太阳能脱水车间湿差脱水技术研究

马宝龙，张永茂，毕 阳，张海燕，张 芳

(1.甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃兰州730070;2.甘肃省农业科学院农产品贮藏加工研究所，甘肃兰州730070)

太阳能脱水车间湿差脱水技术研究

马宝龙1，张永茂2，*，毕 阳1，张海燕2，张 芳2

(1.甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃兰州730070;2.甘肃省农业科学院农产品贮藏加工研究所，甘肃兰州730070)

采用太阳能资源与西北干燥空气合理结合的方式，以娃娃菜为例进行脱水干燥实验研究。研究西北地区不同季节的气候条件，对娃娃菜实际脱水速度与理论空气脱水速度的影响。得出全年干燥参数。研究表明，干燥室满载脱水时，室外干空气绝对湿度显著低于室内，不论白天和夜间都可以有效辅助太阳能进行脱水，150kg娃娃菜全年干燥时间为28～72h，干燥效率保持在80%左右。夏季将最大节能79%，秋季最小节能47%。利用spss17.0软件对实验结果进行分析表明，Cubic模型拟合效果较理想。

娃娃菜，太阳能干燥，节能，模型

Abstract:The drying process of cabbage was carried out by the solar energy along with dry atmosphere which was the characteristic in northwest of China.The relationship between the climatic conditions in the northwest region in different seasons and drying rate of cabbage in practice and in theory was examined.Based on this，annual drying parameters were determined.The results showed that the drying chamber packed with dehydration，the absolute humidity of outdoor drying air was significantly lower than that of indoor，no matter the night or the day，it can effectively aided solar drying.The drying time was 28～72h for 150kg cabbage.Annual drying efficiency could be maintained around 80%.The dehydration technology which was carried out by the humidity difference could effectively reduce the energy consumption.It saved 79%in summer and 47%in autumn，respectively.The experimental results showed that the Cubic model had satisfactory fitting goodness by using spss17.0 software.

Key words:cabbage;solar drying;energy saving;model

太阳能是一种清洁的自然可再生能源，取之不尽，用之不竭。利用太阳能干制果蔬是一种节能、有效的传统方法［1］。运用日光温室、太阳能集热器及通风换湿系统等现代设施，能够加速果蔬脱水干燥速率。然而，由于太阳能的间歇性和不稳定性(夜间及早晨中断)，在果蔬脱水的规模化生产过程中，其食品的安全、卫生和感官质量无法保证［2］。为解决这一问题，大多数情况下，人们采取增加辅助加热的措施，但这必将耗费煤、气、电或其它能源［3］。本实验着重研究我国西北地区，在果蔬太阳能脱水加工前提下，利用相对湿度较小的干燥空气作为介质，在夜间及早晨，通过通风换气代替太阳能脱水过程中的辅助加热设施，以达到节能的目的。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜娃娃菜 当地市场购买。

JWSK-6AC01A型温湿度传感器 昆仑海岸公司;SwemaAir40型风速仪 重庆裕捷科技有限公司;DFY-4型辐射计 长春气象仪器厂;YY63-4型申奇牌轴流风机 上海应发风机厂;SF2.5-4R型轴流风机 上海兴通电机厂;PB203-N型电子天平 奥斯特(上海)公司。

1.2 工艺流程

娃娃菜清洗→切块、去根→漂烫→冷却→沥水→上料→脱水

实验在甘肃省农业科学院农产品贮藏加工研究所研制的“日光温室+高效集热器+自控湿差通风排湿”型太阳能脱水车间中进行。该车间的太阳能接收和转换部分由阳光板屋面+太空管集热器+换热器及循环泵构成。干燥室装配进风风机和排湿风机，引入外部干燥空气的同时排出室内湿空气。气流循环系统由进风系统(风口+风机)、排风系统、内循环风机组成。由工控微机和温湿度传感器组成自动控制和监测记录部分。干燥室内放置5组物料架，物料架为不锈钢网盘式结构，规格为2m×0.9m，每组设三层，高度 1.7m，层间距 0.5m，每组面积5.4m2，总共可装载物料约150kg。

含水率(%)=(试样干燥至t时的质量-试样干燥至恒重时的质量)/试样干燥至t时的质量×100

脱水速率(%/min)=试样干燥Δt时间内的脱水量/干燥前物料质量/时间间隔

2 结果与讨论

2.1 太阳能干燥室内外相对湿度的变化

2.1.1 干燥室空载时内外空气相对湿度变化 我国西部地区干旱少雨，空气湿度的水平和年变化规律对运用干燥空气进行辅助脱水有着指导意义。由于干燥室内外在太阳能的作用下产生较大的温度差，空气相对湿度会随温度发生改变，因此室内外存在一定相对湿度差。通过对干燥室(空载)内外空气相对湿度的周年观测记录，得到不同季节空气相对湿度平均水平。结果见表1。

