综述：天然橡胶干燥技术对比研究：从污染严重的熏制车间到低碳、具备气候适应能力的太阳能集成系统

《Renewable and Sustainable Energy Reviews》：Comparative review of natural rubber drying: From polluting smokehouses to low-carbon, climate-resilient solar-integrated systems

　　摘要
天然橡胶加工领域面临着诸多挑战，尤其是能耗高的干燥工艺、大量的污染物排放以及干燥过程对天气条件的依赖性。尽管传统烟房干燥方式存在较高的碳排放、产品污染以及质量不稳定等问题，但依然被广泛使用。独立式太阳能干燥虽是一种更环保的替代方案，却受到天气条件和较高环境湿度的限制。因此，结合太阳能的混合系统应运而生，成为兼具可持续性和能效优势的解决方案。本综述系统评估了从传统干燥方法到现代混合系统的各类天然橡胶干燥技术，分析了干燥机制、热质传递过程，以及温度、气流和相对湿度对干燥效果及产品质量的影响。同时对比了小型与工业规模的干燥技术。通过比较分析可知，传统烟房干燥因高能耗和污染物排放而不具备环境可持续性；而独立式太阳能干燥则受天气影响显著，在高湿度环境下产品会重新吸收水分，导致干燥不均匀。研究表明，即便在低温和低太阳辐射条件下，持续控制湿度也是提高水分去除效率的关键。为实现稳定且具有气候适应能力的干燥效果，最有效的途径是将除湿、热能存储、辅助加热以及优化气流整合到混合系统中。此外，研究还表明，相比单独控制温度，同时调控温度、湿度与气流对提高天然橡胶干燥效率更为重要。

术语表
AIA：人工智能
ANFIS：自适应神经模糊推理系统
ANN：人工神经网络
CFD：计算流体动力学
CNN：卷积神经网络
COP：性能系数
DT：数字孪生
ESP32：Espressif 32位微控制器
IoT：物联网
NR：天然橡胶
PAH：多环芳香烃
PCM：相变材料
PV：光伏
RSS：带肋烟熏板
SAH：太阳能空气加热器
SAHPD：太阳能辅助热泵干燥机
SEC：特定能量消耗
SMER：特定水分提取率
TEST：热能存储
UV：紫外线

1. 引言
天然橡胶是一种具有独特机械及物理化学性质的可再生材料，在现代工业中有着重要应用。它具有极高的弹性、柔韧性、耐久性及抗冲击性，广泛应用于汽车轮胎、工业零件、医疗设备以及工程材料等领域[1]。天然橡胶产业为交通、医疗和制造业等诸多行业提供原材料[2]。此外，天然橡胶还具备抵抗气体、氧气和碳氢化合物的能力，适用于各种苛刻环境，其较高的抗拉强度（15–20 MNm-2）使其可用于结构及承重用途[4]。将天然橡胶制品回收再利用，例如将橡胶碎屑用于基础设施建设，也是体现其循环利用潜力的例证[5]。

除了工业应用价值外，天然橡胶产业在 socioeconomic层面也发挥着重要作用，为热带地区的数百万小农提供收入来源，助力农村经济发展和当地经济繁荣[2]。巴西橡胶树是天然橡胶的主要来源，全球约99%的天然橡胶均来自该树种[6]。虽然天然橡胶属于可再生资源，但其大规模生产仍会带来环境问题，尤其是干燥等高能耗工艺环节。传统天然橡胶加工系统高度依赖木柴和生物质等燃烧型能源，由此产生大量二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物及颗粒物排放[7]。这类燃料的广泛使用加剧了大气污染，提升了天然橡胶加工行业的环境足迹[8]。在以烟熏为主的干燥系统中已检测到400多种有机化合物，包括酚类、醛类、酮类、碳氢化合物和有机酸。在400℃以上的燃烧温度下，可能会生成具有致癌性的多环芳香烃，这对环境和人类健康极为有害[9]。此外，天然橡胶加工过程中还会释放高达199.2毫克/立方米的颗粒物，烟雾中的颗粒物浓度甚至可达47–1358毫克/立方米，显示出严重的空气污染状况[10]。图1展示了一家合作工厂在传统烟房干燥天然橡胶时产生的浓密烟雾。

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图1. 传统烟房干燥天然橡胶过程中产生的可见烟雾[10]

干燥是天然橡胶加工中最耗能的工序之一，因为刚凝固的天然橡胶片初始含水量为40–50%，必须经过干燥处理将其含水量降至1%以下才能安全储存。传统的露天日晒和烟房干燥方法不仅耗时且能耗高，还存在热量利用效率低、运营成本高的问题[11]。这类系统的低热效率源于热量流失难以控制以及气流分布不合理，从而限制了干燥效果[12]。传统干燥方法在操作层面也存在诸多缺陷，会影响生产效率和产品质量。露天日晒虽然简单廉价，但极易受天气影响，且干燥时间较长，增加了产品被污染和降解的风险。同样，烟房干燥依靠燃烧加热，工作温度在60–80℃之间，但由于热量分布不均且无法精确控制，导致干燥效果不均匀且稳定性差[13]。此外，天然橡胶片还会受到烟雾和污染物排放的污染，其机械性能也会因此受损[14]。如图2所示，传统烟房的内壁和干燥室壁上会积累大量烟尘和沉积物。所有这些问题都证明了传统干燥技术的低效性与环境破坏性。

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图2. 传统天然橡胶烟房中的烟雾生成情况以及干燥室内的烟尘沉积现象[15]

为解决上述问题，太阳能干燥作为一种可行方案逐渐兴起，因为它可以利用可再生的太阳能作为能源。太阳能干燥系统基于这样的原理：让阳光透过透明覆盖层进入干燥室，在室内转化为热能。所产生的热量能够提升空气温度，帮助蒸发水分，从而减少对传统化石燃料的依赖[16]。这不仅能降低温室气体排放，减少环境成本，还能提高能源利用效率[17]。实验结果表明，太阳能干燥系统可使干燥室内的温度达到40–60℃，这一温度足以实现高效的水分去除，同时不会影响天然橡胶的质量。在阳光强度较高的情况下，其干燥温度可达到61.8℃，能够确保良好的干燥效果[18]。除了环境优势外，太阳能干燥技术在运营成本方面也更低，且在传统能源供应不足的农村和农业地区更具适用性[14]。与传统系统相比，太阳能干燥机在过程控制、产品质量提升以及降低污染风险方面表现更为出色[17,19]。

太阳能辐射的强度和总量对于太阳能干燥过程至关重要，它决定了去除水分所需的热量。因此，太阳能干燥的运行依赖于白天的日照强度、阴天状况、季节变化、降水量以及夜间条件。这种间歇性的热量供应是干燥过程中的一个重大难题，而在天然橡胶干燥中这一问题更为突出，因为天然橡胶片需要将最终含水量降至非常低的水平，而这只能通过长时间且可控的干燥过程来实现。由于天然橡胶的材料特性及加工需求，其在干燥过程中需要特别关注诸多因素。后期的干燥阶段主要受扩散作用控制，当相对湿度较高时，水分去除速率会下降。热氧化、收缩不均、变色、烟雾污染、水分重新吸收以及拉伸强度和弹性的变化等因素也会严重影响天然橡胶的质量。因此，天然橡胶干燥的核心问题在于以连续但可控的方式提供热量，同时保持稳定的温度、相对湿度及气流条件。仅仅采用混合系统并不足以实现理想的干燥效果，还需要对湿度、气流及产品质量进行精准控制。

本综述着眼于天然橡胶干燥技术的转型，超越了对传统干燥方法的简单比较，而是从系统层面探讨低碳且具有气候适应能力的干燥方案。它分析了传统干燥、太阳能干燥以及混合干燥技术之间的异同，阐述了各类技术在能耗、排放、干燥可靠性、湿度控制、热质传递以及产品质量等方面的优缺点。同时，本文还研究了在热带气候条件下是否需要独立式太阳能干燥技术，以及是否可行通过结合除湿、热能存储、辅助加热和气流优化来构建能够实现精准控制且干燥效果可靠的混合太阳能干燥系统。此外，本文还提出了未来在实现可扩展且高能效的天然橡胶干燥方面的研究方向，例如利用计算流体动力学优化气流设计、借助人工智能实现过程控制以及运用数字孪生技术进行建模。总体而言，本综述指出了当前天然橡胶干燥技术的不足，并提出了从传统烟房干燥向可持续的太阳能集成干燥系统过渡的系统化解决方案。

