热泵干燥技术在食品工业中的应用
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食品技术热栗干燥技术在食品工业中的应用(1。中国农业大学工学院,北京100083;2。江西省科学院食品工程中心,南昌330029)对流干燥相比,热泵除湿应用于食品的干燥有明显的优点,主要表现为:节约能源、产品质量高、不受天气条件的影响等;另外,热泵干燥技术对环境有益,无废气排放。

  0前言干燥是最古老的单元操作之一,广泛应用于国民经济各个领域。同时,干燥也是耗能较大的工艺过程,在发达国家,大约10的燃料用于干燥ra.在食品生产过程中,大部分的能源常常用于对食品物料的干燥,因此合理的工艺和设备对干燥过程的节农产品加工与贮藏工程。

  能是至关重要的。干燥过程常用的加热方法有对流、传导和辐射,既可采用单一的加热方式,也可把它们进行组合。但在实际生产中,应用最多的还是对流干燥。为了提高对流干燥的热效率,人们做了大量的工作,应用热泵除湿干燥就是其中有效的方法之一。在澳大利亚、新西兰及挪威等国家,热泵除湿已越来越多地应用坚果、水果、蔬菜、草药及水产品的干燥。

  1热泵干燥的原理和组成热泵干燥由热泵和干燥两大系统组成。热泵是主要由压缩机、蒸发器(冷量交换器)、冷凝器(热量交换器"和膨胀阀等组成的闭路循环系统。热泵系统内的工作介质(简称工质),首先在蒸发器中吸收来自干燥过程排放废气中的热量后,由液体蒸发为蒸汽;经压缩机压缩后送到冷凝器中;在高压下热泵工质冷凝液化,放出高温的冷凝热去加热来自蒸发器的降温去湿的低温干空气,把低温干空气加热到要求的温度后进入干燥室内作为干燥介质循环使用;液化后的热泵工质经膨胀阀再次回到蒸发器内,如此循环下去。废气中的大部分水蒸气在蒸发器中被冷凝下来直接排掉,从而达到除湿干燥的目的。典型的热泵干燥系统如所示。

  1。体2。湿度调节3。排气孔4。外置冷凝器5。热录除湿单元6。冷凝水7。物料在热泵干燥过程中,干燥所需的热量来自于被干燥物料蒸发出水分的显热和潜热。当来自干燥室出口的湿空气通过蒸发器时,部分空气被降至露点以下,结果有冷凝水从蒸发器中析出。制冷循环过程中,冷凝水的潜热(2255kJ/kg)被制冷剂吸收并由蒸发器带到冷凝器*+,在制冷剂的冷凝过程放出这份热量,重复加热用于干燥的循环空气。热泵干燥为封闭的循环系统,其热效率接近100%。在液态条件下除去物料中的水分比在气态条件下可节约被除去水分的全部的蒸发潜热及部分显热。实际干燥过程中,在蒸发器的前后增加旁路和空气热交换器,其目的也是为了进一步提高系统的效率。热泵干燥的3个主要优点是:(1)由于被干燥物料所蒸发出的水分显热和潜热都能被利用,因此,系统具有很高的能量效率;(2)干燥温度低,有利于热敏性物料的干燥;(3)干燥不受外界气候变化的影响。

  2热泵干燥系统的效率从被干燥的物料中除去一单位水分所消耗的能量是评价干燥系统能耗的主要指标。对常规的干燥设备用除去每千克水所消耗的热量大卡数来表示,即为kJ/kg;而对于热泵除湿干燥系统来说,常用蒸发1kg水所消耗的电能数(千瓦小时)来表示,即为kW0/kg.热泵系统的性能系数(COP)也是常常用于评价热泵系统的重要能耗的指标。热泵系统的性能系数可表示为:输入的电能之和;w*压缩机所消耗的电能。

  用热泵系统的性能系数(COP)来评价系统的能耗是非常重要,但对热泵除湿干燥而言用单位能耗除湿量来评价系统的性能更加合理。单位耗能除湿量(或SMER)跟热泵性能系统的关系为:COP=1+SMERx0tg htg*水的蒸发潜热。

  对设计较为合理的除湿系统而言,其SMER的数值范围为1"4kg/kW0,平均为2。5kg/kW0。同时水在100时的蒸发潜热为2255kJ/kg般说来,常规热风干燥的水分蒸发效率少于60%,把它转换为SMER仅为O。95kg/kW0。因此,热泵除湿干燥比热风干燥具有更高的能量利用率。表1把热泵干燥与真空干燥、热风干燥之间的能量利用率及干燥的优点进行了对比。

