热泵技术应用于果蔬干燥的研究进展夏源;金磊;刘腾;曹锋【摘要】对应用于果蔬的热泵干燥器现状进行调查,针对果蔬的自身特点,介绍干燥过程中的除湿控制方式;对于各种不同形式的热泵干燥器,分析其系统组成、干燥条件以及干燥效果.相较于传统干燥器,热泵干燥器在评价干燥器的各项性能指标方面更具优势,且经济效益明显,并可实现干燥温度和湿度的控制,应加大果蔬热泵干燥器的实用性和推广性.【期刊名称】《农业科学研究》【年(卷),期】2014(035)001【总页数】8页(P60-67)【关键词】果蔬干燥;热泵干燥器;除湿控制;节能【作者】夏源;金磊;刘腾;曹锋【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安 710049;西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安 710049;西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安 710049;西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安 710049【正文语种】中文【中图分类】TK173在很多工业领域，干燥是能源消耗量最大的工序之一.在农业领域，大量的农产品通过干燥来延长贮存期，减少包装和运输成本，实现了外观保护并保留了原有的气味和主要营养元素[1].传统的干燥技术是利用空气对流，析出其中水分，其基础热源来自化石燃料、生物能以及电能，干燥过程中能量损失大，能效比普遍较低，最多达到35%[2].而热泵干燥是一种新型的节能干燥方法，利用少量的高品位能源提高大量的低品位热能的温度，实现了对该部分热能的利用.热泵干燥技术通过在干燥设备中引入冷凝除湿装置，实现干燥目的的同时利用了回收的热空气的能量，提高了能量利用率，是一种高效节能而又切实可行的新的干燥方法.Strommen等[3]发现热泵干燥器相比传统干燥器，在相同的干燥温度下可节省60%～80%的能耗.Meyer等[4]通过对比利用热泵系统、电加热系统、燃料燃烧干燥谷物，发现热泵系统具有较高的经济性.此外，Soponronnarit等[5]发现利用热泵干燥后的农产品相比传统干燥方式，其色泽、气味等物质特性保存的效果更好.热泵干燥技术在国外已广泛应用于木材工业、纺织、制药、食品和农产品加工等行业.对于其在果蔬干燥方面的应用也在逐步发展.针对果蔬这样特定的干燥产品，往往对其品质的保护要比其经济性更为重要.目前，对于热泵干燥器在果蔬干燥方面的应用研究已有一些报道（表1），但在国内热泵干燥这一技术还不是很成熟，且鲜有报道.本文着眼于果蔬这一特定的产品，介绍了热泵干燥器在果蔬干燥应用中的原理及控制，全面对比分析各种利用于果蔬的热泵干燥系统，提出了该系统的应用前景.1 果蔬干燥的特点果蔬具有含水量高，温度敏感度高，即颜色、味道、纹理、营养价值等特性易在高温下被破坏，以及收缩性强的特点.果蔬所含有的水分、碳水化合物、蛋白质和少量油脂很容易在高温干燥过程中发生质变，导致食物质量下降[1].由于果蔬的这些特点，使其干燥和保存过程区别于其他物品.在发展中国家，果蔬采摘后保存过程中的损失率达到产量的30%～40%[18].因此减少采摘后果蔬的损失率是极其重要的.Okos等[19]指出，良好的食物干燥过程应具有的因素：①经济因素，降低成本，提高能效，发展简化的干燥设备，投入最少的劳动力，产品不合格率最小化，实现系统的持续稳定运行.②环境因素，减少能耗，降低环境污染物的排放.③产品质量因素，精确控制干燥后产品的含水量，实现化学降解反应最小化，减少产品结构和纹理的变化，保护产品色泽，控制产品密度，发展适用于不同物质结构的产品干燥器.而果蔬干燥对于第3个因素的要求更高.食物的损坏主要发生在3个方面，见表2[20].因此在果蔬干燥前，先要对被干燥果蔬进行预处理（如柠檬水浸泡等）.此外，干燥气体的选择（空气或者是惰性气体等）、干燥温度和湿度的控制等对果蔬品质影响也很大.