熱管—熱泵和紅外—熱泵聯合干燥技術在農產品加工中的應用

李曉燕 - 強秋秋 - 樊博瑋 - 付 健 趙宜范 - 張麗紅 -

(哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150028)

中國是農業生產大國，但農產品加工業發展水平與國外相比，仍處于較低狀態，農產品加工率僅60%，低于發達國家(80%)，加工和農業產值比值為2.2∶1，低于發達國家的3.4∶1[1]。中國農產品的低加工水平及低附加值已對農業發展造成較大影響[2]。農產品加工過程中需要對食品進行不同程度的干燥，以便后期運輸、貯存和銷售[3-4]。

目前，熱泵干燥(heat pump drying，HPD)在農產品干燥方面有著廣泛的應用。熱泵采用逆卡諾循環原理，是一種將能量從低溫熱源轉移到高溫熱源，并使能量品質得到提升的裝置。熱泵干燥是一種節能干燥技術，在熱泵裝置的基礎上聯合冷凝除濕裝置，完成對熱濕空氣(干燥介質)能量回收的過程[5-6]。與其他干燥方式相比，熱泵干燥較溫和，能有效控制進入干燥室內空氣的溫度和濕度，使得干燥樣品表面水分的蒸發速度與內部水分向表面遷移速度大致接近，制成品質好、色澤好的干燥產品。同時，熱泵干燥系統的能效比在3.0左右，能源利用率高。此外，熱泵干燥使用范圍廣、環保無污染[7-8]。然而在熱泵干燥的中后期，干燥物料水分會降低，干燥速率變慢，干燥能耗增加，導致干燥產品發生氧化，內部結構被破壞，干燥產品品質降低[9-10]。

單一的熱泵干燥技術已難以滿足干燥行業的需求，將熱泵干燥技術與其他干燥技術聯合是優化干燥技術的新思路，如太陽能干燥技術、微波干燥技術、熱管余熱回收技術以及紅外干燥技術。其中，太陽能—熱泵干燥技術對太陽能依賴性較大，受地域性和天氣影響較大，也受不同時刻的太陽能輻射強度影響，制約了太陽能—熱泵干燥系統的推廣使用[11]。微波—熱泵干燥技術針對微波干燥在溫度控制以及干燥物料在吸收微波能的均勻性上仍存在較大問題，需深入研究，且生產成本較高，制約了其發展[12]。而熱管—熱泵干燥技術和紅外—熱泵干燥技術因其干燥品質優良、節能效果明顯，受到學者關注。

文章主要綜述熱管—熱泵干燥技術和紅外—熱泵干燥技術，通過分析兩種聯合干燥方式的干燥機理、干燥效率和干燥對產品品質的影響，探究熱管—熱泵干燥和紅外—熱泵干燥現存的問題，以期為優化干燥農產品提供幫助。

1 熱管—熱泵干燥技術

1.1 余熱回收式熱管

熱管是目前導熱能力最強的金屬傳熱元件之一，主要結構包含蒸發段、絕熱段和冷凝段，其優異的導熱性能得益于管內工作液體相變快速傳熱性質。蒸發段吸收外界熱量驅動其管芯內的液態工質發生相變，使液態工質相變為氣態工質。氣態工質在蒸氣壓的作用下流向低壓的冷凝段，到達冷凝段后冷凝釋放汽化潛熱，并將熱量傳到管外環境。基于毛細虹吸效應，冷凝的液體回流到蒸發段[13]，如此循環。熱管結構如圖1所示。

1. 管殼 2. 吸液芯 3. 絕熱層 4. 管端板 5. 排氣口

熱管技術在回收利用傳統余熱方面有著非常大的潛力，尤其是應用于農產品干燥過程。由于振蕩熱管節能率高，運行過程耗能少，系統維護費用低，故張壁光等[14]提出采用振蕩熱管換熱器來回收木材干燥行業的余熱。肖旭霖等[15]采用熱管輔助射流干燥香菇，利用熱管回收余熱，明顯減少了能耗。厲從波等[16]設計了一種煙草干燥熱管換熱器，為煙草干燥工藝提供新的設計思路。周寧[17]將熱管技術運用于茶葉的干制，發現熱管技術能將傳熱效率提高40%左右，并且大大改善了干燥品質。周永光[18]利用熱管技術干燥油菜籽，回收利用柴油機排出的廢熱，減少了能耗。王龍龍等[19]開展了熱管干燥糧食試驗，將熱管放置在換熱器頂部，有助于完成糧食干燥過程中的熱量回收。

