高速攪拌輔助對(duì)真空預(yù)冷純水過程中防飛濺的影響

廖彩虎 顏奕思 羅嘉玲 陳少濱 鐘瑞敏* 謝思蕓 肖仔君 朱建華

（1 韶關(guān)學(xué)院英東食品科學(xué)與工程學(xué)院 廣東韶關(guān)512005 2 韶關(guān)市食品藥品檢驗(yàn)所 廣東韶關(guān)512029）

真空預(yù)冷是利用降低壓強(qiáng)來降低水的沸點(diǎn)，依靠物料表面和組織內(nèi)水分蒸發(fā)帶走物料熱量的一種冷卻方法， 凡是含有自由水及孔隙結(jié)構(gòu)的物料理論上均能采用真空預(yù)冷來進(jìn)行冷卻[1]。基于其極其快速的預(yù)冷速率和便捷衛(wèi)生的操作方式，使得該技術(shù)獲得了極大地關(guān)注， 特別是在熟肉制品方面[1-14]。 然而，一些較明顯的缺陷如水分損失大、質(zhì)構(gòu)變硬及嫩度降低等使得該技術(shù)在熟肉制品的應(yīng)用上存在著一定的極限性[2-3，15]。 針對(duì)上述缺陷，一些相關(guān)的真空預(yù)冷優(yōu)化技術(shù)如浸漬真空預(yù)冷技術(shù)[3，16-23]、復(fù)合預(yù)冷技術(shù)[3，15]、脈沖浸漬真空預(yù)冷技術(shù)[24]、噴水真空預(yù)冷技術(shù)[25]等被相繼提出，上述研究中效果較好且研究最為集中的是浸漬真空預(yù)冷技術(shù)。 浸漬真空預(yù)冷技術(shù)主要是在真空預(yù)冷過程中始終將物料浸漬（通常為純水或者湯汁）直至預(yù)冷結(jié)束。由于物料始終被維持在浸漬液當(dāng)中，可以確保整個(gè)預(yù)冷過程中物料始終保持浸漬濕潤(rùn)狀態(tài)， 同時(shí)在預(yù)冷后復(fù)壓過程中又可將部分浸漬液在壓差作用下滲透至物料當(dāng)中以彌補(bǔ)水分的損失。相關(guān)研究結(jié)果表明，浸漬真空預(yù)冷有較傳統(tǒng)預(yù)冷（風(fēng)冷、水浸漬冷卻）更快的預(yù)冷速率，且有較真空預(yù)冷更低的水分損失和更優(yōu)質(zhì)的質(zhì)感（更高的嫩度和更低的硬度）[16-18]。 上述研究表明浸漬真空預(yù)冷作為一種優(yōu)化后的預(yù)冷技術(shù)， 在熟肉預(yù)冷方面能夠代替真空預(yù)冷技術(shù)。 盡管浸漬真空預(yù)冷在預(yù)冷速率、 水分損失及質(zhì)構(gòu)方面取得了非常好的預(yù)期結(jié)果， 但浸漬真空預(yù)冷過程中存在的大量浸漬液飛濺問題仍然未解決。

