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水产品热泵干燥技术综述

发表日期:2020/3/19 0:08:04 来源:中国制冷与空调网 评论 总点击量:

中国已成为水产品养殖和生产的第一大国,2018年全国水产品总产量6 445.33万吨,产量约占全球的 1/3,稳居世界首位,用于加工的水产品总量约2 680.02万吨,已达总产量的41.58%。水产品的含水量大多在70%附近,常温下极易腐烂变质,因此,必须采取有效的加工技术以及合理的储藏方法进行加工处理,才能保持水产品的肉质品质。目前,水产品的储藏加工方式主要是干燥加工和冷冻加工。冷冻加工的技术优点是较好保存水产品的原本品质,但整套设备的先期成本较高,工艺本身也会增加产品的后期运输成本。相比之下,干燥加工后的水产品质量轻、体积小,有效降低了产品的运输及贮藏成本,也兼具了防止变质并延长贮藏期的功能。干燥的过程是一个能量密集型的操作过程,也是能耗最高的单位操作之一,据统计其能耗占所有工业生产过程中的15%左右。干燥是一个耗能高的行业,消耗了发达国家9%~25%的国家能源。因此,为了减少干燥消耗的能源,必须深入研究不同的干燥模式,这样才能有效提高干燥系统的能源使用效率。特别是在能源日趋紧张,燃料价格不断上涨的形势下,如何提高产品干燥的效率,降低干燥成本,提高产品干燥质量,己成为产品干燥研究的重要课题。热泵干燥相比传统干燥,能够精细控制干燥温度和空气湿度,并具有节能高效、安全环保等特点。本文主要探讨以热泵系统为热源的各种产品的干燥技术。

1  背景

传统的干燥技术主要以太阳晾晒和燃烧木材为主,在世界上的应用范围很广。虽然这些干燥方法简便易用,但是存在无法控制干燥过程,容易污染干燥产品,存在重复干燥等问题,在世界能源日趋紧张和温室气体排放过量的背景下逐步淘汰。目前热泵干燥系统已被证实是相比这些传统干燥技术更经济和环保的干燥方法。

热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置,其主要工作原理是消耗少量的逆循环净功迫使热量从低温物体流向高温物体,使来自低温热源的热量在较高温度下作为有效热能得到利用,这样就达到了把难以应用的低品位热能利用起来的节能目的。Hodgett等首次发表了热泵干燥机(HPD)的研究,一个设计良好的干燥系统可以实现30%~50%的能源成本的降低。尽管在后续的生产应用中,热泵系统为了适应不同生产实际需求而产生了许多不同的应用设计,但热泵的主要部件仍不变。图1为单级热泵系统,其主要部件有膨胀阀、蒸发器、内外冷凝器及压缩机。干温空气流经热泵蒸发器和冷凝器后进入干燥室。简化热泵烘干机有两个与普通换热器分开的回路:干燥空气回路(abca)包括空气冷却器、加热器、鼓风机和干燥室,制冷剂回路(12341)的主要部件是膨胀阀、蒸发器、冷凝器和压缩机。热泵流体和干燥空气回路通过共同的蒸发器和冷凝器耦合回收排气能量。

图1  单级热泵系统

热泵技术具有节能高效、安全环保的优点。经过长期研发,热泵性能已得到大幅提高,其优势在于节能潜力大、能控制载能介质的温度和湿度,这些特性都非常适合干燥。热泵干燥机由热泵系统和干燥单元组合而成,既可从排出的废气中回收潜热和显热以提高整体的热性能,也可以有效地控制干燥器入口处空气的温度和湿度,故热泵干燥机适用于加工高附加值产品。Pendyala V R等提出了精准的数学模型来研究热泵干燥系统的性能,热泵干燥系统能比较精准的控制干燥产品时的温度、湿度和风速等条件,达到降低干燥成本并提高产品质量的目的。与热电阻式加热器作热源的干燥器相比,使用热泵式干燥器可节省约 40% 的能源。

