文 献 综 述

1研究背景

我国是果蔬生产大国, 从相关数据来看，2007年的果品总产量接近9000万吨, 蔬菜总产量达到了6.5亿吨, 果蔬总产值超过了5000亿元, 我国已成为世界上最大的果蔬原料生产国。2007年, 我国果蔬类产品出口量超过450万吨, 其中加工产品就有300多万吨, 创汇超50亿美元, 占农产品总创汇额的20%,居第二位^［1］。我国已经成为世界上最大的果蔬类产品加工国, 其中脱水蔬菜占世界总贸易量的2/3。果蔬产业为我国加快区域特色农业发展、促进农业效益、提高农民收入、拉动食品产业发展发挥了巨大作用。

果蔬加工的基本方法之一就是果蔬干燥。果蔬干燥的目的就是使果蔬的含水率降低, 使得微生物不能利用, 同时也抑制果蔬中的酶的活动, 从而保存干制品。干燥新技术的发展, 使得果蔬干燥加工有了新的发展机遇。

2果蔬干燥技术简介

现在国内外主要的干燥方法有微波干燥、红外干燥、热风干燥、热泵干燥、冷冻干燥以及联合干燥。干燥就是将液体经过汽化,从液体从液相转为气相的过程，去除物料中多余的水分,然后得到含有一定水分或质地的产品^［2］。现在干燥应用在食品加工业中越来越多。但是干燥的传热传质过程非常复杂,不仅与物料本身结构以及它的物理化学性质有关,还与干燥时的外部条件如温度、湿度、介质及干燥手段等方面有关。如果干燥过程控制不当,那么就会对干燥制品的品质产生不良影响。

热风干燥就是利用热泵原理及显热换热技术来获得高温热风来烘干果蔬的技术，原理很简单，烘干机本身的结构也比较简单，在烘干机里面有一个热风循环系统，这个系统由空气过滤器、加热器、旋风分离器和鼓风机等组成。从烘干机出来的高温热风经旋风分离器除去粉末后再回到鼓风机，再经过过滤器过滤，再加热送入烘干机内，循环过程中，随着空气温度的变化，不断释放一部分循环空气，然后补充一部分经过减湿过滤后的新鲜空气，烘干机的特点是切片在干燥器内停留时间一致，这样切片的烘干质量较好，而且切片是可以直接使用，避免了干切片回潮的问题，而且烘干机的结构比较简单，热风干燥再纺丝等行业应用较多。

真空干燥，又被叫做解析干燥，将物料放置在真空负压环境下，降低水的沸点，水在常压下的沸点是100℃，在真空条件下水的沸点能降到80℃，60℃，40℃就开始蒸发。在保健食品的生产中真空干燥技术应用较多，特别是一些天然产物的提取物的干燥，天然产物中很多有用成分不耐高温，所以采用真空干燥可以在较低温度下实现干燥。

由冷凝液收集器与冷凝器组成的冷凝系统、干燥柜与真空泵三部分组成真空干燥器。湿物料被置浅盘内，然后置于干燥柜的搁板上，由蒸汽人口引入加热蒸汽，通入夹层的搁板内，冷凝水从干燥箱下部出口流出经冷凝管被冷凝液收集器收集；管道与阀门将冷凝系统与真空泵紧密相连，使其形成一个完整的密闭系统，这样干燥操作就可以连续进行。

影响真空干燥的因素主要有:真空干燥温度、浓缩液的相对密度、真空干燥真空度和真空干燥时间等。

提取天然物料时，浓缩液的相对密度最好是控制在1.30～1.35(60℃热测)的稠膏；干燥温度不能高于70℃，一般控制在60℃附近；真空干燥真空度常控制在-0.08MPa附近。

微波干燥与其他传统干燥方式不同，它的水分扩散方向与是热传导方向一样的。与传统干燥方式对比，具有干燥速率大、清洁、效率高、干燥均匀、节能、易实现自动化控制和产品质量高等优点，所以在干燥的各个领域应用的越来越多。

