杜元杰，謝煥雄，魏海，顏建春，徐效偉，陳文明

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014； 2. 南京工程學(xué)院，南京市，211167)

0 引言

我國(guó)是世界上最大的糧食生產(chǎn)國(guó)，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年全國(guó)糧食總產(chǎn)量達(dá)到669 490 kt，其中谷物產(chǎn)量616 740 kt[1]。近年來(lái)為保障糧食安全，國(guó)家大力發(fā)展糧食烘干產(chǎn)業(yè)，但糧食干燥機(jī)械化水平仍較低，不到10%。每年因水分不達(dá)貯藏標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致浪費(fèi)的糧食高達(dá)總產(chǎn)量的5%[2]。現(xiàn)有的干燥方法眾多，如熱風(fēng)干燥、真空干燥、微波干燥、冷凍干燥和遠(yuǎn)紅外干燥等[3]。

目前市場(chǎng)上主流干燥方式為熱風(fēng)干燥，其技術(shù)成熟、成本低，但是粉塵污染嚴(yán)重、能耗高且無(wú)法保證烘干品質(zhì)。

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，提高糧食質(zhì)量，越來(lái)越多的研究人員和企業(yè)開(kāi)始將目光投向遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)。遠(yuǎn)紅外干燥速率快、能耗低且能有效殺死谷物中的蟲(chóng)卵和霉菌，極大提高產(chǎn)品品質(zhì)[3-4]。遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)的發(fā)展對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效具有重要意義。

本文綜述了近15年紅外干燥技術(shù)及遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)械的相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)紅外烘干研究進(jìn)展；同時(shí)探討以石墨烯紅外輻射板為新熱源的柵欄型紅外烘干設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，為發(fā)展新材料新熱源提供新思路；最后分析行業(yè)發(fā)展前景，為保障糧食安全，完善綠色烘干體系作出展望。

1 紅外干燥技術(shù)理論及原理

1.1 波長(zhǎng)分布與加熱機(jī)制

熱傳遞的三種主要方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，其中熱輻射一般以電磁波方式進(jìn)行傳遞[5]。紅外輻射是電磁波的一種，介于可見(jiàn)光和微波之間，波長(zhǎng)在0.75～1 000 μm之間。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)紅外波長(zhǎng)有著不同的劃分，表1描述了目前比較公認(rèn)的紅外輻射波長(zhǎng)分類[6]。

表1 紅外輻射波長(zhǎng)分類Tab. 1 Infrared radiation wavelength classification

紅外干燥與傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥原理不同，如圖1所示，紅外干燥熱量由內(nèi)向外傳導(dǎo)。

(a) 熱風(fēng)干燥示意圖

當(dāng)電磁波照射到食物表面時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。在穿透食物材料后，紅外線以60 000～150 000 MHz的頻率振動(dòng)內(nèi)部分子，從而分子間摩擦而產(chǎn)生熱量[7]，物料內(nèi)部快速升溫。在溫度差作用下，水分由內(nèi)而外傳遞出來(lái)，完成干燥過(guò)程[8]。

1.2 常見(jiàn)紅外輻射源

日常生產(chǎn)和生活中，常利用電加熱或燃?xì)獍l(fā)電機(jī)兩種方式產(chǎn)生紅外能量。在電加熱輻射器[9]中，電流通過(guò)激發(fā)特定發(fā)射元件產(chǎn)生紅外能量。例如反射型紅外白熾燈(白熾真空燈、充氣燈、鎢鹵素?zé)舻?、石英管紅外發(fā)射器、陶瓷紅外發(fā)射器等都是電加熱原理來(lái)產(chǎn)生紅外能量。燃?xì)饧t外發(fā)射器[10]內(nèi)含一個(gè)穿孔板(金屬或耐火材料)，穿孔板表面被氣體火焰加熱時(shí)，穿孔板溫度升高發(fā)射紅外能量。常見(jiàn)的燃?xì)饧t外發(fā)射器有催化燃?xì)獍l(fā)射器、陶瓷燃燒器、直接火焰紅外輻射器、金屬纖維燃燒器和高強(qiáng)度多孔燃燒器。電加熱紅外發(fā)射器的轉(zhuǎn)換效率(78%～85%)高于燃?xì)饧t外發(fā)射器(40%～46%)[7]。目前市場(chǎng)上也多采用電加熱紅外發(fā)射器。

