馬寶龍，張永茂，畢 陽，張海燕，張 芳

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730070;2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，甘肅蘭州730070)

太陽能脫水車間濕差脫水技術(shù)研究

馬寶龍1，張永茂2，*，畢 陽1，張海燕2，張 芳2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730070;2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，甘肅蘭州730070)

采用太陽能資源與西北干燥空氣合理結(jié)合的方式，以娃娃菜為例進(jìn)行脫水干燥實(shí)驗(yàn)研究。研究西北地區(qū)不同季節(jié)的氣候條件，對(duì)娃娃菜實(shí)際脫水速度與理論空氣脫水速度的影響。得出全年干燥參數(shù)。研究表明，干燥室滿載脫水時(shí)，室外干空氣絕對(duì)濕度顯著低于室內(nèi)，不論白天和夜間都可以有效輔助太陽能進(jìn)行脫水，150kg娃娃菜全年干燥時(shí)間為28～72h，干燥效率保持在80%左右。夏季將最大節(jié)能79%，秋季最小節(jié)能47%。利用spss17.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析表明，Cubic模型擬合效果較理想。

娃娃菜，太陽能干燥，節(jié)能，模型

Abstract:The drying process of cabbage was carried out by the solar energy along with dry atmosphere which was the characteristic in northwest of China.The relationship between the climatic conditions in the northwest region in different seasons and drying rate of cabbage in practice and in theory was examined.Based on this，annual drying parameters were determined.The results showed that the drying chamber packed with dehydration，the absolute humidity of outdoor drying air was significantly lower than that of indoor，no matter the night or the day，it can effectively aided solar drying.The drying time was 28～72h for 150kg cabbage.Annual drying efficiency could be maintained around 80%.The dehydration technology which was carried out by the humidity difference could effectively reduce the energy consumption.It saved 79%in summer and 47%in autumn，respectively.The experimental results showed that the Cubic model had satisfactory fitting goodness by using spss17.0 software.

Key words:cabbage;solar drying;energy saving;model

太陽能是一種清潔的自然可再生能源，取之不盡，用之不竭。利用太陽能干制果蔬是一種節(jié)能、有效的傳統(tǒng)方法［1］。運(yùn)用日光溫室、太陽能集熱器及通風(fēng)換濕系統(tǒng)等現(xiàn)代設(shè)施，能夠加速果蔬脫水干燥速率。然而，由于太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性(夜間及早晨中斷)，在果蔬脫水的規(guī)模化生產(chǎn)過程中，其食品的安全、衛(wèi)生和感官質(zhì)量無法保證［2］。為解決這一問題，大多數(shù)情況下，人們采取增加輔助加熱的措施，但這必將耗費(fèi)煤、氣、電或其它能源［3］。本實(shí)驗(yàn)著重研究我國西北地區(qū)，在果蔬太陽能脫水加工前提下，利用相對(duì)濕度較小的干燥空氣作為介質(zhì)，在夜間及早晨，通過通風(fēng)換氣代替太陽能脫水過程中的輔助加熱設(shè)施，以達(dá)到節(jié)能的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮娃娃菜 當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)購買。

JWSK-6AC01A型溫濕度傳感器 昆侖海岸公司;SwemaAir40型風(fēng)速儀 重慶裕捷科技有限公司;DFY-4型輻射計(jì) 長(zhǎng)春氣象儀器廠;YY63-4型申奇牌軸流風(fēng)機(jī) 上海應(yīng)發(fā)風(fēng)機(jī)廠;SF2.5-4R型軸流風(fēng)機(jī) 上海興通電機(jī)廠;PB203-N型電子天平 奧斯特(上海)公司。

1.2 工藝流程

娃娃菜清洗→切塊、去根→漂燙→冷卻→瀝水→上料→脫水

實(shí)驗(yàn)在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所研制的“日光溫室+高效集熱器+自控濕差通風(fēng)排濕”型太陽能脫水車間中進(jìn)行。該車間的太陽能接收和轉(zhuǎn)換部分由陽光板屋面+太空管集熱器+換熱器及循環(huán)泵構(gòu)成。干燥室裝配進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和排濕風(fēng)機(jī)，引入外部干燥空氣的同時(shí)排出室內(nèi)濕空氣。氣流循環(huán)系統(tǒng)由進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)(風(fēng)口+風(fēng)機(jī))、排風(fēng)系統(tǒng)、內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)組成。由工控微機(jī)和溫濕度傳感器組成自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)記錄部分。干燥室內(nèi)放置5組物料架，物料架為不銹鋼網(wǎng)盤式結(jié)構(gòu)，規(guī)格為2m×0.9m，每組設(shè)三層，高度 1.7m，層間距 0.5m，每組面積5.4m2，總共可裝載物料約150kg。

