基于多热源互补的胡萝卜组合干燥工艺试验及设备研究

徐英英，马凯坤，袁越锦，李 严，金敬红

（1.陕西科技大学机电工程学院，陕西西安710021；2.中华全国供销合作总社南京野生植物综合利用研究所，江苏南京 210042）

我国是世界第一大果蔬生产国，但由于产后加工技术与设备的落后，我国果蔬产后损耗率为发达国家的8 倍左右［1］。干燥加工是延长农产品货架期、丰富产品种类、帮助劳动者减损增益的重要产后加工手段［2-3］。目前，制约果蔬干制产业发展的一个重要问题是能耗问题，由于果蔬类物料含水率高，且为热敏性物料，干燥温度不能过高，导致生产过程时间长，能耗大，最终产品市场价格较高。据统计，果蔬热风干燥产品的市场占有率可达90%左右，但由于其较多采用燃烧炉作为热源，导致干燥效率低下，污染严重，产品品质低［4-5］。

组合干燥技术是将两种或两种以上的干燥方式进行优势互补，发挥每一种干燥技术的独特优势，以及弥补各自的缺点。对于组合干燥技术，国内外学者已进行了大量的试验与理论研究［6-11］，如：吴海华等人［6］进行了枸杞热风-真空组合干燥试验，发现相比于单一的热风干燥试验与真空干燥试验，采用热风-真空组合干燥技术的干燥时间更短，而且干燥的枸杞品质更好；王静等人［7］针对蒜片进行了真空微波热风组合干燥试验，表明采用真空微波热风的组合干燥时间相对较短，而且能耗更低，干燥产品的品质参数更加优良，并且没有出现热风干燥温度过高时产品的焦化以及明显形变；袁越锦、董继先等［8-9］设计了一种太阳能果蔬热风真空组合干燥设备，以太阳能为主要热源，电加热为辅助能源来实现热风与真空干燥技术的综合利用，相比于传统干燥设备，该设备大幅度降低了设备运行能耗，并且干燥产品的品质更好。

针对上述果蔬干燥过程中能耗大、干制品品质低等问题，拟设计一种多热源互补组合干燥设备，综合利用太阳能、热泵与燃烧炉三种热源［12-14］，分别对热风干燥与真空干燥过程提供热风与热水，搭建设备试验平台，以胡萝卜为试验原料进行了干燥工艺试验；验证该设备的可行性并分析在组合干燥过程中多热源互补模式对提高干燥速率、降低能耗和保留营养成分等的效果，以期为果蔬干燥加工与设备设计提供一定的技术依据。

1 设备整体结构及工作原理

1.1 设备整体结构

果蔬类物料的干燥，即将果蔬中大部分水分除去的过程，需要将鲜果制品（含水率80%以上）干燥至安全含水率（通常10%以下），实现便于储藏运输等目的。因此在果蔬干燥过程中需要脱去大量的水分，所消耗的能量巨大。基于此，本文设计了一种多热源互补组合干燥设备，如图1所示，该设备主要由太阳能装置、热泵装置、燃烧炉装置以及组合干燥箱等组成。

图1 多热源互补组合干燥设备图Fig.1 Multi⁃heat source complementary combined drying equipment diagram

该设备集成太阳能、热泵、燃烧炉三种热源，采用热风真空组合干燥技术，分阶段对物料进行热风干燥和真空干燥。其中，热风干燥的热风来源于热泵和烟气-空气换热器，通过干燥引风机将热风送入干燥箱内进行干燥；真空干燥的热源为热水，来源于太阳能水箱和燃烧炉水箱，通过热水循环泵将水箱中热水送入干燥箱内热水盘管，在真空干燥时为系统提供热量。

1.2 设备工作原理

该设备按照功能可分为热源部分和干燥箱部分：热源部分采用多热源互补技术，集成太阳能、热泵、燃烧炉三种热源，产生热风和热水供给干燥箱，从而实现热风与热水的双向利用。干燥箱部分采用热风真空组合干燥技术，分阶段对物料进行热风干燥和真空干燥。其中，热风干燥阶段所需的热风由热泵系统和燃烧炉烟气换热系统产生，燃烧炉出口高温烟气通过烟气引风机导引，先进入烟气换热器中与干燥新风换热，后送入脱硫除尘器进行脱硫除尘。经过脱硫除尘后的烟气再排入大气，减少了对环境的污染。真空干燥阶段所需的热水由太阳能系统和燃烧炉热水系统产生。多热源集成可以充分发挥每种热源的优势，提高系统的灵活性和适应性，相比于单一热源系统，有效降低了能耗。