热泵干燥器由于其干燥温度比较低，并且可以实现干燥温度和空气湿度的控制，从而减少果蔬干燥过程中的损坏率，保证果蔬干燥后的品质.表1 近年来热泵干燥器在果蔬干燥中的应用研究作者实验地点被干燥物结论Rossi等[6] 巴西洋葱可获得较好的产品质量，节能30% Vazquez等[7] 西班牙葡萄缩短干燥时间，并保证了产品质量O'Neill等[8] 新西兰苹果干燥产品的气孔结构较完整，物理特性保护较好Chua等[9] 新加坡香蕉通过控制干燥气体湿度和温度，缩短干燥时间，提高产品外观色泽保护Teeboonma等[10] 泰国木瓜和芒果建立了数学模型，分析了初始含水量、果蔬切片大小以及水分烘干效率对优化热泵干燥器的影响，并且进行了能量分析以及分析Kohayakawa等[11] 巴西芒果与电力辅助的干燥器相比，热泵干燥器的能效有所提高Queiroz等[12] 巴西西红柿热泵干燥器的COP为2.56-2.68，与电力辅助的干燥器相比，节能40%以上热泵系统与流化床干燥器相结合，被干燥胡萝卜的MER和SMER值随着干燥时间的推移而迅速降低；MER，SMERhp，SMERws的最大平均值分别为：3.63kg/h,1.25 kg/kWh，0.715 kg/kWh；压缩机的能耗占总输入功的50%.Hawlader等[14] 新加坡苹果、木瓜和土豆可以保证产品具有更好的物理特性Sunthonvit等[15]澳大利亚油桃对于保护油桃内的挥发性混合物，热泵干燥器是最好的系统Aktas等[16] 土耳其苹果热泵系统与太阳能干燥器相结合，更节能Prasertsan等[17] 泰国香蕉热泵干燥器更经济节能Zhang等[13] 中国胡萝卜表2 干燥过程中影响食物品质的因素化学性质物理性质营养成分褐变反应复水性维生素损失油脂氧化可溶性蛋白质损失变色纹理微生物滋生糊化气味损失2 干燥原理在热泵辅助的干燥器中，干燥气体通常被加热到所设定的干燥温度，一般为30～57℃[21].如图1(a)，系统分为2路，分别为热泵系统和干燥系统.热泵系统主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成.在干燥系统中，干燥气体被加热到一定温度后进入干燥室，高温干燥的空气通过与果蔬之间的对流换热，将果蔬内的水分洗出，实现对果蔬的干燥.干燥过程见图1(b)，高温、干燥的不饱和气体带走果蔬表面的水分而成为含湿量较大的湿空气，这部分湿空气再进入热泵蒸发器冷凝除湿，最后在冷凝器中被加热后进入干燥室，形成一个循环.衡量热泵干燥器的性能参数有干燥效率、热泵的能效系数以及单位除湿率（SMER）等.图1 热泵干燥器原理干燥效率的定义为从物质中除去一单位质量的水分所需要消耗的能量，单位为kJ/kgwater或kWh/kgwater.热泵系统的能效系数为：式中，Q CD为冷凝器制热量（kW），W c为压缩机能耗（kW），W blower为风机的能耗（kW）.整个干燥系统的能量利用率用单位除湿率来衡量：SMER值可以直接反映出热泵干燥器的除湿性能.对于设计良好的除湿装置，其SMER值应为1～4 kgwater/kWh，平均值为2.5 kgwater/kWh.并且SMER值随着干燥室内空气相对湿度的减小而降低，随其增大而升高[22].3 除湿控制干燥温度和湿度的控制对果蔬的干燥速率和品质具有重要意义,这是热泵干燥技术的关键问题.对此通常的解决方法是，采用蒸发器旁通，如图2[9]，PID依据测量值与设定值的差值，来调节经过蒸发器表面以及旁通的空气流大小.此外，还可以通过变频器来改变进入干燥系统的气体风速，或者间歇运行热泵等，都可以通过改变进气量来调节干燥湿度及温度.图2 蒸发器旁通Xanthopoulos等[23]对无花果干燥过程中干燥温度的控制进行了研究（图3[23]).实验中，控制干燥温度为46.1～49.6℃.对干燥温度的控制主要是由风速的控制实现的，通过手动调节变阻器，以改变风机的转速，从而调节风速.这样就可以控制进入干燥室内的干燥空气的流量，以此调节干燥室内的温度.图3 实验装置Ceylan等[24]对热带水果（猕猴桃、牛油果、香蕉）的干燥过程进行了研究，实验中干燥温度控制在（40±0.2）℃，空气流速控制在0.03～0.39 m/s.