中高温热泵干燥技术在竹笋加工中的应用

李浩权，刘 军，吴耀森，龚 丽，龙成树，刘清化

（广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630）

0 引言

竹笋素有“寒土山珍”之称，具有高纤维、高蛋白、低脂肪等特点，是纯天然绿色健康食品，深受消费者喜爱。我国拥有十分丰富的竹类资源，但竹笋采收期短、不耐贮藏，仅40%鲜笋直接食用，其中60%用于加工。传统竹笋加工方式主要有竹笋干、竹笋罐头及竹笋保鲜等[1]。竹笋干燥是竹笋加工中最为常见的一种方式，国内相关学者对竹笋干燥方式、干燥特性及干燥工艺进行了大量研究，其中徐艳阳等人[2-3]进行了毛竹笋真空冷冻干燥、真空冷冻与热风联合干燥试验研究，确定了真空冷冻与热风联合干燥的较佳组合工艺。杨金英等人[4]对竹笋微波干燥动力学及工艺进行了试验研究。林启训等人[5]对竹笋热泵脱水及工艺参数进行了研究。陆蒸等人[6]对毛竹笋热泵干燥特性进行了研究。众多学者均涉及干燥特性和干燥工艺研究，并未对竹笋干燥设备进行分析研究。试验通过对竹笋热泵干燥特性进行研究，针对竹笋干燥特性研制热泵干燥设备，并进行生产试验。结果表明，设备达到了设计要求，能够满足干燥生产要求，并且干燥品质明显优于传统晾晒和热风干燥。

1 竹笋热泵干燥工艺研究

1.1 干燥工艺流程

鲜竹笋→去壳→清洗→切片→分组、称量→热烫→护色处理→沥干水分、称量→干燥、数据记录→收集、贮藏。

1.2 试验方案设计

采用单因素试验设计，根据试验装置的温度工作范围，参考常见物料干燥温度，选择温度55℃，风速为2.0 m/s作为固定参数，进行单因素试验研究。

单因素设计见表1。

1.3 干燥速率

表1 单因素设计

干燥速率（V） 按下式计算。

1.4 单因素试验结果分析

不同因素对竹笋热泵干燥速率的影响见图1。

图1 不同因素对竹笋热泵干燥速率的影响

由图1（a）可知，干燥温度对竹笋干燥速率影响明显，在35～55℃时呈线性增长，当干燥温度超过55℃时，随着干燥温度的增加竹笋干燥速率变化不明显；由图1（b）可知，干燥风速和热烫时间对竹笋干燥速率影响较小。根据试验结果可知，竹笋热泵干燥温度为55℃，干燥风速≥1.0 m/s，为竹笋热泵干燥机设计依据。

2 竹笋热泵干燥机

2.1 控温控湿热泵系统应用

普通热泵干燥机与竹笋热泵干燥机空气处理流程见图2。

图2（a） 为普通热泵干燥机加热系统，具有加热和除湿功能的热泵系统，其空气处理过程为1’-2’-3’，1’-2’为降温除湿过程，2’-3’为等湿加热过程，空气3’流向物料带走水分变为状态1'。图2（b）是竹笋热泵干燥设备热泵系统，空气处理过程为1-2-3-4-5，1-2为预降温过程（不耗能），2-3为降温除湿过程，3-4为预加热过程（不耗能），4-5为等湿加热过程，空气5流向物料带走水分变为状态1。

图2 普通热泵干燥机与竹笋热泵干燥机空气处理流程

2.2 除湿速率控制技术应用

蒸发面积（蒸发温度）、冷凝面积（冷凝温度）和风量是决定热泵除水效率的3个主要因素[7]。竹笋热泵干燥机通过调节风量实现除湿速率控制。

热泵除水量与风量关系见图3。

图3 热泵除水量与风量关系

由图3可知，随着风量增加，热泵除水量先增后减，在某一风量值上除水量出现最大值，把风量控制在G1～G2的范围内可实现最大除水量控制，要使实际风量运行在G1～G2，应满足条件，不管风量增加或减少，除水量（D）都减少。对干燥机除水量进行检测，实时反馈给控制系统，通过除水量变化来调节风量。

除湿速率控制系统结构图见图4。

图4 除湿速率控制系统结构图

2.3 旁通风技术应用

热泵除湿时，湿空气的ε具有一个最小值，这个最小值与进入蒸发器前的湿空气状态（A） 有关。

旁通风湿空气处理过程见图5。

图5 旁通风湿空气处理过程

由图5可知，过A点作饱和状态线的切线AB，切线上的所有状态均能获得ε的最小值，但蒸发器除湿的原理是使A沿等湿线到达饱和状态点N，再由N到B才能实现ε在除湿过程取得最小值。

旁通风热泵系统见图6。

图6 旁通风热泵系统

由图6可知，旁通风热泵系统利用一个与蒸发器并联的旁通风阀（5），控制流经蒸发器表面风量，使流经蒸发器的湿空气由状态A变成状态B，B与旁通风A混合成C，因此它可以使ε最小。

