基于多熱源互補(bǔ)的胡蘿卜組合干燥工藝試驗(yàn)及設(shè)備研究

徐英英，馬凱坤，袁越錦，李 嚴(yán)，金敬紅

（1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710021；2.中華全國(guó)供銷(xiāo)合作總社南京野生植物綜合利用研究所，江蘇南京 210042）

我國(guó)是世界第一大果蔬生產(chǎn)國(guó)，但由于產(chǎn)后加工技術(shù)與設(shè)備的落后，我國(guó)果蔬產(chǎn)后損耗率為發(fā)達(dá)國(guó)家的8 倍左右［1］。干燥加工是延長(zhǎng)農(nóng)產(chǎn)品貨架期、豐富產(chǎn)品種類(lèi)、幫助勞動(dòng)者減損增益的重要產(chǎn)后加工手段［2-3］。目前，制約果蔬干制產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題是能耗問(wèn)題，由于果蔬類(lèi)物料含水率高，且為熱敏性物料，干燥溫度不能過(guò)高，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，能耗大，最終產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，果蔬熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率可達(dá)90%左右，但由于其較多采用燃燒爐作為熱源，導(dǎo)致干燥效率低下，污染嚴(yán)重，產(chǎn)品品質(zhì)低［4-5］。

組合干燥技術(shù)是將兩種或兩種以上的干燥方式進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，發(fā)揮每一種干燥技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，以及彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)。對(duì)于組合干燥技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與理論研究［6-11］，如：吳海華等人［6］進(jìn)行了枸杞熱風(fēng)-真空組合干燥試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相比于單一的熱風(fēng)干燥試驗(yàn)與真空干燥試驗(yàn)，采用熱風(fēng)-真空組合干燥技術(shù)的干燥時(shí)間更短，而且干燥的枸杞品質(zhì)更好；王靜等人［7］針對(duì)蒜片進(jìn)行了真空微波熱風(fēng)組合干燥試驗(yàn)，表明采用真空微波熱風(fēng)的組合干燥時(shí)間相對(duì)較短，而且能耗更低，干燥產(chǎn)品的品質(zhì)參數(shù)更加優(yōu)良，并且沒(méi)有出現(xiàn)熱風(fēng)干燥溫度過(guò)高時(shí)產(chǎn)品的焦化以及明顯形變；袁越錦、董繼先等［8-9］設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能果蔬熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備，以太陽(yáng)能為主要熱源，電加熱為輔助能源來(lái)實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)與真空干燥技術(shù)的綜合利用，相比于傳統(tǒng)干燥設(shè)備，該設(shè)備大幅度降低了設(shè)備運(yùn)行能耗，并且干燥產(chǎn)品的品質(zhì)更好。

針對(duì)上述果蔬干燥過(guò)程中能耗大、干制品品質(zhì)低等問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)一種多熱源互補(bǔ)組合干燥設(shè)備，綜合利用太陽(yáng)能、熱泵與燃燒爐三種熱源［12-14］，分別對(duì)熱風(fēng)干燥與真空干燥過(guò)程提供熱風(fēng)與熱水，搭建設(shè)備試驗(yàn)平臺(tái)，以胡蘿卜為試驗(yàn)原料進(jìn)行了干燥工藝試驗(yàn)；驗(yàn)證該設(shè)備的可行性并分析在組合干燥過(guò)程中多熱源互補(bǔ)模式對(duì)提高干燥速率、降低能耗和保留營(yíng)養(yǎng)成分等的效果，以期為果蔬干燥加工與設(shè)備設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

果蔬類(lèi)物料的干燥，即將果蔬中大部分水分除去的過(guò)程，需要將鮮果制品（含水率80%以上）干燥至安全含水率（通常10%以下），實(shí)現(xiàn)便于儲(chǔ)藏運(yùn)輸?shù)饶康?。因此在果蔬干燥過(guò)程中需要脫去大量的水分，所消耗的能量巨大?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種多熱源互補(bǔ)組合干燥設(shè)備，如圖1所示，該設(shè)備主要由太陽(yáng)能裝置、熱泵裝置、燃燒爐裝置以及組合干燥箱等組成。

圖1 多熱源互補(bǔ)組合干燥設(shè)備圖Fig.1 Multi?heat source complementary combined drying equipment diagram

