楊博 ，王未君 ，李文林 ,

1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所（武漢 430062）；2. 油料油脂加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室（武漢 430062）；3. 農(nóng)業(yè)部油料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢 430062）

我國地大物博，物產(chǎn)豐富，傳統(tǒng)上食品干燥多以晾曬、陰干為主，這種方式受季節(jié)氣候影響較大且效率低下[1]。干燥這一工藝過程耗能極高，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計這一項(xiàng)工藝的耗能占據(jù)發(fā)達(dá)國家總能耗的9%～ 25%[2]，干燥不僅影響著生產(chǎn)效率，也在一定程度上決定產(chǎn)品品質(zhì)。在國內(nèi)國際競爭日益激烈的今天，在全球節(jié)約能源的大背景下，高效節(jié)能的干燥工藝設(shè)備是各國關(guān)注的重點(diǎn)[3]。

熱泵技術(shù)具有能耗低且對環(huán)境污染較小等優(yōu)點(diǎn)，其干燥溫度范圍也比較廣。1852年，Lord Kelvin首次提出熱泵的概念[4]，已廣泛應(yīng)用于木材、瓜果、糧食等加工領(lǐng)域。與傳統(tǒng)使用燃煤、天然氣、電能等作為能源的干燥方式相比，熱泵干燥可節(jié)約30%及以上能耗[5]。熱泵干燥技術(shù)雖然能效較高，但其最大干燥溫度也較低，不適合高溫干燥。我國熱泵技術(shù)研究起步較晚，20世紀(jì)20年代才有相關(guān)研究用于木材加工中[6]，關(guān)于熱泵干燥技術(shù)的研究主要集中在干燥模型及動力學(xué)研究、干燥設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計以及干燥工藝研究等方面。

微波是波長1 mm～1 m、頻率300 MHz～300 GHz的電磁波，工業(yè)上常用的頻率為915和2 450 MHz，其工作原理是介質(zhì)損耗原理，水分子是極性分子，其損耗因子也較大，在微波能的作用下極速振動產(chǎn)生熱量，從而氣化生分并擴(kuò)散出去，且它的傳熱與傳質(zhì)的方向一致，且相同物料在同樣的電磁場強(qiáng)下，其加熱效果也一樣，所以微波加熱效率較高，易于控制，但微波技術(shù)也存在磁場不均勻，物料長時微波存在局部過熱等情況[7-10]。

熱泵-微波聯(lián)合干燥可結(jié)合微波高效率和熱泵低能耗的優(yōu)點(diǎn)，同時也能盡可能地保證干燥成品的外觀風(fēng)味，這種比較新型的干燥方式越來越受到關(guān)注。因此，對熱泵-微波聯(lián)合干燥的研究進(jìn)展情況進(jìn)行介紹，旨在為熱泵-微波聯(lián)合干燥技術(shù)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 熱泵、微波的工作原理與結(jié)構(gòu)

1.1 熱泵的工作原理與結(jié)構(gòu)

干燥熱泵大多利用的是逆卡諾循環(huán)原理[11]，熱泵吸收環(huán)境中的熱量，轉(zhuǎn)換成更高溫度的熱能傳導(dǎo)給被加熱對象，其結(jié)構(gòu)形式主要有開環(huán)、半開環(huán)和閉環(huán)。熱泵主要由翅片式蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥等部分組成，制冷劑不斷吸收和蒸發(fā)冷凝來完成熱量的轉(zhuǎn)移，在烘箱中沒有被原料吸收的多余熱量又會循環(huán)到熱泵主機(jī)中。工作流程：制冷劑在蒸發(fā)器上吸收熱量—在壓縮機(jī)作用形成高壓高溫氣體—在冷凝器中釋放熱量—熱量被風(fēng)機(jī)傳遞到烘箱內(nèi)—烘箱內(nèi)多余熱量回到熱泵主機(jī)中。這樣就能充分利用熱能，提高能量利用率，形成一種穩(wěn)定的循環(huán)系統(tǒng)[12-13]。

1.2 微波的工作原理與結(jié)構(gòu)