浸漬液飛濺問題的解決已經(jīng)成為影響浸漬真空預(yù)冷技術(shù)是否能夠在食品工業(yè)中應(yīng)用的關(guān)鍵，其原因是浸漬液飛濺不僅導(dǎo)致真空箱體的污染，而且由此引起的質(zhì)量損失也是企業(yè)無法接受的，特別是一些湯汁的飛濺。Song[27]等利用高清攝像頭對(duì)真空預(yù)冷過程中純水飛濺的機(jī)理展開了相關(guān)研究。其結(jié)果表明，真空預(yù)冷過程中純水的飛濺與常壓下蒸煮所致純水飛濺不同， 關(guān)鍵是引起水飛濺所形成氣泡的機(jī)理不同。 真空狀態(tài)下氣泡的形成是由于壓差而導(dǎo)致的， 而常壓下氣泡的形成是因溫差而致。其研究表明，真空狀態(tài)下當(dāng)真空箱體內(nèi)部壓強(qiáng)降至純水溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓時(shí)，容器的壁部和底部能夠優(yōu)先產(chǎn)生小的氣泡， 其在壓差作用下迅速（時(shí)間為0.36 s）脫離壁部和底部而上升至純水的液面， 小氣泡在上升過程中發(fā)生體積增加或者與其它小氣泡累積而最終形成大氣泡，并在純水表面發(fā)生爆破，從而引起純水的大量飛濺。 如此大能量的爆破通常會(huì)導(dǎo)致液體大量飛濺而引起水分巨大損失（高達(dá)42%）。不難發(fā)現(xiàn)，通過減少壓差來減少氣泡的產(chǎn)生量和氣泡上升速率、 增大液面面積來緩解純水爆破的能量或者采取有效的措施來抑制或者破壞氣泡是解決上述問題的關(guān)鍵。

Song 等[27]通過將調(diào)節(jié)真空泵的抽氣速率來控制飛濺，結(jié)果表明：當(dāng)真空泵的抽氣速率由0.002 m3/s 降至0.0012 m3/s 時(shí)，水飛濺損失量隨之減少，然而預(yù)冷時(shí)間也會(huì)隨之增加。 范磊等[28]通過利用分段式降壓法和回壓法來進(jìn)行防飛濺研究， 結(jié)果表明該方法可使水分損失減少38%， 導(dǎo)致預(yù)冷速率的下降。 上述研究都存在著一個(gè)明顯的缺陷就是： 降低壓強(qiáng)下降速率或者減少抽氣速率都必然會(huì)大大增加預(yù)冷時(shí)間和降低預(yù)冷速率， 無法發(fā)揮真空預(yù)冷快速降溫的優(yōu)勢(shì)。 而針對(duì)浸漬真空預(yù)冷過程中浸漬液防飛濺的研究特別是輔助其它動(dòng)力系統(tǒng)的研究卻鮮見報(bào)告。

基于此， 作者在前期的研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)通過在真空預(yù)冷過程中增加攪拌使浸漬液始終維持高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，能夠取得非常明顯的效果。 然而，針對(duì)該方式所涉及的相關(guān)操作參數(shù)如攪拌轉(zhuǎn)速、壓強(qiáng)下降速率、 冷媒溫度等以及它們之間的相互關(guān)系及其對(duì)純水防飛濺的影響并未得到相關(guān)研究。同時(shí)，真空預(yù)冷過程中，每單位時(shí)間間隔內(nèi)水分理論損失、實(shí)際損失及飛濺量參數(shù)的變化，以及飛濺量與壓強(qiáng)差的關(guān)系等（純水飽和蒸汽壓與真空箱體壓強(qiáng)之差）均未見報(bào)道。本文應(yīng)用不同的壓強(qiáng)下降速率、 冷媒溫度及攪拌轉(zhuǎn)速來研究真空預(yù)冷過程中的純水飛濺， 同時(shí)通過過程中及預(yù)冷后的理論水分損失、 實(shí)際水分損失及飛濺量等指標(biāo)來研究上述操作參數(shù)對(duì)防飛濺影響， 并利用高清攝像頭來觀察上述條件下水形態(tài)的變化， 旨在為高速攪拌輔助對(duì)真空預(yù)冷純水過程中的防飛濺效果研究提供理論依據(jù)， 同時(shí)也為真空預(yù)冷過程中浸漬液的飛濺提供有效的解決方法。

1 真空預(yù)冷防飛濺模型

1.1 設(shè)備模型

圖1 真空預(yù)冷設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of the vacuum cooling equipment