表1 干燥室内外相对湿度的季节变化Table 1 Changes in relative humidity both inside and outside the greenhouse in different seasons

如表1所示，年周期内，西部地区空气相对湿度随季节有较大变化，平均相对湿度最高(秋季)可达到62.27%，最低(春季)44.59%，空气较为干燥。另外，一天之间，相对湿度也存在明显的变化(图1)。将全年相对湿度数据分时段进行统计(早8点～次日5点，每3h为1时段)，取平均值，得到各时段全年平均相对湿度变化曲线，见图1。利用spss17.0对车间内外相对湿度进行显著性差异分析。

图1 干燥室内外相对湿度各时段变化Fig.1 The average changes in relative humidity both inside and outside the greenhouse

图1结果表明:空载时，脱水车间内相对湿度在所有时段均低于车间外。在一天中，脱水车间内外的相对湿度在8:00最高，17:00达到最低。脱水车间内年平均相对湿度为39.2%，车间外年平均相对湿度为52.8%。在14:00左右平均相对湿度差达到最大值24.8%，在23:00左右平均相对湿度差最小，为3.8%。经显著性差异检验，23:00检测点差异不显著(p=0.338＞0.05)，其余时段脱水车间内外相对湿度均存在显著性差异(p=0～0.036＜0.05)。说明在太阳能脱水车间内外，空气相对湿度变化很大。在空载的条件下，室内相对湿度始终小于室外相对湿度。

2.1.2 在一个果蔬脱水周期内，室内外空气含水量的变化 西部干燥空气为太阳能辅助脱水提供了良好的条件，在干燥室实载时，室内空气湿度增加。由于干空气的脱水能力取决于室内外空气的绝对湿度差，故在脱水周期内研究空气湿度水平。将处理好的150kg娃娃菜于11:00放入干燥室，开启进出风机，在太阳能干燥室中进行脱水干燥。每1h记录室内外温湿度数值，将温湿度转化为空气含水量(表示每千克空气中含有水的克数)，直到物料含水率降为10%左右结束。每季节做两次实验，取平均值。结果见图2。

图2 实载时室内外空气平均含水量的季节变化Fig.2 Air average humidity in different seasons both inside and outside during solar drying process

娃娃菜在不同季节干燥，室外空气含水量均低于室内，满足干燥需求。其中，夏季室内外空气含水量差达到最大值3.44g/kg，最小值出现在秋季，为1.23g/kg。说明在西北地区实载的条件下，室外绝对湿度显著小于室内绝对湿度，我们正是利用“湿差”，通过风机将室外相对干燥的空气抽进室内，带走物料及室内湿度较大的空气，达到物料脱水的目的。

2.2 在一个干燥周期内湿差脱水的效果

2.2.1 四季太阳能湿差脱水曲线 为验证湿差脱水效果，在不同季节，将150kg娃娃菜于11:00放入干燥室，开启进出风机，在太阳能干燥室中进行脱水干燥。白天物料的干燥为太阳能与干空气共同干燥，夜晚将由空气独立进行干燥，每1h称重并记录脱水车间内外温湿度数值，直至娃娃菜含水率将为10%左右结束。每季节做两次实验，取平均值。绘制不同季节脱水曲线见图3。

图3结果表明，秋季平均干燥时间为72h，冬季为64h，春季为30h，夏季为28h。夏季干燥时间短，秋季干燥时间长与室内外温度及空气含水量差值有关，符合2.1结果。较以往报道，太阳能与干空气共同干燥明显缩短了干燥时间。

图3 不同季节脱水曲线Fig.3 Drying curves under different seasons

2.2.2 夜间湿差脱水分析 为独立研究干空气辅助脱水能力，排除太阳能作用的效果，将150kg娃娃菜于11:00放入干燥室，开启进出风机，在太阳能干燥室中进行脱水干燥。于夜间(20:00～次日5:00)，每1/2h监测记录室内外空气温湿度，转化为空气含水量。由2.2.1结果可知，秋冬季干燥时间大约为3d，春夏季干燥时间约为1.5d，故以冬夏为例研究夜间空气干燥情况，实验结果见图4。

由图4结果可知，在夜间没有太阳提供能量时，室外空气含水量均低于室内，且室内外空气含水量趋于稳定，说明室外干空气可以稳定地辅助太阳能进行脱水。其中，冬季夜间室外平均空气含水量为1.23g/kg，室内空气含水量随着物料脱水的进行逐渐降低。

结合图3、图4，冬季白天(6:00～19:00)共脱水106.3kg，夜间及早晨(20:00～次日5:00)共脱水29.7kg，夜间及早晨脱水量占总脱水量的22%。说明在太阳能间歇期，利用干空气湿差脱水，完成了超过1/5的脱水量。夏季白天共脱水127.5kg，夜间及早晨共脱水8.7kg，夜间及早晨脱水量占总脱水量的6.4%。夏季夜间湿差脱水量较低，主要是由于温度高、干燥速度快，大部分水分已在白天脱除的缘故。实验表明湿差脱水能够有效辅助太阳能干燥过程。

