高金龍 牛建會 李德英

1.北京建筑工程學院,環(huán)境與能源工程學院;2.張家口市建筑勘察設(shè)計院;3.河北建筑工程學院城市建設(shè)系

0 引 言

為了最大程度的保持果蔬的新鮮品質(zhì),去除果蔬采后的田間熱及抑制果蔬呼吸熱產(chǎn)生,利用低溫處理方法將采收后的水果和蔬菜的溫度迅速降低到規(guī)定溫度.預冷是指食品從初始溫度(25～30℃左右)迅速降至所需要的冷藏溫度(0℃～15℃)的過程.它是迅速排除田間熱,抑制其呼吸作用,保持水果蔬菜鮮度,延長儲藏期的有效措施.

目前常用的幾種預冷方法根據(jù)冷媒不同,大致可以分為真空預冷、冷水預冷和空氣預冷[1].空氣預冷也被稱為冷風預冷,它利用制冷機產(chǎn)生的空氣(冷風)作冷媒,在果蔬之間通過熱傳遞進行冷卻的方式.根據(jù)冷風的不同循環(huán)方式,分為強制通風預冷和差壓通風預冷兩種方式.差壓通風預冷是對帶有通風孔的包裝箱進行特殊方式堆碼,利用差壓風機的抽吸作用,在包裝箱的兩側(cè)造成壓力差,使庫內(nèi)冷空氣經(jīng)包裝箱上的通風孔強制通過包裝箱內(nèi)部,冷空氣與果蔬表面直接接觸進行冷卻.由于差壓預冷裝置僅是在普通冷庫基礎(chǔ)上增加一個靜壓箱和一個差壓風機而構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡單并且易于應用.但其冷卻速度迅速(預冷時間可降為3-4 h),且冷卻均勻,適用于各種果蔬[2].本文對近年來果蔬差壓預冷技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行綜述.

1 差壓預冷工藝研究

1.1 關(guān)于包裝箱開孔的研究

包裝箱外部開孔工藝研究包括:開孔形狀、開孔型式、開孔面積、開孔大小、開孔數(shù)目對送風速度的影響,進而研究對差壓預冷冷卻速度和冷卻均勻性的影響,這些研究目前多用實驗的方法進行.

文獻[3]對相同開孔面積下四種不同開孔形狀的包裝箱(圓形、橢圓形、兩端為圓弧的矩形和矩形),在四種不同風速下的草莓冷卻速度及壓降進行了實驗研究,在低風速工況下,孔形的不同對草莓冷卻時間的影響較大.圓形孔的冷卻速度明顯快于矩形孔,V1=0.5 m/s時,圓形開孔較之矩形開孔,草莓的7/8冷卻時間縮短20%以上.

文獻[4]對一定位置圓形開孔的葡萄差壓預冷包裝箱在五種不同開孔面積、五種不同壓差工況下的葡萄冷卻速度分別進行了測試,結(jié)果表明:開孔面積主要影響冷風在葡萄箱內(nèi)的縱向滲透性.開孔面積越大、壓差越大、冷卻越快、冷卻越均勻.

文獻[5]對包裝箱內(nèi)草莓進行了差壓預冷實驗,研究了三種新的開孔型式(三孔、五孔、七孔)對冷卻速度的影響,得出新的開孔型式可以明顯加快冷卻速度,但新的開孔型式之間對冷卻速度的影響不大.

文獻[6]對黃金梨在不同開孔尺寸工況下的冷卻過程進行了測試,結(jié)果表明:隨著孔徑的增大,冷卻降溫速度加快,但增到40 mm以后增幅減慢,40 mm開孔和50 mm開孔的7/8冷卻時間比較接近.當孔徑增加到45 mm時,進一步增大孔徑反而均勻性降低.因此綜合考慮冷卻速度及冷卻均勻性,黃金梨包裝箱的開孔直徑一般在45 mm左右為宜.