真空預(yù)冷設(shè)備示意圖如圖1 所示。其中，真空箱體體積為0.5 m3，真空泵（Ley-bold，D8G，德國(guó)萊寶公司，德國(guó)）和蒸氣冷凝器用于降低真空箱壓強(qiáng)，真空箱體壓強(qiáng)由壓強(qiáng)傳感器（Ley-bold，手持式數(shù)字真空規(guī)THERMOVAC TM101，德國(guó)萊寶公司，德國(guó)）測(cè)定，其在1 000 至120 000 Pa 測(cè)量精度為±0.3%滿刻度、 在0.2 至1 000 Pa 測(cè)量精度為±10%滿刻度，測(cè)量數(shù)據(jù)可以自動(dòng)儲(chǔ)藏并通過內(nèi)置軟件導(dǎo)入至電腦中。 終壓通過電磁閥調(diào)節(jié)控制在（650±50）Pa 以防止純水結(jié)冰。 溫度由溫度傳感器（Testo，176-T4，德國(guó)德圖公司）測(cè)定，記錄時(shí)間設(shè)定為每1 s 記錄一次。真空預(yù)冷過程中純水的形態(tài)變化由高清攝像頭（Hikvsion，DS-2CD3310-1，杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司）通過真空箱體頂部的光源來記錄。 磁力攪拌器（Jinyi，85-2B， 江蘇金怡儀器科技有限公司）作為輔助設(shè)備用于提供純水預(yù)冷過程中不同的攪拌速率。 質(zhì)量傳感器 （METTLER TOLEDO，ME4001E， 瑞士梅特勒-托利多公司）用于測(cè)定真空預(yù)冷中純水在每單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量的變化。 上述的每單位時(shí)間內(nèi)純水的溫度、質(zhì)量由數(shù)據(jù)收集平臺(tái)自動(dòng)收集。壓強(qiáng)下降速率通過調(diào)節(jié)電磁閥V-1 并使其固定在某一刻度來獲得。 蒸氣冷凝器由盤管運(yùn)行的載冷劑（50%乙二醇+50%水）組成，載冷劑的溫度和速度（1±0.1）m/s 由制冷系統(tǒng)、泵等一起控制，確保載冷劑在設(shè)定的溫度下運(yùn)行。

1.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟具體如下：1）將0.2 kg，75 ℃的純水倒入燒杯中；2）將光源、 磁力攪拌器及高清攝像頭始終保持開啟狀態(tài)并維持至預(yù)冷結(jié)束；3）開始試驗(yàn)之前，通過調(diào)節(jié)不同的冷媒溫度（0，-5，-10℃）、不同的攪拌轉(zhuǎn)速（300，600，900，1 200，1 500，0 r/min 作為對(duì)照組）、不同的壓強(qiáng)下降速率（0.21，0.3，0.48 min-1）來進(jìn)行試驗(yàn)，將純水溫度降至4 ℃結(jié)束。 同時(shí)，每個(gè)試驗(yàn)做3 次平行樣，即共162 次試驗(yàn)。

1.3 數(shù)學(xué)計(jì)算

術(shù)語：Tw：水溫 （K）；mw：純水質(zhì)量（g）；Cp：比熱（KJ kg-1k-1）；Y：壓強(qiáng)下降速率（min-1）；hfg：潛熱（kJ kg-1）；P0：大氣壓（Pa）；P箱：真空箱體絕對(duì)壓強(qiáng)（Pa）；Psat：飽和蒸汽壓（Pa）；ΔP：飽和蒸汽壓強(qiáng)與真空箱體壓強(qiáng)之差（Pa）；ΔmTWL：每單位時(shí)刻理論水分損失量（g）；ΔmAWL：每單位時(shí)刻實(shí)際水分損失量（g）；ΔmWLWS：每單位時(shí)刻水飛濺量（g）；ΔmTAWL：預(yù)冷后總實(shí)際水分損失量（g）；ΔmTTWL：預(yù)冷后總理論水分損失量（g）；ΔmTWLWS：預(yù)冷后總水滴飛濺損失量（g）；TAWLR：預(yù)冷后總實(shí)際水分損失率（%）；TTWLR：預(yù)冷后總理論水分損失率（%）；TWLRWP：預(yù)冷后總飛濺損失率（%）。

