1 背景意义
果蔬在人们的饮食中起着非常重要的作用，它们不仅味美而且含有丰富的营养成分。果蔬的大部分质量被水分占据，其中还含有多种维生素及对人体十分有益的营养活性成分，这些成分在促进消化、构建人体稳态内环境方面有非常重要的作用[1]。我国的果蔬资源丰富，果蔬产业发展迅速，在过去的34 年中，水果产量增长了36.6 倍，截止至本世纪第一个10 年，我国蔬菜的产量占世界总产量的65%，水果占18%，居世界前列[2]。但是由于产品流通不方便、贮存及加工能力差、消费方式原始等原因，使得很多的果蔬在采摘、运输、储存、销售过程中因为处理不当而腐烂，造成巨大损失。根据国家权威机构析，我国的果蔬因为管理和后期贮存方法不当等原因造成的损失高达1800 亿元人民币[3]。因此，进行果蔬加工技术研究从而延长其保质期，对果蔬行业的发展是很重要的。

干燥是食品保存的有基本手段，是果蔬加工的有效方法，也是加工高质量食品的关键技术之一，而果蔬干燥在其加工中处于非常重要的位。脱水果蔬的本质就是利用一些加工方法降低新鲜水果和蔬菜中的水分含量，如此可以阻止微生物的生长，并降低一些生物酶的活性，从而减缓腐烂的速度，延长储藏期[4]。脱水果蔬产品主要有果蔬脆片，可溶性果蔬粉和方便食品用脱水蔬菜等[5]。膨化果蔬脆片作为一种典型的脱水果蔬产品，不仅仅能够保持果蔬的营养成分，而且具有色泽自然、口感好、形状饱满等优点，深受人们喜爱，由此可见果蔬干制产品具有非常好的的发展潜力。随着干燥技术的不断创新，果蔬干燥行业在新纪元面临着新的挑战。传统的干燥过程由于脱水的温度高而且时间长，会破坏果蔬内部的营养和组织结构且生产效率较低，而高品质的生产设备往往价格过高，导致性价比不乐观。现有的干燥设备大多存在生产周期长、能耗高、能源有效利用率低等缺点，从而造成能源的大量浪费。因此提出高效的干燥方案并研制出高效率低能耗的果蔬干燥设备对于推动我国果蔬产业的发展、提高我国农产品的国际地位具有非常重要意义。
2 现有技术
果蔬干燥是在自然或人为条件下除去果蔬组织中的自由水和一部分胶体结合水的过程。果蔬中的主要成分是自由水，其受热后易蒸发；而结合水因为与细胞内原生质、淀粉等结合形成胶体状态，不容易流失，这也是传统干燥过程中发生降速干燥过程的重要原因之一[6]。干燥中水分的蒸发主要因为水分的扩散运动。水分内部扩散是指果蔬在外部条件的作用下内部水分的转移，这些水分转移大部分是借助组织间的渗透作用、虹吸作用等完成。水分外部扩散是指水分先从内部传递至表面，然后在表面上发生相变最后进入环境中的过程。整个果蔬的干燥过程水分转移主要是由于果蔬内层组织之间及果蔬内部与外部环境之间的浓度差、温度差及蒸汽压力差造成的。随着人们生活质量的提高，人们对于脱水果蔬产品的品质要求越来越高，需求量也越来越大。市场的需求不断地推动着果蔬脱水技术的进步，干燥设备的创新。

已实现开发并应用的干燥设备大约有一百种左右，果蔬干燥技术已经从单一的简单热风干燥发展至多形式的组合干燥，同时也出现了一些新兴的干燥技术[7]。目前，干燥主要有以下几种：
2.1 微波干燥技术
微波是波长在l mm～l m 之间,频率在3.0#215;102MHz～3.0#215;105MHz 的具有穿透性的一种电磁波。在工业上，我国允许使用915 MHz 和2450MHz 频率的微波进行加热。微波的穿透能力比红外线强， 而且微波加热不是由外部热源加进去的，而是在加热物体内部直接产生的。因此， 微波干燥具有干燥时间短、加热均匀、反应灵敏和热效率高等优点。另外， 由于微波对水分有选择的加热效应，原料可以在较低温度下进行快速干燥， 这对于提高制品品质， 减少制品营养成分损失具有重大意义。微波干燥的技术路线如下：果蔬→洗涤→去皮去核、切片→护色→热烫→甩水→微波干制→回软→成品→包装目前， 微波干燥技术在不同果蔬制品干燥中的应用仍有大量研究。