2. 综述方法
本研究采用结构化的文献研究方法，旨在评估从传统烟房干燥系统向太阳能集成及混合型气候适应型干燥系统的转型过程。该方法包括文献检索、筛选、干燥技术分类、数据提取、对比分析以及文献缺口识别，具体流程如图3所示。

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图3. 天然橡胶干燥技术对比综述所采用的方法框架

检索时使用的关键词包括天然橡胶干燥、烟房干燥、太阳能干燥、温室干燥、混合干燥、热泵干燥、热能存储、除湿、气流优化以及智能干燥。这些关键词被用于在Scopus、Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar等数据库中查找相关研究。所选研究会根据其标题、摘要及全文内容，从天然橡胶的干燥效果、能源消耗、排放情况、湿度控制、气流特性、产品质量以及系统局限性等方面进行评估。

文献被分为四类：传统干燥系统、太阳能干燥系统、混合/辅助干燥系统以及智能/新兴干燥系统。每篇研究都会被用来提取以下数据：干燥温度、干燥时间、水分去除量、相对湿度、气流情况、能源消耗、热效率、排放物、产品质量以及系统存在的局限性。其中，天然橡胶的含水特性受到了特别重视。天然橡胶初始含水量很高，且要求最终的含水量尽可能低，因此水分去除主要受扩散作用控制，而非热氧化作用。加工过程中的水分重新吸收还会导致材料收缩、颜色变化、烟雾污染以及机械性能下降。

提取到的信息会从能源效率、干燥可靠性、热质传递、湿度控制、环境影响、产品质量、气候适应性以及工业规模化等多个维度进行对比分析。通过分析，研究发现了诸如太阳能供应的不稳定性、高环境湿度、湿度控制不佳、气流不均匀、缺乏连续干燥功能以及工业验证不足等研究缺口。这些研究结果为构建系统级的低碳天然橡胶干燥解决方案提供了依据。其核心思路是将除湿、热能存储、辅助加热以及气流优化相结合。此外，未来的研究方向还包括利用计算流体动力学优化干燥机设计、借助人工智能实现过程控制，以及运用数字孪生技术进行建模。

3. 天然橡胶干燥概述
天然橡胶干燥是一个复杂的系统，涉及含水量、干燥阶段以及多种物理化学过程的相互作用，这些因素共同决定了产品的干燥效果和质量。要设计出高效的干燥系统，就必须充分考虑有效的干燥机制、分阶段的温度控制，以及天然橡胶基质的结构变化规律。

3.1 含水量要求
含水量是天然橡胶加工中至关重要的参数，它决定了干燥动力学过程、产品质量、储存稳定性以及商业价值。由于在凝固和成片过程中会保留水分，新制成的天然橡胶片的初始含水量通常约为45%（重量百分比）[20]。在以乳胶为原料的产品中，凝固后的块状物含水量可能高达60%，而在加工完成后，成品片的含水量则在28–50%之间[21]。如此高的含水量需要在干燥过程中大幅降低。

如图4所示，水分存在自由水和结合水两种形式。干燥过程首先是以高速率蒸发自由水，随后则是以较低速率、受扩散作用控制的结合水蒸发，后者需要更多的能量[11]。较高的含水量会增加物质传递的阻力，延缓干燥速度，同时也会影响材料的各项性能。

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图4.天然未加工（浅色）和已干燥（深色）NR板材中的水分分布情况，反映了表面及内部的水分状况。对于带肋的熏制板材而言，为确保产品能安全储存、抑制微生物生长并保持质量，需将其中的水分含量降至0.4–0.5%（干基）[11]。若未进行充分干燥，会导致结构劣化、发霉以及机械性能和外观问题的出现，这凸显了控制干燥条件的重要性。较低程度的脱水受扩散过程控制，而最终干燥阶段则需大量能量。要将水分从0.4%降至0.05%千克/千克，可能需要长达46小时，而且内部的水分梯度还可能引发收缩、应力、开裂及气泡形成[22]。水分还会影响产品的经济价值，因为它决定了NR的干含量，而干含量又是划分产品等级和定价的依据[23]。

3.2 NR干燥的各个阶段
NR干燥是一个分步进行的工艺过程，如图5所示，包括乳胶稳定、凝固、机械脱水和热脱湿四个步骤。NR乳胶的固体含量为30–38%，为便于储存和商业化处理，需要大幅降低其含水量[24]。凝固作用会破坏胶体系统的稳定性，这一过程通常是通过使用甲酸来实现的，它会促使颗粒通过膜破裂而聚集，同时释放出蛋白质和钙离子，进而影响材料的内部结构及干燥行为[25]。凝固之后，通过碾压、压制和清洗可借助渗出作用去除部分水分，但脱水效果甚微（约10%），因此大部分水分仍需通过热干燥去除[24]。这说明初始脱水过程效率低下，从而导致干燥时间过长。

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图5. NR板材生产过程中的各个阶段[26]

热干燥过程也是分阶段进行的，起始温度为38–45℃，目的是避免表面硬化，随后逐渐升高至60–65℃，以便内部水分得以扩散[27]。不过，过高的温度可能导致产品变色和氧化降解，因此必须加以控制。

3.3 干燥过程中的物理化学变化
NR干燥是一种复杂的物理化学反应，其进程受热质传递、分子重排以及热氧化作用共同影响。水分的去除依赖于多孔结构中的液体输送和蒸汽扩散，这一过程受浓度梯度和毛细作用梯度的影响。长时间的干燥（在60℃下约需46小时）会导致材料收缩幅度达9%。此外，当内部应力接近107帕斯卡时，还可能出现开裂和变形现象[22]。在降速干燥阶段，干燥速率由扩散过程控制，内部水分的移动状况决定着干燥的快慢。适中的温度（35–65℃）以及良好的空气循环有助于将表面硬化、不均匀收缩及结构缺陷降至最低[26]。将温度控制在65–70℃以下，可避免热氧化降解，同时保留由水分变化带来的结构变化[28]。不均匀的温度分布会进一步增加应力与变形，因此必须确保热量能够均匀传递[29]。在分子层面，干燥会导致交联作用、链结构重排以及分子活动性的降低。较高的交联密度会降低材料的拉伸强度和延伸率，同时由于自由体积减少，材料的刚性和硬度则会上升[30]。这种变化虽然提升了材料的尺寸稳定性，却牺牲了其柔韧性。长期的热处理，尤其是熏制处理，会提升交联密度（从3.6 × 10?5升至5.3 × 10?5摩尔/立方厘米），同时提高材料的强度和刚性，但最终又会因材料降解而下降。此外，材料的玻璃化转变温度也会上升，分子活动性则会降低。适度的外界环境暴露可提升材料的耐老化性，而过度暴露则会导致材料变脆[31]。颜色和表面特性也会受到干燥过程的影响。在可控条件下，NR材料会呈现浅棕色，而若处于长时间暴露或高湿度环境中，则会出现颜色加深和真菌生长的问题[31]。通过更好地控制温度和空气流动，可提升材料颜色和结构的稳定性[26]。不同干燥条件下NR板材颜色的变化情况如图6所示。

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图6. 不同干燥条件下NR板材颜色的变化：(a)未加工NR[11]，(b)太阳能温室干燥[11]，(c)自然对流式熏制室[32]，(d)强制对流式熏制室[32]

4. NR干燥技术
现代NR干燥技术更加节能且环保，但在热质传递控制、运行稳定性以及产品质量方面存在差异。因此，有必要在不同规模上测试这些技术的性能，以便找出不足之处，并寻求高效且可持续的干燥解决方案。

4.1 小规模或传统干燥系统
在RSS生产中，尤其是在小型农场，传统的熏制室干燥方式依然十分常见。该方法是在砖砌的烘干炉中直接燃烧木柴或橡胶木，利用自然通风使热烟作用于板材[15]。为避免材料发生热降解，干燥温度通常控制在60℃以下，干燥时间则根据具体条件在3–7天之间[33]。尽管采用了分阶段升温（12–90℃）的方式，但温度和空气流量的控制大多依赖人工操作，且受天气条件影响较大[9]。这就导致了热质传递不均、干燥不彻底，以及颜色加深、出现折痕、颜色不均等缺陷[15]。从能源利用效率来看，熏制室干燥方式效率较低，生产1吨RSS大约需要0.8–1.2吨的木柴，而且大量热量会通过烟囱散失[17,34]。因此，其热效率并不高（一般在28–33%之间，在实际操作条件下甚至可低至6.7%），远低于理想的高热量输入水平[34]。此外，还需要每天手动添加5–6次燃料，进一步增加了劳动成本。虽然有相应的排放控制技术，但由于在小规模生产中的安装和运营成本较高，这些技术的应用十分有限[9]。适度时长为34小时的熏制处理可提升材料的拉伸强度和耐老化性，而过度熏制则会导致材料性能下降[35]。风干，尤其是如图7所示的露天日晒干燥，是一种较为简单的干燥方式。它的效果取决于太阳辐射、温度、风力和湿度等环境因素[36]。此时的平均温度为30–45℃，相对湿度则在40–90%之间，变化较大[16]。由于这些因素，干燥时间也较长，通常为10–20天，具体时间取决于板材的厚度和天气状况[36]。水蒸气压力梯度对水分去除起着重要作用，湿度越高，干燥速度越慢[15]。有限的空气流动也会增加质传阻力，导致干燥不完全。

