熱泵-微波聯合干燥技術研究進展

楊博 ，王未君 ，李文林 ,

1. 中國農業科學院油料作物研究所（武漢 430062）；2. 油料油脂加工技術國家地方聯合工程實驗室（武漢 430062）；3. 農業部油料加工重點實驗室（武漢 430062）

我國地大物博，物產豐富，傳統上食品干燥多以晾曬、陰干為主，這種方式受季節氣候影響較大且效率低下[1]。干燥這一工藝過程耗能極高，有數據統計這一項工藝的耗能占據發達國家總能耗的9%～ 25%[2]，干燥不僅影響著生產效率，也在一定程度上決定產品品質。在國內國際競爭日益激烈的今天，在全球節約能源的大背景下，高效節能的干燥工藝設備是各國關注的重點[3]。

熱泵技術具有能耗低且對環境污染較小等優點，其干燥溫度范圍也比較廣。1852年，Lord Kelvin首次提出熱泵的概念[4]，已廣泛應用于木材、瓜果、糧食等加工領域。與傳統使用燃煤、天然氣、電能等作為能源的干燥方式相比，熱泵干燥可節約30%及以上能耗[5]。熱泵干燥技術雖然能效較高，但其最大干燥溫度也較低，不適合高溫干燥。我國熱泵技術研究起步較晚，20世紀20年代才有相關研究用于木材加工中[6]，關于熱泵干燥技術的研究主要集中在干燥模型及動力學研究、干燥設備系統的設計以及干燥工藝研究等方面。

微波是波長1 mm～1 m、頻率300 MHz～300 GHz的電磁波，工業上常用的頻率為915和2 450 MHz，其工作原理是介質損耗原理，水分子是極性分子，其損耗因子也較大，在微波能的作用下極速振動產生熱量，從而氣化生分并擴散出去，且它的傳熱與傳質的方向一致，且相同物料在同樣的電磁場強下，其加熱效果也一樣，所以微波加熱效率較高，易于控制，但微波技術也存在磁場不均勻，物料長時微波存在局部過熱等情況[7-10]。

熱泵-微波聯合干燥可結合微波高效率和熱泵低能耗的優點，同時也能盡可能地保證干燥成品的外觀風味，這種比較新型的干燥方式越來越受到關注。因此，對熱泵-微波聯合干燥的研究進展情況進行介紹，旨在為熱泵-微波聯合干燥技術的應用提供指導。

1 熱泵、微波的工作原理與結構

1.1 熱泵的工作原理與結構

干燥熱泵大多利用的是逆卡諾循環原理[11]，熱泵吸收環境中的熱量，轉換成更高溫度的熱能傳導給被加熱對象，其結構形式主要有開環、半開環和閉環。熱泵主要由翅片式蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥等部分組成，制冷劑不斷吸收和蒸發冷凝來完成熱量的轉移，在烘箱中沒有被原料吸收的多余熱量又會循環到熱泵主機中。工作流程：制冷劑在蒸發器上吸收熱量—在壓縮機作用形成高壓高溫氣體—在冷凝器中釋放熱量—熱量被風機傳遞到烘箱內—烘箱內多余熱量回到熱泵主機中。這樣就能充分利用熱能，提高能量利用率，形成一種穩定的循環系統[12-13]。

1.2 微波的工作原理與結構

微波是波長范圍1 mm～1 m、頻率介于300 MHz～ 300 GHz的電磁波。工業上通常使用的微波頻段為915 MHz或2.45 GHz[14]。微波加熱物料的方式與電加熱或者蒸汽加熱這些傳統的加熱方式不同，它通過電磁波使物料內部的極性分子發生極化，分子發生劇烈分動，分子間的摩擦增大，物料被加熱，這種特別的熱效應使得微波干燥的效率非常高[15-16]。很多研究表明微波干燥也存在一些非熱效應，這些非熱效應可能引起物料蛋白質結構發生變化，促進某些化學反應的發生，阻斷某些細胞發生繁殖[17-18]，有些變化是需要的，有些則降低產品品質，因此選用微波干燥時需要注意非熱效應的發生。

2 熱泵-微波聯合干燥的研究進展

干燥的時候往往不能只注重干燥效率，很多物料特別是食品，干燥后的風味、色澤和質地也需要著重考慮[19]。物料在使用一種干燥方式下往往會出現干燥效率不高、干燥后品質變差、能耗較高等不利因素，這種情況下聯合另一種效率高、干燥后產品品質好或者能耗低的干燥工藝，結合2種干燥方式的優點，這樣保證高效率的同時也保證產品質量及低能耗[20]，當前的微波熱泵聯合干燥技術就是利用熱泵的低能耗和產品干燥后質量好，以及微波高效率、加熱均勻同時能殺菌的優點[21]，這就是熱泵-微波聯合干燥技術研究的意義所在。