1.3 紅外輻射與各種營(yíng)養(yǎng)成分之間的關(guān)系

水和有機(jī)化合物是食物的主要成分，食物的每種成分都吸收特定的范圍波長(zhǎng)。在食品成分中，氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)和核酸分別處于3～4 μm和6～9 μm 的兩個(gè)強(qiáng)吸收帶中。油脂對(duì)紅外輻射的強(qiáng)吸收帶分別位于3～4 μm,6 μm及9～10 μm區(qū)間。糖類對(duì)紅外的吸收集中在3 μm和7～10 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)。水分對(duì)2～12 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射均可有效吸收[11-14]。依據(jù)上述營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)紅外輻射的吸收特性，如表2所示，許多研究人員使用波長(zhǎng)為2～100 μm 的紅外輻射，即中遠(yuǎn)紅外來(lái)干燥農(nóng)產(chǎn)品[14]。其中液態(tài)水的寬紅外吸收光譜在干燥食品的過(guò)程中起著重要的作用。

表2 食物中主要成分加熱的紅外吸收帶Tab. 2 Infrared absorption bands heated by the main ingredients in food

1.4 遠(yuǎn)紅外烘干技術(shù)分類

單一的紅外干燥已成功應(yīng)用于胡蘿卜、土豆、蘑菇、茄子等多種物料。然而，單獨(dú)紅外干燥不適用于熱敏性食品，隨著大眾對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)要求的不斷提高，單一干燥技術(shù)已經(jīng)難以滿足需求[2]。目前市場(chǎng)上大多采用聯(lián)合干燥技術(shù)，即根據(jù)物料的特性，綜合兩種或多種干燥方式而形成的聯(lián)合干燥技術(shù)。遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，其干燥能效高、烘干時(shí)間短、干燥后谷物品質(zhì)高、谷物脫水率大且爆腰率低[15]。目前市場(chǎng)上主要有遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外真空干燥、遠(yuǎn)紅外微波干燥、遠(yuǎn)紅外流化床干燥、遠(yuǎn)紅外冷凍干燥等多種遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥技術(shù)。

2 國(guó)外遠(yuǎn)紅外烘干研究進(jìn)展

國(guó)外較早對(duì)紅外線進(jìn)行研究，早在1800年英國(guó)物理學(xué)家赫胥爾在研究各種色光時(shí)，就發(fā)現(xiàn)了紅外線。但直到1938年，紅外光才第一次被使用在工業(yè)領(lǐng)域[16]。

隨著學(xué)者對(duì)遠(yuǎn)紅外線的不斷研究，其應(yīng)用領(lǐng)域也從工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)大到農(nóng)業(yè)，甚至醫(yī)療領(lǐng)域。目前，國(guó)外文獻(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)紅外烘干理論層面的研究較深，對(duì)于干燥模型建立、數(shù)學(xué)模擬分析以及最佳烘干工藝等方面研究比較多[17-20]。

2.1 遠(yuǎn)紅外干燥模型及遠(yuǎn)紅外干燥工藝的研究

國(guó)外的遠(yuǎn)紅外烘干主要朝著兩方面發(fā)展，其一是對(duì)遠(yuǎn)紅外烘干過(guò)程進(jìn)行建模分析，包括有干燥模型的建立和數(shù)學(xué)建模分析，基于前人大量的數(shù)據(jù)，目前主要有9種常見(jiàn)的干燥模型[21]，如表3所示。除此之外，科學(xué)家還根據(jù)不同的物料和烘干方式研究擬合度更高的干燥模型，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。其二便是對(duì)紅外干燥和紅外輔助干燥進(jìn)行工藝優(yōu)化，尋找最合適的工藝參數(shù)，研究人員對(duì)紅外功率、產(chǎn)品厚度、曝光時(shí)間、熱源與物料的接觸距離等參數(shù)進(jìn)行研究，得出最優(yōu)搭配，為產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)提供方案。

表3 常見(jiàn)9種干燥模型的表達(dá)式Tab. 3 Expressions of 9 drying models

早在1990年，Dostie等[17]建立厚層多孔物料干燥模型，研究了持續(xù)對(duì)流加熱與間歇紅外加熱綜合應(yīng)用，說(shuō)明了紅外對(duì)流聯(lián)合加熱所用時(shí)間比單獨(dú)對(duì)流加熱縮短50%。2009年，Swasdisevi等[18]對(duì)遠(yuǎn)紅外真空干燥香蕉片進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬分析，得到一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)含水率和溫度的變化對(duì)香蕉片吸收遠(yuǎn)紅外能力的影響程度，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該模型吻合度非常好。2017年，Mitrevski等[19]研究了幾種蔬菜水果遠(yuǎn)紅外真空干燥的干燥動(dòng)力模型，研究表明，Aghbashlo模型對(duì)干燥試

