基于能耗分析的蘋果片干燥試驗研究
董繼先1,2，李靖1*，袁越錦1，2，王博1,2，劉欣1
1．陜西科技大學機電工程學院（西安710021）；2．陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術研究院（西安710021）
摘要通過熱風干燥、真空干燥和熱風真空組合干燥三種不同方式對蘋果切片進行干燥能耗試驗研究，獲得了影響因素及干燥方式的干燥曲線以及能耗曲線，對比分析了不同的熱風溫度、熱風風速、真空溫度、相對真空度、中間轉(zhuǎn)換點含水率的干燥速率和干燥能耗，得出熱風溫度、真空溫度對干燥速率影響較大，對能耗的影響也較為明顯。熱風風速對干燥速率影響有限，但對能耗也有較為明顯的影響，相對真空度對干燥速率及干燥能耗影響不是很顯著，組合干燥的中間轉(zhuǎn)換點含水率對干燥速率及干燥能耗影響特別顯著。
關鍵詞干燥；熱風；真空；含水率：能耗
我國是水果蔬菜生產(chǎn)大國，果蔬總量居于世界第一位。果蔬含水量高，保鮮期短，極易腐爛變質(zhì)，為了延長果蔬的儲存時間，將水果、蔬菜脫去其中的自由水是常用的方法之一。果蔬經(jīng)過干燥脫水，含水量降至足夠低后，能阻礙微生物增長繁殖，抑制蔬菜中所含的酶的活性，推遲和減少以水為媒介的腐爛變質(zhì)，從而使脫水后的產(chǎn)品能夠在常溫下持久保存，且便于運輸和攜帶。而我國干燥作業(yè)涉及國民經(jīng)濟的廣泛領域，同時也是我國的耗能大戶之一，所用能源占國民經(jīng)濟總能耗的12%左右。試驗以蘋果為主要試驗材料，以熱風干燥、真空干燥和熱風真空組合干燥方法，來探索蘋果片以自制的熱風真空組合干燥設備在于燥過程中的能耗情況，以便在后續(xù)的研究中改進以及為相關領域的研究提供有價值的幫助。
1 材料與方法
1.1試驗材料、試劑與試驗設備
新鮮的“紅富士”蘋果：市售。
檸檬酸（純度≥99.5%，相對分子質(zhì)量為210.14）、氯化鈉（純度≥99.5%，相對分子質(zhì)量58.44）、無水氯化鈣（純度≥96.0%，相對分子質(zhì)量為110.99）、亞硫酸氫鈉（純度≥99.7%，相對分子質(zhì)量為104.06）：天津市凱通化學試劑有限公司（原四通化工廠）。
太陽能熱風真空組合干燥設備，自制；冠亞牌SFY系列快速水分測定儀：深圳市冠亞電子科技有限公司；三相四線電子式有功電能表：百德爾電表有限公司；電子天平（精度為0.001 g）；風速儀(AR826wind speed tester)溫度計；電子秒表；鑷子；燒杯；玻璃棒等。
自制太陽能果蔬熱風真空組合干燥設備如圖1所示，主要由空氣預熱器、排風管、排濕風機、智能控制器、水泵、真空泵、干燥箱、熱風輔助加熱器和引風機等組成。
自制太陽能果蔬熱風真空組合干燥設備在進行熱風干燥時，打開空氣進出口管路閥門，空氣通過進氣口進入空氣預熱器1進行預熱之后通過進風管30及引風機29將空氣送至熱風輔助加熱器28將空氣加熱到預定溫度經(jīng)過均風通道進入干燥箱26，與被干燥物料發(fā)生傳熱傳質(zhì)后，通過排風管2，在空氣預熱器1處預熱新鮮空氣后排出。當進行真空干燥時，關閉排風控制閥3及風量控制閥27，關閉干燥箱箱門6，打開水泵1 8，預定溫度的熱水經(jīng)過高溫進水管9進入干燥箱內(nèi)的熱水盤管，將被干燥物料加熱到所需溫度，然后回水經(jīng)由低溫回水管19排出。打開真空泵20，干燥箱內(nèi)的空氣由真空泵抽出，進行抽真空干燥。
1.2試驗方法
1.2.1試驗流程
挑選大小均勻、新鮮程度一致的新鮮蘋果。將新鮮蘋果置于清水中清洗干凈，將蘋果削皮后切成厚度為3～5 mm的薄片。護色液按料液比為1：5(g/m L)進行配制，其中，檸檬酸0.5%，氯化鈉0.5%，無水氯化鈣0.4%，亞硫酸氫鈉0.2%。將切分好的蘋果片浸泡入護色液中，經(jīng)過0.5 h后，從護色液中撈出，用清水反復沖洗干凈，瀝干蘋果片表面的水分。取大于0.5 g的樣品放在快速水分測定儀的物料盤上進行測量水分，測出蘋果的初始含水率，然后準確稱取3 000 g蘋果片均勻的鋪至物料盤內(nèi)，放入熱風真空組合干燥箱內(nèi)進行干燥，此時記下電表讀數(shù)。
