董继先1,2，李靖1*，袁越锦1，2，王博1,2，刘欣1
1．陕西科技大学机电工程学院（西安710021）；2．陕西农产品加工技术研究院（西安710021）
摘要通过热风干燥、真空干燥和热风真空组合干燥三种不同方式对苹果切片进行干燥能耗试验研究，获得了影响因素及干燥方式的干燥曲线以及能耗曲线，对比分析了不同的热风温度、热风风速、真空温度、相对真空度、中间转换点含水率的干燥速率和干燥能耗，得出热风温度、真空温度对干燥速率影响较大，对能耗的影响也较为明显。热风风速对干燥速率影响有限，但对能耗也有较为明显的影响，相对真空度对干燥速率及干燥能耗影响不是很显著，组合干燥的中间转换点含水率对干燥速率及干燥能耗影响特别显著。
关键词干燥；热风；真空；含水率：能耗
我国是水果蔬菜生产大国，果蔬总量居于世界第一位。果蔬含水量高，保鲜期短，极易腐烂变质，为了延长果蔬的储存时间，将水果、蔬菜脱去其中的自由水是常用的方法之一。果蔬经过干燥脱水，含水量降至足够低后，能阻碍微生物增长繁殖，抑制蔬菜中所含的酶的活性，推迟和减少以水为媒介的腐烂变质，从而使脱水后的产品能够在常温下持久保存，且便于运输和携带。而我国干燥作业涉及国民经济的广泛领域，同时也是我国的耗能大户之一，所用能源占国民经济总能耗的12%左右。试验以苹果为主要试验材料，以热风干燥、真空干燥和热风真空组合干燥方法，来探索苹果片以自制的热风真空组合干燥设备在于燥过程中的能耗情况，以便在后续的研究中改进以及为相关领域的研究提供有价值的帮助。
1 材料与方法
1.1试验材料、试剂与试验设备
新鲜的“红富士”苹果：市售。
柠檬酸（纯度≥99.5%，相对分子质量为210.14）、氯化钠（纯度≥99.5%，相对分子质量58.44）、无水氯化钙（纯度≥96.0%，相对分子质量为110.99）、亚硫酸氢钠（纯度≥99.7%，相对分子质量为104.06）：天津市凯通化学试剂有限公司（原四通化工厂）。
太阳能热风真空组合干燥设备，自制；冠亚牌SFY系列快速水分测定仪：深圳市冠亚电子科技有限公司；三相四线电子式有功电能表：百德尔电表有限公司；电子天平（精度为0.001 g）；风速仪(AR826wind speed tester)温度计；电子秒表；镊子；烧杯；玻璃棒等。
自制太阳能果蔬热风真空组合干燥设备如图1所示，主要由空气预热器、排风管、排湿风机、智能控制器、水泵、真空泵、干燥箱、热风辅助加热器和引风机等组成。
自制太阳能果蔬热风真空组合干燥设备在进行热风干燥时，打开空气进出口管路阀门，空气通过进气口进入空气预热器1进行预热之后通过进风管30及引风机29将空气送至热风辅助加热器28将空气加热到预定温度经过均风通道进入干燥箱26，与被干燥物料发生传热传质后，通过排风管2，在空气预热器1处预热新鲜空气后排出。当进行真空干燥时，关闭排风控制阀3及风量控制阀27，关闭干燥箱箱门6，打开水泵1 8，预定温度的热水经过高温进水管9进入干燥箱内的热水盘管，将被干燥物料加热到所需温度，然后回水经由低温回水管19排出。打开真空泵20，干燥箱内的空气由真空泵抽出，进行抽真空干燥。
1.2试验方法
1.2.1试验流程
挑选大小均匀、新鲜程度一致的新鲜苹果。将新鲜苹果置于清水中清洗干净，将苹果削皮后切成厚度为3～5 mm的薄片。护色液按料液比为1：5(g/m L)进行配制，其中，柠檬酸0.5%，氯化钠0.5%，无水氯化钙0.4%，亚硫酸氢钠0.2%。将切分好的苹果片浸泡入护色液中，经过0.5 h后，从护色液中捞出，用清水反复冲洗干净，沥干苹果片表面的水分。取大于0.5 g的样品放在快速水分测定仪的物料盘上进行测量水分，测出苹果的初始含水率，然后准确称取3 000 g苹果片均匀的铺至物料盘内，放入热风真空组合干燥箱内进行干燥，此时记下电表读数。
1.2.1.1热风干燥过程能耗的试验流程
热风温度设定为50℃，60℃和70℃三个水平，热风风速设定0.058，0.065和0.072 m/s三个水平。
