核桃热泵穿流干燥特性

(陕西省农业机械研究所,陕西咸阳 712000)

核桃产业作为陕西省主要干杂果经济林产业之一,在调整农村产业结构、促进农民脱贫致富、加快山区经济发展等方面发挥着重要作用[1]。近年来,陕西省核桃种植面积不断扩大,核桃产量不断上升,除部分用于鲜食消费外,大量的核桃以干制原核桃形式在市场流通,并作为核桃精深加工的原材料。采收后的鲜核桃脱青皮处理后,含水率高达35%～40%,如干燥不及时,很容易霉变。现陕西省内核桃干燥方式主要以自然晾晒和烘干房盘式热风干燥为主,不仅占用空间大、干燥时间长,且人力投入较大,严重制约核桃相关食品产业化的发展。热泵干燥与其他干燥方式相比,具有能效高、无污染、卫生安全、可控性高,可搭配智能控制技术等优点,随着社会对环境保护意识的增强以及工业智能化的发展,热泵在农副产品干燥处理中的应用逐渐增加。

目前,田翔[2]、王庆惠[3]等设计了一种核桃专用干燥设备并研究了热风干燥条件下,温度、风速和装载深度对核桃的干燥特性。李绚阳[4]等研究了核桃热泵薄层干燥特性并建立了热泵薄层干燥数学模型。陈智平[5]等进行了以热泵为热源的滚筒型核桃干燥设备变温干燥和鼓风干燥箱恒温干燥的对比试验,研究表明热泵干燥的核桃色泽口感更接近核桃原有品质。但目前国内关于核桃热泵穿流干燥的特性研究较少。本文以陕西省“香铃”核桃为实验材料,研究深层装载形式下核桃的热泵干燥特性及干燥均匀性,旨在为核桃深层干燥提供更全面的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

试验用核桃 购于陕西省咸阳市,品种为香玲,是陕西省内主产核桃品种之一。所采购青皮核桃用青核桃脱皮清洗一体机进行脱皮清洗处理,获取外形完整、大小均匀的湿核桃用于试验。湿核桃平均质量20.91 g/个,平均横径(34.21±0.75) mm,纵径(38.22±1.07) mm,棱径(32.46±0.89) mm,壳厚(2.23±0.26) mm,平均湿基含水率为37.10%±2.00%。

AIC-21001型电子秤 常州天之平仪器设备有限公司;希玛AS856风速测量仪 厦门欣锐仪器仪表有限公司;6TQH-500青核桃脱皮清洗机 陕西省农业机械研究所研制;核桃穿流干燥试验设备 陕西省农业机械研究所研制;HG-400型核桃烘干机 陕西省农业机械研究所研制。

1.2 实验方法

1.2.1 试验设备及原理 核桃热泵穿流干燥试验设备如图1所示,该试验设备由空气能热泵(额定输入功率5.2 kW,离心风机功率1.1 kW)、热风管道、集风腔、筛网板、机架等组成。作业时,热泵热量由热风管道输送至集风腔,热量透过筛网板与储料腔内的核桃进行热量交换,蒸发并带走核桃的水分,热空气最后由核桃堆表面溢出,排到大气中。HG-400型核桃烘干机(如图2所示),该机风机功率1.1 kW,电加热管功率8 kW,烤盘数量48个。

图1 核桃热泵穿流干燥试验设备Fig.1 Through dryer of walnut注:1.空气能热泵,2.控制面板,3.热风管道,4.集风腔,5.机架,6.筛网板,7.下层样品袋,8.核桃网袋,9.上层样品袋,10.储料腔。

图2 HG-400型核桃烘干机Fig.2 HG-400 walnut dryer

1.2.2 热泵穿流干燥试验 在风速恒定为1 m/s,核桃初始湿基含水率为37.10%±2.00%的条件下,分别研究装载深度为0.3、0.6、0.9 m时,各装载深度核桃在35、45、55 ℃干燥温度下的干燥特性。

实验前首先预热热泵,使集风腔内热风温度达到要求温度,并对经6TQH-500青核桃脱皮清洗机处理过后的核桃进行挑选,选取外形完整、大小均匀的湿核桃,沥干表面水分待用。试验时,样品核桃放置于塑料网袋内,每袋装50个核桃,重(1.00±0.45) kg,上下层样品核桃分别平铺放置于储量腔中间位置,垂直位置如图1所示。装载核桃时,在储料腔底层和顶层分别平铺约5 cm厚的湿核桃,其中底层湿核桃直接平铺,而顶层湿核桃装在塑料网袋内。上下层样品袋位置如图1所示,样品袋之间的核桃均装在塑料网袋内。

核桃干燥过程中,每隔4 h称量并记录上层样品重量,然后将样品袋迅速放回原处,直到该次称重结果与上次相比差值小于0.002 kg,结束烘干,并取出下层样品袋称量并记录。统计核桃试验数据时,以湿基含量表示含水率。

1.3 干燥参数的计算方法

含水率及干燥速率由以下公式计算所得:

式(1)

式中:Wt:干燥时间t时核桃的含水率,%;Mt:干燥时间t时刻核桃的质量,kg;Mg:核桃干物质的质量,kg。

式(2)

