核桃熱泵穿流干燥特性

(陜西省農業機械研究所,陜西咸陽 712000)

核桃產業作為陜西省主要干雜果經濟林產業之一,在調整農村產業結構、促進農民脫貧致富、加快山區經濟發展等方面發揮著重要作用[1]。近年來,陜西省核桃種植面積不斷擴大,核桃產量不斷上升,除部分用于鮮食消費外,大量的核桃以干制原核桃形式在市場流通,并作為核桃精深加工的原材料。采收后的鮮核桃脫青皮處理后,含水率高達35%～40%,如干燥不及時,很容易霉變。現陜西省內核桃干燥方式主要以自然晾曬和烘干房盤式熱風干燥為主,不僅占用空間大、干燥時間長,且人力投入較大,嚴重制約核桃相關食品產業化的發展。熱泵干燥與其他干燥方式相比,具有能效高、無污染、衛生安全、可控性高,可搭配智能控制技術等優點,隨著社會對環境保護意識的增強以及工業智能化的發展,熱泵在農副產品干燥處理中的應用逐漸增加。

目前,田翔[2]、王慶惠[3]等設計了一種核桃專用干燥設備并研究了熱風干燥條件下,溫度、風速和裝載深度對核桃的干燥特性。李絢陽[4]等研究了核桃熱泵薄層干燥特性并建立了熱泵薄層干燥數學模型。陳智平[5]等進行了以熱泵為熱源的滾筒型核桃干燥設備變溫干燥和鼓風干燥箱恒溫干燥的對比試驗,研究表明熱泵干燥的核桃色澤口感更接近核桃原有品質。但目前國內關于核桃熱泵穿流干燥的特性研究較少。本文以陜西省“香鈴”核桃為實驗材料,研究深層裝載形式下核桃的熱泵干燥特性及干燥均勻性,旨在為核桃深層干燥提供更全面的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗用核桃 購于陜西省咸陽市,品種為香玲,是陜西省內主產核桃品種之一。所采購青皮核桃用青核桃脫皮清洗一體機進行脫皮清洗處理,獲取外形完整、大小均勻的濕核桃用于試驗。濕核桃平均質量20.91 g/個,平均橫徑(34.21±0.75) mm,縱徑(38.22±1.07) mm,棱徑(32.46±0.89) mm,殼厚(2.23±0.26) mm,平均濕基含水率為37.10%±2.00%。

AIC-21001型電子秤 常州天之平儀器設備有限公司;希瑪AS856風速測量儀 廈門欣銳儀器儀表有限公司;6TQH-500青核桃脫皮清洗機 陜西省農業機械研究所研制;核桃穿流干燥試驗設備 陜西省農業機械研究所研制;HG-400型核桃烘干機 陜西省農業機械研究所研制。

1.2 實驗方法

1.2.1 試驗設備及原理 核桃熱泵穿流干燥試驗設備如圖1所示,該試驗設備由空氣能熱泵(額定輸入功率5.2 kW,離心風機功率1.1 kW)、熱風管道、集風腔、篩網板、機架等組成。作業時,熱泵熱量由熱風管道輸送至集風腔,熱量透過篩網板與儲料腔內的核桃進行熱量交換,蒸發并帶走核桃的水分,熱空氣最后由核桃堆表面溢出,排到大氣中。HG-400型核桃烘干機(如圖2所示),該機風機功率1.1 kW,電加熱管功率8 kW,烤盤數量48個。

圖1 核桃熱泵穿流干燥試驗設備Fig.1 Through dryer of walnut注:1.空氣能熱泵,2.控制面板,3.熱風管道,4.集風腔,5.機架,6.篩網板,7.下層樣品袋,8.核桃網袋,9.上層樣品袋,10.儲料腔。

圖2 HG-400型核桃烘干機Fig.2 HG-400 walnut dryer

1.2.2 熱泵穿流干燥試驗 在風速恒定為1 m/s,核桃初始濕基含水率為37.10%±2.00%的條件下,分別研究裝載深度為0.3、0.6、0.9 m時,各裝載深度核桃在35、45、55 ℃干燥溫度下的干燥特性。