微波是波長范圍1 mm～1 m、頻率介于300 MHz～ 300 GHz的電磁波。工業(yè)上通常使用的微波頻段為915 MHz或2.45 GHz[14]。微波加熱物料的方式與電加熱或者蒸汽加熱這些傳統(tǒng)的加熱方式不同，它通過電磁波使物料內(nèi)部的極性分子發(fā)生極化，分子發(fā)生劇烈分動，分子間的摩擦增大，物料被加熱，這種特別的熱效應(yīng)使得微波干燥的效率非常高[15-16]。很多研究表明微波干燥也存在一些非熱效應(yīng)，這些非熱效應(yīng)可能引起物料蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，促進(jìn)某些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，阻斷某些細(xì)胞發(fā)生繁殖[17-18]，有些變化是需要的，有些則降低產(chǎn)品品質(zhì)，因此選用微波干燥時需要注意非熱效應(yīng)的發(fā)生。

2 熱泵-微波聯(lián)合干燥的研究進(jìn)展

干燥的時候往往不能只注重干燥效率，很多物料特別是食品，干燥后的風(fēng)味、色澤和質(zhì)地也需要著重考慮[19]。物料在使用一種干燥方式下往往會出現(xiàn)干燥效率不高、干燥后品質(zhì)變差、能耗較高等不利因素，這種情況下聯(lián)合另一種效率高、干燥后產(chǎn)品品質(zhì)好或者能耗低的干燥工藝，結(jié)合2種干燥方式的優(yōu)點(diǎn)，這樣保證高效率的同時也保證產(chǎn)品質(zhì)量及低能耗[20]，當(dāng)前的微波熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)就是利用熱泵的低能耗和產(chǎn)品干燥后質(zhì)量好，以及微波高效率、加熱均勻同時能殺菌的優(yōu)點(diǎn)[21]，這就是熱泵-微波聯(lián)合干燥技術(shù)研究的意義所在。

2.1 熱泵-微波聯(lián)合干燥系統(tǒng)裝備研究

熱泵和微波都可以單獨(dú)完成對產(chǎn)品的干燥，選用何種聯(lián)合方式取決于物料的特性及需要達(dá)到的干燥效果。國內(nèi)外關(guān)于熱泵-微波聯(lián)合干燥系統(tǒng)裝備的研究不多，熱泵與微波單體系統(tǒng)設(shè)備研究較多。關(guān)志強(qiáng)等[22]在對羅非魚切片干燥時，采取熱泵干燥作為前段工序，去除大部分羅非魚的水分且去水效率明顯下降時使用微波干燥進(jìn)一步降低水分，這種先熱泵干燥后微波干燥利用高含水率階段熱泵干燥效率高，水分降低時利用熱泵的快速去水的特點(diǎn)，降低整體的干燥時間。王教領(lǐng)等[23]、馬國遠(yuǎn)等[24]研究的熱泵微波聯(lián)合干燥機(jī)，把微波的加熱箱體跟熱泵的烘箱合并為一個箱體，干燥箱的一側(cè)與熱泵主機(jī)相連另一側(cè)設(shè)置有微波發(fā)射裝置，微波發(fā)射裝置的位置經(jīng)計算保證整個干燥箱體個位置微波場強(qiáng)一致，干燥箱內(nèi)物料采用傳送帶輸送，這種聯(lián)合方式減少了設(shè)備的占地面積和材料成本，連續(xù)性的干燥方式也更加適應(yīng)工業(yè)化的生產(chǎn)，較容易商業(yè)化和市場化，同時經(jīng)過性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微波功率和傳送帶速度對結(jié)果影響較大，并給出原因是熱泵溫度較低的分析；還發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器旁流通的空氣量受蒸發(fā)器進(jìn)口的的空氣濕度影響較大，大致表現(xiàn)為高空氣濕度對應(yīng)低旁通量，反之對應(yīng)高旁通量。

2.2 熱泵-微波聯(lián)合干燥工藝研究

國內(nèi)外對熱泵-微波聯(lián)合干燥工藝研究多集中在蔬菜、瓜果、藥用植物這些領(lǐng)域，少數(shù)為油料作物領(lǐng)域，這些物料都是熱敏型的，高溫易造成這些物料維生素、氨基酸和碳水化合物等物質(zhì)的氧化和流失，或改變其色澤[25]，而熱泵-微波聯(lián)合干燥相對比較溫和，效率也有保障，非常適合這些物料的干燥。

