熱泵干燥技術在中藥材初加工中的應用綜述

黃玉龍 呂斌 孫若詩 龐中存 康三江 張芳

摘要：介紹了熱泵干燥技術的原理以及熱泵干燥技術高效節能、易于控制、可調節范圍廣、效率高、污染小等優點，從熱泵設備的改進、干燥工藝優化、物料的品質控制、能效利用優勢、多種干燥方式聯合應用等方面進行總結了熱泵干燥技術在中藥材初加工過程中的應用現狀。

關鍵詞：熱泵;干燥;中藥材;初加工

中圖分類號：R282.4 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-1463（2019）09-0086-04

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2019.09.019

Abstract：Agricultural supply-side structural reform is aimed at activating the internal power of the rural development of agriculture， and is more focused on quality， benefit and sustainable development. It is of great theoretical and practical significance to develop Gobi agricultural in Gansu province， which are demanding for services to develop modern agriculture， solving the need of grain and vegetables to compete for land and expand agricultural development space， solving the recycling utilization of agricultural waste and improving the agricultural ecological environment. The paper put forward the suggestions as followers aiming at existing problems in Gobi agricultural development： protruding the planning lead and optimizing the spatial layout;scientific and reasonable development of Gobi agriculture based on volume of water;strengthening support for scientific and technological innovation and foster new energy for Gobi agricultural development;giving full play to the advantages of location and brand， and promote coordinated development of the Belt and Road;strengthening the training of talents and promoting the development of Gobi Agriculture.

Key words：Gobi Agricultural;Agricultural supply-side structural reform;The Belt and Road;Gansu province;Status Quo;Prospect

隨著國家對中醫藥領域的不斷扶持和人們保健理念的增強，中醫藥事業進入發展新時代，中藥需求量也持續增長。據統計，2017年，我國中藥工業總產值為8 442億元，中藥材進出口總數量為31.45萬t，進出口總額為14.00億美元，中醫藥已傳播到183個國家和地區。高品質的中藥材是中醫藥高質量發展的基礎，同時也對中藥材的生產加工環節提出了更高的要求。植物類中藥材含水量普遍較高，在采收后的產地初加工環節，由于工藝技術落后、干燥設施簡陋，以自然晾曬或作坊式土烘房干燥為主，造成烘干效率低，藥材有效成分破壞嚴重，容易受天氣和環境因素影響而腐爛變質，嚴重影響中藥材品質。因此中藥材采收后必須及時干制加工，將水分含量控制在合理范圍內，既保證正常存儲，又維持其有效成分的穩定性，以便提高中藥制品的質量。目前，熱泵干燥由于其節能高效、烘干除濕等優良性能，在藥材加工企業普遍得到推廣。

1 ? 熱泵干燥技術原理

熱泵干燥系統主要由3部分組成，分別是熱泵系統、物料干燥室、供氣系統，其中熱泵系統主要有蒸發器、冷凝器、壓縮機和膨脹閥等，供氣系統主要有風機和管道。熱泵干燥系統根據逆卡諾循環原理進行工作，消耗少量的電能驅動熱泵，壓縮機將工質壓縮成為高溫高壓的氣體進入冷凝器，在冷凝器里工質液化釋放出高溫熱量，為干燥系統提供熱能;而冷凝后的工質成為液態，經過膨脹閥膨脹，在蒸發器中吸熱蒸發，轉化成低溫低壓的氣體;氣態工質回到壓縮機，完成熱泵工質閉路循環過程，工質如此循環實現物料的連續干燥。熱泵干燥類似于熱風干燥，均是利用熱空氣加熱被干物料，但熱泵干燥技術是利用被加熱的熱空氣與被干燥物料之間的對流熱交換，利用干燥介質使熱空氣中的水分冷凝，以達到脫水干燥的目的。

