低氧熱泵干燥技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究概況

胡珊　黃皓　梁衛(wèi)驅(qū)　羅華建　陳仕麗　李艷芳　徐匆

摘 要 低氧熱泵干燥技術(shù)是采用其他氣體，如二氧化碳和氮?dú)獾却娉Ｒ?guī)空氣作干燥介質(zhì)，密閉循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行低氧環(huán)境的氣調(diào)干燥加工。該技術(shù)提升干燥品質(zhì)，節(jié)約能耗，提高干燥效率，有效解決氧敏性、熱敏性物質(zhì)的干制問題，有廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹低氧熱泵干燥技術(shù)中不同氣體作干燥介質(zhì)的物性研究、對(duì)干燥品質(zhì)特性的影響、相關(guān)裝置的研制等方面的國(guó)內(nèi)外研究概況。

關(guān)鍵詞 低氧 ；熱泵干燥 ；干燥介質(zhì) ；干燥品質(zhì)

中圖分類號(hào) TS255 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(zhì)的改善和干燥效率的提高，是目前干燥技術(shù)研究的主要方向。干燥過程中品質(zhì)劣化的主要原因是有氧環(huán)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(zhì)的2個(gè)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(zhì)和提高干燥效率的重要途徑。

低氧熱泵干燥技術(shù)是采用其他氣體如二氧化碳和氮?dú)獾却娉Ｒ?guī)空氣作干燥介質(zhì)，在封閉式熱泵干燥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)定量氣體循環(huán)傳質(zhì)、傳熱，達(dá)到低氧干燥效果。該技術(shù)不僅可通過對(duì)閉式干燥系統(tǒng)中定量氣體的成份調(diào)節(jié)作干燥介質(zhì)，進(jìn)行低氧環(huán)境的氣調(diào)干燥加工，減少因氧化和酶促反應(yīng)對(duì)干制物料的色澤、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和揮發(fā)性香氣物質(zhì)造成不同程度的破壞和損失，改善干制品的品質(zhì)；又改變了熱風(fēng)干燥過程不斷吸入新鮮氣體，排出高溫廢氣的傳統(tǒng)模式，有效利用干燥過程的潛熱，大大節(jié)約能耗，提高干燥效率[2]。技術(shù)能有效解決氧敏性、熱敏性物質(zhì)的干制問題，提升品質(zhì)，降低能耗，實(shí)現(xiàn)高效、清潔、環(huán)境友好干制加工生產(chǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹低氧熱泵干燥技術(shù)中不同氣體作干燥介質(zhì)的物性研究、對(duì)干燥品質(zhì)特性的影響、相關(guān)裝置的研制等方面的國(guó)內(nèi)外研究概況。

1 不同氣體作干燥介質(zhì)的物性研究

表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)系數(shù)是影響干燥過程中熱質(zhì)傳遞的重要參數(shù)。在干燥過程中，表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)系數(shù)除了受流動(dòng)狀態(tài)和接觸面積的影響外，也受干燥介質(zhì)的密度、粘度、熱導(dǎo)率和比熱容等物性參數(shù)的影響。不同氣體作干燥介質(zhì)，由于各種氣體的物性參數(shù)均不相同，所以其干燥過程的流動(dòng)狀態(tài)和熱質(zhì)傳遞性能與常規(guī)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?dú)馀c標(biāo)準(zhǔn)空氣不同種介質(zhì)的熱泵干燥，氮?dú)庾鞲稍锝橘|(zhì)得到的有效擴(kuò)散率最大，二氧化碳其次，標(biāo)準(zhǔn)空氣最低。Doungporn等[5]對(duì)不同物料的氣調(diào)干燥速率進(jìn)行分析，認(rèn)為高濕度的物料如蘋果、胡蘿卜等受干燥介質(zhì)的氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響較為顯著，會(huì)導(dǎo)致其干燥速率隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)的影響。謝繼紅等[6]研究空氣、氮?dú)?、二氧化碳、氬氣、氫氣、氦?種熱泵干燥介質(zhì)的基本物性和熱物性數(shù)據(jù)，包括1個(gè)大氣壓下不同溫度下的密度、定壓比熱容、熱導(dǎo)率、導(dǎo)溫系數(shù)、運(yùn)動(dòng)黏度、動(dòng)力黏度等，并對(duì)各種干燥介質(zhì)的適用性進(jìn)行分析。根據(jù)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(zhì)，選擇最佳干燥介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)干燥速率快、能源效率高、干燥品質(zhì)好等多個(gè)目標(biāo)，為采用空氣之外的其他適宜干燥介質(zhì)提供了良好的研究基礎(chǔ)。陳東等[7]采用氫氣作為干燥介質(zhì)，在相同的并流廂式熱泵干燥裝置結(jié)構(gòu)尺寸和干燥工藝參數(shù)條件下，氫氣與物料間的傳熱系數(shù)約為空氣的2.5倍，傳質(zhì)系數(shù)約為空氣的1.5倍，流動(dòng)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(zhì)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(zhì)具有突出的綜合優(yōu)勢(shì)，可為物料提供不含氧的干燥環(huán)境，還可使干燥速率明顯提高，使風(fēng)機(jī)功耗大幅度降低。但氫氣易燃易爆，應(yīng)用時(shí)須完善安全技術(shù)和提供管理制度保障。朱文學(xué)等[8]繪制含氮?dú)饣旌蠚饬鞫▔簼耢蕡D及溫濕圖，推導(dǎo)不同氮?dú)夂炕旌蠚饬鳡顟B(tài)參數(shù)和傳熱傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算公式并進(jìn)行規(guī)律分析，結(jié)果表明，隨著氮?dú)夂康脑黾?，混合氣流的密度、粘度、熱?dǎo)率和比熱容均減小，擴(kuò)散系數(shù)增大，傳熱系數(shù)減小，傳質(zhì)系數(shù)增大，干燥速率逐漸增加。