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图7. 在露天阳光下进行日晒干燥的NR板材[15]

太阳能干燥的一个主要缺点就是其效果极易受天气影响。干燥速率会随着太阳辐射、空气温度和相对湿度的变化而改变，因此整个干燥过程难以控制[16]。这不仅会影响水分重新被吸收的可能性，而且在潮湿环境下漫长的干燥时间还会促进微生物污染和真菌生长。此外，露天环境还会导致材料变色和品质下降，因此不适合用于生产高品质的NR材料[36]。

4.2 先进或可控干燥系统
另一种节能的替代方案是热泵干燥技术，该技术能够回收潜热并循环利用内部空气。图8展示了一个闭环系统如何通过压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀等核心组件，产生温度可控且湿度较低的空气。经计算，这种热泵式空气干燥机的制冷能力可达2.77吨，工作电能消耗约为3.6千瓦，因此能耗较低[37]。

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图8. 一种适用于潮湿夏季和寒冷地区的热泵辅助型太阳能干燥机的结构示意图[22]

热泵干燥机的工作温度适中，为40–60℃，这一温度范围既有利于降低NR材料的热降解风险，又能实现高效脱水，优于那些采用较高干燥温度的干燥方式。这类干燥机的运行效率很高，其性能系数（COP）在3.0–4.3之间，特定水分提取率（SMER）为1.80–2.36千克/千瓦时，特定能耗（SEC）则为0.24–0.40千瓦时/千克[38]。通过引入热回收装置、热管以及外部冷凝器等更先进的设计，还能进一步提升温度的稳定性、干燥的均匀性以及节能效果，其能源效率可达61–84%，能量利用效率则为63–76%[39]。采用这些热泵系统后，由于能够回收潜热并循环空气，其能耗可比传统干燥机降低30–50%。与露天日晒或普通柜式干燥相比，混合式及太阳能辅助型干燥系统还能将干燥时间缩短20–50%。空气流动速度对干燥性能也有很大影响，适当的空气流速可以提高SMER值并提升产品的一致性，但空气流量过大则会增加能耗[34]。

这种干燥方式固然有其优势，但也存在一些弊端。例如，过低的相对湿度可能会对NR材料的固化性能产生不利影响。此外，气流分布以及周围的环境条件也会显著影响干燥的均匀性和系统的整体性能[37]。再加上高昂的初始投资成本以及系统结构的复杂性，使得许多用户，尤其是小型农户，不愿采用这类技术。

5. NR的太阳能干燥
作为一种可行的NR加工替代方案，太阳能干燥越来越受到重视。与传统加工方法相比，它更具能源效率，也更环保。本节将概述各类太阳能干燥技术，及其在热行为、能源效率、干燥动力学以及产品质量等方面的表现。

5.1 太阳能干燥技术
传统的NR干燥技术大多属于低碳型干燥技术，具有更高的能源效率且对环境的负面影响更小，而太阳能干燥技术在这方面则展现出巨大的应用潜力[40]。这类系统一般可分为露天日晒干燥和可控太阳能干燥两大类，后者又包括直接式、间接式、混合式、隧道式、温室式以及混合式系统等多种形式[41]。为克服传统太阳能干燥的不足，人们设计了可在受控条件下运行的太阳能干燥机，这类干燥机会在封闭系统中利用太阳能，从而实现更高效的能量利用和更均匀的干燥效果。在间接式太阳能干燥机中，太阳能集热器与干燥室是分开设置的，如图9所示。预先加热后的空气会被引入待干燥的物料中，从而实现对干燥条件的更好控制。这类系统的操作温度通常在35–60℃之间，相比露天日晒干燥，它不仅能够缩短干燥时间，还能提升产品的质量[42]。相变材料尤其能够通过稳定温度并将干燥过程延长到无阳光时段，从而确保干燥室内的温度始终高于外界环境温度，进而提升干燥效果[41]。

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图9. 一种用于NR干燥的简易间接式太阳能干燥机[22]

混合式干燥机则同时结合了直接加热和间接加热两种方式，因此其干燥效率更高，可达62%，干燥温度也在60–70℃之间，这样就能更快地去除材料中的水分，如图10所示[43]。例如，在混合式系统中干燥的NR板材，其含水量可从41%降至34%（湿基），仅需16–18小时，而若采用露天日晒方式，则需要数天时间[44]。同样，太阳能隧道式和温室式干燥机通常采用经过紫外线处理的聚乙烯材料作为覆盖层，这类结构能够提供受控的干燥环境，具有更好的保温效果和空气控制能力。在太阳辐射强度为300–800瓦特/平方米的条件下，这类干燥机能够将干燥室内的温度维持在45–65℃之间，从而提升干燥产品的均匀性和质量[45]。

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图10. 结合太阳能集热板和太阳能光伏板以及温室结构的混合式太阳能干燥机[12,22]

温室效应在温室式太阳能干燥机中得到了充分利用，它能够提升干燥室内的温度并降低相对湿度。在强制空气流动（风速为0.5–1.5米/秒）的条件下，这类干燥机能够在24–48小时内将NR板材的含水量从50–60%降至1–1.5%，且几乎不会对干燥后材料的拉伸强度和弹性造成影响，同时还能最大程度减少污染[46]。为了应对不断变化的太阳辐射强度，人们还采用了诸如由光伏电池驱动的风扇、基于相变材料的储能装置以及混合式加热系统等更为先进的设计，以此维持稳定的干燥条件[47]。如图11所示，经过结构改良的温室式干燥机在提升内部温度和干燥效率方面表现更为出色。

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图11温室干燥机：(a)常规设计，(b)用于天然橡胶干燥的改进设计及其对干燥温度的影响[26]。生物质辅助式和混合太阳能干燥机能够在太阳辐射较低的时期持续供应热量。典型的太阳能-生物质混合系统如图12所示。这类系统的运行温度为60–75℃，效率更高（可达69.6%），且运行更稳定[43]。总体而言，与传统的熏制干燥法相比，太阳能干燥系统有助于减少木柴的使用，降低排放，并更好地控制干燥过程[48]。下载：高分辨率图片（436KB）下载：全尺寸图片图12.用于天然橡胶干燥的生物质辅助型混合太阳能干燥机设计[49]。不过，除了这些优势外，该技术也存在一些挑战，如太阳能供应的不稳定性、对环境湿度的敏感性，以及难以大规模应用于工业领域。尽管如此，可控的太阳能干燥系统仍能有效提升产品品质，但由于受气候条件影响较大，还需通过热储存、混合能源输入以及复杂的控制机制来确保稳定运行。

