龍成樹,陳永春,湯石生,吳耀森,肖 波,劉 軍
(1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所,廣東 廣州 510630;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510630)
我國是世界上最大的水產(chǎn)品生產(chǎn)國,占世界總產(chǎn)量的2/5 以上,2020 年中國水產(chǎn)品產(chǎn)量達(dá)到了6 545萬t,其中魚類產(chǎn)品3 752.68 萬t[1]。魚屬于高蛋白熱敏性物料,對羅非魚進(jìn)行低溫干燥能夠得到高品質(zhì)產(chǎn)品已達(dá)成共識,優(yōu)質(zhì)魚干制品能夠獲得較大利潤,日本加工后的傳統(tǒng)魚干利潤為113%,美國達(dá)到91%,但我國由于加工技術(shù)不高,羅非魚加工附加值較低[2]。
近年來,國內(nèi)應(yīng)用熱泵設(shè)備烘干羅非魚比較廣泛[3],主要為中低溫15~35 ℃[4]和中高溫35~65 ℃2 種機(jī)型,相關(guān)學(xué)者以溫度、魚片厚度、風(fēng)量研究中高溫?zé)岜酶咝Ц稍锪_非魚片,得到了優(yōu)化工藝[5]。江蘇等沿海水產(chǎn)企業(yè)引進(jìn)RG 型中低溫?zé)岜酶稍餀C(jī)加工鰻魚,提升產(chǎn)品品質(zhì)及外觀,減少了環(huán)境污染[4]。市場的需求亦激勵科研院所著手大類羅非魚節(jié)能干燥相關(guān)研究,以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了羅非魚干燥數(shù)學(xué)模型,得到了中高溫?zé)岜帽痈稍锪_非魚最高能耗為423.4 g/kW·h[6],上述研究及應(yīng)用充分證明和利用了熱泵干燥的綠色、節(jié)能、高效優(yōu)勢。然而,隨著我國人民生活水平的不斷提升,魚制品品質(zhì)的提升或高端魚制品的加工是亟待解決的問題,為此國內(nèi)一些前沿學(xué)者開始引進(jìn)由山根昭美博士在20 世紀(jì)70 年代提出的冰溫干燥技術(shù),冰溫干燥確實(shí)能夠最大程度維持魚片的鮮度,但也存在干燥時(shí)間過長的不足[7]。為提升冰溫干燥的效率,學(xué)者研究了不同真空壓力對羅非魚片的干燥效率和品質(zhì)影響,得到了700~800 Pa 壓力下羅非魚片干燥最快[8]的結(jié)論。降低壓力確實(shí)能夠提升冰溫干燥效率,但為此付出的設(shè)備成本和干燥所需的能耗也隨之成倍增長。
事實(shí)上,大部分魚制品的冰點(diǎn)在0 ℃附近,如羅非魚的冰點(diǎn)為-1 ℃[8],因此為既保障魚制品干燥高品質(zhì),又能夠較高效率干燥,適宜采用略高于物料冰點(diǎn)溫度的低濕干燥方式,熱泵干燥是唯一兼?zhèn)浼訜岷统凉窆δ艿母稍锛夹g(shù),但低溫運(yùn)行會導(dǎo)致其蒸發(fā)器結(jié)霜嚴(yán)重,因此突破熱泵低溫運(yùn)行的融霜技術(shù)成為關(guān)鍵。本文通過究該環(huán)境下的融霜技術(shù),并在此基礎(chǔ)上研制低溫調(diào)濕熱泵干燥機(jī),旨在提升魚制品高品質(zhì)干燥效率,降低干燥能耗。