含水率(%)=(試樣干燥至t時(shí)的質(zhì)量-試樣干燥至恒重時(shí)的質(zhì)量)/試樣干燥至t時(shí)的質(zhì)量×100

脫水速率(%/min)=試樣干燥Δt時(shí)間內(nèi)的脫水量/干燥前物料質(zhì)量/時(shí)間間隔

2 結(jié)果與討論

2.1 太陽能干燥室內(nèi)外相對(duì)濕度的變化

2.1.1 干燥室空載時(shí)內(nèi)外空氣相對(duì)濕度變化 我國西部地區(qū)干旱少雨，空氣濕度的水平和年變化規(guī)律對(duì)運(yùn)用干燥空氣進(jìn)行輔助脫水有著指導(dǎo)意義。由于干燥室內(nèi)外在太陽能的作用下產(chǎn)生較大的溫度差，空氣相對(duì)濕度會(huì)隨溫度發(fā)生改變，因此室內(nèi)外存在一定相對(duì)濕度差。通過對(duì)干燥室(空載)內(nèi)外空氣相對(duì)濕度的周年觀測(cè)記錄，得到不同季節(jié)空氣相對(duì)濕度平均水平。結(jié)果見表1。

表1 干燥室內(nèi)外相對(duì)濕度的季節(jié)變化Table 1 Changes in relative humidity both inside and outside the greenhouse in different seasons

如表1所示，年周期內(nèi)，西部地區(qū)空氣相對(duì)濕度隨季節(jié)有較大變化，平均相對(duì)濕度最高(秋季)可達(dá)到62.27%，最低(春季)44.59%，空氣較為干燥。另外，一天之間，相對(duì)濕度也存在明顯的變化(圖1)。將全年相對(duì)濕度數(shù)據(jù)分時(shí)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(早8點(diǎn)～次日5點(diǎn)，每3h為1時(shí)段)，取平均值，得到各時(shí)段全年平均相對(duì)濕度變化曲線，見圖1。利用spss17.0對(duì)車間內(nèi)外相對(duì)濕度進(jìn)行顯著性差異分析。

圖1 干燥室內(nèi)外相對(duì)濕度各時(shí)段變化Fig.1 The average changes in relative humidity both inside and outside the greenhouse

圖1結(jié)果表明:空載時(shí)，脫水車間內(nèi)相對(duì)濕度在所有時(shí)段均低于車間外。在一天中，脫水車間內(nèi)外的相對(duì)濕度在8:00最高，17:00達(dá)到最低。脫水車間內(nèi)年平均相對(duì)濕度為39.2%，車間外年平均相對(duì)濕度為52.8%。在14:00左右平均相對(duì)濕度差達(dá)到最大值24.8%，在23:00左右平均相對(duì)濕度差最小，為3.8%。經(jīng)顯著性差異檢驗(yàn)，23:00檢測(cè)點(diǎn)差異不顯著(p=0.338＞0.05)，其余時(shí)段脫水車間內(nèi)外相對(duì)濕度均存在顯著性差異(p=0～0.036＜0.05)。說明在太陽能脫水車間內(nèi)外，空氣相對(duì)濕度變化很大。在空載的條件下，室內(nèi)相對(duì)濕度始終小于室外相對(duì)濕度。

2.1.2 在一個(gè)果蔬脫水周期內(nèi)，室內(nèi)外空氣含水量的變化 西部干燥空氣為太陽能輔助脫水提供了良好的條件，在干燥室實(shí)載時(shí)，室內(nèi)空氣濕度增加。由于干空氣的脫水能力取決于室內(nèi)外空氣的絕對(duì)濕度差，故在脫水周期內(nèi)研究空氣濕度水平。將處理好的150kg娃娃菜于11:00放入干燥室，開啟進(jìn)出風(fēng)機(jī)，在太陽能干燥室中進(jìn)行脫水干燥。每1h記錄室內(nèi)外溫濕度數(shù)值，將溫濕度轉(zhuǎn)化為空氣含水量(表示每千克空氣中含有水的克數(shù))，直到物料含水率降為10%左右結(jié)束。每季節(jié)做兩次實(shí)驗(yàn)，取平均值。結(jié)果見圖2。

圖2 實(shí)載時(shí)室內(nèi)外空氣平均含水量的季節(jié)變化Fig.2 Air average humidity in different seasons both inside and outside during solar drying process