下標(biāo)：i：時(shí)間間隔（1s 作為一個(gè)刻度）；0：初始條件。

為了獲得預(yù)冷過程中單位時(shí)間（1 s）中的相關(guān)參數(shù)如ΔmAWL、ΔmTWL、ΔP、ΔmWLWS值及其關(guān)系，需對(duì)其作如下假設(shè)：

1）預(yù)冷前，燒杯內(nèi)部各處水溫均一致；

2）基于真空環(huán)境和保溫棉， 忽略熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對(duì)流；

3）預(yù)冷過程中，由于水高度值較小及沸騰等原因，故假設(shè)預(yù)冷過程中不同位置處水溫一致；

4）前期研究表明，大量純水飛濺出現(xiàn)的時(shí)間和飛濺量雖然不規(guī)律，但具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，故利用dt 作為一個(gè)時(shí)間間隔來研究其相關(guān)參數(shù)過程變化。為了研究方便，用Δt 代替dt?；谠囼?yàn)條件限制，用1s 作為一個(gè)時(shí)間間隔代替Δt。

根據(jù)上述假設(shè)，通過能量守恒定律，理論水分損失值ΔmTWL能夠通過下面公式（1）計(jì)算：

式中：cp為純水的比熱系數(shù) （假定為常數(shù)4.187 kJkg-1k-1）； ΔT 和mw分別為單位時(shí)刻段（從ti-1到ti，其中，i 從1 到n，每個(gè)間隔時(shí)間為1 s，假設(shè)預(yù)冷總時(shí)間為n（s））純水所對(duì)應(yīng)的溫差，℃和平均質(zhì)量，g。hfg為該時(shí)刻段的平均溫度Tw所對(duì)應(yīng)的潛熱，KJ kg-1k-1。

其表達(dá)式分別為：

式中：Tw，i-1、Tw，i分別為溫度傳感器在i 時(shí)刻所探測(cè)到的溫度，℃；mw，i-1、mw，i分別為質(zhì)量傳感器探測(cè)到的質(zhì)量，g。

上述表達(dá)式中Tw，i-1、Tw，i能夠直接被溫度傳感器探測(cè)；mw，i-1、mw，i能夠直接被質(zhì)量傳感器探測(cè)。故理論水分損失ΔmTWL能夠被公式（1）計(jì)算出，同時(shí)此時(shí)刻的實(shí)際水分損失量ΔmAWL能夠通過如下表達(dá)式獲得：

因此，此時(shí)刻的純水飛濺量ΔmWLWS能夠用下面的公式（7）來表示：

式中：ΔmTWL為每單位時(shí)刻理論水分損失量，g；ΔmAWL為每單位時(shí)刻實(shí)際水分損失量，g；ΔmWLWS為每單位時(shí)刻水飛濺量，g。

一般相對(duì)于真空預(yù)冷食品而言，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射等傳統(tǒng)傳熱方式幾乎都可忽略不計(jì)，所以理論上認(rèn)為其水分損失量上由飽和水蒸汽壓和真空箱壓之差ΔP 來決定。 基于此，Song 等[27]認(rèn)為通過控制壓強(qiáng)下降速率將是解決真空預(yù)冷過程中純水爆沸及飛濺的主要方法。然而，真空預(yù)冷純水過程中的飛濺量包括過程中出現(xiàn)的最大飛濺量是否與預(yù)冷過程中的壓強(qiáng)差存在著正相關(guān)還鮮見報(bào)道。那么，研究預(yù)冷過程特別是針對(duì)每個(gè)單位時(shí)刻的壓強(qiáng)差值及飛濺量值就變得非常有必要。Psat、 ΔP 分別為單位時(shí)刻段（從ti-1到ti）純水平均溫度（Tw）所對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓值[29]以及此時(shí)刻段飽和蒸氣壓值與箱體絕對(duì)壓值之差， 其表達(dá)式分別為：

