中高溫熱泵干燥技術在竹筍加工中的應用

李浩權，劉 軍，吳耀森，龔 麗，龍成樹，劉清化

（廣東省現代農業裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

竹筍素有“寒土山珍”之稱，具有高纖維、高蛋白、低脂肪等特點，是純天然綠色健康食品，深受消費者喜愛。我國擁有十分豐富的竹類資源，但竹筍采收期短、不耐貯藏，僅40%鮮筍直接食用，其中60%用于加工。傳統竹筍加工方式主要有竹筍干、竹筍罐頭及竹筍保鮮等[1]。竹筍干燥是竹筍加工中最為常見的一種方式，國內相關學者對竹筍干燥方式、干燥特性及干燥工藝進行了大量研究，其中徐艷陽等人[2-3]進行了毛竹筍真空冷凍干燥、真空冷凍與熱風聯合干燥試驗研究，確定了真空冷凍與熱風聯合干燥的較佳組合工藝。楊金英等人[4]對竹筍微波干燥動力學及工藝進行了試驗研究。林啟訓等人[5]對竹筍熱泵脫水及工藝參數進行了研究。陸蒸等人[6]對毛竹筍熱泵干燥特性進行了研究。眾多學者均涉及干燥特性和干燥工藝研究，并未對竹筍干燥設備進行分析研究。試驗通過對竹筍熱泵干燥特性進行研究，針對竹筍干燥特性研制熱泵干燥設備，并進行生產試驗。結果表明，設備達到了設計要求，能夠滿足干燥生產要求，并且干燥品質明顯優于傳統晾曬和熱風干燥。

1 竹筍熱泵干燥工藝研究

1.1 干燥工藝流程

鮮竹筍→去殼→清洗→切片→分組、稱量→熱燙→護色處理→瀝干水分、稱量→干燥、數據記錄→收集、貯藏。

1.2 試驗方案設計

采用單因素試驗設計，根據試驗裝置的溫度工作范圍，參考常見物料干燥溫度，選擇溫度55℃，風速為2.0 m/s作為固定參數，進行單因素試驗研究。

單因素設計見表1。

1.3 干燥速率

表1 單因素設計

干燥速率（V） 按下式計算。

1.4 單因素試驗結果分析

不同因素對竹筍熱泵干燥速率的影響見圖1。

圖1 不同因素對竹筍熱泵干燥速率的影響

由圖1（a）可知，干燥溫度對竹筍干燥速率影響明顯，在35～55℃時呈線性增長，當干燥溫度超過55℃時，隨著干燥溫度的增加竹筍干燥速率變化不明顯；由圖1（b）可知，干燥風速和熱燙時間對竹筍干燥速率影響較小。根據試驗結果可知，竹筍熱泵干燥溫度為55℃，干燥風速≥1.0 m/s，為竹筍熱泵干燥機設計依據。

2 竹筍熱泵干燥機

2.1 控溫控濕熱泵系統應用

普通熱泵干燥機與竹筍熱泵干燥機空氣處理流程見圖2。

圖2（a） 為普通熱泵干燥機加熱系統，具有加熱和除濕功能的熱泵系統，其空氣處理過程為1’-2’-3’，1’-2’為降溫除濕過程，2’-3’為等濕加熱過程，空氣3’流向物料帶走水分變為狀態1'。圖2（b）是竹筍熱泵干燥設備熱泵系統，空氣處理過程為1-2-3-4-5，1-2為預降溫過程（不耗能），2-3為降溫除濕過程，3-4為預加熱過程（不耗能），4-5為等濕加熱過程，空氣5流向物料帶走水分變為狀態1。

圖2 普通熱泵干燥機與竹筍熱泵干燥機空氣處理流程

2.2 除濕速率控制技術應用

蒸發面積（蒸發溫度）、冷凝面積（冷凝溫度）和風量是決定熱泵除水效率的3個主要因素[7]。竹筍熱泵干燥機通過調節風量實現除濕速率控制。

熱泵除水量與風量關系見圖3。

圖3 熱泵除水量與風量關系

由圖3可知，隨著風量增加，熱泵除水量先增后減，在某一風量值上除水量出現最大值，把風量控制在G1～G2的范圍內可實現最大除水量控制，要使實際風量運行在G1～G2，應滿足條件，不管風量增加或減少，除水量（D）都減少。對干燥機除水量進行檢測，實時反饋給控制系統，通過除水量變化來調節風量。

除濕速率控制系統結構圖見圖4。

圖4 除濕速率控制系統結構圖

2.3 旁通風技術應用

熱泵除濕時，濕空氣的ε具有一個最小值，這個最小值與進入蒸發器前的濕空氣狀態（A） 有關。

旁通風濕空氣處理過程見圖5。

圖5 旁通風濕空氣處理過程

由圖5可知，過A點作飽和狀態線的切線AB，切線上的所有狀態均能獲得ε的最小值，但蒸發器除濕的原理是使A沿等濕線到達飽和狀態點N，再由N到B才能實現ε在除濕過程取得最小值。

