干燥技术研究文献综述

干燥技术研究文献综述
应用生物科学1班20123258 任建宇
[摘要]干燥技术的成熟与否关系到物品的储存、使用、生产以及保护等等多个方面，与人们的生活密切相关。

文章综述了国内外干燥技术研究及应用的情况，并对其中微波冷冻干燥技术、热泵低温干燥技术、新型远红外加热干燥技术以及其他几种干燥法等技术进行分析并了
解各自应用优势，为改进和创新干燥技术提供了技术支持和思路拓展。

[关键词]微波冷冻干燥；热泵低温；新型远红外；冷冻干燥；
1多种多样的干燥技术
1.1微波冷冻干燥技术
1.1.1微波真空冷冻技术原理
微波真空冷冻干燥中除加热方式为微波加热外，其基本原理与传统的真空冷冻干燥工艺并无很大差异。

同普通冷冻干燥装置一样，微波冷冻干燥装置主要包括制冷系统、真空系统、捕水系统以及加热系统。

图1所示微波冷冻干燥工艺及系统组成。

1.1.2微波真空冷冻干燥优点
(1)可以完好地保持药品的性状、有效成分，复水性好。

(2)可以大幅度地节约能源。

图2显示了升华干燥在总能量消耗中占了很大的比例。

(3)干燥效率高。

(4)脱水彻底，适合长途运输和长期保存。

(5)药品不易氧化变质。

1.1.3研究基础
已有实验表明微波可使冻干时间缩短几小时甚至更多。

徐振方等提出了一种在微波冻干过程中在线测试物料实时温度、质量、真空度的新型计算机自动监测方法。

孙恒等简要介绍了微波冻干装置和温度的测量，并提出了目前温度测量以微波屏蔽测温管和热敏电阻与高阻导线测温传感器两种方法最为合适。

施明恒等针对微波冷冻干燥过程中，物料的温度场较难测量的问题，研制了一种光纤温度传感器。

陶智等以平板状SiO2凝胶为实验物料，进行了有、无电介质内核的微波冷冻干燥的对比实验，实验结果表明具有电介质内核的微波冷冻干
燥可以大大缩短干燥时间，有效降低干燥过程的能耗。

NastajJ和WitkiewiczK在2004年用微波冷冻干燥的方法干燥了一些生物材料，并和其他方式做了对比。

DuanX等人开发了新的微波冷冻干燥设备，采用光纤结合红外测温的方法，所加工的冻干海参质量和传统冻干海参无显著差异，并具有明显的杀菌特性，同时对微波冻干的过程给出了详细的优化操作方法；在用于甘蓝脱水时维生素C保存率和常规冷冻干燥也无显著性差异。

目前的理论对传热传质的研究比较完善，低温低压传质传热的理论研究建立在三种冻干模型即sandall提出的
冰前沿均匀退却(URIF)模型，Dryer等提出的准稳态模型，以及Liapis和Lifchfield等提出的解吸-升华模型。

这几种模型虽然都可用于描述冻干过程，但都有其不足之处，如URIF模型能较好的描述升华干燥阶段的干燥过程及有关参数的变化等，但不能描述解吸干燥阶段的干燥过程及有关参数的变化。

1.2热泵低温干燥技术的应用分析
许多食品加工（含农副产品）都需要经过干燥处理，且多属低温干燥（0～80℃）。

常规采用自然风干、电热、锅炉制热热风干燥、冷冻干燥、真空干燥、微波干燥等干燥方法。

每种方法在干燥质量、干燥时间、干燥能耗、设备投资等方面均存在某项明显不足，而热泵干燥技术与上述常规干燥方法相比，具有明显的综合优势，应用前景广阔。

1.2.1热泵干燥技术与常规低温干燥方法比较
由表1可见，热泵干燥技术在食品低温干燥方面具有很强的综合势。

1.2.2热泵干燥技术特点分析
热泵干燥技术与常规低温干燥方法相比具有以下特点。

1.2.2.1高效节能
热泵干燥技术节能效果明显，主要体现在以下方面。

（1）根据热泵原理，其制热系数（cop）永远大于1，而锅炉、电加热器等制热装置的制热系数永远小于1，所以从理论上，热泵要比食品干燥常用的电加热或锅炉加热装置节能。

