空氣能熱泵對(duì)農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)的優(yōu)勢及發(fā)展前景

宋 煒

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

農(nóng)產(chǎn)品收獲后，為延長保質(zhì)期、便于運(yùn)輸、儲(chǔ)存、再加工，應(yīng)采用干燥技術(shù)降低農(nóng)產(chǎn)品中水分含量，得到農(nóng)產(chǎn)品干制品。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品干燥方法采用日照曬干或人工烘烤，受天氣影響較大，干燥產(chǎn)品的色澤、外觀、營養(yǎng)等品質(zhì)難以保證，而且效率低，不能形成規(guī)模化生產(chǎn)。隨著科技的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)意識(shí)不斷增強(qiáng)，亟需開發(fā)高效、節(jié)能、環(huán)保的新型農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)，如太陽能干燥、真空冷凍干燥、微波干燥和熱泵干燥等新技術(shù)，這些新方式更加節(jié)能環(huán)保，效率也大大加快。以空氣能熱泵為核心的干燥技術(shù)逐漸得到關(guān)注，與傳統(tǒng)干燥方式相比，該技術(shù)具有高效節(jié)能、干燥物料品質(zhì)高、適用范圍廣、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域。

1 空氣能熱泵干燥設(shè)備的組成及其工作原理

1.1 設(shè)備組成

熱泵干燥系統(tǒng)主要有三種：開路式、半開路式和封閉式系統(tǒng)，區(qū)別就在于干燥介質(zhì)的循環(huán)不同，目前封閉式熱泵干燥系統(tǒng)應(yīng)用較廣泛。圖1是空氣能熱泵干燥設(shè)備，主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥或節(jié)流閥四大部分組成。

圖1 空氣能熱泵干燥設(shè)備

制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收由干燥室排出濕空氣中的低熱量，經(jīng)由壓縮機(jī)升壓后送至冷凝器中冷凝，釋放出的熱量用于加熱空氣，再將熱空氣送入干燥室內(nèi)進(jìn)行物料干燥。運(yùn)行期間，制冷劑經(jīng)膨脹閥由高壓降至低壓，然后重新進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行下一個(gè)制冷循環(huán)的吸熱工作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)干燥。

1.2 工作原理

空氣能熱泵是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理工作的。熱量總是從高向低流動(dòng)，熱泵利用制冷劑在蒸發(fā)器、冷凝器整個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行氣、液兩相轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)循環(huán)過程，實(shí)現(xiàn)把熱量從低品位熱能轉(zhuǎn)換成高品位熱能。其工作過程是讓制冷劑在機(jī)器內(nèi)不斷進(jìn)行蒸發(fā)、壓縮、冷凝、節(jié)流、再蒸發(fā)的一系列循環(huán)過程，然后熱泵從周圍環(huán)境中吸取熱量進(jìn)行物料干燥，利用這一工作原理，把食品、中草藥、農(nóng)副產(chǎn)品、海產(chǎn)品等一些高附加值的特異性農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行烘干處理。

2 空氣能熱泵干燥的優(yōu)點(diǎn)

2.1 高效節(jié)能

空氣能熱泵干燥設(shè)備是一個(gè)閉路式干燥系統(tǒng)，傳熱工質(zhì)在機(jī)組內(nèi)封閉運(yùn)行，主要利用了氣流循環(huán)原理，從環(huán)境介質(zhì)溫濕空氣中吸收熱能，即空氣能，通過制冷液循環(huán)提高空氣溫度進(jìn)行物料干燥，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備消耗的能量只有熱泵壓縮機(jī)的功耗，所以空氣能熱泵干燥系統(tǒng)有顯著的節(jié)能效果，能夠提高能源利用效率。

2.2 干燥品質(zhì)好

對(duì)于很多熱敏性較高的農(nóng)產(chǎn)品，較高的干燥溫度會(huì)影響其外觀品質(zhì)，使?fàn)I養(yǎng)成分損失嚴(yán)重。而空氣能熱泵烘干溫度低且還有除濕功能，空氣能熱泵烘干溫度低，干燥氣體流動(dòng)比較溫和，幾乎接近自然干燥。對(duì)于許多熱敏性較高的農(nóng)產(chǎn)品，使用空氣能熱泵干燥能更有效地保護(hù)物料的外觀品質(zhì)和風(fēng)味品質(zhì)，減少內(nèi)部營養(yǎng)成分損失，這是一般高溫?zé)犸L(fēng)干燥無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢。另外，與其他干燥技術(shù)相比，熱泵干燥可控性高，系統(tǒng)內(nèi)溫濕度控制更精準(zhǔn)。因此，使用空氣能熱泵可以得到更高品質(zhì)的干燥產(chǎn)品。

