摘要：為了解決熟食品真空預(yù)冷過程中，封閉式捕水器不易清洗，自來水補水不均勻，空氣回壓導(dǎo)致二次污染等問題，設(shè)計了一種集冷卻、補水、殺菌、回壓一體化的全自動新型真空預(yù)冷機。采用羅茨-水環(huán)真空機組解決了封閉式捕水器的弊端；采用小分子水替代自來水，改善補水的不均勻問題；采用臭氧發(fā)生器設(shè)計臭氧回壓模塊，解決了空氣污染問題。根據(jù)初始性能參數(shù)，對設(shè)備進行了理論計算和選型。改進設(shè)計的的新型真空預(yù)冷機易于清洗、補水均勻，有效解決了常規(guī)真空預(yù)冷機在工業(yè)應(yīng)用中存在的問題，具有實際應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞: 真空預(yù)冷機；臭氧殺菌；小分子水；開式捕水器

　　近年來，在熟食品冷卻領(lǐng)域，真空預(yù)冷技術(shù)以其快速降溫、降溫均勻、清潔環(huán)保的優(yōu)勢受到食品加工企業(yè)的歡迎。研究表明，溫度是影響熟食品品質(zhì)的重要因素之一，30～60℃是細菌的最佳繁殖區(qū)，為了將加工好的高溫熟食快速躍過這一區(qū)域，以熟肉為主食的國家對食品冷卻時間均出臺了嚴格規(guī)定。英國對高溫肉制品的規(guī)定為：對于質(zhì)量2.5kg、厚度5cm的大塊熟肉，其芯部從74℃降到10℃所需時間應(yīng)低于2.5 h。上海市政府要求熟食品的芯部溫度從74℃到10℃的冷卻時間小于2h。傳統(tǒng)的風(fēng)冷、水冷等冷卻方式多采用熱傳導(dǎo)方式散發(fā)熱量，降溫緩慢，很難達到規(guī)定要求；而真空預(yù)冷技術(shù)主要依靠熱對流方式將食品內(nèi)部水分蒸發(fā)吸熱來降低溫度，可在食品內(nèi)外同時傳遞熱量，傳熱效率高，降溫速度快，很好地降低了物料在高溫階段產(chǎn)生的淀粉糊化，油脂氧化等反應(yīng)；同時也有效地減少了物料冷卻過程中在30～60℃范圍所產(chǎn)生的細菌繁殖，有利于提高食品的保鮮期、貨架期。真空預(yù)冷技術(shù)能滿足食品安全的需求，但現(xiàn)有真空預(yù)冷機在使用過程中還存在一些問題，為了保證密封性，通常將捕水器密封在真空室與真空泵之間，但在工業(yè)應(yīng)用中，這種密封式捕水器隨著長期工作，熟食品中油性物質(zhì)在捕水器盤管上凝結(jié)，導(dǎo)致捕水器制冷效果變差，能耗增加，由于采用焊接密封，不易對內(nèi)部盤管進行清洗。另外，產(chǎn)品冷卻后，真空室回壓方式多采用直接通空氣或簡單過濾，食品再次接觸空氣容易導(dǎo)致二次污染。為減少真空預(yù)冷中的產(chǎn)品失水，目前廣泛的做法是在真空室頂部安裝噴頭噴灑自來水對食品補水，這種補水工藝存在不均勻性。

　　1  真空冷卻機改進設(shè)計

　　針對真空預(yù)冷機使用過程中存在的問題，提出了一種改進型真空預(yù)冷系統(tǒng)，其主要包含真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、臭氧回壓系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，如圖1所示。與傳統(tǒng)真空預(yù)冷機相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:

　　1)將密封式捕水器更改為可打開的冷水水箱，便于對水箱內(nèi)盤管清洗；

　　2)增加臭氧發(fā)生裝置產(chǎn)生臭氧用于冷卻后的回壓殺菌，更加安全可靠；

　　3)在工藝上用小分子水替代自來水對冷卻后的食品補水，小分子水滲透性強，補水更加均勻。
 

1.推車；2.真空室；3.托盤；4.霧化噴頭；5.電磁閥；6.臭氧發(fā)生裝置；7.四通連接件；8.小分子水水箱；9.真空閥；10.旁通閥；11.水環(huán)泵；12.三通閥；13.節(jié)流閥；14.冷凝器；15.壓縮機；16.開式捕水器；17.變頻器；18.羅茨泵。
圖1  新型真空預(yù)冷機系統(tǒng)示意圖

　　1.1  真空系統(tǒng)

