隧道式干燥机节能研究现状及展望.doc

隧道式干燥机节能研究现状及展望 干燥是农产品加工中的重要单元操作之一，其能耗相当惊人。据报导，我国干燥消耗的能量约占总能耗的12m。“十一五”规划的建议中，要求单位 GDP能耗比“十五”期末降低20，因此降低干燥能耗是一项十分重要而有意义的工作。 隧道式干燥机是工农业生产中的传统干燥设备，在各种农产品、中药材、木材和纸张的干燥中，应用非常普遍。干燥设备能耗高一直是制约干燥工业发展的瓶颈。一方面，高能耗干燥设备无法推广使用，直接影响了农产品及中药材的生产与产品质量。例如，利用热风进行干燥的隧道式干燥机，热能利用率较低，只有30-40。另一方面，目前传统干燥技术和设备仍占很大比例，热风对流干燥占据了脱水食品生产量的90以上州，使干燥新技术的大规模应用受到限制。因此，在干燥新技术开发和规模化应用的同时，还要研究传统干燥技术与设备的节能降耗。研究降低隧道式干燥设备能耗，具有很大的社会效益和经济效益。1 从干燥方式着手节能降耗11组合干燥由于物料的多样性及其性质的复杂性，用单一的干燥方式来干燥物料，往往达不到最终产品的质量要求，或者是消耗能量太大。如果把2种或2种以上的干燥方式结合起来，在物料不同水分阶段采用不同的干燥方式，不仅可以有效提高干燥效率，节约能源，而且可以较好地控制整个干燥过程，有助于获得高质量的产品，这种干燥方式就称为组合干燥闸。 许多学者研究了微波热风组合干燥方式对农产品的干燥，取得了良好的效果。马先英等人同研究了热风与微波组合干燥胡萝卜片的干燥特性，发现采用热风与微波组合干燥方式的干燥速率比常规的热风干燥提高了14倍以上，总干燥时间缩短了34 min，并且干制品的色泽、香味、形状和组织都有明显的改善。这是因为热风干燥对物料表面的自由水分的排除效果明显，但进入降速干燥阶段后，物料内部水分较难被排除；而微波干燥过程中，湿物料的温度梯度是内高外低，含水率梯度也是内高外低，二者方向一致，并且能量集中供给水分，因此干燥速率非常快。但微波干燥的缺点是干燥均匀性差，易出现焦煳，并且正是由于其干燥速率非常高，致使物料内部水分汽化后，不容易排出，在物料内部形成高温高压的空腔，使物料过热和膨化。因此，将这2种干燥方式有机结合起来，寻找合适的转换点和最佳干燥r艺，在热风干燥进入降速干燥阶段时，换用微波干燥来完成最终的干燥，不但可以提高制品的品质，还可以降低能耗。还有其他的干燥组合，如采用超声波与普通干燥组合，即在干燥过程中施加超声波能量场，激励物料内部分子的振荡，有助于水分子的扩散。这也是一种新型的干燥方式。12风向控制顺流干燥和逆流干燥是最常见的2种送风方式，两者各有其优缺点。混流干燥则集二者的优点于一身，既使得干燥均匀，又可加快干燥速度，缩短干燥时间，节约能源。热风换向技术在现代木材的干燥加工中已经是一项非常成熟的技术，但在农产品的干燥中应用还不多见，很有研究价值。王传耀等人研究了银耳的热风换向干燥技术，用以取代传统的垂直气流热风干燥。采用垂直气流热风换向干燥和横向水平气流热风换向干燥技术改造方案，得出较优干燥工艺为：干燥温度70-80，换向时间间隔1 h。这两项改造方案分别比传统垂直气流热风干燥速率提高30与40，而且横向水平气流热风换向干燥的节能达50。热风换向技术可明显改善物料的温度与湿度梯度，加快干燥速率，但并不是换向时间越短越好。