罗非鱼低温调湿热泵干燥机研制及产业化应用

龙成树，陈永春，汤石生，吴耀森，肖 波，刘 军

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.农业农村部华南现代农业智能装备重点实验室，广东 广州 510630）

0 引言

我国是世界上最大的水产品生产国，占世界总产量的2/5 以上，2020 年中国水产品产量达到了6 545万t，其中鱼类产品3 752.68 万t[1]。鱼属于高蛋白热敏性物料，对罗非鱼进行低温干燥能够得到高品质产品已达成共识，优质鱼干制品能够获得较大利润，日本加工后的传统鱼干利润为113%，美国达到91%，但我国由于加工技术不高，罗非鱼加工附加值较低[2]。

近年来，国内应用热泵设备烘干罗非鱼比较广泛[3]，主要为中低温15～35 ℃[4]和中高温35～65 ℃2 种机型，相关学者以温度、鱼片厚度、风量研究中高温热泵高效干燥罗非鱼片，得到了优化工艺[5]。江苏等沿海水产企业引进RG 型中低温热泵干燥机加工鳗鱼，提升产品品质及外观，减少了环境污染[4]。市场的需求亦激励科研院所着手大类罗非鱼节能干燥相关研究，以试验数据为基础建立了罗非鱼干燥数学模型，得到了中高温热泵薄层干燥罗非鱼最高能耗为423.4 g/kW·h[6]，上述研究及应用充分证明和利用了热泵干燥的绿色、节能、高效优势。然而，随着我国人民生活水平的不断提升，鱼制品品质的提升或高端鱼制品的加工是亟待解决的问题，为此国内一些前沿学者开始引进由山根昭美博士在20 世纪70 年代提出的冰温干燥技术，冰温干燥确实能够最大程度维持鱼片的鲜度，但也存在干燥时间过长的不足[7]。为提升冰温干燥的效率，学者研究了不同真空压力对罗非鱼片的干燥效率和品质影响，得到了700～800 Pa 压力下罗非鱼片干燥最快[8]的结论。降低压力确实能够提升冰温干燥效率，但为此付出的设备成本和干燥所需的能耗也随之成倍增长。

事实上，大部分鱼制品的冰点在0 ℃附近，如罗非鱼的冰点为-1 ℃[8]，因此为既保障鱼制品干燥高品质，又能够较高效率干燥，适宜采用略高于物料冰点温度的低湿干燥方式，热泵干燥是唯一兼备加热和除湿功能的干燥技术，但低温运行会导致其蒸发器结霜严重，因此突破热泵低温运行的融霜技术成为关键。本文通过究该环境下的融霜技术，并在此基础上研制低温调湿热泵干燥机，旨在提升鱼制品高品质干燥效率，降低干燥能耗。

1 融霜节能关键技术

1.1 融霜技术工作原理

图1 为采用融霜后的制冷剂直接喷液蒸发的融霜制冷剂流向图。系统工作时，压缩机通过压缩做功将低温低压的气体制冷剂压缩为高温高压的气体制冷剂，经油分离器分离出冷冻油，然后通过融霜管道将小部分高温高压的气体制冷剂分流至待融霜的蒸发器处，并作为融霜介质放热融化蒸发器上的结霜；其余大部分高温高压的气体制冷剂经主管道的冷凝器冷凝液化、节流阀节流，然后将融霜后的制冷剂经过管路合并至制冷主管道中，使得融霜后的制冷剂与制冷主管道中节流后的制冷剂汇合，并一同进入正在制冷的蒸发器中，进行蒸发制冷，最后将制冷后的制冷剂循环输送至压缩机中。

1.2 融霜技术优势比较

传统热气融霜方法如图2 所示。系统融霜时，首先开启融霜电磁阀，制冷压缩机排出的高温制冷剂气体经油分离器将冷冻机油分离后，经过融霜电磁阀并入蒸发器并开始融霜。融霜冷却后的液体排往气液分离器，在气液分离器进行气液分离后，气体被压缩机吸入。融霜结束后关闭融霜电磁阀，氟利昂制冷系统将恢复正常制冷运行。

与传统热气融霜技术比较，采用融霜后的制冷剂直接喷液蒸发的融霜方法无需停机融霜，减少了设备的较大温度波动。此外，将融霜后的制冷剂与制冷主管道中节流后的制冷剂汇合，进入蒸发器中进行蒸发，同时控制回气过热度在合理范围的低值附近，使制冷系统中的蒸发温度与不融霜时的蒸发温度相近，从而提高了制冷量。