該設(shè)備集成太陽(yáng)能、熱泵、燃燒爐三種熱源，采用熱風(fēng)真空組合干燥技術(shù)，分階段對(duì)物料進(jìn)行熱風(fēng)干燥和真空干燥。其中，熱風(fēng)干燥的熱風(fēng)來(lái)源于熱泵和煙氣-空氣換熱器，通過(guò)干燥引風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)送入干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥；真空干燥的熱源為熱水，來(lái)源于太陽(yáng)能水箱和燃燒爐水箱，通過(guò)熱水循環(huán)泵將水箱中熱水送入干燥箱內(nèi)熱水盤(pán)管，在真空干燥時(shí)為系統(tǒng)提供熱量。

1.2 設(shè)備工作原理

該設(shè)備按照功能可分為熱源部分和干燥箱部分：熱源部分采用多熱源互補(bǔ)技術(shù)，集成太陽(yáng)能、熱泵、燃燒爐三種熱源，產(chǎn)生熱風(fēng)和熱水供給干燥箱，從而實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)與熱水的雙向利用。干燥箱部分采用熱風(fēng)真空組合干燥技術(shù)，分階段對(duì)物料進(jìn)行熱風(fēng)干燥和真空干燥。其中，熱風(fēng)干燥階段所需的熱風(fēng)由熱泵系統(tǒng)和燃燒爐煙氣換熱系統(tǒng)產(chǎn)生，燃燒爐出口高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)煙氣引風(fēng)機(jī)導(dǎo)引，先進(jìn)入煙氣換熱器中與干燥新風(fēng)換熱，后送入脫硫除塵器進(jìn)行脫硫除塵。經(jīng)過(guò)脫硫除塵后的煙氣再排入大氣，減少了對(duì)環(huán)境的污染。真空干燥階段所需的熱水由太陽(yáng)能系統(tǒng)和燃燒爐熱水系統(tǒng)產(chǎn)生。多熱源集成可以充分發(fā)揮每種熱源的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，相比于單一熱源系統(tǒng)，有效降低了能耗。

組合干燥箱結(jié)合了熱風(fēng)干燥技術(shù)與真空干燥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。熱風(fēng)干燥通過(guò)對(duì)流換熱蒸發(fā)物料中的水分，因其干燥速率高而被廣泛應(yīng)用，但生產(chǎn)的產(chǎn)品品質(zhì)較差；真空干燥利用真空泵創(chuàng)造干燥箱內(nèi)真空環(huán)境，降低水分沸點(diǎn)，將熱水通入箱內(nèi)盤(pán)管加熱物料，蒸發(fā)水分，這種技術(shù)干燥速率較慢，但真空環(huán)境可抑制物料內(nèi)部的生化反應(yīng)，保留營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并降低干燥過(guò)程對(duì)溫度的要求。因此，將熱風(fēng)干燥應(yīng)用于干燥前期，快速蒸發(fā)物料內(nèi)部水分，干燥至一定狀態(tài)后，轉(zhuǎn)為真空干燥，防止熱風(fēng)干燥劇烈的對(duì)流換熱引起物料收縮、硬化，并保留營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提升產(chǎn)品品質(zhì)。組合干燥的產(chǎn)品品質(zhì)接近真空干燥，但所需時(shí)間大幅縮短，節(jié)約了能耗。

1.3 設(shè)備的運(yùn)行模式

多熱源互補(bǔ)果蔬組合干燥設(shè)備運(yùn)行模式如表1所示。

表1 設(shè)備的運(yùn)行模式Table 1 Operation mode of equipment

2 工藝試驗(yàn)

為了檢測(cè)多熱源互補(bǔ)組合干燥設(shè)備在不同熱源供熱時(shí)的運(yùn)行情況，搭建設(shè)備試驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

2.1 設(shè)備試驗(yàn)平臺(tái)搭建

搭建的多熱源互補(bǔ)組合干燥試驗(yàn)平臺(tái)如圖2（a）所示，其中太陽(yáng)能集熱器建于實(shí)驗(yàn)樓天臺(tái)，其余設(shè)備均建于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，熱風(fēng)管道與熱水管道均采取保溫處理。為了觀測(cè)干燥設(shè)備各個(gè)部分工作情況，以便對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行控制，在樣機(jī)搭建時(shí)安裝了數(shù)據(jù)采集設(shè)備，干燥設(shè)備溫濕度數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布如圖2（b）所示。

圖2 多熱源互補(bǔ)組合干燥試驗(yàn)平臺(tái)（a）設(shè)備照片和（b）數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布Fig.2 Multi-heat source complementary combined drying test prototype（a）equipment photos and（b）distribution of data col?lection points

2.2 試驗(yàn)材料和儀器

2.2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用從當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(chǎng)購(gòu)得的胡蘿卜，要求新鮮，品相良好外形完整，無(wú)腐爛蟲(chóng)害、病斑以及損傷。經(jīng)測(cè)定，初始含水率為90%，切片厚度為5 mm。