2  热泵干燥机

传统干燥机在干燥产品的生产中存在大量问题和局限性,如干制品质量低,排放大量温室气体(GHG),能耗高,导致产品成本高。应用热泵干燥恰恰可以解决这些问题。作为一种成熟的技术,热泵在中低温下(低于材料的初始冰点)和高温下都可以运行预热。在一台热泵干燥机内中低温度能很好地结合在一起,这样就可以在生产优质产品的同时节约能源。热泵干燥机从干燥的废气中回收热量,而这些废气是传统的干燥机所忽略的。合理设计的热泵干燥器具有闭环结构,能充分回收干燥过程中所需的加热和冷却能量。制冷剂流经蒸发器,从那里吸收废气的潜热再通过冷凝器循环。同时,有价值的挥发分可以回收,有害的冷凝蒸汽会被分离和丢弃。学者以海参、鱿鱼、罗非鱼等多种水产品为研究对象,比较了热泵干燥、热风干燥、真空干燥和联合干燥等方式对产品的干燥效果:热泵干燥水产品的速率较快,仅次于冷冻干燥;干燥成品氧化程度比自然干燥和联合干燥低,鱼肉复水率高于自然干燥和联合干燥,说明营养品质更高,但腐败程度较高;微观结构和质构特性显示,热泵干燥制品肌肉组织坍塌,弹性、咀嚼性较差。但在热泵干燥前使用超声波预处理或是浸渍,即可有效抑制鱼类蛋白质在干燥过程中的热变性,有效地提高了干燥成片的质量和营养品质。各影响因素均有一个工作范围,已有学者通过单因素试验,确定超声功率、浸渍溶液预处理产品的数学模型。

2.1  空气源压缩式热泵干燥技术

空气源压缩式热泵技术以空气作为低温热源,利用逆卡诺循环原理,外界低温空气被热泵压缩机吸收后,流经热泵系统的冷凝器吸收热量变为高温低湿空气,再进入干燥室加热并降低产品的水分,然后蒸发器对吸收水分后的空气进行降温除湿变成低温低湿空气,同时,吸收干燥机废气的余热,最后热泵系统的冷凝器加热低温低湿空气,降低空气的相对湿度,如此循环实现物料的连续干燥。在上述循环中,流动工质参与各部件的热力循环过程,与处理后的空气热交换并吸收其中的低品位热量,从而使系统获得高品位热量,实现产品干燥,并且具有节约能源、提高产品质量和精确范围调节干燥条件等优点。

任爱清等以干燥鱿鱼片作为研究课题,发现热泵干燥工艺降低了38.67 %的干燥耗能,并且不影响鱿鱼干感官评价结果、色泽指标均等明显优于热风干燥。吴建中等用热泵干燥发酵型半干罗非鱼片,发现鱼片的蛋白质等营养成分损失很小,且鱼片的风味及口感得到了有效的保存。任中阳等也在干燥腌干鱼片确定了热泵干燥能提高腌干鱼制品的质量。赵海波等发现采用热泵干燥海参,干燥速率快,操作简单、用时少,产品的品质得到很大改善,在 28%相对湿度和1.80 m/s 风速条件下,不影响小个体海参的收缩率;母刚等在空气温度、相对湿度和流速分别为35 ℃、20%和1.5 m/s条件下,发现干燥北极虾的复水性和持水性均有升高趋势,北极虾品质较好的同时也达到了节能的效果。

作为目前最广泛运用的热泵干燥技术,空气源压缩式热泵仍存在下列问题:干燥中后期,物料含水量下降,干燥时间延长,能耗增加;采用空气闭式循环使压缩机始终处于高温高湿状态,对压缩机的性能及可靠性要求较高;设备投资大,超过了传统干燥系统的2倍;压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置等均要求定期维护和检修,制冷工质需及时补充或更新。

2.2  红外辅助热泵干燥技术

在热泵干燥的中后期,由于大量水分及其他挥发分的排出,空气与干燥产品之间的传质系数变小,系统就需要更长的干燥时间和更多的能量消耗去除产品中剩余的水分。这也会导致干燥室进出口空气的状态趋于稳定,在一定程度上降低了蒸发器降温除湿的能力,影响热泵系统的设备使用寿命的同时,较差的运行工况也降低了水产品的干燥品质。但是使用远红外辐射板,可以发射红外线辐射到产品表面,穿入产品表面1~3 cm实现内部加热,导致产品分子尤其是水分子的共振吸收,即辐射源光谱与被加热物体吸收光谱的对应。上述过程都可在不需要加热介质的条件下达成,这就可以水产品内外温度均匀升高,加快蒸发出产品内的大量水分,故可在缩短干燥时间的同时有效提高能量利用率和产品的质量。学者研究发现红外辅助热泵可显著减少系统能耗并增加除湿效果,约在1 000 W远红外辐射(10FIR)下达到最优,可增加15%的除湿效果并减少约15%的能耗,同时产品的硬度和色差等品质也发生显著变化。