如火焰、热风、蒸汽、电加热等传统干燥方法，都是外部加热干燥。但是微波干燥则是一种内部加热的方法。将湿物料放在振荡周期极短的微波高频电场内，物料内部的水分子在电场的影响会发生极化并沿着电场的方向排列整齐，随着高频交变电场方向的交互变化水分子也会随着转动，水分子之间发生剧烈的碰撞（每秒钟可达上亿次），结果就是一部分微波能转化为分子的热能，这样水的温度就会升高而离开物料，从而让物料干燥。所以，微波干燥是一种用电磁波作为热源，将电磁能转化为热能一种干燥方式。

微波发生器是微波干燥设备的核心，2450MHz是现在微波干燥的主要频率，多用于食品、化工、农副产品、木材类、建材类、纸品等行业的干燥，也可用于食品、农副产品等的杀菌。

红外干燥又被叫做辐射干燥，就是一种利用红外线辐射来让物料中的水分汽化的干燥方法。波长为0.72μm~1000μm的电磁波被叫做红外线,一般波长在5.6μm以上的被称做远红外线，波长在5.6μm以下的被称近红外线。工业上干燥物料一般采用远红外线。远红外辐射元件一般由基体表面的能辐射远红外线的物质层的涂层、基体和热源装置等三部分构成。热量由热源装置提供，经过金属或陶瓷做的基体，传到涂层，然后远红外线从涂层表面辐射出来。硼化物、硫化物、碳化物、氮化物和金属的氧化物等是制作涂层的材料。热源装置是电热器或者是煤气加热器。红外线干燥的可以应用的范围很大，除了广泛用于烘干涂料外，所有工业部门都几乎可以用到，对于食品和装饰板、玻璃板、织物、药品、纸张和木材等，采用此法干燥特别有效。

利用高温热泵机组从周围吸收热量，并将热量传给被加热物体干燥方式就是热泵干燥。高温热泵烘干机组，主要由翅片冷凝器（内机）、压缩机、翅片式蒸发器（外机）和膨胀阀四部分组成，通过让工质吸取室外环境中的热量不断完成蒸发→压缩机中压缩→在室内烘干房中放出热量冷凝→膨胀阀节流→再蒸发的热力循环过程，从而实现将外部环境里的热量转移到烘干房这一过程，压缩机使工质在在系统内循环流动。

联合干燥技术是利用多种干燥技术联合来达到一种高效烘干的技术。

3国内外研究现状

3.1热风干燥

华中农业大学食品科学学院的韩月峰^［3］等人在《热风干燥工艺对蒜片中有机硫化物的影响》一文中通过将大蒜瓣去皮,洗净,晾干,切成1、2、3 mm三种厚度的薄片,置于风速为2 m /s,干燥温度分别为50℃、55℃、60℃、65℃和70℃的电加热连续式烘干机中干燥, , 采用不同干燥时间来控制蒜片中含水量使蒜片含水量干燥至6%。

图1 不同厚度下干燥温度对蒜片DATS含量的影响

由图1可以看出, 随着干燥温度的变化,3种 DATS含量的变化具有先增大后减小这一相同的趋势,当温度小于55℃时,随着蒜片的厚度与蒜片中DATS含量正相关，厚度越大含量越高,但是当温度大于60℃时,情况相反，蒜片中DATS的含量随厚度的增大反而减小。从中可知热风干燥的一个重大影响因素就是温度。

3.2真空冷冻干燥

真空冷冻干燥是一种先把果蔬冷冻后再进行升华干燥的处理方法。经冻这种方法处理的物质酶化作用会变的微弱, 但是原有的生理和化学性能保持不变。沈卫强^［4］在果蔬干燥新技术的研究中发现果蔬经过真空冷冻干燥后, 会呈现出多孔性结构, 体积变化较小。与传统干燥方法对比, 冻干果品可以基本保持新鲜果蔬的色香味及营养等, 食用时也清脆可口, 与新鲜果蔬相比无多大差异, 但是质量可以减少70%～ 90% , 方便运输和携带, 而且更容易保存, 在常温下也可以存放5天左右。

