真空預(yù)冷與Christ冷凍干燥機(jī)都是現(xiàn)代食品加工技術(shù)。前者主要是在果蔬進(jìn)行運(yùn)輸, 儲(chǔ)藏之前在真空條件下對(duì)其進(jìn)行預(yù)冷, 去除其田間熱, 迅速降低果蔬溫度, 盡量使其保持新鮮度與良好的口感, 延長果蔬的儲(chǔ)藏時(shí)間。后者則主要是將含水物料在低溫下凍結(jié), 然后在真空條件下使冰直接升華成水蒸氣排走, 從而脫去物料中的水分使物料干燥, 它可以在保持食品原有營養(yǎng)成分的基礎(chǔ)上大大延長食品的保存期, 減輕運(yùn)輸質(zhì)量。2 種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都要依賴于真空的獲取, 同時(shí), 2 種系統(tǒng)中都要用到捕水器這一核心裝置。但是, 同樣是捕水器的部件, 其工作條件、工作目的等又有著許多不可忽視的差別。搞清楚這些差別, 對(duì)于熟練掌握和應(yīng)用現(xiàn)代食品技術(shù), 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確高效的管理, 具有重要意義。

　　真空預(yù)冷與Christ冷凍干燥機(jī)中捕水器的不同結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)淺析

　　1工作原理的區(qū)別

　　在真空預(yù)冷過程中, 當(dāng)真空室內(nèi)壓力不斷降低時(shí), 水的飽和蒸發(fā)壓力隨之降低, 水的沸點(diǎn)也不斷下降, 使得水分迅速在較低的溫度下蒸發(fā)。在沒有外部熱源的情況下, 水從被冷物表面蒸發(fā)出來, 在蒸發(fā)過程中吸熱便會(huì)產(chǎn)生制冷效果。熱量從貨品釋放給了水蒸氣, 而貨品本身得到迅速冷卻。從真空室出來的水蒸氣以氣態(tài)的形式進(jìn)入捕水器, 與冷媒進(jìn)行充分換熱后被冷凝成為液態(tài)的水, 附著在捕水器凝水管上, 同時(shí), 其中的不凝性氣體則從捕水器出口排出, 被真空泵抽走。當(dāng)捕水器管道上累積的水量到達(dá)一定程度后便會(huì)在重力作用下滴落, 由排水管排出。捕水器與真空泵共同維持真空室的真空度( 見圖 1) 。

　　冷凍干燥過程中, 首先使干燥室內(nèi)的擱板溫度降低到一定值, 再將物料送入干燥室置于擱板上預(yù)凍。物料凍結(jié)到冰點(diǎn)以下后水分就變?yōu)楣虘B(tài)的冰, 再通過真空泵和捕水器使得干燥室壓力不斷降低, 同時(shí)通電對(duì)擱板加熱。由水的相平衡圖可知, 在較高的真空度下( 壓力低于 610 Pa) , 固態(tài)的冰加熱升溫可以直接升華為水蒸氣。因此, 物料中的水受熱后直接由固態(tài)升華為氣態(tài)排出干燥室, 從而獲得干燥的制品。升華得到的氣體進(jìn)入捕水器后, 在管路上凝結(jié)為冰或者霜。同時(shí), 其中的不凝性氣體從捕水器出口排出, 被真空泵抽除

　　( 見圖 2) 。

　　2工作條件的區(qū)別

　　捕水器在真空預(yù)冷與冷凍干燥過程中的工作條件是完全不同的。在真空預(yù)冷過程中, 真空室所要求的最終壓力大約在 610～400 Pa, 捕水器表面溫度約為 0 ℃左右, 水蒸氣進(jìn)入捕水器后由氣態(tài)冷凝為液態(tài); 而在凍

　　真空與低溫 第 13 卷第 1 期

　　干過程中, 真空室所要求的最終壓力在 13.3 Pa 左右, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于真空預(yù)冷時(shí)真空室的壓力, 其捕水器溫度一般要求在- 40～- 50 ℃, 也比真空預(yù)冷時(shí)捕水器溫度低很多, 水蒸氣在其中直接凝結(jié)成為固態(tài)的冰或者霜。另外, 由于凍干條件下所要求的真空度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于真空預(yù)冷, 因此, 即使是相同質(zhì)量的水分, 汽化后的體積兩者也有很大差別。在 610～450 Pa 左右的條件下, 1 kg 水的體積會(huì)膨脹至原來的 25 萬倍, 而在 13.3 Pa 的條件下, 1 g 水蒸氣的體積為 10 m3。這就意味著在凍干條件下工作的捕水器要比在預(yù)冷條件下具有更加優(yōu)異的捕水能力。