1.2 關(guān)于通風方式及通風阻力的研究

差壓預冷的設(shè)計和實施最關(guān)鍵問題是為包裝箱內(nèi)果蔬合理組織氣流,以保證箱內(nèi)果蔬快速、均勻地得到冷卻.

文獻[7]對草莓在側(cè)面送風、垂直送風兩種方式下的差壓通風預冷過程進行了實驗測試分析.實驗測試結(jié)果表明:垂直送風式具有冷卻速度更快、冷卻更均勻的特點.

文獻[8]應用冷箱阻力特性測試裝置,并對壓差預冷過程中黃瓜的阻力特性進行實驗研究,結(jié)果表明:空氣流過黃瓜時產(chǎn)生的壓降可看作與流量的二次方成正比.流過黃瓜的空氣阻力系數(shù),可用S= cLRb/ε0.007Aa的形式來表示.此外,在預冷箱長度相同的條件下,黃瓜順排的阻力系數(shù)S小于橫排的S,在相同壓差條件下,流過黃瓜順排時風量明顯大于橫排,故采用順排有利于實現(xiàn)預冷過程的快速要求.

文獻[9]認為空隙率在散堆情況下為39%～43%之間變化不大.只考慮開孔率、風速對壓差的影響,認為產(chǎn)品箱裝的通風阻力是開孔率與風速的函數(shù),并對無箱裝時產(chǎn)品(蘋果、草莓、蜜桔)的通風阻力(壓差)與空箱體的通風阻力(壓差)進行了代數(shù)相加,最后得出包裝箱內(nèi)壓差與包裝箱外部開孔率和迎面風速之間的函數(shù)關(guān)系式.

對于體積較大的根莖類蔬菜,文獻中一般偏重于研究其對氣流的阻力.文獻[10]研究了根莖類蔬菜對氣流的阻力,確定了氣流速0.04 m/s～0.3 m/s之間時,使氣流穿過小堆的馬鈴薯、紅甜菜、洋蔥、胡蘿卜所需的空氣壓力.同時分析了物堆深度、氣流速度及蔬菜帶有泥土或臟物時對氣流阻力的影響.

1.3 關(guān)于送風速度的研究

文獻[11]對5 kg葡萄在固定開孔方式、冷風溫度為-4℃條件下,試驗研究送風速度(1～2 m/s)對預冷速度的影響.研究表明,風速從1 m/s升高至2 m/s時,葡萄的半冷卻時間減少21.8%,7/8預冷時間減少23.6%,說明冷風速度對預冷時間影響很大,提高速度可以減少預冷時間,提高預冷速度.

文獻[12]針對間隔式包裝的番茄進行了差壓預冷實驗,得出提高風速能縮短間隔式排列番茄的預冷時間,但是會增加包裝箱兩側(cè)的壓力差;在番茄的冰點溫度以上,降低送風溫度,縮短預冷時間,相對增加風速而言,包裝箱兩側(cè)壓力反而有減小的趨勢.循環(huán)風差壓預冷方式存在著最佳的預冷風速大約在1.1 m/s左右,此時降溫速度和壓力降從整體上看能有最佳效果.

1.4 關(guān)于果蔬堆碼的研究

果蔬在包裝箱內(nèi)的排列方式不同,會形成不同的冷空氣通道,造成不同的孔隙率,對冷空氣速度及包裝箱內(nèi)部壓差均有影響,果蔬預冷速度也會不同.目前常用的排列方式有:直排式、間隔式、平方間隔式和隨機堆放式.

文獻[13]針對不同的風速,對菱形排列的桔子的降溫速度及重量損失進行實驗研究,對不同碼垛方式在不同的冷卻時間里的冷卻速度進行了研究.并繪出溫度—時間降溫曲線圖.對不同碼垛方式在不同的冷卻時間里的冷卻速度進行了研究.