  表1热泵干燥与真空干燥及热风干燥的对比干燥方式热风干燥真空干燥热泵除湿干燥干燥效率(%)干燥温度范围()干燥湿度范围(%)变化的低一次性投资低高中运行费用高很高低由新西兰电器公司生产的具有国际领先水平的热泵除湿干燥系统*3+,在温度为50和湿度为80%的条件下,其单位能耗除湿量(SMER)最高可达到7.94kg/kWh.此种热泵干燥的机型使热泵除湿达到了一个新的水平。

  热泵干燥适合于分批式作业,而不太适合于连续性作业,因为分批作业对循环气体的密封性能比连续性作业要好,能更好地提高系统的能量利用效率。但也有报道把连续性作业设备用于热泵除湿系统对蔬菜及凝胶父进行干燥。Strommen和Jonassen及Alves-Filho和Strommen04都谈到应用热泵除湿和流化床组合来干燥热敏的物料以提高系统的单位能耗除湿量(SMER)。最初人们设计的热泵干燥系统由于在设备的绝热和密封等方面存在问题,因此导致系统能量的损失。另外,热泵干燥系统不仅需要用电来驱动压缩机,还需用电能来预热被干燥的物料、干燥箱本身及驱动循环风机等,这些过程都存在热量的传导及气体的泄漏。把压缩机和循环风机都安装在干燥箱内,就可减少这部分能量的损耗。

  干燥过程中,降低空气湿度下降的速度,可以提高热泵干燥的效能。一般情况下,除湿的效率和除湿量都随着温度和湿度的增加而成比例地增加。

  但是,当温度较高时3例如60*C的单位能耗除湿量随着湿度的增加反而比较平缓(如所示)。

  相对湿度SMER和温度及温度的关系干燥箱内相对湿度的下降,单位能耗除湿量(SMER)也随之降低,因此,合理地配置干燥过程中蒸发器的传热面积和空气的湿负荷量是非常重要的。热泵除湿干燥在温度小于60!和相对湿度大于30%时能达到最理想的效果,这种理想的工况正好适合大部分食品物料的干燥条件,例如:水果、蔬菜、肉类、鱼类及具有生物活性的产品。绝大多数此类产品,特别是水果)适合于高湿度的干燥条件,以防止在由于干燥速度太快带来的表面硬化及糖份的析出。

  热泵低温干燥的另一大优点是干燥过程不受气候变化的影响。因此,那些要求在密闭条件下采用高湿干燥工艺的物品如坚果、栗子、草药、生姜、鱼类等等,都非常适合采用密闭式循环热泵除湿干燥来进行烘干。热泵除湿干燥同样适合于要求采用加热一排湿一再加热一排湿干燥工艺的食品和物品的干燥,因为采用这样的高湿度干燥条件的烘干工艺干燥时间长、能耗高,如果采用一般的热风干燥能效是很低的。另外、热泵除湿干燥适合于热带及岛屿地区使用,因为那些地区常年处于高温高湿的气候条件。

  3热泵应用于食品干燥的优势评价食品干燥后的质量一般采用被干燥后物料的色泽、风味和质地的退化程度等指标来衡量。干燥过程中,影响产品质量的主要参数是干燥温度和时间。热泵干燥的一大潜在的优势是可较好地保持干燥产品的质量。通常干燥得到的食品大多为芳香类挥发性物质保留少、耐热性差的维生素保留低、颜色变化大。用热泵干燥工艺得到的生姜,其产品中生姜素的保持率为26B,而用滚筒干燥机得到的产品,其产品中生姜素的保持率为20B,生姜素是保持生姜原有辛辣风味的挥发性物质C4.热泵干燥得到的生姜样品,能保持较高含量的挥发性物质一生姜素,是因为热泵除湿的干燥温度比较低。干燥过程中挥发性物质的损失速率随该种物质的浓度变化而变化,损失的最大量发生在干燥的开始阶段,因为干燥的初始阶段挥发性物质的含量在干燥介质空气)中的浓度是很低的。由于热泵干燥采用封闭式的结构,任何挥发性的成分都保留在干燥箱内不会逸出,逐步地某种成分的分压就建立起来了,阻止了该种成分进一步从物料向外挥发。

  水分含量高的澳大利亚坚果在干燥时褐变产生集中在干燥过程的升温段。VanBlarcom和Masn4的试验表明,既使是在50!的温度下,采用热泵干燥澳大利亚坚果也不会产生上面所说的褐变现象,其原因也许是热泵除湿干燥的干燥速率比较快的缘故。

  食品类物质在干燥过程中,其色泽、风味及营养成分的损失都和非酶褐变有着密切的关系。这种现象可以解释为:当干燥的速率很低,物料本身的温度接近干燥介质的温度时,干燥过程物料在高水分含量时产生非酶褐变的速度一直保持到干燥过程的结束。因此,采用低温循环的热泵除湿干燥,减轻了产生非酶褐变的程度、减少了产生非酶褐变的时间。