2.2 远红外干燥技术
远红外干燥技术是一种新型经济的干燥技术。远红外干燥的主要特点： 第一是干燥速度快，效率高， 其干燥效率一般为热风干燥的十分之一。第二是较热风干燥耗电相对较少。第三是干燥品质量好， 产品表层和表层下同时吸收远红外线， 所以干燥均匀， 制品的物理性能好。
2.3 真空冷冻干燥技术
真空冷冻干燥技术是集合真空技术、冷冻技术及干燥技术为一体的干燥技术。由于真空冷冻干燥技术可以很大程度保持食品原有的色味、营养物质及生物活性， 可以迅速完全复水恢复原来的外观， 而且食用简单方便、重量轻、易于运输， 所以真空冷冻干燥技术是目前研究的最广泛的干燥技术之一。果蔬真空冷冻干燥的步骤如下：原料→挑选→清洗→分切→冻结→升华干燥→包装→成品由于我国的真空冷冻干燥技术水平低， 产量不高， 仅仅能够满足一些特别地方和小部分出口的需求。
2.4 联合干燥技术
联合干燥技术是根据产品的特性，将两种或两种以上的干燥方式结合，分成几个阶段进行的一种复合干燥技术。联合干燥技术的特点是可以充分结合各种干燥技术的优势，在不同的干燥阶段用不同的干燥方法，除去产品中大部分水。联合干燥的优点是减少干燥时间、降低能耗、提高质量、便于操作、利于环保、安全高效，可最大限度的降低成本和保持食品品质。由于联合干燥技术优势互补，可以避免单一干燥技术的缺点，食品科学研究者对其已作了许多研究[8]。
3 热管概况及研究现状
近几十年来，热管技术在许多干燥领域获得了广泛的应用。
3.1 热管元件的结构及工作原理
早在1944 年,Gauler[9]就曾提出热管的原理。1962 年，L.Trefethen 再次提出类似于Gauler 的传热元件,但因故未能实施。直到1964 年,Grover 等人独立地提出了类似于Gauler 的传热元件,并且取名热管,此后吸引了很多的科学技术工作者从事热管研究,使热管得到了很快的发展[10]。
热管有如下几个基本理论：(1) Cotter 理论(2) 毛细压力和热管最大长度(3) 热管内液体的流动压降(4) 热管内蒸汽的流动压降(5) 热管内汽-液交界面压差与质量流之间关系(6) 热流量和质量流之间关系[11]。
实践证明，热管技术具有如下几个优点：
(1) 高效节能
与一般的干燥设备相比，热泵干燥效率高，节能效果明显[12]。
(2) 温度可调，自动化程度高
热泵干燥可以采用较先进的控制元件与装置，通过调节蒸发器的蒸发温度、冷凝器的冷凝温度和空气的循环量，实现干燥温度的适时控制，自动化程度高[12]。
(3) 产品色泽好、品质高
在干燥过程中，可根据蔬菜的特性与要求，调节循环空气的温度、湿度及循环流量，使得表面水分的蒸发速度与内部向表面迁移速度基本相同，接近自然干燥，从而保证了被干燥蔬菜的品质好、色泽好和产品等级高[12]。
(4) 内环境卫生，外环境环保
热泵可采用环保制冷剂，不会对大气臭氧层造成破坏。热泵干燥装置中干燥介质在其中封闭循环，没有物料粉尘等，干燥室排气中的余热直接被热泵回收用来加热干燥介质，没有机组对环境的热污染[12]。
3.2 热管种类
按照热管管内温度可分为：低温热管、常温热管、中温热管、高温热[11]。
按照结构形式可分为：普通热管、分离式热管、毛细回路热管、微型热管、平板热管、径向热管[11]。
按照工作液体回流动力可分为：有芯热管、两相闭式热虹吸管、重力辅助热管、旋转热管[11]。
下面具体见介绍几种热管：
(1)平板型热管技术
平板热管是由两块平行的板壳和吸液芯组成,通道截面为扁平的矩形。目前,出现了由多个微型热管平行排列组成的新型平板热管,它的两块平行紫铜板中间采用焊接的方式固定若干互相平行的细铜丝,其中每相邻两根铜丝和上下两块紫铜板之间围成一个通道,通道截面由两条半圆曲线和两条平行直线构成[13-14]。
