基于多熱源互補的胡蘿卜組合干燥工藝試驗及設備研究

徐英英，馬凱坤，袁越錦，李 嚴，金敬紅

（1.陜西科技大學機電工程學院，陜西西安710021；2.中華全國供銷合作總社南京野生植物綜合利用研究所，江蘇南京 210042）

我國是世界第一大果蔬生產國，但由于產后加工技術與設備的落后，我國果蔬產后損耗率為發達國家的8 倍左右［1］。干燥加工是延長農產品貨架期、豐富產品種類、幫助勞動者減損增益的重要產后加工手段［2-3］。目前，制約果蔬干制產業發展的一個重要問題是能耗問題，由于果蔬類物料含水率高，且為熱敏性物料，干燥溫度不能過高，導致生產過程時間長，能耗大，最終產品市場價格較高。據統計，果蔬熱風干燥產品的市場占有率可達90%左右，但由于其較多采用燃燒爐作為熱源，導致干燥效率低下，污染嚴重，產品品質低［4-5］。

組合干燥技術是將兩種或兩種以上的干燥方式進行優勢互補，發揮每一種干燥技術的獨特優勢，以及彌補各自的缺點。對于組合干燥技術，國內外學者已進行了大量的試驗與理論研究［6-11］，如：吳海華等人［6］進行了枸杞熱風-真空組合干燥試驗，發現相比于單一的熱風干燥試驗與真空干燥試驗，采用熱風-真空組合干燥技術的干燥時間更短，而且干燥的枸杞品質更好；王靜等人［7］針對蒜片進行了真空微波熱風組合干燥試驗，表明采用真空微波熱風的組合干燥時間相對較短，而且能耗更低，干燥產品的品質參數更加優良，并且沒有出現熱風干燥溫度過高時產品的焦化以及明顯形變；袁越錦、董繼先等［8-9］設計了一種太陽能果蔬熱風真空組合干燥設備，以太陽能為主要熱源，電加熱為輔助能源來實現熱風與真空干燥技術的綜合利用，相比于傳統干燥設備，該設備大幅度降低了設備運行能耗，并且干燥產品的品質更好。

針對上述果蔬干燥過程中能耗大、干制品品質低等問題，擬設計一種多熱源互補組合干燥設備，綜合利用太陽能、熱泵與燃燒爐三種熱源［12-14］，分別對熱風干燥與真空干燥過程提供熱風與熱水，搭建設備試驗平臺，以胡蘿卜為試驗原料進行了干燥工藝試驗；驗證該設備的可行性并分析在組合干燥過程中多熱源互補模式對提高干燥速率、降低能耗和保留營養成分等的效果，以期為果蔬干燥加工與設備設計提供一定的技術依據。

1 設備整體結構及工作原理

1.1 設備整體結構

果蔬類物料的干燥，即將果蔬中大部分水分除去的過程，需要將鮮果制品（含水率80%以上）干燥至安全含水率（通常10%以下），實現便于儲藏運輸等目的。因此在果蔬干燥過程中需要脫去大量的水分，所消耗的能量巨大。基于此，本文設計了一種多熱源互補組合干燥設備，如圖1所示，該設備主要由太陽能裝置、熱泵裝置、燃燒爐裝置以及組合干燥箱等組成。

圖1 多熱源互補組合干燥設備圖Fig.1 Multi?heat source complementary combined drying equipment diagram

該設備集成太陽能、熱泵、燃燒爐三種熱源，采用熱風真空組合干燥技術，分階段對物料進行熱風干燥和真空干燥。其中，熱風干燥的熱風來源于熱泵和煙氣-空氣換熱器，通過干燥引風機將熱風送入干燥箱內進行干燥；真空干燥的熱源為熱水，來源于太陽能水箱和燃燒爐水箱，通過熱水循環泵將水箱中熱水送入干燥箱內熱水盤管，在真空干燥時為系統提供熱量。

1.2 設備工作原理

該設備按照功能可分為熱源部分和干燥箱部分：熱源部分采用多熱源互補技術，集成太陽能、熱泵、燃燒爐三種熱源，產生熱風和熱水供給干燥箱，從而實現熱風與熱水的雙向利用。干燥箱部分采用熱風真空組合干燥技術，分階段對物料進行熱風干燥和真空干燥。其中，熱風干燥階段所需的熱風由熱泵系統和燃燒爐煙氣換熱系統產生，燃燒爐出口高溫煙氣通過煙氣引風機導引，先進入煙氣換熱器中與干燥新風換熱，后送入脫硫除塵器進行脫硫除塵。經過脫硫除塵后的煙氣再排入大氣，減少了對環境的污染。真空干燥階段所需的熱水由太陽能系統和燃燒爐熱水系統產生。多熱源集成可以充分發揮每種熱源的優勢，提高系統的靈活性和適應性，相比于單一熱源系統，有效降低了能耗。