5.2 太阳能干燥天然橡胶时的性能指标
天然橡胶干燥系统的性能可通过多种参数来评估，这些参数涉及热行为、能耗、干燥动力学以及产品质量，如图13所示。其中最重要的指标包括干燥时间、水分去除速率、热效率、SEC值、SMER值，以及产品品质相关的指标，如塑性保持指数、颜色和结构完整性。下载：高分辨率图片（693KB）下载：全尺寸图片图13.用于分析基于太阳能的天然橡胶干燥的各种性能指标。从干燥动力学角度来看，天然橡胶的干燥过程主要处于降速扩散控制阶段，即水分在材料内部的移动决定了干燥进程[50]。这体现了保持恒定热条件的必要性，因为干燥速率对温度变化及蒸汽压差异十分敏感。例如，在115–120℃的温度下进行热风干燥时，可促进内部扩散而不破坏材料结构[51]。但对于导热性较差的天然橡胶来说，内部热传递受限，因此干燥速率较慢，且在特定条件下需要更高的能耗。衡量能源效率的常见指标包括SEC值、SMER值和热效率。传统的热风干燥和真空干燥系统能耗较高，其SEC值约为7.8–8.5 MJ/kg水[50]。而混合式设计则能提供更稳定的热量供应，并具备更好的功能性能[11,43]。微波辅助干燥可显著缩短干燥时间，最佳工作条件（500瓦）下，可在120–140分钟内将材料的水分含量降至目标值，能耗约为0.51 kWh/kg，远低于传统液化石油气驱动的干燥系统。此外，微波干燥还能有效保持产品品质，其塑性保持指数高于标准值，且化学降解程度较低[52]。干燥时间是影响工艺效率的重要参数。在露天阳光下干燥所需时间取决于气候条件，通常为6–20天，而在可控的太阳能系统中，这一时间可缩短至12天或更短。混合式及先进干燥系统也能进一步缩短干燥时间，微波或对流式干燥系统甚至可在数小时内完成干燥，这充分体现了传热机制对干燥过程的重要影响[53,54]。微波技术在天然橡胶干燥中的优势如图14(c)所示，其作用机制则分别展示于图14(a)和(b)中。下载：高分辨率图片（566KB）下载：全尺寸图片图14.微波干燥与热风干燥的干燥机制对比，以及两者在水分去除效率上的差异[20]。太阳能干燥在很大程度上依赖于环境和气候条件。太阳辐射强度（0–1300 W/m2）及季节变化会直接影响干燥室内的温度和水分去除速率[55,49]。在空气湿度较高的环境中（热带地区通常超过70–85%），蒸汽压梯度会减弱，从而阻碍水分扩散，反而延长干燥时间[12,56]。在太阳辐射较弱或天气多云的情况下，温度会低于理想水平，导致干燥不均匀，所需干燥时间会比在稳定环境下多出20–50%。混合式系统通过辅助加热来克服这些限制，从而在气候条件变化时保持温度稳定，提升整体系统的稳定性。相较于单一的太阳能系统，这类系统能提高干燥的均匀性，降低水分重新吸收的概率，进而增强整个干燥过程的稳定性。除了上述指标外，产品品质方面的检测也能辅助评价干燥效果。可控的干燥条件有助于提升产品的颜色稳定性、拉伸性能和弹性，同时减少氧化和污染现象。相反，若在不稳定环境下长期干燥，则可能导致产品变色、结构劣化以及机械性能下降[52,54]。

6 天然橡胶太阳能干燥的局限与挑战
尽管太阳能干燥天然橡胶具有节能和环保的优势，但其在实际应用中仍面临诸多操作和环境方面的限制，这些因素会影响干燥过程的可靠性以及最终产品的质量。这些问题主要源于对气候条件的高度依赖、非均匀的热量和质量传递、材料特有的干燥行为，以及为提升性能而需要的复杂控制技术和混合式解决方案。

6.1 对天气条件的依赖
尤其是对于露天阳光干燥和基于太阳能的干燥系统而言，天气条件会对干燥效果产生极大影响，因为这类系统的干燥过程难以被人工控制[58]。干燥温度和水分去除速率的波动往往是由太阳辐射强度的变化所导致的。温室干燥机内的最高温度可达64.2℃，而平均温度则根据天气状况在30.8–43.3℃之间变化。环境温度的波动也会影响热传递、干燥效果以及干燥机内的相对湿度。虽然干燥机内的相对湿度通常低于外界，但它会在一天之内发生变化，进而影响水分的扩散过程[59]。在太阳辐射较弱的时段，如清晨、傍晚或阴天，由于热输入减少，干燥过程会变慢，所需干燥时间也会相应增加[11]。即便在受控环境中，环境条件的微小变化仍会影响干燥动力学，这体现了依赖太阳能的系统的固有局限性。

6.2 干燥不均匀
无论是太阳能干燥系统还是传统干燥系统，干燥不均匀都是一个严重的问题，其产生的原因包括温度分层、气流不均匀以及材料内部的水分扩散阻力。在太阳能干燥机中，由于温室效应导致内部温度分布不均，加热效果也不够均匀。在不同托盘之间的区域，由于热场不均匀，温度差异可达30.1℃至70℃[60]，这就使得高处或上层的区域比低处或阴影处的区域干燥得更快[59]。气流分布不均也是造成干燥不均匀的另一个原因。在自然对流情况下，浮力作用会使上层的气流速度加快，从而加速干燥，而下层的气流速度则会减慢，进而延缓干燥进程。当气流速度在0.2至2.6 m/s之间时，就会观察到局部热传递和质量传递的不均匀现象[61]。即使在强制对流系统中，若气流不均匀，也会导致水分去除速率出现差异。天然橡胶的干燥行为还与其材料特性密切相关。其干燥过程主要处于降速扩散阶段，属于内部扩散过程。由于有效水分扩散系数较低（为10?9–10?10 m2/s），因此表面比内部更快干燥[62]。这种差异会导致材料内部产生应力、变形和翘曲，再加上其较低的导热性以及通常为2–4毫米的薄厚度，进一步加剧了这些问题[63]。在熏制干燥过程中也会出现类似的不均匀现象，因为垂直方向上的温度不均匀，加上烟气和空气流动不均，会导致产品出现气泡和结构变形等问题[64]。图15展示了一种大型温室干燥机中的天然橡胶片排列方式，通过将橡胶片均匀地排成单行，可以保持均匀的气流。在改进型的太阳能干燥机中，上层托盘的干燥速度仍然快于下层托盘，这进一步证明了空间分布不均匀现象依然存在[53]。下载：高分辨率图片（505KB）下载：全尺寸图片图15.商用温室干燥机，其中天然橡胶片以均匀方式摆放，以确保干燥均匀[7]。

6.3 高相对湿度
相对湿度是制约天然橡胶干燥的一个重要因素，尤其是在依赖太阳能且环境控制不佳的情况下。水分去除的能力取决于天然橡胶表面与周围空气之间的蒸汽压差。当空气湿度过高时，这一蒸汽压差会减小，从而导致干燥时间延长[65]。正因如此，太阳能干燥系统的干燥速率通常低于传统干燥系统。在熏制干燥过程中，由于持续的热量供应，可在3–5天内快速降低材料含水量，从而提高生产效率并保证产品一致性。而相比之下，潮湿环境下的太阳能干燥通常需要5–7天甚至更长时间，这不仅降低了生产能力，还延误了加工流程[66]。实验研究也证实了这一现象：初始含水量为0.32–0.34 kg/kg的天然橡胶片，即使在有气流控制的条件下，也需要50–58小时才能在45℃环境下将含水量降至0.066–0.081 kg/kg，这说明高湿度会阻碍内部扩散和蒸发过程[67]。高湿度还会促使水分重新吸收，导致干燥不均匀，进而影响产品品质。相比高温连续式干燥系统，太阳能干燥系统对湿度变化的敏感度更高，这会导致其效率降低，温度稳定性变差。因此，为了实现均匀干燥并保证产品品质的一致性，就需要为太阳能干燥系统配备除湿装置、空气控制系统以及混合加热功能。

6.4 热氧化风险
天然橡胶干燥的一个主要缺点就是热氧化现象，该过程对热量和氧气极为敏感。在高温条件下，氧气会渗入聚合物的主链中，引发氧化反应，导致链断裂和交联现象的发生。虽然合成天然橡胶时，聚异戊二烯分子链之间已经存在较高的交联程度，但在干燥过程中，热氧化作用会使交联程度进一步增加，从而导致材料的抗拉强度和弹性逐渐下降，最终使产品变得易碎[68]。热氧化降解会影响到材料的形态和机械性能。氧化会导致微观裂纹、孔洞、凹坑以及表面粗糙度的增加，这些都是结构失效的迹象。此外，材料还会出现硬化、延展性下降以及耐久性降低的现象，在极端条件下，其抗拉强度甚至可能下降60%[69]。另外，热老化还会改变聚合物的网络结构，使其随着时间推移变得更为僵硬、脆化，稳定性也会降低[70]。温度是加速这一降解过程的主要因素，在90–130℃的温度范围内，链断裂作用会比交联作用更为显著，从而导致材料的性能下降[71]。此外，氧化风化作用和紫外线辐射还会促进自由基的产生，进一步加速材料的降解、变色以及表面变暗等现象[72]。