(2)环路热管技术
环路热管（Loop Heat Pipe,以下简称LHP)作为一种新型热控技术,经过近三十年的发展,已日趋成熟,并开始应用到空间飞行器的热控制上,将成为未来高功率卫星的热控制的有效手段。1989 年,前苏联在GRANAT 第一次搭载LHP 实验装置,进行了LHP 的寿命实验及可靠性性能实验,取得良好的效果;1995 年,俄罗斯在ObzorMis-sion 中第一次把LHP技术应用到飞行器的热控制上;1997 年,美国在航天飞机(STS.87)进行了LHP 的空间实验;1999 年,美国在Hughes HS 702 上首次将LHP 回路应用于展开式辐射器;LHP 还在俄罗斯的Mars.96、中国的FY.1 上得到应用;JentungKu 详细介绍了LHP 的运行模式,并分析了其形成的机理。从LHP 的结构原理上看,LHP 的运行温度是由液体补偿器的温度控制的,因此,可以控制与调节液体补偿器的温度来控制回路的工作温度。Michael 等根据LHP 回路的P- T 图提出了LHP 温度控制的几种方法,包括主动控制与被动控制,并介绍了LHP 温度控制的基本原理[13-14]。
(3)脉动热管技术
脉动热管是由金属毛细管弯曲成蛇形结构,管内抽成真空后充注部分工作介质,由于管径足够小,管内将形成气泡柱和液体柱间隔布置并呈随机分布的状态。在蒸发端,工质吸热产生气泡,迅速膨胀和升压,推动工质流向低温冷凝端。那里,气泡冷却收缩并破裂,压力下降。这样,由于两端间存在压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡,使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动,从而实现热量的传递[13-14]。尽管热管技术在干燥领域已经获取一定成绩，但其潜力远未得到充分发挥，尤其是在果蔬干燥方面。
4 传热传质过程模拟软件及方法简介
研究所用模拟软件是Fluent。Fluent 是目前国际上比较流行的商用CFD 软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在很多方面都有着广泛的应用。而研究中，我们需要用Fluent 软件来模拟热管干燥果蔬时的流体热传递，我们需要设计若干模型进行模拟，从而找出最佳干燥模型。
5 国内外研究状况
文献[15]研究了稻谷热管辅助热泵除湿干燥技术。针对热泵除湿干燥系统因降温除湿致使干燥介质热空气温度偏低，影响稻谷干燥速率和能耗，在热泵蒸发器两侧设计一套分离式热管换热器，对环境空气进行预冷却和预加热，在不增加能耗的前提下，提高了热泵除湿系统的除湿量和干燥空气的温度[15]。
文献[16]研究了果蔬传热传质。采后果蔬仍然具有生物特性，在贮藏或销售过程中会进行新陈代谢，这个过程伴随着热量交换和质量传递，研究该过程有利于掌握果蔬的品质变化规律，优化贮运设备。在阐述果蔬传热传质过程中水分迁移基本原理的基础上，综述了目前在果蔬传热传质研究上应用较广泛的方法，包括试验方法、数学模型方法和CFD 方法，并分析比较了不同方法的特点[16]。
文献[17]研究了果蔬干燥新技术及应用前景。介绍了真空冷冻干燥、低温真空油炸干燥、低温气流膨化干燥、微波干燥、CO2 干燥、流化床干燥和渗透干燥等果疏干燥新技术的原理与特点,展望了这些技术在我国果蔬干燥加工产业中的应用前景[17]。
文献[18]研究了高效节能钢带式果蔬绿色干燥装备翅片管换热器的传热计算。翅片管换热器是高效节能钢带式果蔬绿色干燥装备的供热装置，通过对翅片管换热器的翅化比、对流换热系数、传热系数及阻力的计算，得到了翅片管换热器的压降及翅片管的管数，计算结果表明翅片管换热器换热能力强，传热系数高[18]。