红外辅助热泵技术已有一定实际应用,但仍存在不少问题亟待解决。局限于水产品本身的生物结构,产品的光学特性难以测量出相对准确的数值,这就难以精准设置红外辅助装置的发射功率。并且水产品种类繁多,不同产品结构和形状各不相同,在热处理过程中水产品的含水量等参数和物理化学性质都将发生变化,使辐射加热过程的装置设计难度进一步加大。尽管在实验室已能精准设计水产品辐射加热的过程,但想推广现有材料参数,还需要研究大量不同产品的红外加热模型以增加普适性。

2.3  太阳能辅助(混合)热泵干燥技术

太阳能作为一种优秀的清洁能源,因其普遍性、长久性和巨大性而广泛利用。太阳辐射很早就作为自然干燥的手段,但由于受季节性影响太大并且效率过低并不能实现产业化,在干燥技术发展的过程中已被淘汰。为了克服太阳辐射能波动的问题,学者们开展了大量研究,发现将太阳能技术与热泵技术结合起来,系统的性能系数能得到提高,据此开发了太阳能辅助热泵干燥装置,是由太阳能干燥装置和作为干燥机热源的热泵装置组合起来的干燥装置。其中,太阳能干燥装置主要指太阳能集热器,可以按照对流方式、阳光是否直射到物料上等有进行分类。目前集热器型太阳能干燥装置的技术发展比较成熟,设备可以在相对较恶劣条件下仍可运行,因此,可以布置在太阳能相对充裕的西部地区,是现有的大型干燥装置中最常用的设备类型。

集热器型干燥器在运行时,外界低温空气先被集热器加热到60 ℃~70 ℃后通入干燥室,加热后的高温空气在干燥室内与产品进行对流换热,一般同时布置风机鼓风增强对流热质交换的效果,以充分干燥含水量较大的水产品。这种干燥方式具有多个优点:1)可以根据物料的干燥特性调节热风的温度;2)物料在干燥室内分层放置,单位面积能容纳的物料多;3)强化对流换热,干燥效果更好;4)适合不能受阳光直接曝晒的物料干燥。郭胜兰以罗非鱼作为太阳能热泵联合干燥对象,发现采用太阳能辅助热泵干燥时,太阳能转化率可达20%,并有效提高了干燥速度以及产品品质。太阳能辅助热泵干燥机受地域影响较大,在太阳辐射变化较大时,会造成空气温度不达标的情况,需要及时调整热泵的输出功率,因此有必要开发热泵的自动控制系统。

3  结束语

热泵干燥技术能在相对低的温度下对产品进行干燥,可以有效解决蛋白质含量较高的水产品高温变性的问题,因此,在高附加值的水产品加工方面具有非常广阔的应用前景。在联合干燥中热泵干燥仍能保持其对干燥介质的湿度、温度、风速进行精准独立控制和高效节能等特点,并且红外辅助可提高热泵干燥产品品质,太阳能辅助可有效加强节能效果。在世界能源短缺和环境日益恶化的背景下,热泵干燥的产业化规模逐步扩大。

现有热泵干燥技术仍存在干燥温度过低、干燥剂泄漏影响环境、设备维护要求高等问题,尤其是联合干燥涉及的交叉学科较多,在实际应用中仍存在诸多问题。今后仍需研究的方向:研发热泵干燥专用压缩机,解决压缩机过热的问题;研发新型热泵,满足不同干燥工艺或物料种类的需求;开发模块化、自动化、联合式的干燥系统,广泛应用现代测试技术、传感技术以及自动控制技术。


本文选自《制冷与空调》2019年9月刊1-4页

作者:林家辉  章学来  张振涛

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