通常制冷系统热气融霜质量流量约为整个系统制冷剂流量的10%，假设同一制冷设备采用上述2 种融霜方式进行融霜，传统方式融霜直接将主路10%高温高压气体用于某一蒸发器融霜，而后经融霜管路储存于低压储液器或者大容量气液分离器。而采用上述融霜技术则将融霜完后的制冷剂与另外节流后的制冷剂进行汇合，然后经过制冷蒸发器。假设分流用于蒸发器除霜的高温高压制冷剂正好能够完全融霜，融霜后的制冷剂由于未经过节流其压力高于膨胀阀出口压力，对系统制冷量q进行热力计算。

式中：

q——系统制冷量，kW；

mr——通过蒸发器的质量流量，kg/s；

Δh——蒸发器进、出口焓差，kJ/kg。

结合公式1 定性分析，保持合理过热度的情况下，采用融霜后的制冷剂直接喷液蒸发的融霜方法，其最终流过制冷蒸发器的制冷剂流量多于传统融霜方法。若忽略融霜制冷剂造成制冷蒸发器蒸发温度变化，即蒸发器出、入口焓差不变，且蒸发器有效面积能够满足增加融霜后制冷剂气化需求，则可近似认为系统制冷量与质量流量成正比，即较传统融霜方法提高了约10%制冷量。

2 罗非鱼低温热泵干燥试验

2.1 干燥试验设计

2.1.1 原料及处理方式

市场采购新鲜罗非鱼12 条，重量为700～800 g/条，6 条开背去内脏，3 条开肚去内脏，3 条开肚去内脏两背部各3 条花刀，采用3%的盐水腌制12 h，腌制环境温度为5 ℃，腌制完成后采用特制不锈钢挂钩将罗非鱼撑开悬挂；每3 条分为1 组，将3 条开背罗非、3 条开肚去内脏罗非和3 条开肚去内脏+背部花刀罗非放置于温度为5 ℃，相对湿度为45%～60%的低温调湿热泵干燥试验装置中，进行干燥试验，间隔一定时间称量罗非鱼质量，直至半干；将剩余3 条开背罗非放置于设定温度为15 ℃，相对湿度70%的RG-5 型热泵干燥机中，进行干燥试验，间隔一定时间称量罗非鱼质量，直至半干。

2.1.2 设备及仪器

试验设备及仪器有：电子秤，型号为TCS-300 kd，测量范围2～300 kg，分度值100 g；电子天平，型号为LE5000A，测量范围5 000 g，精度为0.1 g；电热鼓风干燥箱，型号为DHG -9013A，温度范围0～250 ℃，精度0.1 ℃；低温调湿热泵干燥试验装置，温度范围为0～18 ℃，广东省现代农业装备研究所研制；RG 型热泵干燥机，型号为RG -5 型，温度范围为15～35℃，由广东省现代农业装备研究所研制。

2.1.3 干燥曲线及分析

图3 和图4 为罗非鱼3 种前处理方式在温度5 ℃，相对湿度为45%～60%时的干燥曲线，图3 中平均含水量曲线所示，开背罗非鱼组不到12 d 水分含量被干燥至53.6%达到半干鱼的水分标准（小于55%）；在图4 中，开肚罗非鱼组干燥15 d，罗非鱼水分含量为60.86%仍未达到半干要求，开肚+花刀罗非鱼组干燥15 d，罗非鱼水分含量降至54.12%，刚好达到半干鱼标准。图3 降水速率曲线可知，开背罗非鱼前7 d 含水率降至60%，每天降水速率均大于1.51%，之后的降水速率略有降低近似保持低匀速干燥；图4 降水速率曲线显示前5 d，开肚罗非鱼组每天的降水速率均大于0.97%，而开肚+花刀罗非鱼组每天的降水速率均大于1.50%，从第5 d 之后，两组开肚罗非鱼组降水速率略有降低近似保持低匀速干燥，且开肚+花刀组降水速率始终高于仅开肚罗非组。

图5 干燥曲线可知，采用温度为15 ℃烘干开背罗非鱼，在第2.67 d 含水量已降至63.04%，且由降水速率曲线可知，自此之后每天平均降水速率小于2.67%，整体呈现近似低匀速干燥状态，干燥至第6.67 d 含水量降至半干鱼水分标准。

对比图3 和图5 可知，前处理方式相同情况下，温度提升明显加快了物料降水速率，由降水速率曲线可知两种温度下，开背罗非鱼在含水率降至60%左右均有进入低匀速干燥的趋势。此外，对比5 ℃和15 ℃干燥的半干鱼产品，后者产品色泽偏暗，呈现淡黄色，原因是干燥温度高导致罗非鱼脂质容易发生氧化。

