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马铃薯吸附低温气流干燥特性实验研究
陈海军1*， 朱跃钊2， 杨浩1，崔群1， 姚虎卿1
（1南京工业大学化学化工学院 南京 210009；
2南京工业大学机械与动力工程学院 南京 210009)
摘 要：在模拟实验装置上测定干燥器进出口的温湿度分布，计算得到脱水速率，分析影响干燥过程的主要因素，探讨强化干燥速率的方法，得到结论如下：（1）恒速干燥阶段平均干燥速率正比于物料的比表面积和气流流量，其主要取决于空气参数和物料的比表面积等外部条件；降速阶段的干燥速率主要决定于影响物料内部水分扩散和蒸发的因素。（2）在不损害物料营养成分的前提下，气流相对湿度越低、温度越高、流速越快、物料比表面积越大，干燥效果越好；其中，气流相对湿度为影响降速阶段干燥特性和物料干燥度的关键因素。（3）采用干燥前期较高气流温度、后期严格控制安全温度的变温干燥方法，可在保证物料品质的基础上，强化干燥速率。
关键词：吸附；低温；低湿；干燥
Research of drying characteristics of low-temperature adsorption drying for potato
CHEN， Hai-jun1， ZHU Yue-zhao2， YANG Hao1， CUI Qun1， YAO Hu-qing1
（1 Nanjing University of Technology College of Chemical and Chemistry， Nanjing 210009；
2 Nanjing University of Technology College of Mechanical and Power Engineering， Nanjing 210009）
Abstract In this paper， dehydration rates calculated with distribution of air temperature， relative humidity and flow rate with time， from in and out of the drier， are presented. Effects of operation parameters on drying characteristics were investigated and some intensifies were proposed. The results show that: (1) Mean drying rate in the stage of constant-rate of drying， which is with positive proportion to specific area of potato and air flow， experimentally， is mainly determined by the outer condition， such as air operation parameters and characteristics of the potato etc.， while in the falling-rate periods， drying rate is influenced both by the outside evaporation and the inside diffusion of water. (2) Under the premise of preservation of the nutrition of materials， drying rate can be improved with lower air relative humidity or higher temperature or higher velocity or bigger specific surface of grains， among which， air relative humidity has the greatest effect on both said drying rate and final water content of the materials. (3) Adopting temperature swing drying with proper combination of higher air temperature in the starting phase drying and lower temperature in the final phase， drying rate can be intensified significantly， without any damage to quality of the material.
Key Words: adsorption low-temperature low relative humidity drying
0 引言