1.2 熱管—熱泵干燥機理

熱管技術傳熱性能優異，在熱泵干燥中能很好地實現對余熱的回收利用。熱管—熱泵干燥通過熱管換熱器完成對循環濕空氣中干燥介質的預冷和預熱過程，當干燥介質通過熱管蒸發端時將被預冷至露點溫度，冷凝結露排出干燥室，而熱管冷凝端釋放的熱量能夠對干燥介質預熱，提高進入干燥室內的空氣溫度，如圖2所示。由此可見，熱管—熱泵干燥系統在提高干燥介質干燥能力、降低干燥能耗方面有著很大的優勢。

1.3 熱管—熱泵干燥性能研究

熱管聯合熱泵技術于20世紀90年代已出現在木材干燥工藝中，中國學者主要研究如何提高干燥設備的除濕能力。金蘇敏[20]采用分離式熱管換熱器，發現熱泵干燥木材的除濕能力得到明顯提升，節約用電24%。為了解決常用豎直并聯式熱管換熱器冷凝端與蒸發端存在高度差，會造成風管布置困難、氣流阻力大的問題，羅喬軍等[21]提出了一種水平排管式熱管換熱器，通過對比，發現該熱管換熱器能有效提高干燥稻谷的干燥速率，可替代原有的豎直并聯式熱管換熱器進行農產品干燥加工。李永田等[22]對熱管和熱泵聯合技術在谷物干燥領域的應用進行了節能分析，發現熱管聯合熱泵干燥技術相比于自然烘干節約費用84%。

1. 干燥室 2. 冷凝器 3. 送風機 4. 風機 5. 貯液器 6. 壓縮機 7. 熱管換熱器冷凝段 8. 蒸發器 9. 熱管換熱器蒸發段

圖2 空氣回熱閉式熱泵干燥系統示意圖

Figure 2 Diagram of heat pump drying system with air heat recovery

在大型糧食干燥過程中，傳統干燥工藝采用燃煤干燥，換熱介質熱空氣僅與物料進行一次換熱后直接排放到大氣中，浪費能源，同時也對環境造成了一定程度的污染。李偉釗等[23]設計了熱管聯合多級串聯熱泵干燥系統，結果表明，聯合熱泵系統干燥速率達2 016 kg/h，系統能耗為538 kW·h，除濕能耗比達3.75 kg/(kW·h)。結合目前干燥塔現狀，燃煤干燥玉米除濕量為732 kg/h，而聯合熱泵干燥玉米除濕量為2 016 kg/h，聯合熱泵干燥大大增強了廢熱的回收能力，能有效降低系統能耗，且整個閉式干燥系統能隔絕廢氣直接排放到環境中，從而保護環境。

2 紅外—熱泵干燥技術

2.1 紅外—熱泵干燥機理

熱泵干燥依靠熱風由表及里對農產品進行干燥，但該干燥方式會阻礙干燥的均勻性，且在熱泵干燥后期，農產品中水含量降低，物料內部和表面溫度梯度增大，干燥速率減小。遠紅外是指波長在5.6～1 000.0 μm的電磁波，其在干燥行業有著廣泛的應用，如對煙葉、玉米、香蕉等農產品加工[24-26]。紅外干燥主要利用遠紅外輻射(far-infrared radiation，FIR)的電磁波能量從加熱元件快速轉移到干燥物料內部1～3 mm處[27]，使物料表面水分快速蒸發，在不加熱周圍空氣的情況下使物料受熱更快速、更均勻，抑酶、抑菌效果良好，能提供優質的干燥產品[28-30]。將紅外干燥技術與熱泵干燥技術聯合進行優勢互補，不僅能提高干燥速率，還能提升干燥產品質量，優化干燥效果[31]。紅外—熱泵干燥前期采取熱泵低溫除濕干燥，以便更好地保持干燥物料的熱敏性活性成分，而在干燥后期采用遠紅外輻射干燥，有利于提高干燥速率，減少干燥能耗。遠紅外聯合熱泵干燥裝置原理圖見圖3。

1. 冷凝器 2. 壓縮機 3. 干燥室 4. 遠紅外加熱器 5. 計算機 6. 直流穩壓電源 7. 數據采集模塊 8. 循環風機 9. 排水口10. 蒸發器 11. 節流閥

