海帶干燥系統的改進設計與試驗

朱 燁，江 濤，洪 揚，鄒海生，邢精珠

(中國水產科學研究院 漁業機械儀器研究所/農業農村部 漁業裝備與工程技術重點試驗室，上海 200092)

海帶采收后需進行干燥[1-4]、鹽漬[5-7]等處理，以保證海帶新鮮度和存儲周期。大部分海帶采用鹽漬處理的方法：海上收菜、洗滌、95 ℃蒸煮(殺青)、冷卻、控水、加鹽30%攪拌、腌漬、鹵水洗滌、脫水、整理、稱量、包裝、貯存，而后根據客戶要求加工鹽漬海帶結、片、絲[8]。鹽漬海帶操作工藝已很成熟。而海帶干燥處理技術及工藝流程還不夠成熟，大部分是以露天沙地晾曬為主，品質很難保證，天氣變化對海帶干燥有很大影響。江濤等[9]在大型海藻干燥方面有相關研究，對國內藻類干燥進行展望，并提出了建議。胡光華等[10]在龍須菜加工中采用熱泵太陽能組合干燥的新模式，提出了可行性方案和設想，但未進行試驗驗證。現有針對海帶干燥方面的研究較少，朱燁等[11]在前期理論研究的基礎上，研發一種基于海帶太陽能輔熱耦合干燥系統，該系統主要由熱泵系統、太陽能儲熱系統、陽光棚組成。

海帶太陽能輔熱耦合干燥系統在試驗過程中取得了良好的效果，但也發現了諸如能耗稍大、保溫性不高、海帶部分干燥不均勻等問題。為了進一步提高干燥系統中陽光棚內風道風速的均勻性和高效性，本文對原陽光棚的風道結構、懸掛機構和保溫性進行了改進，構建了自然晾曬+儲熱+熱泵干燥耦合模式并進行效果試驗。

1 干燥系統(陽光棚)的改進

1.1 風道改進

風道結構是海帶干燥的最重要機構，其可保證海帶干燥的均勻性和高效性。改進前陽光棚的引風風道是由多個可拆卸導風板按照每隔20 cm的間距均勻分布的。因為海帶根部最厚，上部進風更容易將根部干燥，可對海帶進行較均勻干燥。改進前引風風道設計如圖1a所示。

圖1 改進前后的風道圖

在試驗過程中，出現部分海帶干燥不均勻的現象，經風速傳感器測量得出，各導風板下方風速相差很大。改進后的結構如圖1b所示，由于原可拆卸導風板之間的間歇是等距離的，但鼓風機的風向是不定的，而且由于風道和風速等問題，導致中排風速比后排風速大。主要改進內容：(1)改變原有的均分可拆卸導風板的結構，按風速調節導風板間距，測得靠內側的風速小，需增加內側導風板間距；(2)在干燥室中部，最上部加入可調引風板，實現熱風向下吹，讓后兩排海帶能更好受熱。

1.2 海帶受熱面改進

原海帶懸掛方式是用夾子夾住海帶根部，再將夾子系鉤在鋼絲繩上，鋼絲繩穿掛在干燥室兩側。采用原海帶懸掛方式，海帶受熱干燥時，海帶兩邊會向內折皺、扭曲，導致中間部位被包裹在內部，無法達到均勻受熱的目的；海帶收縮后，其兩邊與中間部位會粘在一起，會影響海帶后期的加工；同時對干海帶整體美觀度和海帶售賣有很大影響。改進后的海帶懸掛方式則在原有的基礎上加兩個鋸齒夾，夾住海帶兩側，拉伸、展平，使得受熱面積加大，不僅讓海帶整體均勻受熱，而且還保證海帶板型，可為后續加工及售賣提供更好的保障。

1.3 陽光棚保溫性改進

保溫性能越好，干燥效率越高，能耗越低，所以保溫是干燥系統的關鍵技術。在烘干設備中，保溫性起到很大作用。在原試驗[11]過程中熱泵提供的熱量一部分為烘房內部提供熱量，一部分則為散失的能量，同時隨著外界溫差越大其散失的能量越多，從而導致晚上或陰天烘干過程中，需要提供大量的能量，能耗增加。由于試驗地環境氣溫早晚溫差大，原陽光棚未加任何保溫措施，只通過8 mm厚透明PVC中空板保溫，保溫性受很大影響。改進后的陽光棚，采用橡塑海綿保溫材料，在光照度不足，或者雨天等溫差、濕差較大的環境下，可用橡塑海綿進行保溫處理，減少熱散失，提高熱效率。圖2為原始陽光棚(圖2a)和加保溫材料陽光棚(圖2b)(以下簡稱單因子干燥室)。