文獻[14]針對球形水果產(chǎn)品在包裝箱內(nèi)不同的擺放方式(立體格式、菱形格式、平方格式)的壓力降進行了實驗研究,擬合出了包裝箱內(nèi)部壓差與冷空氣風速和產(chǎn)品填充高度之間的數(shù)學公式.

1.5 關(guān)于果蔬包裝的研究

文獻[15]研究了差壓預冷、發(fā)泡聚苯乙烯箱和紙箱包裝、0℃貯藏10天、保溫車運輸和常溫下銷售等方法對青花菜質(zhì)量的影響.結(jié)果表明:經(jīng)差壓預冷并用發(fā)泡聚苯乙烯箱包裝的青花菜重量損失和保綠效果明顯分別低于和好于紙箱包裝的青花菜;常溫下流通的青花菜顏色明顯變黃;0℃條件下貯藏的青花菜與常溫條件下運輸和銷售的青花菜相比,前者葉綠素和維生素C含量明顯高于后者.

文獻[16]研究了綠蘆筍采后壓差預冷和沒預冷,用發(fā)泡聚苯乙烯箱和瓦楞紙箱包裝,在2℃條件下冷藏10天、20天、30天、40天和50天的品質(zhì)變化.結(jié)果表明:冷藏20天的綠蘆筍新鮮并具有商品性.隨著冷藏時間的延長,綠蘆筍的失重率、腐爛率和頂端鱗片松散率逐漸增多,顏色變淺,可溶性固形物、維生素C和糖含量逐漸降低,葉綠素含量前期下降,中后期逐漸升高.壓差預冷和包裝方法對綠蘆筍的保鮮效果影響較大.PC+EPS的保鮮效果最好,不但能減少綠蘆筍的失重率、腐爛率和頂端鱗片松散率,而且能減少其可溶性固形物、維生素C和糖含量的損失.

1.6 關(guān)于預冷時間的研究

預冷時間是預冷處理工藝過程中的重要參數(shù),適當?shù)念A冷時間能保證果蔬品質(zhì).

文獻[17]在自行研制的差壓預冷通風系統(tǒng)中,對茄子、番茄、青椒差壓預冷方法進行了試驗研究.研究結(jié)果表明,利用差壓預冷通風系統(tǒng)預冷茄子、番茄36～13℃只需5～6 h,預冷青椒34～13℃只需3～4 h,達到了國外同類產(chǎn)品的先進水平.利用差壓預冷可較冷庫預冷提高預冷效率2～6倍,預冷時間僅為冷庫預冷的1/4～1/10.

文獻[18]指出果蔬的冷卻時間受果蔬自身物理性質(zhì)和對預冷溫度要求的不同具有很大差別,總結(jié)了多種常見果蔬所需的預冷時間,如:一排堆碼的茄子、結(jié)球白菜、番茄等果蔬的預冷時間為5 h,兩排堆碼時為6 h,而黃瓜、菜豆、青椒、油菜等則需要3～4 h.

2 差壓預冷數(shù)學模型研究

目前對包裝箱內(nèi)部冷空氣溫濕度的理論研究以能量守恒原理為指導,應用傳熱傳質(zhì)理論建立數(shù)學模型,采用有限差分或有限元法進行求解.同時采用計算機仿真技術(shù),對包裝箱內(nèi)氣流空間流場進行模擬,從而為包裝箱內(nèi)果蔬預冷均勻性提供了幫助.除此之外,將單體果蔬簡化成球形或柱形進行研究,采用集中參數(shù)法或多孔介質(zhì)原理等方法進行求解.

2.1 傳熱傳質(zhì)數(shù)學模型

文獻[19]針對垂直通風差壓預冷方式,以傳熱傳質(zhì)理論與能量守恒定律作為指導依據(jù),建立了球形果蔬預冷過程的數(shù)學模型,該模型考慮了傳熱與傳質(zhì)過程相耦合的特點.采用有限差分法對該模型進行了數(shù)值求解.

