基于臭氧-流化冰的水產(chǎn)品保鮮系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其保鮮效能率研究

陳壯 韓晨輝 王祥 陳朝帥 胡濱鵬

摘 要：為了更好地衡量一種保鮮方式在節(jié)能和保鮮兩個(gè)方面的綜合效果，本文定義了一種新的評(píng)判指標(biāo)——效能率，即制備單位保鮮工質(zhì)消耗的能量所能達(dá)到的保鮮效果。其間利用自主設(shè)計(jì)的臭氧-流化冰水產(chǎn)品保鮮系統(tǒng)，從保鮮效果、制冰系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）和耗冷量三個(gè)方面，對(duì)比計(jì)算了冰箱、碎冰、過冷水、臭氧-流化冰四種保鮮方式，并基于此引出了效能率的評(píng)價(jià)方法。研究結(jié)果表明，相比于其他三種保鮮方式，臭氧-流化冰組的保鮮效果最好且效能率最高。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)品保鮮;臭氧-流化冰;性能系數(shù);保鮮效果;效能率

中圖分類號(hào)：TB69文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）02-0057-04

Study on the Design of Aquatic Products Preservation System Based on Ozone-fluidized ice and Its Preservation Efficiency

CHEN Zhuang HAN Chenhui WANG Xiang CHEN Chaoshuai HU Binpeng

（School of Vehicle and Traffic Engineering， Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471003）

Abstract： In order to better measure the comprehensive effect of a preservation method in both energy saving and preservation， this paper defines a new evaluation index—efficiency rate， which is the preservation effect that can be achieved by the energy consumed by the preparation unit of preservation working fluid. In the meantime， the self-designed ozone-fluidized ice aquatic product preservation system was used to compare and calculate four fresh-keeping methods from the three aspects of fresh-keeping effect， coefficient of performance （COP） of ice-making system and cold consumption， including refrigerator， crushed ice， supercooled water， and ozone-fluidized ice， and based on this， the evaluation method of efficiency rate was derived. The research results show that， compared with the other three preservation methods， the ozone-fluidized ice group has the best preservation effect and the highest efficiency rate.

Keywords： preservation of aquatic products;ozone-fluidized ice;COP;preservation effect;efficiency rate

水產(chǎn)品富含蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)元素等營(yíng)養(yǎng)成分，肉質(zhì)鮮美，深受人們的喜愛。但正因如此，其容易腐爛變質(zhì)，生物體鮮度自死亡起即開始迅速惡化。水產(chǎn)品腐爛變質(zhì)的主要原因是微生物和酶的作用，其中溫度是影響微生物繁殖和酶活性的主要因素。因此，迅速降低溫度，可以起到鈍化化學(xué)反應(yīng)，殺死細(xì)菌、微生物的作用。目前，水產(chǎn)品在運(yùn)輸、販賣的過程中常用碎冰、片冰降溫保鮮，但這種方式的制冰機(jī)組能耗高，且存在水產(chǎn)品二次損傷風(fēng)險(xiǎn)、換熱效率低的缺陷，保鮮效果不盡如人意[1-4]。

流化冰作為一種新型蓄冷工質(zhì)，它可流動(dòng)，冰粒細(xì)小圓滑，通常是通過一定濃度的無機(jī)鹽溶液在一定溫度下結(jié)晶析出，與載液形成的兩相混合物。其相變潛能大，蓄能密度高，含冰率為5%～20%的流化冰其載冷能力是冷卻水的1.8～4.3倍，具有良好的流動(dòng)性和可泵送性[5-6]。

臭氧（O3）屬于廣譜殺菌劑，對(duì)真菌、病毒，甚至肉毒桿菌毒素均有較強(qiáng)的殺滅作用。它的殺菌速度很快，比氯快300～600倍，消毒后分解成氧氣，無毒無害、無殘留，不產(chǎn)生二次污染，因而在食品保鮮中有著廣泛的應(yīng)用[7]。

目前，將臭氧-流化冰應(yīng)用在水產(chǎn)品保鮮領(lǐng)域已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。有研究以魷魚為保鮮對(duì)象，對(duì)比冰箱、碎冰、過冷水和流化冰四種保鮮方式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流化冰在降溫速率、水分保持兩個(gè)方面的效果更好[8];有研究以梅魚保鮮對(duì)象，對(duì)比分析了臭氧-流化冰和碎冰兩種保鮮方式的殺菌效果，結(jié)果表明，臭氧-流化冰在殺菌方面效果顯著，并得出當(dāng)臭氧濃度為0.82 mg/L左右時(shí)，殺菌作用最強(qiáng)[9];有研究以魷魚為保鮮對(duì)象，分析了在保鮮過程中臭氧對(duì)魷魚pH的影響[10]。