6.5 夜间水分重新吸收
太阳能干燥天然橡胶的一个主要问题在于，部分干燥后的材料具有吸湿性，尤其是在夜间，水分会重新被材料吸收。在高相对湿度以及环境条件不断变化的情况下，天然橡胶片很容易从空气中吸收水分[73]。夜间，低温和低湿度会削弱或逆转蒸汽压梯度，导致水分再次被材料吸收，直到达到新的平衡状态。由于吸收的水分需要再次经过蒸发过程，因此会进一步减缓干燥速度，降低能源利用效率。那些缺乏有效控制的太阳能干燥机，其内部相对湿度可高达74–91%，这不仅有利于水分的重新吸收，还会导致干燥不均匀以及产品品质下降[74]。

6.6 需要较大的占地面积
对于基于太阳能和温室的天然橡胶干燥系统而言，一个重大的局限性就是需要较大的空间，这是因为这类系统需要较大的集热面积，而且产品也需要分散放置。与熏制干燥等传统干燥方法不同，太阳能干燥系统需要大面积的透明覆盖材料以及专门的干燥空间，才能有效捕获太阳能并利用其热能。小型温室干燥机的占地面积通常为1–3平方米，而工业规模的隧道式或温室式干燥机，则根据所需的产能不同，其占地面积往往达到数十平方米[75]。之所以需要这么大的空间，也是因为天然橡胶片必须以薄层形式铺设，这样才能实现有效的热传递和质量传递。多个托盘、架子或推车的摆放，如果每批处理的量很大（例如5000张纸），就需要更大的干燥空间以确保充足的空气流通和均匀的温度。此外，诸如太阳能集热器、空气供应与排放系统以及空气通道等辅助设施的存在也会增加系统的规模。较大的表面积对于避免纸张之间相互重叠以及减少水分扩散阻力、从而保证干燥质量至关重要。不过，这一要求会降低单位面积的产能，对于空间有限的应用来说可能是个限制。在工业规模的干燥过程中，大面积的需求是工厂布局、规模扩大以及运行方面的重要设计和经济考量因素[76]。太阳能干燥系统既节能又环保，但其低空间利用率仍是一个重大局限。因此，开发更紧凑的干燥装置、改进干燥技术以及采用混合式干燥系统，对于在保持干燥性能的同时提高空间利用效率至关重要。

7. NR干燥的对比评估与优化路径
本节重点分析那些能够克服NR太阳能干燥存在的主要效率问题的工程解决方案，这些问题包括湿度随天气变化、空气流动方向变化，以及水分的吸收和品质下降。相关模型提出将混合式设计、除湿技术、热储存系统、气流优化、防护性干燥措施、智能控制技术以及数据驱动模型结合起来，作为构建具有气候适应能力且适用于工业生产的干燥系统的综合方案。

7.1 混合式太阳能干燥机
为了解决传统独立式太阳能干燥机的固有缺陷，尤其是其对天气条件的过度依赖以及无法持续提供稳定干燥环境的问题，人们开发了混合式太阳能干燥系统。这类系统将太阳能热能与生物质加热器、电加热器、热泵或光伏驱动的气流系统等其他热源相结合，以便在气候条件波动的情况下依然维持恒定且可控的干燥过程[77,78]。大多数系统以太阳能空气集热器作为主要热源，而在阳光强度较低或夜间集热器无法工作时，则依靠辅助系统来补充热量。实验数据显示，424–679瓦/平方米的阳光强度可产生40–69摄氏度的干燥空气温度，同时通过0.1–1.5米/秒的控制气流速度来增强对流换热和物质传递效率[74]。在强制气流的作用下，边界层阻力降低，这显著提升了温度均匀性和水分去除效率。因此，与仅依靠太阳能的系统相比，混合式系统能够更好地控制干燥室内的环境、抑制水分扩散，并缩短干燥时间[79]。

目前，人们正在积极研究将太阳能与生物质能结合的混合系统，以提升其可靠性和可扩展性。如图16所示，这类系统中生物质燃烧可在阳光强度较低的条件下提供额外热量，从而使系统能够持续运行，将干燥温度维持在50–70摄氏度这一常用范围内[80]。由于温度和气流条件恒定，此类系统具有更高的热效率（超过50%）以及更好的干燥效果。采用太阳能集热器与生物质备用能源的混合配置，可使干燥温度从单独使用太阳能时的42摄氏度上升至混合模式下的46.5–61.8摄氏度，同时还能缩短干燥时间26.4%，并降低37.5%的劳动力成本，相比传统干燥方式更具优势。

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图16. 生物质辅助型间接太阳能小豆蔻干燥机示意图[81]

进一步发展的混合系统还引入了热泵技术，通过回收热量和湿气，进一步提升了能源利用效率。热泵辅助型干燥机属于闭环系统：潮湿空气经过除湿处理后再次被加热，从而实现36–65摄氏度的理想控制温度，每个循环可去除4–5公斤的水分[37]。太阳能辅助热泵干燥机（SAHPD）的COP值为3.542，相比传统系统可减少20–30%的干燥时间，同时确保水分去除均匀且产品品质稳定[81]。这类系统还能降低相对湿度，进而强化蒸汽压梯度，提升干燥效率[32]。

为了在阳光强度不稳定的情况下控制系统温度并改善气流分布，人们还进一步采用了热储存系统，尤其是相变材料以及光伏驱动的风扇。这类混合干燥机通常在30–120摄氏度的温度范围内工作，且能在70–790瓦/平方米的太阳辐射强度下正常运行，因此能够适应多种气候条件[82]。

7.2 除湿支持
在高相对湿度环境下进行NR干燥时，湿度问题已成为太阳能干燥系统中的关键工程挑战。由于高相对湿度以及水蒸气与潮湿空气之间的压力梯度不足，传统太阳能干燥机的干燥效率往往较低，容易导致水分重新被吸收。为了解决这一问题，如图17（a）和（b）所示，吸湿剂辅助除湿系统逐渐被引入太阳能干燥系统中，以提升干燥性能。

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图17. 安装在（a）大型温室中以及（b）小型太阳能干燥设备中的吸湿剂型除湿机[83][84]

吸湿剂型系统的原理是通过干燥在系统中循环并进入干燥室的空气，提升空气的持水能力，从而加速蒸发过程。硅胶、沸石、氯化钙（CaCl2）和分子筛因其优异的吸湿性，常被用作太阳能干燥条件下的吸湿材料[42]。这类系统通常在35–60摄氏度的温度范围内工作，因此适用于NR这类对温度敏感的材料。实验研究表明，当在太阳能干燥系统中加入除湿设备后，内部相对湿度可降低约20–30%，从而显著改善干燥环境和水分扩散状况[85]。在温室干燥系统中持续去除空气中的水分，可有效维持理想的干燥条件，并大幅提升蒸发速率。据报道，这类系统的除湿能力可达2.2至3.8公斤/小时，显示出其在稳定内部湿度方面的高效性[83]。

在基于吸湿剂的系统中，使用硅胶可将相对湿度降至25–30%，从而提升干燥室内的热量和物质传递效率。相比那些无法控制湿度的传统太阳能干燥机，这类系统可使干燥时间缩短约20–25%，同时提高干燥效率[86]。此外，采用氯化钙的液态吸湿系统也在30–45摄氏度的适中工作温度下展现出将湿度降至35%左右的潜力。这类系统同样能提升水分去除效率，进而改善干燥效果[87]。

从工艺角度而言，当干燥空气的湿度降低时，产品表面与其周围空气之间的蒸汽压差会增加，而这正是推动水分扩散的主要力量。因此，配备吸湿剂辅助系统的干燥机能显著提升干燥速率和能源利用效率。相关研究显示，在吸湿剂辅助的湿度调控条件下，干燥时间可缩短约35–50%[57]。除此之外，除湿功能还能在太阳辐射强度发生变化时稳定干燥条件，从而避免在间歇性干燥过程中出现水分重新吸收的情况[88]。这种稳定性还有助于提升产品的质量和均匀性[89]。

尽管这些方法具有诸多优势，但该技术仍面临系统复杂性高、吸湿剂需要再生以及难以大规模应用等问题。不过，将除湿装置与太阳能集热器和可控气流系统结合使用，可以为克服太阳能干燥的气候限制提供有效的解决方案。另外，如图18所示，基于典型制冷循环和蒸汽压缩原理的除湿机也在温室干燥机中得到了应用，实验表明该除湿机能够在几乎不消耗太多能量的情况下精确控制整个过程的相对湿度，从而有效保障产品品质。

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图18. 配备光伏驱动蒸汽压缩型除湿机的温室干燥机运行示意图[32]