2.2.2 試驗(yàn)儀器

SFY-60快速水分測(cè)定儀（深圳市冠亞電子科技有限公司），電子天平（精度±0.001 g），ZQ194E-9SY-RW 多功能電力檢測(cè)儀（精度±0.2%），以及計(jì)時(shí)表、切片機(jī)、游標(biāo)卡尺。

2.3 試驗(yàn)方法

設(shè)備試驗(yàn)平臺(tái)熱源包括熱泵供熱風(fēng)（Heat pump drying，HPD），燃煤爐供熱風(fēng)（Burning air dry?ing，BAD），燃煤爐供熱水（Burning water heating，BWH）等，另設(shè)有電加熱熱風(fēng)（Electric air drying，EAD）和電加熱熱水（Electric water heating，EWH）作為對(duì)比；其中，每個(gè)熱源都可以獨(dú)立工作互不影響。為研究不同熱源使用時(shí)的干燥能耗及性能，設(shè)計(jì)4組試驗(yàn)如表2 所示，每次試驗(yàn)裝載胡蘿卜切片20 kg，干燥至含水率8%以下結(jié)束。

表2 干燥能耗對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Comparison test design of drying energy consumption

為研究不同干燥模式設(shè)備的干燥特性，設(shè)計(jì)50℃熱泵干燥試驗(yàn)（HPD），70℃燃燒爐熱風(fēng)干燥試驗(yàn)（BAD），70℃/70℃燃燒爐組合干燥試驗(yàn)（BADBWH）以及50℃/70℃/70℃熱泵+燃燒爐組合干燥試驗(yàn)（HPD-BAD-BWH）。

采用太陽(yáng)能+熱泵+燃燒爐的熱源組合方式，以胡蘿卜為物料，胡蘿卜切片厚度為5 mm，真空度為10 kPa，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率為60%，中間轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率為30%，進(jìn)行低溫?zé)犸L(fēng)溫度50℃/高溫?zé)犸L(fēng)溫度70℃/真空溫度70℃的變溫?zé)犸L(fēng)真空組合干燥試驗(yàn)；并以燃燒爐為熱源，分別進(jìn)行70℃熱風(fēng)干燥試驗(yàn)和70℃真空干燥試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.4.1 干燥特性曲線(xiàn)

50℃熱泵干燥（HPD），70℃燃燒爐熱風(fēng)干燥（BAD），70℃/70℃燃燒爐組合干燥（BAD-BWH）以及 50℃/70℃/70℃熱泵+燃燒爐組合干燥（HPDBAD-BWH）的干燥特性曲線(xiàn)如圖3所示。從圖中可以看出，采用50℃熱泵干燥（HPD）時(shí)，干燥時(shí)間最長(zhǎng)，為8.2 h；采用70℃燃燒爐熱風(fēng)干燥（BAD）耗時(shí)6.0 h；采用70℃/70℃燃燒爐組合干燥（BAD-BWH）耗時(shí)最短，為5.5 h；采用50℃/70℃/70℃熱泵+燃燒爐組合干燥（HPD-BAD-BWH）耗時(shí)為6.2 h。從干燥速率角度來(lái)看，采用熱風(fēng)或熱泵干燥時(shí)，在干燥后期都會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的降速階段，導(dǎo)致干燥速率減小，在70℃燃燒爐熱風(fēng)干燥（BAD）時(shí)最為明顯。這是由于在干燥的后期，胡蘿卜內(nèi)自由水減少，剩余水分較難由熱風(fēng)干燥帶出，導(dǎo)致熱風(fēng)干燥在干燥后期干燥速率較慢。從圖3 還可以看出，在加入真空干燥之后，無(wú)論是采用燃燒爐熱風(fēng)真空組合干燥（BAD-BWH）還是熱泵+燃燒爐熱風(fēng)真空組合干燥（HPD-BAD-BWH），干燥后期的干燥速率都比較高，且一直持續(xù)到干燥結(jié)束。由此可見(jiàn)，多熱源互補(bǔ)組合干燥具有提高后期干燥速率，縮短干燥時(shí)間的作用。

圖3 不同組合模式的干燥特性曲線(xiàn)Fig.3 Drying characteristic curves of different drying processes

