真空制冷技术及试验研究

1 前言

预冷是一项用于预处理农产品和食品的措施。它将农产品和食品在运输，储藏或加工前冷却，尤其是那些易腐坏的农产品。只要处理及时以及得当，预冷可以减少农产品忽然食品的损害并且可以帮助减少其新鲜度和品质的损失。预冷是产品温度处理的第一步。比如，农产品在采摘和预冷处理之间，在高温下的耽搁势必会加速农产品的损坏。因此，迅速的冷却达到要求的低温可以抑制致腐微生物的生长，抑制酶的作用和呼吸作用，而且可以减少农产品的酒精发酵作用。而真空冷却(Vacuum Cooling) 正是一种理想的制冷技术，它是目前降温速度最快的一门制冷技术，它能使蔬菜、果品和鲜花等农产品以及肉类，鱼类，烘焙类，熟食等食品在真空状态下快速,均匀冷却，使产品的质量，鲜度和营养价值得到保证。因此，该技术已在众多食品处理加工领域得到了广泛的应用。

发达国家为获得高品质的果蔬,真空预冷已作为果蔬采摘后的第一道工序,并作为果蔬入市前必须进行的标准化作业之一。美国，西欧和日本在真空制冷的应用方面已经比较成熟和完善，真空冷却技术已经得到广泛应用。

2 真空冷却机理

在常压（760 mmHg），水的沸点是100℃。然而，如果压力降至4.6mmHg，水的沸点将降至0℃。真空冷却的基本原理就是利用抽真空降压的方法，使食品内水分在低压状态下蒸发；在吸收自身热量的同时，使食品内能减少和品温下降的一种冷却方式。真空冷却过程是食品中自由水在低压、低温工况下由液态到气态的相变过程。在真空冷却过程中，食品中水分蒸汽压与真空冷却室压力之差是食品中水分蒸发的驱动力。

与其他冷却方法相比真空冷却有着众多的优势，它是迄今最快的一种冷却方法，而且冷却过程均匀、清洁，不会受到污染，能使食品的品质得到很好的保证。而且因为处理时间短，不会产生局部干燥、脱水现象。由于预冷过程时间短，相应设备运转能耗和费用明显降低，另外还可以减少由于预冷时间长导致周围环境渗透热量增加的负荷。真空冷却不受包装限制，用纸箱，塑料等包装的产品在真空冷却时，其冷却速度与不包装的产品几乎无差别，在生产中极为方便。

真空冷却受到许多因素的影响，包括冷却物的选择，被冷物的初温，真空度的选择，真空速率的调节及水分损失等。通过对不同冷却物体在真空冷却中的冷却效果进行实验分析。可以找出适合进行真空冷却的物体，探寻及改善冷却效果和提高被冷物体品质的方法。并通过对设备的能耗进行分析，寻找降低设备能耗，提高能量利用效率的方法。这对真空制冷技术在实际中的应用和推广具有较高的指导和实用价值。

3 实验研究

（1）实验装置

本实验采用VAC-0.2型真空预冷试验机进行实验。该装置主要由真空箱、真空泵机组、捕水器及测控系统组成。

（2）数据分析与讨论

我们将实验采集的数据作成曲线图。可以从图2，图3中看到叶类蔬菜冷却到5℃附近时需20min。而萝卜30min后，温度仅下降至12℃。由此可见，叶菜类由于其表面积比大、组织柔软，其结构十分有利于水分的蒸发，其预冷效果显著且温降均匀。而萝卜这类蔬菜表面积比小、表皮厚、组织较致密，从而水分蒸发困难。且因其中心水分难以蒸发疏散导致表面与中心温差较大。

4 制冷装置的能量分配

图4为一真空制冷装置试验数据和各主要设备能量消耗示图。

图4 真空制冷各设备耗能比例

压缩机、真空泵和其他设备的功率消耗约分别占总能耗的68％、18％和14％。制冷压缩机的平均能耗约为装置总能耗的2／3，故降低压缩机能耗是真空装置节能的关键所在。较冷物品在真空室中从常温降到终温通常需30分钟左右，而从装置开始运行到水分“闪发”约为总冷却时间的1／4—1／3，在这段时间内，压缩机负荷极小，处于空载运行状态。故“闪发”前，实现压缩机部分或全部卸载可得到明显的节能效果。试验资料表明，压缩机“闪发”前卸载75％，真空装置总耗可降低18％。“闪发”后数分钟内，水分大量汽化，压缩机投入全负荷运行，及时将水汽凝结成液体，保证装置必要的真空度。否则冷却时间将明显延长，反而使总功率消耗增加。数分钟后，水分“闪发”明显减缓，冷凝负荷也趋于减小。在“闪发”后约10分钟，使压缩机卸载25％，装置总能耗可降低8％左右。

而对于真空泵，当真空槽压力降到一定值，水分突然闪发，物品开始急剧冷却时，使三台真空泵中的一台停止工作，即减少真空抽吸能力30％，其结果是：总冷却时间、终温无明显变化，而真空泵总功耗减少了30％，整个系统耗功降低了3％，能量利用系数提高了14％。真空装置选用多台较小容量的真空泵既可在闪发前全部投入运行，加快抽真空速率，使压缩机缩短空载运行时间，节约压缩机总能耗，又便于闪发后减少投入工作的真空泵台数，降低真空泵总能耗。

5 结论

（1）真空冷却保鲜是目前降温速度最快的一门制冷技术。它的冷却时间仅需20-30min即可。与其他冷却方法相比有着绝对的优势。

（2）由于真空冷却主要是依靠水分从物体中蒸发吸收潜热达到冷却物体的效果。水分蒸发的速度对冷却效果有着重要影响。而水分的蒸发与物料的特性有关。因此不同的物体的真空冷却降温曲线有很大不同。表面积比大、组织柔软的物体冷却速度快且效果好。

（3）在真空制冷装置中，压缩机和真空泵是其主要的能耗设备。因此，压缩机和真空泵的节能是真空制冷装置节能的主要部分。选择或设计能量调节性能良好的制冷压缩机和真空泵，合适地降低二者在各自低负荷时的功率消耗，尽快使水分“闪发”是节能的重要措施。

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