　　3工作目的的區(qū)別

　　無論是真空預(yù)冷, 還是冷凍干燥過程都會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣。因此, 設(shè)置捕水器的目的都是為了捕集水蒸氣, 從而維持系統(tǒng)的真空, 這一點(diǎn), 兩者是相同的。但是, 在某些方面也存在細(xì)微的差別。真空預(yù)冷作為果蔬采摘后的第一道工序, 是保證消費(fèi)者能夠購買到高品質(zhì)果蔬的重要條件。它的目的是為了避免高溫下的擱置對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的損壞, 而對(duì)剛采摘的農(nóng)產(chǎn)品和食品進(jìn)行預(yù)處理, 通過迅速地冷卻降溫達(dá)到所要求的低溫, 去除產(chǎn)品的田間熱, 抑制其呼吸作用和酶的作用, 減少農(nóng)產(chǎn)品的損壞, 盡量保持其新鮮度和自身的水分。真空預(yù)冷時(shí)

　　, 水分蒸發(fā)吸熱不可避免地造成貨品的水分散失, 即“減重”, 但是這部分干耗僅僅占貨品自身質(zhì)量的 3%～

　　4%左右, 大部分水分仍然完好的保留在貨品內(nèi)部, 即捕水器所帶走的只是空氣中的水蒸氣和貨品表面的一小部分水分。相比之下, 冷凍干燥過程就是為了“干燥”, 即將貨品內(nèi)部的水分完全帶走, 徹底脫水, 使貨品呈現(xiàn)多孔疏松的結(jié)構(gòu), 從而使其具有完好的速溶性和快速復(fù)水性, 同時(shí)最大限度地保持了食品的營養(yǎng)成分和生理活性成分。因此該過程中, 捕水器捕集了包括真空室內(nèi)空氣中含有的水蒸氣和貨品的含水在內(nèi)的所有水分。

　　4結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的區(qū)別

　　4.1真空預(yù)冷捕水器

　　真空預(yù)冷捕水器的結(jié)構(gòu)與一般的換熱器沒有太大差別, 實(shí)質(zhì)就是一個(gè)氣液兩相換熱器。由于要將真空室過來的水蒸氣由氣態(tài)冷凝為液態(tài), 因此銅材或者鋁材或者不銹鋼材質(zhì)的金屬光管即可滿足要求。另外需要在捕水器底部連接排水口, 將冷凝后的液態(tài)水排出。與凍干機(jī)捕水器相比, 對(duì)真空預(yù)冷捕水器的要求顯然要簡單很多。圖 3 為真空預(yù)冷捕水器結(jié)構(gòu)圖。

　　4.2Christ凍干機(jī)捕水器捕水器的管路間距較大。由于溫度很低, 因此捕水后捕水器的管路外要結(jié)冰或者結(jié)霜, 會(huì)使管路厚度增

　　張芳芳等: 真空預(yù)冷與冷凍干燥中捕水器的不同結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)淺析 55

　　加, 考慮到不凝性氣體的通導(dǎo)速率會(huì)因此而受到影響, 故捕水器的管間距比一般換熱器大。

　　增設(shè)了除霜系統(tǒng)。捕水器管路在結(jié)霜后, 若不及時(shí)化霜導(dǎo)致霜層結(jié)的太厚, 勢必會(huì)影響傳熱, 且厚度增加后也會(huì)影響到不凝性氣體的通導(dǎo)速率。所以凍干機(jī)捕水器一定要考慮融霜的問題, 在凍干系統(tǒng)中增設(shè)除霜系統(tǒng)。目前許多冷凍干燥設(shè)備都設(shè)置有除霜系統(tǒng)。

　　管路的截面形狀特殊。早期的捕水器管路多采用銅材光管, 目前鋁材翅片管則用的較多, 其具有凝霜面積大、質(zhì)量輕、價(jià)格經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn), 但化霜時(shí)易積水?？紤]到化霜后的排水問題, 捕水器凝霜管的截面形狀設(shè)計(jì)成了特殊的形式, 便于化成的水順利排出。

　　圖 4 為Christ凍干機(jī)捕水器結(jié)構(gòu)圖。

　　6水蒸氣的相態(tài)變化的區(qū)別

　　在真空預(yù)冷過程中是: 液態(tài)→氣態(tài)→液態(tài), 其中在真空室內(nèi)水分在低壓下沸騰, 由液態(tài)蒸發(fā)為氣態(tài), 在捕水器中由氣態(tài)冷凝為液態(tài); 在冷凍干燥過程中則是: 液態(tài)→固態(tài)→氣態(tài)→固態(tài), 先在

　　真空室內(nèi)將物料凍結(jié)到冰點(diǎn)以下, 使水分變?yōu)楣虘B(tài)的冰, 再在較高的真空度下加熱使固態(tài)的冰直接升華為氣態(tài), 氣態(tài)的水進(jìn)入捕水器后在管路上凝結(jié)為冰或者霜。