2015年，Somkiat等[22]研究了遠(yuǎn)紅外干燥對(duì)龍眼果皮品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)比熱風(fēng)干燥，遠(yuǎn)紅外干燥的產(chǎn)品質(zhì)量更好。同年，Rattapon等[23]采用微波真空干燥法(MVD)和遠(yuǎn)紅外輻射輔助微波真空干燥法(FIR-MVD)對(duì)鮮紅辣椒進(jìn)行干燥。研究了微波功率、絕對(duì)壓力和遠(yuǎn)紅外干燥功率等干燥條件對(duì)干燥特性和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，隨著絕對(duì)壓力的降低，微波功率和遠(yuǎn)紅外干燥功率的增加均能加快干燥速率。2017年，Alwi等[24]研究了真空遠(yuǎn)紅外干燥對(duì)木香葉片顏色變化、元素含量及水分去除效果的影響，得出在溫度為50 ℃，壓力為60 kPa的條件下，干燥過(guò)程最佳。2020年，Sakare等[7]對(duì)近幾年來(lái)對(duì)谷物、水果、蔬菜的遠(yuǎn)紅外烘干試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)述，歸納了紅外及紅外輔助干燥方法工藝參數(shù)的影響，如表4所示，為遠(yuǎn)紅外干燥的研究提供了大量理論依據(jù)。

表4 紅外及紅外輔助干燥工藝參數(shù)的影響Tab. 4 Effect of process parameters of infrared and infrared-assisted drying methods

2.2 國(guó)外遠(yuǎn)紅外烘干設(shè)備現(xiàn)狀

目前國(guó)外市場(chǎng)上還是以傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥機(jī)器為主，歐洲國(guó)家主要以混流式糧食干燥機(jī)為主，美國(guó)主要采用橫流式糧食干燥機(jī)。隨著環(huán)保理念深入人心，綠色節(jié)能的遠(yuǎn)紅外烘干設(shè)備逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，國(guó)外主要是日本、美國(guó)等國(guó)家對(duì)遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)器進(jìn)行研究[24-26]。

日本耕地面積稀少，推廣的主要是小型烘干機(jī)械，其購(gòu)置成本低，且足以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。自1998年遠(yuǎn)紅外循環(huán)式烘干機(jī)械開(kāi)發(fā)出來(lái)以后[27]，逐年被大量使用，目前用戶新上的烘干機(jī)70%左右都是遠(yuǎn)紅外型，也代表了日本烘干機(jī)的發(fā)展方向。日本某公司生產(chǎn)了一款遠(yuǎn)紅外烘干爐，該裝置采用遠(yuǎn)紅外線陶瓷加熱器(PLC-322)作為熱源，通過(guò)遠(yuǎn)紅外線加熱器和熱吹風(fēng)進(jìn)行高效率加熱，使用溫度范圍為40 ℃～230 ℃，精度可達(dá)±3.0 ℃。目前已在日本市場(chǎng)廣泛使用，國(guó)內(nèi)也逐漸引進(jìn)。

國(guó)外專家對(duì)于遠(yuǎn)紅外干燥機(jī)理的探究較為成熟，很多企業(yè)也投入大量資金生產(chǎn)遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)器?，F(xiàn)有遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)械大多采用高溫?zé)嵩?，耗電量大，存在安全隱患且難以滿足熱敏材料的烘干需求，離批量生產(chǎn)占據(jù)市場(chǎng)主流仍有一定距離。但可以預(yù)測(cè)，在能源日益緊缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)峻的情況下，大力發(fā)展高效節(jié)能的遠(yuǎn)紅外輻射干燥技術(shù)具有重要意義。隨著研究深入，遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)器勢(shì)必成為烘干市場(chǎng)主流。

3 國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)紅外烘干研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)對(duì)遠(yuǎn)紅外干燥的研究主要集中在三個(gè)方面，一是對(duì)遠(yuǎn)紅外干燥工藝條件的探究，例如李武強(qiáng)等[28]對(duì)胡蘿卜遠(yuǎn)紅外干燥進(jìn)行了工藝優(yōu)化得到了超聲頻率、超聲功率及超聲處理時(shí)間的最優(yōu)參數(shù)組合；二是對(duì)遠(yuǎn)紅外干燥機(jī)理的研究，多集中在遠(yuǎn)紅外干燥過(guò)程中對(duì)物料內(nèi)部水份遷移規(guī)律的探究[29]，較少涉及遠(yuǎn)紅外射線的研究，比如劉宗博等[30]應(yīng)用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)紅外干燥過(guò)程中雙孢菇內(nèi)部水分狀態(tài)進(jìn)行分析，探尋雙胞菇所含3種狀態(tài)水與厚度、干燥溫度的關(guān)系，得出水分遷移規(guī)律；三是遠(yuǎn)紅外結(jié)合其他干燥技術(shù)的拓展，比如熱泵-遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥工藝，李哲等[31]利用熱泵遠(yuǎn)紅外聯(lián)用技術(shù)對(duì)金銀花進(jìn)行干燥處理，干燥時(shí)間較熱泵干燥縮短了52.1%，外觀品質(zhì)及活性成分含量也有所提升。