由图5可知，若A为低温低湿空气（温度58℃，相对湿度50%），理论上B的温度大约35℃，那么旁通风阀的任务就是调节风量使A经过蒸发器后变成B，实现了用最小的冷量除最多的水。

竹笋热泵干燥机中，旁通风控制技术的主要作用是使流经蒸发器和冷凝器的风量不一致，从而实现两换热器的风量单独调节，满足系统对不同温度和湿度空气的需求。旁通风技术结合除水量控制的质量传感器和电气系统，自动调节旁通风阀（5），实现了除湿量的二次控制。

3 实际生产应用情况

研制的竹笋热泵干燥设备在湖南某竹笋加工企业进行生产应用，并对生产过程参数进行了详细的记录。热泵干燥设备物料投放量1 600 kg，干燥时间36 h，耗电量742.8 kW·h，得到干燥成品496.7 kg。具体情况如下。

3.1 干燥工艺

根据响应面优化参数，在实际生产过程中考虑到设备运行情况及实际干燥情况，干燥前期物料水分含量较高，水分迁移速率较快，物料升温需要吸收大量热量，温度上升和湿度下降较慢，故前期采用分段逐渐升温和降湿干燥工艺。待物料温度达到50℃以上后，采用相对较高温度和降低湿度进行干燥。通过多次生产试验，得到竹笋热泵干燥工艺参数。

竹笋热泵干燥工艺见表2。

表2 竹笋热泵干燥工艺

3.2 竹笋大批量生产干燥曲线

竹笋干燥曲线见图7。

图7 竹笋干燥曲线

对竹笋干燥过程中送风端和回风端进行取样记录，得到干燥曲线。

由图7可知，在干燥前期0～4 h阶段，热量主要被物料吸收，干燥速率缓慢，回风端物料水分含量变化较送风端缓慢；当干燥进行至6 h后进入快速干燥阶段，回风端干燥速率明显慢于送风端；直至22 h左右，送风端物料干燥速率逐渐降低，回风端物料干燥速率逐渐增加。由于送风端高温低湿干燥空气经过物料表现后逐渐吸收水分，空气湿度逐渐增加，导致回风端干燥速率变化落后于送风端，随着送风端物料逐渐被干燥，回风端干燥速率增加。

3.3 干燥能耗、品质分析

据测算，传统燃煤热风干燥能耗成本为2.0元/kg成品。根据实际生产使用统计，热泵干燥496.7 kg成品耗电量为742.8 kW·h， 以1.0元/（kW·h） 计算可得，热泵干燥成本为1.5元/kg成品，干燥能耗为2 423.71 kJ/kg水。其中，传统热风干燥需要对竹笋进行翻边才能使得干燥均匀，热泵干燥不需要翻边，进一步节约了生产成本。

竹笋热泵干燥品质明显优于传统热风干燥，从色泽上比燃煤热风颜色更浅、更自然。相比燃煤热风干燥的竹笋色泽发黑。

不同干燥方式干燥后照片见图8。

图8 不同干燥方式干燥后照片

传统热风在干燥和翻边过程中很容易带入粉尘等杂质，热泵干燥环境密闭，不受车间环境等因素的影响，保证竹笋成品的品质。

3.4 温度和湿度运行曲线

通过热泵干燥设备控制程序对设备运行温湿度自动记录，绘制了热泵竹笋干燥设备运行温度和湿度曲线。设备根据预设工艺参数，采用回风湿度控制（可以选择送风湿度和绝对湿度控制模式），实现干燥过程的自动化。

竹笋热泵干燥设备运行曲线见图9。

图9 竹笋热泵干燥设备运行曲线

由图9可知，送风温度在2 h后，从环境温度上升至设定目标温度，并在后续干燥过程中与设定温度曲线基本吻合。说明设备温度控制性能较好；回风温度在干燥前期基本保持与送风/设定温度低5～10℃，随着物料温度逐渐上升和失水，送回风温度差距逐渐缩小，在干燥至26 h后基本保持一致；干燥前期物料水分含量较高，出水速度大于设备除湿速度，回风湿度一直位于设定湿度上方，至干燥14 h左右，送回风湿度基本与设定湿度偏差较小，设备设计最大除湿量是依据总去水量和客户要求干燥时间设计的，并且考虑到整体能耗成本，故干燥前期最大除湿量小于物料去水速率。

4 结论

竹笋热泵干燥应用了旁通风、除湿速率控制和控温控湿技术，并实现了干燥工艺分段自动控制，干燥过程自动化，具有高效、节能、环保的特点，与传统燃煤热风相比节约成本25%以上，可改善现有竹笋加工技术装备水平，提高竹笋干燥加工品质，保障食品卫生安全。竹笋热泵干燥技术亦可用于其他农产品加工干燥，具有较好的应用前景。