2 ? 熱泵干燥技術的優點

一是高效節能?？諝庠礋岜酶稍锵到y具有較高的熱能利用率，在干燥過程中熱量回收率較高，制熱系數可達4以上。二是干燥參數易于控制。三是干燥條件可調節范圍寬。比如溫度的調節范圍在20～100 ℃，相對濕度可調節范圍在15%～80%，可以干燥多種材料，性能較其他干燥技術優勢明顯。四是熱泵干燥條件比較溫和，近似自然干燥，水分的蒸發速率接近水分由材料內部向表面遷移的速率，能最大程度的保持材料的色澤、藥性等，干燥產物品質好。五是運行效率高。熱泵可以24 h運轉，無需考慮氣象條件，較自然干燥和太陽能干燥技術，可持續干燥產品，能源利用率較高，運行費用較低。六是熱泵干燥技術對環境污染較小，與綠色可持續發展觀念相符合。

3 ? 熱泵干燥技術的應用

與傳統干燥技術相比，熱泵干燥技術工藝優勢明顯，在中藥材和特色果蔬的干燥方面應用廣泛。本文將從熱泵設備的改進、干燥工藝優化、物料的品質控制、能效利用優勢、多種干燥方式聯合應用等方面介紹。

3.1 ? 熱泵設備的改進

為了實現更好的中藥材干燥效果，通過逐步改進熱泵干燥的控制系統、循環模式、制冷或干燥工質等方法，提高熱泵干燥技術的效率和技術水平。在實際干燥過程中，有很多不穩定因素難以準確控制，為此張宇凱等[1 ]設計開發了干燥室溫濕度和風量全程監控系統，并將模糊控制與PID（proportion、integration、differentiation）控制器結合，增強了熱泵干燥系統對不穩定因素的適應性。不同的循環模式對除濕效果也有影響，在比較了不同循環模式對除濕效果的影響后，發現開路式、半開路式熱泵干燥循環中，系統的單位能耗除濕量較高;在閉路式熱泵干燥循環過程中，當BAR=0.4，單位能耗除濕量比其它幾種運行方式都高，可達1.57。

不同性質的物料對工質的要求也不盡相同。謝繼紅等[2 ]給出了空氣、氮氣、二氧化碳、氬氣、氫氣、氦氣等6種干燥工質的熱物性數據及其計算方程，并分析了它們的適用條件?？諝庾顬槌Ｓ?，當物料不含有易燃易氧化成分時即可采用;氮氣屬惰性工質，當材料中含有易燃易氧化成分時，氮氣為首選工質;當干燥物料需要較多工質時可選用二氧化碳，以減少設備能耗;氬氣適于以導熱為主給物料傳遞熱、由介質循環帶走水分的熱泵裝置;當物料要求低溫短時間干燥時，氫氣工質最適合;氦氣與氫氣條件相似，但安全程度比氫氣高，無燃燒爆炸的危險。這些為熱泵干燥系統選擇適宜的干燥介質提供了很好的參考。

為了減輕操作人員的工作量，需將設備的自動化程度進行提升。張海紅等[3 ]依據果蔬熱風干燥特性和熱泵干燥的特點，研制出果蔬熱泵干燥系統和計算機調控裝置。倪超等[4 ]將熱泵干燥技術、自動檢測控制技術、SCADA技術融合，開發出一套由熱泵干燥裝置、數據采集與監控系統組成的熱泵干燥監控系統，改善了干燥試驗過程中的監控方式，提高了試驗的精確性和效率，極大減輕了工作人員的勞動負荷。

3.2 ? 熱泵干燥工藝的優化

影響熱泵干燥工藝的因素有風速、溫度、相對濕度、載物量、風量、循環模式、物料形狀等，其中干燥風速、干燥溫度、相對濕度為主要因素。在諸多因素交互作用條件下，學者針對不同物料的干燥工藝參數進行了優化，并建立了數學模型。李絢陽等[5 ]以熱泵恒溫干燥箱研究核桃干燥特性，發現溫度對核桃干燥速率影響較大，在干燥初期風速對干燥速率影響較大，對實驗數據進行擬合證實核桃熱泵干燥符合Page模型。龍成樹等[6 ] 對桑葉的批量干燥研究，得出優化工藝參數為干燥溫度64.20 ℃、風速2.40 m/s、熱燙時間2.0 min、干燥2.25 h。李麗等[7 ]以新鮮山藥為原料，研究其熱泵干燥特性及數學模型，發現山藥熱泵干燥符合Page模型。許丹[8 ]研究了生地的熱泵干燥特性，并得到優化工藝參數條件為干燥溫度49.8 ℃、風速2.67 m/s、生地切片厚度3.5 mm，該工藝下生地梓醇損失率最小，僅為10.2%。