前兩個(gè)方面主要是針對(duì)工作機(jī)理進(jìn)行研究，國(guó)外對(duì)此研究較深，國(guó)內(nèi)發(fā)展仍有一定差距；后者則是重點(diǎn)研究遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥技術(shù)，為聯(lián)合干燥設(shè)備的產(chǎn)生提供技術(shù)支持。針對(duì)遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥技術(shù)，國(guó)內(nèi)專家提出多種烘干方案，目前主要有遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外真空干燥、遠(yuǎn)紅外微波干燥、遠(yuǎn)紅外流化床干燥及遠(yuǎn)紅外冷凍干燥等多種方案，各種方案優(yōu)劣分明，針對(duì)不同的物料選用合適的聯(lián)合干燥技術(shù)將是研究的重點(diǎn)。下面以遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥技術(shù)為切入點(diǎn)，展開(kāi)論述各類遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥設(shè)備。

3.1 遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥設(shè)備

遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥是指將物料通過(guò)熱風(fēng)運(yùn)輸?shù)竭h(yuǎn)紅外輻射段進(jìn)行烘干。有研究表明，遠(yuǎn)紅外對(duì)流聯(lián)合換熱是節(jié)能干燥的最佳方法之一[32]。2013年，汪喜波等[33]自行設(shè)計(jì)并制作了一款直熱式、以電加熱為熱源的紅外輻射與對(duì)流聯(lián)合干燥試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)采用400 ℃～500 ℃中溫SiC板式遠(yuǎn)紅外輻射器作為紅外熱源，其輻射波長(zhǎng)約為4.0 μm，輻射器與物料表面距離在50～300 mm之間。試驗(yàn)表明:在遠(yuǎn)紅外輻射與對(duì)流聯(lián)合干燥過(guò)程中，輻射強(qiáng)度是影響稻谷干燥指標(biāo)的最重要因素。2014年，劉春山[16]研制一種遠(yuǎn)紅外對(duì)流谷物干燥換熱效果試驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示，該試驗(yàn)臺(tái)利用噴涂紅外材料的不銹鋼換熱管作為紅外熱源，工作時(shí)，換熱管加熱至500 ℃以上，發(fā)出紅外射線對(duì)谷物進(jìn)行烘干。研究發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)紅外對(duì)流組合干燥不僅利用了紅外線輻射速率高、干燥效果好的特點(diǎn)，而且利用了對(duì)流干燥成本低的特點(diǎn)，達(dá)到高干燥品質(zhì)和低生產(chǎn)成本的理想效果，但是高溫的換熱管和熱風(fēng)容易使谷物爆腰，而輻照距離又對(duì)干燥效果影響較大，如何協(xié)調(diào)兩者關(guān)系來(lái)干燥熱敏材料是一個(gè)挑戰(zhàn)。曲文娟等[15]將滾筒催化紅外干燥設(shè)備與熱風(fēng)干燥設(shè)備聯(lián)合使用對(duì)核桃進(jìn)行干燥，考察了變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)干燥處理后核桃油、蛋白結(jié)構(gòu)、多酚的變化，并與單一熱風(fēng)干燥和恒溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)干燥相比較。最后得出結(jié)論：變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)干燥可以減緩油脂酸敗速度，改善蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，提高多酚含量，更有利于保護(hù)干制核桃品質(zhì)。2020年，吳敏等[34]研發(fā)一款基于溫濕度控制的紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥機(jī)來(lái)干燥面條，該機(jī)器采用碳纖維紅外板作為紅外熱源，配備了溫濕度控制系統(tǒng)探究溫度、濕度對(duì)面條干燥特性的影響，得到紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥在干燥溫度60 ℃、相對(duì)濕度70%下，面條干燥時(shí)間較理想。且紅外熱風(fēng)干燥方式可以有效彌補(bǔ)單一熱風(fēng)干燥效率低、速度慢的問(wèn)題。

圖2 遠(yuǎn)紅外換熱管對(duì)流組合谷物干燥換熱效果試驗(yàn)臺(tái)

以上研究表明，熱風(fēng)干燥結(jié)合低能耗和高效的紅外干燥，得到的遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)具有明顯協(xié)同增效的作用，速度優(yōu)于單一干燥，其干燥效果主要與熱源的輻照強(qiáng)度，輻照溫度，輻照板與物料間距，對(duì)流空氣濕度有關(guān)。然而針對(duì)于熱敏類材料，遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥的效果卻不太理想，若能探索出有效解決方法，遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)聯(lián)合烘干設(shè)備的研發(fā)勢(shì)必更上一層樓。