不同物料干燥對(duì)干燥介質(zhì)的要求亦不同，作干燥介質(zhì)氣體的種類和濃度跟物料的特性密切相關(guān)，因此對(duì)不同氣體作干燥介質(zhì)的物性研究是低氧熱泵干燥技術(shù)有效實(shí)施的基礎(chǔ)。

2 低氧熱泵干燥技術(shù)對(duì)干燥品質(zhì)和效率的影響

低氧熱泵干燥技術(shù)能有效解決干燥過程中干制品外觀色澤劣變、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失和能耗高等難題，有效提升干燥品質(zhì)，提高干燥效率，備受國(guó)內(nèi)外干燥加工研究學(xué)者的關(guān)注。

Hawlader等[3]研究真空干燥、冷凍干燥、以空氣、氮?dú)?、二氧化碳作干燥介質(zhì)的熱泵干燥番石榴和番木瓜時(shí)干燥動(dòng)力學(xué)、干燥品質(zhì)。結(jié)果表明，用二氧化碳作熱泵干燥介質(zhì)，干燥過程中番石榴的有效擴(kuò)散率提高44%，番木瓜的有效擴(kuò)散率提高16.34%，還能有效減少褐變，快速?gòu)?fù)水，VC保存率高；還比較以空氣、氮?dú)?、二氧化碳作不同熱泵干燥介質(zhì)干燥厚度為3 mm的姜片的干燥特性。液相色譜法分析檢測(cè)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?dú)鉄岜酶稍?，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?dú)饣蚨趸紴楦稍锝橘|(zhì)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(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)和更好的復(fù)水性，在色澤上同真空冷凍干燥相似[9]。ONeill等[10]認(rèn)為采用氮?dú)饣蚨趸即娉Ｒ?guī)空氣進(jìn)行干燥，可有效減輕褐變、提高產(chǎn)品孔隙率及縮短干燥時(shí)間。Borompichaichartkul等[11]研究氮?dú)庾鞲稍锝橘|(zhì)夏威夷干果分階段熱泵干燥技術(shù)，包括干燥動(dòng)力學(xué)、干燥品質(zhì)和干燥過程的能耗。研究表明，第一階段40℃氮?dú)飧稍锝橘|(zhì)中烘，第二階段60℃空氣干燥介質(zhì)中烘，可獲得品質(zhì)優(yōu)良的干果和最小能耗。盧永芬[12]根據(jù)CO2作干燥介質(zhì)調(diào)節(jié)氧含量熱泵干燥食用菌的試驗(yàn)結(jié)果，建立不同溫度下O2、CO2含量與蘑菇褐變度的數(shù)學(xué)關(guān)系式。在O2含量較低時(shí)，隨O2含量的降低，褐變度下降明顯，而溫度對(duì)褐變度的影響較??；隨著O2含量的升高，尤其當(dāng)O2含量大于14%時(shí)，溫度對(duì)褐變度的影響變大，而O2含量對(duì)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(nèi)，隨著CO2含量的升高，褐變度減小；含量大于70%的范圍內(nèi)，隨著CO2含量的升高，褐變度反而增大。羅磊[13-14]等以氮?dú)鉃楦稍锝橘|(zhì)調(diào)節(jié)設(shè)備中氧體積分?jǐn)?shù)，研究氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)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(biāo)的影響，結(jié)果表明氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)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(zhì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外，還選擇Page方程和單項(xiàng)擴(kuò)散模型2種干燥模型進(jìn)行蘋果薄層干燥模型分析，結(jié)果表明，Page模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)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(shù)，干燥溫度的提高可顯著縮短干燥時(shí)間，氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低可略微縮短干燥時(shí)間；水分?jǐn)U散系數(shù)隨溫度的提高及氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低而增大，但降低氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)提高水分?jǐn)U散的積極作用有限；利用威布爾分布函數(shù)擬合的金銀花干燥曲線，擬合精度較高，并確定尺度參數(shù)和形狀參數(shù)方程；金銀花的功能成分綠原酸含量隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)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?dú)庠礋岜眉夹g(shù)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(shí)，β-胡蘿卜素的保留率為86.7%，與真空干燥的最優(yōu)水平相當(dāng)（60℃，β-胡蘿卜素的保留率為87.1%），但干燥時(shí)間大大縮短，氧含量對(duì)β-胡蘿卜素保留率的影響達(dá)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(fù)水率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行熱風(fēng)、真空、無氧熱泵干燥3種干燥方式對(duì)比研究，試驗(yàn)結(jié)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(fēng)干燥；胡蘿卜中主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(fēng)干燥最低；在復(fù)水率的試驗(yàn)中可以看出，經(jīng)無氧熱泵干燥和真空干燥后的干制品復(fù)水效果相對(duì)較好，熱風(fēng)干燥較差。