3.3 ? 熱泵干燥在品質控制方面的優勢

熱泵干燥技術在中藥材有效成分、產品復水性、色澤等品質控制方面優勢明顯，而普通熱風干燥的產品有效成分流失較多，色澤一般，品質下降嚴重，所以在干燥有效成分揮發性強的物料時，熱泵干燥為首選干燥技術。潘年龍等[9 ]對黃花菜熱泵干燥前后的香氣成分進行比較分析，結果表明主要香氣成分一致，烷烴類物質相對含量大幅度減少，烯類物質完全消失及酮類物質大量生成;干制黃花菜含水量為95.3 g/kg，感光品質良好，色澤金黃，無蟲蛀和霉變，有黃花菜固有的香味，無異味，能長期保存，較普通自然干燥品質有很大提升。羅磊等[10 ]通過優化金銀花的干燥工藝，提高了金銀花干燥綜合品質，同時發現氣調熱泵干燥金銀花也有較好的品質。

3.4 ? 熱泵干燥在能源利用率方面的優勢

能耗問題通常是評價干燥設備系統性能的重要指標之一，高能耗帶來的高成本導致干燥物料成本增加而成為企業負擔，而熱泵干燥技術在能耗方面較其他干燥技術具有明顯的節能增效優勢。苑亞等[11 ]對駿棗進行新型熱泵干燥試驗驗證，結果表明相對于制冷工質為R32、R134a、R290的閉路式熱泵干燥系統，新型熱泵干燥系統的小時耗電量分別降低了9.73、8.78和9.31 kW;相對于燃煤烤房，每噸干棗可節約成本約38元，并且污染物排放明顯減少。

3.5 ? 熱泵干燥與其他干燥方式聯合應用

采用單一干燥方式有時無法滿足干燥產品的節本增效和品質控制，將多種干燥方法結合或分階段采用不同干燥方式已成為農產品干制生產的發展趨勢。在干燥的前期采取熱泵低溫除濕干燥，后期采用遠紅外加熱干燥，利用紅外加熱速度快、穿透性強的特性，達到縮短傳熱距離、提高干燥效率的效果，干燥金銀花的結果顯示產品品質顯著上升[10 ]。宋小勇等[12 ]對比單一熱泵和遠紅外輔助熱泵干燥對鐵棍山藥片干燥品質的影響，表明聯合干燥可顯著提高干燥品質。常瑞虎[13 ]設計出了一種基于太陽能熱泵的當歸干燥室并進行了仿真分析，較普通干燥室干燥速率有所提升，產品質量明顯提高。研究表明，超聲波-熱泵協同干燥可以加快紅棗干燥速率。綜上所述，多種干燥手段的聯合使用，較單一干燥方式在能效方面有明顯的優勢。

4 ? 熱泵干燥技術的局限性

熱泵干燥在干燥后期有除濕效率下降、干燥速率降低、能耗增加。熱泵的性能系數與熱泵的蒸發溫度和冷凝溫度有關，提高冷凝溫度可獲得較高的干燥溫度，但會影響熱泵的性能系數和供熱量。另外，設備投資也比較大，空氣源熱泵干燥裝置投資為傳統干燥設備的2倍多。維修保養的問題也值得關注，制冷劑的泄露對熱泵干燥裝置的工作性能影響較大，必須定期對壓縮機、過濾器、冷凝器、蒸發器等裝置進行及時保養維護，以保證熱泵干燥系統能持續處在高效率的工作狀態，一旦發現制冷工質有泄露，應及時補充工質。

5 ? 展望

中藥材初加工的目的就是要在最大限度保留藥材主效成分的同時，將藥材含水量控制在合理范圍，達到防劣變減損耗，利于貯藏和深加工。熱泵干燥技術具有節能環保、品質可控等優點，它的普遍應用將助推中藥材產業提質增效。但熱泵干燥設備成本較高，中小微企業和種植戶采購有困難，技術人員對設備難以及時維護。因此在提高干燥效率、降低設備成本、增強自動化智能化程度方面有待進一步研發。

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（本文責編：陳 ? ?珩）