3.2 遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥設(shè)備

遠(yuǎn)紅外真空干燥是指在真空環(huán)境中利用遠(yuǎn)紅外輻射進(jìn)行干燥，這類裝置主要是通過(guò)壓力室使物料處于低壓狀態(tài)，從而降低其沸點(diǎn)，再進(jìn)行紅外烘干。車(chē)興文等[35-36]設(shè)計(jì)了一款用于冬棗烘干的遠(yuǎn)紅外真空干燥設(shè)備，如圖3所示，遠(yuǎn)紅外輻射加熱裝置主要由三塊陶瓷碳纖維遠(yuǎn)紅外加熱板組成，陶瓷包裹在碳纖維遠(yuǎn)紅外管表面使其加熱均勻，選用旋片式真空泵，以便保持干燥室內(nèi)無(wú)污染且能快速抽出干燥室內(nèi)空氣達(dá)到所需真空度。工作時(shí)，冬棗片在壓力室內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，此時(shí)棗片中水分沸點(diǎn)降低，在遠(yuǎn)紅外輻射作用下，棗片產(chǎn)生內(nèi)高外低溫度差，從而加速棗片水汽蒸發(fā)，完成干燥。

圖3 ZKT-50EB遠(yuǎn)紅外真空干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

張衛(wèi)鵬等[37]將碳纖維紅外板加裝在真空脈動(dòng)干燥裝置中，實(shí)現(xiàn)對(duì)茯苓丁進(jìn)行聯(lián)合烘干。研究表明遠(yuǎn)紅外真空干燥具有干燥時(shí)間短、品質(zhì)好、破碎率低的優(yōu)點(diǎn)，可用于茯苓丁的工業(yè)化生產(chǎn)。趙麗娟等[38]采用真空遠(yuǎn)紅外干燥箱對(duì)枸杞進(jìn)行干燥試驗(yàn)，研究預(yù)處理方式、操作溫度、操作壓力對(duì)干燥特性的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理方式對(duì)干燥過(guò)程、干制品色澤和復(fù)水率無(wú)明顯影響。潘旭等[39]研究了遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥對(duì)枸杞子制干效果的影響，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外真空干燥可以有效防止枸杞子氧化變質(zhì)和失色，保存VC、總黃酮和甜菜堿等有效成分。

遠(yuǎn)紅外真空干燥技術(shù)與其他干制方式相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：干燥效率高、干燥產(chǎn)品質(zhì)量好、節(jié)能環(huán)保、適用性廣等。由于干燥借助內(nèi)外壓差和水分梯度差完成，無(wú)外力損傷，因而熱質(zhì)傳遞效率較高，干制品品質(zhì)極高[35-38]。真空遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)經(jīng)常應(yīng)用于藥用植物的干燥，不過(guò)其在果蔬、木材和醫(yī)療化工類產(chǎn)品中均可適用，適用范圍較廣[39]。盡管遠(yuǎn)紅外真空干燥方法具有節(jié)能增效的優(yōu)勢(shì)，但干燥室壓力的調(diào)控受物料類別、狀態(tài)所限制，干燥參數(shù)難以確定?；谖锪蠣顟B(tài)變化，實(shí)現(xiàn)干燥參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)控將是未來(lái)亟需解決的問(wèn)題。

3.3 遠(yuǎn)紅外微波聯(lián)合干燥設(shè)備

微波是波長(zhǎng)大于紅外線的電磁波，同樣也是傳熱類輻射干燥。與紅外線相比，微波具有更強(qiáng)的滲透性，可以干燥較難去除水分的果蔬產(chǎn)品，采用先遠(yuǎn)紅外再微波的干燥方式可以確保產(chǎn)品水分更低。唐凌[40]發(fā)明了一種節(jié)能的智能紅外微波干燥器，如圖4所示，該機(jī)器主要利用一個(gè)智能紅外微波管實(shí)現(xiàn)熱源切換，工作時(shí)，耐熱皮帶運(yùn)輸物料通過(guò)機(jī)架上端的紅外微波裝置，此時(shí)紅外微波管發(fā)出紅外線或微波對(duì)物料進(jìn)行干燥。該機(jī)器可以有效縮短干燥時(shí)間，降低物料含水率。何勝生[41]運(yùn)用遠(yuǎn)紅外—微波技術(shù)烘干地瓜干，發(fā)現(xiàn)先利用遠(yuǎn)紅外線烘干地瓜干至含水率30%以下，然后改用微波，將地瓜干水分控制在15%以下，可以有效降低能耗，提高產(chǎn)品品質(zhì)。劉正懷等[42]使用加裝了SiC條瓦狀紅外輻射板的WEG-600A型微波爐干燥香菇，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外干燥與微波干燥合理搭配，可以使干燥過(guò)程平均失水速率變高，干燥能耗降低。司旭[43]利用紅外微波干燥技術(shù)烘干覆盆子，發(fā)現(xiàn)采用聯(lián)合干燥的樹(shù)莓復(fù)水率和脆度優(yōu)于單一干燥技術(shù)。

