劉世杰 ， 孫慧敏 ， 蔡世通

（1.海南熱帶海洋學(xué)院海洋信息工程學(xué)院，海南 三亞 572022；2.海南熱帶海洋學(xué)院教務(wù)處，海南 三亞 572022）

0 引言

海南盛產(chǎn)檳榔，其年產(chǎn)量約占全國產(chǎn)量的95%以上[1]。檳榔是海南“三棵樹”熱帶產(chǎn)業(yè)之一，與農(nóng)民增收、鄉(xiāng)村振興息息相關(guān)。但是，海南檳榔深加工技術(shù)滯后于檳榔產(chǎn)業(yè)發(fā)展。檳榔鮮果在海南經(jīng)初步干燥后，主要運(yùn)往湖南省各地進(jìn)行深加工[2]。

檳榔干制不僅能抑制其微生物生長、延長果實(shí)貯藏期，還能減輕果實(shí)質(zhì)量和體積，便于運(yùn)輸、加工[3]。在海南省檳榔干燥中，早期主要采用土爐干燥法[4]，使用木屑或煤球等進(jìn)行煙熏干燥，干燥方法簡單，但是由于大量排放溫室氣體，對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。近年來，海南省大力推廣檳榔干燥綠色技術(shù)，大幅減少了環(huán)境污染。海南省大部分地區(qū)一年四季陽光充足，若能在保證檳榔口感和營養(yǎng)品質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)、優(yōu)化檳榔干燥工藝充分利用太陽能，則不僅能提高生產(chǎn)效率，還能進(jìn)一步節(jié)約能源，以及優(yōu)化檳榔產(chǎn)業(yè)發(fā)展和海南熱帶農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)?？梢姡茝V應(yīng)用高效、節(jié)能、環(huán)保的新型干燥技術(shù)是海南省檳榔初加工發(fā)展的必然趨勢。

1 海南檳榔果干燥技術(shù)現(xiàn)狀

海南省自2013年開始引進(jìn)和推廣檳榔干燥新技術(shù)。2014年以來，熱泵技術(shù)因具有節(jié)能、高效、無污染等優(yōu)勢，快速發(fā)展成為海南省檳榔果干燥加工的主要方式之一。熱泵干燥技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用大幅減輕了傳統(tǒng)土爐干燥法造成的環(huán)境污染，然而，目前對進(jìn)一步提升熱泵干燥檳榔技術(shù)工藝流程及控制方法等方面的研究仍較少。從目前的研究情況來看，熱泵干燥檳榔技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中于利用PLC技術(shù)改進(jìn)控制方法和參數(shù)優(yōu)化等。例如，高志生[5]將熱泵技術(shù)與PLC控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了檳榔果初加工過程自動烘干；張容鵠等[6]采用單因素法和多因素正交試驗(yàn)優(yōu)化了熱泵干燥檳榔工藝參數(shù)，并通過試驗(yàn)研究表明熱泵技術(shù)適用于檳榔干燥。海南省擁有豐富的太陽能資源，但是在充分利用太陽能或多種方法結(jié)合進(jìn)行檳榔干燥等方面，卻鮮有相關(guān)研究報道。

2017年12月，海南省出臺《關(guān)于加強(qiáng)檳榔加工行業(yè)污染防治的意見》（以下簡稱《意見》），強(qiáng)調(diào)實(shí)施檳榔干燥綠色改造，引導(dǎo)海南檳榔初加工產(chǎn)業(yè)向規(guī)模化、聚集化發(fā)展[7]?！兑庖姟愤€指出要強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，全面禁止檳榔土法熏烤，推廣節(jié)能環(huán)保型檳榔烘烤設(shè)備，走綠色可持續(xù)發(fā)展道路?！兑庖姟返某雠_及實(shí)施對充分利用太陽能及研發(fā)新型檳榔干燥控制設(shè)備，推動海南省檳榔產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)，促進(jìn)檳榔干燥技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，以及提高農(nóng)民收入具有重要推動和指導(dǎo)意義。

