辣椒烘干機的干燥技術分析

秦名昀，任甜甜，黃 淵

（新疆工程學院，830047，新疆烏魯木齊）

辣椒是餐桌上重要的調味品之一，因其成本低、收益高，成為中國農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)種植項目。近幾年來，隨著辛辣飲食風俗的傳播和辣椒紅素在醫(yī)療、保健等方面的進一步發(fā)展應用，市場上辣椒需求缺口增大，辣椒種植產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大。辣椒收獲正值雨季，霉爛現(xiàn)象嚴重，影響辣椒產(chǎn)量與質量。由于生長期限和區(qū)域性的限制，需要對辣椒進行干燥加工，使其方便貯藏和運輸。新疆因其特殊的光熱條件，成為全國夏延時辣椒主產(chǎn)區(qū)，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構的調整，落實發(fā)展要素，優(yōu)化特色農(nóng)業(yè)體系[1]，以制干椒為主的辣椒產(chǎn)業(yè)異軍突起，新疆已成為我國一個重要的制干辣椒產(chǎn)區(qū)和理想的辣椒生產(chǎn)加工基地。目前新疆辣椒種植面積達4.67 萬hm2，年產(chǎn)干辣椒30 萬t 以上，干辣椒年產(chǎn)量占全國的1/5。

新疆傳統(tǒng)的辣椒干燥通常使用晾場自然晾曬的干燥方法，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)規(guī)模日益擴大和出口貿(mào)易迅速發(fā)展的要求。隨著工藝技術及科技的飛速發(fā)展，辣椒的干燥環(huán)節(jié)也引入了各種新技術。烘干機械設備開始投入，熱風晾房干燥、烘干機械設備干燥和太陽能干燥等技術[2]不斷被提出，在改善干椒品質和縮短干燥時間的同時提高了當?shù)氐慕?jīng)濟效益[3]。

傳統(tǒng)的辣椒干燥設備耗電多，種植地一般遠離電力負荷中心，大量的電能消耗對電力系統(tǒng)要求較高，同時消耗大量煤化石能源帶來污染增加問題，因此，為響應國家碳達峰、碳中和的工作部署，助推實現(xiàn)能源綠色低碳發(fā)展的目標，推動辣椒產(chǎn)業(yè)深加工向自動化方向發(fā)展，因地制宜使用清潔低碳安全高效能源、采用適宜的辣椒烘干技術顯得十分必要。

1 傳統(tǒng)烘干手段分析

1.1 傳統(tǒng)晾場日曬烘干

新疆特殊的地理位置和長時間的日照條件，使得新疆在10 年里成為中國最大的紅干椒生產(chǎn)基地。豐富的光熱資源和廣闊的戈壁灘為自然的晾場日曬烘干提供了充足的條件。雖然晾場日曬烘干操作簡單，干燥成本低，但是需要投入大量的人工進行看護和長時間的不停翻曬。干椒的晾曬對環(huán)境依賴性較強，風雨天氣在延長辣椒烘干周期的同時會引起辣椒的霉爛現(xiàn)象，天氣因素的影響限制了干椒的產(chǎn)量和品質。

1.2 烘干機械設備烘干

國內(nèi)的機械烘干技術是在進口機械拆裝仿制的基礎上發(fā)展起來的[4]，機械烘干方式的推廣普及突破了椒農(nóng)們看老天臉色曬干辣椒的局限。以機械為主要手段，采用對流、熱風循環(huán)等干燥技術[5]，人為設置烘干溫度和時長，自動進行控溫、控濕和物料裝卸。機械烘干以不損害辣椒品質為前提，確保物料充分均勻受熱，避免溫度不均導致的霉變現(xiàn)象和濕度過高導致的黑椒現(xiàn)象，提高干椒產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量。

目前應用最廣泛的是對流加熱烘干方式[6]，以燃燒煤、天然氣、燃油為主，部分機型采用更加前沿的控溫方式，按照區(qū)間調整控溫，配合濕度調節(jié)，提高均勻蒸發(fā)階段的溫度，達到高效率高品質烘干的目的。

但是傳統(tǒng)的機械烘干方式設備耗電多，對電網(wǎng)要求高；單臺成本高，產(chǎn)出率低；進料出料的機械化程度不高；尤其是在能源的利用過程中產(chǎn)生一定的煙氣排放和能耗損失，帶來一定的環(huán)境壓力。自治區(qū)第九次黨代會以來的5 年，尤其是隨著碳達峰、碳中和理念的提出及國家對環(huán)境治理要求的提高，全疆各族人民聚焦總目標，加強生態(tài)環(huán)境保護與建設，推動綠色低碳發(fā)展，推動減污降碳協(xié)同增效，以煤、石油、天然氣作為熱源的傳統(tǒng)機械烘干技術將退出市場[7]，因而依托新型清潔能源的烘干技術在提升能源利用率的同時提升干椒產(chǎn)品的質量和改善口感，發(fā)展前景廣闊。

2 新型烘干技術分析

2.1 空氣源熱泵烘干技術

隨著國家對環(huán)境要求越來越嚴，燃燒制熱的烘干裝置受到排放限制和資源限制不能普遍推廣，熱泵因其無污染且降低能源消耗而在干燥行業(yè)被廣泛應用。烘干機利用熱泵原理加熱空氣后將其送入烘干箱內(nèi)或者烘干房內(nèi)，利用循環(huán)熱風的自動控制對箱內(nèi)溫度進行控制，使物料精準受熱。