1.2.1.1熱風干燥過程能耗的試驗流程
熱風溫度設定為50℃，60℃和70℃三個水平，熱風風速設定0.058，0.065和0.072 m/s三個水平。
1.2.1.2真空干燥過程能耗的試驗流程
真空溫度設置為55℃，63℃和70℃三個水平，相對真空度設定為0.08，0.085和0.09三個水平。
1.2.1.3熱風真空組合干燥過程能耗的試驗流程
熱風溫度和熱風風速設定為單一熱風干燥得出的最佳溫度及風速，中間轉(zhuǎn)換點含水率設定為30%，40%和50%三個水平；真空溫度和相對真空度設置為單一真空干燥得出的最佳真空溫度及相對真空度。
1.2.2試驗方案設計
試驗采用單因素的試驗方法對熱風干燥過程中的控制因素——熱風溫度和熱風風速，真空干燥過程中的控制因素——真空溫度和相對真空度，熱風真空組合干燥的干燥過程中的中間轉(zhuǎn)換點——含水率，進行單因素控制來能耗觀察分析。具體試驗設計如表1。
其中熱風溫度60℃，70℃對應的熱風風速a是根據(jù)熱風溫度為50 ℃的試驗干燥時間及能耗綜合分析得出。 表2中真空溫度度63℃，70℃對應的相對真空度b根據(jù)真空溫度為55℃的試驗干燥時間及能耗綜合分析得出。
表3中熱風溫度A、熱風風速B、真空溫度C和相對真空度D的設定為表1和2試驗結果的最佳組合。
1.2.3評價指標
1.2.3.1含水率
采用冠亞牌SFY系列快速水分測定儀進行測量，將儀器的加熱溫度調(diào)至123℃，判斷時間設定為40 s，取大于0.5 g的樣品，放在料盤上進行測量，待紅外燈泡熄滅并發(fā)出報警時，按下“顯示”鍵讀出樣品的水分值�？焖偎譁y定儀的測定含水率X的原理為：
1.2.3.2消耗的電能
將試驗過程中所用到干燥設備總線纜接入三相四線電子式有功電能表，在物料放人干燥箱時記下電表的讀數(shù)為E0，在每次蘋果切片取樣時記錄一次實時的Et0則干燥過程所消耗的電能（由于試驗設備除電能外沒有將其他供能設備或能源加入，所以能耗只考慮電能消耗量）為：
1.2.3.3干燥時間
采用電子表進行計時，在物料放人干燥箱時記下時間為T0，在進行蘋果切片取樣時記下的時間讀數(shù)
2結果與分析
2.1 熱風干燥能耗試驗結果與分析
利用熱風干燥過程中的控制的熱風風速、熱風溫度對于燥時間以及干燥能耗進行分析。
2.1.1熱風風速對結果影響的分析
當熱風溫度為50℃時，從圖2中可以看出，熱風風速為0.058 m/s的干燥曲線較熱風風速為0.065 m/s與0.072 m/s的平緩，而0.06 m/s與0.07 m/s熱風風速的干燥曲線相差幾乎不大，但達到相同含水率時第一水平的熱風風速所需的干燥時間最長。而第二水平與第三水平的熱風風速干燥時間基本一致，說明蘋果片的失水率與熱風風速有關，干燥到相同的含水率，較大的風速所需要的干燥時間越短。這是因為風速越大，蘋果片表面的水汽層越薄，對流傳熱膜系數(shù)越大，傳熱傳質(zhì)速率提高的緣故。但風速對失水率的影響有限，在干燥曲線上表現(xiàn)為各干燥曲線靠近，可見風速對蘋果片的失水率影響不顯著。
從圖3中可以看出，熱風風速越大單位時間內(nèi)所消耗的電能越多，是因為風速對干燥速率影響并不顯著，但較高的風速在同樣的時間內(nèi)需要較多的能量去維持風速，同時在相同的時間內(nèi)，熱量流失的也越多，因此所消耗的電能就越多。
2.1.2熱風溫度對結果影響的分析
當熱風風速為0.065 m/s時，從圖4中可以看出，熱風溫度為50℃的干燥曲線較熱風溫度為60℃的干燥曲線平緩，60℃的干燥曲線較70 ℃的干燥曲線平緩，熱風溫度為一水平、二水平和三水平時達到20%以下含水率所需干燥時間逐漸縮短。說明熱風溫度對蘋果片的失水率有較大的影響，溫度越高，干燥至相同的含水率所需要的時間越短。這是因為溫度越高，蘋果片表面與熱風傳熱傳質(zhì)的推動力就越大，蘋果片表面的傳質(zhì)較快，單位時間內(nèi)蘋果片失水率就越大，干燥速率提高的。
從圖5中可以看出，熱風溫度越高單位時間內(nèi)所消耗的電能越多，較高的熱風溫度需要靠較多的電能，熱量流失的也越多。但達到相同的含水率時熱風溫度越高所需要的電能越少，是因為熱風溫度對干燥速率影響較為顯著，熱風溫度高干燥時間短。