式中， P箱，i、P箱，i-1分別由壓力傳感器在時(shí)刻（從ti-1到ti）所測(cè)得的真空箱壓強(qiáng)，Pa；Psat為飽和蒸氣壓，Pa；ΔP飽和蒸汽壓強(qiáng)與真空箱體壓強(qiáng)之差， Pa。

所以，其表達(dá)式如下：

式中：ΔmTAWL、ΔmTTWL和ΔmTWLWS是預(yù)冷結(jié)束后總的實(shí)際水分損失量、 總的理論水分損失量和總的飛濺損失量，g。

預(yù)冷后純水總的理論水分損失率、 實(shí)際水分損失率和飛濺損失率分別為：

式中：mw，0為純水的初始質(zhì)量，g。 TAWLR 為預(yù)冷后總實(shí)際水分損失率，%；TTWLR 為預(yù)冷后總理論水分損失率，%；TWLRWP 預(yù)冷后總飛濺損失率，%。

壓強(qiáng)下降速率模型可采用Donald 和Sun[10]的方法，其表達(dá)式如下：

其中：t 為壓強(qiáng)從100 000 Pa 降至650 Pa 所用的時(shí)間，單位為min。P箱為操作終了時(shí)真空箱體的絕對(duì)壓強(qiáng)，650 Pa。 P0為大氣壓，100 000 Pa。 試驗(yàn)通過調(diào)整電磁閥V-1 并使其固定在某一刻度以獲得不同的壓強(qiáng)下降速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同壓強(qiáng)下降速率

圖2 不同壓強(qiáng)下降速率下壓強(qiáng)下降曲線圖（冷媒溫度為-10 ℃且為內(nèi)置無樣品時(shí)測(cè)定）Fig.2 Curve of pressure drop from the 1 000 mbar to 650 for different pressure reduction rate when the cooling medium temperature is -10 ℃

圖2為無內(nèi)置樣品時(shí)且冷媒溫度為-10 ℃，并通過調(diào)節(jié)不同電磁閥V-1 開度所獲得的壓強(qiáng)下降曲線圖。由壓強(qiáng)下降曲線圖可知，通過調(diào)節(jié)不同的電磁閥V-1 開度能夠獲得不同的壓強(qiáng)下降速率。 由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過調(diào)節(jié)電磁閥的開度，使得真空箱體內(nèi)壓強(qiáng)由100 000 降至650 Pa 所用的時(shí)間分別為10.5，16.8 和24 min。通過公式（17）可知其壓強(qiáng)下降速率分別為0.48，0.3，0.21 min-1。

2.2 不同攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)真空預(yù)冷純水過程中ΔP、ΔmTWL、ΔmAWL、ΔmWLWS 的影響

圖3（a-f）分別描述了不同攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)真空預(yù)冷（壓強(qiáng)下降速率為0.48 min-1及冷媒溫度為-10℃）純水過程中ΔP、ΔmTWL、ΔmAWL、ΔmWLWS的影響。左側(cè)縱坐標(biāo)Y 軸表示壓強(qiáng)差（mbar），右側(cè)縱坐標(biāo)Y 軸表示質(zhì)量損失量（g），橫軸X 軸表示預(yù)冷時(shí)間（min）。 從圖3（a-f）可知，不難發(fā)現(xiàn)不同攪拌速率下的ΔP、ΔmTWL、ΔmWLWS、ΔmAWL值均隨著預(yù)冷過程而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)， 不同攪拌速率下的值變化幾乎趨于一致，且均在“閃點(diǎn)”處達(dá)到最大，與圖5 溫度下降趨勢(shì)相同及“閃點(diǎn)”處溫度下降速率最快的結(jié)論相一致。