　　真空系統(tǒng)是真空預(yù)冷機的核心組成部分，用于降低真空室壓力。本系統(tǒng)選用羅茨—水環(huán)泵真空機組對真空室抽真空，水環(huán)泵適宜于抽除大量水蒸氣。但水環(huán)泵的極限壓力為3300Pa左右，僅使用水環(huán)泵無法滿足預(yù)冷終溫要求，因此串聯(lián)羅茨泵后可滿足降壓降溫需求。將水環(huán)泵作為前級泵對真空室預(yù)抽真空，前期先啟動水環(huán)泵，此時，由于羅茨泵進氣口、排氣口氣壓差較大，開啟旁通閥，真空室中的氣體一部分經(jīng)過旁通閥進入水環(huán)泵，另一部分通過羅茨泵轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)也進入水環(huán)泵，顯然抽氣速率增加，可快速達到羅茨泵的預(yù)真空壓力。當(dāng)羅茨泵進排氣壓差較小，關(guān)閉旁通閥，開啟羅茨泵，真空機組正式運行，這種方法能大大縮短預(yù)抽時間。采用變頻器實時控制水環(huán)泵功率，可降低能耗。水環(huán)泵進水口連接開式捕水器水箱，其中冷卻水作為水環(huán)泵補水水源，當(dāng)水環(huán)泵抽真空時，會將真空室內(nèi)的高溫蒸氣與水環(huán)泵中的冷卻水混合并進行熱交換，蒸氣隨之冷凝，與氣體一起通過排氣口進入開式捕水器水箱。

　　制冷系統(tǒng)主要冷卻開式捕水器中水溫，水環(huán)泵抽取水箱中冷卻水，用于冷凝來自真空室的高溫水蒸氣。所設(shè)計的開式捕水器由水箱和盤管構(gòu)成，由于水的比熱容大，用水做載冷劑換熱速度快，高溫水蒸氣在水環(huán)泵將熱量傳遞給冷卻水并與之凝結(jié)混合，水環(huán)泵將混合水、空氣一起排進捕水器水箱，水箱盤管內(nèi)制冷劑對混合水循環(huán)冷卻。本系統(tǒng)中開式捕水器水箱可打開，便于對內(nèi)部盤管清潔，有利于提高預(yù)凍機預(yù)冷效率。

　　在真空冷卻系統(tǒng)中增設(shè)了臭氧發(fā)生器，將臭氧作為真空室的回壓補氣，可避免空氣中的微生物污染食品，同時對真空室殺菌消毒。為滿足工業(yè)應(yīng)用，在冷卻過程中將臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧先保存在高壓儲氣罐中，等真空室溫度降到設(shè)定值后，將高壓儲氣罐與真空室接通可快速回壓。

　　設(shè)計超霧化噴頭噴灑小分子水對食品補水，霧化噴頭安裝在真空室兩側(cè)，噴頭位置根據(jù)推車大小及托盤位置可調(diào)節(jié)，使得小分子水的噴灑更加均勻，小分子水滲透性強，在負壓作用下更易滲透到食品內(nèi)部，使得補水均勻。

　　控制系統(tǒng)對真空室溫度、壓力等參數(shù)實時監(jiān)測，并對真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、臭氧回壓系統(tǒng)等進行調(diào)控，控制著整機的工作過程。圖2為改進型真空冷卻機工作流程圖，通過觸摸屏人機操作界面，設(shè)置真空室終溫、終壓、冷卻時間及開式捕水器水箱溫度等重要參數(shù)，并在設(shè)備運行過程中顯示監(jiān)控信息。當(dāng)監(jiān)測到真空室冷卻效果達到要求后，控制打開補水系統(tǒng)，按照設(shè)定好的補水量對產(chǎn)品補水，隨之打開臭氧儲存裝置，將臭氧通入真空室回壓殺菌，監(jiān)測到內(nèi)外壓力平衡后，等待一定時間，打開箱門完成冷卻過程。

　　根據(jù)圖2所示，所設(shè)計的真空冷卻系統(tǒng)工作流程為：開始在PLC顯示屏設(shè)定預(yù)冷終溫，打開三通閥將自來水注入開式捕水器水箱，浸沒水箱內(nèi)部盤管，打開節(jié)流閥、冷凝器、壓縮機，將開式捕水器中水降溫至略低于真空室設(shè)定的預(yù)冷終溫；將物料放入真空室；關(guān)閉真空室，打開真空閥和旁通閥，開啟水環(huán)泵開始抽真空。由于剛開始抽真空時，水蒸氣溫度較高，為了提高換熱效率，直接使用自來水冷卻水蒸氣，并直接排出，有利于降低捕水器中油垢的凝結(jié)；當(dāng)真空度降到水環(huán)泵抽真空極限壓力時，關(guān)閉旁通閥，啟動水環(huán)泵串聯(lián)的羅茨泵，繼續(xù)降低真空室溫度；關(guān)閉自來水管，水環(huán)泵抽取開式捕水器水箱中的冷卻水冷卻來自真空室中的水蒸氣，水蒸氣冷凝并與空氣混合，水環(huán)泵將混合后的水與空氣排至開式捕水器水箱；制冷系統(tǒng)將水冷卻，繼續(xù)循環(huán)利用；當(dāng)真空室內(nèi)溫度達到設(shè)定終溫后，關(guān)閉真空閥打開電磁閥，通過超霧化噴頭向真空室內(nèi)部噴灑小分子水對食品補水；補水過程中打開電磁閥，臭氧發(fā)生器將臭氧通入真空室，對真空室回壓并對真空室、食品殺菌消毒；當(dāng)真空室壓力回升至與外界壓力平衡后關(guān)閉電磁閥，打開真空室，取出，完成食品冷卻殺菌過程。