本文以臭氧-流化冰為保鮮工質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種基于臭氧-流化冰的水產(chǎn)品保鮮系統(tǒng)，并定義了一種新的評(píng)判指標(biāo)——效能率。其間從保鮮效果（[K]值）、耗冷量（[Q]值）和制冰系統(tǒng)[COP]三個(gè)方面，對(duì)比分析了冰箱、碎冰、過冷水、臭氧-流化冰四種保鮮方式，并探討了上述三個(gè)方面對(duì)效能率的影響[8-10]。

1 基于臭氧-流化冰的水產(chǎn)品保鮮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及其工作原理

基于臭氧-流化冰的水產(chǎn)品保鮮系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，圖2為該系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)圖。系統(tǒng)由冰漿機(jī)（蒸發(fā)器）、氣液分離器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、干燥過濾器、氣液混合泵、流量調(diào)節(jié)閥、臭氧發(fā)生器、溶液配制罐和帶有攪拌機(jī)的蓄冰罐組成。

下面進(jìn)行工作原理分析。氣液混合泵將臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧與溶液配制罐內(nèi)預(yù)先配置好的制冰溶液混合，形成微米級(jí)（20 μm以下）的臭氧微泡混合溶液。在泵力的作用下，其進(jìn)入冰漿機(jī)內(nèi)與壁面另一側(cè)（蒸發(fā)器）的低溫制冷劑換熱，吸收冷量。此時(shí)，微米級(jí)的臭氧微泡在溶液相變結(jié)晶時(shí)被凍結(jié)在冰晶中，形成包裹有臭氧微泡的臭氧冰。在刮刀攪拌的作用下，其形成一種“氣冰互裹”的結(jié)構(gòu)。制備完畢的臭氧-流化冰在泵力的作用下從冰漿機(jī)上部排出，進(jìn)入蓄冰罐內(nèi)。蓄冰罐內(nèi)設(shè)有攪拌機(jī)構(gòu)，不定時(shí)地?cái)嚢?，防止流化冰在蓄冰罐?nèi)固化。同時(shí)，設(shè)有融化水回流結(jié)構(gòu)，及時(shí)排出多余的融化水，在一定時(shí)間內(nèi)保證罐內(nèi)臭氧-流化冰的品質(zhì)。溶液泵可以將蓄冰罐內(nèi)的臭氧-流化冰運(yùn)送到有用冷需求的場(chǎng)所。

蒸發(fā)器內(nèi)的低溫兩相制冷劑在與冰漿換熱后，變?yōu)榈蜏氐蛪旱闹评鋭┱羝?，?jīng)過氣液分離器后被吸入壓縮機(jī)中[11-12]。在壓縮機(jī)內(nèi)，低溫制冷劑蒸汽被壓縮成高溫高壓的過熱蒸汽。然后，其在冷凝器內(nèi)放出熱量，冷凝為冷凝壓力下的過冷液體。后經(jīng)過干燥過濾器，除去制冷劑液體中的雜質(zhì)和水分。接著，其流經(jīng)節(jié)流閥，壓力溫度均降低，部分液體汽化，變?yōu)榈蜏氐蛪旱膬上嗷旌衔镏匦禄氐秸舭l(fā)器中與冰漿換熱，完成一個(gè)循環(huán)。

1.2 系統(tǒng)性能分析計(jì)算

1.2.1 系統(tǒng)壓焓圖及工況表。綜合各種角度考慮，系統(tǒng)選用R22作為制冷劑[13-14]。由于不同水產(chǎn)品的保鮮溫度不同，故所需冰漿溫度也不相同。本文以壁面所需溫度[tc]=-5 ℃為例，取傳熱溫差[Δtc]=5 ℃，在蒸發(fā)溫度為[t0]=-10 ℃、冷凝溫度為[tk]=35 ℃的工況下，系統(tǒng)壓焓圖如圖3所示。其中，4-1′為低溫兩相制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱的過程，1-1′為制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的有效過熱。1′-2為理想狀態(tài)下壓縮機(jī)的等熵壓縮過程，1′-2′表示壓縮機(jī)實(shí)際的多方壓縮過程。2′-3為高溫制冷劑蒸汽在冷凝器內(nèi)的冷卻降溫液化過程，3-4為過冷制冷劑液體流經(jīng)節(jié)流閥時(shí)的等焓節(jié)流過程。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各點(diǎn)狀態(tài)如表1所示。

1.2.2 性能系數(shù)（[COP]）計(jì)算。制冰系統(tǒng)性能系數(shù)代表了一臺(tái)制冰系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率，COP越高，說明制冷系統(tǒng)的能量利用率越高，更節(jié)能環(huán)保。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，性能系數(shù)的計(jì)算方法如下[11]。

系統(tǒng)制冷量的計(jì)算公式為：

[Q0=mc（h1′-h4）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[Q0]為蒸發(fā)器換熱量，kW;[h1′-h4]為單位制冷量，kJ/kg;[mc]為制冷劑流量，kg/s。

壓縮機(jī)指示功率的計(jì)算公式為：

[Wh=mc（h2-h1′）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[Wh]為壓縮機(jī)指示功率，kW;[h2-h1′]為指示比功，kJ/kg。

