低氧热泵干燥技术的国内外研究概况

胡珊　黄皓　梁卫驱　罗华建　陈仕丽　李艳芳　徐匆

摘 要 低氧热泵干燥技术是采用其他气体，如二氧化碳和氮气等代替常规空气作干燥介质，密闭循环系统进行低氧环境的气调干燥加工。该技术提升干燥品质，节约能耗，提高干燥效率，有效解决氧敏性、热敏性物质的干制问题，有广阔的应用前景。本文介绍低氧热泵干燥技术中不同气体作干燥介质的物性研究、对干燥品质特性的影响、相关装置的研制等方面的国内外研究概况。

关键词 低氧 ；热泵干燥 ；干燥介质 ；干燥品质

中图分类号 TS255 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.10.018

Abstract The hypoxia-heat pump drying technology can dry the air in a closed circulation system by using other gases such as carbon dioxide and nitrogen instead of conventional air. This drying method can improve the drying quality， save energy and raise dry efficiency. It is also an effective way to solve the drying problem of some materials sensitive to heat and oxygen. This technology has a wider application prospect. The research and development of hypoxia-heat pump drying technology were reviewed， including the characteristics of drying medium， the quality of dried products and its related devices.

Keywords hypoxia ； heat pump drying ； drying medium ； drying quality

干燥品质的改善和干燥效率的提高，是目前干燥技术研究的主要方向。干燥过程中品质劣化的主要原因是有氧环境、高温、酶促褐变等，而氧气、温度、多酚氧化酶是酶促褐变的主要条件[1]。因此，干燥过程中，温度和氧气浓度是影响干制品品质的2个主要因素。降低干燥过程中的氧含量和干燥温度是改善干制品品质和提高干燥效率的重要途径。

低氧热泵干燥技术是采用其他气体如二氧化碳和氮气等代替常规空气作干燥介质，在封闭式热泵干燥系统实现设备内定量气体循环传质、传热，达到低氧干燥效果。该技术不仅可通过对闭式干燥系统中定量气体的成份调节作干燥介质，进行低氧环境的气调干燥加工，减少因氧化和酶促反应对干制物料的色泽、营养物质和挥发性香气物质造成不同程度的破坏和损失，改善干制品的品质；又改变了热风干燥过程不断吸入新鲜气体，排出高温废气的传统模式，有效利用干燥过程的潜热，大大节约能耗，提高干燥效率[2]。技术能有效解决氧敏性、热敏性物质的干制问题，提升品质，降低能耗，实现高效、清洁、环境友好干制加工生产，有广阔的应用前景。本文介绍低氧热泵干燥技术中不同气体作干燥介质的物性研究、对干燥品质特性的影响、相关装置的研制等方面的国内外研究概况。

1 不同气体作干燥介质的物性研究

表面传热传质系数是影响干燥过程中热质传递的重要参数。在干燥过程中，表面传热传质系数除了受流动状态和接触面积的影响外，也受干燥介质的密度、粘度、热导率和比热容等物性参数的影响。不同气体作干燥介质，由于各种气体的物性参数均不相同，所以其干燥过程的流动状态和热质传递性能与常规空气干燥必有差别。

Hawlader等[3-4]研究姜、番石榴和番木瓜等在二氧化碳、氮气与标准空气不同种介质的热泵干燥，氮气作干燥介质得到的有效扩散率最大，二氧化碳其次，标准空气最低。Doungporn等[5]对不同物料的气调干燥速率进行分析，认为高湿度的物料如苹果、胡萝卜等受干燥介质的氧气体积分数的影响较为显著，会导致其干燥速率随着氧气体积分数的降低而提高，而低湿度的谷物（干基含水率32%）则不受氧气体积分数的影响。谢继红等[6]研究空气、氮气、二氧化碳、氩气、氢气、氦气6种热泵干燥介质的基本物性和热物性数据，包括1个大气压下不同温度下的密度、定压比热容、热导率、导温系数、运动黏度、动力黏度等，并对各种干燥介质的适用性进行分析。根据物料物性和干燥过程的需要， 在热泵干燥装置中采用由上述单种或多种气体组合得到的干燥介质，选择最佳干燥介质，实现干燥速率快、能源效率高、干燥品质好等多个目标，为采用空气之外的其他适宜干燥介质提供了良好的研究基础。陈东等[7]采用氢气作为干燥介质，在相同的并流厢式热泵干燥装置结构尺寸和干燥工艺参数条件下，氢气与物料间的传热系数约为空气的2.5倍，传质系数约为空气的1.5倍，流动阻力约为空气的1/5，而单位体积与水蒸气饱和混合物中的水蒸气质量及在绝热干燥过程中吸收水蒸气的能力均与空气基本相同。研究表明采用氢气作为干燥介质具有突出的综合优势，可为物料提供不含氧的干燥环境，还可使干燥速率明显提高，使风机功耗大幅度降低。但氢气易燃易爆，应用时须完善安全技术和提供管理制度保障。朱文学等[8]绘制含氮气混合气流定压湿焓图及温湿图，推导不同氮气含量混合气流状态参数和传热传质系数的计算公式并进行规律分析，结果表明，随着氮气含量的增加，混合气流的密度、粘度、热导率和比热容均减小，扩散系数增大，传热系数减小，传质系数增大，干燥速率逐渐增加。