如图4[24]，干燥器是由热泵系统、轴流风机、热电偶、程序控制器、变频器、干燥室组成的，通过PID控制器来控制干燥温度.依据程序控制器中设定的温度值和热电偶测的实验值的差值来调整轴流风机的频率，从而改变进入冷凝器的风量.当设定值高于干燥空气温度（测定值），通过风机的风量就减小，通过冷凝器加热的风量就减少，从而达到设定的干燥温度，反之亦然.图4 热泵干燥器此外，赵雷[25]对胡萝卜进行了干燥研究，利用CO2热泵干燥系统，通过变频风机来改变干燥气体的风速，从而控制干燥温度.4 果蔬热泵干燥器应用于果蔬干燥的热泵干燥系统形式较多，按照干燥介质 (空气)的循环情况可分为全封闭式、半封闭式、全开式3种干燥方式.从节能的角度出发，目前大多热泵干燥系统采用全封闭式.以热泵热源的不同来分类，分为空气源热泵干燥器、地源热泵干燥器、吸收式热泵干燥器以及其他热泵干燥器.4.1 空气源热泵干燥器4.1.1 单极压缩循环热泵干燥 Aktas等[26]分别利用热泵干燥器（HPD）和太阳能干燥器（SD）对苹果进行干燥处理，并对2种方式进行对比.如图5[26]所示，热泵系统为单极压缩循环，主要部件有功率为1.1 kW的压缩机、0.06 kW的冷凝器风机、0.47 kW的循环风机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等.冷凝器为干燥室的热源，其COP可达2.25.利用安装在干燥室内的PT-100热电偶和PID控制设备来使干燥温度控制在40℃左右.实验结果见表3[26]，通过对比2种干燥方式，可以看到HPD的干燥效果相比SD较好.作者建议将2种方式结合，在进入热泵干燥器之前，先利用太阳能来干燥，这样可以减少热泵干燥器的工作量，更经济且效果更好.图5 单极压缩循环热泵干燥器表3 实验结果热泵干燥器有效扩散率/(m2·s-1) HPD 40 2.5 4 2.36×10-8 SD 13～16 2.5 4 1.03×10-8干燥温度/℃干燥气体流速/(m·s-1)苹果片厚度/mm4.1.2 双冷凝器-热泵干燥器Teeboonma等[27]利用热泵干燥器对木瓜和芒果进行干燥，研究了影响热泵干燥器性能（SMER）的因素：循环空气比率（RC）、蒸发器空气旁通率（BP）、气体流率以及干燥温度.如图6[27]所示，热泵系统内布置了2个冷凝器，1个外置冷凝器和1个内置冷凝器并联，前者的体积是后者的60%，利用电磁阀来控制进入外置冷凝器的制冷剂流量，从而排出过热，保证干燥温度在设定温度范围内.木瓜和芒果的初始含水量分别为40%和60%（干基），体积为2.5 cm×2.5 cm×1.5 cm和2.0 cm×1.5 cm×1.0 cm，最终需要将含水量干燥为18%（干基），干燥时间为35 h.对木瓜和芒果干燥过程的初始设定值见表4.经实验和数值模拟优化后的系统最优值见表5.结果表明，不同的干燥物，其最优条件是不一样的，因为不同物质初始的物性是不一样的，因此需要的条件也有所差异.图6 双冷凝器-热泵干燥器表4 木瓜和芒果干燥过程的初始设定值水果种类 RC/% BP/% 干燥温度/℃空气流速/（kg·h-1）木瓜 100 63 50 40.94芒果 100 65 50 71.62表5 木瓜和芒果干燥过程的最优值水果种类 RC/% BP/% 干燥温度/℃外置冷凝器功率/kW木瓜 100 69 55 20.72 1.59 R22 5.08 6.67 4.00芒果 100 71 55 30.88 1.64 R22 5.90 7.56 4.54空气流率/（kg·h-1）全封闭活塞式压缩机/kW 制冷剂蒸发器功率/kW内置冷凝器功率/kW4.1.3 双蒸发器-热泵干燥器陈东等[28]提出了一套低温热泵干燥方案，用于低于30℃的低温干燥时的工况，此时热泵蒸发器内的蒸发温度可能会低于0℃，需考虑装置连续运行时的除霜问题.