2.3 安全環(huán)保

安全環(huán)保是農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的重要條件之一，傳統(tǒng)燃煤熱風(fēng)干燥，不但熱能利用率低，干燥溫度不易控制，而且易造成環(huán)境污染。空氣能熱泵干燥設(shè)備是一種封閉循環(huán)系統(tǒng)，不僅能有效防止外界空氣對(duì)干燥室內(nèi)物料的污染，也可以防止過多廢氣和粉塵等排出造成大氣污染，整個(gè)干燥過程除了冷凝水外，沒有其他廢氣、廢液排放，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。

3 空氣能熱泵在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用及發(fā)展前景

3.1 谷物干燥

中國是世界上重要的糧食生產(chǎn)大國，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國糧食產(chǎn)量逐年提升。由于剛收獲的糧食水分含量較高，容易造成谷物的霉?fàn)€變質(zhì)，需要及時(shí)對(duì)谷物進(jìn)行干燥處理，保證收獲后的加工、運(yùn)輸和長期貯藏。傳統(tǒng)的谷物干燥方法主要是日曬干燥和機(jī)械化干燥，日照晾曬谷物不但受天氣情況影響較大，容易發(fā)生霉變發(fā)芽，而且成本高、需要消耗大量人力、谷物干燥質(zhì)量無法掌控。由此，機(jī)械化干燥應(yīng)運(yùn)而生，機(jī)械化干燥不但不受氣候影響，而且整個(gè)干燥過程都是自動(dòng)化控制，干燥情況可以精準(zhǔn)掌控，干燥質(zhì)量高。

谷物機(jī)械化干燥中空氣能熱泵干燥技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，采用熱泵對(duì)谷物進(jìn)行干燥處理，在干燥過程中低溫烘干，防止溫度高而引起爆腰率過高，能夠有效減少谷物中營養(yǎng)損失。熱泵烘干溫度能夠精準(zhǔn)控制，干燥均勻，種子發(fā)芽率也得到保障。干燥效率高、能耗低、干燥品質(zhì)好。目前，對(duì)于空氣能熱泵干燥技術(shù)在谷物干燥中應(yīng)用的研究也越來越多。陳坤杰等[1]設(shè)計(jì)一種熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)控制系統(tǒng)，測試試驗(yàn)表明，此系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，參數(shù)監(jiān)測控制精準(zhǔn)，能夠滿足干燥工作需要。李偉釗等[2]針對(duì)多段塔式燃煤玉米干燥系統(tǒng)中存在高耗能、高污染等問題，利用熱泵技術(shù)對(duì)干燥系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，能夠?qū)⒃衩赘稍锵到y(tǒng)中產(chǎn)生的廢氣和余熱回收，改進(jìn)后系統(tǒng)的干燥成本比之前降低22.4%，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

3.2 食用菌干燥

食用菌營養(yǎng)豐富，富含多種生物活性物質(zhì)，對(duì)保護(hù)人體健康起到積極作用。新鮮食用菌水分含量較大，易發(fā)生褐變、腐敗變質(zhì)等現(xiàn)象，貨架期短，不利于長期貯存和運(yùn)輸。為保持采摘后食用菌的營養(yǎng)品質(zhì)，抑制微生物生長、防止腐敗變質(zhì)，需將其干燥處理制成干制品，延長食用菌貨架期，提高其市場價(jià)值。干燥過程是否適當(dāng)直接決定了食用菌的營養(yǎng)成分、外觀、食用口感等品質(zhì)能否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。食用菌的干制方法主要有自然干制和機(jī)械干制兩種，自然干制一般是采用露天晾曬自然干燥，但這種方式受到場地限制，干燥時(shí)間長，衛(wèi)生狀況難以保證，而且溫度及濕度不易控制，干燥效率低，干燥品質(zhì)差。機(jī)械干制方法主要有熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、微波干燥、空氣能熱泵干燥等，不同干燥方式對(duì)食用菌干制品的營養(yǎng)品質(zhì)及揮發(fā)性風(fēng)味成分影響顯著[3]。