圖1 為采用融霜后的制冷劑直接噴液蒸發(fā)的融霜制冷劑流向圖。系統(tǒng)工作時(shí),壓縮機(jī)通過壓縮做功將低溫低壓的氣體制冷劑壓縮為高溫高壓的氣體制冷劑,經(jīng)油分離器分離出冷凍油,然后通過融霜管道將小部分高溫高壓的氣體制冷劑分流至待融霜的蒸發(fā)器處,并作為融霜介質(zhì)放熱融化蒸發(fā)器上的結(jié)霜;其余大部分高溫高壓的氣體制冷劑經(jīng)主管道的冷凝器冷凝液化、節(jié)流閥節(jié)流,然后將融霜后的制冷劑經(jīng)過管路合并至制冷主管道中,使得融霜后的制冷劑與制冷主管道中節(jié)流后的制冷劑匯合,并一同進(jìn)入正在制冷的蒸發(fā)器中,進(jìn)行蒸發(fā)制冷,最后將制冷后的制冷劑循環(huán)輸送至壓縮機(jī)中。
傳統(tǒng)熱氣融霜方法如圖2 所示。系統(tǒng)融霜時(shí),首先開啟融霜電磁閥,制冷壓縮機(jī)排出的高溫制冷劑氣體經(jīng)油分離器將冷凍機(jī)油分離后,經(jīng)過融霜電磁閥并入蒸發(fā)器并開始融霜。融霜冷卻后的液體排往氣液分離器,在氣液分離器進(jìn)行氣液分離后,氣體被壓縮機(jī)吸入。融霜結(jié)束后關(guān)閉融霜電磁閥,氟利昂制冷系統(tǒng)將恢復(fù)正常制冷運(yùn)行。
與傳統(tǒng)熱氣融霜技術(shù)比較,采用融霜后的制冷劑直接噴液蒸發(fā)的融霜方法無需停機(jī)融霜,減少了設(shè)備的較大溫度波動。此外,將融霜后的制冷劑與制冷主管道中節(jié)流后的制冷劑匯合,進(jìn)入蒸發(fā)器中進(jìn)行蒸發(fā),同時(shí)控制回氣過熱度在合理范圍的低值附近,使制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)溫度與不融霜時(shí)的蒸發(fā)溫度相近,從而提高了制冷量。
通常制冷系統(tǒng)熱氣融霜質(zhì)量流量約為整個(gè)系統(tǒng)制冷劑流量的10%,假設(shè)同一制冷設(shè)備采用上述2 種融霜方式進(jìn)行融霜,傳統(tǒng)方式融霜直接將主路10%高溫高壓氣體用于某一蒸發(fā)器融霜,而后經(jīng)融霜管路儲存于低壓儲液器或者大容量氣液分離器。而采用上述融霜技術(shù)則將融霜完后的制冷劑與另外節(jié)流后的制冷劑進(jìn)行匯合,然后經(jīng)過制冷蒸發(fā)器。假設(shè)分流用于蒸發(fā)器除霜的高溫高壓制冷劑正好能夠完全融霜,融霜后的制冷劑由于未經(jīng)過節(jié)流其壓力高于膨脹閥出口壓力,對系統(tǒng)制冷量q進(jìn)行熱力計(jì)算。
式中:
q——系統(tǒng)制冷量,kW;
mr——通過蒸發(fā)器的質(zhì)量流量,kg/s;
Δh——蒸發(fā)器進(jìn)、出口焓差,kJ/kg。
結(jié)合公式1 定性分析,保持合理過熱度的情況下,采用融霜后的制冷劑直接噴液蒸發(fā)的融霜方法,其最終流過制冷蒸發(fā)器的制冷劑流量多于傳統(tǒng)融霜方法。若忽略融霜制冷劑造成制冷蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度變化,即蒸發(fā)器出、入口焓差不變,且蒸發(fā)器有效面積能夠滿足增加融霜后制冷劑氣化需求,則可近似認(rèn)為系統(tǒng)制冷量與質(zhì)量流量成正比,即較傳統(tǒng)融霜方法提高了約10%制冷量。
2.1.1 原料及處理方式
市場采購新鮮羅非魚12 條,重量為700~800 g/條,6 條開背去內(nèi)臟,3 條開肚去內(nèi)臟,3 條開肚去內(nèi)臟兩背部各3 條花刀,采用3%的鹽水腌制12 h,腌制環(huán)境溫度為5 ℃,腌制完成后采用特制不銹鋼掛鉤將羅非魚撐開懸掛;每3 條分為1 組,將3 條開背羅非、3 條開肚去內(nèi)臟羅非和3 條開肚去內(nèi)臟+背部花刀羅非放置于溫度為5 ℃,相對濕度為45%~60%的低溫調(diào)濕熱泵干燥試驗(yàn)裝置中,進(jìn)行干燥試驗(yàn),間隔一定時(shí)間稱量羅非魚質(zhì)量,直至半干;將剩余3 條開背羅非放置于設(shè)定溫度為15 ℃,相對濕度70%的RG-5 型熱泵干燥機(jī)中,進(jìn)行干燥試驗(yàn),間隔一定時(shí)間稱量羅非魚質(zhì)量,直至半干。
