小型蓄冷式帶柄鮮枸杞真空預(yù)冷裝置設(shè)計與試驗

鄧改革 康寧波 王松磊, 劉貴珊 何建國,

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 銀川 750021； 2.中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院信息工程學(xué)院， 銀川 750021；3.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 銀川 750021)

0 引言

枸杞鮮果為漿果類果實，皮薄肉厚，含水、含糖量高，采后如不及時降溫冷卻，在較高溫度下極易受機械損傷和微生物的影響而腐爛變質(zhì)[1]。采后及時預(yù)冷是延長枸杞鮮果保質(zhì)期的有效途徑[2-10]。傳統(tǒng)冷庫預(yù)冷方式降溫速度慢，且不均勻，預(yù)冷期間枸杞較強的呼吸作用容易使其營養(yǎng)成分消耗過快，造成品質(zhì)下降。真空預(yù)冷技術(shù)通過水分在真空條件下迅速蒸發(fā)、吸熱來降低果蔬自身的溫度[11]，與其他預(yù)冷方式相比，具有降溫迅速和降溫均勻的顯著優(yōu)勢，因此，受到越來越多的重視。

國內(nèi)外不少學(xué)者對真空預(yù)冷進行了研究。文獻[12]采用響應(yīng)面法結(jié)合遺傳算法對西蘭花采后真空預(yù)冷進行優(yōu)化，確定了西蘭花的最佳真空預(yù)冷工藝參數(shù)；文獻[13]對真空冷卻和常規(guī)冷卻肉丸的微生物狀況進行了分析；文獻[14]研究了改良氣氛真空冷卻(MAVC)對3種不同葉白菜品質(zhì)的影響；文獻[15]進行了冬棗真空預(yù)冷預(yù)處理方法篩選的研究；文獻[16]進行了菜心真空預(yù)冷效果的試驗研究，探討了其對真空預(yù)冷的適應(yīng)性；文獻[17]將塑料薄膜包裝袋與真空預(yù)冷技術(shù)相結(jié)合的冷藏保鮮技術(shù)應(yīng)用于子芋上，研究分析了其冷藏保鮮效果；文獻[18]設(shè)計了真空預(yù)冷裝置的計算機檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了真空預(yù)冷過程中真空室內(nèi)壓力、產(chǎn)品質(zhì)量和溫濕度數(shù)據(jù)的實時測量；文獻[19]進行了柱形蔬菜的真空預(yù)冷試驗，探討了其預(yù)冷方式的有效性。

上述研究主要集中在真空預(yù)冷工藝參數(shù)及真空預(yù)冷后果蔬品質(zhì)變化等方面，所涉及到的真空預(yù)冷裝置存在體積大、能耗高，且捕水器捕水量不能適應(yīng)水蒸氣蒸發(fā)量等的問題。目前，針對漿果類，尤其是枸杞的真空預(yù)冷裝置及真空預(yù)冷效果方面的研究鮮有報道。本文對小型蓄冷式帶柄鮮枸杞真空預(yù)冷設(shè)備進行研究，對關(guān)鍵部件參數(shù)進行設(shè)計計算，并試驗驗證設(shè)備的性能，以期為漿果類小型蓄冷真空預(yù)冷裝置設(shè)計提供參考。

1 總體設(shè)計方案

1.1 技術(shù)要求

真空預(yù)冷對象是中寧產(chǎn)頭茬帶柄鮮枸杞。設(shè)計要求通過該真空預(yù)冷裝置能夠使10 kg鮮枸杞的中心溫度在25 min內(nèi)從25℃降至保鮮溫度4.0℃；同時要求采用鹽水蓄冷的方式為捕水器的正常運行提供充足的冷量。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)技術(shù)要求本文設(shè)計了小型蓄冷式帶柄鮮枸杞真空預(yù)冷裝置，該裝置主要由補水管、真空預(yù)冷裝置罐體、攝像頭、空氣溫濕度傳感器、中心溫度探頭、壓力探頭、控制面板、捕水器、真空壓力表、進氣口消聲器、真空泵、膨脹閥、冷凝器、壓縮機、制冷鹽水箱和鹽水循環(huán)泵組成。小型蓄冷式枸杞真空預(yù)冷裝置整機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 小型蓄冷式枸杞真空預(yù)冷裝置整機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of whole machine structure of small cold storage type wolfberry vacuum precooling device1.真空預(yù)冷補水管 2.真空預(yù)冷裝置罐體 3.空氣溫濕度傳感器 4.中心溫度探頭 5.壓力探頭 6.控制面板 7.捕水器 8.真空壓力表 9.進氣口消聲器 10.真空泵 11.膨脹閥 12.冷凝器 13.壓縮機 14.制冷鹽水箱 15.鹽水循環(huán)泵

