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隧道式干燥機(jī)節(jié)能研究現(xiàn)狀及展望 干燥是農(nóng)產(chǎn)品加工中的重要單元操作之一，其能耗相當(dāng)驚人。據(jù)報(bào)導(dǎo)，我國(guó)干燥消耗的能量約占總能耗的12％m?！笆晃濉币?guī)劃的建議中，要求單位 GDP能耗比“十五”期末降低20％，因此降低干燥能耗是一項(xiàng)十分重要而有意義的工作。 隧道式干燥機(jī)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的傳統(tǒng)干燥設(shè)備，在各種農(nóng)產(chǎn)品、中藥材、木材和紙張的干燥中，應(yīng)用非常普遍。干燥設(shè)備能耗高一直是制約干燥工業(yè)發(fā)展的瓶頸。一方面，高能耗干燥設(shè)備無(wú)法推廣使用，直接影響了農(nóng)產(chǎn)品及中藥材的生產(chǎn)與產(chǎn)品質(zhì)量。例如，利用熱風(fēng)進(jìn)行干燥的隧道式干燥機(jī)，熱能利用率較低，只有30％-40％。另一方面，目前傳統(tǒng)干燥技術(shù)和設(shè)備仍占很大比例，熱風(fēng)對(duì)流干燥占據(jù)了脫水食品生產(chǎn)量的90％以上州，使干燥新技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。因此，在干燥新技術(shù)開(kāi)發(fā)和規(guī)?；瘧?yīng)用的同時(shí)，還要研究傳統(tǒng)干燥技術(shù)與設(shè)備的節(jié)能降耗。研究降低隧道式干燥設(shè)備能耗，具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 1 從干燥方式著手節(jié)能降耗 1．1組合干燥 由于物料的多樣性及其性質(zhì)的復(fù)雜性，用單一的干燥方式來(lái)干燥物料，往往達(dá)不到最終產(chǎn)品的質(zhì)量要求，或者是消耗能量太大。如果把2種或2種以上的干燥方式結(jié)合起來(lái)，在物料不同水分階段采用不同的干燥方式，不僅可以有效提高干燥效率，節(jié)約能源，而且可以較好地控制整個(gè)干燥過(guò)程，有助于獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，這種干燥方式就稱為組合干燥閘。 許多學(xué)者研究了微波熱風(fēng)組合干燥方式對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的干燥，取得了良好的效果。 馬先英等人同研究了熱風(fēng)與微波組合干燥胡蘿卜片的干燥特性，發(fā)現(xiàn)采用熱風(fēng)與微波組合干燥方式的干燥速率比常規(guī)的熱風(fēng)干燥提高了1．4倍以上，總干燥時(shí)間縮短了34 min，并且干制品的色澤、香味、形狀和組織都有明顯的改善。這是因?yàn)闊犸L(fēng)干燥對(duì)物料表面的自由水分的排除效果明顯，但進(jìn)入降速干燥階段后，物料內(nèi)部水分較難被排除；而微波干燥過(guò)程中，濕物料的溫度梯度是內(nèi)高外低，含水率梯度也是內(nèi)高外低，二者方向一致，并且能量集中供給水分，因此干燥速率非?？?。但微波干燥的缺點(diǎn)是干燥均勻性差，易出現(xiàn)焦煳，并且正是由于其干燥速率非常高，致使物料內(nèi)部水分汽化后，不容易排出，在物料內(nèi)部形成高溫高壓的空腔，使物料過(guò)熱和膨化。因此，將這2種干燥方式有機(jī)結(jié)合起來(lái)，尋找合適的轉(zhuǎn)換點(diǎn)和最佳干燥r藝，在熱風(fēng)干燥進(jìn)入降速干燥階段時(shí)，換用微波干燥來(lái)完成最終的干燥，不但可以提高制品的品質(zhì)，還可以降低能耗。 還有其他的干燥組合，如采用超聲波與普通干燥組合，即在干燥過(guò)程中施加超聲波能量場(chǎng)，激勵(lì)物料內(nèi)部分子的振蕩，有助于水分子的擴(kuò)散。這也是一種新型的干燥方式。 1．2風(fēng)向控制 順流干燥和逆流干燥是最常見(jiàn)的2種送風(fēng)方式，兩者各有其優(yōu)缺點(diǎn)。