文献[19]研究了混联式太阳能果蔬干燥设备干燥无核白葡萄的试验。利用作者自行研发的混联式太阳能集热果蔬干燥设备，在新疆哈密的气候条件下对无核白葡萄进行了太阳能干燥试验，并与传统的晾房干燥作了比较。试验表明，干燥周期从传统自然晾房的45 d 缩短到15 d，干燥质量也有大幅度的提高，无核白葡萄干的绿级品率由哈密地区晾房干燥平均35%提升到79.19%，表明了该设备很适合葡萄干制作，可利用清洁能源#8212; #8212; 太阳能进行干燥果蔬工业化生产[19]。
文献[20]研究了休闲型脱水果蔬的联合干燥工艺。以新鲜的苹果、胡萝卜和草莓为原料，分别采用真空冷冻干燥(简称”冻干”)、真空微波干燥及冻干与真空微波联合干燥三种方式进行干燥，并对产品的能耗、VC 保留率、膨化率、色泽、吸湿率、质构等力学特性及感观评定等多种品质参数的影响进行了对比分析。结果表明，不论是苹果和胡萝卜还是草莓，片状果蔬还是颗粒状果蔬，冻干与真空微波联合干燥的产品品质不但干燥时间较冷冻干燥大大缩短，联合的干燥能耗同冷冻干燥相比节省40 %以上，其节能效果是相当可观的；VC 保留率、色泽及质构等力学特性方面达到了冻干产品的水平，膨化率要好于单纯的冻干，并且得到的产品具有抗吸潮性。所以无论是从改善果蔬产品的
品质，还是节能降耗方面，冻干与真空微波联合干燥都是一种很值得推广应用的休闲脱水果蔬产品的干燥方法[20]。
文献[21]研究了果蔬远红外真空干燥技术。课题研究了远红外真空干燥技术在果蔬干燥方面的应用。通过正交实验设计，在不同的实验条件下干燥切片胡萝卜，并对干燥产品进行了复水性、β-胡萝卜素保留率等的测试，结果表明：采用单独的远红外真空干燥果蔬时，在干燥过程中干燥功率密度越大，干燥时间越短，干燥越快；但是功率密度越大，产品质量却有所下降。各因素对干燥效果的影响程度，对干燥时间而言，功率密度gt;真空度gt; 辐照距离；对复水性而言，功率密度gt; 真空度gt; 辐照距离；对β-胡萝卜素的保留率而言，则各因素对指标的影响程度为真空度gt; 功率密度gt; 辐照距离；以干燥产品质量为主要目的获得最优参数组合为：远红外干燥功率密度2 W/g，辐照距离155 mm，真空度0.07 MPa。课题还研究了采用组合干燥的方法干燥新鲜小葱叶，试验表明：采用远红外真空干燥与其他干燥方法相结合的方法可以提高产品的外观质量、复水性等，而且对色素等营养成分的保留率的提高也有非常明显的效果。采用远红外真空干燥与其他干燥方法组合干燥可以大大改善干燥产品的质量[21。
文献[22]研究了胡萝卜的空气干燥特性及水分扩散系数。研究了空气温度对胡萝卜立方体干燥动力学的影响。对流干燥通过空气回火的效果评价了喷动流化床中胡萝卜块的特性。用2 种不同的模型来描述胡萝卜中的水分扩散系数[22]。
文献[23]研究了欧姆加热频率对热风干燥速率和果汁产量的影响。水果和蔬菜样品通电预处理已被证明能增加热风干燥速率、移脱附等温线，和增加果汁产量超过原样品和传统的微波加热预处理。交流频率目前已被发现能改变热和传质性能[23]。
文献[37-38]研究了采用低压过热蒸汽和远红外联合干燥香蕉片的传热过程，文章分析研究了干燥介质温度和压强对香蕉片干燥动力学和热传递的影响，并且还对干燥过程中的能耗问题做出了研究探讨[37-38]。
5 课题研究内容
本人的课题是果蔬干燥过程传热传质分析及模拟。首先需要研究干燥的具体设备构造，用热管干燥果蔬，建立若干个干燥模型，并用fluent 软件模拟干燥过程中果蔬的传热传质，找出干燥效果最佳的模型。
参考文献
[1] 张慜,徐艳阳,孙金才.国内外果蔬联合干燥技术的研究进展[J].无锡轻工大学 学报.2003,22(6):103-106.