2.1.2 設(shè)備及儀器
試驗(yàn)設(shè)備及儀器有:電子秤,型號為TCS-300 kd,測量范圍2~300 kg,分度值100 g;電子天平,型號為LE5000A,測量范圍5 000 g,精度為0.1 g;電熱鼓風(fēng)干燥箱,型號為DHG -9013A,溫度范圍0~250 ℃,精度0.1 ℃;低溫調(diào)濕熱泵干燥試驗(yàn)裝置,溫度范圍為0~18 ℃,廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所研制;RG 型熱泵干燥機(jī),型號為RG -5 型,溫度范圍為15~35℃,由廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所研制。
2.1.3 干燥曲線及分析
圖3 和圖4 為羅非魚3 種前處理方式在溫度5 ℃,相對濕度為45%~60%時(shí)的干燥曲線,圖3 中平均含水量曲線所示,開背羅非魚組不到12 d 水分含量被干燥至53.6%達(dá)到半干魚的水分標(biāo)準(zhǔn)(小于55%);在圖4 中,開肚羅非魚組干燥15 d,羅非魚水分含量為60.86%仍未達(dá)到半干要求,開肚+花刀羅非魚組干燥15 d,羅非魚水分含量降至54.12%,剛好達(dá)到半干魚標(biāo)準(zhǔn)。圖3 降水速率曲線可知,開背羅非魚前7 d 含水率降至60%,每天降水速率均大于1.51%,之后的降水速率略有降低近似保持低勻速干燥;圖4 降水速率曲線顯示前5 d,開肚羅非魚組每天的降水速率均大于0.97%,而開肚+花刀羅非魚組每天的降水速率均大于1.50%,從第5 d 之后,兩組開肚羅非魚組降水速率略有降低近似保持低勻速干燥,且開肚+花刀組降水速率始終高于僅開肚羅非組。
圖5 干燥曲線可知,采用溫度為15 ℃烘干開背羅非魚,在第2.67 d 含水量已降至63.04%,且由降水速率曲線可知,自此之后每天平均降水速率小于2.67%,整體呈現(xiàn)近似低勻速干燥狀態(tài),干燥至第6.67 d 含水量降至半干魚水分標(biāo)準(zhǔn)。
對比圖3 和圖5 可知,前處理方式相同情況下,溫度提升明顯加快了物料降水速率,由降水速率曲線可知兩種溫度下,開背羅非魚在含水率降至60%左右均有進(jìn)入低勻速干燥的趨勢。此外,對比5 ℃和15 ℃干燥的半干魚產(chǎn)品,后者產(chǎn)品色澤偏暗,呈現(xiàn)淡黃色,原因是干燥溫度高導(dǎo)致羅非魚脂質(zhì)容易發(fā)生氧化。
綜上可知,溫度、不同前處理方式均會影響羅非魚干燥速率和品質(zhì),開背前處理效果較優(yōu),因?yàn)榱_非魚肉厚度最大處在背部,羅非魚開背可有效減小整魚的局部厚度,提升了干燥效率;而溫度提升也能提升干燥效率,但影響羅非魚的干燥品質(zhì)。因此,羅非魚先開背預(yù)處理、低鹽腌制后,采用冷熱交替干燥工藝技術(shù),即先低溫調(diào)濕降低水分至60%左右而后適當(dāng)提升干燥溫度,可達(dá)到高品質(zhì)、高效干燥羅非魚的效果。
