置結構尺寸和干燥工藝參數條件下，氫氣與物料間的傳熱系數約為空氣的2.5倍，傳質系數約為空氣的1.5倍，流動阻力約為空氣的1/5，而單位體積與水蒸氣飽和混合物中的水蒸氣質量及在絕熱干燥過程中吸收水蒸氣的能力均與空氣基本相同。研究表明采用氫氣作為干燥介質具有突出的綜合優勢，可為物料提供不含氧的干燥環境，還可使干燥速率明顯提高，使風機功耗大幅度降低。但氫氣易燃易爆，應用時須完善安全技術和提供管理制度保障。朱文學等[8]繪制含氮氣混合氣流定壓濕焓圖及溫濕圖，推導不同氮氣含量混合氣流狀態參數和傳熱傳質系數的計算公式并進行規律分析，結果表明，隨著氮氣含量的增加，混合氣流的密度、粘度、熱導率和比熱容均減小，擴散系數增大，傳熱系數減小，傳質系數增大，干燥速率逐漸增加。

不同物料干燥對干燥介質的要求亦不同，作干燥介質氣體的種類和濃度跟物料的特性密切相關，因此對不同氣體作干燥介質的物性研究是低氧熱泵干燥技術有效實施的基礎。

2 低氧熱泵干燥技術對干燥品質和效率的影響

低氧熱泵干燥技術能有效解決干燥過程中干制品外觀色澤劣變、營養物質損失和能耗高等難題，有效提升干燥品質，提高干燥效率，備受國內外干燥加工研究學者的關注。

Hawlader等[3]研究真空干燥、冷凍干燥、以空氣、氮氣、二氧化碳作干燥介質的熱泵干燥番石榴和番木瓜時干燥動力學、干燥品質。結果表明，用二氧化碳作熱泵干燥介質，干燥過程中番石榴的有效擴散率提高44%，番木瓜的有效擴散率提高16.34%，還能有效減少褐變，快速復水，VC保存率高；還比較以空氣、氮氣、二氧化碳作不同熱泵干燥介質干燥厚度為3 mm的姜片的干燥特性。液相色譜法分析檢測不同干燥方式干制品中的主要功能成分姜辣素（6-姜酚）含量，姜辣素保留含量按以下順序依次增大熱泵干燥，冷凍干燥，氮氣熱泵干燥，二氧化碳熱泵干燥和真空干燥。由此可見，低氧熱泵干燥比其他大部分干燥方法更能有效保存功能成分[4]；以氮氣或二氧化碳為干燥介質的熱泵干燥干制蘋果、番石榴、土豆等，在45℃、10%濕度下，其干制品有很好的物性，減少收縮，更發達的多孔結構和更好的復水性，在色澤上同真空冷凍干燥相似[9]。ONeill等[10]認為采用氮氣或二氧化碳代替常規空氣進行干燥，可有效減輕褐變、提高產品孔隙率及縮短干燥時間。Borompichaichartkul等[11]研究氮氣作干燥介質夏威夷干果分階段熱泵干燥技術，包括干燥動力學、干燥品質和干燥過程的能耗。研究表明，第一階段40℃氮氣干燥介質中烘，第二階段60℃空氣干燥介質中烘，可獲得品質優良的干果和最小能耗。盧永芬[12]根據CO2作干燥介質調節氧含量熱泵干燥食用菌的試驗結果，建立不同溫度下O2、CO2含量與蘑菇褐變度的數學關系式。在O2含量較低時，隨O2含量的降低，褐變度下降明顯，而溫度對褐變度的影響較??；隨著O2含量的升高，尤其當O2含量大于14%時，溫度對褐變度的影響變大，而O2含量對褐變度的影響變小。而隨著CO2含量的升高，褐變度先是減小，然后增大。以CO2含量在70%為界，含量小于70%的范圍內，隨著CO2含量的升高，褐變度減??；含量大于70%的范圍內，隨著CO2含量的升高，褐變度反而增大。羅磊[13-14]等以氮氣為干燥介質調節設備中氧體積分數，研究氧體積分數對哈密瓜和蘋果熱泵干燥速率、表觀亮度（L值）、VC和總酚含量等指標的影響，結果表明氧體積分數對哈密瓜片和蘋果片干燥速率無顯著影響，但能夠明顯降低其VC和酚類物質的氧化損失，哈密瓜片和蘋果片L值提高，有效改善干制品表面色澤和保存營養物質。此外，還選擇Page方程和單項擴散模型2種干燥模型進行蘋果薄層干燥模型分析，結果表明，Page模型的預測值和實驗值一致度高，較適于擬合蘋果片充氮低氧熱泵干燥過程[15]。劉云宏等[16]研究金銀花的低氧熱泵干燥技術，干燥溫度的提高可顯著縮短干燥時間，氧氣體積分數的降低可略微縮短干燥時間；水分擴散系數隨溫度的提高及氧氣體積分數的降低而增大，但降低氧氣體積分數對提高水分擴散的積極作用有限；利用威布爾分布函數擬合的金銀花干燥曲線，擬合精度較高，并確定尺度參數和形狀參數方程；金銀花的功能成分綠原酸含量隨著氧氣體積分數及干燥溫度的下降而升高，與真空干燥的含量類似。吳佳[17]采用氮氣源熱泵技術干燥胡蘿卜，β-胡蘿卜素的保留率隨氧含量下降而顯著提高，40℃、5%氧含量時，β-胡蘿卜素的保留率為86.7%，與真空干燥的最優水平相當（60℃，β-胡蘿卜素的保留率為87.1%），但干燥時間大大縮短，氧含量對β-胡蘿卜素保留率的影響達極顯著水平。宋宇[18]以干制品色澤、變形程度、β-胡蘿卜素以及復水率為評價指標，進行熱風、真空、無氧熱泵干燥3種干燥方式對比研究，試驗結果表明，在干制品色澤和變形程度等外觀干燥效果上，真空干燥和無氧熱泵干燥的干燥效果明顯好于普通熱風干燥；胡蘿卜中主要營養物質β-胡蘿卜素和VC保存含量排序是真空干燥最高，無氧熱泵干燥次之，熱風干燥最低；在復水率的試驗中可以看出，經無氧熱泵干燥和真空干燥后的干制品復水效果相對較好，熱風干燥較差。