實驗前首先預熱熱泵,使集風腔內熱風溫度達到要求溫度,并對經6TQH-500青核桃脫皮清洗機處理過后的核桃進行挑選,選取外形完整、大小均勻的濕核桃,瀝干表面水分待用。試驗時,樣品核桃放置于塑料網袋內,每袋裝50個核桃,重(1.00±0.45) kg,上下層樣品核桃分別平鋪放置于儲量腔中間位置,垂直位置如圖1所示。裝載核桃時,在儲料腔底層和頂層分別平鋪約5 cm厚的濕核桃,其中底層濕核桃直接平鋪,而頂層濕核桃裝在塑料網袋內。上下層樣品袋位置如圖1所示,樣品袋之間的核桃均裝在塑料網袋內。

核桃干燥過程中,每隔4 h稱量并記錄上層樣品重量,然后將樣品袋迅速放回原處,直到該次稱重結果與上次相比差值小于0.002 kg,結束烘干,并取出下層樣品袋稱量并記錄。統計核桃試驗數據時,以濕基含量表示含水率。

1.3 干燥參數的計算方法

含水率及干燥速率由以下公式計算所得:

式(1)

式中:Wt:干燥時間t時核桃的含水率,%;Mt:干燥時間t時刻核桃的質量,kg;Mg:核桃干物質的質量,kg。

式(2)

式中:Ut:干燥時間t時核桃的干燥速率,%/h;Δt:兩次取樣的間隔時間,h。

1.4 數據處理

利用Excel 2010軟件對試驗數據進行處理及分析。

2 結果與分析

2.1 核桃含水率在不同干燥溫度下的變化

由圖3可知,在不同溫度下,裝載深度為0.3、0.6、0.9 m時,核桃含水率均隨干燥時間的延長而呈逐漸降低趨勢,溫度越高,含水率下降越快。干燥溫度為35 ℃,干燥時間32 h后,裝載深度為0.3、0.6、0.9 m時,含水率下降均開始趨于平穩,并在44 h時達到干燥要求;干燥溫度為45 ℃時,含水率在24 h后趨于平穩,較35 ℃提前8 h,干燥時間縮短為40 h。而干燥溫度為55 ℃時,裝載深度為0.3 m和0.6 m時,整個干燥時段,含水率下降趨勢接近,并在32 h達到干燥要求,干燥時間較35 ℃時縮短了37.5%;當裝載深度增加到0.9 m時,含水率下降趨勢較0.3 m和0.6 m時平緩,干燥時間增加到36 h。在干燥初期,各裝置深度含水率差異較小,隨著干燥時間的增加,含水率差異逐漸增大,到干燥后期,含水率差異又逐漸接近,這是由于干燥初期,濕核桃的初始含水率相近,而到后期,核桃內大部分水分蒸發排出,均接近目標干燥含水率。在干燥中后期,溫度對各裝載深度的含水率影響較小。

圖3 不同干燥溫度下核桃干燥特性曲線Fig.3 Drying characteristics curve of walnut atdifferent hot-air temperatures注:a:干燥溫度35 ℃;b:干燥溫度45 ℃;c:干燥溫度55 ℃;圖4同。

2.2 核桃干燥速率在不同干燥溫度下的變化

干燥初始階段,儲料腔內溫度的逐漸升高,水分蒸發加快,濕核桃干燥速率迅速增大,裝載深度0.3 m時干燥速率率先達到峰值,之后是0.6 m和0.9 m,均在12 h內達到峰值,之后進入降速階段,并在干燥后期,不同裝載深度的干燥速率逐漸接近,但隨干燥溫度的增加和裝載深度的增加干燥速率差異增大,這是因為干燥后期,核桃內部自由水分含量降低,干燥速率受核桃內部水分擴散規律影響[6-8],裝載深度越大,熱風運動受到頂層核桃的阻擋作用越大。干燥溫度55 ℃裝載深度0.3 m時,最大干燥速率達到2.47%/h,分別是45和35 ℃時的1.46和1.21倍。裝載深度為0.9 m時,干燥溫度45 ℃和55 ℃時,干燥速率均在干燥時間8 h時達到峰值,分別為2.29和2.30%/h。

