空气能热泵对农产品干燥技术的优势及发展前景

宋 炜

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

农产品收获后，为延长保质期、便于运输、储存、再加工，应采用干燥技术降低农产品中水分含量，得到农产品干制品。农业生产中传统的农产品干燥方法采用日照晒干或人工烘烤，受天气影响较大，干燥产品的色泽、外观、营养等品质难以保证，而且效率低，不能形成规模化生产。随着科技的发展，环境保护意识不断增强，亟需开发高效、节能、环保的新型农产品干燥技术，如太阳能干燥、真空冷冻干燥、微波干燥和热泵干燥等新技术，这些新方式更加节能环保，效率也大大加快。以空气能热泵为核心的干燥技术逐渐得到关注，与传统干燥方式相比，该技术具有高效节能、干燥物料品质高、适用范围广、运行成本低等优点，近年来被广泛应用于农产品干燥领域。

1 空气能热泵干燥设备的组成及其工作原理

1.1 设备组成

热泵干燥系统主要有三种：开路式、半开路式和封闭式系统，区别就在于干燥介质的循环不同，目前封闭式热泵干燥系统应用较广泛。图1是空气能热泵干燥设备，主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀或节流阀四大部分组成。

图1 空气能热泵干燥设备

制冷剂在蒸发器内吸收由干燥室排出湿空气中的低热量，经由压缩机升压后送至冷凝器中冷凝，释放出的热量用于加热空气，再将热空气送入干燥室内进行物料干燥。运行期间，制冷剂经膨胀阀由高压降至低压，然后重新进入蒸发器内进行下一个制冷循环的吸热工作，实现连续干燥。

1.2 工作原理

空气能热泵是根据逆卡诺循环原理工作的。热量总是从高向低流动，热泵利用制冷剂在蒸发器、冷凝器整个系统中进行气、液两相转换的热力学循环过程，实现把热量从低品位热能转换成高品位热能。其工作过程是让制冷剂在机器内不断进行蒸发、压缩、冷凝、节流、再蒸发的一系列循环过程，然后热泵从周围环境中吸取热量进行物料干燥，利用这一工作原理，把食品、中草药、农副产品、海产品等一些高附加值的特异性农产品进行烘干处理。

2 空气能热泵干燥的优点

2.1 高效节能

空气能热泵干燥设备是一个闭路式干燥系统，传热工质在机组内封闭运行，主要利用了气流循环原理，从环境介质温湿空气中吸收热能，即空气能，通过制冷液循环提高空气温度进行物料干燥，整个系统设备消耗的能量只有热泵压缩机的功耗，所以空气能热泵干燥系统有显著的节能效果，能够提高能源利用效率。

2.2 干燥品质好

对于很多热敏性较高的农产品，较高的干燥温度会影响其外观品质，使营养成分损失严重。而空气能热泵烘干温度低且还有除湿功能，空气能热泵烘干温度低，干燥气体流动比较温和，几乎接近自然干燥。对于许多热敏性较高的农产品，使用空气能热泵干燥能更有效地保护物料的外观品质和风味品质，减少内部营养成分损失，这是一般高温热风干燥无法比拟的技术优势。另外，与其他干燥技术相比，热泵干燥可控性高，系统内温湿度控制更精准。因此，使用空气能热泵可以得到更高品质的干燥产品。

2.3 安全环保

安全环保是农产品生产的重要条件之一，传统燃煤热风干燥，不但热能利用率低，干燥温度不易控制，而且易造成环境污染。空气能热泵干燥设备是一种封闭循环系统，不仅能有效防止外界空气对干燥室内物料的污染，也可以防止过多废气和粉尘等排出造成大气污染，整个干燥过程除了冷凝水外，没有其他废气、废液排放，不会对环境产生污染。

3 空气能热泵在农产品干燥中的应用及发展前景

3.1 谷物干燥

中国是世界上重要的粮食生产大国，随着农业生产技术的飞速发展，我国粮食产量逐年提升。由于刚收获的粮食水分含量较高，容易造成谷物的霉烂变质，需要及时对谷物进行干燥处理，保证收获后的加工、运输和长期贮藏。传统的谷物干燥方法主要是日晒干燥和机械化干燥，日照晾晒谷物不但受天气情况影响较大，容易发生霉变发芽，而且成本高、需要消耗大量人力、谷物干燥质量无法掌控。由此，机械化干燥应运而生，机械化干燥不但不受气候影响，而且整个干燥过程都是自动化控制，干燥情况可以精准掌控，干燥质量高。