根據(jù)大量高清攝像頭所反饋的圖像及相關(guān)文獻(xiàn)資料[30]，可將真空預(yù)冷過程中純水所表現(xiàn)出的形態(tài)進(jìn)行分類。 以圖3（a）攪拌轉(zhuǎn)速為例，從0 s 到135 s， 純水的形態(tài)主要表現(xiàn)為霧化且純水溫變化不大，將此階段稱為Ⅰ階段；從135 s 到270 s，純水的形態(tài)發(fā)生了由小氣泡到大氣泡直至到初步沸騰的階段變化， 該階段最明顯的特點(diǎn)就是溫度快速下降但未出現(xiàn)爆沸和飛濺現(xiàn)象， 故將此階段稱為Ⅱ階段；Ⅰ、Ⅱ階段均未出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象。 從270 s 到540 s， 該階段最典型的特點(diǎn)就是純水出現(xiàn)了猛烈的爆沸及大量的飛濺現(xiàn)象， 純水飛濺導(dǎo)致水分的損失主要集中在該階段，如圖3（a-c）所示，故稱為Ⅲ階段；從540 s 到648 s，純水的飛濺大大地減弱，僅出現(xiàn)少量的液滴飛濺，為區(qū)分將此階段稱為Ⅳ階段。

圖3 不同轉(zhuǎn)速對(duì)真空預(yù)冷（壓強(qiáng)下降系數(shù)0.48 min-1、冷媒溫度-10 ℃）水過程中的ΔmAWL、ΔmTWL、ΔP、ΔmWLWS 的影響Fig.3 Effect of different agitation speeds on the ΔmAWL、ΔmTWL、ΔP、ΔmWLWS， during vacuum cooling pure water process when the pressure reduction rate is 0.48 min-1 and cooling medium temperature is -10 ℃

如果能夠有效地控制Ⅲ階段使得純水不出現(xiàn)爆沸和飛濺現(xiàn)象則能夠達(dá)到預(yù)防飛濺的效果。 從圖3（a-f）可知，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速達(dá)到900 r/min 時(shí)，Ⅲ階段并不存在或者并未能觀察到， 而當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min 時(shí)，Ⅲ、Ⅳ階段均不存在或者并未能觀察到。 由下表1 可知，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速?gòu)? 到1 500 r/min 時(shí)，純水飛濺總損失率TWLRWP 分別為27.37%，16.39%，8.25%，3.00%，2.97%和2.70%，呈明顯下降趨勢(shì)。而總理論水分損失率TTWLR 則分別為9.42%，9.52%，9.98%，10.23%，10.01%，且差異不顯著（P＞0.05）。 基于此，不難發(fā)現(xiàn)增加攪拌轉(zhuǎn)速能夠明顯地抑制純水的飛濺及爆沸， 特別是當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速達(dá)到或者超過900 r/min 時(shí)。 同時(shí)也發(fā)現(xiàn)， 攪拌轉(zhuǎn)速900，1 200，1 500 r/min 對(duì)純水飛濺損失率不存在顯著性差異（P＞0.05），所以可將900 r/min 作為該操作條件下的臨界攪拌轉(zhuǎn)速。

除此之外，從表1 中還可以獲知0 r/min 時(shí)最大飛濺量及最大壓差值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)幾乎是相同的。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為0，300，600，900，1 200 和1 500 r/min 時(shí)， 其對(duì)應(yīng)的最大壓差值分別為885，436，411，189，182 和172 Pa， 而純總水飛濺損失率為27.37%，16.39%，8.25%，3.00%，2.97%和2.70%，表明了預(yù)冷過程中最大壓差值（y）與總水飛濺率（x）存在著一定的相關(guān)性（y=1.08+26.7x，R2=0.93），如圖4 所示。其原因可能是增加攪拌時(shí)，純水的溫度下降速率更快（如圖5 所示），更快的下降速率導(dǎo)致更低的純水飽和蒸汽壓， 所以在相同壓強(qiáng)降速率情況下，壓強(qiáng)差ΔP 值自然就更小，而更小的壓強(qiáng)差ΔP 降低了水分飛濺的可能性。 另外可能的解釋是增加攪拌能夠有效地驅(qū)散或者打破真空預(yù)冷過程中產(chǎn)生的氣泡， 使其在從燒杯壁面或底部脫離上升到液面過程中不會(huì)發(fā)生蓄積而形成大氣泡，當(dāng)然，有效地分散真空預(yù)冷過程中由于純水上下位置溫度不均勻而導(dǎo)致過大的局部能量的產(chǎn)生也是其可能原因之一。