1.2.1.2真空干燥过程能耗的试验流程
真空温度设置为55℃，63℃和70℃三个水平，相对真空度设定为0.08，0.085和0.09三个水平。
1.2.1.3热风真空组合干燥过程能耗的试验流程
热风温度和热风风速设定为单一热风干燥得出的最佳温度及风速，中间转换点含水率设定为30%，40%和50%三个水平；真空温度和相对真空度设置为单一真空干燥得出的最佳真空温度及相对真空度。
1.2.2试验方案设计
试验采用单因素的试验方法对热风干燥过程中的控制因素——热风温度和热风风速，真空干燥过程中的控制因素——真空温度和相对真空度，热风真空组合干燥的干燥过程中的中间转换点——含水率，进行单因素控制来能耗观察分析。具体试验设计如表1。
其中热风温度60℃，70℃对应的热风风速a是根据热风温度为50 ℃的试验干燥时间及能耗综合分析得出。 表2中真空温度度63℃，70℃对应的相对真空度b根据真空温度为55℃的试验干燥时间及能耗综合分析得出。
表3中热风温度A、热风风速B、真空温度C和相对真空度D的设定为表1和2试验结果的最佳组合。
1.2.3评价指标
1.2.3.1含水率
采用冠亚牌SFY系列快速水分测定仪进行测量，将仪器的加热温度调至123℃，判断时间设定为40 s，取大于0.5 g的样品，放在料盘上进行测量，待红外灯泡熄灭并发出报警时，按下“显示”键读出样品的水分值。快速水分测定仪的测定含水率X的原理为：
1.2.3.2消耗的电能
将试验过程中所用到干燥设备总线缆接入三相四线电子式有功电能表，在物料放人干燥箱时记下电表的读数为E0，在每次苹果切片取样时记录一次实时的Et0则干燥过程所消耗的电能（由于试验设备除电能外没有将其他供能设备或能源加入，所以能耗只考虑电能消耗量）为：
1.2.3.3干燥时间
采用电子表进行计时，在物料放人干燥箱时记下时间为T0，在进行苹果切片取样时记下的时间读数
2结果与分析
2.1 热风干燥能耗试验结果与分析
利用热风干燥过程中的控制的热风风速、热风温度对于燥时间以及干燥能耗进行分析。
2.1.1热风风速对结果影响的分析
当热风温度为50℃时，从图2中可以看出，热风风速为0.058 m/s的干燥曲线较热风风速为0.065 m/s与0.072 m/s的平缓，而0.06 m/s与0.07 m/s热风风速的干燥曲线相差几乎不大，但达到相同含水率时第一水平的热风风速所需的干燥时间最长。而第二水平与第三水平的热风风速干燥时间基本一致，说明苹果片的失水率与热风风速有关，干燥到相同的含水率，较大的风速所需要的干燥时间越短。这是因为风速越大，苹果片表面的水汽层越薄，对流传热膜系数越大，传热传质速率提高的缘故。但风速对失水率的影响有限，在干燥曲线上表现为各干燥曲线靠近，可见风速对苹果片的失水率影响不显著。
从图3中可以看出，热风风速越大单位时间内所消耗的电能越多，是因为风速对干燥速率影响并不显著，但较高的风速在同样的时间内需要较多的能量去维持风速，同时在相同的时间内，热量流失的也越多，因此所消耗的电能就越多。
2.1.2热风温度对结果影响的分析
当热风风速为0.065 m/s时，从图4中可以看出，热风温度为50℃的干燥曲线较热风温度为60℃的干燥曲线平缓，60℃的干燥曲线较70 ℃的干燥曲线平缓，热风温度为一水平、二水平和三水平时达到20%以下含水率所需干燥时间逐渐缩短。说明热风温度对苹果片的失水率有较大的影响，温度越高，干燥至相同的含水率所需要的时间越短。这是因为温度越高，苹果片表面与热风传热传质的推动力就越大，苹果片表面的传质较快，单位时间内苹果片失水率就越大，干燥速率提高的。
从图5中可以看出，热风温度越高单位时间内所消耗的电能越多，较高的热风温度需要靠较多的电能，热量流失的也越多。但达到相同的含水率时热风温度越高所需要的电能越少，是因为热风温度对干燥速率影响较为显著，热风温度高干燥时间短。
2.2真空干燥能耗试验结果与分析