总体而言，基于吸湿剂和制冷技术的除湿方案是一项重要的工程突破，它使得太阳能干燥系统变得更加可控且可靠。通过降低空气湿度、促进水分扩散以及稳定干燥条件，这类系统为开发高效且能适应不同气候条件的NR干燥技术提供了有力途径。

7.3 热能储存
为了解决NR干燥过程中太阳能供应不稳定的问题，一种主要的策略是在阳光强度较高的时段储存多余的热量，然后在阳光较弱或夜间释放出来，以此维持稳定的干燥条件并提升工艺的可靠性。相变材料因其适宜的熔点（48–60摄氏度）以及较高的潜热能量（200–220千焦/千克），而被广泛用于此目的[90]。通常，30–38千克的相变材料会被放入包含壳管式热交换器的储存装置中，利用材料在熔化过程中储存热量，再在固化过程中释放热量。这样一来，即便太阳下山后，温度仍能保持数小时不变，且温度波动幅度可降低5–8摄氏度，从而帮助节省约25–35%的干燥时间[84]。采用热储存系统的干燥时间可从传统的露天日晒方式的大约59小时缩短至近14小时，效率提升十分显著[90]。

更为先进的相变材料设计也能进一步提升性能。经过纳米改性的相变材料（如添加了Al2O3纳米颗粒的石蜡）具有更高的热导率和传热速率，这使得充放热过程更快，干燥时间可进一步缩短约12–17%[91]。此类工艺的实验装置如图19（a）所示，而与其他系统相比，其更低特定能耗的优势则体现在图19（b）中。同样，微胶囊化的相变材料（如封装在聚合物基质中的正二十烷）则具备稳定的热储存能力（204–239焦/克），同时还具有更好的抗泄漏性和长期稳定性[92]。

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图19. 装备有Al2O3掺杂石蜡系统的太阳能温室干燥机（a）及其特定能耗降低对比情况（b）[93]

除了潜热储存之外，岩石、沙子及砖块等显热储存材料也因成本低廉、结构简单而被广泛应用，尽管它们的能量储存密度低于相变材料[84]。图20展示了一种在农产品干燥过程中使用岩床作为热储存元件的干燥机。

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图20. 采用岩床作为显热储存元件的直射式太阳能南瓜干燥机[94]

尽管这些方法具有优势，但热储存技术仍面临一些挑战，比如热传导率较低、相变材料价格昂贵、存在泄漏问题，以及需要精心设计布局以确保热量均匀分布。未来的研究方向将是探索更优质的材料（如纳米改性材料、生物基相变材料及盐水合物），以及改进封装技术和系统集成方式，进一步提升热性能和系统的可扩展性[93]。

7.4 气流优化
在太阳能干燥系统中，优化热传递和物质传递的工程措施之一就是气流优化。在利用太阳能加热空气以干燥NR的过程中，通过控制从太阳能集热器流出的气流，可以确保干燥室内温度均匀，这不仅有助于水分蒸发，还能防止材料因过热而发生降解。合理的气流分布能够减少气流停滞区域，增强对流换热效果，进而提升热效率及热能利用率[51]。

气流速率对干燥效率有着重要影响。对于对流换热和水分去除而言，最佳的气流速率通常在0.5至1.5米/秒之间。针对混合式干燥机的计算流体动力学分析表明，若气流不均匀，托盘角落和侧壁处会出现回流区域，从而导致干燥不均匀。通过合理设计通风口、气流路径以及托盘间距，可以有效缩小温度差异，提升干燥均匀性[95]。

在更为复杂的混合系统中，对气流的控制显得尤为重要。在采用液体干燥剂的太阳能热泵干燥机中，0.10–0.16 kg/s的气流速度有助于提升热量与质量传递效率，同时稳定箱内温度湿度条件，进而提高干燥效率并减少能量浪费[96]。计算流体力学分析表明，不均匀的气流会导致气流循环区域、气穴形成以及干燥效率低下[97]。通过优化干燥箱的几何结构、进出风口位置以及通风口和内部流道的位置，可显著改善气流分布与干燥过程动力学。其他研究也证实，优化后的气流通道能够增强空气循环，降低干燥不均匀性[35]。在温室干燥系统中，气流行为很大程度上取决于干燥箱的几何结构及通风系统设计。更好的气流通道有助于提高空气混合程度，减小温度和湿度梯度，从而实现更均匀的水分扩散[98]。同样，针对堆叠式干燥系统的计算流体力学-离散元法分析结果显示，各物料层之间均匀的气流分布有利于水分向内部输送，从而提升干燥速度[99]。干燥箱的几何结构也会影响气流优化效果。图21显示，如Quonset型干燥机这类设计完美的干燥机，具有最佳的气流循环与温度均匀性，因此干燥性能最为优异[100]。这类强制对流系统，如光伏驱动风扇，能够在托盘的不同层级实现均匀的气流流动，提高水分去除效率，相较于自然对流系统，能进一步提升整体干燥能力[101]。下载：高分辨率图像（645KB）下载：全尺寸图像图21. 用于研究干燥机形状对操作参数影响的计算流体力学分析[102]。

7.5 NR干燥的保护性干燥
在NR加工过程中，为保护其物理、化学和机械性能，需要进行保护性干燥。研究表明，干燥应在40–55°C的有效温度范围内进行，因为较高温度下会发生氧化反应，导致产品变色、结构劣化以及机械性能下降[94]。诸如太阳能干燥机或热风干燥箱之类的封闭式干燥环境，能够将产品与灰尘、烟雾、雨水、紫外线等外界污染物隔离开来。使用类似玻璃的材料（如聚乙烯罩）既可以吸收太阳能，又不会让产品暴露于外部污染物，从而提升产品的清洁度与均匀性[11,27]。而空气干燥和烟熏干燥则更容易受到污染，且热量分布不均，会影响产品质量。最重要的是，干燥过程中的保护性气氛会影响产品的关键质量指标，如颜色均匀度、强度和弹性（在最佳条件下，弹性可达到800%）。为保持这些对高品质NR产品至关重要的特性，需避免表面氧化以及干燥过程中的不均匀现象[94]。

