降低真空冷卻失水的方法研究

2009-10-11 陳兒同上海理工大學(xué)

　　真空冷卻是利用低壓使物體中水的沸點(diǎn)降低，并在沸騰蒸發(fā)過(guò)程中帶走物體的熱量而迅速降溫，這一技術(shù)已在農(nóng)產(chǎn)品與食品等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。

　　現(xiàn)在人們更加重視冷飲食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。由于各人的口味不同，對(duì)冷飲食品的制作原料有不同的要求，使冷飲食品在人們?nèi)粘ＯM(fèi)中的地位發(fā)生了變化，它已融入了重營(yíng)養(yǎng)、高品位的層次。對(duì)液體食品進(jìn)行真空冷卻具有降溫速度快、能根據(jù)各人的口味即時(shí)調(diào)制不同的原料與配比、即食即用、清潔衛(wèi)生、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，具有很廣闊的應(yīng)用前景。為使真空冷卻能有效地應(yīng)用于液體食品，最大限度地降低液體食品的無(wú)效失水是亟待解決的問(wèn)題。

　　對(duì)液體食品進(jìn)行真空冷卻具有非常明顯的降溫效果，但會(huì)發(fā)生液體的劇烈沸騰，導(dǎo)致水分飛濺出盛放液體的容器，造成大量失水，這部分失水對(duì)于降溫沒(méi)有作用，稱(chēng)之為無(wú)效失水。失水對(duì)液體食品的質(zhì)具有不利的影響。如何降低無(wú)效失水成為保持冷卻后食品品質(zhì)的關(guān)鍵。本文提出失水率的判斷依據(jù)，并且以水作為試驗(yàn)對(duì)象，研究降低液體真空冷卻過(guò)程失水率的方法。

1、試驗(yàn)裝置及方法

1.1、試驗(yàn)裝置

　　真空冷卻試驗(yàn)裝置如圖1 所示。該裝置包括制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)部分。

　　真空冷卻室為圓筒形，采用不銹鋼材料，內(nèi)壁拋光，內(nèi)徑400mm,長(zhǎng)度470mm。上部為玻璃蓋板，便于真空冷卻過(guò)程的實(shí)時(shí)觀察，也可拍照或錄像。真空冷卻室下部有凝水器，其作用是將蒸發(fā)的水汽凝結(jié)下來(lái)，只有少部分水氣以及不可凝氣體才由真空泵排出，減少真空泵的負(fù)荷。真空冷卻過(guò)程結(jié)束后，凝結(jié)水由放水閥排出。凝水器內(nèi)的低溫載冷劑由制冷系統(tǒng)提供，通過(guò)循環(huán)泵使低溫載冷劑循環(huán)。

　　電氣控制系統(tǒng)由電腦、可編程邏輯控制器（PLC）以及電氣系統(tǒng)組成，用于檢測(cè)真空冷卻室內(nèi)壓力、試樣質(zhì)量、各點(diǎn)溫度以及電參量等，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制循環(huán)泵以及制冷機(jī)與真空泵的啟停，實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力、溫度等參數(shù)，并進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存及處理。

食品真空冷卻試驗(yàn)裝置

1.真空冷卻室 2.玻璃蓋 3.試樣 4.電子秤 5.凝水器 6.放水閥 7.真空泵 8.壓力變送器 9.信號(hào)接口 10.檢測(cè)控制系統(tǒng) 11.制冷系統(tǒng) 12.循環(huán)泵

圖1 食品真空冷卻試驗(yàn)裝置

1.2、失水率的判斷依據(jù)

　　為了比較真空冷卻過(guò)程中無(wú)效失水的程度，本文提出相對(duì)失水率的概念，定義為，實(shí)際失水量與理論失水量的比值，表達(dá)式如下：

式中Δmp———實(shí)際失水量，kg
　　Δmt———理論失水量，kg
　　m1———試驗(yàn)前樣品質(zhì)量，kg
　　ΔT———試驗(yàn)前后樣品溫差，K
　　c———水冷卻前比熱容，kJ/kg·k
　　γ———水的汽化潛熱，kJ/kg

　　式（1）中的Δmt 是僅考慮樣品本身降溫的理論失水，在真空冷卻過(guò)程中，由于器材、空氣等降溫釋放熱量，甚至液體凍結(jié)時(shí)釋放相變潛熱，理論失水量會(huì)更大。而Δmp 是真空冷卻過(guò)程中的實(shí)際失水量，即包括理論失水與無(wú)效失水。

　　從相對(duì)失水率vr的定義可知，這是一個(gè)與被冷卻樣品的質(zhì)量與降溫幅度無(wú)關(guān)的系數(shù)，具有可對(duì)比性。vr可作為實(shí)際失水量與理論失水量接近程度的判斷依據(jù)。vr 是大于1的數(shù)，降低無(wú)效失水，就是要使vr接近于1。

2、實(shí)驗(yàn)與分析

　　試驗(yàn)以水為樣品，將水加入到圓柱形廣口容器，容器底部直徑為6.5cm、高度為18cm。加水量分別為260g、280g、300g，相應(yīng)的液面高度約為73mm、81mm、89mm。試驗(yàn)步驟為：將裝有水的容器放置在真空室內(nèi)，安裝好熱電偶，蓋上玻璃蓋，開(kāi)啟制冷系統(tǒng)，當(dāng)凝水器表面降溫至0℃時(shí)開(kāi)啟真空泵，當(dāng)水溫降至5℃時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。將熱電偶固定在容器內(nèi)測(cè)溫，由電腦進(jìn)行溫度、壓力等數(shù)據(jù)的采集。通過(guò)以下幾種不同方法進(jìn)行失水率的研究：

(1) 無(wú)遮擋物的圓柱形廣口容器

　　無(wú)遮擋物的圓柱形廣口容器，如圖2所示。

圖2 圓柱形廣口容器

　　真空泵開(kāi)啟后，隨著真空室內(nèi)壓力的降低，有小氣泡從容器底部上升，并逐漸變成大氣泡。氣泡在液面處破裂。當(dāng)真空室內(nèi)的壓力低于水溫所對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓時(shí), 樣品中水分大量汽化，液體開(kāi)始沸騰，劇烈沸騰時(shí)有大量的水滴濺到盛水容器外。這時(shí)，在真空冷卻室的玻璃蓋底部也布滿(mǎn)水珠。失水是很?chē)?yán)重的。