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热泵干燥技术研究进展及其在香菇干燥中的应用

发表日期:2019/9/26 9:58:16 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

中国是食用菌生产和加工大国。据中国食用菌协会统计,2017年全国食用菌总产量为3 712万吨,产值为2 721.92亿元。为了防止食用菌出现腐烂、褐变等问题,采后的食用菌需进行干燥处理。然而,干燥过程是一个高能耗的过程。在美国、法国和加拿大等欧美国家,干燥过程所消耗的能量占到了全国工业用能总量的10%~15%。国内目前的干燥技术较落后,仍存在大量采用燃煤燃柴烘干方法的情况,干燥能耗更高。

热泵干燥技术因其能源消耗和环境污染小、可调节范围广等优势,自Lord Kelvin在1852年首次提出后,国内外研究人员进行了大量的研究。为了减少我国食用菌的产后损失,我国需要投入人力和物力进一步进行热泵干燥技术的研究。因此,本文对国内外热泵干燥技术的主要研究方向与进展进行了概述,并对以香菇为物料的热泵干燥技术的研究与应用进行了分析。

1  热泵干燥技术国内外研究进展

国内外的热泵干燥技术研究内容主要集中在:热泵干燥系统结构研究、干燥工艺或性能参数研究、物料干燥动力学模型研究、系统控制策略研究、不同干燥方法间的组合与比较研究、系统引入其他干燥介质和材料的研究等方面。

1.1  热泵干燥系统结构研究

热泵干燥装置依照结构类型可以分为3种:开式、半开式、闭式。国内外的科研人员针对不同的结构类型进行了多种优化研究。在国内,徐学冲等提出了多组热泵循环并联的热泵干燥系统(图1)。该系统采用多台冷凝器小温差放热和多台蒸发器小温差吸热的热量梯级回收热泵机组,缩小了每个热泵循环的温升,提高了系统的制热功率和能效比,同时优化压缩机的运行工况。王教领等在热泵干燥系统中加入干燥速率高的转轮,利用三通阀转换机构合理转换新风和回风,并利用冷凝器放出的热量对转轮进行再生。干燥前期将新风引入转轮除湿系统,当干燥温度较高、回风湿度较低时,转换机构将回风导入除湿主机,转为闭式干燥。蔡丹丹等通过试验对比了不同入口风速和送风温度下不同结构的热泵干燥舱热质交换区内的速度场和温度场,从而对热泵干燥舱的结构进行了优化,即有静压层和调整变截面角度能够有效增加风速分布的均匀性(图2)。



在国外,文献中已经提及了500多种烘干机类型,大约有100种型号可供商业使用。Islam和Mujumdar提出了适用于不同工况的多种新型热泵干燥系统,如多级压缩热泵干燥系统、自复叠热泵干燥系统、串联和并联多个蒸发器的热泵干燥系统以及蒸汽吸附式热泵干燥器,可根据具体场合与要求进行选择。

1.2  干燥工艺或性能参数研究

在热泵干燥的研究内容中,有一大部分是对物料干燥工艺和热泵系统运行参数的优化,热泵干燥工艺或运行参数优化的研究进展如表1所示。评价热泵干燥系统的性能指标主要包括:热泵系统的能效比(coefficient of performance,COP)、除湿能耗比(specific power consumption,SPC)(kJ/kg)、干燥器的热效率ηt、单位能耗除湿量(specific moisture extraction rate,SMER)(kg/kWh)和单位时间除湿量(moisture extraction rate,MER)(kg/h)。


由表1可知,在涉及热泵干燥工艺或运行参数优化的研究中,系统的型式各有不同,采用的物料多为食品,影响因素主要包括干燥介质的状态参数、热泵干燥系统的结构参数以及与其他干燥方法有关的运行参数,优化的指标包括热泵干燥系统的运行参数和性能参数以及干燥制品的品质指标,而采用最多的研究方法是在单因素实验的基础上进行正交试验,再进行响应面分析。左希桐等得出送风温度对蚊香混流式热泵干燥系统性能的影响大于截面风速,系统的COP与SMER随着送风温度升高先增大后减小。黄皓等得出减小瓜片厚度、提高温度、适当加大风速可加快干燥速度,但瓜片过薄烘干极易碎裂和吸潮,温度过高会显著降低瓜干的 L 值、复水比和 VC保留率,持续加大风速会降低瓜片的 VC保留率,并给出了合适的参数范围。