（2）热泵的cop值受低温热源与干燥温度的温差影响明显，温差越小，cop值越高。

所以食品低温干燥，即使是以环境空气作为低温热源（此时可回收干燥器散热，其占干燥能耗为20%～30%），也能得
到较高cop值（一般可以达到3.0以上），更何况热泵干燥装置常是以干燥器排出的焓值较高，温湿空气作为低温热源。

食品低温干燥由于具有高品位的低温热源，只要设计合理，热泵干燥装置可做到既节能又节约（省钱），节能幅度在30%以上，综合干燥成本可降低10%～30%，投资回收期为0.5～2年。

（3）热泵运行可同时制热、制冷，食品加工也经常是冷热同时需要。

如热源作干燥加热的同时，冷源可以作原料低温贮存降温或车间降温或提供冷水供生产使用。

节能效果更加明显，cop值可达到6.0以上。

1.2.2.2高效干燥
食品多属热敏感材料，干燥的时间、温度、湿度对干燥质量影响较大。

使用热泵干燥装置与常规自然风干及使用电加热锅炉加热的热风干燥相比，可明显改善干燥质量。

（1）使用热泵干燥装置，可对干燥空气进行除湿，可降低干燥温度、湿度，缩短干燥时间，既提高产品质量又提高生产效率。

若采用封闭循环方式，可减少外界污染，回收易挥发成分。

（2）采用热泵干燥装置可实现恒温调湿干燥，避免采用常规干燥方法因气候、天气影响及干燥湿度不受控制而影响干燥质量。

1.2.2.3应用条件成熟
影响热泵应用及推广的因素有能源、环境、政策、技术、成本、低温热源等方面。

目前，这几方面因素都有利于热泵技术在食品干燥的应用。

（1）能源因素：包括能源价格、比价（电能、煤、油、燃气的比价）
丰富性。

近年来，随着煤、油、燃气价格大幅度提升，食品干燥多采用电动式热泵，可避免之前出现节能不节钱困境，特别是在以水电为主的地区。

（2）环境、政策因素：目前许多地区，特别是大中城市出于环境保护压力都限制使用燃煤制取热能；根据国家节能减排目标，出台节能减排奖励政策。

使以清洁能源（电能）作为动力又具有明显节能效果的热泵技术，具有较好的发展大环境。

（3）技术、成本因素：由于食品低温干燥采用热泵多属中小型电热、低温热泵，技术较中高温热泵成熟、简单，维护也比其他常规低温干燥装置简单，且借用较广泛，满足工况要求的空调制冷的设备的相关部件和工质，成本可得到有效控制，其初投资与其他常规低温干燥方法相比并不高。

（4）低温热源因素：低温热源品位是决定热泵应用的关键因素之一，由于食品干燥多属低温干燥，环境空气、地下水均可作为理想的低温热源。

特别是干燥时散热及排出废热，可提供高品位的低温热源。

所以，在全国范围内均可使用，特别是在长江以南地区尤其适合。

1.2.2.4环境友好
（1）食品干燥使用热泵技术利用的是清洁能源（电源）及低温可生产能源（环境空气、地下水），属节能型及环境友好型技术。

（2）由于属低温干燥，干燥温度多在40～70℃的范围，热泵多选用R134a制冷剂作为工质。

R134a属新型绿色制冷剂，是广泛推荐作为R22、R12传统工质的替代物，其ODP值（臭氧消耗潜能值）为0，GWP
值（全球变暖潜能值）为1300（R11GWP值4600），在《蒙特利尔议定书》上没有限制使用。

（3）热泵干燥装置可对加热空气进行除湿，按封闭循环
方式进行干燥，没有粉尘异味随干燥废气向环境排放而带来
的污染。

综上所述，热泵干燥技术已具备在食品干燥中普及使用的条件，尤其是在当前节约能源与保护环境日益受到重视，不同能源比价日趋合理，用户对食品干燥质量要求越来越高的环境下，热泵技术在食品干燥方面具有广泛的应用前景。