组合干燥箱结合了热风干燥技术与真空干燥技术的优点。热风干燥通过对流换热蒸发物料中的水分，因其干燥速率高而被广泛应用，但生产的产品品质较差；真空干燥利用真空泵创造干燥箱内真空环境，降低水分沸点，将热水通入箱内盘管加热物料，蒸发水分，这种技术干燥速率较慢，但真空环境可抑制物料内部的生化反应，保留营养物质，并降低干燥过程对温度的要求。因此，将热风干燥应用于干燥前期，快速蒸发物料内部水分，干燥至一定状态后，转为真空干燥，防止热风干燥剧烈的对流换热引起物料收缩、硬化，并保留营养物质，提升产品品质。组合干燥的产品品质接近真空干燥，但所需时间大幅缩短，节约了能耗。

1.3 设备的运行模式

多热源互补果蔬组合干燥设备运行模式如表1所示。

表1 设备的运行模式Table 1 Operation mode of equipment

2 工艺试验

为了检测多热源互补组合干燥设备在不同热源供热时的运行情况，搭建设备试验平台并进行工艺试验。

2.1 设备试验平台搭建

搭建的多热源互补组合干燥试验平台如图2（a）所示，其中太阳能集热器建于实验楼天台，其余设备均建于实验室内，热风管道与热水管道均采取保温处理。为了观测干燥设备各个部分工作情况，以便对干燥过程进行控制，在样机搭建时安装了数据采集设备，干燥设备温湿度数据采集点分布如图2（b）所示。

图2 多热源互补组合干燥试验平台（a）设备照片和（b）数据采集点分布Fig.2 Multi-heat source complementary combined drying test prototype（a）equipment photos and（b）distribution of data col⁃lection points

2.2 试验材料和仪器

2.2.1 试验材料

试验材料选用从当地农贸市场购得的胡萝卜，要求新鲜，品相良好外形完整，无腐烂虫害、病斑以及损伤。经测定，初始含水率为90%，切片厚度为5 mm。

2.2.2 试验仪器

SFY-60快速水分测定仪（深圳市冠亚电子科技有限公司），电子天平（精度±0.001 g），ZQ194E-9SY-RW 多功能电力检测仪（精度±0.2%），以及计时表、切片机、游标卡尺。

2.3 试验方法

设备试验平台热源包括热泵供热风（Heat pump drying，HPD），燃煤炉供热风（Burning air dry⁃ing，BAD），燃煤炉供热水（Burning water heating，BWH）等，另设有电加热热风（Electric air drying，EAD）和电加热热水（Electric water heating，EWH）作为对比；其中，每个热源都可以独立工作互不影响。为研究不同热源使用时的干燥能耗及性能，设计4组试验如表2 所示，每次试验装载胡萝卜切片20 kg，干燥至含水率8%以下结束。

表2 干燥能耗对比试验设计Table 2 Comparison test design of drying energy consumption

为研究不同干燥模式设备的干燥特性，设计50℃热泵干燥试验（HPD），70℃燃烧炉热风干燥试验（BAD），70℃/70℃燃烧炉组合干燥试验（BADBWH）以及50℃/70℃/70℃热泵+燃烧炉组合干燥试验（HPD-BAD-BWH）。

采用太阳能+热泵+燃烧炉的热源组合方式，以胡萝卜为物料，胡萝卜切片厚度为5 mm，真空度为10 kPa，转换点含水率为60%，中间转换点含水率为30%，进行低温热风温度50℃/高温热风温度70℃/真空温度70℃的变温热风真空组合干燥试验；并以燃烧炉为热源，分别进行70℃热风干燥试验和70℃真空干燥试验。