混流干燥則集二者的優(yōu)點(diǎn)于一身，既使得干燥均勻，又可加快干燥速度，縮短干燥時(shí)間，節(jié)約能源。 熱風(fēng)換向技術(shù)在現(xiàn)代木材的干燥加工中已經(jīng)是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，但在農(nóng)產(chǎn)品的干燥中應(yīng)用還不多見(jiàn)，很有研究?jī)r(jià)值。 王傳耀等人研究了銀耳的熱風(fēng)換向干燥技術(shù)，用以取代傳統(tǒng)的垂直氣流熱風(fēng)干燥。采用垂直氣流熱風(fēng)換向干燥和橫向水平氣流熱風(fēng)換向干燥技術(shù)改造方案，得出較優(yōu)干燥工藝為：干燥溫度70-80℃，換向時(shí)間間隔1 h。這兩項(xiàng)改造方案分別比傳統(tǒng)垂直氣流熱風(fēng)干燥速率提高30％與40％，而且橫向水平氣流熱風(fēng)換向干燥的節(jié)能達(dá)50％。 熱風(fēng)換向技術(shù)可明顯改善物料的溫度與濕度梯度，加快干燥速率，但并不是換向時(shí)間越短越好。因?yàn)樵诟稍锴捌?，在升溫未達(dá)到干燥工藝溫度時(shí)換向，反而不利于干燥，因此在干燥的加熱階段不宜換向；若換向時(shí)間長(zhǎng)，物料干燥會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的不均勻，物料收縮也不均勻，并不能明顯改善整體的通風(fēng)性，使干燥速率相對(duì)較慢。因此，熱風(fēng)換向技術(shù)的關(guān)鍵是尋找最佳的換向周期。 1．3分段干燥 同種干燥方式的不同干燥階段，可以針對(duì)物料所處階段的特性，采用不同的干燥參數(shù)，稱為分段干燥。 對(duì)隧道式熱風(fēng)干燥機(jī)而言，順流干燥時(shí)，提高干燥機(jī)人口的空氣溫度，有利于提高干燥機(jī)的熱效率，即使對(duì)于熱敏性物料也不用擔(dān)心會(huì)產(chǎn)生熱破壞。這是因?yàn)樵诟稍锍跗?，物料水分含量較大，物料表面溫度為濕球溫度，其他熱力干燥也有此規(guī)律。因此，在加熱階段和恒速干燥階段，宜采用較高的溫度，而在降速干燥階段則應(yīng)采用較低的溫度，這就是分段變溫干燥方式。 王澤南等人研究了荸薺片的分段變溫干燥工藝，發(fā)現(xiàn)前段采用90℃下干燥75 min，后段在65℃干燥180 min，可在保證荸薺片品質(zhì)的前提下，其干燥時(shí)間比65℃恒溫干燥縮短了1 h，降低了能耗。這種干燥方式應(yīng)用于連續(xù)、半連續(xù)的隧道式干燥機(jī)有一定的困難，可用2臺(tái)隧道干燥機(jī)配合工作，投資雖然增加了，但其節(jié)能效果明顯，有一定的應(yīng)用前景。特別注意的是，要在不同的溫度采用不同的風(fēng)速，高溫低風(fēng)速，低溫高風(fēng)速，可以減少熱風(fēng)用量，更能有效利用熱量。因?yàn)楦邷責(zé)犸L(fēng)具有高的飽和水分含量，可以容納更多的水分，因此采用低風(fēng)速，使熱風(fēng)與物判更長(zhǎng)時(shí)間接觸，充分吸收水分。另外，采用低風(fēng)速可防止制品表面劇烈失水而干縮，阻礙內(nèi)部水分子向外擴(kuò)散；而風(fēng)速大時(shí)的傳熱系數(shù)增大，有利于提高傳質(zhì)速率，同時(shí)可避免因熱風(fēng)在排出之前達(dá)到飽和而使物料“返潮”。 2通過(guò)對(duì)物料的預(yù)處理實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗 農(nóng)產(chǎn)品和中藥材的干燥預(yù)處理，一般包括清洗、切分、壓扁、熱燙、發(fā)汗等過(guò)程。 清洗和切分可以增大物料的有效表面積，為水分提供一個(gè)便捷的蒸發(fā)通道，特別對(duì)于很多葉桿狀物料，其表面有一層蠟質(zhì)層，嚴(yán)重影響干燥時(shí)水分的蒸發(fā)；熱燙能使物料細(xì)胞的酶失活，防止不良反應(yīng)的發(fā)生，還能使細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)發(fā)生凝固，造成質(zhì)壁分離，削弱細(xì)胞膜阻力，有利于提高干燥速度。