海带干燥系统的改进设计与试验

朱 烨，江 涛，洪 扬，邹海生，邢精珠

(中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所/农业农村部 渔业装备与工程技术重点试验室，上海 200092)

海带采收后需进行干燥[1-4]、盐渍[5-7]等处理，以保证海带新鲜度和存储周期。大部分海带采用盐渍处理的方法：海上收菜、洗涤、95 ℃蒸煮(杀青)、冷却、控水、加盐30%搅拌、腌渍、卤水洗涤、脱水、整理、称量、包装、贮存，而后根据客户要求加工盐渍海带结、片、丝[8]。盐渍海带操作工艺已很成熟。而海带干燥处理技术及工艺流程还不够成熟，大部分是以露天沙地晾晒为主，品质很难保证，天气变化对海带干燥有很大影响。江涛等[9]在大型海藻干燥方面有相关研究，对国内藻类干燥进行展望，并提出了建议。胡光华等[10]在龙须菜加工中采用热泵太阳能组合干燥的新模式，提出了可行性方案和设想，但未进行试验验证。现有针对海带干燥方面的研究较少，朱烨等[11]在前期理论研究的基础上，研发一种基于海带太阳能辅热耦合干燥系统，该系统主要由热泵系统、太阳能储热系统、阳光棚组成。

海带太阳能辅热耦合干燥系统在试验过程中取得了良好的效果，但也发现了诸如能耗稍大、保温性不高、海带部分干燥不均匀等问题。为了进一步提高干燥系统中阳光棚内风道风速的均匀性和高效性，本文对原阳光棚的风道结构、悬挂机构和保温性进行了改进，构建了自然晾晒+储热+热泵干燥耦合模式并进行效果试验。

1 干燥系统(阳光棚)的改进

1.1 风道改进

风道结构是海带干燥的最重要机构，其可保证海带干燥的均匀性和高效性。改进前阳光棚的引风风道是由多个可拆卸导风板按照每隔20 cm的间距均匀分布的。因为海带根部最厚，上部进风更容易将根部干燥，可对海带进行较均匀干燥。改进前引风风道设计如图1a所示。

图1 改进前后的风道图

在试验过程中，出现部分海带干燥不均匀的现象，经风速传感器测量得出，各导风板下方风速相差很大。改进后的结构如图1b所示，由于原可拆卸导风板之间的间歇是等距离的，但鼓风机的风向是不定的，而且由于风道和风速等问题，导致中排风速比后排风速大。主要改进内容：(1)改变原有的均分可拆卸导风板的结构，按风速调节导风板间距，测得靠内侧的风速小，需增加内侧导风板间距；(2)在干燥室中部，最上部加入可调引风板，实现热风向下吹，让后两排海带能更好受热。

1.2 海带受热面改进

原海带悬挂方式是用夹子夹住海带根部，再将夹子系钩在钢丝绳上，钢丝绳穿挂在干燥室两侧。采用原海带悬挂方式，海带受热干燥时，海带两边会向内折皱、扭曲，导致中间部位被包裹在内部，无法达到均匀受热的目的；海带收缩后，其两边与中间部位会粘在一起，会影响海带后期的加工；同时对干海带整体美观度和海带售卖有很大影响。改进后的海带悬挂方式则在原有的基础上加两个锯齿夹，夹住海带两侧，拉伸、展平，使得受热面积加大，不仅让海带整体均匀受热，而且还保证海带板型，可为后续加工及售卖提供更好的保障。

1.3 阳光棚保温性改进

保温性能越好，干燥效率越高，能耗越低，所以保温是干燥系统的关键技术。在烘干设备中，保温性起到很大作用。在原试验[11]过程中热泵提供的热量一部分为烘房内部提供热量，一部分则为散失的能量，同时随着外界温差越大其散失的能量越多，从而导致晚上或阴天烘干过程中，需要提供大量的能量，能耗增加。由于试验地环境气温早晚温差大，原阳光棚未加任何保温措施，只通过8 mm厚透明PVC中空板保温，保温性受很大影响。改进后的阳光棚，采用橡塑海绵保温材料，在光照度不足，或者雨天等温差、湿差较大的环境下，可用橡塑海绵进行保温处理，减少热散失，提高热效率。图2为原始阳光棚(图2a)和加保温材料阳光棚(图2b)(以下简称单因子干燥室)。