如图7[28]所示，热泵系统内设置了2个平行并联的蒸发器，装置开始工作时，阀1打开，阀2关闭，制冷剂进入蒸发器1中对干燥介质进行冷却；当蒸发器1表面霜结到一定厚度需除霜时，阀2打开，阀1关闭，制冷剂进入蒸发器2冷却干燥介质，同时对蒸发器1进行除霜；当蒸发器2表面霜也结到一定厚度时，再打开阀1，关闭阀2，蒸发器1工作而蒸发器2除霜.如此交替运行，实现装置的连续运行和干燥器中物料的连续干燥.图7 基本型低温热泵干燥装置的结构4.2 吸收式热泵干燥器Fadhel等[29]设计了一套太阳能辅助的吸收式热泵干燥器，以柠檬叶作为干燥物质，实验地点为马来西亚.如图8[29]，整个系统包括太阳能集热器（真空管式）、储蓄罐、吸收式热泵单元、辅助加热设备和干燥室.其中，吸收式热泵单元包括反应器（CaCl2-NH3）、冷凝器和蒸发器.实验在不同的温度和湿度（-40～150℃，10%～98%RH）下，研究柠檬叶的干燥特性.文中还对该系统进行数值模拟，结果表明实验数据与模拟结果吻合较好，真空管集热器的效率可以达到74%，系统COP为2.作者指出该系统更为节能，对于提供55℃的干燥温度需要60 kWh的总能量，该太阳能辅助系统就可以贡献51 kWh的能量，占总能耗的85%.图8 太阳能-吸收式热泵干燥器4.3 地源热泵干燥器Colak等[30]设计了一套地源热泵干燥器，用薄荷作为被干燥物.如图9[30]所示，系统主要由3部分组成：①地热源换热系统（以盐水或防冻液为循环介质）；②热泵循环系统（制冷剂R22）；③干燥室（干燥气体为空气）.地源热泵热交换器采用垂直埋管方式，U型管的垂直高度为50 m，公称直径为32 mm.为了防止在冬天运行时循环水结冰，将10%的乙二醇混合在水中.新鲜的薄荷被放置在干燥室内，初始含水量为80%（湿基），以3种不同的干燥温度40、45、50℃分别干燥，干燥气体的相对湿度为 16%（湿基），质量流量为0.01～0.05 kg/s，干燥结束时，薄荷的含水量为15%（湿基）.作者经过实验和数值分析得出结论：在干燥温度为40～50℃以及质量流量为0.01～0.05 kg/s的不同条件下，干燥效率在76.03%～97.24%范围变化，在干燥温度为50℃，质量流量为0.05 kg/s时的效率最大.但是地源热泵相对有局限性，对于大型工业系统，在没有辅助加热的情况下，不是很适用，因为随着时间的推移，地源特性和热力性质会有所下降.图9 地源热泵干燥器4.4 其他形式4.4.1 气调式热泵干燥器 Hawlader等[31]将苹果、番石榴和土豆利用热泵系统进行干燥处理，并对其色泽、表面气孔和复水化能力进行研究.对于苹果，以柠檬汁作为防止苹果在空气中干燥发生褐变反应的自然抑制剂，以空气作为干燥气体；对于番石榴和土豆，利用惰性气体（氮气、CO2）作为干燥气体.如图10，在氮气或二氧化碳进入系统前，先排空空气，然后充注氮气或二氧化碳直至常压，关闭进气阀门，启动热泵系统.干燥温度控制在45℃左右，相对湿度10%，气体流速0.7m/s.通过热泵干燥器、气调热泵干燥器、真空干燥器和冷冻干燥器的对比实验，并且应用不同的干燥气体（空气、氮气、二氧化碳），发现气调式热泵干燥器相比热泵干燥器产生最少的褐变、更多的气孔、更快的复水性和更少的硬度.相比冷冻干燥和真空干燥，气调式热泵干燥器在产品质量和经济性方面有较好的综合特性. 图10 气调式热泵干燥器4.4.2 太阳能辅助式热泵干燥器 Hawlader等[32]建立了一套太阳能辅助式热泵干燥器，其目的用来干燥绿豆，并测量干燥过程中的各项参数变化，如温度、压力、含湿量以及气体流速等，见图11[32].干燥气体采用空气，空气通过太阳能集热器和热泵加热到干燥温度，辅助加热器作为加热不足时的补充.热泵系统采用的制冷剂为R134a.实验中，温度的测量采用T型热电偶；进入和离开干燥室的空气湿度由2个湿度传感器测量；日射强度计被安装在集热器附近，来测量瞬时太阳辐射；风速表用来测量气体流速等.在压缩机转速为1 800 rpm时，系统COP为7.0.当被干燥的青豆质量为20 kg，压缩机转速1 200 rpm时，SMER值为0.65.结果表明，干燥特性与空气流速、干燥温度成正比，与空气相对湿度成反比.影响系统性能的3个要素：太阳能辐射量、压缩机转速以及干燥物的质量.