2.2真空干燥能耗試驗結果與分析
以真空干燥過程中的控制的真空溫度、相對真空度對干燥時間以及干燥能耗進行分析。
2.2.1真空溫度對結果影響的分析
當相對真空度為0.085時，從圖6中可以看出，真空溫度對干燥曲線影響較大，真空溫度為55℃的干燥曲線較為平緩，而真空溫度為70℃的干燥曲線最陡，63℃的干燥曲線次之，說明真空溫度越高，達到相同含水率時所需要的時間越短。相對真空度為0.085時，水的沸點為53.969℃，所以當真空溫度越高，與相對真空度0.085所對應的沸點的差值就越大，干燥過程的推動力就越大，干燥速率也越大，在圖6中表現(xiàn)為干燥曲線越陡。
從圖7可以看出真空溫度越高，單位時間內(nèi)所需要的電能越多，較高的真空溫度干燥速率較大，同時也需要較多的能量克服水分從物料內(nèi)部向物料表面?zhèn)鬟f的阻力，以及物料表面水分的蒸發(fā)，由于真空溫度對干燥速率影響較大，達到相同含水率較高的真空溫度所需的時間較短，所以消耗的電能也較少。
2.2.2相對真空度對干燥結果的影響分析
當真空溫度為55℃，從圖8中可以看出相對真空度為0.08，0.085和0.09的干燥曲線之間的差別并不大，這是因為相對真空度0.08，0.085和0.09所對應的沸點分別為60.058℃，53.969℃和45.806℃，與試驗過程所施加的溫度的差值分別為5.058℃，-1.031℃和-9.194℃，溫度差別并不大，加之水分從物料內(nèi)部向表面擴散有內(nèi)部孔道網(wǎng)絡結構之間的阻力，以及試
驗真空干燥階段為脈沖式干燥方式，使干燥箱內(nèi)的水分排出不及時使得不同相對真空度在干燥速率上表現(xiàn)不明顯。
從圖9可以看出相對真空度越大在單位時間內(nèi)所消耗的電能越多，這是因為相對真空度越高，每次抽真空時，真空泵需要運行較長的時間才能達到所需的真空度，但是相對真空度0.08與相對真空度0.085之間的能耗相差不大，二者與相對真空度0.09之間的差別較為明顯，根據(jù)2BV2071水環(huán)真空泵的特性，極限相對真空度為0.097，因此越接近極限相對真空度，每次抽取真空時所需時間較長，消耗的電能越多。
2.3熱風真空組合干燥能耗試驗結果
當熱風溫度為70℃，熱風風速為0.065 m/s，真空溫度為70℃，相對真空度為0.085時，不同中間含水率的干燥曲線如圖10所示，其中熱風干燥階段以曲線圖表示，真空干燥階段以散點圖表示。由圖可以看出熱風干燥階段的干燥曲線相差不大，但真空階段的干燥曲線略有差別。這是因為真空干燥階段的起點不同。
由圖11可以看出不同中間含水率的在熱風干燥階段（曲線）能耗幾乎沒有差別，但在真空干燥階段（散點）相差較大。首先在單位時間內(nèi)熱風干燥比間歇式真空干燥能耗大，30%，40%和50%的中間含水率所需要的熱風干燥階段時間較長，所以在熱風干燥階段所消耗的能量較多。其次，真空干燥階段處于整個干燥階段的快速干燥階段，所以真空干燥所需的干燥時間較短，所需要的電能較少，達到節(jié)能的目的。
3結論
通過熱風干燥、真空干燥和熱風真空組合干燥方式對蘋果切片進行能耗試驗研究，利用Excel軟件繪出不同干燥方式的干燥曲線以及能耗曲線，對比了不同的熱風溫度、熱風風速、真空溫度、相對真空度以及中間轉(zhuǎn)換點含水率的干燥速率、干燥能耗。得出了結論：
1)熱風干燥的熱風溫度對于燥速率以及干燥能耗影響較大，熱風溫度越高，干燥速率越大，同時所消耗的電能也越多。熱風風速對于燥速率也有一定的影響，但是影響有限，但是風速越大在相同的時間段內(nèi)所消耗的電能也越多。
2)真空干燥的真空溫度對干燥速率和干燥能耗影響較為顯著，具體的真空溫度越高單位時間內(nèi)物料水分流失的越快，相應的所需能量也越多。相對真空度在試驗中體現(xiàn)的不是很明顯，可能是因為觀察相對真空度時所設置的真空溫度較低。
3)熱風真空組合干燥在熱風干燥階段的不同含水率對干燥速率影響不大，但是在真空階段有區(qū)別，主要是因為真空干燥階段的起點不同，中間轉(zhuǎn)換點含水率越高，所需的干燥時間越短，干燥能耗越少。
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