式中:Ut:干燥时间t时核桃的干燥速率,%/h;Δt:两次取样的间隔时间,h。

1.4 数据处理

利用Excel 2010软件对试验数据进行处理及分析。

2 结果与分析

2.1 核桃含水率在不同干燥温度下的变化

由图3可知,在不同温度下,装载深度为0.3、0.6、0.9 m时,核桃含水率均随干燥时间的延长而呈逐渐降低趋势,温度越高,含水率下降越快。干燥温度为35 ℃,干燥时间32 h后,装载深度为0.3、0.6、0.9 m时,含水率下降均开始趋于平稳,并在44 h时达到干燥要求;干燥温度为45 ℃时,含水率在24 h后趋于平稳,较35 ℃提前8 h,干燥时间缩短为40 h。而干燥温度为55 ℃时,装载深度为0.3 m和0.6 m时,整个干燥时段,含水率下降趋势接近,并在32 h达到干燥要求,干燥时间较35 ℃时缩短了37.5%;当装载深度增加到0.9 m时,含水率下降趋势较0.3 m和0.6 m时平缓,干燥时间增加到36 h。在干燥初期,各装置深度含水率差异较小,随着干燥时间的增加,含水率差异逐渐增大,到干燥后期,含水率差异又逐渐接近,这是由于干燥初期,湿核桃的初始含水率相近,而到后期,核桃内大部分水分蒸发排出,均接近目标干燥含水率。在干燥中后期,温度对各装载深度的含水率影响较小。

图3 不同干燥温度下核桃干燥特性曲线Fig.3 Drying characteristics curve of walnut atdifferent hot-air temperatures注:a:干燥温度35 ℃;b:干燥温度45 ℃;c:干燥温度55 ℃;图4同。

2.2 核桃干燥速率在不同干燥温度下的变化

干燥初始阶段,储料腔内温度的逐渐升高,水分蒸发加快,湿核桃干燥速率迅速增大,装载深度0.3 m时干燥速率率先达到峰值,之后是0.6 m和0.9 m,均在12 h内达到峰值,之后进入降速阶段,并在干燥后期,不同装载深度的干燥速率逐渐接近,但随干燥温度的增加和装载深度的增加干燥速率差异增大,这是因为干燥后期,核桃内部自由水分含量降低,干燥速率受核桃内部水分扩散规律影响[6-8],装载深度越大,热风运动受到顶层核桃的阻挡作用越大。干燥温度55 ℃装载深度0.3 m时,最大干燥速率达到2.47%/h,分别是45和35 ℃时的1.46和1.21倍。装载深度为0.9 m时,干燥温度45 ℃和55 ℃时,干燥速率均在干燥时间8 h时达到峰值,分别为2.29和2.30%/h。

表1 核桃在不同干燥条件下上下层含水率变化表Table 1 Moisture content of upper and lower layers of walnut under different drying conditions

图4 不同干燥温度下核桃干燥速率曲线Fig.4 Drying rate curve of walnutat different hot-air temperatures

2.3 干燥均匀性

每组烘干试验结束后,取出下层样品袋称重记录,并计算其湿基含水率,与上层样品终了湿基含水率对比,以研究核桃热泵穿流干燥均匀性。由表1可见,干燥温度为35 ℃时,上下层含水率差异较小,随着干燥温度的增高及装载深度的增加,上下层含水率差异增大,即干燥均匀性降低,这是由于上层堆积的核桃阻碍了热空气的运动,但下层核桃由于受热蒸发出的水汽不断向上传递到上层,导致上层核桃最终含水率比下层高。装载深度为0.3 m和0.6 m时,随干燥温度的增加,干燥时间缩短,但上下层含水率差异变大,及干燥均匀性降低。装载深度为0.9 m,干燥温度为45 ℃时的上下层含水率与55 ℃的上下层含水率接近,即干燥温度的增加对干燥均匀性的影响较小。

2.4 最佳干燥工艺参数的确定

风速恒定为1 m/s时,干燥温度越高,含水率下降越快,干燥速率达到峰值的时间越短,干燥周期缩短,装载深度相同时,干燥温度55 ℃比35 ℃,干燥周期缩短37.5%,但干燥均匀性降低,同时结合干燥过程中干燥温度对核桃品质的影响[9-10],将45 ℃确定为最佳干燥温度。干燥温度确定时,由图3(b)可见,装载深度由0.3 m增大到0.9 m,干燥时间均为40 h,综合干燥效率,将装载深度确定为0.9 m。故核桃热泵穿流干燥最佳干燥条件为:干燥温度45 ℃,风速1 m/s,装载深度0.9 m。

2.5 干燥性能分析

确定核桃热泵穿流干燥最佳干燥条件后,为验证其干燥性能,选择目前国内广泛使用的盘式烘干设备与热泵穿流干燥试验设备作对比试验[11],从干燥效率、能耗、人工成本等方面对其干燥性能做分析[12]。其中盘式烘干设备选用陕西省农业机械研究所研制的HG-400型核桃烘干机(如图2所示)。进行对比试验时,核桃直接堆积在热泵穿流干燥试验储料腔筛网板上方,由提升机完成装料。具体试验数据见表2。

表2 性能对比Table 2 Performance comparison

由表2可见,热泵穿流试验设备干燥容积仅为HG-400型核桃烘干机的16%,但单批次处理量却基本相等;单位耗电量为0.43 kW/kg是HG-400的40%,装卸料耗时缩短1.9 h。综合比较,热泵穿流试验设备在能耗、干燥效率、干燥容积利用率等方面都优于HG-400型核桃烘干机。

3 结论

热泵穿流干燥最佳干燥工艺参数为:干燥温度45 ℃,风速1 m/s,装载深度0.9 m。采用最佳干燥工艺参数,对比分析热泵穿流干燥设备与盘式烘干设备的干燥性能,研究表明热泵穿流干燥设备单位耗电量是HG-400型盘式烘干设备的40%,装卸料耗时缩短1.9 h,仅为HG-400型盘式烘干设备的20%。综合比较,热泵穿流试验设备在能耗、干燥效率、干燥容积利用率等方面都优于HG-400型核桃烘干机。