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第二章 真空预冷装置第二章 真空预冷装置2.1 真空预冷装置的组成真空预冷装置主要由真空车厢、捕水器、真空泵、制冷机组等部件组成。捕水器即冷槽是为了使蒸发了的水蒸气凝缩，由冷却盘管和作为冷源的制冷机组成。搬运装置由托盘填塞机构、位置修正机构及连接内部辊式传送机的连通传送机组成。视规模不同而分别采用自动或手动方式。控制系统由监视和控制整个真空预冷装置的仪器仪表组成，以使整个装置在最佳情况下运行。图2-1 为真空预冷装置的系统图2.1.1真空容器真空室是真空设备的主要部件之一。真空设备的生产工艺过程都是在真空室中进行的。真空室中装有不同的部件，可以完成各种不同的工艺要求。如真空室中有蒸发金属的部件，就可以蒸镀金属薄膜。各种真空设备的真空室尽管完成的工艺过程各不相同，但大多数真空室都是由筒体、封头、门、冷却水套、法兰、管道等组成。由于使用要求不同，真空室有圆筒形、圆锥形、盒形等。大多数的真空室是圆筒形的，原因是制造容易且强度好。真空室除采用板材制造外，对于直径较小的真空室亦可用热轧无缝钢管制造。圆筒体焊制后应进行整形和矫治。根据需要，真空室可以做成立式的或卧式的。真空容器是用来收容果蔬产品的器具，设有自由辊传送器、链条传送器等装置。目前普遍使用的冷藏车厢材料有多种，即硬质聚氨脂泡沫、硬质聚苯乙烯泡沫、不锈钢等。我们采用不锈钢结构，工艺简单，结构结实，耐腐蚀，真空度要求高。各种材料适用的真空度见下表。表2-1 各种材料适用的真空度材料压 力 范 围（pa）1010钢铁、铸铁、铸铝轧铜及其合金镍及其合金铝好好好好好好好好好好好不好好好需除气后不好需除气后 好用不锈钢不好用不锈钢好不使用经过除气后玻璃、石英好好除气后仅厚壁的好好陶瓷云母橡胶电木（胶木）好好好好好好好专门型号专门类型不使用不好不使用经过充分除气后除气后专门型号不好仅聚四氟乙烯2.1.2 捕水器捕水器又称冷槽，冷槽通过制冷机的冷却作用把蔬菜蒸发出的水蒸气再冷凝成水而排除。因为使用真空泵直接抽走水蒸气会使水蒸气溶于润滑油中，使润滑条件恶化。加大磨损和油耗，且泵体缝隙的密封性变差，降低真空泵的性能，所以必须通过冷槽，用水的形式收集水蒸气，防止水蒸气进入真空泵，只把非冷凝性气体通过真空泵排气。另外若直接由真空泵抽走水蒸汽则需要真空泵具有巨大的排气量。仅1g水在压力p条件下成为蒸汽时则容积为式中V水蒸气容积，L/gT操作状态的绝对温度，Kp操作压力，133.32Pa各压力状态下，1g水变成水蒸气所占容积见下表。表2-2 1g水变成水蒸气所占容积例如：当P=533Pa(4mmHg)时，V=236L/g。如此大的排气量对实际装置既不经济又不能保证短的时间。冷槽的冷却盘管的表面温度t1应比相当于容器内操作压力p2的饱和温度t2低，即：相当于盘管表面温度的饱和压力必须保持低于操作压力。然而，如果操作压力降低，则粘性流向分子流转化，无论如何降低t1也不会使水蒸气的捕集率上升很多。试验表明，当p1/p2=0.55时水蒸气捕集率可达最大值，例如，操作压力p2为813.3Pa(6.1mmHg)时，p1=0.556.1=488Pa(3.36mmHg)则冷却盘管表面温度t1=3.7为适宜。即使t1再低于此温度对提高水蒸气捕集率也没什么意义。