热泵除湿干燥技术在食品工业中的应用及展望

摘要：利用热泵除湿干燥装置干燥食品的突出优点是节能并且干制食品质量好，本文介绍了热泵除湿干燥系统的工作原理，及该技术近几年在国内外食品工业中的最新进展，并且阐述了热泵除湿干燥技术目前存在的问题及未来发展趋势。 关键词：热泵，除湿，干燥，应用，发展 1.引言 在食品的生产、加工和贮藏过程中，空气温度和相对湿度对其产量、质量、外观等，将有极大的影响。干燥是食品及农副产品贮藏和深加工的主要方式之一，食品物料的种类繁多，干燥方法也千差万别，但是加快干燥除湿速度，缩短干燥时间，提高干燥食品的质量和节约干燥能耗一直是食品干燥研究的共同课题。 热泵除湿干燥装置是应用冷冻除湿的原理，将湿空气冷却到露点温度以下，析出水分后，再利用冷凝热加热冷却后的干空气，从而达到除湿的目的。热泵除湿装置能够回收湿空气的潜热，因此节能效果显著。另外，热泵除湿干燥的温度低，接近自然干燥，被干物料的品质好，特别适合水产品、果蔬、种子等热敏性物料的干燥加工。我国自80年代中期开始从国外引进热泵干燥机，至90年代开始独立设计，目前该技术有了较大的发展，热泵除湿干燥由于节能效果显著、干燥质量好、用清洁的电能作为能源不污染环境，目前已成为常规干燥之后处于第二位的干燥技术[1]。 2.热泵干燥的工作原理及分类 热泵干燥机组如图2.1所示主要由热泵系统（蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀等）和空气系统（干燥室、风机、电加热器等）组成。因此热泵干燥循环包括两个循环：（1）制冷工质的蒸汽压缩循环。（2）干燥空气的循环。 制冷循环：由压缩机出来的高温高压的制冷剂气体进入冷凝器，将热量传给空气后，冷凝成常温高压液体，经膨胀阀节流后进入蒸发器，吸收由干燥室出来的湿空气的热量，变成低温低压气体，在被压缩机吸入压缩，如此往复循环。 空气系统：湿空气在蒸发器处被冷却到露点温度以下，析出凝结水，含湿量下降，再进入冷凝器，吸收制冷剂的热量而升温，相对湿度降低，然后再送入干燥室。 图2.1 热泵干燥循环系统图 热泵除湿干燥机的分类： （1）按空气循环系统划分，可分为闭路式循环系统和开路式循环系统 闭路式循环系统是指干燥介质在干燥器内全部循环使用，开路式循环系统指干燥介质离开干燥室进入热泵的蒸发器与热泵工质换热后直接排空。 （2）按制冷系统划分，可分为一般型、降温型、调温型。 一般型是指空气经过蒸发器冷却除湿，由冷凝器加热升温，降低相对湿度，系统出风温度不能调节，只能用于升温干燥。 降温型是指在一般型的系统上增设外部水冷或风冷冷凝器，制冷剂的冷凝热全部由增设的冷凝器带走，空气经过主冷凝器后温度不变，该系统可用于干燥热敏性生物物料，或作低温贮藏之用。 调温型是指制冷剂的冷凝热部分由水冷或风冷冷凝器带走，剩余冷凝热用于加热经过蒸发器后的空气，该系统出风温度能进行调节。 3.热泵除湿干燥技术国内外的研究现状 自20世纪70年代以来，美、日、法、德等国就开展了热泵除湿干燥的研究，国际能源中心（IEA）集中了大量的有关热泵干燥技术的研究成果。我国也在80年代引进了该项技术，最早而且应用范围最广的是用于木材的干燥，由于热泵干燥温度低接近自然干燥，近几年逐渐将其应用到食品及农副产品的干燥作业之中，取得了较好的经济效益，产品的附加值大大提高。特别是我国政府的节约能源和环境保护政策的实施，极大的促进了热泵除湿干燥技术的发展。目前研究热泵干燥技术的高校及科研院所主要集中在西南农业大学、浙江大学、天津大学、北京理工大学、北京林业大学、广东省农机研究所，上海桑菱能源研究所等几家单位，干燥的物料也集中在木材、谷物、食品、农副产品、纺织和纸张方面。热泵除湿机的普及率南方优于北方，目前生产除湿机的厂家有8—10个，国产设备占70%左右[1]，我国进口的除湿机主要集中在日本、美国、加拿大等国家。 3.1谷物 R．