圖4 節(jié)能的智能紅外微波干燥器

微波—遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥可揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分利用兩者干燥的特點(diǎn)，使得遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥優(yōu)于單一干燥技術(shù)。對(duì)于需要極低含水率或較難失水的物料，遠(yuǎn)紅外微波聯(lián)合干燥是極好的選擇，應(yīng)用于果蔬干燥機(jī)前景廣大。

3.4 遠(yuǎn)紅外流化床聯(lián)合干燥設(shè)備

流化床干燥技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型干燥技術(shù)，其工作過(guò)程是將散狀物料置于孔板上，通過(guò)在下部輸送氣體引起物料顆粒在分布板上運(yùn)動(dòng)，使物料顆粒與氣體產(chǎn)生混合底層，兩者充分接觸進(jìn)行物料與氣體之間的熱傳遞與水分傳遞[44]。流化床憑借其優(yōu)良的傳熱特性以及處理固體粒子的優(yōu)秀能力，一直被廣泛應(yīng)用于干燥領(lǐng)域中。遠(yuǎn)紅外流化床就是將遠(yuǎn)紅外熱源當(dāng)作流化床的熱源，以實(shí)現(xiàn)效率和穩(wěn)定性的雙贏。

顏建春等[45]研發(fā)的一款基于石墨烯遠(yuǎn)紅外加熱的流化床干燥機(jī)如圖5所示。該裝置在傳統(tǒng)熱風(fēng)流化床基礎(chǔ)上改制，將熱源改為石墨烯遠(yuǎn)紅外輻照板，工作時(shí)，濕物料進(jìn)入流化床干燥器中，在風(fēng)機(jī)輸送空氣流的作用下呈流化懸浮狀態(tài)。待物料填充完畢，干燥腔內(nèi)的輻照板組對(duì)物料進(jìn)行加熱，使物料水分由內(nèi)而外遷移，最后隨氣流離開(kāi)。干燥過(guò)程中溫濕度傳感器和風(fēng)速傳感器不斷反饋信號(hào)，從而調(diào)節(jié)機(jī)械工作狀態(tài)。干燥稻谷時(shí)較傳統(tǒng)流化床干燥器相比，該裝置可以有效提高整精米率，大幅減少淀粉糊化，縮短干燥時(shí)間。

圖5 基于石墨烯遠(yuǎn)紅外加熱的流化床干燥機(jī)

3.5 其他遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥技術(shù)設(shè)備

除了上述紅外干燥設(shè)備，紅外干燥還常與冷凍干燥結(jié)合使用[46]。冷凍-遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥可以縮短干燥時(shí)間、減少能源消耗。無(wú)論是采用紅外干燥技術(shù)進(jìn)行預(yù)干燥還是后續(xù)處理，都可以縮短凍干時(shí)間。與單一冷凍干燥相比，紅外線冷凍干燥的能耗更低。不同遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)的對(duì)比如表5所示，各種聯(lián)合干燥技術(shù)都有其優(yōu)劣，選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)滿足物料的需求才是重中之重。

3.6 國(guó)內(nèi)烘干設(shè)備現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)糧食烘干技術(shù)研究起步較晚，20世紀(jì)90年代以來(lái)才逐漸建立起完整的糧食烘干體系[47]。目前我國(guó)糧食干燥設(shè)備以低溫橫流循環(huán)烘干機(jī)為主，干燥原理為熱風(fēng)干燥，干燥速率、能效相對(duì)較低。為了提高干燥效率和生產(chǎn)率，減少環(huán)境污染，越來(lái)越多的研究人員和企業(yè)開(kāi)始使用遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)。近年來(lái)，臺(tái)灣某公司生產(chǎn)的循環(huán)紅外線烘干機(jī)和日本獨(dú)資某公司開(kāi)發(fā)的紅外線烘干機(jī)，在國(guó)內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。無(wú)錫某公司生產(chǎn)了一款RVF-700型遠(yuǎn)紅外線烘干機(jī)，工作時(shí)物料被熱風(fēng)送至干燥箱，干燥腔中的遠(yuǎn)紅外線發(fā)射體發(fā)射遠(yuǎn)紅外線對(duì)物料進(jìn)行加熱，控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)加熱溫度和熱風(fēng)速率，從而滿足不同物料的需求。