[2] 张平,张鹤,陈绍慧,等.我国果蔬物流保鲜产业的现状与发展战略思[J].保鲜与加工,2013, 13(4):1-5.
[3] 葛邦国,吴茂玉,和法涛,等.我国果蔬脆片研究现状及发展趋势[J].中国果菜,2009(6):46.
[4] 沈卫强.果蔬干燥新技术及应用前景[J].农机化研究,2009(12):236-238.
[5] 朱文学.食品干燥原理与技术[M].北京:科学出版社,2009:359-391.
[6] 韩清华.微波真空干燥膨化苹果片的机理及品质研究和设备设计[D]．中国农业机械化科学研究院.2007:2.
[7] 陈震,李长友,徐凤英.我国果蔬烘干装备技术的发展现状与对策[J].农机化研究,2010(5):204-206.
[8] 安瑜.果蔬干燥新新技术及存在的[J].食品工程,2013(2):9-11.
[9] 庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].化学工业出版社,2000:15-31.
[10] 吕金虎,李金成,赵春芳.热泵干燥技术在脱水蔬菜加工中的应用与问题分析[J].现代农业科技.2010(21):377-380.
[11] GAUGLER R.S.Heat transfer device[P].US:US 2350348,1944.
[12] Grover G.M., Cotter T.P., Erikson G.F. Structure of very high thermal conductance[J].Appl. Phys.,1964,35(6):1990-1991.
[13] 马永昌,张宪峰.热管的原理、应用与发展[J].技术探讨与研究,2009(7):70-75.
[14] 李永赞,胡明辅,李勇.热管技术的研究进展及其工程应用[J].应用能源技术,2008(6):45-48.
[15] 罗乔军,张进疆,吴耀森,刘清化.稻谷热管辅助热泵除湿干燥技术[J].农业机械学.2014(11):247-251.
[16] 郭嘉明,吕恩利,陆华忠,曾志雄,李亚慧.果蔬传热传质研究进展[J].广东农业科学2014(21):178-182.
[17] 沈卫强.果蔬干燥新技术及应用前[J].农机化研究,2009(12):236-238.
[18] 蒲彦君.高效节能钢带式果蔬绿色干燥装备翅片管换热器的传热计算[J].机械研究与应用.2010(4):73-77.
[19] 刘一健,杨洋,王海,王颉.混联式太阳能果蔬干燥设备干燥无核白葡萄的试验[J].农业工程学报.2009(5):288-291.
[20] 李瑞杰.休闲型脱水果蔬的联合干燥工艺研究[D].江南大学,2008：1.
[21] 崔政伟.果蔬远红外真空干燥技术研究[D].江南大学,2008:1.
[22] Magdalena, Zielinska, Marek, Markowski.Air drying characteristics and moisture diffusivity of carrots[J].Chemical Engineering and Processing:Process Intensification,2010(49):212-218.
[23] Marybeth Limaa,, Sudhir K. Sastryb.The e#128;ects of ohmic heating frequency on hot-air drying rate andjuice yield[J].Journal of Food Engineering.1999(41):115-119.
[24] Chatchai Nimmol, Sakamon Devahastin, Thanit Swasdisevi.Drying and heat transfer behavior of banana undergoing combined low-pressure superheated steam and far-infrared radiation drying [J].Applied thermal Engineering.2007(27):2483－2494.
[25] Chatchai Nimmol, Sakamon Devahastin, Thanit Swasdisevi.Drying of banana slices using combinedlow-pressure superheated steam and far-infrared radiation [J]. Journal of Food Engineering.2007(81):624－633.