其工作原理為：首先啟動裝置的鹽水蓄冷制冷系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)將鹽水箱中鹽水溫度降至-20℃，打開鹽水泵啟動捕水系統(tǒng)；啟動真空泵將真空罐中氣體排至罐外，隨著罐內(nèi)壓力降至水閃發(fā)點，枸杞表面水分迅速蒸發(fā)，并不斷從枸杞表面吸收熱量，枸杞溫度逐漸降低；真空罐內(nèi)壓力傳感器和溫度傳感器實時監(jiān)測罐體內(nèi)壓力和枸杞溫度，當(dāng)溫度達到設(shè)定溫度時，預(yù)冷過程完成。

1.3 理論分析

(1)數(shù)學(xué)模型及假設(shè)

在枸杞真空預(yù)冷過程中真空罐可視為絕熱容器，其表面水分蒸發(fā)后從枸杞自身吸收熱量，枸杞表面溫度及含水率均降低，導(dǎo)致枸杞內(nèi)部與表面存在較大的溫度梯度和水分梯度，在梯度勢作用下枸杞表面與內(nèi)部存在傳熱和傳質(zhì)的熱濕遷移現(xiàn)象[20]，如圖2所示。

圖2 枸杞內(nèi)部水分熱量遷移Fig.2 Wolfberry internal heat moisture migration

在枸杞真空預(yù)冷過程中，真空罐中水蒸氣被真空泵抽走使其水蒸氣化學(xué)勢小于枸杞表面空氣中水蒸氣化學(xué)勢，導(dǎo)致枸杞表面水蒸氣向真空罐空氣側(cè)移動，破壞了枸杞表面自由水間化學(xué)勢平衡，枸杞內(nèi)部自由水將補充到其表面空氣并擴散至真空罐空氣中，使枸杞溫度降低。為了便于分析計算，建立半徑為R的類球形數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。并進行理論假設(shè)：真空罐中空氣和水蒸氣視為理想氣體；枸杞視為類球形物體，各向同性，在真空預(yù)冷過程中物性參數(shù)恒定，不發(fā)生形變；枸杞內(nèi)部水分遷移以液態(tài)形式進行，并且水分的蒸發(fā)只在枸杞表面進行；枸杞表面?zhèn)髻|(zhì)邊界層很薄，假定其僅有傳質(zhì)而無熱交換[2]。

圖3 枸杞表面水蒸氣擴散Fig.3 Wolfberry surface water vapor diffusion

(2)枸杞表面?zhèn)髻|(zhì)邊界層理論分析

在傳質(zhì)交換過程中，枸杞表面與真空罐空氣之間形成傳質(zhì)邊界層，如圖3所示，水蒸氣的擴散通過邊界層完成，該邊界層對冷卻過程有較大的影響。將該傳質(zhì)邊界層劃分為上、下氣體層，接近枸杞表面的下層氣體水蒸氣分壓近似等于枸杞表面溶液飽和壓力，而接近真空罐上層氣體水蒸氣分壓近似等于真空罐中水蒸氣分壓力，且下層氣體水蒸氣分壓高于上層，所以枸杞表面水蒸氣擴散方向為自下而上[2]。建立水蒸氣擴散的模型，假設(shè)水蒸氣質(zhì)通流量為m，擴散距離為y，如圖4所示，圖中paw、pfw、pw分別表示真空罐中水蒸氣分壓、枸杞模型表面水蒸氣分壓及枸杞表面溫度所對應(yīng)純水的飽和水蒸氣壓力。在傳質(zhì)邊界層中，水蒸氣通過枸杞表面擴散至真空罐中，空氣向枸杞表面擴散，但空氣無法通過枸杞表面，最終導(dǎo)致部分空氣混合物整體向真空罐流動，使枸杞表面壓力保持平衡。定義該股整體流動質(zhì)的平均速度為v，由于在傳質(zhì)過程中傳質(zhì)邊界層空氣與水蒸氣混合物總壓力p保持不變，故傳質(zhì)邊界層中壓力梯度表示見圖4b。