3 低氧熱泵干燥裝置的研究

低氧熱泵干燥技術(shù)的研究以優(yōu)良的干燥裝置為保障基礎(chǔ)。低氧熱泵干燥裝置須具備良好的密閉性能，溫濕度、風(fēng)速和氧氣濃度等參數(shù)的精確智能測(cè)控。

Chua等[19]利用2級(jí)蒸發(fā)熱泵干燥系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明，該干燥系統(tǒng)可將溫度和濕度控制在較大范圍內(nèi)，提高系統(tǒng)的操作系數(shù)（COP），節(jié)約能耗。Teeboonma等[20]利用外置和內(nèi)置并聯(lián)雙冷凝器有效保證干燥溫度在設(shè)定范圍內(nèi)。盧永芬[12]，陸烝[21]均對(duì)雙冷凝器雙蒸發(fā)器熱泵系統(tǒng)和輔助加熱裝置進(jìn)行研究，該干燥系統(tǒng)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(jù)各階段溫、濕度的要求和即時(shí)溫、濕度測(cè)定值選擇不同的組合狀態(tài)，從而達(dá)到不同溫度、濕度要求下的控溫控濕效果。張建峰[22-23]對(duì)熱泵干燥裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方法，即PLC為下機(jī)位，計(jì)算機(jī)為上機(jī)位的控制系統(tǒng)，可設(shè)定干燥室內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)，在手動(dòng)控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，提高了干燥產(chǎn)品品質(zhì)，降低了干燥能耗。潘秀霞等[24-25]研制一種基于上、下位機(jī)串行的干燥智能測(cè)控系統(tǒng)。采用89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、氣體成分和物料重量的多路環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)與智能控制；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)在線參數(shù)的可視化顯示、處理及建立專家知識(shí)庫(kù)等功能；通過串口方式解決單片機(jī)口線緊張問題；模糊控制加模糊自整定PID控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境溫度、濕度、氣體成分的有效控制。范海亮[26]根據(jù)蔬菜干燥過程特點(diǎn)和熱泵干燥環(huán)境非線性、大慣性和時(shí)變性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)精確的熱泵干燥控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由熱泵干燥裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成。利用Fuzzy-PID復(fù)合控制器實(shí)現(xiàn)干燥室內(nèi)溫濕度的精確；通過變頻調(diào)速系統(tǒng)能將干燥介質(zhì)流量控制在穩(wěn)定，利于物料干燥的范圍內(nèi)；利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition， SCADA），其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器、PLC和模擬量模塊組成，PLC作為下位機(jī)采集傳感器收集溫度、濕度、風(fēng)速等的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱泵干燥裝置多個(gè)位置溫度和濕度的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)歸檔、參數(shù)初始化設(shè)定、控制設(shè)定、報(bào)警信息查詢等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、非現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控；還利用胡蘿卜為干燥物料進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(duì)熱泵循環(huán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行改造和優(yōu)化，熱泵循環(huán)系統(tǒng)增添輔助風(fēng)機(jī)、輔助加熱器、高壓氣體管，構(gòu)建密閉循環(huán)回路，控制系統(tǒng)增添氧氣傳感器、環(huán)境溫度傳感器、濕度傳感器、檢測(cè)物料內(nèi)部的溫度傳感器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精確控制的無氧熱泵干燥，并對(duì)該設(shè)備進(jìn)行干燥曲線、干燥能耗等性能進(jìn)行測(cè)試。

低氧熱泵干燥裝置的研究涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，包括：熱泵、干燥、智能測(cè)控、物料的特性等，屬于技術(shù)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(fā)的力度和廣度還不夠，需要各學(xué)科技術(shù)人員的共同努力。

4 展望

國(guó)內(nèi)外研究表明低氧熱泵干燥技術(shù)在干燥過程能耗和干燥品質(zhì)包括結(jié)構(gòu)特性、視覺特性、營(yíng)養(yǎng)特性、復(fù)水特性等均表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。其低溫、低氧的干燥環(huán)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(guó)內(nèi)外研究多集中在干制品品質(zhì)特性的研究，對(duì)低氧熱泵干燥裝置的研究甚少。低氧熱泵干燥技術(shù)的發(fā)展有賴優(yōu)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(shù)更好的廣泛推廣應(yīng)用。

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