1.4 自然晾晒+储热+热泵干燥耦合模式的构建

原模式[22]需间断性开启外排风机，能耗高。相比于自然晾晒(图3)，其操作方法将海带悬挂在晾晒架上，利用自然光照及风吹进行干燥，减少能耗。考虑试验中环境因素、光照度、风速的综合影响，试验达到预期的效果，在日晒+风吹干燥1 d的条件下，测得其自然晾晒海带含水率为60%。

当光照度不足时，将半成品海带送入单因子干燥室，通过设定温度和干燥时间，可控制干燥室相对含湿量，从而保证海带的含水率，使干海带含水率为10%以下。故白天太阳晾晒海带，光照不足时进行热泵烘干，可节约能耗。

2 结果与分析

2.1 风道结构

为了验证改进风道结构的均匀性，进行风速测试试验。选择晴天的条件下，开启热泵内循环风机，以2000 m3/h风量，测得干燥室前、中、后段中的上、中、下各3组位置风速，对比未调节风道的数据。记录结果见图4。

图2 改进前后的阳光棚

图3 海带自然晾晒

从图4可以看出改进后前上、前中、后上、后中部分的风速数据比原始的风速提高，其中原干燥室内前段的前上0.218 m/s、前中0.182 m/s的风速小，是由于处于鼓风口下方，而风的方向是向后吹，且可拆卸导风板间距小从而使得风速较小，调节可拆卸导风板间距测得风速为前上0.468 m/s、前中0.384 m/s，是原风速的2倍左右；原干燥室内中段的后上0.268 m/s、后中0.124 m/s的风速小，由于风向是通过鼓风机将热风直接送入风道，直通消耗风速，热风到达不了后部，故中部加可调引风板，调节适当角度，测得后上0.593 m/s、后中0.561 m/s，是原风速的2倍左右。采用统计学方法计算得到原始的前段、中段、后段风速平均值分别为0.550、0.516、1.010 m/s，改进后的前段、中段、后段风速平均值分别为0.710、0.707、1.026 m/s，风速有较明显增强。

2.2 保温性

保温性优化试验，外界温度25 ℃，测试升温时间和热损失(未考虑湿空气)(表1)。

m=ρV

(1)

Δt=t室内-t室外

(2)

Q=CmΔt

(3)

公式中：m为空气质量(kg)；V为烘房体积，为16 m3；ρ为空气密度，为1.29 kg/m3；C为空气比热容，为1.003 J/(kg·K)；t室内为室内温度(℃)；t室外为室外温度(℃)；Δt为温差(℃)；Q为热量散失(J)。

从表1可以看出，在45～50 ℃时，由于室内外温差较大，其降温时间快，加了保温材料后降温时间有所延长；在40～45 ℃时，单因子干燥室的降温时间比原始的降温时间增加16倍，热损耗减少95%；当降温的温度越低时，室内和室外温差变小，其热扩散速度变慢，所以在35～40 ℃时，热损耗会减少，则降温幅度会更小。综上可以得出，单因子干燥室的效果明显要好，热损耗小。

2.3 自然晾晒+储热+热泵干燥耦合模式

在山东荣成地区晴天环境条件下进行试验。经测试、整理，得出海带干燥时外部环境温度、湿度、光照度随时间的变化，同时测得干燥室内部的温度、湿度变化过程。在13:30温度达到最高28.7 ℃。表2为改进后结构和通风+储热+热泵干燥模式试验结果。烘干后测得，海带根部(最厚部位)含水率为8.21%。

图4 改进前后干燥室内风速测量结果

表1 降温测试结果

表2 自然晾晒+储热+热泵干燥模式测试结果

从表2可以看出，在18:00之前，采用外界日晒和风干形式进行海带干燥，所以单因子干燥室内温湿度和环境温湿度大致相同；当光照不足时，需将半成品海带送入单因子干燥室内继续干燥；在18:00之后，开启热泵对干燥室进行加热，干燥室内相对湿度下降很快，说明单因子干燥室保温性能好，温度越高，蒸发出水分越多，其相对湿度就会降低。