圖4 傳質(zhì)邊界層中水蒸氣擴散Fig.4 Water vapor diffusion in mass transfer resistance layer

引入質(zhì)擴散系數(shù)D表示物質(zhì)擴散能力，假定已知溫度為T0，壓力為p0，在該狀態(tài)下的質(zhì)擴散系數(shù)為D0時，任意狀態(tài)下質(zhì)擴散系數(shù)D與溫度T、壓力p的關(guān)系可表示為[21]

(1)

由文獻[2]可得枸杞表面水蒸氣擴散量與真空罐中水蒸氣分壓paw、貯藏環(huán)境壓力p的關(guān)系為

(2)

(3)

式中M——水蒸氣擴散量，kg/(m2·s)

l——擴散距離，m

Rw——氣體常數(shù)，kJ/kg

從式(2)、(3)可以得出：在真空預(yù)冷過程中枸杞表面水蒸氣擴散量隨真空罐中水蒸氣分壓paw與貯藏環(huán)境壓力p的減小而增大，隨著枸杞表面水蒸氣擴散量的增大其冷卻速率相應(yīng)提高。

2 關(guān)鍵部件及參數(shù)設(shè)計

2.1 真空泵選型計算

真空泵是真空預(yù)冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其抽氣速率和抽氣壓力直接決定了預(yù)冷速度和預(yù)冷終溫。真空泵在工作過程中需要將真空罐中的空氣以及部分未被捕水器捕捉的水蒸氣全部排出罐外。現(xiàn)通過計算確定真空泵相關(guān)參數(shù)。

(1)真空泵參數(shù)計算

真空泵所需的抽氣速率計算公式為[4]

(4)

其中

V=V1+V2+V3+V4

式中w——真空泵所需的抽氣速率，L/min

V——應(yīng)排氣體總體積，L

t——抽氣時間，min

V1——真空罐容積，L

V2——由外部泄漏入真空罐內(nèi)的氣體體積，L

V3——物品帶入氣體體積，L

V4——捕水器未收到的水蒸氣體積，L

真空罐容積為70.65 L，經(jīng)測試真空預(yù)冷過程中由外部泄漏入真空罐內(nèi)的氣體量為真空罐容積的30%，為21.195 L，根據(jù)經(jīng)驗物品帶入的氣體量按真空罐容積的10%計算，為7.065 L；參閱說明書該型號捕水器未收到的水蒸氣量按全部水蒸氣體積的25%計算，為90 712.5 L×25%=22 678.125 L，具體計算過程如下：

單位質(zhì)量水在壓力p條件下成為蒸氣時的容積計算公式為[4]

(5)

式中V0——單位質(zhì)量水蒸氣容積，L/g

T1——操作狀態(tài)的絕對溫度，K

操作溫度T1=273.15+4=277.15 K，操作壓力p=5.0×133.32=666.60 Pa，代入式(5)可得V0為221.25 L/g。

由于缺少枸杞真空預(yù)冷相關(guān)試驗資料，參考其他漿果類果品真空預(yù)冷補水率數(shù)據(jù)，按照4.1%的補水率進行計算，則水蒸發(fā)質(zhì)量為：10 kg×4.1%=410.00 g，總共產(chǎn)生水蒸氣體積V為90 712.50 L。

根據(jù)式(4)計算出真空泵的抽氣速率為911.08 L/min。

最終選定的真空泵為XD-0063型旋片式真空泵，抽氣速率為1 050 L/min，功率為2.2 kW，極限壓力10 Pa，轉(zhuǎn)速1 450 r/min。

(2)真空預(yù)冷冷負荷計算

裝置真空預(yù)冷冷負荷即捕水器捕水所需冷量[22]，10 kg枸杞由初溫25℃預(yù)冷到4.0℃所需冷量由枸杞表面水分蒸發(fā)的汽化潛熱提供，即

Qy=Cm′ΔT=m′αcγ=Qq

(6)

式中Qy——枸杞預(yù)冷所需熱負荷，kJ

Qq——枸杞自身水分汽化潛熱，kJ

m′——枸杞質(zhì)量，kg

C——枸杞比熱容，kJ/(kg·K)

ΔT——枸杞預(yù)冷前后溫差，取21 K

α——枸杞含水率，取80%

c——枸杞水分蒸發(fā)率，%

γ——水的汽化潛熱，2 498.2 kJ/kg

通過表1、2可計算得枸杞的綜合比熱容為3.69 kJ/(kg·K)，根據(jù)式(6)計算得到10 kg枸杞在真空預(yù)冷降溫過程中需要被外部吸收的熱量為774.90 kJ，真空預(yù)冷過程中水分蒸發(fā)率c為3.88%，即10 kg枸杞的水分蒸發(fā)質(zhì)量為10 000×3.88%=388.00 g。枸杞水分蒸發(fā)量應(yīng)100%被捕水器捕集，取10%的安全余量，即1.1×388.00 g=426.80 g，則捕水器的冷負荷為426.80 g水的汽化潛熱量，即