2.2.3 湿差脱水效果 由于白天太阳提供的热能传递给空气，热空气进一步对物料进行脱水，湿热交换后，湿空气由排湿风机排出，故将太阳能干燥与干空气辅助干燥看作同一过程研究，在脱水车间内于不同季节进行满载湿差脱水实验，每1/2h观测脱水车间空气进出口温湿度数值，利用焓湿图计算软件计算空气含水量，取平均值，结果见表2。

表2 进出口空气含水量Table 2 Air humidity at the inlet and outlet

由于干燥室密闭，故可根据进出口风机风量结合空气含水量，计算理论干燥时间，计算过程如下。

蒸发1kg水所需的干空气质量M(g)用公式(1)计算:

式中:d2为出口空气含水量，d1为进口空气含水量，把表2数据代入式(1)中。

图4 夜间室内外空气含水量Fig.4 Air humidity both inside and outside in the night

式中:U为空气比容(m3/kg)，U随空气温湿度变化，结果见表3。

表3 干空气的比容和蒸发1kg水所需空气体积Table 3 The specific volume of dry air and the air volume for evaporating 1kg water

进风口的风量(L)为1600m3/h，用150kg娃娃菜进行满载脱水实验，脱至含水量为10%结束，脱水量为141kg。湿差脱水理论时间(T0)用公式(3)计算:

结果见表4。从表4可知，理论干燥时间低于实际干燥时间。主要是由于娃娃菜组织对水分的束缚，降低了水分的散失速度。四季的干燥效率都在80%左右，说明脱水车间在四季都能稳定进行湿差脱水。

表4 不同季节的干燥效率Table 4 Drying efficiency in different seasons

2.3 干燥曲线数学模型

2.3.1 薄层干燥方程 娃娃菜干制在太阳能脱水车间中进行，根据干制特点选用薄层模型，其一般形式为MR=(Mt-Me)/(M0-Me)，本文选用Cubic模型进行拟合，即

式中:t-干燥时间(h);MR-水分比;Mt-t时刻物料的湿基含水率(%);M0-物料湿基初始含水率(%);Me-娃娃菜的湿基平衡含水率(%);b0，b1，b2，b3-为待定常数。

2.3.2 方程的拟合 利用spss17.0软件对本次实验结果进行非线性模型拟合，并进行显著性检验。结果如表5所示。

表5 参数估计及其显著性检验Table 5 Parameter estimation and test of significance

由方差分析可知，模型在1%置信水平下均为极显著，所有模型R2＞0.985，说明模型与实验值拟合的非常好。拟合曲线见图5。

图5 不同季节拟合曲线Fig.5 Fitting curve in different seasons

2.4 太阳能干燥能耗

太阳能与干空气联合干燥过程中，消耗的主要为电能，用到的电器有:SF2.5-4R轴流风机1个，功率200W;YY63-4申奇牌轴流风机2个，总功率180W;其它电器设备功率100W。消耗的电能Q用公式(5)计算:

式中:P为使用的电器设备功率(W)，T为电器设备的使用时间(h)。结果见表6。

从表6可知，脱水车间在春夏季节能耗较小，秋季能耗最大。以CT-CIV热风循环烘箱干燥为例，干燥150kg娃娃菜需耗能64.8 kW·h。节能率用公式(6)计算:

将表6的数据代入式(6)中，公式(6)计算结果为:夏季将最大节能79%，秋季最小节能47%。

表6 不同季节干燥能耗Table 6 The drying energy consumption in different seasons

3 结论

太阳能脱水车间内外空气含水量差异显著，适合一年四季连续工作。太阳能脱水车间夜间利用干空气可以稳定的进行湿差脱水。太阳能脱水车间能够有效利用空气湿差脱水，干燥效率全年保持在80%左右。太阳能脱水车间节能效果明显，最大节能率达到79%。实验结果表明，Cubic模型可以较好地描述水分比随干燥时间变化的关系。

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Research of humidity difference dehydration technology in solar drying chamber

MA Bao-long1，ZHANG Yong-mao2，*，BI Yang1，ZHANG Hai-yan2，ZHANG Fang2
(1.College of Food Science and Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China;2.Institute of Agricultural Product Storage and Processing Research，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China)

TS205.9

A

1002-0306(2012)12-0349-04

2011-08-25 *通讯联系人

马宝龙(1986-)，男，硕士研究生，研究方向:农产品贮藏及加工工程。

国家“十一五”科技支撑计划(2007BAD52B03);科技部2007年农业科技成果转化资金项目(2007GB2G100323);甘肃省2008年重大科技专项(0801XKDA027);公益性行业(农业)科研专项(nyhyzx07-024);现代农业产业技术体系建设专项资金。