不同物料干燥对干燥介质的要求亦不同，作干燥介质气体的种类和浓度跟物料的特性密切相关，因此对不同气体作干燥介质的物性研究是低氧热泵干燥技术有效实施的基础。

2 低氧热泵干燥技术对干燥品质和效率的影响

低氧热泵干燥技术能有效解决干燥过程中干制品外观色泽劣变、营养物质损失和能耗高等难题，有效提升干燥品质，提高干燥效率，备受国内外干燥加工研究学者的关注。

Hawlader等[3]研究真空干燥、冷冻干燥、以空气、氮气、二氧化碳作干燥介质的热泵干燥番石榴和番木瓜时干燥动力学、干燥品质。结果表明，用二氧化碳作热泵干燥介质，干燥过程中番石榴的有效扩散率提高44%，番木瓜的有效扩散率提高16.34%，还能有效减少褐变，快速复水，VC保存率高；还比较以空气、氮气、二氧化碳作不同热泵干燥介质干燥厚度为3 mm的姜片的干燥特性。液相色谱法分析检测不同干燥方式干制品中的主要功能成分姜辣素（6-姜酚）含量，姜辣素保留含量按以下顺序依次增大热泵干燥，冷冻干燥，氮气热泵干燥，二氧化碳热泵干燥和真空干燥。由此可见，低氧热泵干燥比其他大部分干燥方法更能有效保存功能成分[4]；以氮气或二氧化碳为干燥介质的热泵干燥干制苹果、番石榴、土豆等，在45℃、10%湿度下，其干制品有很好的物性，减少收缩，更发达的多孔结构和更好的复水性，在色泽上同真空冷冻干燥相似[9]。ONeill等[10]认为采用氮气或二氧化碳代替常规空气进行干燥，可有效减轻褐变、提高产品孔隙率及缩短干燥时间。Borompichaichartkul等[11]研究氮气作干燥介质夏威夷干果分阶段热泵干燥技术，包括干燥动力学、干燥品质和干燥过程的能耗。研究表明，第一阶段40℃氮气干燥介质中烘，第二阶段60℃空气干燥介质中烘，可获得品质优良的干果和最小能耗。卢永芬[12]根据CO2作干燥介质调节氧含量热泵干燥食用菌的试验结果，建立不同温度下O2、CO2含量与蘑菇褐变度的数学关系式。在O2含量较低时，随O2含量的降低，褐变度下降明显，而温度对褐变度的影响较小；随着O2含量的升高，尤其当O2含量大于14%时，温度对褐变度的影响变大，而O2含量对褐变度的影响变小。而随着CO2含量的升高，褐变度先是减小，然后增大。以CO2含量在70%为界，含量小于70%的范围内，随着CO2含量的升高，褐变度减小；含量大于70%的范围内，随着CO2含量的升高，褐变度反而增大。罗磊[13-14]等以氮气为干燥介质调节设备中氧体积分数，研究氧体积分数对哈密瓜和苹果热泵干燥速率、表观亮度（L值）、VC和总酚含量等指标的影响，结果表明氧体积分数对哈密瓜片和苹果片干燥速率无显著影响，但能够明显降低其VC和酚类物质的氧化损失，哈密瓜片和苹果片L值提高，有效改善干制品表面色泽和保存营养物质。此外，还选择Page方程和单项扩散模型2种干燥模型进行苹果薄层干燥模型分析，结果表明，Page模型的预测值和实验值一致度高，较适于拟合苹果片充氮低氧热泵干燥过程[15]。刘云宏等[16]研究金银花的低氧热泵干燥技术，干燥温度的提高可显著缩短干燥时间，氧气体积分数的降低可略微缩短干燥时间；水分扩散系数随温度的提高及氧气体积分数的降低而增大，但降低氧气体积分数对提高水分扩散的积极作用有限；利用威布尔分布函数拟合的金银花干燥曲线，拟合精度较高，并确定尺度参数和形状参数方程；金银花的功能成分绿原酸含量随着氧气体积分数及干燥温度的下降而升高，与真空干燥的含量类似。吴佳[17]采用氮气源热泵技术干燥胡萝卜，β-胡萝卜素的保留率随氧含量下降而显著提高，40℃、5%氧含量时，β-胡萝卜素的保留率为86.7%，与真空干燥的最优水平相当（60℃，β-胡萝卜素的保留率为87.1%），但干燥时间大大缩短，氧含量对β-胡萝卜素保留率的影响达极显著水平。宋宇[18]以干制品色泽、变形程度、β-胡萝卜素以及复水率为评价指标，进行热风、真空、无氧热泵干燥3种干燥方式对比研究，试验结果表明，在干制品色泽和变形程度等外观干燥效果上，真空干燥和无氧热泵干燥的干燥效果明显好于普通热风干燥；胡萝卜中主要营养物质β-胡萝卜素和VC保存含量排序是真空干燥最高，无氧热泵干燥次之，热风干燥最低；在复水率的试验中可以看出，经无氧热泵干燥和真空干燥后的干制品复水效果相对较好，热风干燥较差。