鄭亞琴[26]對雪蓮進(jìn)行熱泵-微波聯(lián)合干燥的工藝研究，具體研究熱泵溫度和風(fēng)速、微波的干燥功率及熱泵干燥與微波干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)的含水率這4種因素對干燥效率、復(fù)水率、單位能耗去濕量及收縮率等因素的影響，通過回歸方程確定熱泵干燥與微波干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)的含水率對干燥速率的影響最明顯，溫度和風(fēng)速對單位能耗去濕量影響最為顯著，風(fēng)速對色澤變化影響最大，并通過響應(yīng)面法確定熱泵-微波聯(lián)合干燥雪蓮的最佳參數(shù)：熱泵溫度42.7 ℃、風(fēng)速1.69 m/s、熱泵干燥與微波干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)的含水率50%及微波干燥功率2 W/g。Chong等[27]將熱泵-微波聯(lián)合干燥、熱泵干燥和真空微波干燥等方式用于干燥蘋果，主要考察蘋果干燥后的顏色變化、質(zhì)地特性、抗氧化性及總多酚的含量變化等，研究結(jié)果表明，熱泵-微波聯(lián)合干燥在蘋果顏色變化、質(zhì)地特性方面均優(yōu)于其他干燥方式，采用熱泵-微波聯(lián)合干燥后總多酚的含量也比其他干燥方式多出60%～70%。

Zielinska等[28]對青豆采用多級熱泵與微波真空聯(lián)合干燥，并與熱風(fēng)對流干燥進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用多級熱泵與微波真空聯(lián)合干燥后的青豆內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列緊密，淀粉顆粒未糊化或部分糊化，而采用熱風(fēng)對流干燥的青豆已完全糊化，確定微波真空干燥的干燥速率為0.59 L/min。

宋楊等[29]研究海參的熱泵-微波真空聯(lián)合干燥工藝，結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱泵-微波真空聯(lián)合干燥相比于熱泵干燥的效率更高，復(fù)水率也有一定提高，產(chǎn)品質(zhì)量更好，聯(lián)合干燥工藝條件為熱泵溫度30 ℃、風(fēng)速1 m/s、干燥轉(zhuǎn)換含水率40%、微波干燥功率230 W。

2.3 熱泵、微波干燥特性模型的研究

關(guān)于熱泵、微波單一干燥動力學(xué)模型研究較多，而鮮有關(guān)于熱泵-微波聯(lián)合干燥模型的研究。在研究某一類型物料的干燥動力學(xué)時，往往會把干燥過程與干燥模型進(jìn)行擬合分析，以此驗(yàn)證模型是否有用，這些干燥模型（表1）大多都是薄層干燥模型，薄層干燥模型方程類型較多，有理論方程和經(jīng)驗(yàn)方程等，其中經(jīng)驗(yàn)方程應(yīng)用精度較好[30-31]，利用這些數(shù)學(xué)模型工具對物料的干燥動力學(xué)研究有著事半功倍的作用。

表1 常用干燥模型[32-37]

2.3.1 熱泵干燥特性及模型研究

干燥特性及模型是對物料干燥變化、水分遷移的一種預(yù)測與描述，有很多關(guān)于熱泵的干燥動力學(xué)研究。王安建等[38]研究以恒定熱泵風(fēng)速，熱泵干燥溫度在40，50和60 ℃下花生的干燥特性，發(fā)現(xiàn)花生熱泵干燥存在加速和降速2個干燥階段，基本上沒有恒速情況，并使用SPSS軟件進(jìn)行模型建立和分析，在與常用的數(shù)學(xué)干燥模型進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，建立的模型與Page模型擬合較好，確定該模型能比較真實(shí)地反映干燥過程。李洵陽等[39]研究發(fā)現(xiàn)熱泵干燥溫度對核桃干燥速率影響最大，且干燥過程的預(yù)測值和實(shí)際值與Page模型基本吻合。吳雪輝等[40]研究油茶籽的干燥特性并建立干燥模型，結(jié)果表明油茶籽熱泵干燥主要是一個降速過程，初期升速階段不明顯，在與幾種常用模型擬合之后，發(fā)現(xiàn)與Midilli模型理論值的平均相對誤差只有8.97%，能較好地預(yù)測油茶籽的干燥情況。除此之外，利用網(wǎng)絡(luò)方正模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果平均相對誤差為4.57%，進(jìn)一步表明所建立的油茶籽干燥模型確能反映油茶籽實(shí)際的干燥情況。代亞萍等[41]則將熱泵技術(shù)結(jié)合太陽能用于梔子果的干燥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)梔子果在干燥過程中干燥速率總體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，并且與Verma模型擬合度最好。