3 低氧熱泵干燥裝置的研究

低氧熱泵干燥技術的研究以優良的干燥裝置為保障基礎。低氧熱泵干燥裝置須具備良好的密閉性能，溫濕度、風速和氧氣濃度等參數的精確智能測控。

Chua等[19]利用2級蒸發熱泵干燥系統，實驗表明，該干燥系統可將溫度和濕度控制在較大范圍內，提高系統的操作系數（COP），節約能耗。Teeboonma等[20]利用外置和內置并聯雙冷凝器有效保證干燥溫度在設定范圍內。盧永芬[12]，陸烝[21]均對雙冷凝器雙蒸發器熱泵系統和輔助加熱裝置進行研究，該干燥系統通過不同電磁閥的操作，可形成加速升溫、升溫除濕、恒溫除濕、快速除濕和降溫5種組合操作，根據各階段溫、濕度的要求和即時溫、濕度測定值選擇不同的組合狀態，從而達到不同溫度、濕度要求下的控溫控濕效果。張建峰[22-23]對熱泵干燥裝置控制系統進行研究，采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）和計算機相結合的方法，即PLC為下機位，計算機為上機位的控制系統，可設定干燥室內溫度、濕度、風速等參數，在手動控制的基礎上實現了自動控制，提高了干燥產品品質，降低了干燥能耗。潘秀霞等[24-25]研制一種基于上、下位機串行的干燥智能測控系統。采用89C51單片機實現溫度、濕度、氣體成分和物料重量的多路環境參數的檢測與智能控制；計算機實現在線參數的可視化顯示、處理及建立專家知識庫等功能；通過串口方式解決單片機口線緊張問題；模糊控制加模糊自整定PID控制，實現復雜環境溫度、濕度、氣體成分的有效控制。范海亮[26]根據蔬菜干燥過程特點和熱泵干燥環境非線性、大慣性和時變性的特點，設計了一個精確的熱泵干燥控制系統。該系統主要由熱泵干燥裝置、數據采集系統和監控系統組成。利用Fuzzy-PID復合控制器實現干燥室內溫濕度的精確；通過變頻調速系統能將干燥介質流量控制在穩定，利于物料干燥的范圍內；利用數據采集與監控系統（Supervisory Control and Data Acquisition， SCADA），其中，數據采集系統主要由傳感器、PLC和模擬量模塊組成，PLC作為下位機采集傳感器收集溫度、濕度、風速等的現場數據采集，監控系統實現對熱泵干燥裝置多個位置溫度和濕度的監控，實現數據實時顯示、數據歸檔、參數初始化設定、控制設定、報警信息查詢等功能，能夠實現遠距離、非現場監控；還利用胡蘿卜為干燥物料進行多組實驗，驗證低氧熱泵千燥裝置的工作性能，研究胡蘿卜的干燥性能。宋宇[18]對熱泵循環系統和控制系統進行改造和優化，熱泵循環系統增添輔助風機、輔助加熱器、高壓氣體管，構建密閉循環回路，控制系統增添氧氣傳感器、環境溫度傳感器、濕度傳感器、檢測物料內部的溫度傳感器等設備，實現精確控制的無氧熱泵干燥，并對該設備進行干燥曲線、干燥能耗等性能進行測試。

低氧熱泵干燥裝置的研究涉及到多個學科領域的知識，包括：熱泵、干燥、智能測控、物料的特性等，屬于技術集成型裝置。低氧熱泵干燥裝置屬高性能熱泵裝置，目前，雖有一些研究，但研究和開發的力度和廣度還不夠，需要各學科技術人員的共同努力。

4 展望

國內外研究表明低氧熱泵干燥技術在干燥過程能耗和干燥品質包括結構特性、視覺特性、營養特性、復水特性等均表現出優勢。其低溫、低氧的干燥環境為熱敏性、氧敏性食品和生物原料等的干燥提供新的途徑。目前，國內外研究多集中在干制品品質特性的研究，對低氧熱泵干燥裝置的研究甚少。低氧熱泵干燥技術的發展有賴優良配套裝置的支持，低氧熱泵干燥裝置的研究亟需開展，以利于此干燥技術更好的廣泛推廣應用。

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