組合干燥箱結合了熱風干燥技術與真空干燥技術的優點。熱風干燥通過對流換熱蒸發物料中的水分，因其干燥速率高而被廣泛應用，但生產的產品品質較差；真空干燥利用真空泵創造干燥箱內真空環境，降低水分沸點，將熱水通入箱內盤管加熱物料，蒸發水分，這種技術干燥速率較慢，但真空環境可抑制物料內部的生化反應，保留營養物質，并降低干燥過程對溫度的要求。因此，將熱風干燥應用于干燥前期，快速蒸發物料內部水分，干燥至一定狀態后，轉為真空干燥，防止熱風干燥劇烈的對流換熱引起物料收縮、硬化，并保留營養物質，提升產品品質。組合干燥的產品品質接近真空干燥，但所需時間大幅縮短，節約了能耗。

1.3 設備的運行模式

多熱源互補果蔬組合干燥設備運行模式如表1所示。

表1 設備的運行模式Table 1 Operation mode of equipment

2 工藝試驗

為了檢測多熱源互補組合干燥設備在不同熱源供熱時的運行情況，搭建設備試驗平臺并進行工藝試驗。

2.1 設備試驗平臺搭建

搭建的多熱源互補組合干燥試驗平臺如圖2（a）所示，其中太陽能集熱器建于實驗樓天臺，其余設備均建于實驗室內，熱風管道與熱水管道均采取保溫處理。為了觀測干燥設備各個部分工作情況，以便對干燥過程進行控制，在樣機搭建時安裝了數據采集設備，干燥設備溫濕度數據采集點分布如圖2（b）所示。

圖2 多熱源互補組合干燥試驗平臺（a）設備照片和（b）數據采集點分布Fig.2 Multi-heat source complementary combined drying test prototype（a）equipment photos and（b）distribution of data col?lection points

2.2 試驗材料和儀器

2.2.1 試驗材料

試驗材料選用從當地農貿市場購得的胡蘿卜，要求新鮮，品相良好外形完整，無腐爛蟲害、病斑以及損傷。經測定，初始含水率為90%，切片厚度為5 mm。

2.2.2 試驗儀器

SFY-60快速水分測定儀（深圳市冠亞電子科技有限公司），電子天平（精度±0.001 g），ZQ194E-9SY-RW 多功能電力檢測儀（精度±0.2%），以及計時表、切片機、游標卡尺。

2.3 試驗方法

設備試驗平臺熱源包括熱泵供熱風（Heat pump drying，HPD），燃煤爐供熱風（Burning air dry?ing，BAD），燃煤爐供熱水（Burning water heating，BWH）等，另設有電加熱熱風（Electric air drying，EAD）和電加熱熱水（Electric water heating，EWH）作為對比；其中，每個熱源都可以獨立工作互不影響。為研究不同熱源使用時的干燥能耗及性能，設計4組試驗如表2 所示，每次試驗裝載胡蘿卜切片20 kg，干燥至含水率8%以下結束。

表2 干燥能耗對比試驗設計Table 2 Comparison test design of drying energy consumption

為研究不同干燥模式設備的干燥特性，設計50℃熱泵干燥試驗（HPD），70℃燃燒爐熱風干燥試驗（BAD），70℃/70℃燃燒爐組合干燥試驗（BADBWH）以及50℃/70℃/70℃熱泵+燃燒爐組合干燥試驗（HPD-BAD-BWH）。

采用太陽能+熱泵+燃燒爐的熱源組合方式，以胡蘿卜為物料，胡蘿卜切片厚度為5 mm，真空度為10 kPa，轉換點含水率為60%，中間轉換點含水率為30%，進行低溫熱風溫度50℃/高溫熱風溫度70℃/真空溫度70℃的變溫熱風真空組合干燥試驗；并以燃燒爐為熱源，分別進行70℃熱風干燥試驗和70℃真空干燥試驗。