1.3  物料干燥动力学模型研究

为了了解干燥过程除湿量与各影响因素的关系,研究人员对物料干燥的动力学模型进行了大量研究。厚度小于20 mm的物料表层彻底暴露在相同的环境条件下被干燥的过程被称为薄层干燥,薄层干燥模型有许多种,包括理论方程、半理论方程、半经验方程和经验方程,其中半经验方程精度较高,应用范围广泛。目前,研究厚度小于20 mm的物料(尤其是食品)在热泵干燥时的动力学模型的方法主要为:通过改变风速、温度、湿度和装载量等影响因素研究干燥时物料的水分比和干燥时间的关系,通过试验拟合找出最符合某特定物料干燥特性的薄层模型作为所试验物料的热泵干燥动力学模型。文献报道的干燥动力学模型与半经验方程Page方程相符的物料最多,包括香菇、青萝卜、半切厚皮葡萄、杏鲍菇(复水过程)、生姜片等。Page模型的干燥方程为:


式(1)中:MR为物料水分比;τ 为干燥时间;k 和n 为与干燥介质有关的经验常数。

此外,Artnaseaws等指出辣椒和蘑菇在不同温度和压力的热泵干燥过程中最符合的动力学模型为Midilli模型,且温度和压力对干燥过程的影响可以解释Midilli模型的常数和系数。Xanthopoulos等在不同干燥温度和风速下,得出最适合单层无花果热泵烘干特性的动力学模型是Logarithmic薄层模型。

不同于对薄层干燥模型进行试验拟合的研究方法,朱文学等利用低场核磁共振 (LF-NMR) 技术通过弛豫时间的变化从微观的角度建立了马铃薯切片的干燥动力学模型。该方法的优点是可以区分结合水、不易流动水和自由水,预测食品切片干燥过程中不同状态水分的迁移规律。

1.4  系统控制策略研究

热泵干燥的优点在于可以从排气中回收能量(闭式循环或加回热器的热泵干燥系统)以及可以独立控制干燥气体的温度和湿度。目前常在简单的闭式系统中增添一些辅助设备来完成控制功能,例如采用 PID 控制的三通阀旁通制冷剂流量,并使用辅助冷凝器和电加热器控制空气温度,以及采用旁通阀调节干燥空气的湿度。

张宇凯等将模糊控制与PID结合,设计了风量和干燥室温湿度全程监控系统,该方法减少了不确定性干扰对热泵干燥系统的影响,但监控程序开发未采用高级语言,且仍需进一步优化模糊控制程序模块。将模糊控制和常规PID控制相结合的还有丁振杰等人的研究,其表明了模糊控制在恒温控制过程的显著作用,鲁棒性更好。李晓君研究了基于ABB PLC的热泵干燥控制系统,设计了PLC控制程序和触摸屏界面,实现了对热泵干燥系统工作状况的监测与控制,但未增加远程监控功能。目前热泵干燥系统大多采用含PID模块的PLC进行控制,并利用触摸屏界面实现了人机交互。模糊PID控制系统结合了模糊控制与PID控制的优点,值得更广泛的研究开发和应用。

1.5  不同干燥方法间的组合与比较研究

每一种干燥方法都有其优缺点,采用不同干燥方法组合的联合干燥方法可以取长补短。关于热泵干燥与其他干燥方法联合的研究以太阳能热泵联合干燥系统居多。例如:郝亚萍搭建了具有壳管式相变蓄热器的太阳能热泵联合干燥系统,用其研究了香菇的干燥特性。孟翔宇等将金属氢化物热泵(一种化学热泵)系统与太阳能热水系统结合,发现系统的SMER与太阳能辐射量联系紧密,在正常采集太阳能的条件下,系统的SMER值为4.03 kg/kWh。此外,一些国外学者对太阳能辅助热泵干燥系统性能的影响因素进行了研究:Hawlader等研究了太阳辐射、压缩机转速和干燥室总负荷对太阳能辅助绿豆热泵干燥器性能的影响;Mortezapour等研究了空气质量流量、干燥温度和两种干燥方式(有无热泵机组)对装有热泵系统的混合光伏太阳能干燥机的运行参数的影响。热泵干燥与其他干燥方法间的组合或比较研究如表2所示。