表5 不同遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)的對(duì)比Tab. 5 Comparison of different far infrared drying technologies

這兩個(gè)企業(yè)產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)企業(yè)紅外干燥機(jī)的研發(fā)與競(jìng)爭(zhēng)，從而帶動(dòng)了南方優(yōu)質(zhì)節(jié)能糧食烘干機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展。在其影響下，越來(lái)越多新興企業(yè)從國(guó)內(nèi)各地涌出，例如東莞某公司研發(fā)了一款遠(yuǎn)紅外隧道式烘干爐，如圖6所示，該機(jī)器采用遠(yuǎn)紅外線電熱管進(jìn)行加熱，可以根據(jù)印刷品及印刷用油墨種類的不同自動(dòng)調(diào)整溫度及速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)板材過(guò)油、面板噴涂后流水烘干、產(chǎn)品上油墨烘干等多種用途。

圖6 遠(yuǎn)紅外隧道式烘干爐

我國(guó)遠(yuǎn)紅外烘干設(shè)備研發(fā)起步較晚，技術(shù)尚不成熟，因此還未大面積推廣。遠(yuǎn)紅外糧食烘干裝置目前存在的問(wèn)題主要在兩個(gè)方面：一是工藝的配套使用，不同物料所需要的工藝參數(shù)各不相同；二是遠(yuǎn)紅外熱源的安全性問(wèn)題，多數(shù)紅外熱源都需要將溫度升到500 ℃ 以上發(fā)出遠(yuǎn)紅外線，這使得工作環(huán)境存在安全隱患。攻克這兩大難點(diǎn)，遠(yuǎn)紅外設(shè)備的普及指日可待。

4 石墨烯熱源的特點(diǎn)及烘干優(yōu)勢(shì)

遠(yuǎn)紅外糧食烘干設(shè)備有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是由于目前市場(chǎng)上大多采用高溫?zé)嵩催M(jìn)行烘干，糧食輻照時(shí)間短、瞬時(shí)強(qiáng)度大，對(duì)一些熱敏物料，會(huì)產(chǎn)生爆腰率高、產(chǎn)品品質(zhì)差等問(wèn)題，無(wú)法完全發(fā)揮紅外干燥的優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)上亟需一種低溫紅外發(fā)射技術(shù)(發(fā)射源表面溫度≤60 ℃)，紅外發(fā)射體與糧食充分接觸以提高干燥品質(zhì)、效率，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)避免糧食干燥中出現(xiàn)明火和煙氣排放，實(shí)現(xiàn)糧食加工中烘干環(huán)節(jié)的綠色生產(chǎn)。石墨烯材料可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題，為遠(yuǎn)紅外糧食干燥機(jī)械的研發(fā)提供新思路。

4.1 石墨烯的紅外特性

單層石墨烯是自然界中一直存在的材料，但是直到2004年才被英國(guó)物理學(xué)家Andre和俄國(guó)物理學(xué)家Konstantin成功從石墨中提取出來(lái)[48]。自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，石墨烯材料就引起了國(guó)內(nèi)外研究者的極大興趣。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)石墨烯材料能在低功率密度的電力驅(qū)動(dòng)下高效發(fā)射遠(yuǎn)紅外線，其電熱轉(zhuǎn)換效率高于99%，在遠(yuǎn)紅外光譜頻率范圍內(nèi)的發(fā)射能量占其全部發(fā)射能量的90%以上，如圖7所示，這種優(yōu)良的電熱特性使得石墨烯替代傳統(tǒng)熱源成為可能。

圖7 石墨烯與人體發(fā)射遠(yuǎn)紅外波段圖

據(jù)國(guó)家紅外中心報(bào)告，石墨烯不僅擁有優(yōu)異的電熱特性，還對(duì)人體健康有著促進(jìn)作用，石墨烯發(fā)射的遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍5～15 μm，強(qiáng)度集中在9～10 μm，石墨烯發(fā)射的遠(yuǎn)紅外波段與人體自然遠(yuǎn)紅外波段完美切合，可以較好滿足人體健康需求[49]。

同時(shí)石墨烯發(fā)射的遠(yuǎn)紅外線位于對(duì)人體健康最有益的一段遠(yuǎn)紅外區(qū)間波段，又稱為生命光波[7]，如圖8所示。由圖可以說(shuō)明，石墨烯輻射對(duì)于促進(jìn)人體健康發(fā)育有著正向作用。石墨烯材料屬于綠色健康的優(yōu)秀材料，用于烘干領(lǐng)域既不會(huì)造成污染也沒(méi)有安全隱患，有著良好的發(fā)展前景。