7.6 智能控制系统
智能控制系统的应用被视为提升太阳能干燥系统可靠性与效率的重要技术创新。与被动式太阳能干燥机不同，智能系统能够持续监测干燥过程，并自动调节温度、相对湿度、气流以及辅助加热等工艺参数，以降低天气条件的影响，实现更稳定的干燥过程[103]。大多数智能干燥系统都以传感器为基础，通过连接至Arduino或ESP32等微控制器的温度、相对湿度、光照强度、气流以及水分（有时还包括重量）传感器来实现控制，如图22所示[104]。这些数据可通过物联网技术实时传输到控制面板或互联网上，从而实现自动化控制与远程监控[102]。这类控制系统通过营造理想的微气候条件、避免过热、防止水分重新吸收，以及提升干燥机内的热量与质量传递效率，从而改善干燥效果[105]。下载：高分辨率图像（669KB）下载：全尺寸图像图22. 用于维持混合模式太阳能干燥机工艺参数的过程控制器[98]。在控制层面，自动化策略通常包括根据实时反馈来调节风扇转速、通风口开度、排气控制以及辅助加热器控制。这种方法使得太阳能辅助热泵干燥系统能够在约45–55°C的适宜干燥温度下稳定运行，相比传统电干燥机，能耗可降低约40–45%[32]。在智能太阳能辅助干燥系统中也观察到了同样的优势，自动化环境控制使系统的能耗相比传统热风干燥系统可降低30–60%，同时仍能将干燥温度维持在40–60°C范围内。在热泵辅助系统中，自动化传感器反馈还提升了气流控制与热量回收效果，相比传统热风干燥系统，能耗可降低约20–40%[13]。借助物联网技术的太阳能干燥机在干燥和除湿方面也表现出更高的效率。某款配备传感器的全自动太阳能强制对流干燥机的干燥效率相比传统太阳能干燥方式提高了约24.3%，而从前的效率为20.5%[103]。在另一款支持物联网技术的干燥机中，自动化环境控制使得22小时内即可去除约85%的水分，而传统开放式干燥方式的去除率为67%，且其平均干燥速率约为14.77克/小时，高于传统方式的11.64克/小时[102]。智能控制技术在太阳能干燥中最显著的优势之一在于湿度控制。一种基于微控制器的太阳能隧道干燥机，配备了湿度温度传感器和自动风扇，能够根据水分积累情况调节箱内通风，从而保持较低的相对湿度，更快地去除水分[106]。另一种兼具温度、湿度及重量监测功能的太阳能-电复合干燥机，也通过自动化排气控制提升了干燥过程的稳定性，不过研究也指出了传感器可靠性与安装位置等方面的实际限制[107]。在该系统中，平均温度约为36.5°C，相对湿度约为33%；在比例-积分-微分控制器控制的太阳能干燥机中，水分可在平均8小时内被去除73.16%，而传统太阳能干燥则需要超过24小时[108]。另一种带有传感器的间接干燥机也证明，将原本接近饱和状态的箱内相对湿度在白天降至20–40%，可显著提升干燥速率与产品品质[109]。类似地，一种基于物联网技术的太阳能驱动干燥穹顶，在温度超过40°C时自动启动风扇排出潮湿空气，进一步提升了干燥效率[110]。除了直接自动化之外，近年来智能干燥系统还开始引入预测模型。图23展示了一种在太阳能干燥机中实现此类整合的方案。人工神经网络和自适应神经模糊推理系统已被成功应用于预测对流干燥过程中的水分扩散率与失重率，其预测结果与实验数据具有极佳的相关性，同时可为工艺优化提供依据[111]。从更广泛的角度来看，基于人工智能的预测模型在农业监测中的预测准确率可超过90%，这意味着它们可用于预测环境状况，并协助实现工艺的自动化控制[104]。最新的智能干燥研究还表明，基于人工神经网络、自适应神经模糊推理系统以及模糊逻辑的模型，能够精准预测干燥动力学、能耗以及工艺行为，某些情况下相关系数甚至可达0.9999[112]。在NR干燥领域，基于人工神经网络的规模化温室干燥机建模，能够预测大约36小时内的水分减少量，预测值与实测值之间的相关系数接近0.99[102]。下载：高分辨率图像（1011KB）下载：全尺寸图像图23. 人工智能集成在太阳能干燥机中的概念图[105]。尽管有这些优势，但目前仍存在若干障碍阻碍其大规模应用。现有的智能干燥机仍受限于较高的初始成本、传感器校准难度、软硬件集成复杂性，以及训练稳健预测模型所需的大规模数据集问题[32]。其他挑战还包括在气候条件变化剧烈的情况下保持实时灵活性，以及将多路传感器数据整合到可靠的控制系统之中[112]。总体而言，智能控制系统是迈向具备气候适应能力且值得行业信赖的太阳能干燥技术的重要一步。实时感知、自动响应以及预测智能功能，还能将太阳能干燥机从依赖天气条件的系统转变为能够自主调整最佳干燥环境、提升能源效率，并为未来智能NR干燥系统的发展奠定基础的适应性工艺技术。

7.7 用于预测干燥行为的数字孪生模型
在工业4.0时代，数字孪生系统作为一种创新技术，可用于实时及预测性地监控与优化干燥系统。数字孪生是通过传感器数据、基于物理的模型以及数据驱动算法的结合，对实际干燥过程进行的动态虚拟再现，从而使物理系统与数字系统之间实现持续互动[38]。不同计算技术与数字孪生系统之间的交互关系如图24所示。下载：高分辨率图像（585KB）下载：全尺寸图像图24. 物理系统与数字孪生系统之间的交互示意图[105]。如图25所示，干燥过程中的传感器网络能够测量温度、相对湿度、气流速度、太阳辐射强度以及产品含水量等关键参数，这些数据会被发送到物联网平台，以便进行实时分析与控制[113]。预测建模与工艺监控都是基于这些数据流来实现的。下载：高分辨率图像（219KB）下载：全尺寸图像图25. 干燥应用中采用的边缘物联网架构[113]。利用人工神经网络、深度学习以及物理-数据混合模型等先进计算技术，实现对干燥动力学的精确模拟以及水分变化的精准预测，其预测准确率可达90–95%[114]。这类方法有助于更准确地预测干燥周期、水分扩散情况以及产品品质。数字孪生框架通过不断用传感器反馈更新虚拟模型，可实现实时自适应控制，动态调节气流、温度及干燥时间，从而保持系统处于最佳运行状态，并提升能源效率[113]。此外，它们还能用于情景模拟与性能预测，以便在实施前分析不同的干燥策略[115]。数字孪生系统还能通过检测传感器数据与系统行为偏差，及时发现异常并预测维护需求。卷积神经网络、循环神经网络、长短期记忆网络以及基于Transformer的机器学习架构，都具有更强的抗干扰能力，能够应对恶劣且嘈杂的环境条件[116]。不过，这类系统的大规模应用仍受到传感器校准误差、高昂的计算成本、复杂的集成难度，以及难以在工业环境中实现实时运行的限制[113]。未来需要开展相关研究，通过在热带气候条件下结合基于计算流力学的热量与质量传递模拟与机器学习模型，构建针对NR干燥领域的专用数字孪生模型，从而实现工艺的精准预测与智能优化。从表1中的对比评估可以看出，不同NR干燥技术的性能表现存在较大差异，这反映出太阳能干燥系统目前尚不成熟，也缺乏标准化。在所总结的各类干燥技术中，只有8–9种涉及太阳能或太阳能辅助干燥技术，而传统的烟熏干燥、遮阴干燥、烤箱干燥以及橡胶烟熏室干燥技术仍是研究的主要对象。据报道，这些技术的操作温度范围在24至150°C之间，干燥时间在25至288小时之间，热效率在6.7%至67.7%之间，实验室规模与工业规模的橡胶烟熏室系统的干燥能力分别约为6公斤与39,488–47,555公斤。这些数值差异极大，说明目前不同干燥技术之间缺乏统一的操作环境或性能评估标准。表1.天然橡胶干燥技术及其性能比较

干燥机类型　采用的技术　适宜温度（°C）　相对湿度（%）　初始含水量（%）　最终含水量（%）　干燥时间　水分去除率　能效（%）　数量　干燥成本　可持续性　参考文献
阴凉处自然风干　自然通风　27?33　10?12　42?50　0.8?1.5　144小时　----　高度可持续[4]
烟熏干燥　-38?45　10?12　42?50　0.8?1.5　72小时　----　中度可持续[4]
烤箱干燥　-55?42　-50　0.8?1.5　12小时　----　因需外部能源，可持续性较低[4]
太阳能生物质混合干燥机　太阳能集热器、生物质熏制室　45?60　-60　0.5　120小时　--　320公斤　可再生能源降低了对生物质的整体需求[7]
混合模式太阳能干燥机　直接式与间接式太阳能干燥机　--　32.3　296小时　-15.430无　--[7]
温室太阳能干燥机　-32?55　-24?30　0.4?3.9　120小时　--　750公斤　--[7]
间接隧道式太阳能干燥机　太阳能空气加热器、风扇　40?57　20?60　49.3　60　0.50　216小时　0.033公斤水/公斤干物质每小时　37.67320无　--[11]
直接温室式太阳能干燥机　-35.5?55　14.3　247.8　0　0.50　288小时　0.026公斤水/公斤干物质每小时　6.94230无　--[11]
太阳能-生物质混合干燥机　平板集热器、生物质燃烧器　40?60　-12.8　1.25　3小时　0.30公斤水/小时　67.14100无　1泰铢/公斤　相比烟熏干燥，燃料消耗更低[20]
微波干燥　105?36.9　1.9　25分钟　0.90克/分钟　----[11]
热风干燥　电热风干燥机　115?36.9　1.9　155分钟　0.15克/分钟　----[11]
强制对流烟熏室　风扇、热风循环管道、炉子　52.5?68.6　-40　0.43　6小时　--　1065?1776公斤　减少薪柴消耗，但可持续性较低[24]
混合模式太阳能热干燥机　太阳能平板集热器、光伏驱动风机　47.8　64　404　16小时　0.0522公斤水/千瓦时　67.726公斤　1.20卢比/公斤　环保型[29]
抛物面温室干燥机　20瓦通风风扇　24?55　23.4?36.3　38.6　5.5　438小时　-17.640　-　环保型[31]
改进型抛物面温室干燥机　加强型太阳能集热板、20瓦通风风扇　28?58　23.4?36.3　38.4　65.1　228小时　-24.940　-　环保型[31]
改进型自然对流橡胶烟熏室　经过优化的气体供应管道与通风装置　55?60　-32　0.47　2小时　-15.71373公斤　0.099美元/公斤　薪柴消耗减少67%，可持续性处于中等水平[36]
基于热储存的橡胶烟熏室　显热储存装置（100厘米砖堆）　44?55　-38　0.47　78小时　可去除15公斤水分　6.742无　将每天喂料次数从5到6次减少到每天1次以内，可持续性处于中等水平[38]
热泵辅助橡胶烟熏室　闭环热泵空气干燥机　45?46　50　2.9?3.8　1　-86小时　5.91?5.07公斤/小时　-39,488–47,555公斤　0.013巴特/公斤　[41]
太阳能驱动微波干燥机　微波干燥机　≤≤150　-8　160.5　120?140分钟　---　0.0425美元/公斤　二氧化碳排放更低[49]
太阳能辅助熏制室　平板太阳能空气加热器、生物质炉子、空气循环系统、风机　45?60　50?80　100.5　120小时　--　320无　--[59]
温室型开放式日晒干燥机　烟囱通风装置　48?54　-40　-50　0.7?1.0　72?96小时　-1740无　--高度可持续[66]