由表2可知,与其他干燥方法相比,热泵干燥主要的优点是干燥速率高,但若追求干燥制品的品质指标最佳,则需要将热泵干燥方法与其他干燥方法进行结合。

1.6  系统分析研究

为了从设计角度研究热泵干燥系统能效改进的潜力,国内外的研究人员对热泵干燥系统进行了分析。李学瑞等对热泵机组部件进行了分析,结果表明:随着室外空气温度的升高,多机组并联热泵干燥系统压缩机耗功增大,节流阀的损失增加,冷凝器传热损失降低。Zafer Erbay等对干燥食品的地源热泵干燥系统进行了分析,结果表明:系统最重要的部件是冷凝器,通过对系统部件的结构改进,可以改善压缩机的低效率。此外,冷凝器和蒸发器的设备设计对其他部件的低效率有着重要的影响。

1.7  系统引入其他干燥介质和材料的研究

王剑锋等于1999年提出将相变材料应用于热泵干燥系统,但目前相变材料应用于空气源热泵干燥系统的研究较少。高广春等针对恒温干燥模式的热泵干燥机组通常利用排放尾气和调节辅助冷凝器流量的方法来控制干燥温度而使得能耗增大的问题,提出利用相变材料贮能的特性,将能量回收并在需要时再将贮存的能量释放到干燥介质的方案,从而减少了能耗,提高了热泵干燥机组的能效。王剑锋等指出在热泵干燥系统中引入相变材料可以明显提升节能效果,当物料的平均质量比例(某时刻质量与初始质量之比)为35.5%且干燥温度是50℃时,使用相变材料可相对节能36.5%。吕金虎等为了解决压缩机因环境温度过高而停机时干燥过程无法进行的问题,提出蓄冷蓄热型热泵干燥系统。该系统利用中间换热器中蓄冷剂所蓄的能量来补偿压缩机停机时热泵干燥系统的冷热量要求。

谢继红等得到了氢气、氮气等6种干燥介质的热物性参数和计算方程,阐明了其各自的运用场合。陈东等用氢气做干燥介质,结果表明在同等条件下干燥介质由空气改为氢气可以大幅提高干燥速率。Hawlader等人对各种食品(西印度姜片、苹果、番石榴、马铃薯、木瓜)进行了气调热泵干燥(介质有普通空气、氮气或二氧化碳)的试验研究,研究其颜色、表面孔隙度和复水能力。结果表明,气调热泵干燥对食品品质的影响与真空冷冻干燥相近。

2  香菇热泵干燥装备概述

作为食用菌的典型代表,鲜香菇的含水比率通常为80%~95%,其在常温下极易变质。我国香菇产量巨大,必须及时进行干燥处理,否则香菇的变质情况会对其生产水平带来很大的不良影响。香菇的干燥方法包括热风干燥、微波干燥、红外干燥、真空冷冻干燥以及几种干燥方法相结合的联合干燥等。在实际生产中,约90%的食用菌采用的是热风干燥,其干燥过程能耗较大。热泵干燥技术由于能效高、不易受天气影响等优点已开始应用于香菇的干燥。以下针对香菇这一物料的特性,总结香菇热泵干燥技术的研究重点以及香菇热泵干燥装备的特点和具体运行参数,可作为研究和设计香菇热泵干燥装备的参考。

2.1  香菇热泵干燥的影响因素和关注指标

在设计和选择香菇热泵干燥装备时,要考虑香菇热泵干燥的影响因素和关注指标,这可以从现有的研究香菇热泵干燥的文献中提炼得出。影响香菇热泵干燥作用的主要因素包括:

1)干燥介质的状态参数,如空气温度(不宜过高,否则有损外观风味造成结壳)、空气湿度、风速(6 m/s以下,水分蒸发速度与风速大体成正比例关系);

2)湿香菇的切分大小和装载量;

3)香菇的产地、品种和初始水分含量。

在香菇的热泵干燥过程中需关注的指标有:

1)热泵干燥系统的性能参数,如水分提取率(即单位能耗除湿率,SMER)、单位处理量干燥时间、功率等;

2)干制香菇成品的品质指标,如粗脂肪、粗蛋白、总糖及维生素C保留率、安全储藏含水率13%、感官品质、复水率、收缩率以及甲醛含量等。

2.2  香菇热泵干燥装备特点

通过调研不同厂家的香菇热泵干燥装备,发现现有的香菇热泵干燥装备已实现的功能和主要的特点如下:

1)热泵系统:大多采取闭式热泵干燥系统,故不受外界环境影响,可24 h持续干燥作业,无需人工参与。

2)控制系统:采用非接触式红外测温技术,多点测温;具有带热补偿的高灵敏电路式温控器;具有触摸显示屏;温度、湿度、时间或者风速可智能调节与控制;可编程控制,设置不同干燥曲线等。

3)空气处理系统:采用移动式设计,可根据空间随意挪动;360°送风,烘干区域无死角;干燥房的箱体材料采用不锈钢等。

4)烘干工艺流程:基本近似,即干燥室温度升到35 ℃时,将香菇入室开始干燥。一般每小时增温1 ℃~3 ℃,最高温度维持在70 ℃~75 ℃。首先在35 ℃~40 ℃条件下干燥6 h,满负荷排湿;接着在40 ℃~60 ℃条件下干燥8~10 h,采用间断排湿;最后在60 ℃的条件下干燥2 h,可以不排湿。

2.3  各厂家香菇热泵干燥装备参数

通过调研筛选出技术参数较为全面的9家具备香菇热泵干燥设备的厂家,由于各装备同系列有众多型号,选择型号最小且额定功率接近的装备进行比较,其香菇热泵干燥装备参数汇总如表3所示。在这9家厂家的香菇干燥装备中,烘房温度最高为85℃。由于设备大小不同,诸如占地面积、传热面积等指标缺乏可比性,故不作比较。


3  香菇热泵干燥技术现存问题与发展展望

用于香菇的热泵干燥系统本身存在一定的局限性,现有的研究中也存在一些问题有待进一步地探讨和解决。

1)香菇在干燥中后期含水量下降,内部与表面的水蒸气气压差减小,使得干燥速度变慢。传统的热泵干燥工艺整体需要十几小时,耗时又耗能。对此,可以引入新型换热元件,例如相变材料、热管等相变传热装置,提高干燥介质的传热效率,减少干燥时间和系统能耗。也可以对多级或联合干燥方法进行更多的研究,如采用微波或远红外辅助干燥来加快香菇内水分的内扩散过程,解决干燥中后期时间长的问题。

2)香菇的干燥温度要求较高时,冷凝温度的提高会降低热泵系统的能效比。当冷凝温度达不到要求时,送风前通常采用辅助电加热器进行补偿,这降低了热泵干燥系统的节能优势,而且空气源热泵干燥系统的压缩机始终处于高温高湿状态,运行性能也会受到影响。因此,需要设计和开发热泵干燥专用压缩机,解决压缩机过热问题,同时解决干燥温度、冷凝温度和系统性能的平衡问题。

3)现有文献中通常都是针对某品种香菇从已有的薄层干燥模型中选择出最符合其干燥动力学规律的模型,并没有提出较为普适性的数学模型,也没有考虑不同水分状态的迁移规律,故热泵干燥中热湿负荷动态变化的规律还有待进一步研究。

4)在不同厂家的热泵干燥装备中,针对香菇的烘干工艺流程基本一致,而这样工艺流程未找到明确的理论根据,即便是具有智能控制功能的热泵干燥装备,其干燥介质的状态参数也没有依据香菇的产地品种以及当地的气象条件进行因地适宜的实时变化,这导致了在不同应用条件下该热泵干燥装备的实际系统性能与干燥制品的品质下降,从而达不到预期效果。因此,需要研发和使用新型自动控制系统,实现在不同气象条件下热泵干燥系统不同工作模式的自动切换以及干燥介质温度、湿度、流速的在线监测和智能控制,改变固有的烘干工艺流程。



本文选自《制冷与空调》2019年7月刊,作者:张荔喆  张学军  范誉斌  陈书敏   张春伟;未经许可,不得转载


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