性能系數(shù)（[COP]）的計(jì)算公式為：

[COP=Q0/Wh]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[COP]為制冰系統(tǒng)性能系數(shù)。

1.2.3 制冰系統(tǒng)[COP]對(duì)比分析。不同保鮮工質(zhì)的制備方式不同，但制備系統(tǒng)原理相同。由壓焓圖可知，在保證系統(tǒng)制冷量（[Q0]）和制冷劑種類（R22）不變的情況下，[COP]主要取決于系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度[15]。取冷凝溫度為環(huán)境溫度（35 ℃），蒸發(fā)器傳熱溫差為5 ℃，保持不變。結(jié)合保鮮工質(zhì)的物性參數(shù)，取過冷水機(jī)蒸發(fā)溫度為-5 ℃，片冰機(jī)蒸發(fā)溫度為-15 ℃，冰箱保鮮室為0 ℃。根據(jù)式（1）、式（2）和式（3），估算不同制冰系統(tǒng)的[COP]，如表2所示。

2 保鮮效果值[K]的定義與對(duì)比計(jì)算

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)中臭氧-流化冰對(duì)水產(chǎn)品保鮮研究和對(duì)比試驗(yàn)，為了更直觀地顯示試驗(yàn)結(jié)果，本文引入降溫速率值、殺菌效果值、水分保持值，作為一種保鮮方式在降溫速率、菌落數(shù)目變化、樣本水分保持三個(gè)方面的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[8-10]。

降溫速率值可定義為在保鮮的前5 min內(nèi)水產(chǎn)品溫度變化占起始溫度的百分比，用[K1]表示。殺菌效果值可定義為在10 d的保鮮時(shí)間內(nèi)菌落總數(shù)增長(zhǎng)值占初始值的百分比，用[K2]表示。水分保持值可定義為在10 d的保鮮時(shí)間內(nèi)水產(chǎn)品水分變化的絕對(duì)值占初始值的百分比，用[K3]表示。

根據(jù)式（4）計(jì)算總體保鮮效果值[K]，其值可作為評(píng)判保鮮效果好壞的依據(jù)[16]。各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

[K=K1K2K3]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

3 耗冷量[Q]的定義與對(duì)比計(jì)算

保鮮工質(zhì)制備需要消耗能量，本文引入了耗冷量的概念，即制備單位工質(zhì)所消耗的制冷量，用字母[Q]表示，單位為kJ/kg。其值可通過式（5）進(jìn)行計(jì)算。

[Q=CW×TY-T+Ci×IBFT≥0CW×TY+Ci×IBF+Cm×IBF×TT<0]? （5）

式中，[CW]為被冷卻工質(zhì)比熱容（顯熱），kJ/（kg·℃）;[TY]為工質(zhì)冷卻初始溫度，℃;[T]為最終冷卻溫度，℃;[Ci]為被冷卻工質(zhì)融化潛熱比熱容，kJ/（kg·℃）;[IBF]為含冰率，%;[Cm]為冰的比熱容，kJ/（kg·℃）。

計(jì)算時(shí)忽略臭氧對(duì)水、冰比熱容的影響，冰箱保鮮工質(zhì)為空氣，取溫度區(qū)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的平均定壓比熱容[16]。表4為不同保鮮工質(zhì)的相關(guān)參數(shù)值。

4 效能率的定義與對(duì)比計(jì)算

本文定義了一種新的評(píng)判指標(biāo)——效能率，即制備單位保鮮工質(zhì)消耗的能量所能達(dá)到的保鮮效果值。其用字母[TC]表示，單位為kg/kJ。其值可通過式（6）計(jì)算，表5為不同保鮮方式的[TC]值運(yùn)算結(jié)果。

[TC=K×COP/Q]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，[K]為保鮮效果值;[COP]為制冰系統(tǒng)性能系數(shù);[Q]為耗冷量，kJ/kg。

結(jié)果表明，對(duì)于一種保鮮方式來說，如果其保鮮效果值[K]高，耗冷量[Q]低，且制冰系統(tǒng)[COP]高，就說明在取得良好保鮮效果的同時(shí)，系統(tǒng)能耗低，性能好，即效能率高。通過表5數(shù)據(jù)可知，臭氧-流化冰組的效能率最高，說明其在制備與保鮮的全過程中節(jié)能保鮮效果最好。

5 結(jié)論

對(duì)比冰箱、碎冰、過冷水和臭氧-流化冰四種保鮮方式可以看出，臭氧-流化冰的保鮮效果值（[K]）最高（52.144），說明其保鮮效果最好。保鮮方式效能率的大小與它的保鮮效果值（[K]值）和制冰系統(tǒng)的[COP]成正比，與耗冷量（[Q]）成反比。根據(jù)效能率的定義和計(jì)算公式，對(duì)比四種保鮮方式可以看出，臭氧-流化冰組的效能率最高，[TC]=1.710 7，說明其在保鮮工質(zhì)的制備與保鮮的全過程中節(jié)能與保鮮效果最好。

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