2.4 试验结果与讨论

2.4.1 干燥特性曲线

50℃热泵干燥（HPD），70℃燃烧炉热风干燥（BAD），70℃/70℃燃烧炉组合干燥（BAD-BWH）以及 50℃/70℃/70℃热泵+燃烧炉组合干燥（HPDBAD-BWH）的干燥特性曲线如图3所示。从图中可以看出，采用50℃热泵干燥（HPD）时，干燥时间最长，为8.2 h；采用70℃燃烧炉热风干燥（BAD）耗时6.0 h；采用70℃/70℃燃烧炉组合干燥（BAD-BWH）耗时最短，为5.5 h；采用50℃/70℃/70℃热泵+燃烧炉组合干燥（HPD-BAD-BWH）耗时为6.2 h。从干燥速率角度来看，采用热风或热泵干燥时，在干燥后期都会出现一段时间的降速阶段，导致干燥速率减小，在70℃燃烧炉热风干燥（BAD）时最为明显。这是由于在干燥的后期，胡萝卜内自由水减少，剩余水分较难由热风干燥带出，导致热风干燥在干燥后期干燥速率较慢。从图3 还可以看出，在加入真空干燥之后，无论是采用燃烧炉热风真空组合干燥（BAD-BWH）还是热泵+燃烧炉热风真空组合干燥（HPD-BAD-BWH），干燥后期的干燥速率都比较高，且一直持续到干燥结束。由此可见，多热源互补组合干燥具有提高后期干燥速率，缩短干燥时间的作用。

图3 不同组合模式的干燥特性曲线Fig.3 Drying characteristic curves of different drying processes

2.4.2 干燥能耗

图4 为在使用不同热源条件下的4 组干燥能耗对比试验结果。从图中可以看出，采用燃煤炉热风的（BAD）试验2 耗电功率为1.63 kw，耗煤量为1.3 kg/h，燃煤炉在运行时，耗电设备仅为风机及脱硫泵的耗电量，因此耗电较少。采用电加热热风（EAD）的试验3（50℃）与试验4（70℃）耗电功率最大，分别为8.20 kw 与14.54 kw；采用热泵干燥（HPD）的试验1耗电功率较小，为2.17 kw。结合试验1与试验3数据可以看出，热风温度相同情况下，热泵干燥能耗远小于电加热干燥，仅为电加热的1/3.7，这说明在消耗同样能量的情况下，热泵可以输出电加热3 倍以上的热量。由此可见，多热源互补组合干燥技术工艺可以有效降低能耗，充分发挥每种热源的优势，克服单一热源的不足，提高系统的灵活性和适应性。

图4 不同热源干燥能耗对比Fig.4 Comparison of energy consumption for drying with dif⁃ferent heat sources

2.4.3 维生素C与胡萝卜素含量

胡萝卜片在三种不同干燥工艺条件下的维C含量和胡萝卜素含量柱状对比如图5所示。从图中可以看出，热风真空组合干制品的胡萝卜素含量和维生素 C 含量分别为0.051 7 mg/g、0.052 mg/g，真空干制品的胡萝卜素含量和维C 含量分别为0.051 3 mg/g、0.054 mg/g，热风干燥后干制品的胡萝卜素含量和维C 含量分别为0.0186 mg/g、0.028 mg/g。热风真空组合干制的胡萝卜具有与真空干制胡萝卜相近的品质，但相较于热风干制胡萝卜，其营养成分含量更高，品质更佳。

图5 不同干燥工艺的VC与胡萝卜素含量对比Fig.5 Comparison of vitamin C and carotene content of differ⁃ent drying processes

2.4.4 表观质量

胡萝卜片在三种不同干燥工艺条件下的表观质量对比如图6 所示。从图中可以看出：热风真空组合干制品的外观形态皱缩较小，与真空干制品的外观形态皱缩程度相当，而热风干制品的外观组织形态皱缩塌陷严重。因此，采用热风真空组合干燥的胡萝卜片表观质量优于热风干燥。

图6 不同干燥工艺干制的胡萝卜片Fig.6 Carrot slices dried by different drying processes

3 结论

本文设计了一种多热源互补组合干燥设备，整套设备包括太阳能、热泵、燃烧炉及脱硫除尘等装置，可以实现真空干燥与热风干燥两种方式的单独与组合使用；并能实现太阳能、热泵以及燃烧炉三个子装置的独立运行与联合运行，实现降低干燥能耗，减少环境污染，提高干燥品质的目标。

通过多热源互补组合干燥设备的平台试验获得了不同组合模式下胡萝卜的干燥特性曲线、能耗、胡萝卜素和维C 含量对比等结果。结果表明，50℃热泵干燥（HPD）胡萝卜耗时最长，采用70℃/70℃燃煤炉组合干燥（BAD-BWH）耗时最短。多热源互补组合干燥技术工艺可以有效降低能耗，充分发挥每种热源的优势。组合干制品的胡萝卜素含量和维 C 含量分别为 0.0517 mg/g 和 0.052 mg/g，具有与真空干制胡萝卜相近的品质，而相较于热风干制胡萝卜，其营养成分保留较好，品质更佳。热风真空组合干燥的胡萝卜片外观形态皱缩较小，表观质量优于热风干燥。