1.3新型远红外加热干燥技术
新型远红外加热干燥技术远红外线的波长为5.6一100微米,近红外的波长为0.75一5.6微米。

不论远红外线还是近红外线,它们都是不可见光线,又都是电磁波,所谓的远近是指离开红色光的远近而言。

初步估计,花费在物体加热与干燥上的能源约占全国每年消耗能源的10一巧%。

因此,研究如何节省加热干燥所耗的能源具有十分重要的意义。

传统的加热干燥有蒸汽加热、热风加热和电热电阻加热三种。

科技发展,又增添了红外加热、高频加热和微波加热,使加热干燥的效率得到成倍地提高。

近年来又崛起了一支新军—远红外加热干燥技术。

利用远红外材料制造出远红外辐射器,它有热效率高,能耗低的特点。

实践证明:远红外加热与一般近红外加热相比,可节约电力50%左右;减少加热时间1/2左右;缩小体积(或场地)1/2一2/3
1.4其他多种创新干燥技术
1.4.1过热蒸汽干燥
用过热蒸汽作干燥介质，可以减少传质阻力，明显增强传热系数。

真空过热蒸汽干燥木材，比热空气干燥快3～7倍，而且干燥质量很好，在加拿大等国的工业应用效果良好u。

1.4.2联合干燥
是符合国际干燥技术的创新发展趋势的干燥方式。

因为每一种干燥方法都有各自的优点和适用范围，联合干燥正是取其优点而避其缺点_4～。

以除湿干燥与常规蒸汽联合干燥木材为例，首先用蒸汽对木材预热，避免了采用除湿干燥时，用电预热升温慢、电耗高的缺点；进人干燥初期至中期阶段，干燥室的排湿量大，在此期间采用除湿干燥回收干燥室排出的余热，可以明显地降低干燥的能耗，节能率在40以上；在干燥后期，当干燥室排湿量很小时，再用蒸汽干燥，可快速提高干燥室温度，加快干燥速度，缩短干燥周期。

如日本采用高频一常规蒸汽联合干燥113mm×113mm的柳杉方柱，与单纯蒸汽干燥相比，干燥时间缩短了4倍以上，而干燥成本(包括设备、能耗和人工费)降低了。

此外，木材干燥行业还出现了真空一微波、真空一除湿、太阳能一热泵等各种联合干燥形式。

1.4.3生物干燥
原理是利用堆积的生物材料中，微生物氧化分解有机物所产生的
能量来实现干燥过程。

特点是不需要消耗常规能源，干燥成本低，且使用安全。

生物干燥的速度常与生物材料的含水率、温度及通气量有关。

该技术可用于干燥纸浆混和物，在技术上和经济上都是可行的。

1.4.4超临界干燥
超临界流体是一种温度和压力处于临界点以上，无汽液相界面区别而兼有液体性质和气体性质的物质相态。

超临界干燥过程实际上就是利用超临界流体超强的溶解能力，使被干燥液体达到超临界状态并溶解在超临界流体中。

这种技术用于木材干燥的预处理或木材改性，可以改善木材的渗透性，扩展木材内部的水分迁移通道，使气液界面消失，从而消除表面张力，减少或避免木材产生内裂、皱缩等干燥缺陷。

2干燥技术研究的意义
工业上那个需要干燥的物料种类繁多，他们需要的干燥时间也各异，家只有不同的物理形态和治疗要求，所以形成了多种多要的干燥技术需求。

干燥是一种能量集中型的操作，他决定了许多产品的质量。

因为通常都利用矿物燃料作为能源，所以干燥也是一个重要的环境污染源。

在发达国家，工业总能耗中有9%—25%适用于热力脱水，这么高的能耗是干燥操作在国民经济各部门中广泛应用的结果。

干燥能耗所占的比例从造纸业的35%到化工业的3%各不相同，现在应用的干
燥剂旋律也不一样，低的只有20%，高的可达到80%。

后者很难达到，间接加热式干燥机最常达到，但到目前为止间接式干燥机仍没得到广泛的工业应用。

平均每消耗1T油的燃料才能脱去6T的水。

随着社会进步，工业发展，各个方面对能源的需求只会越来越大，必须改造干燥过程，才能减少污染，节约能源。

3未来发展趋势
未来干燥技术的发展总趋势是：在同等能耗下，提高产品的产量和质量；在同等产品产量和质量下降低能耗；各种干燥技术组合和优化；以降低干燥过程对环境危害。

促进可持续发展。

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