旁通風熱泵系統見圖6。

圖6 旁通風熱泵系統

由圖6可知，旁通風熱泵系統利用一個與蒸發器并聯的旁通風閥（5），控制流經蒸發器表面風量，使流經蒸發器的濕空氣由狀態A變成狀態B，B與旁通風A混合成C，因此它可以使ε最小。

由圖5可知，若A為低溫低濕空氣（溫度58℃，相對濕度50%），理論上B的溫度大約35℃，那么旁通風閥的任務就是調節風量使A經過蒸發器后變成B，實現了用最小的冷量除最多的水。

竹筍熱泵干燥機中，旁通風控制技術的主要作用是使流經蒸發器和冷凝器的風量不一致，從而實現兩換熱器的風量單獨調節，滿足系統對不同溫度和濕度空氣的需求。旁通風技術結合除水量控制的質量傳感器和電氣系統，自動調節旁通風閥（5），實現了除濕量的二次控制。

3 實際生產應用情況

研制的竹筍熱泵干燥設備在湖南某竹筍加工企業進行生產應用，并對生產過程參數進行了詳細的記錄。熱泵干燥設備物料投放量1 600 kg，干燥時間36 h，耗電量742.8 kW·h，得到干燥成品496.7 kg。具體情況如下。

3.1 干燥工藝

根據響應面優化參數，在實際生產過程中考慮到設備運行情況及實際干燥情況，干燥前期物料水分含量較高，水分遷移速率較快，物料升溫需要吸收大量熱量，溫度上升和濕度下降較慢，故前期采用分段逐漸升溫和降濕干燥工藝。待物料溫度達到50℃以上后，采用相對較高溫度和降低濕度進行干燥。通過多次生產試驗，得到竹筍熱泵干燥工藝參數。

竹筍熱泵干燥工藝見表2。

表2 竹筍熱泵干燥工藝

3.2 竹筍大批量生產干燥曲線

竹筍干燥曲線見圖7。

圖7 竹筍干燥曲線

對竹筍干燥過程中送風端和回風端進行取樣記錄，得到干燥曲線。

由圖7可知，在干燥前期0～4 h階段，熱量主要被物料吸收，干燥速率緩慢，回風端物料水分含量變化較送風端緩慢；當干燥進行至6 h后進入快速干燥階段，回風端干燥速率明顯慢于送風端；直至22 h左右，送風端物料干燥速率逐漸降低，回風端物料干燥速率逐漸增加。由于送風端高溫低濕干燥空氣經過物料表現后逐漸吸收水分，空氣濕度逐漸增加，導致回風端干燥速率變化落后于送風端，隨著送風端物料逐漸被干燥，回風端干燥速率增加。

3.3 干燥能耗、品質分析

據測算，傳統燃煤熱風干燥能耗成本為2.0元/kg成品。根據實際生產使用統計，熱泵干燥496.7 kg成品耗電量為742.8 kW·h， 以1.0元/（kW·h） 計算可得，熱泵干燥成本為1.5元/kg成品，干燥能耗為2 423.71 kJ/kg水。其中，傳統熱風干燥需要對竹筍進行翻邊才能使得干燥均勻，熱泵干燥不需要翻邊，進一步節約了生產成本。

竹筍熱泵干燥品質明顯優于傳統熱風干燥，從色澤上比燃煤熱風顏色更淺、更自然。相比燃煤熱風干燥的竹筍色澤發黑。

不同干燥方式干燥后照片見圖8。

圖8 不同干燥方式干燥后照片

傳統熱風在干燥和翻邊過程中很容易帶入粉塵等雜質，熱泵干燥環境密閉，不受車間環境等因素的影響，保證竹筍成品的品質。

3.4 溫度和濕度運行曲線

通過熱泵干燥設備控制程序對設備運行溫濕度自動記錄，繪制了熱泵竹筍干燥設備運行溫度和濕度曲線。設備根據預設工藝參數，采用回風濕度控制（可以選擇送風濕度和絕對濕度控制模式），實現干燥過程的自動化。

竹筍熱泵干燥設備運行曲線見圖9。

圖9 竹筍熱泵干燥設備運行曲線

由圖9可知，送風溫度在2 h后，從環境溫度上升至設定目標溫度，并在后續干燥過程中與設定溫度曲線基本吻合。說明設備溫度控制性能較好；回風溫度在干燥前期基本保持與送風/設定溫度低5～10℃，隨著物料溫度逐漸上升和失水，送回風溫度差距逐漸縮小，在干燥至26 h后基本保持一致；干燥前期物料水分含量較高，出水速度大于設備除濕速度，回風濕度一直位于設定濕度上方，至干燥14 h左右，送回風濕度基本與設定濕度偏差較小，設備設計最大除濕量是依據總去水量和客戶要求干燥時間設計的，并且考慮到整體能耗成本，故干燥前期最大除濕量小于物料去水速率。

4 結論

竹筍熱泵干燥應用了旁通風、除濕速率控制和控溫控濕技術，并實現了干燥工藝分段自動控制，干燥過程自動化，具有高效、節能、環保的特點，與傳統燃煤熱風相比節約成本25%以上，可改善現有竹筍加工技術裝備水平，提高竹筍干燥加工品質，保障食品衛生安全。竹筍熱泵干燥技術亦可用于其他農產品加工干燥，具有較好的應用前景。