1.4 自然晾曬+儲熱+熱泵干燥耦合模式的構建

原模式[22]需間斷性開啟外排風機，能耗高。相比于自然晾曬(圖3)，其操作方法將海帶懸掛在晾曬架上，利用自然光照及風吹進行干燥，減少能耗。考慮試驗中環境因素、光照度、風速的綜合影響，試驗達到預期的效果，在日曬+風吹干燥1 d的條件下，測得其自然晾曬海帶含水率為60%。

當光照度不足時，將半成品海帶送入單因子干燥室，通過設定溫度和干燥時間，可控制干燥室相對含濕量，從而保證海帶的含水率，使干海帶含水率為10%以下。故白天太陽晾曬海帶，光照不足時進行熱泵烘干，可節約能耗。

2 結果與分析

2.1 風道結構

為了驗證改進風道結構的均勻性，進行風速測試試驗。選擇晴天的條件下，開啟熱泵內循環風機，以2000 m3/h風量，測得干燥室前、中、后段中的上、中、下各3組位置風速，對比未調節風道的數據。記錄結果見圖4。

圖2 改進前后的陽光棚

圖3 海帶自然晾曬

從圖4可以看出改進后前上、前中、后上、后中部分的風速數據比原始的風速提高，其中原干燥室內前段的前上0.218 m/s、前中0.182 m/s的風速小，是由于處于鼓風口下方，而風的方向是向后吹，且可拆卸導風板間距小從而使得風速較小，調節可拆卸導風板間距測得風速為前上0.468 m/s、前中0.384 m/s，是原風速的2倍左右；原干燥室內中段的后上0.268 m/s、后中0.124 m/s的風速小，由于風向是通過鼓風機將熱風直接送入風道，直通消耗風速，熱風到達不了后部，故中部加可調引風板，調節適當角度，測得后上0.593 m/s、后中0.561 m/s，是原風速的2倍左右。采用統計學方法計算得到原始的前段、中段、后段風速平均值分別為0.550、0.516、1.010 m/s，改進后的前段、中段、后段風速平均值分別為0.710、0.707、1.026 m/s，風速有較明顯增強。

2.2 保溫性

保溫性優化試驗，外界溫度25 ℃，測試升溫時間和熱損失(未考慮濕空氣)(表1)。

m=ρV

(1)

Δt=t室內-t室外

(2)

Q=CmΔt

(3)

公式中：m為空氣質量(kg)；V為烘房體積，為16 m3；ρ為空氣密度，為1.29 kg/m3；C為空氣比熱容，為1.003 J/(kg·K)；t室內為室內溫度(℃)；t室外為室外溫度(℃)；Δt為溫差(℃)；Q為熱量散失(J)。

從表1可以看出，在45～50 ℃時，由于室內外溫差較大，其降溫時間快，加了保溫材料后降溫時間有所延長；在40～45 ℃時，單因子干燥室的降溫時間比原始的降溫時間增加16倍，熱損耗減少95%；當降溫的溫度越低時，室內和室外溫差變小，其熱擴散速度變慢，所以在35～40 ℃時，熱損耗會減少，則降溫幅度會更小。綜上可以得出，單因子干燥室的效果明顯要好，熱損耗小。

2.3 自然晾曬+儲熱+熱泵干燥耦合模式

在山東榮成地區晴天環境條件下進行試驗。經測試、整理，得出海帶干燥時外部環境溫度、濕度、光照度隨時間的變化，同時測得干燥室內部的溫度、濕度變化過程。在13:30溫度達到最高28.7 ℃。表2為改進后結構和通風+儲熱+熱泵干燥模式試驗結果。烘干后測得，海帶根部(最厚部位)含水率為8.21%。

圖4 改進前后干燥室內風速測量結果

表1 降溫測試結果

表2 自然晾曬+儲熱+熱泵干燥模式測試結果

從表2可以看出，在18:00之前，采用外界日曬和風干形式進行海帶干燥，所以單因子干燥室內溫濕度和環境溫濕度大致相同；當光照不足時，需將半成品海帶送入單因子干燥室內繼續干燥；在18:00之后，開啟熱泵對干燥室進行加熱，干燥室內相對濕度下降很快，說明單因子干燥室保溫性能好，溫度越高，蒸發出水分越多，其相對濕度就會降低。