BEST[2]等人通过对谷物进行热泵干燥，结果表明由于热泵具有较低的温度（在实验中为30—40℃）和良好的可控性使热泵除湿干燥技术将逐渐取代传统的干燥方式。我国也在1998年的国家重点粮库建设中，大量引进了这种设备和技术。 3.2种子 热泵除湿干燥技术的低温干燥特性比较适合于种子干燥，干燥后的种子不但要有适宜的含水率，而且还要保证种子的发芽率，用热泵装置干燥各类种子（菜籽、树籽、草籽）发芽率和日晒比较提高5个百分点[3]。马一太[4]对白菜种子进行了干燥实验研究，结果表明：种子的干燥时间受干燥温度、干燥空气相对湿度和初含水率的影响，提高干燥温度，减小干燥空气相对湿度，降低初含水率，可以缩短干燥时间，在干燥空气流速较低的情况下，干燥空气流速对干燥速率影响很小。上海市能源研究所[5]于1992年研制了热泵式粮食种子干燥装置，试验结果表明能耗明显低于常规干燥的能耗，发芽率也有一定的提高。 3.3果蔬 20世纪90年代以来，我国科技工作者在果蔬的热泵干燥研究领域做了许多研究工作，其范围主要集中于蘑菇、洋葱、木薯及萝卜等方面。李志远[6，7，8]用热泵加工脱水蔬菜，以白菜和胡萝卜为干燥物料，所得产品色泽鲜艳，叶绿素，胡萝卜素，维生素C损失小，维生素保存率比热风干燥提高将近一倍。陆蒸[9]对毛竹笋进行了干燥实验，结果表明毛竹笋切片厚度薄且经漂烫、干燥温度高的样品干燥速度快，制品感官质量好。吴雪辉[10]干燥西红柿果脯，对热泵干燥与热风干燥效果进行比较，热泵干燥的样品具有色泽鲜艳、能耗较低、干燥温度低等优点，由于干燥温度在45℃以下，因此减少酶促褐变的发生。李云林[11]利用RG—110型热泵干燥香菇，日加工量为600kg，可得含水率为13%以下的干香菇92kg，耗能费用为0.68元/kg是常规食用菌烘干机平均能耗费用1.19元/kg的57%。，节能效果显著，且优质率提高60%，干燥后的香菇外形收缩均匀，不变形，菇盖颜色为深褐色，气味清香纯正，不带有烟味、焦味深受市场欢迎。王荷兰[12]对生姜、大蒜的动态干燥特性进行研究，分析了不同干燥空气温度、相对湿度和流率对干燥的影响，找出合适的干燥工况，热泵的低温干燥温度在45—50℃之间的工况非常适宜生姜和大蒜的干燥。U．Teeboonma[13]等人则更多地侧重于热泵干燥工艺的研究，他们分别以番木瓜和芒果为对象，通过对比分析干燥过程中空气流量、蒸发器旁通空气量、干燥温度等因素对物料品质的影响，从而找出干燥的优化条件，并建立了番木瓜和芒果干燥的数学模型。 3.4水产品 生鲜的鱼贝类的含水率一般为75%—80%，为了实现水产品的长期贮藏，方便运输等目的，必须对水产品实行干燥，由于水产品是热敏性物质，干燥温度过高，干燥过程过长等都会造成品质的下降。广东省农机研究所从一九八九年开始研制了RG—110型热泵干燥机[14]，从1989到1996年中对多种鱼类和扇贝等海珍品进行了干燥实验，产品色亮味美，深受美、日等国喜爱，为国家创造了可观的外汇。洪国伟[15]利用热泵干燥鱿鱼，产品外观和色泽都较好。李浙[16]将鱼片在20℃—25℃的温度下进行干燥，其制品的质量比用传统的洞道式蒸汽烘房干燥的鱼片具有色白、透明、营养成分损失少等优点。陈忠忍[17]等将热泵用于海产品的干燥，能保证产品的色泽和风味，并节能50%。 3.5其他干燥物料 西南农业大学等单位进行茶叶热泵干燥中期实验研究[18]，结果表明，与传统烘干工艺相比热泵干燥的能源费用节约了30%—40%，综合成本下降了20.5%。田晓亮[19，20]等研制了TXL型软胶丸热泵干燥机，实际应用表明，每台干燥机能耗不足5kw，仅为原干燥工艺能耗的1/9；缩短了干燥周期，现仅为8h（原36h），解决了粘连问题，减少了污染，含湿量也均匀一致。 4.热泵除湿干燥技术当前存在的问题 4.1传统制冷剂对臭氧层的破坏 目前在热泵干燥系统中通常是R22为制冷剂，这种HCFC类的工质的泄漏会造成大气臭氧层的破坏和温室效应。 