  4热泵干燥的工艺设计确定干燥工艺是否合理,不仅要考虑干燥过程的效率,而且要考虑干燥所得到产品的质量。由于干燥温度的升高对产品的质量总是有影响的,最佳的产品质量和干燥的最大效能及生产效率之间总是一对矛盾。数学模型可以作为一种有效的工具来预测一定的范围内干燥的速度和效率,使用这些数学模型,可以减少为确保干燥产品质量所必须的干燥试验的次数。Jolly等05建立了连续操作热泵干燥系统的数学模型,应用此模型能对给出一定范围和操作条件的系统进行模拟。

  食品技术食口口FP根根据不同的模拟条件可以得到下面的模拟结果:干燥介质!空气"的状态参数,如温度、流量、相对湿度;蒸发器、冷凝器的传热效率及外热量的损耗;热泵干燥系统的性能系数!cop";可能达到的最大效能。

  物料失水情况可通过一组干燥特性曲线和物料本身的物理特性来进行模拟。

  5热栗干燥食品应面对的问题5.1热泵干燥的局限性尽管低温干燥技术应用于食品的烘干具有明显的优势,但过低的干燥温度限制干燥的速度,同时干燥的产量也受到影响,而且,低温慢速的干燥过程有可能引起微生物繁殖的问题。目前,已有一些新型的制冷剂能使用较高的干燥温度,例如,使用制冷剂R134a,无需加热就能保持干燥温度在大约75!下运行;当然,如此高的干燥温度,低温干燥的优势就难以显现出来,特别是对热敏性物料而言。

  热泵除湿干燥的本质也是对流干燥,其热量的传递为热风的对流传递,适合于颗粒的干燥,而不适合液体或粉状物料的干燥。因此,热泵干燥的应用范围局限于颗粒或片状物料。

  如同真空干燥和冷冻干燥一样,热泵干燥适宜采用分批式作业,因为分批式作业更利于对干燥箱进行密封。但也有把热泵除湿与连续式干燥机组合用来干燥凝胶和蔬菜产品,连续式热泵干燥系统需要有较高的设计、制造和工程安装费用。

  5.2热泵干燥过程的微生物安全大部分微生物细胞在60~80!的干燥条件下都会被破坏,只有少部分耐热性细菌、酵母、霉菌除外。

  尽管热泵干燥使用的干燥温度似乎更加适合微生物的生长和繁殖,但实际上并没有关于使用热泵除湿干燥得到的食品所含微生物的数量比普通的对流干燥得到食品的微生物数量多的报道。但是假如干燥设计的不合理,就会带来严重的微生物污染问题。例如制冷循环中的制冷量低于干燥箱内空气中水分冷凝时所需的冷量,那么,干燥箱内的相对湿度就会很高从而导致微生物的大量繁殖。因此在正常情况,水分从被干燥的食品内蒸发出来的速率和冷凝器从空气中除去水分的速率应基本平衡,维持食品表面的水分活度为临界值0.6,避免微生物的生长和繁殖。

  6热泵干燥应用于食品的发展趋势为了提高热泵除湿干燥的效率和改善干燥产品质量,已经研究了热泵流化床组合干燥机,这种形式的组合干燥特别适合具有生物活性的物料。热泵除湿干燥系统类似冻干能在常压下进行冷冻并接着在0!下进行干燥的可能性得到人们的关注,不过这种方式还须进一步研究。

  热泵除湿干燥技术的另一个重要用途就是不改变干燥介质的成分,可应用于敏感性物料!包括食品"的干燥。物料中易氧化的物质!如香味化合物、脂肪酸"在干燥过程中产生了氧化反应,使其风味、颜色和复水性都变差。通过应用惰性气体来替代空气作为干燥的介质,得到的干燥产品在干燥过程就不会产生氧化反应,产品质量进一步提高。

  许多工业部门的生产集多个操作过程于一体,而不仅仅只是干燥,采用合理的设备配置,在同一系统中完成干燥、气调、贮藏等多个加工过程。多功能热泵主要由热泵除湿单元、贮藏干燥室和存料架等组成,其中热泵除湿单元除了装有压缩机、膨胀器外,分别装有内外两个冷凝器和高低两个蒸发器。

  7结论在过去的20年里,热泵干燥技术日趋成熟,其优异的节能效果已被各种实验研究及实践应用所证实,随着其一次性投资和运行费用的降低,热泵干燥技术已显现出广阔的应用前景。新型环保的制冷工质减少了因环境问题给热泵干燥的应用带来的不利影响。但是,目前热泵干燥在食品工业的应用还是十分有限的。热泵除湿应用于食品的干燥具有节约能源、产品质量高、不受天气条件的影响等明显优势,因此,把热泵干燥技术推广应用到食品工业中有着广阔的前景。


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