(7)

式中Q1——枸杞預(yù)冷捕水器所需冷量，kW

m0——捕水器捕水量，kg

τ——枸杞預(yù)冷時間，s

故裝置真空預(yù)冷冷負荷為0.711 kW。

表1 枸杞組成成分質(zhì)量分數(shù)Tab.1 Wolfberry components mass fraction %

表2 枸杞中主要成分的比熱容Tab.2 Specific heat capacity of main ingredients in wolfberry

2.2 鹽水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計

為了保證該試驗裝置運行的連續(xù)性以及滿足水大量蒸發(fā)時對冷量的需求，采用氯化鈣鹽水蓄冷的方式來儲存真空預(yù)冷所蓄冷量。根據(jù)設(shè)計要求鹽水蓄冷系統(tǒng)采用質(zhì)量分數(shù)為23.8%的氯化鈣水溶液，其起始凝固溫度為-25.7℃，密度為1 220 kg/m3，詳細參數(shù)如表3所示。

表3 氯化鈣水溶液的熱物理性質(zhì)Tab.3 Thermophysical properties of aqueous calcium chloride solution

鹽水工作溫度為-20～-5℃，該鹽水系統(tǒng)在工作時向真空預(yù)冷系統(tǒng)提供的冷量為774.9 kJ，當(dāng)鹽水溫度從-20℃上升至-10℃時所需鹽水量應(yīng)滿足

Qy=C1m1ΔT1

(8)

式中C1——鹽水比熱容，取2.91 kJ/(kg·K)

ΔT1——鹽水換熱前后溫差，取10 K

m1——鹽水質(zhì)量，kg

得到所需鹽水質(zhì)量為26.6 kg，其體積為21.8 L?？紤]鹽水無法裝滿鹽水箱以及預(yù)留一定的余量，最終設(shè)計的鹽水箱容積為50.0 L。

2.3 計算機檢測系統(tǒng)

通過計算機檢測系統(tǒng)實時檢測真空預(yù)冷過程中真空罐內(nèi)壓力、枸杞溫度、捕水器溫度等多個參數(shù)的變化[18]。真空罐中配置有3個空氣溫濕度傳感器來測量真空罐內(nèi)不同位置空氣的溫濕度；配置有3個熱電偶來測量真空罐內(nèi)枸杞中心溫度，其探頭尺寸(直徑×長度)為2 mm×15 mm；配置1個壓力變送器來測量真空罐內(nèi)的壓力，傳感器見圖5，具體參數(shù)如表4所示。傳感器將采集的溫濕度信息傳遞給單片機，單片機通過串口與計算機進行通信。通過采用專門開發(fā)的軟件，溫度、壓力設(shè)備運行時間等信息可以實時顯示并進行儲存。

圖5 溫濕度傳感器及壓力變送器Fig.5 Temperature and humidity sensor and pressure transmitter

表4 傳感器參數(shù)
Tab.4 Detailed parameters of sensor

名稱型號測量范圍測量精度空氣溫濕度傳感器RS-WS-N01-6溫度-40～80℃,相對濕度0～100%±0.5℃,±3%熱電偶HSTL-LWPT100-50～150℃±0.5℃壓力變送器BST9900100Pa～40MPa0.1%

經(jīng)游標(biāo)卡尺測量真空預(yù)冷鮮枸杞尺寸為：橫徑7.80～10.80 mm，至果柄根部縱徑17.10～21.52 mm。

3 樣機試驗及性能分析

根據(jù)技術(shù)要求試制的小型蓄冷式帶柄鮮枸杞真空預(yù)冷裝置如圖6所示。其整機尺寸(長×寬×高)為1 200 mm×600 mm×1 270 mm。

采用該裝置對8.714 kg帶柄鮮枸杞進行試驗驗證。在試驗驗證過程中通過補水箱對枸杞進行補水，補水前、補水后及真空預(yù)冷后帶柄鮮枸杞質(zhì)量分別為8.714 0、9.112 9、8.630 7 kg，經(jīng)計算枸杞補水率為4.50%，失水率為5.29%。真空預(yù)冷過程中枸杞中心溫度、真空預(yù)冷罐體內(nèi)壓力隨時間變化曲線如圖7所示。