3.3微波干燥

微波是具有穿透特性的电磁波, 在微波干燥红微波频率为2450MHz和915MHz的微波比较常用。选择性加热、能量利用率高、穿透性强和加热时间短并且干燥速度快等都是它的优点。黄艳等^［5］通过对微波真空干燥技术的研究得出微波真空干燥技术具有干燥温度低、营养成分损失少、脱水率高等优点的结论, 所以微波干燥对含水率较高的果蔬进行加工时,更有优势，但是迄今为止, 微波真空干燥技术的应用研究主要在果蔬等农产品的干燥方面, 但是应用在其它食品生产中还比较少。

邓宇^［6］等采用微波真空干燥技术、冷冻干燥和热风干燥这3种干燥方法来干燥蕨菜, 然后将3种干燥方法后的样品的品质进行对比, 结果发现微波真空干燥的蕨菜质和冷冻干燥的品质比较接近，但是热风干燥的品质就明显低于微波真空和冷冻干燥。

Joanna^［7］等测量了不同干燥条件下马铃薯小块的色泽、糖含量、淀粉含量、力学性质及其微结构。研究表明:微波真空干燥法对阻止干燥过程对色泽的破坏特别有优势；经过真空微波干燥的马铃薯小块, 它的糖分和淀粉的损失要比用其他干燥方法的低； 由微波干燥的马铃薯小块让马铃薯小块发生3～5.5 mm的变形所需要的能耗最低, 而用烫漂和热风干燥的最高。

江宁^［8］等通过对果蔬微波干燥的研究表明微波干燥法比其他干燥方法具有很大的优越性, 特别是在果品和蔬菜的外观、微结构及营养物质的保持等方面具有巨大的优越性。

3.4红外干燥

红外干燥又被叫做辐射干燥，是一种运用红外线辐射来让物料中的水分升温汽化的干燥方法。张丽丽^［9］通过对红外干燥技术对蔬菜的干燥研究,得出如下结论。(1)红外干燥过程是一个非线性、非稳态的复杂传热、传质过程；红外干燥中, 辐射强度,物料厚度,辐射距离是影响干燥质量的主要因素。 (2)与三次和四次多项式模型相比,五次多项式数学模型在预测胡萝卜色差总值与干燥时间之间的规律时更精确。

Koca^［10］等人研究脱水胡萝卜的性质发现脱水胡萝卜的变化是因为胡萝卜素的流失产生的。还发现辐射功率和距离以及样本厚度对胡萝卜样本的颜色都有很大的影响，因此红外干燥需要确定好辐射功率和辐射距离。

3.5热泵干燥

热泵干燥是运用热泵系统除去干燥室内空气中的水分，并加热除湿后的空气使之变为干热空气后再回干燥室，实现干燥与脱水物料。

张海红^［11］等人运用果蔬干燥特性和热泵干燥原理及特点，在研究传统热风干燥工艺的基础上，提出并运用热泵干燥方法，并且研制出了果蔬热泵干燥装置。运行试验表明，该装置不但满足全封闭式、半封闭式、全开式3 种干燥方式的生产工艺要求，还具有可以调整参数，机器运行稳定安全，热效率高，干燥品质好的特点。

图2.果蔬热泵干燥装置原理图

为了达到装置的能量平衡，在弄清楚干燥介质的特性后，建立一个辅助加热器，用来达到系统启动时或者恒速干燥阶段高强热量传递的要求，并且实现干燥室温度在20 ～ 60 ℃内调整的目的；通过调节流过蒸发器表面湿空气的流量，改善热泵运行状况，提高热效率；在湿空气进入蒸发器前，先利用换热器进行换热处理，以此来减少蒸发器负荷，以便进一步提高冷凝水去除率^［12］。但刘贵珊^［13］曾指出过热泵干燥技术虽然具有节能、干燥温度低等优点，但也有干燥时间长，维护要求高的缺点。