表1 核桃在不同干燥條件下上下層含水率變化表Table 1 Moisture content of upper and lower layers of walnut under different drying conditions

圖4 不同干燥溫度下核桃干燥速率曲線Fig.4 Drying rate curve of walnutat different hot-air temperatures

2.3 干燥均勻性

每組烘干試驗結束后,取出下層樣品袋稱重記錄,并計算其濕基含水率,與上層樣品終了濕基含水率對比,以研究核桃熱泵穿流干燥均勻性。由表1可見,干燥溫度為35 ℃時,上下層含水率差異較小,隨著干燥溫度的增高及裝載深度的增加,上下層含水率差異增大,即干燥均勻性降低,這是由于上層堆積的核桃阻礙了熱空氣的運動,但下層核桃由于受熱蒸發出的水汽不斷向上傳遞到上層,導致上層核桃最終含水率比下層高。裝載深度為0.3 m和0.6 m時,隨干燥溫度的增加,干燥時間縮短,但上下層含水率差異變大,及干燥均勻性降低。裝載深度為0.9 m,干燥溫度為45 ℃時的上下層含水率與55 ℃的上下層含水率接近,即干燥溫度的增加對干燥均勻性的影響較小。

2.4 最佳干燥工藝參數的確定

風速恒定為1 m/s時,干燥溫度越高,含水率下降越快,干燥速率達到峰值的時間越短,干燥周期縮短,裝載深度相同時,干燥溫度55 ℃比35 ℃,干燥周期縮短37.5%,但干燥均勻性降低,同時結合干燥過程中干燥溫度對核桃品質的影響[9-10],將45 ℃確定為最佳干燥溫度。干燥溫度確定時,由圖3(b)可見,裝載深度由0.3 m增大到0.9 m,干燥時間均為40 h,綜合干燥效率,將裝載深度確定為0.9 m。故核桃熱泵穿流干燥最佳干燥條件為:干燥溫度45 ℃,風速1 m/s,裝載深度0.9 m。

2.5 干燥性能分析

確定核桃熱泵穿流干燥最佳干燥條件后,為驗證其干燥性能,選擇目前國內廣泛使用的盤式烘干設備與熱泵穿流干燥試驗設備作對比試驗[11],從干燥效率、能耗、人工成本等方面對其干燥性能做分析[12]。其中盤式烘干設備選用陜西省農業機械研究所研制的HG-400型核桃烘干機(如圖2所示)。進行對比試驗時,核桃直接堆積在熱泵穿流干燥試驗儲料腔篩網板上方,由提升機完成裝料。具體試驗數據見表2。

表2 性能對比Table 2 Performance comparison

由表2可見,熱泵穿流試驗設備干燥容積僅為HG-400型核桃烘干機的16%,但單批次處理量卻基本相等;單位耗電量為0.43 kW/kg是HG-400的40%,裝卸料耗時縮短1.9 h。綜合比較,熱泵穿流試驗設備在能耗、干燥效率、干燥容積利用率等方面都優于HG-400型核桃烘干機。

3 結論

熱泵穿流干燥最佳干燥工藝參數為:干燥溫度45 ℃,風速1 m/s,裝載深度0.9 m。采用最佳干燥工藝參數,對比分析熱泵穿流干燥設備與盤式烘干設備的干燥性能,研究表明熱泵穿流干燥設備單位耗電量是HG-400型盤式烘干設備的40%,裝卸料耗時縮短1.9 h,僅為HG-400型盤式烘干設備的20%。綜合比較,熱泵穿流試驗設備在能耗、干燥效率、干燥容積利用率等方面都優于HG-400型核桃烘干機。