劉世杰 ， 孫慧敏 ， 蔡世通

（1.海南熱帶海洋學院海洋信息工程學院，海南 三亞 572022；2.海南熱帶海洋學院教務處，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。但是，海南檳榔深加工技術滯后于檳榔產(chǎn)業(yè)發(fā)展。檳榔鮮果在海南經(jīng)初步干燥后，主要運往湖南省各地進行深加工[2]。

檳榔干制不僅能抑制其微生物生長、延長果實貯藏期，還能減輕果實質量和體積，便于運輸、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)境造成嚴重污染。近年來，海南省大力推廣檳榔干燥綠色技術，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)品質的基礎上，通過改進、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)濟結構?？梢?，推廣應用高效、節(jié)能、環(huán)保的新型干燥技術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現(xiàn)狀

海南省自2013年開始引進和推廣檳榔干燥新技術。2014年以來，熱泵技術因具有節(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。熱泵干燥技術等新技術的應用大幅減輕了傳統(tǒng)土爐干燥法造成的環(huán)境污染，然而，目前對進一步提升熱泵干燥檳榔技術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，熱泵干燥檳榔技術的應用研究主要集中于利用PLC技術改進控制方法和參數(shù)優(yōu)化等。例如，高志生[5]將熱泵技術與PLC控制相結合，實現(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優(yōu)化了熱泵干燥檳榔工藝參數(shù)，并通過試驗研究表明熱泵技術適用于檳榔干燥。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合進行檳榔干燥等方面，卻鮮有相關研究報道。

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

2 太陽能熱泵聯(lián)合干燥技術現(xiàn)狀

熱泵技術在果蔬干燥方面的推廣應用，使得傳統(tǒng)的果蔬干燥工藝得到優(yōu)化和改進。為進一步提升果蔬、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)一些學者提出了熱泵技術與太陽能相結合的聯(lián)合干燥方案，并進行了相關理論和試驗研究[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)的應用特性及應用效果進行了深入研究。朱傳輝等[10]設計了太陽能-熱泵聯(lián)合香菇干燥裝置，干燥室采用夾層多點送風并設計了擾流風扇。劉英娜等[11]在不同干燥溫度、風速以及裝載量條件下，分別對新鮮板栗進行了干燥特性研究。姚遠等[12]設計的太陽能熱泵聯(lián)合茶葉烘焙裝置可實現(xiàn)太陽能、熱泵單獨干燥和兩者聯(lián)合干燥，結果表明太陽能干燥節(jié)能效果良好。也有學者結合海南省熱帶環(huán)境特點開展相關研究，例如，劉世豪等[13]設計了儲熱型太陽能利用系統(tǒng)，通過對太陽實際輻射強度進行數(shù)據(jù)擬合及相關對比分析，證明該系統(tǒng)理論設計的可行性。

目前，我國太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)大多可實現(xiàn)太陽能、熱泵獨立工作和兩者聯(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)，有著得天獨厚的熱帶環(huán)境資源，四季陽光充沛，太陽能資源相當豐富，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[17]。如果能充分利用太陽能資源實現(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)設計初探

檳榔果干燥過程需要消耗大量人工和能源，為進一步節(jié)約能源、提高新能源利用率以及干燥效率，結合國內(nèi)外學者最新研究成果，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，初步設計了太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)方案。后續(xù)應搭建試驗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用特性、檳榔果干燥質量以及節(jié)能效果等，從而進一步優(yōu)化系統(tǒng)設計方案并改進試驗臺。

初步設計的太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)方案如圖1所示。設計基本理念是設備盡量集成化，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，實心箭頭表示淡水或工質的流動方向，其中，在太陽能干燥裝置中，使用淡水進行熱交換；在空氣源熱泵干燥裝置中，工質為環(huán)保型制冷劑。空心箭頭表示新風、回風和排風流動方向，虛線表示溫度、濕度等的控制與保護線路。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進行干燥工作，也可以聯(lián)合組成多種干燥模式。控制單元通過安裝在干燥室內(nèi)的溫濕度傳感器、蓄熱水箱、水位傳感器等實時監(jiān)測、控制和調整系統(tǒng)的工作狀態(tài)，保持干燥室內(nèi)溫度、濕度穩(wěn)定。如應用PID等控制算法實現(xiàn)對干燥室溫度、濕度的精確控制，以及實現(xiàn)三種干燥裝置的獨立或聯(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)設計方案

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。當啟動太陽能干燥裝置后，1#水泵首先運行，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；當水溫升高到設定值時，2#水泵和位于干燥室外部的風機運行，在風機作用下，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度減弱，獨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行。

空氣源熱泵干燥裝置組成如圖1左下側所示。運行時，液態(tài)工質在蒸發(fā)器中汽化吸收環(huán)境空氣中的熱能，然后被壓縮機吸入、壓縮成高溫高壓的氣態(tài)工質。氣態(tài)工質在冷凝器中冷凝，釋放出大量熱量使干燥室內(nèi)溫度升高。干燥室設有可調節(jié)的新風、回風和排風風門，其開度由控制單元根據(jù)干燥室內(nèi)溫度進行控制。為了防止新風被直接排出，在干燥室內(nèi)還設有固定式隔板。當干燥室內(nèi)溫度小于設定值時，新風和排風風門關閉，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。當干燥室內(nèi)溫度大于設定值時，控制單元按一定算法調節(jié)新風和排風風門開度，以便保持干燥室內(nèi)溫度適宜、穩(wěn)定，同時，促進干燥室內(nèi)部空氣流動，進一步提高干燥效率。

電加熱干燥裝置設有風機連鎖保護、加熱器過熱保護等環(huán)節(jié)，其運行由控制單元控制。太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)初始運行時，由于干燥室內(nèi)溫度較低，為了盡快達到設定溫度范圍，可以設定電加熱干燥裝置投入運行。初始運行階段也可以設定太陽能干燥裝置、空氣源熱泵干燥裝置、電加熱干燥裝置均投入運行。當天氣良好、太陽能輻射較強時，在干燥室內(nèi)溫度達到設定值后，電加熱干燥裝置或空氣源熱泵干燥裝置自動停止運行，即太陽能干燥裝置獨立進行干燥工作。當太陽能干燥裝置獨立工作工況達不到設定條件時，空氣源熱泵干燥裝置投入運行。當環(huán)境溫度較低時，電加熱干燥裝置投入運行，輔助上述兩種裝置進行干燥工作。當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立進行干燥工作。

除濕裝置亦由控制單元控制運行。當干燥室內(nèi)濕度超過設定值時，除濕裝置投入運行，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立或聯(lián)合運行。此外，干燥室內(nèi)不僅設有照明設備，進料門上還設有觀察窗，方便觀察內(nèi)部干燥情況。理論上，本文設計的太陽能熱泵聯(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 結論

隨著科學技術的不斷革新，以熱泵技術為基礎的果蔬干燥技術快速發(fā)展，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工方面得到廣泛應用。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)濟結構、促進檳榔產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有現(xiàn)實意義。因此，有必要圍繞海南省豐富的太陽能資源，結合現(xiàn)代科學技術，深入研究檳榔果干燥新理念和新技術。本文初步設計的太陽能熱泵聯(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立運行，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，理論上可以實現(xiàn)檳榔及其他果蔬的高效干燥初加工。后續(xù)應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用特性、檳榔果干燥質量以及系統(tǒng)節(jié)能效果等開展相關試驗，通過試驗研究進一步優(yōu)化、完善、改進本設計方案，以期為太陽能熱泵聯(lián)合干燥檳榔果系統(tǒng)在海南省應用推廣打下基礎。