圖6 所示的低溫調(diào)濕熱泵干燥機(jī)主要由11 部分組成。其中風(fēng)道循環(huán)方式選擇豎直平面逆時(shí)針方向,風(fēng)道隔層將保溫庫房分成上下2 層,隔層上方放置循環(huán)風(fēng)機(jī)和換熱裝置,熱泵主機(jī)通過銅管與主機(jī)室外的3 個(gè)換熱裝置聯(lián)結(jié),室外散冷冷卻塔及水泵與熱泵主機(jī)通過PPR 水管連接。羅非魚降溫除濕過程中,多余的熱量通過水散失至環(huán)境中,達(dá)到降低庫房溫度的目的。均風(fēng)裝置采用水平導(dǎo)板豎直方向呈楔形布局,隔層上方空氣介質(zhì)經(jīng)弧形導(dǎo)風(fēng)板,進(jìn)入楔形均風(fēng)裝置而后水平吹入載料小車,冷干空氣介質(zhì)與高濕物料(如開背羅非魚)進(jìn)行濕熱交換,其中部分濕空氣介質(zhì)通過換熱裝置被除濕,而后被循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動與旁通空氣介質(zhì)混合形成新空氣介質(zhì)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
鑒于羅非魚的干燥特性及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求,本文以批次加工1 000 kg 低鹽羅非魚為設(shè)計(jì)基準(zhǔn),通過查閱文獻(xiàn)及前期基礎(chǔ)試驗(yàn)得到,羅非魚低溫烘干的周期約為9 d,低溫烘烤的溫度為5~10 ℃,相對濕度為45%~65%,羅非魚干制半干的去水分量為質(zhì)量的50%[9]。因此,單批次去水量為500 kg,烘干設(shè)備去水量不小于2.32 kg/h,試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到羅非魚片最大去濕能耗為423.4 g/kW·h(干燥溫度為40 ℃,魚片厚度14 mm)[6],根據(jù)前期試驗(yàn)及上述數(shù)據(jù)進(jìn)行熱泵系統(tǒng)主要零部件選型計(jì)算如下。
3.2.1 壓縮機(jī)選擇
根據(jù)羅非魚烘烤溫度、物料去濕能耗和小時(shí)去水需求,且系統(tǒng)中壓縮機(jī)僅用于制冷,熱量來源于風(fēng)機(jī)散熱,壓縮機(jī)小時(shí)使用率為70%,故壓縮機(jī)功率不小于7.85 kW,設(shè)計(jì)預(yù)留余量15%,通過軟件模擬選擇丹佛斯SM185 型渦旋壓縮機(jī),蒸發(fā)溫度-5 ℃,冷凝溫度為35 ℃時(shí),制冷量為33 kW,散熱量為42.53 kW。
3.2.2 蒸發(fā)器和冷凝器的選擇
根據(jù)安裝場地需求選擇采用水散熱介質(zhì)將熱量散失至環(huán)境,蒸發(fā)器(3 個(gè)換熱裝置)置于干燥室隔層上方,故蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式為銅管鋁翅片換熱器,機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)換熱系數(shù)k1為30 W/(m2· ℃),進(jìn)出口風(fēng)溫取10 ℃;冷凝器結(jié)構(gòu)形式為干式殼管式,殼管換熱系數(shù)k 取1.2 kW/(m2· ℃),進(jìn)出口水溫取5 ℃。換熱器面積計(jì)算公式(2):
式中:
Q——制熱量(或者制冷量),kW;
A——換熱面積,m2;
Δtm——對數(shù)傳熱溫差,℃。
式中:
t1——換熱介質(zhì)進(jìn)入溫度,℃;
t2——換熱介質(zhì)換熱后出來溫度,℃;
t——蒸發(fā)溫度(或者冷凝溫度),℃。