冷槽的冷却盘管多采用光滑管，少用翅片管。其传热系数k可采用12003300KJ/mh。盘管的传热面积式中F传热面积，mQ冷却传热量，kJ/hk传热系数，kJ/mh传热温度差，2.1.3 真空泵真空泵为真空系统的必备部件，选用时应根据不同规格的真空预冷装置及具体情况进行确定，如旋片真空泵组，水环增压泵组，水蒸气喷射泵组等。真空车厢用真空泵排气，当室内压力达到蔬菜的饱和蒸气压时，来自蔬菜的水分，开始迅速蒸发，蔬菜被蒸发潜热冷却，这种蒸发水蒸气经由冷藏机组冷却的蒸发器，95%的水蒸气被凝结成水而被除去。真空预冷室装载蔬菜后，为了保持蔬菜的新鲜度，可以等收集了一定重量的蔬菜(约以500kg为单位)，便装车真空预冷保存，过一段时间后等另一些蔬菜收集完后再装车保存，直到装满，这样可以更有效、合理地充分利用资源。抽气时间可按30min内抽到预定真空度来计算泵的抽气速度，从而选择泵的大小。若按10min来计算则需要较大功率和体积的真空泵和相应较大的动力装置；另一方面燃油消耗大，总车的生产成本增加，这都会引起不必要的资源浪费。2.1.4 制冷机组（1）基于真空预冷室的特点，本设计选用独立发动机式的机械压缩机制冷机组。对于小型间歇式或连续式真空预冷装置，制冷机组应选择水冷或风冷氟利昂制冷机组，考虑我国的气候一般选择氟利昂风冷机组。（2）制冷机组的制冷量计算以每次处理量为500kg蔬菜为例说明设计原则。根据实验，蔬菜的水分每蒸发1%，温度下降5.5。设水的蒸发潜热为0.7kW/kg，则冷冻机的热负荷Q可用下式计算：式中：T蔬菜起始温度()；30T蔬菜最终温度()；3W蔬菜的重量(kg)。500kg2.1.5 制冷量校核制冷机组的选择方法除了计算法，还有类比法。类比法就是参考同类级别冷藏汽车的制冷量作为本车制冷机的选择依据。类比的要素有隔热车厢的容积、总传热系数及漏气倍数等影响车厢制冷负荷的参数。此方法不能十分准确地计算出制冷量，只是做大概的判断，具有一定的局限性。漏气倍数是隔热车厢每小时泄漏的空气体积与车厢容积的比，反映了隔热车厢的气密封性能。漏气倍数越小，车厢密封性就越好；反之，车厢的密封性就差；漏气倍数对车厢的总传热系数有较大的影响。对一般隔热车厢来说，车厢漏气对车厢总传热系数的影响为10%，而对密封不好的车厢，则可能达到30%，甚至更多。因此，选择制冷机时要考虑漏气倍数的影响。另外，还可以通过计算冷藏汽车隔热车厢的热负荷来校核制冷机组的制冷量，从而选择合适的制冷机组。在进行热负荷计算时，首先要计算隔热车厢的平均传热系数。1)隔热车厢平均传热系数的计算隔热车厢的各隔热厢壁(前、侧、顶、底和后门)除骨架部分外，均由内外蒙皮和隔热层组成，可以看作是材质均匀的多层壁，作为只有一个热量方向的单元热流体计算其传热系数。而骨架区域部分的传热系数可采用热流法和有限差分法求得，但这种方法计算较繁杂。在实际工程应用中，可采用简化的方法计算车厢的平均传热系数，即把隔热车厢的各隔热厢壁看作是没有骨架的由内外蒙皮及隔热层组成的多层结构来计算其传热系数，再根据车厢骨架的多少，乘以车壁传热结构系数而求得。2)冷藏汽车隔热车厢的热负荷计算使用时，其隔热车厢的热负荷有以下几项：a)车厢壁传递的热量Qa；b)车厢缝隙泄露传递的热量Qb；c)太阳辐射的热流量Qc；d)车厢内装载货物的发热量Qd；e)开门时传入的热量Qe；f)车厢内照明灯、风机等产生的热量Qf.