综上可知，温度、不同前处理方式均会影响罗非鱼干燥速率和品质，开背前处理效果较优，因为罗非鱼肉厚度最大处在背部，罗非鱼开背可有效减小整鱼的局部厚度，提升了干燥效率；而温度提升也能提升干燥效率，但影响罗非鱼的干燥品质。因此，罗非鱼先开背预处理、低盐腌制后，采用冷热交替干燥工艺技术，即先低温调湿降低水分至60%左右而后适当提升干燥温度，可达到高品质、高效干燥罗非鱼的效果。

3 低温调湿热泵干燥机研制

3.1 干燥机结构设计

图6 所示的低温调湿热泵干燥机主要由11 部分组成。其中风道循环方式选择竖直平面逆时针方向，风道隔层将保温库房分成上下2 层，隔层上方放置循环风机和换热装置，热泵主机通过铜管与主机室外的3 个换热装置联结，室外散冷冷却塔及水泵与热泵主机通过PPR 水管连接。罗非鱼降温除湿过程中，多余的热量通过水散失至环境中，达到降低库房温度的目的。均风装置采用水平导板竖直方向呈楔形布局，隔层上方空气介质经弧形导风板，进入楔形均风装置而后水平吹入载料小车，冷干空气介质与高湿物料（如开背罗非鱼）进行湿热交换，其中部分湿空气介质通过换热装置被除湿，而后被循环风机驱动与旁通空气介质混合形成新空气介质进入下一个循环。

3.2 低温调湿热泵系统选型核算

鉴于罗非鱼的干燥特性及产业化应用需求，本文以批次加工1 000 kg 低盐罗非鱼为设计基准，通过查阅文献及前期基础试验得到，罗非鱼低温烘干的周期约为9 d，低温烘烤的温度为5～10 ℃，相对湿度为45%～65%，罗非鱼干制半干的去水分量为质量的50%[9]。因此，单批次去水量为500 kg，烘干设备去水量不小于2.32 kg/h，试验数据得到罗非鱼片最大去湿能耗为423.4 g/kW·h（干燥温度为40 ℃，鱼片厚度14 mm）[6]，根据前期试验及上述数据进行热泵系统主要零部件选型计算如下。

3.2.1 压缩机选择

根据罗非鱼烘烤温度、物料去湿能耗和小时去水需求，且系统中压缩机仅用于制冷，热量来源于风机散热，压缩机小时使用率为70%，故压缩机功率不小于7.85 kW，设计预留余量15%，通过软件模拟选择丹佛斯SM185 型涡旋压缩机，蒸发温度-5 ℃，冷凝温度为35 ℃时，制冷量为33 kW，散热量为42.53 kW。

3.2.2 蒸发器和冷凝器的选择

根据安装场地需求选择采用水散热介质将热量散失至环境，蒸发器（3 个换热装置）置于干燥室隔层上方，故蒸发器的结构形式为铜管铝翅片换热器，机械强制通风换热系数k1为30 W/（m2· ℃），进出口风温取10 ℃；冷凝器结构形式为干式壳管式，壳管换热系数k 取1.2 kW/（m2· ℃），进出口水温取5 ℃。换热器面积计算公式（2）：

式中：

Q——制热量（或者制冷量），kW；

A——换热面积，m2；

Δtm——对数传热温差，℃。

式中：

t1——换热介质进入温度，℃；

t2——换热介质换热后出来温度，℃；

t——蒸发温度（或者冷凝温度），℃。

结合以上工况参数、制热功率和制冷功率和公式（2）和（3）计算，得到热泵系统的蒸发器和冷凝器有效换热面积分别约为120 m2和5 m2。

由此可知，压缩机、蒸发器和冷凝器型式、规格型号等技术参数已确定完成，其中蒸发器按有效面积等分成3 个，研制设备最低运行温度可达到0 ℃。因此3 个蒸发器（或换热装置）采用融霜后制冷剂直接喷液蒸发的融霜方法，可确保运行过程中蒸发器表面无霜，同时3 个蒸发器分批融霜可减少融霜造成的干燥机温度的波动。膨胀阀依据分支蒸发器匹配，干燥过滤器、电磁阀、储液器、水泵及散热冷却塔等可依照制冷功率、制热功率及管径等选择对应型号。

集成新的融霜技术最终研制成5HBR-1000S 低温调湿热泵干燥机，干燥温度范围0～18 ℃，相对湿度范围40～95 %RH，产能为1 000 kg/批，烘房控制系统内置在线物料重量检测及物料温度检测模块，其外观和控制界面如图7 所示。

4 应用试验及分析

4.1 低温调湿热泵干燥机批量生产试验

采购冰鲜开背罗非鱼（已去内脏、去黑皮），重量为400～600 g/条，总重量1 080 kg，3%的盐水腌制12 h，腌制环境温度为5 ℃，腌制完成后采用特制不锈钢挂钩将罗非鱼撑开悬挂于挂杆上。