在干燥結束后，抽樣測量干海帶各部分含水率，發現含水率相對均衡，比原模式有所改善。證明調節風板對改善干燥均勻性有作用。

表3 模式對比結果

從表3可以看出，采用通風+儲熱+熱泵干燥海帶模式，可實現干燥室內部烘干，無需再次搬運，可減少勞動力和干燥時間，但需要間斷性開啟外排風機，功耗較高。而采用自然晾曬+儲熱+熱泵干燥模式，可大大降低功耗，但外部晾曬風干后，需再次放入單因子干燥室，會增加勞動力和干燥時間。故后期確定了將兩種模式相結合的新型自動干燥模式，既減少勞動力，又降低了功耗。為中試干燥設備研制做基礎。

3 討論

本文通過對原系統的風道結構、懸掛機構和保溫性進行改進，并進行試驗，結果顯示，改進后的干燥系統新模式具有一定優勢。

3.1 風道結構分析

海帶的葉狀體、柄、根狀物厚薄不同，在干燥過程中，薄的部位干得快，而干燥室內風向的不定性，更容易導致干燥不均勻的現象。利用風速傳感器對干燥室內各角度位置進行測量，改進可調風板的間距大小，得到最優風速。從試驗結果中得到，整體的平均風速有明顯提高，其中前段的前上、前中、后上、后中，以及中段的前上、前中、前下、后上、后中最為明顯。本試驗取得了一定效果，海帶干燥均勻性有所提高。調節風板間距，得到前段的前上風速為0.468 m/s，前中為0.384 m/s，雖然風速有提高，但風量不大，由于前段靠風口處是死角，后期還需增加角落鼓風機，消除盲點，提高海帶干燥均勻度，加快海帶干燥速度。

3.2 保溫性分析

保溫性是通風+儲熱+熱泵干燥系統[12-13]重要因素之一，保溫性越好能耗越低。采用透明PVC中空板材料制作的陽光棚，適合光照度高、濕度低的地區，干燥效果明顯[14-15]；但是山東榮成地區濕度高，早晚溫差大，熱損失多，無法滿足保溫效果，所以采用橡塑海綿保溫材料，增加陽光棚的保溫性。通過試驗數據可以看出，熱損耗減少95%，保溫性得到提高。后期還需考慮外部環境因素，陽光棚放在自然環境中，環境的溫濕度對加保溫材料的陽光棚也有一定影響，若外界溫度很低，則熱損失會增加，所以適當時候考慮放入室內進行干燥，使得熱損失最少。

3.3 未來海帶干燥技術分析

目前旅游項目的開發，將逐漸限制海帶晾曬用地，傳統沙灘晾曬海帶的方式將發生變化；采用鍋爐、煤炭、煤油為介質的方式進行海帶干燥，會導致環境污染大、能源消耗大等問題[16]，未來將鼓勵使用潔凈能源[17]；而在酷暑的環境中沙灘曬海帶會導致生產作業人員突發性中暑，甚至影響生命安全。新的干燥方式應該較好利用自然能源，在應用過程中解決用地、能源、安全性問題。隨著科學技術的發展，海帶干燥技術將不斷完善，干燥質量也將大幅度提高，海帶的社會需求量也會越來越大。

4 結論

隨著我國海帶產業的發展，涌現出了一批新型干燥技術，采用紅外干燥、微波干燥等新型干燥技術[18-21]，產品品質好，規范化程度高。但新型干燥技術經濟效益和產品品質之間存在著很大的矛盾。本文通過改進與試驗了一種新型、高效、節能的干燥模式(自然晾曬+儲熱+熱泵干燥)，解決了成本高的問題，提高了對太陽能和風能的利用率。當光照不足時，采用熱泵及熱水箱儲熱等形式進行干燥，符合低碳環保的設計理念。測試結果顯示，改進后的干燥室，采用可調節風板，使得風速均勻，測得前段和中段風速提高2倍左右，整體的平均風速也有明顯提高；用兩個鋸齒夾撐開海帶兩側，使得干燥后的海帶比較平整，保證海帶板形；加蓋保溫層，在40～50 ℃時，降溫時間比原先增加9倍，保溫性能良好；干燥后的海帶具有品相好，顏色為墨綠色，保證有“太陽味”的特性，同時干海帶含水率為8.21%，可滿足儲藏要求。