圖6 小型蓄冷式帶柄鮮枸杞真空預(yù)冷裝置實物圖Fig.6 Physical map of small-scale cold storage type vacuum precooling device of fresh wolfberry with stem1.真空預(yù)冷補水管 2.真空預(yù)冷裝置罐體 3.真空泵 4.冷凝器 5.控制面板 6.鹽水箱 7.壓縮機 8.膨脹閥

圖7 真空預(yù)冷過程中枸杞中心溫度、真空罐壓力變化曲線Fig.7 Changing curves of wolfberry center temperature and vacuum tank pressure during vacuum pre-cooling

由圖7可知，真空預(yù)冷前5 min可劃分為真空預(yù)冷第1階段，該階段真空泵工作效率高，抽速快，壓力下降速率大，外界空氣的滲入對壓力變化影響較??；此階段枸杞與真空罐內(nèi)空氣主要進行對流換熱，換熱量小，枸杞中心溫度下降緩慢。真空預(yù)冷第5分鐘至達到預(yù)冷終溫可劃分為真空預(yù)冷第2階段，隨著真空泵持續(xù)工作，真空罐內(nèi)壓力繼續(xù)降低，這一階段真空泵工作效率降低，抽速慢，壓力下降速率?。浑S著壓力逐漸達到對應(yīng)溫度下水的閃發(fā)壓力，枸杞表面水分大量蒸發(fā)，不斷從枸杞表面及環(huán)境中吸收熱量，枸杞表面溫度下降較快，此階段枸杞內(nèi)部主要以熱傳導(dǎo)方式傳遞熱量，與預(yù)冷第1階段相比枸杞中心溫度下降增快，真空預(yù)冷879 s后枸杞中心溫度已降至保鮮溫度4.0℃；真空預(yù)冷過程中枸杞的補水率為4.50%，失水率為5.29%。

從捕水器運行初期至達到水閃發(fā)點之前，通過捕水器的氣體以空氣為主，水蒸氣含量少，捕水器捕水效率較高；隨著真空罐內(nèi)壓降至水閃發(fā)點，水蒸氣大量蒸發(fā)，罐內(nèi)相對濕度達到100%，捕水器任務(wù)加重，大量水蒸氣在冷凝管上凝結(jié)，其上水膜厚度增加，在捕水器管道上會出現(xiàn)滴水現(xiàn)象。水膜厚度增加使凝結(jié)管導(dǎo)熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)降低，捕水器捕水效率隨之降低。該真空預(yù)冷裝置捕水器設(shè)計捕水率為75.00%，在真空預(yù)冷過程中通過對捕水器捕水收集、稱量，同時考慮預(yù)冷過程中枸杞總失水量，最終捕水器實際總捕水率計算公式為

(9)

式中η——捕水器捕水率，%

m2——捕水器捕水量，取382.5 g

m3——真空預(yù)冷過程中通過捕水器水蒸氣總質(zhì)量，取482.2 g

計算出捕水器捕水率為79.32%。鹽水箱中所蓄鹽水在真空預(yù)冷之前提前將其降溫至工作溫度，在此次試驗中鹽水箱共儲存鹽水25 L，從室溫(25.0℃)降至工作溫度-20.1℃所需的蓄冷時間為81 min，帶柄鮮枸杞真空預(yù)冷結(jié)束后鹽水溫度升高為-9.8℃。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計的小型蓄冷式帶柄鮮枸杞真空預(yù)冷裝置的整機尺寸(長×寬×高)為1 200 mm×600 mm×1 270 mm，裝置布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，方便開展相關(guān)試驗。

(2)試制的該小型蓄冷式帶柄鮮枸杞真空預(yù)冷裝置能夠在879 s內(nèi)將8.714 kg枸杞的中心溫度降至保鮮溫度4.0℃，在補水率4.50%情況下枸杞失水率為5.29%；該裝置捕水器設(shè)計捕水率為75.00%，實際捕水率為79.32%。

(3)鹽水箱中鹽水從室溫(25.0℃)降至工作溫度-20.1℃所需的蓄冷時間為81 min，真空預(yù)冷結(jié)束后鹽水溫度升高至-9.8℃，鹽水所蓄冷量能夠保證真空預(yù)冷過程的順利進行；試驗過程中通過調(diào)節(jié)鹽水泵、改變鹽水循環(huán)速度，實現(xiàn)了捕水器捕水量與水蒸氣蒸發(fā)量的平衡，滿足設(shè)計要求。