　　根據(jù)SB/T 10791—2012《熟食品真空預(yù)冷機》標(biāo)準(zhǔn)，以熱水為對象進行理論計算，設(shè)定真空室容積V0 =1m3，水的裝載量M0 =200kg，水比熱容Cp=4.2×103J/( kg·K)，起始溫度T1=90℃，終點溫度T2=5℃，初壓P1=101 300Pa，終壓P2=872Pa，失水量M1，取水蒸氣蒸發(fā)潛熱L=2485kJ/kg。

圖2  改進型真空冷卻機工作流程圖

　　為滿足生產(chǎn)工藝工作壓力的要求，真空泵選型時，其工作壓力應(yīng)低于要求真空度的1/5。設(shè)定極限情況下要求真空度為600Pa，真空獲得設(shè)備工作壓力應(yīng)低于120Pa，取100Pa。設(shè)定將1m3的容器從101300Pa降到100Pa所需時間為240s，主泵(羅茨泵) 抽氣速率按照公式計算:
     

　　式中：t 為空載時達到終壓所用時間，sp1為真空泵抽氣速率。

　　各級真空泵之間抽速比(主泵抽速與前級泵抽速比值)不宜大于3，一般取2。則水環(huán)泵抽氣速率sp2為:

　　sp2= 66.3/2=33.1 L/s。

　　根據(jù)SB/T 10791—2012《熟食品真空預(yù)冷機》標(biāo)準(zhǔn)以及抽氣速率需求，本系統(tǒng)所選擇的羅茨泵、水環(huán)泵具體參數(shù)如表1～2所示。

表1  羅茨泵性能參數(shù)

表2  水環(huán)泵性能參數(shù)

　　3.3  制冷機組

　　本系統(tǒng)中制冷機組選用Ｒ22為制冷劑，主要降低水箱和來自真空室中的水蒸氣溫度，因此制冷機組的制冷量計算可分為兩部分。水環(huán)泵工作液流量為6.7kg/min，考慮到冷卻時間、制冷效率、管道等因素，設(shè)定水箱中水為100kg，常溫20℃。為防來自真空室的液體進入水箱后溢出，需預(yù)留一部分容積，水體積占水箱體積的80%，且能浸沒盤管，據(jù)此可根據(jù)空間設(shè)計水箱規(guī)格。

　　預(yù)冷前將水箱內(nèi)100kg水從20℃降至4℃，為冷卻高溫蒸氣做準(zhǔn)備，所需制冷量Q1為:

　　Q1=Cp·100·(20－4)=6720kJ。

　　預(yù)冷過程中將真空室內(nèi)水溫從90℃降至5℃所需制冷量Q2為:

　　Q2=Cp·M0·(T1－T2)=71400kJ。

　　根據(jù)能量守恒定律，物料降低到終溫散出的熱量Q2等于水分完全蒸發(fā)吸收的熱量Q3，即：

　　Q2=Q3=M1·L。

　　由此可求得理論失水量：

　　M1=28.7kg。

　　假定這部分水全部進入水箱且被冷卻到4℃，則所需制冷量Q4在極限條件下( 溫度為最大值90℃)應(yīng)為:

　　Q4=10475kJ。

　　故制冷機組選型時只需考慮滿足預(yù)冷過程中所需制冷量Q4即可。設(shè)定冷卻時間為20min，可選制冷機組制冷量為12000W。

　　根據(jù)氣體狀態(tài)方程，已知真空室容積V0，初壓p1，終壓p2。根據(jù)實際空間要求選擇合適的儲氣罐體積V1，則:

　　p1(V0+V1)=p2V0+pV1。

　　式中：p為儲氣罐內(nèi)壓力，終壓p2遠小于p，可忽略。

　　設(shè)定儲罐內(nèi)壓力為5MPa，則儲氣罐體積為0.25m3，由此還可求出所需臭氧質(zhì)量，臭氧發(fā)生器持續(xù)產(chǎn)生臭氧，并通入儲氣罐，直到達到要求終止。

　　課題組設(shè)計的新型真空預(yù)冷機以真空預(yù)冷技術(shù)為核心，通過羅茨-水環(huán)泵真空機組，避免了封閉式捕水器由于油垢凝結(jié)導(dǎo)致制冷效果變差的不足；加入臭氧回壓模塊，將臭氧通入抽真空后的真空室，在回壓的同時，起到殺菌消毒的作用，避免了空氣回壓帶來的二次污染；同時小分子水滲透性強，溶解性好，采用小分子水能夠使得補水更加均勻。課題組設(shè)計的改進型真空預(yù)冷機系統(tǒng)，解決了工業(yè)應(yīng)用中熟食品真空預(yù)冷機存在的問題，通過對系統(tǒng)中主要部件的選型計算，確定了系統(tǒng)功率，在實際生產(chǎn)冷卻中具有重要的應(yīng)用價值。