蒋赣^［14］等通过研究了热风干燥、红外干燥、微波干燥和吸附干燥对胡萝卜品质的影响。

图3 不同干燥方法对干燥速率的影响

图 4 不同干燥法对复水比的影响

从图3图4中可以看出红外干燥速度最快，吸附干燥复水比最低。

3.6联合干燥技术

纪勋光^［15］等在对微波干燥技术的探讨中指出了传统干燥的存在的问题:与先进国家相比冻干技术和冻干设备制造等方面有一定的不足，消耗的能源较高，冻干所需要的时间较长，而且冻干食品质量有好有坏。所以冷冻干燥又被认为是最昂贵的一种干燥方法。

传统热风干燥存在的缺点:热风干燥时，高温热风对物料的内部结构会造成严重损伤，容易产生焦糊粒、爆花粒等问题。而且不能有效利用热能，能耗较高。

传统辐射干燥存在的问题:红外灯是早期的红外辐射加热器，红外灯的能量转化率低，能耗非常严重。

宋小勇^［16］等人就单一热泵干燥和不同远红外加热功率辅助热泵干燥条件下，测量出干燥室进、出口空气温度和相对湿度，以及干燥物料不同位置的温度在干燥时的变化情况进行分析，得出远红外辅助热泵干燥比其他干燥方法具有更强的除湿能力的结论。

王芳^［17］研究的太阳能耦合热泵干燥的联合干燥系统, 可以在很大程度上降低干燥过程的电能消耗, 而且采用太阳能耦合热泵干燥比传统干燥技术更加节能和环保。

图 5 太阳能耦合热泵干燥系统示意图

太阳能-热泵联合干燥主要用于谷物、果蔬、木材等产品的干燥。太阳能热泵联合干燥系统优点很多, 主要具有以下几个方面: ①太阳能热泵联合干燥提高了干燥的质量； ②太阳能热泵联合干燥大幅缩短了干燥的时间和并且节省了场地； ③太阳能热泵联合干燥可以很好的减少果蔬或谷物的腐烂； ④ 大多数的农产品干燥需要靠燃烧常规燃料来提供热量, 但是采用太阳能热泵联合干燥可以很大程度上节省燃料, 更加节能和环保。

当然太阳能-热泵联合干燥系统也有一些不足: 首先, 与自然干燥相比太阳能耦合热泵干燥需要消耗一部分电能； 其次, 太阳能耦合热泵干燥对室外气象依赖较大, 而且, 太阳能热泵干燥系统较其他干燥方法初期投资比较大。

胡庆国^［18］利用热风与真空微波的联合干燥毛豆的方法，各取所长，在不同阶段运用不同的干燥方法。前期利用速率较快、干燥成本低的热风干燥，来减少后一阶段真空微波设备的干燥负荷；在后期利用高强度的真空微波干燥，可以更好的消除残余水分，物料品质的破坏降到最低，来达到增强微波设备的生产能力、减少干燥时间、减少能耗、更好的操作控制、提高产品质量等目的。

4热管技术在干燥领域的应用

干燥在很多生产过程都有用到，也是生产过程中能量消耗的主要过程。有数据表明^［19］:干燥1t物料至少需要耗煤1t；在木材加工中一个很重要的环节就是木材干燥，这一环节的耗能能占木材加工总共消耗的能量的60％~70％，所以对干燥过程进行节能改造是必不可少的^［20］。最近几十年来，许多干燥领域都应用到了热管技术。实践表明，热管技术具有如下的优点:

(1)适合利用余热作为干燥热源，节能率一般在10％~45％；

(2)设备占空间小、质量小，流体能量损失小；

(3)稳定性好，维修简单，使用时间长；

(4)对于热源的要求低，可以利用的热源种类多。

虽然热管技术在干燥领域应用取得了一些不错的成果，但是它的应用潜力还没有真正开发出来。而且也因为缺少对热管技术的基本内涵的比较全面系统的理解，所以在应用中也产生了不少问题，不仅没有达到应有的效果，反而产生了很多不必要的损失。