以真空干燥过程中的控制的真空温度、相对真空度对干燥时间以及干燥能耗进行分析。
2.2.1真空温度对结果影响的分析
当相对真空度为0.085时，从图6中可以看出，真空温度对干燥曲线影响较大，真空温度为55℃的干燥曲线较为平缓，而真空温度为70℃的干燥曲线最陡，63℃的干燥曲线次之，说明真空温度越高，达到相同含水率时所需要的时间越短。相对真空度为0.085时，水的沸点为53.969℃，所以当真空温度越高，与相对真空度0.085所对应的沸点的差值就越大，干燥过程的推动力就越大，干燥速率也越大，在图6中表现为干燥曲线越陡。
从图7可以看出真空温度越高，单位时间内所需要的电能越多，较高的真空温度干燥速率较大，同时也需要较多的能量克服水分从物料内部向物料表面传递的阻力，以及物料表面水分的蒸发，由于真空温度对干燥速率影响较大，达到相同含水率较高的真空温度所需的时间较短，所以消耗的电能也较少。
2.2.2相对真空度对干燥结果的影响分析
当真空温度为55℃，从图8中可以看出相对真空度为0.08，0.085和0.09的干燥曲线之间的差别并不大，这是因为相对真空度0.08，0.085和0.09所对应的沸点分别为60.058℃，53.969℃和45.806℃，与试验过程所施加的温度的差值分别为5.058℃，-1.031℃和-9.194℃，温度差别并不大，加之水分从物料内部向表面扩散有内部孔道网络结构之间的阻力，以及试
验真空干燥阶段为脉冲式干燥方式，使干燥箱内的水分排出不及时使得不同相对真空度在干燥速率上表现不明显。
从图9可以看出相对真空度越大在单位时间内所消耗的电能越多，这是因为相对真空度越高，每次抽真空时，真空泵需要运行较长的时间才能达到所需的真空度，但是相对真空度0.08与相对真空度0.085之间的能耗相差不大，二者与相对真空度0.09之间的差别较为明显，根据2BV2071水环真空泵的特性，极限相对真空度为0.097，因此越接近极限相对真空度，每次抽取真空时所需时间较长，消耗的电能越多。
2.3热风真空组合干燥能耗试验结果
当热风温度为70℃，热风风速为0.065 m/s，真空温度为70℃，相对真空度为0.085时，不同中间含水率的干燥曲线如图10所示，其中热风干燥阶段以曲线图表示，真空干燥阶段以散点图表示。由图可以看出热风干燥阶段的干燥曲线相差不大，但真空阶段的干燥曲线略有差别。这是因为真空干燥阶段的起点不同。
由图11可以看出不同中间含水率的在热风干燥阶段（曲线）能耗几乎没有差别，但在真空干燥阶段（散点）相差较大。首先在单位时间内热风干燥比间歇式真空干燥能耗大，30%，40%和50%的中间含水率所需要的热风干燥阶段时间较长，所以在热风干燥阶段所消耗的能量较多。其次，真空干燥阶段处于整个干燥阶段的快速干燥阶段，所以真空干燥所需的干燥时间较短，所需要的电能较少，达到节能的目的。
3结论
通过热风干燥、真空干燥和热风真空组合干燥方式对苹果切片进行能耗试验研究，利用Excel软件绘出不同干燥方式的干燥曲线以及能耗曲线，对比了不同的热风温度、热风风速、真空温度、相对真空度以及中间转换点含水率的干燥速率、干燥能耗。得出了结论：
1)热风干燥的热风温度对于燥速率以及干燥能耗影响较大，热风温度越高，干燥速率越大，同时所消耗的电能也越多。热风风速对于燥速率也有一定的影响，但是影响有限，但是风速越大在相同的时间段内所消耗的电能也越多。
2)真空干燥的真空温度对干燥速率和干燥能耗影响较为显著，具体的真空温度越高单位时间内物料水分流失的越快，相应的所需能量也越多。相对真空度在试验中体现的不是很明显，可能是因为观察相对真空度时所设置的真空温度较低。
3)热风真空组合干燥在热风干燥阶段的不同含水率对干燥速率影响不大，但是在真空阶段有区别，主要是因为真空干燥阶段的起点不同，中间转换点含水率越高，所需的干燥时间越短，干燥能耗越少。
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