（1）烘干原理。空氣源熱泵利用冷媒為工質，將鼓風機送進的外界低溫空氣經(jīng)壓縮機壓縮成為高溫高壓氣體，經(jīng)過冷凝器膨脹閥絕熱節(jié)流后形成低溫低壓液體，通過蒸發(fā)器轉化為過熱蒸氣，在逆卡諾循環(huán)過程中不斷釋放熱量進行烘干作業(yè)，反復進行蒸發(fā)吸熱壓縮的循環(huán)過程，持續(xù)地從低位空氣中吸收能量、在烘干箱中高位釋放能量進行烘干，循環(huán)往復進行著能量的搬運[8-9]。辣椒通過自動斗提裝置送入烘干箱或烘干房后，通過循環(huán)熱風進行能量傳遞熱交換。

現(xiàn)在烘干機械設備中多利用空氣源熱泵回收烘干箱內(nèi)空氣余熱，以減少尾氣余熱的損失。空氣源熱泵烘干技術與傳統(tǒng)的煤供熱、熱電供熱相比，熱源取用方便、減少空氣污染物的排放，安裝使用方便，環(huán)保效果明顯，對于產(chǎn)品色澤、質量都有一定程度的提升，最大限度保留了辣椒的口感和營養(yǎng)成分。

（2）問題分析。一是單一的空氣源熱泵技術受天氣制約。環(huán)境溫度過低會使其效率降低，烘干加熱過程耗時長。二是熱泵烘干機對于粉塵濃度要求高。新疆沙塵天氣出現(xiàn)較多，環(huán)境中過高的沙塵含量可能導致熱泵濾網(wǎng)阻塞，影響其正常烘干使用。

因此，因地制宜采用熱泵烘干與其他技術結合的聯(lián)合干燥技術十分必要，相較于單純的熱泵烘干在經(jīng)濟性和能源綜合利用水平上有所提升。

2.2 太陽能熱泵干燥技術

空氣源熱泵與太陽能集熱發(fā)電技術聯(lián)合干燥的烘干技術[10]既極大程度上利用了新疆豐富的光照資源，又克服了光照不穩(wěn)定的不足，滿足了烘干過程中對時間和干椒口感品質的要求。太陽能與熱泵的聯(lián)合烘干系統(tǒng)對自然環(huán)境污染小，對能源的綜合利用率高，符合低碳環(huán)保理念，成為廣泛利用的聯(lián)合干燥方式之一。本設計嘗試提出聯(lián)合干燥的一種新的構型。

（1）烘干原理。設計一種綜合利用太陽能集熱技術、光伏發(fā)電技術及熱泵烘干技術的辣椒烘干系統(tǒng)。控制流程如圖1 所示。

圖1 控制流程圖

晴天溫度適宜時，將外界熱空氣吸入，經(jīng)過壓縮機升溫加壓后經(jīng)冷凝管循環(huán)放熱，將辣椒從烘干箱底部緩慢運送至烘干箱頂部的出料口，在此期間辣椒與烘干箱內(nèi)的熱風充分接觸，達到熱風干燥目的。同時集熱水管內(nèi)的水經(jīng)太陽能集熱裝置加熱后進入保溫箱，以便在沒有光照的時候使用。而在夜晚和陰雨天氣時，通過白天儲存在保溫箱里的熱水和光伏供電的電加熱棒對風機吹出的風進行加熱。系統(tǒng)結構如圖2 所示。

圖2 烘干系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)通過光照強度傳感器所提供的信息判斷是否為晴天，若是則啟動熱泵系統(tǒng)和熱水加熱系統(tǒng)；若不是則需要考慮保溫箱內(nèi)的水溫，若水溫大于60 ℃，則啟動熱水加熱系統(tǒng)，若不是則使用電加熱棒加熱。當烘干箱內(nèi)的溫度達到60 ℃時，溫濕度傳感器開始判斷辣椒的濕度，若濕度小于4%，則將物料送出烘干系統(tǒng)卸貨；若不是則繼續(xù)烘干，直到辣椒濕度小于4%為止。

（2）應用分析。目前聯(lián)合干燥系統(tǒng)的應用中嘗試采用以太陽能干燥為主，熱泵干燥系統(tǒng)尾氣余熱利用為輔助，只需要消耗少量的電能便能實現(xiàn)清潔高效的烘干。聯(lián)合系統(tǒng)結構的優(yōu)化和改進能夠大范圍提高辣椒烘干品質、減少干燥時間和碳排放。聯(lián)合干燥系統(tǒng)具有較高的研究價值。

3 結語

結合新疆優(yōu)質資源特色，選擇合適經(jīng)濟的熱源，因地制宜提出針對新疆辣椒產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的烘干裝置，為烘干技術和能源利用多元化創(chuàng)新發(fā)展提供了一個方向，在加快辣椒機械化干燥進程的同時，提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平，達到節(jié)能減排的效果。在當今全球呼吁環(huán)境友好的前提下，開發(fā)新型優(yōu)質的辣椒烘干系統(tǒng)對于助推制干椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展、發(fā)展地域特色產(chǎn)業(yè)、助力脫貧攻堅綠色發(fā)展具有深遠的意義。

在當前碳達峰、碳中和的大趨勢下，產(chǎn)學研結合，對太陽能熱泵聯(lián)合干燥技術不斷改進，系統(tǒng)性能和運行策略不斷優(yōu)化[11]，是用小辣椒推動大產(chǎn)業(yè)，讓干椒增產(chǎn)、農(nóng)民增收，做大做強產(chǎn)業(yè)、延伸產(chǎn)業(yè)鏈條的關鍵。