因为在干燥前期，在升温未达到干燥工艺温度时换向，反而不利于干燥，因此在干燥的加热阶段不宜换向；若换向时间长，物料干燥会出现短时的不均匀，物料收缩也不均匀，并不能明显改善整体的通风性，使干燥速率相对较慢。因此，热风换向技术的关键是寻找最佳的换向周期。13分段干燥同种干燥方式的不同干燥阶段，可以针对物料所处阶段的特性，采用不同的干燥参数，称为分段干燥。对隧道式热风干燥机而言，顺流干燥时，提高干燥机人口的空气温度，有利于提高干燥机的热效率，即使对于热敏性物料也不用担心会产生热破坏。这是因为在干燥初期，物料水分含量较大，物料表面温度为湿球温度，其他热力干燥也有此规律。因此，在加热阶段和恒速干燥阶段，宜采用较高的温度，而在降速干燥阶段则应采用较低的温度，这就是分段变温干燥方式。王泽南等人研究了荸荠片的分段变温干燥工艺，发现前段采用90下干燥75 min，后段在65干燥180 min，可在保证荸荠片品质的前提下，其干燥时间比65恒温干燥缩短了1 h，降低了能耗。这种干燥方式应用于连续、半连续的隧道式干燥机有一定的困难，可用2台隧道干燥机配合工作，投资虽然增加了，但其节能效果明显，有一定的应用前景。特别注意的是，要在不同的温度采用不同的风速，高温低风速，低温高风速，可以减少热风用量，更能有效利用热量。因为高温热风具有高的饱和水分含量，可以容纳更多的水分，因此采用低风速，使热风与物判更长时间接触，充分吸收水分。另外，采用低风速可防止制品表面剧烈失水而干缩，阻碍内部水分子向外扩散；而风速大时的传热系数增大，有利于提高传质速率，同时可避免因热风在排出之前达到饱和而使物料“返潮”。2通过对物料的预处理实现节能降耗农产品和中药材的干燥预处理，一般包括清洗、切分、压扁、热烫、发汗等过程。清洗和切分可以增大物料的有效表面积，为水分提供一个便捷的蒸发通道，特别对于很多叶杆状物料，其表面有一层蜡质层，严重影响干燥时水分的蒸发；热烫能使物料细胞的酶失活，防止不良反应的发生，还能使细胞内原生质发生凝固，造成质壁分离，削弱细胞膜阻力，有利于提高干燥速度。但过度热烫会使水分过多渗入物料组织，含水量增加，并且使组织细胞受到严重破坏，反而影响干燥过程中水分的移动，增大能耗，所以应该严格把握热烫时间；发汗就是将物料堆积在一起，使其失去部分自由水，降低初始含水量，防止其表面硬化的过程，这种方法在中药材干燥中的应用特别普遍。适当的预处理不仅能减少物料有效成分的损失，提高干燥品质，而且能提高干燥速度、降低能耗，是干燥生产中非常重要的环节。诸爱士等人在对西芹的热风干燥工艺进行研究时，发现干燥前对西芹90烫漂3 min时的干燥速度最快，能耗最低。物料在进行热烫之后，一般先趁热进行机械脱水或置换脱水，这样可消除传统干燥中的相变化，所需能量仅为蒸发的1。另外，机械脱水要趁热快速进行，然后迅速进入隧道干燥，可以缩短干燥加热阶段的时间，有利于热量的充分利用。需注意的是，对于有些物料，若机械脱水时力度太大，会使物料抱团而不松散，影响干燥速率。对于这些物料，注意脱水力度要轻。还有一种方法是在物料进人隧道干燥机前进行渗透脱水处理，可使干燥时间缩短10-15，同样可达到明显的节能效果。但由于渗透脱水操作时间长，设备投资大，因此在农产品干燥的预处理中应用并不广泛。预处理要针对不同的物料分别加以研究，总的目的是使水分在物料内部更容易移动或者是降低其初始含水量。