通过比较可发现，现有研究在性能指标报告方面存在差异。目前文献中为数不多的关于太阳能及混合干燥技术的研究，并未考虑相对湿度、水分去除率、干燥成本、能效、水分蒸发速率以及产品质量等重要参数，这限制了全面进行技术经济评估与对比分析的能力。因此，现有数据仍较为有限，无法建立可靠的性能标准来确定工业化规模下天然橡胶加工厂的最佳配置方案。

比较还表明，无论是太阳能干燥技术还是混合干燥技术，在减少薪柴消耗、提升环境可持续性以及实现低碳天然橡胶加工方面都具有巨大潜力。目前大多数研究集中在温室型、混合模式、间接隧道式以及太阳能-生物质混合干燥机上，对于更先进的干燥技术的研究仍然不足。诸如反射镜辅助太阳能集热器、太阳能辅助热泵干燥技术、主动与被动式热能储存装置、除湿辅助干燥技术、基于人工智能的自适应控制技术以及基于物联网的工艺监控技术，在天然橡胶干燥领域的应用仍然十分有限。因此，现有文献大多仅能证明太阳能干燥的可行性，尚未涉及具备气候适应能力且可大规模工业应用的干燥系统。

未来的研究不应仅仅关注干燥时间和温度，而应致力于建立一套标准的性能指标体系，提供更全面的基准数据，包括能耗情况、湿度控制水平、气流均匀性、水分回收率、产品质量、经济可行性、可扩展性以及长期运行可靠性等。结合系统化评估与智能混合干燥技术，对于制定具体的设计指南、推动低碳、具有气候适应能力且可大规模工业应用的天然橡胶干燥系统走向商业化至关重要。

8. 适用于全天候运行的太阳能温室型天然橡胶干燥机

太阳能温室干燥机的出现，为在天气变化的情况下实现按需、不受气候影响的天然橡胶干燥提供了有效手段。这类系统通过透明围护结构捕获太阳辐射，通常为安装在轻钢框架上的聚碳酸酯板材，利用温室效应形成高温微环境。集成有太阳能空气加热器、多托盘干燥室以及强制对流气流系统的设计，可使内部温度维持在40至65摄氏度之间，远高于外界温度，从而提升水分去除效率并增强干燥过程的稳定性[117]。图26展示了一种用于小规模天然橡胶干燥的、集成有太阳能空气加热器与温室干燥机的系统结构。

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图26. 集成(a)太阳能空气加热器、(b)温室干燥机以及(c)温室干燥室内天然橡胶薄片的排列结构的太阳能干燥系统[11]。

太阳能空气加热器负责吸收热量并调节气流分布，而强制对流则有助于实现干燥托盘之间的均匀温度与质量传递[118]。已有研究表明，这类太阳能辐射系统的辐射强度可达268–846瓦/平方米，热效率约为70%，太阳能空气加热器效率为76.5%，且水分蒸发速率较低（0.021–0.042千瓦时/公斤），其能源利用效率显著高于传统干燥系统[117]。此外，温室干燥机的内部温度比外界高7–20摄氏度，同时可通过控制通风并避免废气排出来维持恒定的相对湿度，这对于形成有利于干燥过程进行的蒸汽压梯度也至关重要[75]。

通过为温室干燥机添加相变材料基热能储存装置、电加热器或生物质备用加热器、除湿装置以及反射表面等辅助元件，可消除太阳能供应的不连续性问题，从而使干燥系统具备全天候工作能力。正因如此，相变材料装置能够在太阳辐射较强时储存多余的热能，在辐射较弱时释放出来，从而维持干燥温度并缩短干燥时间[119]。此外，除湿系统与废气控制措施也有助于去除干燥室内的多余水分，尤其是在环境湿度较高的热带地区。反射镜也可用于收集更多太阳辐射，进一步提升系统的热收益与效率。图27展示了一种具备所有必要组件、可不受季节和时间限制持续运行的商业级温室干燥机概念设计。

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图27. 展示了可在所有季节持续运行的温室干燥机的主要组成部分。

天然橡胶干燥并非单纯的本地加工问题，而是关乎全球可持续发展的重大课题。目前全球天然橡胶行业已存在供需失衡现象，2025年全球天然橡胶总产量约为1490万公吨，而总需求量则高达约1560万公吨。此外，天然橡胶的生产也高度集中，2022年东盟天然橡胶生产国集团的产量占全球总量的近84%[120]。轮胎产业消耗了全球70%以上的天然橡胶，而超过85%的天然橡胶由600多万小农户种植[121]。因此，天然橡胶干燥技术的改进有望提升天然橡胶的质量、提高小农户的盈利水平、降低加工成本，并减轻橡胶产业链对环境的负面影响。

从大规模应用来看，温室干燥机在天然橡胶加工领域展现出巨大潜力，其单批干燥容量可达200公斤左右，属于工业化规模的干燥工艺。由于其模块化设计、出色的热效率以及较低的薪柴依赖度，这类干燥技术具有显著的低碳优势[11]。然而，要实现大规模推广，仅依靠太阳能集热是不够的。天然橡胶干燥需要在高湿度热带环境中稳定运行，避免出现水分重新吸收、干燥不均匀、烟雾污染以及材料热降解等问题。因此，虽然太阳能干燥技术具备规模化发展的潜力，但其设计应采用集成有除湿功能、热能储存装置、辅助加热系统以及优化气流控制的混合式太阳能系统。通过将这些系统有机整合，可实现连续化加工、保证产品品质的一致性、降低薪柴消耗，并推动干燥技术从传统的被动式太阳能干燥向具备气候适应能力的先进加工方式转型。

9. 结论

实现天然橡胶干燥的可持续发展，不仅涉及热量传递，还包括质量传递，而复杂的气候条件无疑会给这一转型带来挑战。本综述表明，由于太阳能供应的不稳定性、高环境湿度、水分重新吸收以及干燥不均匀等问题，单独的太阳能干燥技术无法在热带环境中实现稳定的工业级干燥效果。而高效且可大规模应用的天然橡胶干燥技术，则依赖于对温度、相对湿度以及气流的精准控制。因此，将除湿功能与热能储存、辅助加热以及优化气流相结合，才是实现低碳、具备气候适应能力且工业上可靠的天然橡胶加工技术的最佳路径。以下是本综述的核心结论总结：

•在传统工业中，烟熏干燥仍是最常用的干燥方法，但其缺点在于薪柴消耗量大、碳排放高、会产生烟雾污染，且产品品质不稳定，因此亟需开发更清洁、更可持续的干燥技术。
•单独的太阳能干燥技术虽具有环保优势，但由于存在干燥不均匀、水分重新吸收、高环境湿度以及太阳能供应不稳定等问题，难以在工业规模上稳定运行。
•在工业规模的天然橡胶干燥过程中，需要同时实现对温度、相对湿度以及气流的精准控制。而要实现稳定且具备气候适应能力的干燥效果，最佳方案是采用集成有除湿功能、热能储存装置、辅助加热系统以及优化气流控制的混合式干燥系统。
•未来应进一步开展研究，重点利用计算流体动力学辅助设计、基于人工智能的工艺控制技术以及离散元建模等方法，对智能干燥系统进行工业规模验证，并结合详细的技术经济分析，为这类干燥技术的商业化应用奠定基础。

作者贡献说明
Anakha Binulal：概念构思、可视化处理、初稿撰写。
Beno Wincy Winsly：概念构思、研究方法设计、研究指导、结果验证、文本润色与编辑。

资金支持
本研究未获得任何外部资金支持。

Anakha Binulal | Beno Wincy Winsly
印度泰米尔纳德邦金奈市600 069，金奈理工学院机械工程系