2.4.2 干燥能耗

圖4 為在使用不同熱源條件下的4 組干燥能耗對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，采用燃煤爐熱風(fēng)的（BAD）試驗(yàn)2 耗電功率為1.63 kw，耗煤量為1.3 kg/h，燃煤爐在運(yùn)行時(shí)，耗電設(shè)備僅為風(fēng)機(jī)及脫硫泵的耗電量，因此耗電較少。采用電加熱熱風(fēng)（EAD）的試驗(yàn)3（50℃）與試驗(yàn)4（70℃）耗電功率最大，分別為8.20 kw 與14.54 kw；采用熱泵干燥（HPD）的試驗(yàn)1耗電功率較小，為2.17 kw。結(jié)合試驗(yàn)1與試驗(yàn)3數(shù)據(jù)可以看出，熱風(fēng)溫度相同情況下，熱泵干燥能耗遠(yuǎn)小于電加熱干燥，僅為電加熱的1/3.7，這說(shuō)明在消耗同樣能量的情況下，熱泵可以輸出電加熱3 倍以上的熱量。由此可見(jiàn)，多熱源互補(bǔ)組合干燥技術(shù)工藝可以有效降低能耗，充分發(fā)揮每種熱源的優(yōu)勢(shì)，克服單一熱源的不足，提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。

圖4 不同熱源干燥能耗對(duì)比Fig.4 Comparison of energy consumption for drying with dif?ferent heat sources

2.4.3 維生素C與胡蘿卜素含量

胡蘿卜片在三種不同干燥工藝條件下的維C含量和胡蘿卜素含量柱狀對(duì)比如圖5所示。從圖中可以看出，熱風(fēng)真空組合干制品的胡蘿卜素含量和維生素 C 含量分別為0.051 7 mg/g、0.052 mg/g，真空干制品的胡蘿卜素含量和維C 含量分別為0.051 3 mg/g、0.054 mg/g，熱風(fēng)干燥后干制品的胡蘿卜素含量和維C 含量分別為0.0186 mg/g、0.028 mg/g。熱風(fēng)真空組合干制的胡蘿卜具有與真空干制胡蘿卜相近的品質(zhì)，但相較于熱風(fēng)干制胡蘿卜，其營(yíng)養(yǎng)成分含量更高，品質(zhì)更佳。

圖5 不同干燥工藝的VC與胡蘿卜素含量對(duì)比Fig.5 Comparison of vitamin C and carotene content of differ?ent drying processes

2.4.4 表觀質(zhì)量

胡蘿卜片在三種不同干燥工藝條件下的表觀質(zhì)量對(duì)比如圖6 所示。從圖中可以看出：熱風(fēng)真空組合干制品的外觀形態(tài)皺縮較小，與真空干制品的外觀形態(tài)皺縮程度相當(dāng)，而熱風(fēng)干制品的外觀組織形態(tài)皺縮塌陷嚴(yán)重。因此，采用熱風(fēng)真空組合干燥的胡蘿卜片表觀質(zhì)量?jī)?yōu)于熱風(fēng)干燥。

圖6 不同干燥工藝干制的胡蘿卜片F(xiàn)ig.6 Carrot slices dried by different drying processes

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種多熱源互補(bǔ)組合干燥設(shè)備，整套設(shè)備包括太陽(yáng)能、熱泵、燃燒爐及脫硫除塵等裝置，可以實(shí)現(xiàn)真空干燥與熱風(fēng)干燥兩種方式的單獨(dú)與組合使用；并能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能、熱泵以及燃燒爐三個(gè)子裝置的獨(dú)立運(yùn)行與聯(lián)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)降低干燥能耗，減少環(huán)境污染，提高干燥品質(zhì)的目標(biāo)。

通過(guò)多熱源互補(bǔ)組合干燥設(shè)備的平臺(tái)試驗(yàn)獲得了不同組合模式下胡蘿卜的干燥特性曲線(xiàn)、能耗、胡蘿卜素和維C 含量對(duì)比等結(jié)果。結(jié)果表明，50℃熱泵干燥（HPD）胡蘿卜耗時(shí)最長(zhǎng)，采用70℃/70℃燃煤爐組合干燥（BAD-BWH）耗時(shí)最短。多熱源互補(bǔ)組合干燥技術(shù)工藝可以有效降低能耗，充分發(fā)揮每種熱源的優(yōu)勢(shì)。組合干制品的胡蘿卜素含量和維 C 含量分別為 0.0517 mg/g 和 0.052 mg/g，具有與真空干制胡蘿卜相近的品質(zhì)，而相較于熱風(fēng)干制胡蘿卜，其營(yíng)養(yǎng)成分保留較好，品質(zhì)更佳。熱風(fēng)真空組合干燥的胡蘿卜片外觀形態(tài)皺縮較小，表觀質(zhì)量?jī)?yōu)于熱風(fēng)干燥。