系统SMER与COP 都随着压缩机转速的增加而降低.图11 太阳能辅助式热泵干燥器4.4.3 真空热泵干燥器 Artnaseaw等[33]设计了一套真空热泵干燥器，用以干燥香菇和辣椒.如图12[33]所示，系统包括直径1 m、长度1.2 m的圆柱形绝缘干燥室；5.2 kW的热泵，用以加热干燥气体；1.2 kW的真空泵，用以控制干燥室压力；100W的液体泵，用以冷却水到真空泵间的循环；100 W冷却水泵，用以已冷却水到减湿器间的循环；0.2 m×0.2 m×0.3 m的冷凝水收集器；1 m×2 m×0.3 m的冷却水塔，用以对蒸发器、减湿器以及真空泵供冷却水.制冷剂为R22.干燥温度由电磁阀控制，通过改变流过内置冷凝器的制冷剂流量来改变空气的加热量，从而控制干燥室内温度.实验条件：被干燥物质量为10 kg，真空压力分别为10、20、30和40 kPa，干燥温度分别为50、55、60和65℃.干燥室内空气流速控制在1.2m/s.实验结果表明，香菇和辣椒的干燥时间随着干燥温度的升高或者真空压力的降低而缩短，但后者的影响较前者小.此外，将香菇从初始含水量92%（湿基）干燥到13%（湿基）需要6 h；将辣椒由初始含水量80%（湿基）干燥到13%（湿基）需要7 h.对于香菇的色泽变化，随着干燥温度的降低或真空压力的降低而变化较少；然而对于辣椒，其色泽变化随着干燥温度的升高或者真空压力的降低而变大.2种干燥物都具有良好的复水性，且干燥温度对复水性的影响小于真空压力，随着真空压力的升高，产品复水性增强.图12 真空热泵干燥器5 总结本文旨在介绍应用于果蔬的热泵干燥技术的研究进展，指出热泵干燥技术的发展优势与前景，提出了热泵干燥的关键性技术问题，并且总结出解决方案.1）热泵干燥系统相比传统干燥系统具有明显优势，可节约50%的基础能源.并且系统形式多样化，有空气源、地源、吸收式等热泵形式.与太阳能、真空方式等相结合的新型技术，不仅可以提高系统性能，更重要的是可以保证果蔬干燥后的较好的色泽、气味、复水性等物质特性.2）影响干燥特性的因素主要有干燥温度、湿度、风速等.诸多研究结果表明，果蔬的干燥需要较低温度，而热泵干燥系统的干燥温度一般较低，为30～57℃，利用变频风机来控制风速.因此，控制湿度是热泵干燥技术的关键性问题.3）大量的研究表明，热泵干燥技术的除湿量以及进入系统的空气的相对含湿量都不能有效控制.目前，其解决方案主要是对蒸发器增加空气旁路，从而改变进入蒸发器的空气流量，增加通过冷凝器的空气流量，但有关这方面的研究较少.4）国内对用于果蔬的热泵干燥研究仍处于初级阶段，发展空间很大，目前尚未有成熟的且投入使用的热泵干燥器.主要原因是现有的系统较为复杂，这不利于在工业领域实施应用.因此，对于系统的把握方向主要是在保证良好的果蔬干燥特性前提下，除湿控制的优化和热泵干燥系统的简化，从而使果蔬热泵干燥器更具有实用性和推广性.参考文献:【相关文献】[1]SOKHANSANJ S,JAYAS D S.Drying of foodstuffs[J].Handbook of IndustrialDrying,1987,517-554.[2]COLAK N,HEPBASLIA.A review of heat pump drying: Part 1 Systems,models and studies [J].Energy Conversion and Management,2009,50:2180-2186.[3]STROMMEN I,EIKEVIK TM,ALVES-FILHO O,et al.Low temperature drying with heat pumps new generations of high quality dried products [C].13th International Drying Symposium.Beijing：[s.n.],2002.[4]MEYER 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