表1 不同轉(zhuǎn)速對(duì)真空預(yù)冷（壓強(qiáng)下降系數(shù)0.48 min-1、冷媒溫度-10 ℃）純水后TTWLR、TAWLT、TWLTWP 以及“閃點(diǎn)”、最大壓差、最大飛濺量時(shí)間點(diǎn)及最大壓差值的影響Table 1 Effect of different agitation speeds on the TTWLR， TAWLT， TWLTWP as well as time the point of flash point，maximum ΔP， maximum ΔmWLWS and the value of maximum ΔP cooling time during vacuum cooling pure water process when cooling medium temperature is -10 ℃and pressure reduction rater is 0.48 min-1

不同攪拌轉(zhuǎn)速下真空預(yù)冷（壓強(qiáng)下降速率為0.48 min-1及冷媒溫度為-10 ℃）純水降溫曲線如圖5 所示。 不同攪拌轉(zhuǎn)速下真空預(yù)冷純水溫度下降趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)先平緩，再快速下降，最后再趨于平衡的過程， 與典型真空預(yù)冷物料的研究相一致。研究還發(fā)現(xiàn)，增大攪拌速度能夠有效地提高預(yù)冷速率和降低預(yù)冷時(shí)間。 當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速?gòu)? 到1 500 r/min 時(shí)，其預(yù)冷時(shí)間分別為10.8，10.5，9.5，9.3，9.0 和8.5 min，由此說明增加攪拌速率不僅不會(huì)降低預(yù)冷速率反而會(huì)加快預(yù)冷速率， 該預(yù)冷速率的增加較為有利地降低水的飽和蒸汽壓， 從而降低預(yù)冷過程中的壓差ΔP。 當(dāng)然，快速的攪拌速率能夠有效地降低燒杯內(nèi)純水溫度的差異， 從而有效地避免燒杯內(nèi)純水在真空預(yù)冷過程中存在“上冷下高”而導(dǎo)致能量瞬間的爆發(fā)或許也是減少飛濺重要原因之一。

圖4 真空預(yù)冷純水總飛濺損失率與最大壓強(qiáng)差值之間的關(guān)系Fig.4 Relationship of between TWLRWP and maximum ΔP during vacuum cooling pure water process

圖5 不同轉(zhuǎn)速對(duì)真空預(yù)冷（壓強(qiáng)下降系數(shù)0.48 min-1、冷媒溫度-10 ℃）水降溫速率的影響Fig.5 Effect of different agitation speeds on the cooling curve during vacuum cooling pure water process when the pressure reduction rate is 0.48 min-1 and cooling medium temperature is -10 ℃respectively