2.1 熱泵-微波聯合干燥系統裝備研究

熱泵和微波都可以單獨完成對產品的干燥，選用何種聯合方式取決于物料的特性及需要達到的干燥效果。國內外關于熱泵-微波聯合干燥系統裝備的研究不多，熱泵與微波單體系統設備研究較多。關志強等[22]在對羅非魚切片干燥時，采取熱泵干燥作為前段工序，去除大部分羅非魚的水分且去水效率明顯下降時使用微波干燥進一步降低水分，這種先熱泵干燥后微波干燥利用高含水率階段熱泵干燥效率高，水分降低時利用熱泵的快速去水的特點，降低整體的干燥時間。王教領等[23]、馬國遠等[24]研究的熱泵微波聯合干燥機，把微波的加熱箱體跟熱泵的烘箱合并為一個箱體，干燥箱的一側與熱泵主機相連另一側設置有微波發射裝置，微波發射裝置的位置經計算保證整個干燥箱體個位置微波場強一致，干燥箱內物料采用傳送帶輸送，這種聯合方式減少了設備的占地面積和材料成本，連續性的干燥方式也更加適應工業化的生產，較容易商業化和市場化，同時經過性能試驗，發現微波功率和傳送帶速度對結果影響較大，并給出原因是熱泵溫度較低的分析；還發現蒸發器旁流通的空氣量受蒸發器進口的的空氣濕度影響較大，大致表現為高空氣濕度對應低旁通量，反之對應高旁通量。

2.2 熱泵-微波聯合干燥工藝研究

國內外對熱泵-微波聯合干燥工藝研究多集中在蔬菜、瓜果、藥用植物這些領域，少數為油料作物領域，這些物料都是熱敏型的，高溫易造成這些物料維生素、氨基酸和碳水化合物等物質的氧化和流失，或改變其色澤[25]，而熱泵-微波聯合干燥相對比較溫和，效率也有保障，非常適合這些物料的干燥。

鄭亞琴[26]對雪蓮進行熱泵-微波聯合干燥的工藝研究，具體研究熱泵溫度和風速、微波的干燥功率及熱泵干燥與微波干燥轉換點的含水率這4種因素對干燥效率、復水率、單位能耗去濕量及收縮率等因素的影響，通過回歸方程確定熱泵干燥與微波干燥轉換點的含水率對干燥速率的影響最明顯，溫度和風速對單位能耗去濕量影響最為顯著，風速對色澤變化影響最大，并通過響應面法確定熱泵-微波聯合干燥雪蓮的最佳參數：熱泵溫度42.7 ℃、風速1.69 m/s、熱泵干燥與微波干燥轉換點的含水率50%及微波干燥功率2 W/g。Chong等[27]將熱泵-微波聯合干燥、熱泵干燥和真空微波干燥等方式用于干燥蘋果，主要考察蘋果干燥后的顏色變化、質地特性、抗氧化性及總多酚的含量變化等，研究結果表明，熱泵-微波聯合干燥在蘋果顏色變化、質地特性方面均優于其他干燥方式，采用熱泵-微波聯合干燥后總多酚的含量也比其他干燥方式多出60%～70%。

Zielinska等[28]對青豆采用多級熱泵與微波真空聯合干燥，并與熱風對流干燥進行對比，結果發現采用多級熱泵與微波真空聯合干燥后的青豆內部結構排列緊密，淀粉顆粒未糊化或部分糊化，而采用熱風對流干燥的青豆已完全糊化，確定微波真空干燥的干燥速率為0.59 L/min。

宋楊等[29]研究海參的熱泵-微波真空聯合干燥工藝，結果發現熱泵-微波真空聯合干燥相比于熱泵干燥的效率更高，復水率也有一定提高，產品質量更好，聯合干燥工藝條件為熱泵溫度30 ℃、風速1 m/s、干燥轉換含水率40%、微波干燥功率230 W。

2.3 熱泵、微波干燥特性模型的研究

關于熱泵、微波單一干燥動力學模型研究較多，而鮮有關于熱泵-微波聯合干燥模型的研究。在研究某一類型物料的干燥動力學時，往往會把干燥過程與干燥模型進行擬合分析，以此驗證模型是否有用，這些干燥模型（表1）大多都是薄層干燥模型，薄層干燥模型方程類型較多，有理論方程和經驗方程等，其中經驗方程應用精度較好[30-31]，利用這些數學模型工具對物料的干燥動力學研究有著事半功倍的作用。

表1 常用干燥模型[32-37]