結(jié)合以上工況參數(shù)、制熱功率和制冷功率和公式(2)和(3)計(jì)算,得到熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器有效換熱面積分別約為120 m2和5 m2。
由此可知,壓縮機(jī)、蒸發(fā)器和冷凝器型式、規(guī)格型號等技術(shù)參數(shù)已確定完成,其中蒸發(fā)器按有效面積等分成3 個(gè),研制設(shè)備最低運(yùn)行溫度可達(dá)到0 ℃。因此3 個(gè)蒸發(fā)器(或換熱裝置)采用融霜后制冷劑直接噴液蒸發(fā)的融霜方法,可確保運(yùn)行過程中蒸發(fā)器表面無霜,同時(shí)3 個(gè)蒸發(fā)器分批融霜可減少融霜造成的干燥機(jī)溫度的波動。膨脹閥依據(jù)分支蒸發(fā)器匹配,干燥過濾器、電磁閥、儲液器、水泵及散熱冷卻塔等可依照制冷功率、制熱功率及管徑等選擇對應(yīng)型號。
集成新的融霜技術(shù)最終研制成5HBR-1000S 低溫調(diào)濕熱泵干燥機(jī),干燥溫度范圍0~18 ℃,相對濕度范圍40~95 %RH,產(chǎn)能為1 000 kg/批,烘房控制系統(tǒng)內(nèi)置在線物料重量檢測及物料溫度檢測模塊,其外觀和控制界面如圖7 所示。
采購冰鮮開背羅非魚(已去內(nèi)臟、去黑皮),重量為400~600 g/條,總重量1 080 kg,3%的鹽水腌制12 h,腌制環(huán)境溫度為5 ℃,腌制完成后采用特制不銹鋼掛鉤將羅非魚撐開懸掛于掛桿上。
設(shè)定干燥機(jī)各階段溫度(第一階段為5 ℃,設(shè)定系統(tǒng)溫度上偏差5 ℃,即干燥溫度為5~10 ℃;第二階段為10 ℃,即干燥溫度為10~15 ℃)、相對濕度、運(yùn)行時(shí)間和冷熱交替切換的物料重量點(diǎn)(先檢測腌制羅非魚含水量78.5%,然后輸入研制設(shè)備PLC 控制系統(tǒng)得到切換的物料重量點(diǎn)),將掛桿小車推入干燥室內(nèi),一鍵啟動,設(shè)備將按照設(shè)定工藝進(jìn)行羅非魚低溫干燥,待在線監(jiān)測羅非魚重量到達(dá)設(shè)定物料重量點(diǎn)(起始物料重量的53.75%,等效于物料含水量為60%),進(jìn)入較高溫度(10 ℃)干燥階段,直至物料干燥至半干羅非魚(水分低于55%),取出部分產(chǎn)品進(jìn)行檢測及品嘗,其他物料繼續(xù)烘干至全干羅非魚(水分含量低于25%),停止干燥,產(chǎn)品進(jìn)行真空包裝處理貯藏于冷庫中。
圖8 為干燥曲線。由圖8 可知,上、中、下3 層開背羅非魚烘干降水速率曲線基本處于同一降水趨勢線,即研制設(shè)備采用楔形風(fēng)道結(jié)構(gòu)送風(fēng)均勻性較好,烘干時(shí)間至97 h,物料含水率降至59.8%,此時(shí)控制系統(tǒng)將會啟動升溫干燥工藝階段,即后續(xù)干燥溫度將不低于10 ℃,切換溫度后繼續(xù)干燥至142 h,物料水分含量降至54.6%達(dá)到半干魚水分標(biāo)準(zhǔn)要求。為提升羅非魚的貯藏周期繼續(xù)干燥羅非魚水分至50%以上,在154 h羅非魚含水率降低至46.6%,此時(shí)批次烘干能耗為1 320 kW,總?cè)ニ考s為645.17 kg,單位去水能耗為474.39 g/kW·h,較傳統(tǒng)高溫能耗節(jié)約15.44%。