空氣能熱泵干燥是相對(duì)比較溫和的干燥技術(shù)，干燥溫度和濕度易掌握，干燥均勻，干制品質(zhì)量高。食用菌中多種有益營養(yǎng)物質(zhì)熱敏性高，熱泵干燥采用低溫烘干，有效降低干燥過程中的營養(yǎng)物質(zhì)損失，干燥質(zhì)量高。楊玲等[4]研究熱泵干燥天祝野蘑菇的工藝參數(shù)及干燥品質(zhì)，研究表明熱泵干燥技術(shù)能較好適用于天祝野蘑菇干燥，干燥各項(xiàng)品質(zhì)均在良好范圍內(nèi)，符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。白旭升等[5]采用空氣能熱泵技術(shù)進(jìn)行香菇干燥，建立了香菇熱泵干燥動(dòng)力學(xué)模型，證實(shí)了熱泵干燥技術(shù)與熱風(fēng)干燥相比，香菇的外觀和感官品質(zhì)更好。

3.3 果蔬干燥

水果、蔬菜是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中除糧食以外最主要的農(nóng)作物，果蔬產(chǎn)量高、出口量大。果蔬中營養(yǎng)物質(zhì)豐富，含有大量的維生素、膳食纖維、酚類物質(zhì)、生物堿等，具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和保健功效。新鮮果蔬在采、運(yùn)、儲(chǔ)、銷過程中如處理不當(dāng)很容易變質(zhì)甚至腐爛，干燥是延長采摘后果蔬保質(zhì)期，降低損耗，提高其附加值的有效手段。干燥除去果蔬中部分水分，抑制酶活性和微生物生長，延長貯藏時(shí)間，而且經(jīng)干燥后果蔬重量減輕、體積變小，更便于包裝與運(yùn)輸。

空氣能熱泵烘干作為一種新型高效節(jié)能技術(shù)，與燃煤烘干、電熱烘干等傳統(tǒng)方式相比，節(jié)能效果顯著；低溫烘干方式能最大限度保留果蔬中的維生素及其他營養(yǎng)物質(zhì)，干燥產(chǎn)品品質(zhì)好。張海紅等[6]研究采用熱泵烘干技術(shù)干燥蘋果片的最佳工藝參數(shù)，探討裝料量、蘋果片厚度及干燥溫度對(duì)熱泵干燥效果的影響。彭鈺航等[7]采用響應(yīng)面法研究熱泵干燥法烘干胡蘿卜的最佳工藝參數(shù)，獲得的胡蘿卜干制品外觀、色澤較好，復(fù)水比高，營養(yǎng)物質(zhì)損失低。黃皓等[8]研究不同因素對(duì)空氣能熱泵干燥黑皮冬瓜制品品質(zhì)的影響，通過單因素和正交試驗(yàn)，確定了熱泵烘干黑皮冬瓜的最佳工藝參數(shù)。

3.4 其他干燥

空氣能熱泵干燥技術(shù)除了應(yīng)用于谷物、食用菌和果蔬干燥外，還廣泛應(yīng)用于中草藥、茶葉、煙葉、水產(chǎn)品、堅(jiān)果等產(chǎn)品中。趙升云等[9]研究應(yīng)用熱泵技術(shù)干燥武夷巖茶，自主研發(fā)了熱泵-電輔熱一體化烘干機(jī)，干燥試驗(yàn)表明熱泵干燥烘干武夷巖茶可以達(dá)到節(jié)能減排的效果，茶葉干燥品質(zhì)也得到提升。劉蘭等[10]研究空氣能熱泵干燥條件對(duì)羅非魚干燥效果的影響，并確定干燥羅非魚的最佳工藝條件，得到羅非魚干制品品質(zhì)較好。胡燈運(yùn)等[11]研發(fā)了一種新型太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)，進(jìn)行枸杞干燥試驗(yàn)，結(jié)果表明，此系統(tǒng)能夠提高枸杞干燥品質(zhì)，高效節(jié)能。

4 結(jié)語

經(jīng)過多年對(duì)熱泵干燥技術(shù)的研究，熱泵干燥技術(shù)已逐漸成熟，在節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)上，干燥后產(chǎn)品能保持良好的感官品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)。當(dāng)然熱泵干燥技術(shù)在現(xiàn)階段實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用推廣中也存在缺點(diǎn)和不足之處，今后應(yīng)繼續(xù)研究加以優(yōu)化，使其更加高效、節(jié)能，環(huán)保，更廣泛地應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥中。今后研究方向可以將空氣能熱泵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與其他干燥技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)聯(lián)合應(yīng)用技術(shù)，促進(jìn)熱泵干燥裝備的性能和智能控制等方面產(chǎn)生更大提升與完善，得到更廣泛的應(yīng)用。