设定干燥机各阶段温度（第一阶段为5 ℃，设定系统温度上偏差5 ℃，即干燥温度为5～10 ℃；第二阶段为10 ℃，即干燥温度为10～15 ℃）、相对湿度、运行时间和冷热交替切换的物料重量点（先检测腌制罗非鱼含水量78.5%，然后输入研制设备PLC 控制系统得到切换的物料重量点），将挂杆小车推入干燥室内，一键启动，设备将按照设定工艺进行罗非鱼低温干燥，待在线监测罗非鱼重量到达设定物料重量点（起始物料重量的53.75%，等效于物料含水量为60%），进入较高温度（10 ℃）干燥阶段，直至物料干燥至半干罗非鱼（水分低于55%），取出部分产品进行检测及品尝，其他物料继续烘干至全干罗非鱼（水分含量低于25%），停止干燥，产品进行真空包装处理贮藏于冷库中。

4.2 干燥曲线及数据分析

图8 为干燥曲线。由图8 可知，上、中、下3 层开背罗非鱼烘干降水速率曲线基本处于同一降水趋势线，即研制设备采用楔形风道结构送风均匀性较好，烘干时间至97 h，物料含水率降至59.8%，此时控制系统将会启动升温干燥工艺阶段，即后续干燥温度将不低于10 ℃，切换温度后继续干燥至142 h，物料水分含量降至54.6%达到半干鱼水分标准要求。为提升罗非鱼的贮藏周期继续干燥罗非鱼水分至50%以上，在154 h罗非鱼含水率降低至46.6%，此时批次烘干能耗为1 320 kW，总去水量约为645.17 kg，单位去水能耗为474.39 g/kW·h，较传统高温能耗节约15.44%。

由此可见，5HBR-1000S 型低温调湿热泵干燥机的批次产能不小于1 000 kg，采用低温冷热交替的干燥工艺开背罗非鱼整鱼干燥至半干耗时为5.916 d，且干燥产品外观、色泽与低温干燥基本无差异，干燥效率较低温5 ℃干燥提升了1 倍，与15 ℃恒温干燥效率相当。主要原因在于物料高湿阶段温度高容易内外水分扩散不匹配，从而导致物料表面失水过快而结膜；此外，在同等低温条件（如15 ℃）下，RG-5 型热泵干燥机较难实现相对湿度低于50%，而5HBR 型低温调湿热泵干燥机能够在5 ℃环境条件实现相对湿度低于50%。

4.3 罗非鱼烘干产品主要成分检测

随机抽取的同批次腌制的开背罗非鱼原料、半干产品和全干产品各6 个，采用冷运方式送至广州市第三方检测公司进行罗非鱼水分、盐分、过氧化值和酸价值的检测，结果如图9 和图10 所示。烘干前腌制罗非鱼盐分仅为0.96%，小于3%的低盐腌制标准；随着罗非鱼水分降低，半干时盐分升至2.42%，全干时为3.76%，即半干鱼符合国标低盐要求，全干时略高于国标低盐要求但是远小于高盐标准[10]。挥发性盐基氮（TVBN）是反映鱼和肉鲜度的主要指标，腌制开背罗非鱼的TVBN 值为0.94%（即9.4 mg/100 g），半干鱼为1.65%，全干鱼为1.83%，均低于动物性水产品标准[11]规定值（小于等于25 mg/100g）；检测腌制鲜鱼、半干鱼和全干鱼的过氧化值远均低于标准规定值（小于等于0.6 g/100g）；干燥过程中罗非鱼酸价整体变化很小，符合肉制品酸价标准要求（小于等于3.0 mg/100g）。

综上，采用低温冷热交替干燥的半干和全干罗非鱼产品的主要成分指标均能够达到国家水产品的标准要求，设备产业化应用效果较好。

5 小结及展望

本文通过研究罗非鱼提质增效低温热泵干燥方法，设计了干燥试验，以试验数据为依据，集成新的融霜技术研制了5HBR-1000S 低温调湿热泵干燥机，并进行了生产性应用试验，研究内容小结如下：

1）罗非鱼前处理采用开背方式能有效均匀物料厚度提升干燥效率，水分含量60% 左右是罗非鱼冷热交替干燥的切换点，应用该技术能有效提升干燥效率。

2）5HBR-1000S 低温调湿热泵干燥机生产性应用试验，能有效验证其批次产能，且运行过程中未发现因蒸发器结霜导致停机或者温度波动较大现象。

3）研制设备虽能够较好地满足罗非鱼干燥的产能需求，且干燥能耗亦有所降低，但是仍需进一步改进和完善性能，以期将该设备推广应用至其它品种规格的罗非鱼、热敏性高蛋白物料等。