谷物机械化干燥中空气能热泵干燥技术已经得到广泛应用，采用热泵对谷物进行干燥处理，在干燥过程中低温烘干，防止温度高而引起爆腰率过高，能够有效减少谷物中营养损失。热泵烘干温度能够精准控制，干燥均匀，种子发芽率也得到保障。干燥效率高、能耗低、干燥品质好。目前，对于空气能热泵干燥技术在谷物干燥中应用的研究也越来越多。陈坤杰等[1]设计一种热泵式低温循环谷物干燥机控制系统，测试试验表明，此系统稳定性较好，参数监测控制精准，能够满足干燥工作需要。李伟钊等[2]针对多段塔式燃煤玉米干燥系统中存在高耗能、高污染等问题，利用热泵技术对干燥系统进行改进，能够将原玉米干燥系统中产生的废气和余热回收，改进后系统的干燥成本比之前降低22.4%，实现节能减排。

3.2 食用菌干燥

食用菌营养丰富，富含多种生物活性物质，对保护人体健康起到积极作用。新鲜食用菌水分含量较大，易发生褐变、腐败变质等现象，货架期短，不利于长期贮存和运输。为保持采摘后食用菌的营养品质，抑制微生物生长、防止腐败变质，需将其干燥处理制成干制品，延长食用菌货架期，提高其市场价值。干燥过程是否适当直接决定了食用菌的营养成分、外观、食用口感等品质能否达到标准。食用菌的干制方法主要有自然干制和机械干制两种，自然干制一般是采用露天晾晒自然干燥，但这种方式受到场地限制，干燥时间长，卫生状况难以保证，而且温度及湿度不易控制，干燥效率低，干燥品质差。机械干制方法主要有热风干燥、真空冷冻干燥、微波干燥、空气能热泵干燥等，不同干燥方式对食用菌干制品的营养品质及挥发性风味成分影响显著[3]。

空气能热泵干燥是相对比较温和的干燥技术，干燥温度和湿度易掌握，干燥均匀，干制品质量高。食用菌中多种有益营养物质热敏性高，热泵干燥采用低温烘干，有效降低干燥过程中的营养物质损失，干燥质量高。杨玲等[4]研究热泵干燥天祝野蘑菇的工艺参数及干燥品质，研究表明热泵干燥技术能较好适用于天祝野蘑菇干燥，干燥各项品质均在良好范围内，符合产品标准。白旭升等[5]采用空气能热泵技术进行香菇干燥，建立了香菇热泵干燥动力学模型，证实了热泵干燥技术与热风干燥相比，香菇的外观和感官品质更好。

3.3 果蔬干燥

水果、蔬菜是我国农业生产中除粮食以外最主要的农作物，果蔬产量高、出口量大。果蔬中营养物质丰富，含有大量的维生素、膳食纤维、酚类物质、生物碱等，具有较高的营养价值和保健功效。新鲜果蔬在采、运、储、销过程中如处理不当很容易变质甚至腐烂，干燥是延长采摘后果蔬保质期，降低损耗，提高其附加值的有效手段。干燥除去果蔬中部分水分，抑制酶活性和微生物生长，延长贮藏时间，而且经干燥后果蔬重量减轻、体积变小，更便于包装与运输。

空气能热泵烘干作为一种新型高效节能技术，与燃煤烘干、电热烘干等传统方式相比，节能效果显著；低温烘干方式能最大限度保留果蔬中的维生素及其他营养物质，干燥产品品质好。张海红等[6]研究采用热泵烘干技术干燥苹果片的最佳工艺参数，探讨装料量、苹果片厚度及干燥温度对热泵干燥效果的影响。彭钰航等[7]采用响应面法研究热泵干燥法烘干胡萝卜的最佳工艺参数，获得的胡萝卜干制品外观、色泽较好，复水比高，营养物质损失低。黄皓等[8]研究不同因素对空气能热泵干燥黑皮冬瓜制品品质的影响，通过单因素和正交试验，确定了热泵烘干黑皮冬瓜的最佳工艺参数。

3.4 其他干燥

空气能热泵干燥技术除了应用于谷物、食用菌和果蔬干燥外，还广泛应用于中草药、茶叶、烟叶、水产品、坚果等产品中。赵升云等[9]研究应用热泵技术干燥武夷岩茶，自主研发了热泵-电辅热一体化烘干机，干燥试验表明热泵干燥烘干武夷岩茶可以达到节能减排的效果，茶叶干燥品质也得到提升。刘兰等[10]研究空气能热泵干燥条件对罗非鱼干燥效果的影响，并确定干燥罗非鱼的最佳工艺条件，得到罗非鱼干制品品质较好。胡灯运等[11]研发了一种新型太阳能-空气源热泵联合干燥系统，进行枸杞干燥试验，结果表明，此系统能够提高枸杞干燥品质，高效节能。

4 结语

经过多年对热泵干燥技术的研究，热泵干燥技术已逐渐成熟，在节能环保的基础上，干燥后产品能保持良好的感官品质和营养品质。当然热泵干燥技术在现阶段实际生产和应用推广中也存在缺点和不足之处，今后应继续研究加以优化，使其更加高效、节能，环保，更广泛地应用于农产品干燥中。今后研究方向可以将空气能热泵技术的优点与其他干燥技术相结合，开发联合应用技术，促进热泵干燥装备的性能和智能控制等方面产生更大提升与完善，得到更广泛的应用。