娃娃菜在不同季節(jié)干燥，室外空氣含水量均低于室內(nèi)，滿足干燥需求。其中，夏季室內(nèi)外空氣含水量差達(dá)到最大值3.44g/kg，最小值出現(xiàn)在秋季，為1.23g/kg。說明在西北地區(qū)實(shí)載的條件下，室外絕對(duì)濕度顯著小于室內(nèi)絕對(duì)濕度，我們正是利用“濕差”，通過風(fēng)機(jī)將室外相對(duì)干燥的空氣抽進(jìn)室內(nèi)，帶走物料及室內(nèi)濕度較大的空氣，達(dá)到物料脫水的目的。

2.2 在一個(gè)干燥周期內(nèi)濕差脫水的效果

2.2.1 四季太陽能濕差脫水曲線 為驗(yàn)證濕差脫水效果，在不同季節(jié)，將150kg娃娃菜于11:00放入干燥室，開啟進(jìn)出風(fēng)機(jī)，在太陽能干燥室中進(jìn)行脫水干燥。白天物料的干燥為太陽能與干空氣共同干燥，夜晚將由空氣獨(dú)立進(jìn)行干燥，每1h稱重并記錄脫水車間內(nèi)外溫濕度數(shù)值，直至娃娃菜含水率將為10%左右結(jié)束。每季節(jié)做兩次實(shí)驗(yàn)，取平均值。繪制不同季節(jié)脫水曲線見圖3。

圖3結(jié)果表明，秋季平均干燥時(shí)間為72h，冬季為64h，春季為30h，夏季為28h。夏季干燥時(shí)間短，秋季干燥時(shí)間長(zhǎng)與室內(nèi)外溫度及空氣含水量差值有關(guān)，符合2.1結(jié)果。較以往報(bào)道，太陽能與干空氣共同干燥明顯縮短了干燥時(shí)間。

圖3 不同季節(jié)脫水曲線Fig.3 Drying curves under different seasons

2.2.2 夜間濕差脫水分析 為獨(dú)立研究干空氣輔助脫水能力，排除太陽能作用的效果，將150kg娃娃菜于11:00放入干燥室，開啟進(jìn)出風(fēng)機(jī)，在太陽能干燥室中進(jìn)行脫水干燥。于夜間(20:00～次日5:00)，每1/2h監(jiān)測(cè)記錄室內(nèi)外空氣溫濕度，轉(zhuǎn)化為空氣含水量。由2.2.1結(jié)果可知，秋冬季干燥時(shí)間大約為3d，春夏季干燥時(shí)間約為1.5d，故以冬夏為例研究夜間空氣干燥情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4結(jié)果可知，在夜間沒有太陽提供能量時(shí)，室外空氣含水量均低于室內(nèi)，且室內(nèi)外空氣含水量趨于穩(wěn)定，說明室外干空氣可以穩(wěn)定地輔助太陽能進(jìn)行脫水。其中，冬季夜間室外平均空氣含水量為1.23g/kg，室內(nèi)空氣含水量隨著物料脫水的進(jìn)行逐漸降低。

結(jié)合圖3、圖4，冬季白天(6:00～19:00)共脫水106.3kg，夜間及早晨(20:00～次日5:00)共脫水29.7kg，夜間及早晨脫水量占總脫水量的22%。說明在太陽能間歇期，利用干空氣濕差脫水，完成了超過1/5的脫水量。夏季白天共脫水127.5kg，夜間及早晨共脫水8.7kg，夜間及早晨脫水量占總脫水量的6.4%。夏季夜間濕差脫水量較低，主要是由于溫度高、干燥速度快，大部分水分已在白天脫除的緣故。實(shí)驗(yàn)表明濕差脫水能夠有效輔助太陽能干燥過程。

2.2.3 濕差脫水效果 由于白天太陽提供的熱能傳遞給空氣，熱空氣進(jìn)一步對(duì)物料進(jìn)行脫水，濕熱交換后，濕空氣由排濕風(fēng)機(jī)排出，故將太陽能干燥與干空氣輔助干燥看作同一過程研究，在脫水車間內(nèi)于不同季節(jié)進(jìn)行滿載濕差脫水實(shí)驗(yàn)，每1/2h觀測(cè)脫水車間空氣進(jìn)出口溫濕度數(shù)值，利用焓濕圖計(jì)算軟件計(jì)算空氣含水量，取平均值，結(jié)果見表2。

表2 進(jìn)出口空氣含水量Table 2 Air humidity at the inlet and outlet

由于干燥室密閉，故可根據(jù)進(jìn)出口風(fēng)機(jī)風(fēng)量結(jié)合空氣含水量，計(jì)算理論干燥時(shí)間，計(jì)算過程如下。

蒸發(fā)1kg水所需的干空氣質(zhì)量M(g)用公式(1)計(jì)算:

式中:d2為出口空氣含水量，d1為進(jìn)口空氣含水量，把表2數(shù)據(jù)代入式(1)中。

圖4 夜間室內(nèi)外空氣含水量Fig.4 Air humidity both inside and outside in the night

式中:U為空氣比容(m3/kg)，U隨空氣溫濕度變化，結(jié)果見表3。

表3 干空氣的比容和蒸發(fā)1kg水所需空氣體積Table 3 The specific volume of dry air and the air volume for evaporating 1kg water

進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)量(L)為1600m3/h，用150kg娃娃菜進(jìn)行滿載脫水實(shí)驗(yàn)，脫至含水量為10%結(jié)束，脫水量為141kg。濕差脫水理論時(shí)間(T0)用公式(3)計(jì)算:

結(jié)果見表4。從表4可知，理論干燥時(shí)間低于實(shí)際干燥時(shí)間。主要是由于娃娃菜組織對(duì)水分的束縛，降低了水分的散失速度。四季的干燥效率都在80%左右，說明脫水車間在四季都能穩(wěn)定進(jìn)行濕差脫水。

表4 不同季節(jié)的干燥效率Table 4 Drying efficiency in different seasons

2.3 干燥曲線數(shù)學(xué)模型

2.3.1 薄層干燥方程 娃娃菜干制在太陽能脫水車間中進(jìn)行，根據(jù)干制特點(diǎn)選用薄層模型，其一般形式為MR=(Mt-Me)/(M0-Me)，本文選用Cubic模型進(jìn)行擬合，即

式中:t-干燥時(shí)間(h);MR-水分比;Mt-t時(shí)刻物料的濕基含水率(%);M0-物料濕基初始含水率(%);Me-娃娃菜的濕基平衡含水率(%);b0，b1，b2，b3-為待定常數(shù)。

2.3.2 方程的擬合 利用spss17.0軟件對(duì)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性模型擬合，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。結(jié)果如表5所示。

表5 參數(shù)估計(jì)及其顯著性檢驗(yàn)Table 5 Parameter estimation and test of significance

由方差分析可知，模型在1%置信水平下均為極顯著，所有模型R2＞0.985，說明模型與實(shí)驗(yàn)值擬合的非常好。擬合曲線見圖5。

圖5 不同季節(jié)擬合曲線Fig.5 Fitting curve in different seasons

2.4 太陽能干燥能耗

太陽能與干空氣聯(lián)合干燥過程中，消耗的主要為電能，用到的電器有:SF2.5-4R軸流風(fēng)機(jī)1個(gè)，功率200W;YY63-4申奇牌軸流風(fēng)機(jī)2個(gè)，總功率180W;其它電器設(shè)備功率100W。消耗的電能Q用公式(5)計(jì)算:

式中:P為使用的電器設(shè)備功率(W)，T為電器設(shè)備的使用時(shí)間(h)。結(jié)果見表6。

從表6可知，脫水車間在春夏季節(jié)能耗較小，秋季能耗最大。以CT-CIV熱風(fēng)循環(huán)烘箱干燥為例，干燥150kg娃娃菜需耗能64.8 kW·h。節(jié)能率用公式(6)計(jì)算:

將表6的數(shù)據(jù)代入式(6)中，公式(6)計(jì)算結(jié)果為:夏季將最大節(jié)能79%，秋季最小節(jié)能47%。

表6 不同季節(jié)干燥能耗Table 6 The drying energy consumption in different seasons

3 結(jié)論

太陽能脫水車間內(nèi)外空氣含水量差異顯著，適合一年四季連續(xù)工作。太陽能脫水車間夜間利用干空氣可以穩(wěn)定的進(jìn)行濕差脫水。太陽能脫水車間能夠有效利用空氣濕差脫水，干燥效率全年保持在80%左右。太陽能脫水車間節(jié)能效果明顯，最大節(jié)能率達(dá)到79%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cubic模型可以較好地描述水分比隨干燥時(shí)間變化的關(guān)系。

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Research of humidity difference dehydration technology in solar drying chamber

MA Bao-long1，ZHANG Yong-mao2，*，BI Yang1，ZHANG Hai-yan2，ZHANG Fang2
(1.College of Food Science and Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China;2.Institute of Agricultural Product Storage and Processing Research，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China)

TS205.9

A

1002-0306(2012)12-0349-04

2011-08-25 *通訊聯(lián)系人

馬寶龍(1986-)，男，碩士研究生，研究方向:農(nóng)產(chǎn)品貯藏及加工工程。

國家“十一五”科技支撐計(jì)劃(2007BAD52B03);科技部2007年農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2007GB2G100323);甘肅省2008年重大科技專項(xiàng)(0801XKDA027);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(nyhyzx07-024);現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金。