2 太陽能熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)現(xiàn)狀

熱泵技術(shù)在果蔬干燥方面的推廣應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的果蔬干燥工藝得到優(yōu)化和改進(jìn)。為進(jìn)一步提升果蔬、木材、煙草等農(nóng)產(chǎn)品干燥過程中的能源利用效率并充分利用清潔能源，近年來，國內(nèi)一些學(xué)者提出了熱泵技術(shù)與太陽能相結(jié)合的聯(lián)合干燥方案，并進(jìn)行了相關(guān)理論和試驗(yàn)研究[8]。例如，李大慶等[9]搭建了太陽能熱泵聯(lián)合煙草干燥系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的應(yīng)用特性及應(yīng)用效果進(jìn)行了深入研究。朱傳輝等[10]設(shè)計(jì)了太陽能-熱泵聯(lián)合香菇干燥裝置，干燥室采用夾層多點(diǎn)送風(fēng)并設(shè)計(jì)了擾流風(fēng)扇。劉英娜等[11]在不同干燥溫度、風(fēng)速以及裝載量條件下，分別對新鮮板栗進(jìn)行了干燥特性研究。姚遠(yuǎn)等[12]設(shè)計(jì)的太陽能熱泵聯(lián)合茶葉烘焙裝置可實(shí)現(xiàn)太陽能、熱泵單獨(dú)干燥和兩者聯(lián)合干燥，結(jié)果表明太陽能干燥節(jié)能效果良好。也有學(xué)者結(jié)合海南省熱帶環(huán)境特點(diǎn)開展相關(guān)研究，例如，劉世豪等[13]設(shè)計(jì)了儲熱型太陽能利用系統(tǒng)，通過對太陽實(shí)際輻射強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合及相關(guān)對比分析，證明該系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)的可行性。

目前，我國太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)大多可實(shí)現(xiàn)太陽能、熱泵獨(dú)立工作和兩者聯(lián)合工作三種干燥模式[14-15]，具有較好的集熱、節(jié)能和干燥效果。而海南省地處熱帶地區(qū)，有著得天獨(dú)厚的熱帶環(huán)境資源，四季陽光充沛，太陽能資源相當(dāng)豐富，但是，由于太陽能使用成本較高，其利用率仍較低[16]。為了滿足節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境和連續(xù)干燥作業(yè)的要求，可以把太陽能和熱泵組合起來形成新型干燥技術(shù)[17]。如果能充分利用太陽能資源實(shí)現(xiàn)檳榔果干燥，將會對海南省太陽能利用普及以及檳榔產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級產(chǎn)生重要推動作用。

3 太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探

檳榔果干燥過程需要消耗大量人工和能源，為進(jìn)一步節(jié)約能源、提高新能源利用率以及干燥效率，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者最新研究成果，依據(jù)海南省地理優(yōu)勢，充分挖掘和利用清潔可再生能源，初步設(shè)計(jì)了太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)方案。后續(xù)應(yīng)搭建試驗(yàn)臺并通過試深入研究太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)在檳榔果干燥過程中的應(yīng)用特性、檳榔果干燥質(zhì)量以及節(jié)能效果等，從而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并改進(jìn)試驗(yàn)臺。

初步設(shè)計(jì)的太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)方案如圖1所示。設(shè)計(jì)基本理念是設(shè)備盡量集成化，以減小裝置體積。系統(tǒng)主要由太陽能干燥裝置、空氣源熱泵干燥裝置、電加熱干燥裝置、除濕裝置、干燥室及控制單元等組成。圖1中，實(shí)心箭頭表示淡水或工質(zhì)的流動方向，其中，在太陽能干燥裝置中，使用淡水進(jìn)行熱交換；在空氣源熱泵干燥裝置中，工質(zhì)為環(huán)保型制冷劑?？招募^表示新風(fēng)、回風(fēng)和排風(fēng)流動方向，虛線表示溫度、濕度等的控制與保護(hù)線路。太陽能干燥裝置、空氣源熱泵干燥裝置以及電加熱干燥裝置既可以單獨(dú)進(jìn)行干燥工作，也可以聯(lián)合組成多種干燥模式?？刂茊卧ㄟ^安裝在干燥室內(nèi)的溫濕度傳感器、蓄熱水箱、水位傳感器等實(shí)時監(jiān)測、控制和調(diào)整系統(tǒng)的工作狀態(tài)，保持干燥室內(nèi)溫度、濕度穩(wěn)定。如應(yīng)用PID等控制算法實(shí)現(xiàn)對干燥室溫度、濕度的精確控制，以及實(shí)現(xiàn)三種干燥裝置的獨(dú)立或聯(lián)合工作等，使檳榔干燥效果持續(xù)保持在較高水平。

圖1 太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

太陽能干燥裝置主要包括太陽能集熱板（平板太陽能集熱器）、1#水泵、蓄熱水箱、2#水泵和熱交換器等。當(dāng)啟動太陽能干燥裝置后，1#水泵首先運(yùn)行，淡水在太陽能集熱器和蓄熱水箱之間循環(huán)，蓄熱水箱內(nèi)水溫升高；當(dāng)水溫升高到設(shè)定值時，2#水泵和位于干燥室外部的風(fēng)機(jī)運(yùn)行，在風(fēng)機(jī)作用下，蓄熱水箱內(nèi)的高溫淡水通過熱交換器循環(huán)放熱，使干燥室內(nèi)溫度升高以及空氣流動加快，實(shí)現(xiàn)既節(jié)約能源又能高效干燥檳榔的目的。如果陽光不夠充足或光照強(qiáng)度減弱，獨(dú)立使用太陽能干燥效果不佳時，空氣源熱泵干燥裝置或電加熱干燥裝置投入運(yùn)行。