4.2干燥周期长 热泵干燥的优点就是温度低，一般不超过60℃通常在45℃以下，适宜热敏性物料，但这也使得干燥过程中干燥时间过长，生产能力下降，生产周期加长。 4.3其他 热泵除湿干燥在电价高的地区使用会受到影响，特别是单热源热泵的使用会出现节能不借钱的现象。另外，目前我国除湿干燥机的外观设计、加工精度、电磁阀等零部件质量等还存在着一定的问题，需进一步改进。 5.热泵除湿干燥技术的发展趋势及前景 5.1制冷剂的替代 由于热泵循环系统中通常使用的R22等HCFC类制冷剂对臭氧层和全球气候有破坏作用，因此研究工作主要集中在单工质替代物R134a，混合工质替代物R407c和对环境无破坏性的绿色自然工质（二氧化碳）在热泵干燥循环系统中的研究。 5.2提高干燥温度 热泵干燥的温度大都集中在40℃—60℃之间，为了能使热泵干燥所适用的干燥物料范围扩大，所以设法提高干燥的温度也是研究的一个热点。目前较常用的方法是通过辅助加热系统，将经过冷凝器加热过的空气进一步提高其温度，这种方法虽然简单有效，但能源消耗显著增加，为解决这一问题，应针对热泵干燥的制冷工况以及空气循环状态采用复合工质，研究开发高温高压制冷压缩机，以提高冷凝温度，从而满足较高的干燥温度要求。 5.3相变贮热材料在热泵干燥中的应用 浙江大学制冷及低温工程研究所从1999年开始了相变材料在热泵节能中的研究。王剑锋[21]高广春[22]等通过将相变温度为50—52℃的相变材料石蜡放置在冷凝器至干燥室的旁通管路内，回收由于干燥机组达到所要干燥的温度后排放掉的那一部分热量，试验结果表明相变材料应用于热泵干燥具有明显的节能效果，当干燥温度为45℃物料的平均质量百分比为24.5%时，放置相变材料，干燥节能21.9%；当干燥温度为50℃，干燥物料的平均质量百分比为35.5%时，放置相变材料干燥节能36.5%。 5.4热泵与其他方式联合干燥系统 微波及红外线干燥均有透入物料表面对物料进行三维加热，形成温度内高外低的正向温度场（与水分排出物料的运动方向一致）的优点，但在低温下不利于将物料表面富集的水蒸气排除，热泵的引入可很好地解决这个问题，利用热泵制取的低温干燥空气可快速带走物料表面的水分，同时也保证了物料成品的质量。热泵式真空干燥装置利用热泵蒸发器将物料中排出的水分凝结析出，可降低真空设备的负荷，与电加热式真空干燥装置相比，热泵式真空干燥装置的运行费用仅为1/5[23]。 在太阳能充足的地区采用太阳能与热泵联合干燥，可以实现良好的节能效果，福建省林业科学研究所研制了太阳能—热泵联合干燥装置，经实验得出该装置的节电率在15%~47.8%之间[24]。 5.5自动控制[25] 干燥是一个非稳态的传热传质过程，干燥过程中各个状态点控制参数值有较大幅度调整，手动调节难度大，控制精度低。计算机软硬件技术的发展为数据的计算机自动采集、显示和保存及参数的自动监控提供了便利。根据物料脱水情况及环境状况适时调控干燥工艺参数，有利于提高能量利用率及产品质量，可以减少人工监测、调控的失误，减少系统调节滞后，提高系统的调节精度和灵敏度。因此，将现代检测、传感及控制技术结合起来应用于热泵干燥加工，能够实现对干燥加工过程的全自动人工智能控制，从而降低操作成本和干燥能耗，提高制品品质。 6.结论 干燥过程是一个巨大的耗能过程，据统计，在大多数发达国家里用于干燥所消耗的能量占全国总能耗的7%—15%，而热效率仅为25%—50%[26]，并且大部分干燥过程特别是对热敏性物料例如食品和生物物料都会对其色泽、营养、风味和组织产生影响。热泵除湿干燥技术具有能源消耗少，环境污染小、干燥品质高、适用范围广等优点，其优异的节能效果已被国内外的各种试验研究所证明。目前热泵干燥正朝着提高干燥温度，开发新型热泵干燥系统，及热泵的自动控制技术等方面发展，热泵干燥作为能将降低能源消耗和提高产品质量两者完美统一起来的技术给食品干燥行业带来重大变革。 参考文献 [1]张璧光，谢拥群．木材干燥的国内外现状与发展趋势［J］．中华干燥网，2005． [2]R．BEST，J．M．