孫偉， 李明,， 高萌， 李坤， 趙沖， 李金

(1.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所，云南 昆明 650500)

1 引 言

豆渣是大豆加工過(guò)程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物，我國(guó)是大豆種植的主要國(guó)家，年均濕豆渣產(chǎn)量高達(dá)2 000萬(wàn)噸，目前大部分豆渣被用作動(dòng)物飼料甚至直接扔掉，造成了環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)[1-3].

豆渣干燥后可長(zhǎng)期保存，且易與其他食品相結(jié)合.近年來(lái)對(duì)豆渣干燥的方法和干燥設(shè)備的研究很多，但主要方式為微波干燥、真空冷凍干燥、高壓電場(chǎng)干燥和旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥[4-11],對(duì)于采用太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合的方式來(lái)進(jìn)行豆渣干燥的研究卻鮮有報(bào)道.太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)采用能源互補(bǔ)的方式，在充分利用太陽(yáng)能的基礎(chǔ)上，有效節(jié)約干燥成本，同時(shí)結(jié)合熱泵可使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，因此本文構(gòu)建了太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)，同時(shí)為了更加有效的利用干燥物料后的熱量，增加了回?zé)峁艿?，并以豆渣為例開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，以期獲得豆渣的干燥特性.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 干燥系統(tǒng)和測(cè)試設(shè)備

回?zé)崾教?yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)部件主要包括真空管集熱器、集熱器進(jìn)口風(fēng)機(jī)、集熱器風(fēng)道、熱泵蒸發(fā)器、空氣換熱器、排濕風(fēng)機(jī)、干燥箱、送風(fēng)風(fēng)機(jī)、熱泵冷凝器.干燥系統(tǒng)主要部件參數(shù)見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器見(jiàn)表2.

2.2 實(shí)驗(yàn)和方法

系統(tǒng)可以根據(jù)干燥箱內(nèi)溫度來(lái)改變運(yùn)行模式.白天太陽(yáng)輻照充足時(shí)，進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器的空氣可以被加熱到60 ℃以上，滿(mǎn)足干燥的溫度需求，因此可只運(yùn)行太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)；白天太陽(yáng)輻照不足時(shí)，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量不能使干燥箱內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定值，太陽(yáng)能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，熱泵進(jìn)行熱量的補(bǔ)充；在夜晚無(wú)太陽(yáng)輻照時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)不工作，熱泵系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行.

為了研究豆渣在太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)下的特性，在昆明市(東經(jīng)102.43°，北緯25.02°)開(kāi)展了兩次豆渣干燥實(shí)驗(yàn)，干燥物料均為新鮮豆渣，并在實(shí)驗(yàn)之前根據(jù)《食品中水分的測(cè)定GB/T 5009.3-2016》測(cè)定豆渣初始濕基含水率.

為了研究不同環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)干燥物料的影響，進(jìn)行了兩次豆渣干燥實(shí)驗(yàn)，第一次實(shí)驗(yàn)豆渣總重為66.45 kg，在上午7∶45開(kāi)機(jī)運(yùn)行,測(cè)得初始環(huán)境溫度為12 ℃；第二次實(shí)驗(yàn)豆渣總重為116.4 kg，在下午14∶45開(kāi)機(jī)運(yùn)行，測(cè)得初始環(huán)境溫度為25 ℃.

圖1 回?zé)崾教?yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)原理圖

表1 回?zé)崾教?yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的主要部件參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，從總的豆渣中分出四份等重樣品均勻鋪入四個(gè)相同的物料托盤(pán)內(nèi)并稱(chēng)重記錄，物料托盤(pán)長(zhǎng)0.55 m寬0.48 m，將其放入干燥室內(nèi)1，2，3，4層大物料架上，由上至下分別記做樣品1、樣品2、樣品3和樣品4.并將剩下的所有豆渣全部均勻放入干燥箱內(nèi)大物料架上.干燥箱保溫層厚度為10 cm.啟動(dòng)聯(lián)合干燥系統(tǒng)，進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn).系統(tǒng)在白天太陽(yáng)輻照充足時(shí)，進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器的空氣可以被加熱到60 ℃以上，滿(mǎn)足干燥的溫度需求，因此可只運(yùn)行太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)；當(dāng)太陽(yáng)輻照不足時(shí)，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量不能使干燥箱內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定值，太陽(yáng)能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，熱泵進(jìn)行熱量的補(bǔ)充；在夜晚無(wú)太陽(yáng)輻照時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)不工作，熱泵系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行.

豆渣初始含水率為78 %，干燥過(guò)程中每間隔1 h對(duì)樣品稱(chēng)重一次，直至樣品的干基含水率達(dá)到保存的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止干燥實(shí)驗(yàn).