空氣源熱泵干燥裝置組成如圖1左下側(cè)所示。運(yùn)行時，液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)器中汽化吸收環(huán)境空氣中的熱能，然后被壓縮機(jī)吸入、壓縮成高溫高壓的氣態(tài)工質(zhì)。氣態(tài)工質(zhì)在冷凝器中冷凝，釋放出大量熱量使干燥室內(nèi)溫度升高。干燥室設(shè)有可調(diào)節(jié)的新風(fēng)、回風(fēng)和排風(fēng)風(fēng)門，其開度由控制單元根據(jù)干燥室內(nèi)溫度進(jìn)行控制。為了防止新風(fēng)被直接排出，在干燥室內(nèi)還設(shè)有固定式隔板。當(dāng)干燥室內(nèi)溫度小于設(shè)定值時，新風(fēng)和排風(fēng)風(fēng)門關(guān)閉，干燥室內(nèi)部空氣形成閉式循環(huán)，加快提升干燥室內(nèi)溫度。當(dāng)干燥室內(nèi)溫度大于設(shè)定值時，控制單元按一定算法調(diào)節(jié)新風(fēng)和排風(fēng)風(fēng)門開度，以便保持干燥室內(nèi)溫度適宜、穩(wěn)定，同時，促進(jìn)干燥室內(nèi)部空氣流動，進(jìn)一步提高干燥效率。

電加熱干燥裝置設(shè)有風(fēng)機(jī)連鎖保護(hù)、加熱器過熱保護(hù)等環(huán)節(jié)，其運(yùn)行由控制單元控制。太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)初始運(yùn)行時，由于干燥室內(nèi)溫度較低，為了盡快達(dá)到設(shè)定溫度范圍，可以設(shè)定電加熱干燥裝置投入運(yùn)行。初始運(yùn)行階段也可以設(shè)定太陽能干燥裝置、空氣源熱泵干燥裝置、電加熱干燥裝置均投入運(yùn)行。當(dāng)天氣良好、太陽能輻射較強(qiáng)時，在干燥室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值后，電加熱干燥裝置或空氣源熱泵干燥裝置自動停止運(yùn)行，即太陽能干燥裝置獨(dú)立進(jìn)行干燥工作。當(dāng)太陽能干燥裝置獨(dú)立工作工況達(dá)不到設(shè)定條件時，空氣源熱泵干燥裝置投入運(yùn)行。當(dāng)環(huán)境溫度較低時，電加熱干燥裝置投入運(yùn)行，輔助上述兩種裝置進(jìn)行干燥工作。當(dāng)太陽能干燥裝置和空氣源熱泵干燥裝置發(fā)生故障時，電加熱干燥裝置可獨(dú)立進(jìn)行干燥工作。

除濕裝置亦由控制單元控制運(yùn)行。當(dāng)干燥室內(nèi)濕度超過設(shè)定值時，除濕裝置投入運(yùn)行，在干燥檳榔的同時，降低干燥室內(nèi)空氣濕度。除濕過程不影響三種干燥裝置的獨(dú)立或聯(lián)合運(yùn)行。此外，干燥室內(nèi)不僅設(shè)有照明設(shè)備，進(jìn)料門上還設(shè)有觀察窗，方便觀察內(nèi)部干燥情況。理論上，本文設(shè)計(jì)的太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)方案也適用于其他果蔬的干燥初加工。

4 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，以熱泵技術(shù)為基礎(chǔ)的果蔬干燥技術(shù)快速發(fā)展，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工方面得到廣泛應(yīng)用。而海南省擁有豐富的太陽能資源，充分利用太陽能、空氣能及現(xiàn)代節(jié)能技術(shù)將檳榔等果蔬中的水分蒸發(fā)除去，不僅能節(jié)約能源、減少環(huán)境污染，還能降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，對優(yōu)化海南省熱帶農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)檳榔產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。因此，有必要圍繞海南省豐富的太陽能資源，結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，深入研究檳榔果干燥新理念和新技術(shù)。本文初步設(shè)計(jì)的太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)方案包括三個干燥裝置，即太陽能干燥裝置、空氣源熱泵干燥裝置和電加熱干燥裝置。三個干燥裝置既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以聯(lián)合工作，并能組合成多種工作模式。系統(tǒng)還包括干燥室、除濕裝置和控制單元等，理論上可以實(shí)現(xiàn)檳榔及其他果蔬的高效干燥初加工。后續(xù)應(yīng)主要針對太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)在檳榔果干燥過程中的應(yīng)用特性、檳榔果干燥質(zhì)量以及系統(tǒng)節(jié)能效果等開展相關(guān)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究進(jìn)一步優(yōu)化、完善、改進(jìn)本設(shè)計(jì)方案，以期為太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)在海南省應(yīng)用推廣打下基礎(chǔ)。