3 低氧热泵干燥装置的研究

低氧热泵干燥技术的研究以优良的干燥装置为保障基础。低氧热泵干燥装置须具备良好的密闭性能，温湿度、风速和氧气浓度等参数的精确智能测控。

Chua等[19]利用2级蒸发热泵干燥系统，实验表明，该干燥系统可将温度和湿度控制在较大范围内，提高系统的操作系数（COP），节约能耗。Teeboonma等[20]利用外置和内置并联双冷凝器有效保证干燥温度在设定范围内。卢永芬[12]，陆烝[21]均对双冷凝器双蒸发器热泵系统和辅助加热装置进行研究，该干燥系统通过不同电磁阀的操作，可形成加速升温、升温除湿、恒温除湿、快速除湿和降温5种组合操作，根据各阶段温、湿度的要求和即时温、湿度测定值选择不同的组合状态，从而达到不同温度、湿度要求下的控温控湿效果。张建峰[22-23]对热泵干燥装置控制系统进行研究，采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller， PLC）和计算机相结合的方法，即PLC为下机位，计算机为上机位的控制系统，可设定干燥室内温度、湿度、风速等参数，在手动控制的基础上实现了自动控制，提高了干燥产品品质，降低了干燥能耗。潘秀霞等[24-25]研制一种基于上、下位机串行的干燥智能测控系统。采用89C51单片机实现温度、湿度、气体成分和物料重量的多路环境参数的检测与智能控制；计算机实现在线参数的可视化显示、处理及建立专家知识库等功能；通过串口方式解决单片机口线紧张问题；模糊控制加模糊自整定PID控制，实现复杂环境温度、湿度、气体成分的有效控制。范海亮[26]根据蔬菜干燥过程特点和热泵干燥环境非线性、大惯性和时变性的特点，设计了一个精确的热泵干燥控制系统。该系统主要由热泵干燥装置、数据采集系统和监控系统组成。利用Fuzzy-PID复合控制器实现干燥室内温湿度的精确；通过变频调速系统能将干燥介质流量控制在稳定，利于物料干燥的范围内；利用数据采集与监控系统（Supervisory Control and Data Acquisition， SCADA），其中，数据采集系统主要由传感器、PLC和模拟量模块组成，PLC作为下位机采集传感器收集温度、湿度、风速等的现场数据采集，监控系统实现对热泵干燥装置多个位置温度和湿度的监控，实现数据实时显示、数据归档、参数初始化设定、控制设定、报警信息查询等功能，能够实现远距离、非现场监控；还利用胡萝卜为干燥物料进行多组实验，验证低氧热泵千燥装置的工作性能，研究胡萝卜的干燥性能。宋宇[18]对热泵循环系统和控制系统进行改造和优化，热泵循环系统增添辅助风机、辅助加热器、高压气体管，构建密闭循环回路，控制系统增添氧气传感器、环境温度传感器、湿度传感器、检测物料内部的温度传感器等设备，实现精确控制的无氧热泵干燥，并对该设备进行干燥曲线、干燥能耗等性能进行测试。

低氧热泵干燥装置的研究涉及到多个学科领域的知识，包括：热泵、干燥、智能测控、物料的特性等，属于技术集成型装置。低氧热泵干燥装置属高性能热泵装置，目前，虽有一些研究，但研究和开发的力度和广度还不够，需要各学科技术人员的共同努力。

4 展望

国内外研究表明低氧热泵干燥技术在干燥过程能耗和干燥品质包括结构特性、视觉特性、营养特性、复水特性等均表现出优势。其低温、低氧的干燥环境为热敏性、氧敏性食品和生物原料等的干燥提供新的途径。目前，国内外研究多集中在干制品品质特性的研究，对低氧热泵干燥装置的研究甚少。低氧热泵干燥技术的发展有赖优良配套装置的支持，低氧热泵干燥装置的研究亟需开展，以利于此干燥技术更好的广泛推广应用。

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