　　7結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)踐中存在的問題

　　增大捕水面積。由于捕水器的首要作用就是捕水, 因此如何增大捕水器的實(shí)際捕水面積是目前捕水器結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化的焦點(diǎn)。不少專家學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論: 增大管路內(nèi)徑是使捕水器捕水面積增大的有效措施 [4]。對(duì)于真空預(yù)冷捕水器, 一些專家已通過實(shí)驗(yàn)證明這確實(shí)為一個(gè)可行的辦法。要注意的是, 內(nèi)徑太大會(huì)導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大、繁雜且造價(jià)增加。但是對(duì)于凍干機(jī)捕水器而言, 由于其管路會(huì)在捕水的過程中結(jié)冰或者結(jié)霜, 冰層或霜層又會(huì)使管路厚度增加, 如果管徑過大, 對(duì)于體積一定的捕水器則意味著管間距的減小, 而這勢必會(huì)影響不凝性氣體的通導(dǎo)速率, 但是管徑過小, 捕水量又不夠。如果增大管間距, 設(shè)備的體積龐大, 造價(jià)也跟著上升[5]。因此要綜合考慮實(shí)際工程情況和生產(chǎn)需要, 確定最佳的捕水器管路內(nèi)徑, 使得捕水面積增大的同時(shí)不凝性氣體的通導(dǎo)不受太大影響, 并且捕水器結(jié)構(gòu)比較緊湊。

　　降低捕水器壁面溫度。對(duì)于真空預(yù)冷過程, 實(shí)驗(yàn)證明捕水器壁面溫度高低對(duì)捕水量大小的影響并不明顯, 一般維持在 0 ℃即可。而對(duì)于冷凍干燥過程, 其捕水器的溫度需要結(jié)合實(shí)際情況加以考慮[6]。一般情況下是- 40～- 50 ℃左右, 但是作為凍干機(jī)的捕水器極限溫度, 有人主張- 80 ℃或者- 90 ℃。我們知道, 當(dāng)溫度要從50 ℃下降到- 80 ℃左右時(shí), 水的飽和蒸氣壓力并沒有改進(jìn)多少, 也就是說, 對(duì)于其間的升華過程而言, 捕水器的捕水量并無太大變化, 因此對(duì)于冷凍干燥的效果也沒有突出的貢獻(xiàn)。但是對(duì)于制冷系統(tǒng)來說, 蒸發(fā)溫度過低卻會(huì)使壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)困難, 而且要把蒸發(fā)溫度下降如此之多也十分困難; 對(duì)于捕水器管道而言, 過低的壁溫會(huì)讓管道外結(jié)霜而不是結(jié)冰, 霜層的熱導(dǎo)率與密度都低于冰層, 因此結(jié)霜不利于捕水, 結(jié)冰過程更加合理; 從能耗角度來說, 冷面溫度太低也不利于節(jié)能。

　　8結(jié)束語

　　對(duì)真空預(yù)冷和冷凍干燥系統(tǒng)中捕水器比較發(fā)現(xiàn), 同樣是捕水器, 在不同工作系統(tǒng)中的工作方式也存在著巨大的差別。

　　(1)真空預(yù)冷中捕水器的工作主要原理是水蒸氣的蒸發(fā)溫度隨蒸發(fā)壓力的降低而降低; 冷凍干燥捕水器的工作主要依據(jù)是在較高的真空度下, 固態(tài)的冰加熱升溫可以直接升華為水蒸氣[7, 8]。

　　(2)冷凍干燥過程的真空度大大高于真空預(yù)冷過程對(duì)真空度的要求, 其捕水器表面溫度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于真空預(yù)冷過程捕水器溫度[9]。

　　(3)真空預(yù)冷捕水器主要捕集的是空氣中的水蒸氣[10, 11], 凍干過程捕水器主要捕集的是物料中的水分。

　　(4)水蒸氣相態(tài)變化在真空預(yù)冷過程中是液態(tài)→氣態(tài)→液態(tài); 在冷凍干燥過程中則是液態(tài)→固態(tài)→氣態(tài)→固態(tài)。

　　(5)捕水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不同。

　　作者在最后列舉了對(duì)于改進(jìn) 2 種用途的捕水器結(jié)構(gòu)的各種方式方法, 并分別對(duì)其可能性和可操作性進(jìn)行了討論。

　　隨著食品科技水平的不斷提高, 系統(tǒng)工作部件的結(jié)構(gòu)也會(huì)越來越復(fù)雜。在實(shí)踐中必須注意在把握各種部件的工作特性、充分了解設(shè)備性質(zhì)的基礎(chǔ)上實(shí)施對(duì)食品的高科技處理, 從而提高食品管理的效率, 為人們的生產(chǎn)生活服務(wù)。