3 結(jié)果與分析

3.1 干燥特性曲線

豆渣干基含水率變化曲線如圖2所示，兩次實(shí)驗(yàn)分別用時(shí)16 h和17 h，最終含水率測(cè)定為7%，達(dá)到了長(zhǎng)時(shí)間保存的標(biāo)準(zhǔn).干燥后的豆渣呈乳白色，略微偏黃，無(wú)豆腥味及其他異味，品質(zhì)良好.對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，干燥箱內(nèi)的溫度升到45 ℃需要4 h，而第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)，干燥箱內(nèi)的溫度1 h就可以上升到45 ℃，此時(shí)豆渣的干基含水率下降速度最快.干燥箱內(nèi)樣品1位置處的物料質(zhì)量整體下降的較快，主要的原因是干燥箱上層的溫度最高，且在靠近樣品1的地方有一個(gè)回風(fēng)的風(fēng)機(jī)，氣流速度會(huì)大于其他地方,所以在第1層的干燥物料干基含水率下降最快.

圖2 豆渣干燥曲線

圖3為豆渣在干燥過(guò)程中干燥速率隨時(shí)間的變化曲線.從圖中可以明顯地看出，兩次干燥實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始的干燥速率相差較大，主要的原因是：第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，初始環(huán)境溫度低，蒸發(fā)器吸收的熱量少，因此干燥箱內(nèi)的溫度上升較慢.在10∶00之后，干燥速率有了明顯的提升，因?yàn)榇藭r(shí)環(huán)境的溫度已經(jīng)達(dá)到了20 ℃，蒸發(fā)器吸收的熱量增加，有效地提高了豆渣的干燥速率.第二次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，豆渣的干燥速率達(dá)到最大值0.35 kg/h，主要是下午環(huán)境溫度高，太陽(yáng)輻照充足，箱內(nèi)溫度在1 h內(nèi)達(dá)到45 ℃以上，而且剛放進(jìn)干燥箱的豆渣表面水分最多，因此豆渣的失水速率最快.在凌晨1∶45分時(shí)將三四層豆渣進(jìn)行翻動(dòng)后，豆渣的干燥速率明顯上升，這是因?yàn)榉瓌?dòng)豆渣，可以使內(nèi)部水分含量較高的豆渣盡可能與熱空氣進(jìn)行接觸，極大的提高了豆渣的干燥速率.

圖3 干燥速率隨干燥時(shí)間的變化圖

3.2 系統(tǒng)能耗及成本

利用測(cè)試數(shù)據(jù)可以得到的供熱系數(shù)關(guān)系圖，以第一次實(shí)驗(yàn)為例，得到了在上午8∶00到下午17∶00的供熱系數(shù)關(guān)系圖(如圖4).從圖4可以看出，熱泵的供熱系數(shù)在上午10∶00之前呈上升趨勢(shì)，之后熱泵的供熱系數(shù)保持在2以上，主要的原因是早上環(huán)境溫度低，熱泵的蒸發(fā)器從環(huán)境中吸收的熱量有限.從集熱器供熱量占曲線比可知，集熱器供熱量占比呈現(xiàn)出先增加后降低的情況，最高時(shí)占比可達(dá)到38.69%，主要是受到太陽(yáng)輻照度的影響，當(dāng)太陽(yáng)輻照度增強(qiáng)，集熱系統(tǒng)的供熱量增加，供熱占比也隨之增加.

圖4 供熱系數(shù)關(guān)系圖

以初始環(huán)境較高的第二次豆渣干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行成本計(jì)算，本次實(shí)驗(yàn)干燥豆渣116.4 kg，系統(tǒng)共運(yùn)行17 h,耗電64.62 kWh，按照0.5元/kWh的電價(jià)計(jì)算，共計(jì)電費(fèi)32.31元，對(duì)比目前干燥豆渣常用的旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥技術(shù)，其干燥相同質(zhì)量豆渣到含水率為10%以下的成本在58.2元左右，因此利用本系統(tǒng)進(jìn)行豆渣干燥，可以減少44.48%的成本.

4 結(jié) 語(yǔ)

利用構(gòu)建的太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)對(duì)濕豆渣進(jìn)行了兩次干燥實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:

(1)豆渣干燥過(guò)程中主要受到干燥箱內(nèi)的溫度和風(fēng)速的影響，溫度高、風(fēng)速大可以有效縮短物料的干燥時(shí)間；

(2)該裝置運(yùn)行過(guò)程中，熱泵的供熱系數(shù)在2.5左右，太陽(yáng)能集熱器最高可提供38.69%的熱量，有效地實(shí)現(xiàn)了能源的互補(bǔ)；

(3)在環(huán)境溫度高的下午開(kāi)機(jī)運(yùn)行，干燥箱內(nèi)溫度可以在1 h內(nèi)達(dá)到45 ℃，且可以獲得最大的干燥速率0.35 kg/h；在環(huán)溫低的上午開(kāi)機(jī)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到設(shè)定溫度需要4 h，此時(shí)的干燥速率只有0.1 kg/h;

(4)太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合系統(tǒng)干燥相同質(zhì)量豆渣成本遠(yuǎn)低于旋轉(zhuǎn)閃蒸方法，可以節(jié)約44.48%的成本.