2.3.1 熱泵干燥特性及模型研究

干燥特性及模型是對物料干燥變化、水分遷移的一種預測與描述，有很多關于熱泵的干燥動力學研究。王安建等[38]研究以恒定熱泵風速，熱泵干燥溫度在40，50和60 ℃下花生的干燥特性，發現花生熱泵干燥存在加速和降速2個干燥階段，基本上沒有恒速情況，并使用SPSS軟件進行模型建立和分析，在與常用的數學干燥模型進行擬合后發現，建立的模型與Page模型擬合較好，確定該模型能比較真實地反映干燥過程。李洵陽等[39]研究發現熱泵干燥溫度對核桃干燥速率影響最大，且干燥過程的預測值和實際值與Page模型基本吻合。吳雪輝等[40]研究油茶籽的干燥特性并建立干燥模型，結果表明油茶籽熱泵干燥主要是一個降速過程，初期升速階段不明顯，在與幾種常用模型擬合之后，發現與Midilli模型理論值的平均相對誤差只有8.97%，能較好地預測油茶籽的干燥情況。除此之外，利用網絡方正模型對數據進行驗證，其結果平均相對誤差為4.57%，進一步表明所建立的油茶籽干燥模型確能反映油茶籽實際的干燥情況。代亞萍等[41]則將熱泵技術結合太陽能用于梔子果的干燥，結果發現梔子果在干燥過程中干燥速率總體呈現先增加后減少的趨勢，并且與Verma模型擬合度最好。

2.3.2 微波干燥特性模型研究

微波干燥效率較高，干燥時間都比較短，細微的條件變化就能引起干燥的差異變化，這就需要了解不同物料在微波干燥下的特性及干燥模型。劉旺星等[43]研究胡蘿卜的干燥特性并建立干燥模型，并且以不同切片厚度、微波干燥功率及處理量對Page模型進行驗證，結果發現與Page模型擬合度最好，最大相對誤差為6.91%，也發現胡蘿卜微波干燥速率有加速和降速兩個階段，對胡蘿卜片干燥時水分遷移影響最大的是處理量。唐小閑等[44]進行即食慈姑片的微波干燥試驗，探究其干燥特性，結果發現即食慈姑片的微波干燥有升速、恒速和降速3個階段，料層厚度和微波功率對干燥速率影響最大，在與這種數學干燥模型擬合后發現與Page模型的預測值擬合度高，能較好地反映即食慈姑片的微波干燥情況。孫輝等[42]考察錐栗脆球的微波干燥特性，結果表明裝載量對干燥效果影響最大，通過Matlab建模之后發現與Page模型匹配度最好，并據此推斷出采用分段式微波處理錐栗脆球效果會更好。

3 熱泵-微波聯合干燥技術存在的問題

3.1 聯合干燥系統裝備研究嚴重不足

熱泵和微波單體干燥的系統設備研究都比較完善，應用很廣泛，工藝研究也比較細致深入，但關于熱泵-微波聯合干燥設備的研究不多。研究者多分段使用熱泵和微波設備作為聯合，這種簡單的聯合不能完全地反映熱泵-微波聯合干燥的特點，對計算其聯合干燥的能效影響也較大，而把熱泵干燥箱體與微波干燥箱體結合的聯合干燥設備受干燥溫度影響較大，微波干燥需要遷就熱泵干燥的溫度，對于需要高溫或超高溫干燥的物料不適用。

3.2 聯合干燥模型匱乏

數學干燥模型多適用于簡單的干燥過程，干燥過程中涉及變量過多就無法適用，而熱泵-微波聯合干燥過程較復雜，涉及熱泵溫度、風速、進氣口溫度、進氣口濕度、空氣旁通量、微波功率、微波場強分布、微波設備內物料傳送速度及物料的厚度等諸多因素，簡單的經驗方程和理論方程無法準確反映該干燥過程。

4 熱泵-微波聯合干燥技術的發展方向

全球各地不時出現的能源危機預示著節能降耗將是一個永不過時的話題，也是可持續發展的必然選擇，而熱泵-微波聯合干燥技術也必須朝著更高效、更節能的方向發展，這就需要更加合理的熱泵-微波聯合方式，如分段式干燥、交替多段式干燥等；也需要整體性更強、結構更加緊湊、功能多樣化的熱泵-微波聯合干燥設備：首先，熱泵干燥與微波干燥結合要更加緊密，避免中間轉換干燥方式時帶來的不確定影響；其次，聯合干燥設備需要發揮各自干燥的特點，避免干燥過程中的相互干擾；最后，聯合干燥設備的適用性要廣，可采用組合式的結構設計，根據物料干燥特定來搭建聯合干燥設備。此外，合理的聯合干燥方式與適宜聯合干燥設備也需要理論模型的指導，在干燥過程中準確預測物料的干燥情況往往可以少走很多彎路，這就需要從需求出發，設備、工藝和干燥模型三位一體，并與時下熱門的人工智能和大數據等技術結合，共同促進熱泵-微波聯合干燥技術的快速發展。