目前，热敏性物料最常用的干燥方式是冷冻干燥。冷冻干燥产品组织无收缩、形状保持好，营养成分损失极少，复水性能优良，但其缺点是能耗大、生产周期长、不能连续生产，导致产品成本高，故只用于少量微生物制品和药品的干燥[1]。热泵干燥[2]采用较低温度和湿度的气流对物料进行干燥，是近期发展起来的一种节能效果明显而又切实可行的新方法。热泵干燥能在一定程度上克服传统热风干燥物料营养成分损失很大，物料表面硬化、干缩严重，复水后很难恢复原状的缺点，但压缩机的制冷工质CFCs和HFCs等是温室气体，CFCs更会破坏大气臭氧层，不利于环保；同时，制冷工质的泄漏会影响热泵的工作性能，甚至破坏产品品质，因此，必须定期进行专业维护。华南理工大学丁静[3]等提出低温吸附干燥系统，该系统是一种以水分浓度差作为传质推动力的新型干燥工艺，综合运用冷冻除湿和吸附除湿技术，提供低温低露点的气流对热敏性物料进行低温干燥。吸附低温气流干燥能有效避免高温对物料营养成分的破坏，干制品可较好保持原新鲜物料的色、香、味，复水效果较好；此外，系统具有一定的杀菌性能，能耗较低，除湿轮（或固定床吸附器）可利用太阳能、工业废热等低品位热源再生。为推动吸附式低温气流干燥的工业化进程，学者们分别就其干燥过程特性、干燥模型、干燥过程杀菌、营养成分退化动力学以及面向不同的应用过程展开了研究[4-15]。
本实验运用该技术对马铃薯进行干燥，分析干燥工艺条件对干燥过程的影响，测定干燥器出口的温湿度分布探讨强化干燥速率的方法，为吸附式低温气流干燥样机的设计、操作提供基础研究。
1 实验
1.1 实验装置及测定步骤
实验装置如图1所示，在文献[15]的基础上增加了气流加热管11，同时对11-14组件及其管路进行保温，达到进入干燥管的气流温度可调。实验原理和主要实验步骤参见文献[15]，不同之处是本实验中在线测定加热管和干燥管进出口的气流温湿度及流量，经计算得到物料的脱水速率。
图1 吸附式低温气流干燥模拟装置图
1.2 干燥速率计算方法
本实验中，通过在线测量得到气流进出干燥管的温湿度随时间的变化关系，一定程度上避免了离线称重法带来的误差。根据单位时间内马铃薯失去的水分等于空气中增加的水汽含量这一关系，可得马铃薯脱水速率随时间变化的关系。
设 t时间内马铃薯脱水量为 m，则根据该时间内空气中水汽质量增加可得：
m =V绝干*ρ绝干空气* t*（H出口-H进口） （1）
令时间 t趋向于0，得干燥速率：
dm/dt= m/ t= V绝干*ρ绝干空气*（H出口-H进口） （2）
经简化： dm/dt＝V总*ρair*(H出口-H进口) （3）
其中： H=0.622*PS*Φ/(P-ΦPS) （4）
式（1）-（3）中：
V绝干－绝干空气的流量，m3 /s V总－气流流量，m3 /s
P－大气压，Pa PS－水的饱和蒸汽压，Pa
ρ绝干空气－绝干空气的密度，kg/m3 ρair－空气密度，计算时取1.23kg/m3
Φ－空气相对湿度
H出口－出口空气湿含量，指由流程图1中温湿度传感器14读数计算得到，kg水/kg干空气
H进口－进口空气湿含量，指由流程图1中温湿度传感器12或10的读数计算得到，kg水/kg干空气
2 结果和讨论
2.1 各干燥工艺条件对干燥过程的影响
本实验选用马铃薯为原料，考察了空气温湿度和流量、马铃薯粒度和堆积高度等对吸附式低温气流干燥过程的影响，分析主要影响因素，结果列于图2~6。
2.1.1 马铃薯干燥特性分析及气流相对湿度对其干燥过程的影响
本文在马铃薯粒度为5×5×5mm，堆积高度为1.5cm，气流温度为20℃、流量为500L/h的条件下考察了气流相对湿度对物料干燥过程的影响，得到脱水速率如图2所示。
由图2可见：干燥调整阶段很短，且受预处理条件影响较大，故不作讨论。各干燥特性曲线在100min前出现了一个较明显的干燥平台，即恒速干燥阶段，该段时间内，物料内部的水分（主要为非结合水分）向表面传递的速率和水分自物料表面蒸发的速率相等，干燥速率基本上不随干燥时间而变化，失水速率达到最大。干燥时间大于100min，马铃薯进入降速干燥阶段，只剩下内部深处游离水和胶体结合水，由于水分自内部向表面移动的速率赶不上表面水分蒸发的速率，因此干燥速率逐渐减小，表面不能维持全部湿润，蒸发面逐渐向其内部移动。从300min开始，脱水速率曲线趋于平坦，数值也接近于0，说明干燥过程达到动态平衡，马铃薯达到干燥要求。
随着相对湿度增加，马铃薯脱水速率逐渐减小，其干燥平台的长度却不断拉长。原因是随相对湿度的增大，马铃薯表面水分蒸发速率降低，导致恒速干燥速率下降，延长了到达临界含水量的时间，因而恒速干燥阶段延长。本实验条件下，3-8%的气流相对湿度较佳。
2.1.2 气流流量对马铃薯干燥过程的影响
气流流量越大，也就是风速越大，空气和物料的相对接触面积越大，物料表面的饱和水蒸气膜越薄，水分由物料内部向表面迁移的传质阻力就越小，干燥速率也就越大。本文在温度20℃、相对湿度5％、堆积高度1.5cm和物料粒度5mm*5mm*5mm条件下，考察了气流流量对干燥过程的影响，结果如图3所示。
由图3可以看出气流流量越大，物料的干燥速率越快，且流量越大平台越小。可能是因为流量越大其脱水速率越大，恒速干燥阶段缩短，所以干燥平台也相应缩短。分析图3可发现，低流量条件下（350L/H、300L/H和250L/H），其恒速干燥平台较规则，平均脱水速率分别为0.023kg/min、0.018 kg/min 和0.015 kg/min，其比值为1.53：1.2：1，接近于流量比1.4：1.23：1。因此，恒速干燥阶段受外部条件控制，其干燥速率近似正比于气流流量。
