摘要：為了解決熟食品真空預冷過程中，封閉式捕水器不易清洗，自來水補水不均勻，空氣回壓導致二次污染等問題，設計了一種集冷卻、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)生器設計臭氧回壓模塊，解決了空氣污染問題。根據初始性能參數，對設備進行了理論計算和選型。改進設計的的新型真空預冷機易于清洗、補水均勻，有效解決了常規(guī)真空預冷機在工業(yè)應用中存在的問題，具有實際應用價值。
關鍵詞: 真空預冷機；臭氧殺菌；小分子水；開式捕水器
近年來，在熟食品冷卻領域，真空預冷技術以其快速降溫、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：對于質量2.5kg、厚度5cm的大塊熟肉，其芯部從74℃降到10℃所需時間應低于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。傳統的風冷、水冷等冷卻方式多采用熱傳導方式散發(fā)熱量，降溫緩慢，很難達到規(guī)定要求；而真空預冷技術主要依靠熱對流方式將食品內部水分蒸發(fā)吸熱來降低溫度，可在食品內外同時傳遞熱量，傳熱效率高，降溫速度快，很好地降低了物料在高溫階段產生的淀粉糊化，油脂氧化等反應；同時也有效地減少了物料冷卻過程中在30～60℃范圍所產生的細菌繁殖，有利于提高食品的保鮮期、貨架期。真空預冷技術能滿足食品安全的需求，但現有真空預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)應用中，這種密封式捕水器隨著長期工作，熟食品中油性物質在捕水器盤管上凝結，導致捕水器制冷效果變差，能耗增加，由于采用焊接密封，不易對內部盤管進行清洗。另外，產品冷卻后，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致二次污染。為減少真空預冷中的產品失水，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 真空冷卻機改進設計
針對真空預冷機使用過程中存在的問題，提出了一種改進型真空預冷系統，其主要包含真空系統、制冷系統、臭氧回壓系統、補水系統、控制系統，如圖1所示。與傳統真空預冷機相比，本系統具有以下優(yōu)點:
1)將密封式捕水器更改為可打開的冷水水箱，便于對水箱內盤管清洗；
2)增加臭氧發(fā)生裝置產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 新型真空預冷機系統示意圖
1.1 真空系統
真空系統是真空預冷機的核心組成部分，用于降低真空室壓力。本系統選用羅茨—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)泵無法滿足預冷終溫要求，因此串聯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過旁通閥進入水環(huán)泵，另一部分通過羅茨泵轉子自轉也進入水環(huán)泵，顯然抽氣速率增加，可快速達到羅茨泵的預真空壓力。當羅茨泵進排氣壓差較小，關閉旁通閥，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，當水環(huán)泵抽真空時，會將真空室內的高溫蒸氣與水環(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。
1.2 制冷系統
制冷系統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。所設計的開式捕水器由水箱和盤管構成，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，水箱盤管內制冷劑對混合水循環(huán)冷卻。本系統中開式捕水器水箱可打開，便于對內部盤管清潔，有利于提高預凍機預冷效率。
1.3 臭氧回壓裝置
在真空冷卻系統中增設了臭氧發(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)應用，在冷卻過程中將臭氧發(fā)生器產生的臭氧先保存在高壓儲氣罐中，等真空室溫度降到設定值后，將高壓儲氣罐與真空室接通可快速回壓。
1.4 補水裝置
設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，噴頭位置根據推車大小及托盤位置可調節(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部，使得補水均勻。
1.5 控制系統
控制系統對真空室溫度、壓力等參數實時監(jiān)測，并對真空系統、制冷系統、補水系統、臭氧回壓系統等進行調控，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，并在設備運行過程中顯示監(jiān)控信息。當監(jiān)測到真空室冷卻效果達到要求后，控制打開補水系統，按照設定好的補水量對產品補水，隨之打開臭氧儲存裝置，將臭氧通入真空室回壓殺菌，監(jiān)測到內外壓力平衡后，等待一定時間，打開箱門完成冷卻過程。
2 新型真空冷卻機工藝流程
根據圖2所示，所設計的真空冷卻系統工作流程為：開始在PLC顯示屏設定預冷終溫，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定的預冷終溫；將物料放入真空室；關閉真空室，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；當真空度降到水環(huán)泵抽真空極限壓力時，關閉旁通閥，啟動水環(huán)泵串聯的羅茨泵，繼續(xù)降低真空室溫度；關閉自來水管，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；制冷系統將水冷卻，繼續(xù)循環(huán)利用；當真空室內溫度達到設定終溫后，關閉真空閥打開電磁閥，通過超霧化噴頭向真空室內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；當真空室壓力回升至與外界壓力平衡后關閉電磁閥，打開真空室，取出，完成食品冷卻殺菌過程。
3 主要部件計算
3.1 初始工況
根據SB/T 10791—2012《熟食品真空預冷機》標準，以熱水為對象進行理論計算，設定真空室容積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
3.2 真空泵
為滿足生產工藝工作壓力的要求，真空泵選型時，其工作壓力應低于要求真空度的1/5。設定極限情況下要求真空度為600Pa，真空獲得設備工作壓力應低于120Pa，取100Pa。設定將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SB/T 10791—2012《熟食品真空預冷機》標準以及抽氣速率需求，本系統所選擇的羅茨泵、水環(huán)泵具體參數如表1～2所示。
表1 羅茨泵性能參數
| 型號 | 抽氣速率/（L·s-¹） | 最高允許壓差/Pa | 極限壓力/Pa |
| ZJP-70 | 70 | 8000 | 0.05 |
| 型號 | 功率/kW | 噪聲/dB | 轉速/（r·min–¹） |
| ZJP-70 | 1.1 | 75 | 2825 |
表2 水環(huán)泵性能參數
| 型號 | 抽氣速率/（L·s-¹） | 極限壓力/Pa | 功率/kW |
| 2BV-5110 | 45.8 | 3300 | 4 |
| 型號 | 工作液流量/（L min-¹） | 噪聲/dB | 轉速/（r·min–¹） |
| 2BV-5110 | 6.7 | 63 | 1440 |
3.3 制冷機組
本系統中制冷機組選用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，需預留一部分容積，水體積占水箱體積的80%，且能浸沒盤管，據此可根據空間設計水箱規(guī)格。
預冷前將水箱內100kg水從20℃降至4℃，為冷卻高溫蒸氣做準備，所需制冷量Q1為:
Q1=Cp·100·(20－4)=6720kJ。
預冷過程中將真空室內水溫從90℃降至5℃所需制冷量Q2為:
Q2=Cp·M0·(T1－T2)=71400kJ。
根據能量守恒定律，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℃)應為:
Q4=10475kJ。
故制冷機組選型時只需考慮滿足預冷過程中所需制冷量Q4即可。設定冷卻時間為20min，可選制冷機組制冷量為12000W。
3.4 臭氧儲存罐
根據氣體狀態(tài)方程，已知真空室容積V0，初壓p1，終壓p2。根據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為儲氣罐內壓力，終壓p2遠小于p，可忽略。
設定儲罐內壓力為5MPa，則儲氣罐體積為0.25m3，由此還可求出所需臭氧質量，臭氧發(fā)生器持續(xù)產生臭氧，并通入儲氣罐，直到達到要求終止。
4 結語
課題組設計的新型真空預冷機以真空預冷技術為核心，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導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。課題組設計的改進型真空預冷機系統，解決了工業(yè)應用中熟食品真空預冷機存在的問題，通過對系統中主要部件的選型計算，確定了系統功率，在實際生產冷卻中具有重要的應用價值。