因此，冷藏汽车在运输中的制冷热负荷Q应是上述各项热量之和，即Q=Qa+Qb+Qc+Qd+Qe+Qf2.1.6 发动机的选择真空泵与压缩机的动力取于专用发动机。对于机械冷冻循环方式，需要压缩机转速一定，故多采用专用发动机方式。可根据压缩机的功率、真空泵的功率以及总传动效率为0.9来计算选择发动机的总输出功率。2.1.7 控制系统为了使真空预冷装置能正常运行，需设置真空计、温度指示调节计、压力计、电流计、电压计等控制仪器仪表，并把它们装在操作控制仪表盘上。按照预定的日程表及操作程序，可以完成多种模式的真空冷却作业。如采用微型计算机及定序器等则可实现全自动运行。2.2 真空预冷装置的运转方式真空预冷装置的运转方式有串联式、均压式及连续式三种。可根据其特性及实际需要而分别采用。2.2.1 串联式串联式真空预冷装置具有一台真空容器，冷却同搬入搬出呈串联状态，如图2-2所示，其工序如下。搬入(8min)减压(10Pa410Pa，12min)冷却(410Pa810Pa，10min)搬出(8min)。由于只有一台真空容器，所以必须在结束全部搬出工作之后，下次的搬入才能进行。此种形式系统最简单，但周转所需时间较长，作业效率较低。2.2.2 均压式此式具有两台真空容器，如图2-3所示。在对No.1真空容器进行冷却时，把果蔬产品搬入No.2容器内。在No.1容器冷却完毕时，打开均压阀，使No.1和No.2容器均压，No.2容器的排气初期压力不是大气压而是均压压力，这样可以缩短排气时间，节约电力、节省能源，冷却与搬入搬出交替进行，提高了作业效率。但冷却运转时，会使真空泵闲置。图2-2 串联式真空预冷装置V.C.真空容器 C.冷槽 P. 真空泵 R.冷冻机图2-3 均压式真空预冷装置V.C. 真空容器 C.冷槽 P. 真空泵 R.冷冻机图2-4 连续式真空预冷装置V.C. 真空容器 C.冷槽 P. 真空泵 R.冷冻机图2-5 连续式真空预冷装置的运行程序2.2.3 连续式此式不使真空泵闲置，并能实现连续运行，如图2-4所示。此种方式将延长果蔬水分开始蒸发的时间，形成水分的急剧蒸发。其运行程序如图2-5所示。为实现连续运行，各工序都要给予足够时间，各工序都要有严格的时间限制，才能保证自动顺畅地按工序连续运行。2.3 喷雾式真空预冷前已述及，真空预冷是靠蒸发果蔬自身的水分而达到降低其温度的冷却方法。这对于单位质量表面积较大的叶菜类果蔬特别有效，而且冷却速度远大于其它预冷方法。然而，对单位质量表面积较小的果菜类和根菜类来说，冷却效果不太理想。一方面是由于果蔬表面由于水分蒸发降低温度后，果蔬内部热导系数较低，使其内部温度很难在较短的时间内降下来，而且，低压压力较难向食品内部渗透，果蔬内部不能象叶菜类果蔬那样得到迅速冷却因此，这就涉及到果蔬预冷方法的选择原则问题，适宜的方法应是食品面的传热速率与其内部传热速率相当。对于果菜类果蔬和根菜类果蔬来说，如果勉强用普通真空预冷方法冷却，必将造成冷却速度提高不大、干耗迅速增加、果蔬质量严重降低的后果。因为真空预冷是靠水分蒸发而冷却的，在相同的时间内，与其它预冷方法相比，真空预冷方法的干耗最大。为了保持真空预冷冷却速度快的优点，又要克服其时间长、干耗大的弊端，在果蔬表面加水，让其代替果蔬水分蒸发，这就是真空加水预冷技术。