2.1.3 气流温度对马铃薯干燥过程的影响
空气温度越高，物料中水分子获得的能量越多，运动越迅速，干燥速率越大。本文在气流相对湿度5％、流量500L/H、物料粒度5mm*5mm*5mm、堆积高度1.5cm条件下考察了气流温度对干燥过程的影响，结果如图4所示。
由图4可见，干燥速率随着气流温度的提高而显著增大，因为物料中的水分以水蒸气状态从其表面外逸时，在其表面附近形成饱和水蒸气层，空气的温度越高，相应的饱和水蒸气分压力越大，有利于水分向干燥介质的扩散。但是，温度过高物料的营养成分损失大、表面硬化现象严重，是物料品质破坏的主要因素。因此，对于吸附式低温气流干燥，应严格控制气流的温度和高温干燥的时间。
2.1.4 物料粒度对马铃薯干燥过程的影响
较小的物料颗粒对应着较大的物料表面积，相应和气流接触的界面也较大，因此干燥速率较快；但是，过小的粒度会给实际操作带来不便。本实验中将马铃薯分别切成边长为3mm、5mm、8mm和10mm的方块，在相对湿度为5%，气流温度为20℃，流量为500L/h的条件下考察其对干燥特性的影响，结果如图5所示。
由图5可见，马铃薯粒度越小，其表面积越大，表面水分蒸发速率就越快，干燥速率就越快。随着粒度增加，恒速干燥平台逐渐下降（数值减小），但长度逐渐拉长：边长为3mm的马铃薯几乎没有恒速阶段，而边长为10mm的恒速干燥阶段则长达100min。进一步分析图中干燥平台可得边长为5mm、8mm和10mm的马铃薯的平均干燥速率分别为0.035kg水/min、0.021 kg水/min和0.015 kg水/min，其比值为2.33：1.4：1。对于正方体的马铃薯颗粒，其比表面积（单位质量的表面积）和其边长的倒数成正比，因而边长分别为5mm、8mm和10mm的马铃薯颗粒，其比表面积之比为2：1.25：1，和上述平均速率的比值相近，这一点也说明在恒速干燥阶段，干燥速率受外部条件控制，和物料的表面积成正比。综合考虑脱水速率和实际操作的难易程度，选择粒度为5mm×5mm×5mm的颗粒较为合适。
2.1.5 物料堆积高度对马铃薯干燥过程的影响
在气流温度20℃、相对湿度5％、流量500L/H、物料粒度5mm×5mm×5mm条件下，考察马铃薯装填高度对干燥过程的影响，实验结果如图6所示。
由图6可以看出马铃薯的堆积高度越高其干燥速率越快。堆积高度分别为1.5cm，2cm，2.5cm的脱水速率曲线之间差别较小；而低于1.5cm装填高度时，随着装填高度的增加，脱水速率增加明显，说明在给定的干燥条件下，较佳的装填高度为1.5cm。
2.2 干燥管出口气流温湿度分布对干燥样机设计及优化操作的指导
本实验在线测定了干燥管出口气流的温湿度随时间的变化关系，限于篇幅，这里仅列出气流相对湿度变化时，干燥管出口气流温湿度的分布（实验条件见2.1.1），如图7、图8所示。
由图7可得：干燥初期，即恒速干燥阶段，干燥器出口气流相对湿度集中在40-60%较窄的平台区间内，随进口气流相对湿度变化较小；干燥中期（100-200min）出口气流相对湿度迅速下降；200min以后，出口气流相对湿度变化较小，分布在10-30%区间内。上述分析表明，对于吸附器来说，干燥初期的处理湿负荷最大，气体干燥度要求不高，同时，如外界空气相对湿度低于干燥器出口气体，该阶段可直接引入外界空气而无需循环；而干燥中后期湿负荷较小，但气体干燥度要求较高。
热敏性物料的干燥首先要注意的问题是确定物料能承受的最高温度及在此温度下的受热时间，在干燥过程中应使物料的受热温度及受热时间不超过此极限，但干燥介质的温度可高于此极限，物料受热温度急剧升高发生在降速干燥阶段。本实验中，由图8可以看出，干燥器出口气流温度在干燥初期出现平台，平台出现时间和恒速干燥阶段基本相当，是马铃薯内部水分蒸发，达到热质平衡的结果；平台处温度较低，在12-15℃之间，甚至低达10℃以下。100min以后，出口气流温度才慢慢升高。因此，在干燥开始阶段，由于表面水分直接蒸发达到热质平衡带来的降温效应，可有效保护热敏性物料不受热损，所以可在干燥开始阶段适当提高气流温度，既不破坏物料品质，又可强化干燥速率。但如何确定变温干燥开始阶段气流的温度、该温度维持的时间、干燥过程物料表面的温度监测等尚需进一步研究。
3 结论
（1）吸附干燥主要以水分浓度差作为传质推动力，干燥具有较典型的恒速和降速阶段。恒速干燥阶段的干燥速率主要取决于空气参数和物料的比表面积等外部条件：恒速阶段平均干燥速率正比于物料的比表面积；低流量条件下，干燥速率正比于气流流量。降速干燥阶段的干燥速率主要决定于影响物料内部水分扩散和蒸发的因素。
（2）在不损害物料营养成分的前提下，气流相对湿度越低、温度越高、流速越快、物料比表面积越大，干燥效果越好；其中，气流相对湿度为影响降速阶段干燥特性和物料干燥度的关键因素。较合适的气流相对湿度为3-8%；马铃薯颗粒为5mm边长、堆积高度为1.5cm。
（3）采用干燥前期较高气流温度、后期严格控制安全温度的变温干燥方法，可在保证物料品质的基础上，强化干燥速率。
（4）干燥初期吸附床的处理湿负荷最大，气体干燥度要求不高；而干燥中后期湿负荷较小，但气体干燥度要求较高。
参考文献
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