但過(guò)度熱燙會(huì)使水分過(guò)多滲入物料組織，含水量增加，并且使組織細(xì)胞受到嚴(yán)重破壞，反而影響干燥過(guò)程中水分的移動(dòng)，增大能耗，所以應(yīng)該嚴(yán)格把握熱燙時(shí)間；發(fā)汗就是將物料堆積在一起，使其失去部分自由水，降低初始含水量，防止其表面硬化的過(guò)程，這種方法在中藥材干燥中的應(yīng)用特別普遍。 適當(dāng)?shù)念A(yù)處理不僅能減少物料有效成分的損失，提高干燥品質(zhì)，而且能提高干燥速度、降低能耗，是干燥生產(chǎn)中非常重要的環(huán)節(jié)。 諸愛(ài)士等人在對(duì)西芹的熱風(fēng)干燥工藝進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)干燥前對(duì)西芹90℃燙漂3 min時(shí)的干燥速度最快，能耗最低。物料在進(jìn)行熱燙之后，一般先趁熱進(jìn)行機(jī)械脫水或置換脫水，這樣可消除傳統(tǒng)干燥中的相變化，所需能量?jī)H為蒸發(fā)的1％。另外，機(jī)械脫水要趁熱快速進(jìn)行，然后迅速進(jìn)入隧道干燥，可以縮短干燥加熱階段的時(shí)間，有利于熱量的充分利用。需注意的是，對(duì)于有些物料，若機(jī)械脫水時(shí)力度太大，會(huì)使物料抱團(tuán)而不松散，影響干燥速率。對(duì)于這些物料，注意脫水力度要輕。還有一種方法是在物料進(jìn)人隧道干燥機(jī)前進(jìn)行滲透脫水處理，可使干燥時(shí)間縮短10％-15％，同樣可達(dá)到明顯的節(jié)能效果。但由于滲透脫水操作時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備投資大，因此在農(nóng)產(chǎn)品干燥的預(yù)處理中應(yīng)用并不廣泛。 預(yù)處理要針對(duì)不同的物料分別加以研究，總的目的是使水分在物料內(nèi)部更容易移動(dòng)或者是降低其初始含水量。目前利用生物化學(xué)方法對(duì)物料進(jìn)行預(yù)處理來(lái)提高干燥速率的研究尚未見(jiàn)到，這一領(lǐng)域有待進(jìn)一步研究。3探討最佳干燥參數(shù) 實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗 無(wú)論采用哪種干燥方式，將隧道式干燥機(jī)應(yīng)用于任何一種物料時(shí)，都有其特定的最佳干燥參數(shù)，其中隧道長(zhǎng)度是一個(gè)必要的參數(shù)。對(duì)于熱風(fēng)隧道式干燥機(jī)，主要參數(shù)有3個(gè)，即隧道長(zhǎng)度、風(fēng)速和風(fēng)溫。隧道長(zhǎng)度的重要性在于，它可以控制出風(fēng)口空氣的飽和度，使空氣到達(dá)出風(fēng)口時(shí)接近飽和，而濕度與環(huán)境的溫差保持在15度左右，以最大程度地利用熱量。 河南科技大學(xué)設(shè)計(jì)的隧道式中藥材干燥機(jī)采用熱風(fēng)逆流加熱，通過(guò)隧道小節(jié)的增減來(lái)改變隧道的長(zhǎng)度，通過(guò)控風(fēng)板的調(diào)整可以改變風(fēng)速，利用電加熱器及控制柜可對(duì)風(fēng)溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)3項(xiàng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以方便地研究不同物料在隧道式熱風(fēng)干燥機(jī)中的最佳干燥參數(shù)。 目前人們對(duì)常規(guī)干燥方式最佳工藝參數(shù)的研究已經(jīng)非常多，并且實(shí)驗(yàn)手段也很成熟，但研究隧道式干燥機(jī)隧道長(zhǎng)度對(duì)干燥過(guò)程的影響，以及隧道長(zhǎng)度、風(fēng)溫、風(fēng)速對(duì)干燥過(guò)程的綜合影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，這是下一步研究的重點(diǎn)。 