它是通过真空室中的喷淋装置向果蔬喷水，抽真空时水分蒸发吸热对果蔬进行间接冷却的方法。加水过程又分抽真空前预加水和抽真空中加水两种方法。试验表明，后一种加水方法的冷却效果高于前一种加水方法，特别是对番茄的冷却效果更为明显。在这种方法中，喷水时刻是在真空室压力约为1.33Pa时，喷水多次，每次约10s。图2-6为美国真空加水冷却装置实例，喷雾时间，视品种不同可持续56min，真空加水的冷却效果高于不加水和预加水的冷却效果，特别是蕃茄真空加水预冷，效果明显。图2-6 喷雾式真空预冷装置2.4 真空预冷装置的特性果蔬真空预冷靠蒸发产品本身的水分来达到规定的冷却温度。冷却时间因产品的种类、部位的不同而不同，一般可为2030min。冷却放热量、冷却温度差同蒸发水量成正比，如式(1)所示 （1）式中Q冷却放热量，KJ/h G1蒸发或冷凝水量，kg/h r水的蒸发潜热或冷凝潜热，KJ/kg t冷却时间，h cp果蔬定压比热，KJ/ kgG2果蔬冷却处理量，kg/ ht1果蔬初温， t2果蔬终温，实际运行中，水分随容器内压力变化而快速蒸发，热负荷是变化的，呈非稳态负荷，加上浸入热，动力热，则(1)式应扩大20%，为Q=1.2 (2)试验表明，果蔬品温下降1，可蒸发0.18%的水分，真空预冷几乎不受初温的影响，放入初温不同的产品，冷却完了时，均保持相同的终温。图2显示了莴苣真空预冷和湿球温度的关系。最初ts急剧下降，5min时达最低，在6min以前快速上升，再下降。容器内压力达到果蔬饱和蒸气压时，水分开始蒸发。此点为闪点(flashpoint)，产品闪点以后被缓慢冷却，品温下降。冷却完了时，品温和湿球温度差为12。当果蔬具有包装时，如果包装物开设孔洞，则水分蒸发而产生的水蒸气可以由孔洞溢出，不妨碍真空预冷。总之，经真空预冷的果蔬具有如下特点：鲜度和味觉好，市场价格高，有利销售。冷却速度快，一般只需2030min，且与收获的时间无关。如用冷藏库冷却则需1012h，且只能处理早上收获的果蔬。冷却均匀，迅速、清洁。去除的水分仅占重量的2%3%，故重量基本不减，且因处理的时间短，不会产生局部干枯变形。即使在雨中收获的果蔬，表面的水分也在真空状态下被排除，胡萝卜等水洗过的蔬菜同样可排除表面的水分，输送过程中不会引起损伤。真空预冷的果蔬，由于鲜度保持时间长，适合较长时间贮藏及长途运输，具有广阔商业前景。2.5 经济性分析采用真空预冷保存蔬菜，不但速度快，其鲜度也会比其它的方式大幅度地提高，其经济效益是很可观的。目前世界上已有40多个国家正受益于真空预冷设备，许多超市、高档酒楼已摆上了真空预冷和气调保鲜的水果、蔬菜，甚至花店出售的鲜花也采用真空预冷处理。我们的改装设计是在普通轻型载货汽车底盘上改装而成的，载货汽车售价为5万多元。田间真空预冷车的真空车厢采用聚苯乙烯隔热夹心板拼装，每平方米要150元左右，制造安装整个车厢大约要5000元，一个小的单缸柴油机售价约为1200元，真空泵的售价约为3500元，运输车制冷机组的售价约为3万元，总共大约要4万元的材料费，另外还要一些人工费和杂费，估计一个真空预冷室要4万多元。也就是说制造一个真空预冷装置的价格约为10万元人民币。但是随着改装技术的成熟和对专用车辆需求的不断扩大，相信以后的成本会大幅下降。同时有了真空预冷车，农民、企业和个人均将从中受益，其经济效益是很可观的。2.6 对发展我国真空预冷技术和