圖3 遠紅外聯合熱泵干燥裝置原理圖

Figure 3 Schematic diagram of far-infrared combined heat pump drying device

2.2 紅外—熱泵干燥效率

干燥效率是優化干燥工藝的重要參數之一，近年來，國內外學者對干燥過程除濕效率進行了深入研究。宋小勇等[32]以濕毛巾為研究對象，發現紅外聯合熱泵干燥較單一熱泵干燥的除濕能力分別提高8.1%，15.7%，22.2%。宋小勇[33]又以鐵棍山藥為研究對象，發現鐵棍山藥的水分擴散率與紅外加熱功率的大小呈正相關，加熱功率越大，鐵棍山藥干燥效率越好。Nachaisin等[34]研究紅外干燥糙米時發現，在紅外干燥初期有效水分擴散率隨糙米含水率的降低而增加，當糙米含水率接近臨界含水量時，有效水分擴散率逐漸下降。Thuwapanichayanan等[35]基于隨溫度t變化的有效水分擴散系數Deff的Arrhenius方程建立了耦合傳熱傳質模型，并指出，當Deff為0.41×10-10～1.43×10-10m2/s時，該模型能夠較好地預測蒜末含水量和內部溫度的變化規律；在進行紅外—熱泵干燥蒜末試驗時發現，前期熱泵干燥階段對蒜末水分含量的影響無顯著性差異，而后期的紅外干燥階段干燥后樣品內部溫度較高，與熱泵干燥相比，其含水率降低更快，干燥效率得到明顯提高。Nathakaranakule等[36]對紅外—熱泵干燥龍眼進行干燥能耗效率分析(表1)，發現HP55+FIR450比HP55的比能耗更低。

表1不同干燥工藝的比能耗?

Table 1Specific energy consumption of different drying processes

干燥方法干燥時間/h比能耗/(MJ·kg-1)HP 55 ℃15.555.98HP 55 ℃+FIR250 W12.040.07HP 55 ℃+FIR350 W11.034.02HP 55 ℃+FIR450 W9.527.86

? HP表示熱泵溫度；FIR表示紅外功率。

2.3 紅外—熱泵干燥對農產品品質影響

不同的干燥工藝條件對農產品品質的影響不同，干燥品質越高其產生的經濟價值也越大。在魷魚干燥過程中，主要營養物質蛋白質是衡量其干燥品質好壞的重要指標，而揮發性鹽基總氮(TVB-N)是國內外評價魚的質量指標。汪岳剛等[37]對比了熱泵干燥和100，500，800 W紅外熱泵干燥4種不同的干燥方式對魷魚片中蛋白質和揮發性鹽基總氮含量的影響，發現紅外輻射板溫度對魷魚片TVB-N值無顯著差異。Antonio等[38]在用熱風干燥魷魚時，發現TVB-N值隨空氣干燥溫度的升高而顯著增加。Wang等[39]研究發現，干燥后魷魚的必需氨基酸和非必需氨基酸含量無明顯變化，Deng等[40]采用紅外—熱泵干燥魷魚時也得出了類似的觀察結果。Wang等[39]還發現， 100 W紅外—熱泵干燥造成的魷魚片氨基酸質量損失最小，此條件更適合魷魚片的干燥。Luo等[41]研究結果表明，與干燥溫度39 ℃的單一熱泵干燥相比，紅外加熱溫度90 ℃、熱泵加熱溫度39 ℃、轉換含水率55%時，紅外—熱泵干燥中綠原酸、木犀草苷、花色苷含量分別增加了3.3%，0.6%，1.3%，金銀花褐變度降低了4.1%。

3 存在的問題及展望

(1) 紅外—熱泵干燥系統中，熱泵干燥屬于聯合干燥的前一階段，而聯合干燥的后一階段為紅外干燥。紅外輻射板的溫度對干燥產品的水分擴散率、結構以及干燥樣品所含的營養物質均會產生影響，而紅外輻射板存在較大的熱慣性，容易造成超過設定溫度范圍進而損壞干燥物料，故研究紅外加熱溫度的控制系統對紅外—熱泵干燥系統的干燥性能優化不可缺少。

(2) 熱管—熱泵干燥系統中，熱管換熱器的余熱回收能力存在不足，而熱管換熱器的結構更直接影響了其與熱泵干燥系統的耦合干燥性能。熱管—熱泵干燥系統的發展主要體現在熱管換熱器的變化。傳統的分體式熱管換熱器一方面存在攜帶現象影響傳熱能力的問題，另一方面安裝布置的難度使得系統的能耗增加，而傳熱性能更優的環路熱管也面臨著啟動問題和不穩定性等問題，故后續研究方向是如何優化熱管換熱器的結構，提升其余熱回收性能，進而增強熱管—熱泵干燥系統的干燥性能。

(3) 對聯合干燥的研究較多停留在工藝層面上，缺乏理論上的深入研究，對物料的干燥工藝參數、聯合干燥的先后順序及干燥轉換點的確定都未進行細致深入的研究。后續的研究方向還需在研究工藝的基礎上，重點研究干燥理論，深層次分析不同工藝條件的作用機理，深入探究物料的干燥規律。

熱管—熱泵干燥和紅外—熱泵干燥具有干燥時間短、干燥品質高、節能環保等優點，在農產品干燥領域有廣闊的應用前景。但聯合熱泵干燥存在著紅外輻射板、熱管回熱器自身性能和結構的缺點，仍需進行深入研究。經設計和技術的不斷優化，熱管—熱泵干燥技術和紅外—熱泵干燥技術將會有助于緩解能源危機和減少環境污染，為節能環保帶來更大效益。