CRUZ．Experimental results of a solar assisted heat pump rice drying system［J］．WREC，1996，690-694． [3]薛志成．热泵特点及在农副产品干燥中的应用［J］．农业机械化与电气化，2002，19（5） [4]马一太，曾宪阳，牛莹．热泵干燥种子的试验研究［J］．中国农机化，2004，（6）：47-49． [5]张绪坤，毛怀远，赵有斌．热泵干燥技术的现状与发展［J］．粮油加工与食品机械，2004，（4）：56-58． [6]李志远，郑春明，陈照传，等．热泵干燥技术在脱水蔬菜加工中的应用研究［J］．食品工业科技，1998，（5）：7-8． [7]李志远，胡晓静，赵文明，等．胡萝卜热风与热泵结合干燥工艺及特性研究［J］．食品与发酵工程，26（1）：3-6． [8]李志远，胡晓静，叶盛英，等．胡萝卜热泵干燥特性及数学模型的研究［J］．食品与发酵工业，26（6）：1-4． [9]陆蒸，林启训，王浩，等．毛竹笋热泵干燥特性及制品复重率［J］．福建农林大学学报，2002，31（1）：117-120． [10]吴雪辉，马军．热泵干燥技术在果蔬干制品加工中的应用［J］．中国果品研究，1997，（3）． [11]李云林，肖正昆，邬建明，等．热泵干燥在食用菌加工中的应用［J］．中国食用菌，18（3）：38-39． [12]王荷兰，苏跃红，葛新石，等．生姜、大蒜干燥动态特性的试验研究［J］．食品科学，1998，19（3）：12-15． [13]U．Teeboonma，J．Tiansuwan，S．Soponronnarit．Optimization of heat pump fruit dryers［J］．Journal of Food Engineening，2003，59：369-377． [14]郑春明．热泵在农副产品干燥中的应用［J］．广东农机，1997，（1）：16-18． [15]洪国伟．热泵干燥器在水产品加工中的应用［J］．渔业现代化，2001，（3）：28-29． [16]李浙．水产品热泵干燥装置的设计计算［J］．冷藏技术，1998，（2）：36-39． [17]陈忠忍，吴平．水产品热泵干燥装置的研究［J］．制冷学报，1992，51（1）：41-46． [18]王元凯．热泵在农副业等方面的应用［J］．新能源，1985,（５）：43-44． [19]田晓亮，孙晖，王兆俊，等．热泵系统干燥软胶丸的工艺［J］．中国医药工业杂志，1998，29（9）：418-419． [20]田晓亮，孙晖，王兆俊，等．软胶丸干燥机的研究与开发［J］．化工进展，1998，6：41-43． [21]王剑锋，欧阳应秀，朱永雷，等．相变材料应用于热泵干燥的试验研究［J］．太阳能学报，2002，23（1）：22-26． [22]高广春，王剑峰，等．相变贮热在热泵干燥机组中的应用研究［J］．太阳能学报，2001，22（3）：262-265． [23]陈东，谢继红，赵丽娟，等．热泵式低温干燥装置的研制分析［J］．中华干燥网，2005，7 [24]许彩霞，张璧光，常建民，等．太阳能—热泵联合干燥技术的研究现状［J］．木材加工机械，2004，5：36-39． [25]李阳春，陈光明．热泵干燥装置测控系统设计与软件开发［J］．农机化研究，2003，（1）：186-189． [26]K．J．Chua，A．S．Mujumdar．Batch drying of banana pieces-effect of stepwise change in drying air temperature on drying kinetics and product color［J］．Food Research International，2001，34：721-731． 作者简介：王丽欣，女，1980年生。硕士研究生。主要研究方向：食品加工技术装备，热泵除湿干燥装置。