2.3 不同攪拌速率、壓強(qiáng)下降速率及冷媒溫度對(duì)純水預(yù)冷后總飛濺率的影響

圖6 描述了不同壓強(qiáng)下降速率、冷媒溫度及不同攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)真空預(yù)冷純水飛濺率的影響。 針對(duì)本文所設(shè)定的壓強(qiáng)下降速率和冷媒溫度下， 隨著攪拌速度的增加，純水飛濺率均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且存在顯著差異（P<0.05）。 從圖6 可以看出，900 r/min 能夠作為臨界攪拌轉(zhuǎn)速，即當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速大于或者等于900 r/min 時(shí)能夠?qū)⒄婵疹A(yù)冷純水飛濺率降至最小范圍。 當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為零或者無攪拌的情況下， 真空預(yù)冷純水飛濺率高達(dá)27.37%（冷媒溫度-10 ℃、壓強(qiáng)下降速率0.48 min-1），主要是由于無攪拌狀態(tài)下真空預(yù)冷純水過程中存在著幾次較為猛烈的爆沸和飛濺。 相比于冷媒溫度對(duì)總飛濺率的影響， 壓強(qiáng)下降速率要更加明顯。 研究表明，對(duì)于不同的冷媒溫度，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min 及以上時(shí)， 壓強(qiáng)下降速率越低則純水飛濺率也越低。 另外，研究也表明，更低的抽氣速率結(jié)合更快的攪拌速率和更高的冷媒溫度能夠取得最為理想的防飛濺效果。不過，相比于壓強(qiáng)下降速率和冷媒溫度對(duì)水總飛濺率影響， 攪拌轉(zhuǎn)速則要顯著得多。整體而言，攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)純水飛濺的抑制效果要遠(yuǎn)好于壓強(qiáng)下降速率， 而壓強(qiáng)下降速率又要好于冷媒溫度。

圖6 不同壓強(qiáng)下降速率和轉(zhuǎn)速對(duì)真空預(yù)冷（冷媒溫度分別為0、-5、-10 ℃）純水后總飛濺的影響Fig.6 Effect of different pressure reduction rate and different agitation speed on the rate △Mttwlws to mw，0 during vacuum cooling process when the cooling medium temperature is 0， -5，-10 ℃respectively

3 結(jié)論

在前期文獻(xiàn)和相關(guān)預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 本文創(chuàng)新性地提出利用高速攪拌輔助的方式來開展對(duì)真空預(yù)冷純水過程中的防飛濺研究。 增加攪拌能夠明顯地抑制真空預(yù)冷過程中純水的飛濺， 特別是當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到或者超過900 r/min 時(shí)，防飛濺的效果極其明顯。 真空預(yù)冷過程中增加攪拌不僅不會(huì)影響冷卻速率，相反還會(huì)增加預(yù)冷速率。綜合比較而言，針對(duì)所設(shè)定的操作參數(shù)中，攪拌速率對(duì)防飛濺的影響要明顯強(qiáng)于壓強(qiáng)下降速率和冷媒溫度。 同時(shí)，相對(duì)冷媒溫度而言，壓強(qiáng)下降速率對(duì)防飛濺的影響則更大。同預(yù)期結(jié)論一樣，真空預(yù)冷純水過程中的壓強(qiáng)差與飛濺量在低攪拌轉(zhuǎn)速情況下存在著較好的相關(guān)性（R2=0.93）。 真空預(yù)冷過程中的高速攪拌在真空預(yù)冷防飛濺的過程中也許扮演著兩種重要的角色， 其一是增加攪拌有利于快速降低純水的溫度從而可以降低預(yù)冷過程中純水飽和蒸汽壓和真空箱體壓強(qiáng)之差以便可以有效地抑制飛濺； 其二是高速攪拌有利于分散或者打破預(yù)冷過程中從容器底部或者壁部脫離的氣泡在上升至液面所形成的大氣泡從而能夠有效地抑制飛濺。 關(guān)于增加攪拌速率達(dá)到防飛濺的機(jī)理特別是關(guān)于高速攪拌過程中氣泡的流動(dòng)學(xué)性質(zhì)則是后期研究的重點(diǎn)。另外，在一些極限的壓強(qiáng)下降速率下研究高速攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)防飛濺的影響則仍然非常具有研究?jī)r(jià)值。 本文能夠?yàn)檎婵疹A(yù)冷浸漬液（純水或者湯汁）提供相關(guān)的理論依據(jù)，同時(shí)也能為真空預(yù)冷過程中浸漬液的飛濺提供可行的解決方法。