随着工业化时代的进步，对干燥速度和干燥循环温度的不断提高，同时对废气的相对湿度的不断降低，热管回热式除湿干燥技术将是以后工业干燥节能的一个研究重点。

热泵干燥不仅有明显的节能这一优点外, 还具有较高的产品成品率和质量的优势； 和自然干燥相对比, 热泵干燥可以不受气候和场地的限制。所以热管作为一种高效换热器，很多学者们和生产厂家都将它应用在热泵干燥中。

图6带热管回热器的热泵干燥实验装置示意图

图6是带热管回热器的闭式蒸汽压缩式热泵干燥器的示意图。整个装置都是被装在一个箱体中, 左边为干燥室, 右边是热泵系统。由冷凝器、压缩机、蒸发器、节流阀及一些辅助部件组成热泵系统, 热泵系统的工质为R142b。

南京工业大学的金苏敏^［21］对RCGJ5型热泵木材干燥机上进行了改造，在干燥机上增加了一个热管式空气回热器，分析结果表明装上热管回热器的热泵木材干燥机的除湿能力得到了很大提高，而且除湿能耗比更小，但是当相对湿度达到90%时，两者的除湿能耗比SPC很接近，原因是当空气的相对湿度达到一定数值时，空气经过蒸发器后的温度下降很小，此时热管回热器的传热温差也比较小，使回热器工作效率降低。

热管技术存在的问题主要是露点腐蚀及控制、翅片积灰及清灰以及传热强化等。

图7热管工作原理图

如图7 所示, 热管由3段组成，分别是蒸发段、绝热段和冷凝段。当蒸发段受热时, 吸液芯中的工质蒸发产生蒸汽流向冷凝段。蒸汽在冷凝端放热冷却凝结成液体, 液体在沿毛细多孔材料吸力作用下流回蒸发段, 如此不断循环, 将热量不停的从蒸发段端传到冷凝端。利用该原理工作的热管被称为为毛细管式热管。

另一种热管为重力式热管, 又被称为两相热虹吸管, 如图8 所示。重力热管是应用最多的一种热管。它可以不采用吸液芯结构, 工质在冷却段冷凝成液体在自身重力作用下沿热管内壁回流到蒸发段。

图8 重力热管工作示意图

董科利^［22］通过研究强化传热技术及一些典型的应用发现在传热设备中利用强化传热技术的目的一般有:(1) 缩小换热面积和减小设备体积；(2) 提高输热量；(3) 减小高温部件的温度；(4) 减少输送载热剂时的消耗。表面式换热器中，单位时间内的换热量Q与冷热流体的温度差△t及传热面积F成正比，即Q=KFΔt，其中K为传热系数。从上式我们可以看出，我们可以通过增大传热面积、提高传热温差和增大传热系数来加大传热量^{［23～24］}。

郑丽^［25］等通过对热管的吸液芯进行了研究，结果表明多孔泡沫金属吸液芯克服了烧结金属粉末吸液芯阻力大、丝网吸液芯的传热热阻大、复合吸液芯的结构比较复杂、于道吸液芯制造成本高难度大、槽道吸液芯应用方向性强等缺点，从中我们可以看出多孔泡沫金属吸液芯相比于其他吸液芯具有很大的优越性。

Fan^［26］等对3种形式的槽道热管进行试验分析，分别分析了充液量、槽道结构对热管传热性能的影响，得出较深的槽道结构能够获得更好的传热效果的结论。

5本研究课题

我的课题研究的就是利用热管来代替干燥机内的蒸汽管道来传热，利用热管的高导热性和等温性，通过计算传热量和工作温度来确定热管的吸液芯以及制作材料和排列方式来得到一个均匀的稳定的温度场，使干燥机能够更好的干燥果蔬，并让它成为一个高效的、质量有保证的干燥机。

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：