在干燥结束后，抽样测量干海带各部分含水率，发现含水率相对均衡，比原模式有所改善。证明调节风板对改善干燥均匀性有作用。

表3 模式对比结果

从表3可以看出，采用通风+储热+热泵干燥海带模式，可实现干燥室内部烘干，无需再次搬运，可减少劳动力和干燥时间，但需要间断性开启外排风机，功耗较高。而采用自然晾晒+储热+热泵干燥模式，可大大降低功耗，但外部晾晒风干后，需再次放入单因子干燥室，会增加劳动力和干燥时间。故后期确定了将两种模式相结合的新型自动干燥模式，既减少劳动力，又降低了功耗。为中试干燥设备研制做基础。

3 讨论

本文通过对原系统的风道结构、悬挂机构和保温性进行改进，并进行试验，结果显示，改进后的干燥系统新模式具有一定优势。

3.1 风道结构分析

海带的叶状体、柄、根状物厚薄不同，在干燥过程中，薄的部位干得快，而干燥室内风向的不定性，更容易导致干燥不均匀的现象。利用风速传感器对干燥室内各角度位置进行测量，改进可调风板的间距大小，得到最优风速。从试验结果中得到，整体的平均风速有明显提高，其中前段的前上、前中、后上、后中，以及中段的前上、前中、前下、后上、后中最为明显。本试验取得了一定效果，海带干燥均匀性有所提高。调节风板间距，得到前段的前上风速为0.468 m/s，前中为0.384 m/s，虽然风速有提高，但风量不大，由于前段靠风口处是死角，后期还需增加角落鼓风机，消除盲点，提高海带干燥均匀度，加快海带干燥速度。

3.2 保温性分析

保温性是通风+储热+热泵干燥系统[12-13]重要因素之一，保温性越好能耗越低。采用透明PVC中空板材料制作的阳光棚，适合光照度高、湿度低的地区，干燥效果明显[14-15]；但是山东荣成地区湿度高，早晚温差大，热损失多，无法满足保温效果，所以采用橡塑海绵保温材料，增加阳光棚的保温性。通过试验数据可以看出，热损耗减少95%，保温性得到提高。后期还需考虑外部环境因素，阳光棚放在自然环境中，环境的温湿度对加保温材料的阳光棚也有一定影响，若外界温度很低，则热损失会增加，所以适当时候考虑放入室内进行干燥，使得热损失最少。

3.3 未来海带干燥技术分析

目前旅游项目的开发，将逐渐限制海带晾晒用地，传统沙滩晾晒海带的方式将发生变化；采用锅炉、煤炭、煤油为介质的方式进行海带干燥，会导致环境污染大、能源消耗大等问题[16]，未来将鼓励使用洁净能源[17]；而在酷暑的环境中沙滩晒海带会导致生产作业人员突发性中暑，甚至影响生命安全。新的干燥方式应该较好利用自然能源，在应用过程中解决用地、能源、安全性问题。随着科学技术的发展，海带干燥技术将不断完善，干燥质量也将大幅度提高，海带的社会需求量也会越来越大。

4 结论

随着我国海带产业的发展，涌现出了一批新型干燥技术，采用红外干燥、微波干燥等新型干燥技术[18-21]，产品品质好，规范化程度高。但新型干燥技术经济效益和产品品质之间存在着很大的矛盾。本文通过改进与试验了一种新型、高效、节能的干燥模式(自然晾晒+储热+热泵干燥)，解决了成本高的问题，提高了对太阳能和风能的利用率。当光照不足时，采用热泵及热水箱储热等形式进行干燥，符合低碳环保的设计理念。测试结果显示，改进后的干燥室，采用可调节风板，使得风速均匀，测得前段和中段风速提高2倍左右，整体的平均风速也有明显提高；用两个锯齿夹撑开海带两侧，使得干燥后的海带比较平整，保证海带板形；加盖保温层，在40～50 ℃时，降温时间比原先增加9倍，保温性能良好；干燥后的海带具有品相好，颜色为墨绿色，保证有“太阳味”的特性，同时干海带含水率为8.21%，可满足储藏要求。