目前利用生物化学方法对物料进行预处理来提高干燥速率的研究尚未见到，这一领域有待进一步研究。3探讨最佳干燥参数 实现节能降耗 无论采用哪种干燥方式，将隧道式干燥机应用于任何一种物料时，都有其特定的最佳干燥参数，其中隧道长度是一个必要的参数。对于热风隧道式干燥机，主要参数有3个，即隧道长度、风速和风温。隧道长度的重要性在于，它可以控制出风口空气的饱和度，使空气到达出风口时接近饱和，而湿度与环境的温差保持在15度左右，以最大程度地利用热量。河南科技大学设计的隧道式中药材干燥机采用热风逆流加热，通过隧道小节的增减来改变隧道的长度，通过控风板的调整可以改变风速，利用电加热器及控制柜可对风温进行调节。通过对3项参数的调节，可以方便地研究不同物料在隧道式热风干燥机中的最佳干燥参数。目前人们对常规干燥方式最佳工艺参数的研究已经非常多，并且实验手段也很成熟，但研究隧道式干燥机隧道长度对干燥过程的影响，以及隧道长度、风温、风速对干燥过程的综合影响的研究尚未见报道，这是下一步研究的重点。4余热回收再利用隧道干燥机排放的废气温度比大气温度高得多，有大量的能量可以回收利用。理论上讲，废气湿度要求接近饱和，因此直接回收对干燥而言无利用价值，需经过除湿后方可用于物料干燥。但实际生产中，废气的湿度往往远达不到饱和，因此这一部分热量不可忽视。目前已经开发了各种余热回收装置，但由于费用太高，而不适合小型用热设备。因此对隧道式干燥机增加热风循环利用系统，或者进行改造是未来干燥设备的一个研究方向。张晓和等人通过对脱水蔬菜专用混流式隧道干燥机进行废气循环装置的改进设计，使逆流段排出的相对湿度较低的废气，部分或全部进人顺流段，在成本增加较少的情况下，有效利用了废气热量。5设备本身的隔热性与隧道式干燥机相关的热损失主要有传导热损失、缝隙热损失和操作热损失3种。隧道式干燥机的特点是干燥室外壳与外界接触面积大，这就意味着由热传导引起的设备散热损失是不可忽略的；隧道式干燥机一般由隧道小节组成，都有进出料门和其他用途的门，这些连接处和门的密闭性也是隧道干燥机热损失的一个重要方面；干燥过程中要对物料进行操作，比如进料、出料、观察和检测等，这时大量的热就会散失。一般干燥机设备的散热损失不应超过lO，大型干燥设备的散热损失应低于5。要做好干燥器的保温工作，应该寻求一种最佳保温材料及其保温层厚度。对于后两种热损失，就要对设备进行必要的改造。吴海平等人在对脱水蔬菜隧道干燥设备进行改造设计时，采用了建筑设计中过厅的设计方法，在进出料门前做一隔离小过厅，物料进出隧道时都先进人过厅，把进出料时的热风损失和缝隙损失降到了最低，节能效果明显。6结束语 本文仅介绍可直接应用于隧道式干燥机或可与隧道式干燥机结合应用的干燥节能措施，在其具体实现方式上，还需要对以下几个问题进一步研究。 (1)研究不同物料在隧道式干燥机中的分段、组合等干燥工艺。 (2)研究新型预处理方式及其对干燥过程的影响机理，以及与隧道式干燥机的结合应用。 (3)优化隧道式干燥机的设计，对现有隧道式干燥机进行合理改造，增强设备的隔热性和余热的回收利用。 (4)除了把热空气作为干燥介质外，将过热蒸汽和超临界流体作为干燥介质，在能耗方面的优势值得关注，应用于隧道式干燥机有待研究。农产品加工 学刊2008年11期 下聂保军，张仲欣(河南科技大学食品与生物工程学院，河南洛阳471003) 裴罗红采集；江洪涛编辑；程彬彬加工。