4余熱回收再利用 隧道干燥機(jī)排放的廢氣溫度比大氣溫度高得多，有大量的能量可以回收利用。理論上講，廢氣濕度要求接近飽和，因此直接回收對(duì)干燥而言無(wú)利用價(jià)值，需經(jīng)過(guò)除濕后方可用于物料干燥。但實(shí)際生產(chǎn)中，廢氣的濕度往往遠(yuǎn)達(dá)不到飽和，因此這一部分熱量不可忽視。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種余熱回收裝置，但由于費(fèi)用太高，而不適合小型用熱設(shè)備。因此對(duì)隧道式干燥機(jī)增加熱風(fēng)循環(huán)利用系統(tǒng)，或者進(jìn)行改造是未來(lái)干燥設(shè)備的一個(gè)研究方向。 張曉和等人通過(guò)對(duì)脫水蔬菜專用混流式隧道干燥機(jī)進(jìn)行廢氣循環(huán)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使逆流段排出的相對(duì)濕度較低的廢氣，部分或全部進(jìn)人順流段，在成本增加較少的情況下，有效利用了廢氣熱量。 5設(shè)備本身的隔熱性 與隧道式干燥機(jī)相關(guān)的熱損失主要有傳導(dǎo)熱損失、縫隙熱損失和操作熱損失3種。隧道式干燥機(jī)的特點(diǎn)是干燥室外殼與外界接觸面積大，這就意味著由熱傳導(dǎo)引起的設(shè)備散熱損失是不可忽略的；隧道式干燥機(jī)一般由隧道小節(jié)組成，都有進(jìn)出料門(mén)和其他用途的門(mén)，這些連接處和門(mén)的密閉性也是隧道干燥機(jī)熱損失的一個(gè)重要方面；干燥過(guò)程中要對(duì)物料進(jìn)行操作，比如進(jìn)料、出料、觀察和檢測(cè)等，這時(shí)大量的熱就會(huì)散失。 一般干燥機(jī)設(shè)備的散熱損失不應(yīng)超過(guò)lO％，大型干燥設(shè)備的散熱損失應(yīng)低于5％。要做好干燥器的保溫工作，應(yīng)該尋求一種最佳保溫材料及其保溫層厚度。對(duì)于后兩種熱損失，就要對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的改造。 吳海平等人在對(duì)脫水蔬菜隧道干燥設(shè)備進(jìn)行改造設(shè)計(jì)時(shí)，采用了建筑設(shè)計(jì)中過(guò)廳的設(shè)計(jì)方法，在進(jìn)出料門(mén)前做一隔離小過(guò)廳，物料進(jìn)出隧道時(shí)都先進(jìn)人過(guò)廳，把進(jìn)出料時(shí)的熱風(fēng)損失和縫隙損失降到了最低，節(jié)能效果明顯。 6結(jié)束語(yǔ) 本文僅介紹可直接應(yīng)用于隧道式干燥機(jī)或可與隧道式干燥機(jī)結(jié)合應(yīng)用的干燥節(jié)能措施，在其具體實(shí)現(xiàn)方式上，還需要對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)一步研究。 (1)研究不同物料在隧道式干燥機(jī)中的分段、組合等干燥工藝。 (2)研究新型預(yù)處理方式及其對(duì)干燥過(guò)程的影響機(jī)理，以及與隧道式干燥機(jī)的結(jié)合應(yīng)用。 (3)優(yōu)化隧道式干燥機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)有隧道式干燥機(jī)進(jìn)行合理改造，增強(qiáng)設(shè)備的隔熱性和余熱的回收利用。 (4)除了把熱空氣作為干燥介質(zhì)外，將過(guò)熱蒸汽和超臨界流體作為干燥介質(zhì)，在能耗方面的優(yōu)勢(shì)值得關(guān)注，應(yīng)用于隧道式干燥機(jī)有待研究。 農(nóng)產(chǎn)品加工 學(xué)刊2008年11期 下 聶保軍，張仲欣(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003) 裴羅紅采集；江洪濤編輯；程彬彬加工。