综述：智能红外干燥技术在食用海带中的应用研究进展：设备集成、传热传质、多物理场模拟与质量控制

《Applied Sciences》：Research Progress on the Application of Intelligent Infrared Drying Technology to Edible Kelp: Equipment Integration, Heat and Mass Transfer, Multiphysics Simulation, and Quality Control

　　

海带是一种高水分、柔性、片状海洋生物质，其干燥行为受到辐射加热、对流除湿、内部水分迁移、组织收缩、卷曲和物料重叠等耦合效应的强烈影响。传统的日晒干燥和热风干燥仍被广泛使用，但受限于加工周期长、环境依赖性强、能耗高和产品质量不一致。随着红外加热、热泵除湿、物联网(IoT)传感、第五代(5G)移动通信、多物理场模拟和数字控制的发展，海带干燥正逐渐转向监测、模型辅助和智能加工。本综述批判性地总结了海带及相关海藻干燥的最新进展，特别强调了红外辅助传热传质、干燥动力学、计算流体动力学–有限元法(CFD–FEM)耦合模拟、质量评估和智能控制。代表性已发表研究展示了这些方法的工程潜力。在悬挂式红外阵列海带干燥系统中，红外功率密度为1.2 kW m^?2，结合空气流速3 m s^?1，将干燥温度维持在约55–62 °C，相对湿度从约80%降至20–30%。在此条件下，Page模型达到R² = 0.987和RMSE = 0.019，复水率超过94%，总色差保持在ΔE < 6.5以下。最近的一项CFD–FEM–MATLAB工作流进一步报告了综合操作条件指数J = 0.4535，映射的平均和最大海带表面温度分别为62.23和63.57 °C。这些定量结果表明，红外海带干燥的关键挑战不仅仅是增加热量输入，而是协调辐射分布、气流组织、内部水分传输、结构响应和质量保持。因此，未来研究应重点关注实验验证的传热传质模型、自适应传感与控制、多目标优化以及在实际生产条件下的中试验证。

1. 引言
海带是重要的商业海藻，具有高水分含量和片状结构，干燥是储存和加工的关键步骤。传统日晒和热风干燥存在周期长、能耗高和质量不稳定等问题。红外干燥技术因其快速加热和高效能而成为研究热点，但需协调辐射、气流和水分迁移等多因素，以实现均匀干燥和质量保持。

2. 综述方法
采用结构化批判性综述，从主要数据库收集文献，关键词包括“海带”、“红外干燥”、“CFD”等。共纳入115篇文献，其中114篇发表于2021–2026年，按干燥方法、操作条件、传热传质机制等分类，并基于原始实验条件进行对比。

3. 海带和水产品干燥技术的最新进展
自然日晒依赖环境，稳定性差；热风干燥可控但能耗高、均匀性不足；热泵干燥节能且温和，但设备复杂；红外干燥快速高效，但需优化辐射和气流。热风辅助红外干燥结合两者优势，适用于高水分片状海带，但需协同优化参数。

4. 红外干燥中的传热传质机制
红外辐射直接加热表面，促进蒸发，但辐射分布不均导致局部过热。气流对除湿和边界层更新至关重要，但过高气流会降低升温效率。内部水分迁移受组织结构影响，Page模型能有效拟合干燥曲线。热质耦合导致非均匀干燥，需多参数协调。

5. 海带干燥的动力学模型和参数表征
常用模型包括Lewis、Henderson–Pabis、Logarithmic、Page和Midilli等，其中Page模型适用于非线性干燥行为。水分比(MR)定义为(M_t-M_e)/(M₀-M_e)，Page模型为MR = exp(-ktⁿ)，其中k和n反映干燥速率和非线性特性。实验表明，红外功率和气流影响模型参数，但模型需结合形态变化和局部条件。

6. CFD–FEM多物理场模拟和操作条件优化方法
CFD用于重建干燥室内温度、速度和辐射场，FEM分析物料表面热响应，MATLAB进行多目标优化。典型流程包括几何建模、CFD场重建、热负荷映射和FEM分析，并通过综合指标筛选最优条件。例如，J = 0.4535时，平均和最大表面温度分别为62.23和63.57 °C，但水分迁移和收缩未完全耦合，验证有限。

7. 干燥质量评估和质量保持机制
质量指标包括颜色、复水率、营养保留和结构完整性。红外干燥需控制温度均匀性以避免颜色变暗和复水率下降。复水率反映组织恢复能力，受热应力影响。营养成分为热敏性，需平衡干燥效率和保留。多目标优化需同时考虑干燥时间、能耗、颜色变化和复水能力。

8. 智能监测、模型驱动控制和工业应用评估
智能干燥包括自动化、远程监控、阈值控制、闭环控制、模型控制和数字孪生。传感器和IoT技术实现实时监测，但需从阈值控制转向模型驱动。模型预测干燥终点和质量，结合CFD–FEM和机器学习，提高一致性和效率。能耗和成本是工业应用关键，需综合评估。

9. 当前挑战和未来方向
热质耦合机制未完全阐明，需开发耦合模型。红外阵列导致空间不均匀，需优化布局和气流组织。智能控制需升级为模型驱动和质量反馈，整合机器学习如ANN、LSTM等。中试验证和能效评估是工业化瓶颈，需考虑批次变化和系统稳定性。

10. 本综述的局限性
文献覆盖不完整，海带特定研究较少，部分机制基于其他生物材料。物种、厚度和操作条件差异限制直接比较。CFD–FEM和智能控制研究多为数值或实验室阶段，需进一步验证。

11. 结论
海带干燥从传统方法转向红外和组合干燥，但均匀性、能耗和批次差异是主要问题。CFD–FEM和模型控制是辅助工具，但需验证。未来重点为耦合模型、自适应控制和数字孪生，需中试验证和成本评估。