2.3.2 微波干燥特性模型研究

微波干燥效率較高，干燥時間都比較短，細(xì)微的條件變化就能引起干燥的差異變化，這就需要了解不同物料在微波干燥下的特性及干燥模型。劉旺星等[43]研究胡蘿卜的干燥特性并建立干燥模型，并且以不同切片厚度、微波干燥功率及處理量對Page模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與Page模型擬合度最好，最大相對誤差為6.91%，也發(fā)現(xiàn)胡蘿卜微波干燥速率有加速和降速兩個階段，對胡蘿卜片干燥時水分遷移影響最大的是處理量。唐小閑等[44]進(jìn)行即食慈姑片的微波干燥試驗(yàn)，探究其干燥特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)即食慈姑片的微波干燥有升速、恒速和降速3個階段，料層厚度和微波功率對干燥速率影響最大，在與這種數(shù)學(xué)干燥模型擬合后發(fā)現(xiàn)與Page模型的預(yù)測值擬合度高，能較好地反映即食慈姑片的微波干燥情況。孫輝等[42]考察錐栗脆球的微波干燥特性，結(jié)果表明裝載量對干燥效果影響最大，通過Matlab建模之后發(fā)現(xiàn)與Page模型匹配度最好，并據(jù)此推斷出采用分段式微波處理錐栗脆球效果會更好。

3 熱泵-微波聯(lián)合干燥技術(shù)存在的問題

3.1 聯(lián)合干燥系統(tǒng)裝備研究嚴(yán)重不足

熱泵和微波單體干燥的系統(tǒng)設(shè)備研究都比較完善，應(yīng)用很廣泛，工藝研究也比較細(xì)致深入，但關(guān)于熱泵-微波聯(lián)合干燥設(shè)備的研究不多。研究者多分段使用熱泵和微波設(shè)備作為聯(lián)合，這種簡單的聯(lián)合不能完全地反映熱泵-微波聯(lián)合干燥的特點(diǎn)，對計算其聯(lián)合干燥的能效影響也較大，而把熱泵干燥箱體與微波干燥箱體結(jié)合的聯(lián)合干燥設(shè)備受干燥溫度影響較大，微波干燥需要遷就熱泵干燥的溫度，對于需要高溫或超高溫干燥的物料不適用。

3.2 聯(lián)合干燥模型匱乏

數(shù)學(xué)干燥模型多適用于簡單的干燥過程，干燥過程中涉及變量過多就無法適用，而熱泵-微波聯(lián)合干燥過程較復(fù)雜，涉及熱泵溫度、風(fēng)速、進(jìn)氣口溫度、進(jìn)氣口濕度、空氣旁通量、微波功率、微波場強(qiáng)分布、微波設(shè)備內(nèi)物料傳送速度及物料的厚度等諸多因素，簡單的經(jīng)驗(yàn)方程和理論方程無法準(zhǔn)確反映該干燥過程。

4 熱泵-微波聯(lián)合干燥技術(shù)的發(fā)展方向

全球各地不時出現(xiàn)的能源危機(jī)預(yù)示著節(jié)能降耗將是一個永不過時的話題，也是可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，而熱泵-微波聯(lián)合干燥技術(shù)也必須朝著更高效、更節(jié)能的方向發(fā)展，這就需要更加合理的熱泵-微波聯(lián)合方式，如分段式干燥、交替多段式干燥等；也需要整體性更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更加緊湊、功能多樣化的熱泵-微波聯(lián)合干燥設(shè)備：首先，熱泵干燥與微波干燥結(jié)合要更加緊密，避免中間轉(zhuǎn)換干燥方式時帶來的不確定影響；其次，聯(lián)合干燥設(shè)備需要發(fā)揮各自干燥的特點(diǎn)，避免干燥過程中的相互干擾；最后，聯(lián)合干燥設(shè)備的適用性要廣，可采用組合式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)物料干燥特定來搭建聯(lián)合干燥設(shè)備。此外，合理的聯(lián)合干燥方式與適宜聯(lián)合干燥設(shè)備也需要理論模型的指導(dǎo)，在干燥過程中準(zhǔn)確預(yù)測物料的干燥情況往往可以少走很多彎路，這就需要從需求出發(fā)，設(shè)備、工藝和干燥模型三位一體，并與時下熱門的人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)結(jié)合，共同促進(jìn)熱泵-微波聯(lián)合干燥技術(shù)的快速發(fā)展。