由此可見,5HBR-1000S 型低溫調(diào)濕熱泵干燥機(jī)的批次產(chǎn)能不小于1 000 kg,采用低溫冷熱交替的干燥工藝開背羅非魚整魚干燥至半干耗時(shí)為5.916 d,且干燥產(chǎn)品外觀、色澤與低溫干燥基本無差異,干燥效率較低溫5 ℃干燥提升了1 倍,與15 ℃恒溫干燥效率相當(dāng)。主要原因在于物料高濕階段溫度高容易內(nèi)外水分?jǐn)U散不匹配,從而導(dǎo)致物料表面失水過快而結(jié)膜;此外,在同等低溫條件(如15 ℃)下,RG-5 型熱泵干燥機(jī)較難實(shí)現(xiàn)相對濕度低于50%,而5HBR 型低溫調(diào)濕熱泵干燥機(jī)能夠在5 ℃環(huán)境條件實(shí)現(xiàn)相對濕度低于50%。
隨機(jī)抽取的同批次腌制的開背羅非魚原料、半干產(chǎn)品和全干產(chǎn)品各6 個(gè),采用冷運(yùn)方式送至廣州市第三方檢測公司進(jìn)行羅非魚水分、鹽分、過氧化值和酸價(jià)值的檢測,結(jié)果如圖9 和圖10 所示。烘干前腌制羅非魚鹽分僅為0.96%,小于3%的低鹽腌制標(biāo)準(zhǔn);隨著羅非魚水分降低,半干時(shí)鹽分升至2.42%,全干時(shí)為3.76%,即半干魚符合國標(biāo)低鹽要求,全干時(shí)略高于國標(biāo)低鹽要求但是遠(yuǎn)小于高鹽標(biāo)準(zhǔn)[10]。揮發(fā)性鹽基氮(TVBN)是反映魚和肉鮮度的主要指標(biāo),腌制開背羅非魚的TVBN 值為0.94%(即9.4 mg/100 g),半干魚為1.65%,全干魚為1.83%,均低于動物性水產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[11]規(guī)定值(小于等于25 mg/100g);檢測腌制鮮魚、半干魚和全干魚的過氧化值遠(yuǎn)均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值(小于等于0.6 g/100g);干燥過程中羅非魚酸價(jià)整體變化很小,符合肉制品酸價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求(小于等于3.0 mg/100g)。
綜上,采用低溫冷熱交替干燥的半干和全干羅非魚產(chǎn)品的主要成分指標(biāo)均能夠達(dá)到國家水產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求,設(shè)備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用效果較好。
本文通過研究羅非魚提質(zhì)增效低溫?zé)岜酶稍锓椒?,設(shè)計(jì)了干燥試驗(yàn),以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),集成新的融霜技術(shù)研制了5HBR-1000S 低溫調(diào)濕熱泵干燥機(jī),并進(jìn)行了生產(chǎn)性應(yīng)用試驗(yàn),研究內(nèi)容小結(jié)如下:
1)羅非魚前處理采用開背方式能有效均勻物料厚度提升干燥效率,水分含量60% 左右是羅非魚冷熱交替干燥的切換點(diǎn),應(yīng)用該技術(shù)能有效提升干燥效率。
2)5HBR-1000S 低溫調(diào)濕熱泵干燥機(jī)生產(chǎn)性應(yīng)用試驗(yàn),能有效驗(yàn)證其批次產(chǎn)能,且運(yùn)行過程中未發(fā)現(xiàn)因蒸發(fā)器結(jié)霜導(dǎo)致停機(jī)或者溫度波動較大現(xiàn)象。
3)研制設(shè)備雖能夠較好地滿足羅非魚干燥的產(chǎn)能需求,且干燥能耗亦有所降低,但是仍需進(jìn)一步改進(jìn)和完善性能,以期將該設(shè)備推廣應(yīng)用至其它品種規(guī)格的羅非魚、熱敏性高蛋白物料等。