2.4 試驗結果與討論

2.4.1 干燥特性曲線

50℃熱泵干燥（HPD），70℃燃燒爐熱風干燥（BAD），70℃/70℃燃燒爐組合干燥（BAD-BWH）以及 50℃/70℃/70℃熱泵+燃燒爐組合干燥（HPDBAD-BWH）的干燥特性曲線如圖3所示。從圖中可以看出，采用50℃熱泵干燥（HPD）時，干燥時間最長，為8.2 h；采用70℃燃燒爐熱風干燥（BAD）耗時6.0 h；采用70℃/70℃燃燒爐組合干燥（BAD-BWH）耗時最短，為5.5 h；采用50℃/70℃/70℃熱泵+燃燒爐組合干燥（HPD-BAD-BWH）耗時為6.2 h。從干燥速率角度來看，采用熱風或熱泵干燥時，在干燥后期都會出現一段時間的降速階段，導致干燥速率減小，在70℃燃燒爐熱風干燥（BAD）時最為明顯。這是由于在干燥的后期，胡蘿卜內自由水減少，剩余水分較難由熱風干燥帶出，導致熱風干燥在干燥后期干燥速率較慢。從圖3 還可以看出，在加入真空干燥之后，無論是采用燃燒爐熱風真空組合干燥（BAD-BWH）還是熱泵+燃燒爐熱風真空組合干燥（HPD-BAD-BWH），干燥后期的干燥速率都比較高，且一直持續到干燥結束。由此可見，多熱源互補組合干燥具有提高后期干燥速率，縮短干燥時間的作用。

圖3 不同組合模式的干燥特性曲線Fig.3 Drying characteristic curves of different drying processes

2.4.2 干燥能耗

圖4 為在使用不同熱源條件下的4 組干燥能耗對比試驗結果。從圖中可以看出，采用燃煤爐熱風的（BAD）試驗2 耗電功率為1.63 kw，耗煤量為1.3 kg/h，燃煤爐在運行時，耗電設備僅為風機及脫硫泵的耗電量，因此耗電較少。采用電加熱熱風（EAD）的試驗3（50℃）與試驗4（70℃）耗電功率最大，分別為8.20 kw 與14.54 kw；采用熱泵干燥（HPD）的試驗1耗電功率較小，為2.17 kw。結合試驗1與試驗3數據可以看出，熱風溫度相同情況下，熱泵干燥能耗遠小于電加熱干燥，僅為電加熱的1/3.7，這說明在消耗同樣能量的情況下，熱泵可以輸出電加熱3 倍以上的熱量。由此可見，多熱源互補組合干燥技術工藝可以有效降低能耗，充分發揮每種熱源的優勢，克服單一熱源的不足，提高系統的靈活性和適應性。

圖4 不同熱源干燥能耗對比Fig.4 Comparison of energy consumption for drying with dif?ferent heat sources

2.4.3 維生素C與胡蘿卜素含量

胡蘿卜片在三種不同干燥工藝條件下的維C含量和胡蘿卜素含量柱狀對比如圖5所示。從圖中可以看出，熱風真空組合干制品的胡蘿卜素含量和維生素 C 含量分別為0.051 7 mg/g、0.052 mg/g，真空干制品的胡蘿卜素含量和維C 含量分別為0.051 3 mg/g、0.054 mg/g，熱風干燥后干制品的胡蘿卜素含量和維C 含量分別為0.0186 mg/g、0.028 mg/g。熱風真空組合干制的胡蘿卜具有與真空干制胡蘿卜相近的品質，但相較于熱風干制胡蘿卜，其營養成分含量更高，品質更佳。

圖5 不同干燥工藝的VC與胡蘿卜素含量對比Fig.5 Comparison of vitamin C and carotene content of differ?ent drying processes

2.4.4 表觀質量

胡蘿卜片在三種不同干燥工藝條件下的表觀質量對比如圖6 所示。從圖中可以看出：熱風真空組合干制品的外觀形態皺縮較小，與真空干制品的外觀形態皺縮程度相當，而熱風干制品的外觀組織形態皺縮塌陷嚴重。因此，采用熱風真空組合干燥的胡蘿卜片表觀質量優于熱風干燥。

圖6 不同干燥工藝干制的胡蘿卜片Fig.6 Carrot slices dried by different drying processes

3 結論

本文設計了一種多熱源互補組合干燥設備，整套設備包括太陽能、熱泵、燃燒爐及脫硫除塵等裝置，可以實現真空干燥與熱風干燥兩種方式的單獨與組合使用；并能實現太陽能、熱泵以及燃燒爐三個子裝置的獨立運行與聯合運行，實現降低干燥能耗，減少環境污染，提高干燥品質的目標。

通過多熱源互補組合干燥設備的平臺試驗獲得了不同組合模式下胡蘿卜的干燥特性曲線、能耗、胡蘿卜素和維C 含量對比等結果。結果表明，50℃熱泵干燥（HPD）胡蘿卜耗時最長，采用70℃/70℃燃煤爐組合干燥（BAD-BWH）耗時最短。多熱源互補組合干燥技術工藝可以有效降低能耗，充分發揮每種熱源的優勢。組合干制品的胡蘿卜素含量和維 C 含量分別為 0.0517 mg/g 和 0.052 mg/g，具有與真空干制胡蘿卜相近的品質，而相較于熱風干制胡蘿卜，其營養成分保留較好，品質更佳。熱風真空組合干燥的胡蘿卜片外觀形態皺縮較小，表觀質量優于熱風干燥。