圖8 太陽(yáng)光分類

4.2 石墨烯材料的優(yōu)勢(shì)

石墨烯材料作為低溫遠(yuǎn)紅外發(fā)射源，在糧食烘干領(lǐng)域有著顯著優(yōu)勢(shì)，其可以與糧食充分接觸發(fā)揮紅外輻射特點(diǎn)，如表6所示。

表6 高低溫紅外輻射源優(yōu)勢(shì)對(duì)比Tab. 6 Comparison of the advantages of high and low temperature infrared radiation sources

市面上已出現(xiàn)使用碳材料作為遠(yuǎn)紅外發(fā)射元件的谷物烘干機(jī)，如圖9所示[3]，其工作時(shí)谷物沿著烘干機(jī)內(nèi)部的遠(yuǎn)紅外輻射板的導(dǎo)流槽自然下滑，在谷物下滑同時(shí)，遠(yuǎn)紅外輻射板發(fā)出遠(yuǎn)紅外線進(jìn)行谷物加熱干燥。得益于石墨烯在低溫下即可發(fā)射遠(yuǎn)紅外線的特性，石墨烯柵板式遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)具有烘干體量大、烘干質(zhì)量好和烘干效率高等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)研究，石墨烯遠(yuǎn)紅外干燥機(jī)比傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥機(jī)節(jié)能30%左右；其采用的柵板結(jié)構(gòu)，可以在板間存留大量物料，增加了干燥體量；低溫遠(yuǎn)紅外線能從谷物內(nèi)部和表面同時(shí)開(kāi)始加熱，較為均勻地加熱能有效減少谷物因外層失水過(guò)快而造成的爆腰和龜裂等缺陷，保持物料的完整性[3]。以石墨烯加熱板為熱源的新型遠(yuǎn)紅外烘干設(shè)備具有如此多優(yōu)點(diǎn)，且符合環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略的需求，其在糧食烘干市場(chǎng)勢(shì)必有著不俗的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖9 石墨烯遠(yuǎn)紅外谷物糧食烘干機(jī)剖面示意圖

5 總結(jié)與展望

遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)是一種高效節(jié)能的技術(shù)，其在糧食烘干、果蔬干燥等領(lǐng)域都有著不俗的發(fā)展前景。本文通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)紅外輻射機(jī)理進(jìn)行歸納，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外近15年來(lái)對(duì)遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)及糧食烘干設(shè)備的研究，梳理了幾種干燥模型、不同工藝參數(shù)的影響因素以及國(guó)內(nèi)研發(fā)的各類聯(lián)合烘干裝置?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于遠(yuǎn)紅外烘干技術(shù)都有著深刻的研究，但由于技術(shù)原因遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)械的普及始終未能實(shí)現(xiàn)。國(guó)外研究側(cè)重于干燥模型的建立、數(shù)值分析及工藝優(yōu)化等方面，其裝備機(jī)械主要是日本等國(guó)進(jìn)行生產(chǎn)研發(fā)，以小型烘干機(jī)械為主；國(guó)內(nèi)則是在工藝優(yōu)化、水分遷移規(guī)律研究的同時(shí)，探索遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，裝備機(jī)械主要以是臺(tái)灣、無(wú)錫等地區(qū)研發(fā)的循環(huán)紅外線干燥機(jī)為主。隨著節(jié)約能源和綠色環(huán)保理念的普及，遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)的研究有著極其重大的意義[50]。

展望未來(lái)，遠(yuǎn)紅外糧食烘干設(shè)備的發(fā)展方向主要有兩方面：一是聯(lián)合干燥技術(shù)的應(yīng)用，目前主要有遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外真空干燥、遠(yuǎn)紅外微波干燥、遠(yuǎn)紅外流化床干燥、遠(yuǎn)紅外冷凍干燥等多種方案，兼顧高效和節(jié)能的遠(yuǎn)紅外聯(lián)合烘干技術(shù)可以充分發(fā)揮兩種干燥方式的優(yōu)勢(shì)，提高性價(jià)比和產(chǎn)品品質(zhì)；二是環(huán)保型烘干機(jī)的研發(fā)及清潔熱源的使用，傳統(tǒng)紅外熱源危險(xiǎn)且無(wú)法滿足熱敏材料的烘干，近年來(lái)新材料如石墨烯輻照板等新熱源的使用，給市場(chǎng)注入了新的活力，其可以大大提高干燥品質(zhì)、效率，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)避免糧食干燥中出現(xiàn)明火和煙氣排放，實(shí)現(xiàn)糧食加工中烘干環(huán)節(jié)的綠色生產(chǎn)，綜合可知新技術(shù)革新和新材料探索是未來(lái)烘干領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。