文獻[20]描述了單個球形果蔬冷卻時傳熱傳質(zhì)的數(shù)學模型,同時考慮到了蒸發(fā)冷卻效應、呼吸熱和輻射熱,并用有限差分求解此一維偏微分方程.

文獻[21]用有限元法預測成熟番茄在冷卻過程中的內(nèi)部溫度分布.

文獻[22]建立了包裝箱中櫻桃預冷的傳熱傳質(zhì)模型,模型假定產(chǎn)品內(nèi)部溫度梯度可忽略,冷卻空氣為一維流動狀態(tài),僅適用于較低風速情況.

文獻[23]建立了馬鈴薯散堆情況下預冷傳熱傳質(zhì)模型,假設(shè)產(chǎn)品內(nèi)部溫度分布均勻,并認為產(chǎn)品的呼吸熱是溫度的線性函數(shù),模型全面考慮了馬鈴薯的水分蒸發(fā)、水分在表面的凝結(jié)以及凝結(jié)水分的蒸發(fā)情況.

文獻[24]通過將表面蒸發(fā)、呼吸熱作為內(nèi)熱源加入到傳熱數(shù)學模型中,對單體球形果蔬壓差預冷過程建立數(shù)學模型,并且簡化邊界條件,提出一種計算預冷所需時間的簡便方法.

2.2 多孔介質(zhì)模型

文獻[25]對箱中標準大小、平方間隔排列的桔子進行了壓力與流速分布的數(shù)學模擬,并首次提出了評價壓力與速度分布的客觀標準-溫度響應.將滲透介質(zhì)流動分析首次運用到有限空間.但此模型對小型隨機堆放的果蔬缺少普遍性.

文獻[26]將番茄壓差預冷箱內(nèi)按一定擺放方式放置的番茄看作是多孔介質(zhì),運用多孔介質(zhì)理論建立了番茄壓差預冷箱內(nèi)冷空氣流動的數(shù)學模型,并采用有限元方法對其進行求解.

文獻[27]假設(shè)蜜桔為多孔介質(zhì),提出以壓力場、速度場的分布得出溫度場響應.建立了多孔介質(zhì)流動模型與傳熱模型并進行了數(shù)值計算.

文獻[28]用滲透介質(zhì)流動分析空氣流過三維葡萄包裝箱時壓力和速度的分布,并利用有限差分法設(shè)計計算機程序?qū)毫退俣确植记蠼?

2.3 流體網(wǎng)絡(luò)模型

文獻[29]針對在靜壓箱前每層排布MN個預冷箱的差壓預冷系統(tǒng)建立了流體網(wǎng)路的數(shù)學模型,而且對其流動特性進行了求解.

2.4 集中參數(shù)法模型

文獻[30]通過對巨峰葡萄在預冷時的傳熱分析,建立了集總參數(shù)法模型來估算葡萄中心溫度達到冷庫溫度時所需要的時間,并通過實驗進行了驗證.結(jié)果表明當冷庫內(nèi)空氣流速達到一定時(大于1.1 m/s),采用定性尺寸R,集總參數(shù)法能夠很好地估算葡萄預冷時間.

以上學者所建立的預冷理論模型以及所采用的實驗方法雖然存在一定的局限性,但是這些研究中所得出的大部分結(jié)論具有普遍的意義,因而也為我們提供了很有價值的參考資料.

3 結(jié) 語

果蔬采收后的預冷是食品冷鏈上的首要環(huán)節(jié),因此要保持果蔬品質(zhì),必須重視果蔬采收后產(chǎn)地預冷保鮮工作,根據(jù)前面的分析提出目前差壓預冷需要考慮和解決的問題:

(1)目前對包裝箱外部開孔工藝研究、內(nèi)部果蔬排列方式、風機選取及風機頻率的確定和送風方式等的研究主要通過實驗來完成,實驗周期長,成本高,需要投入人力、物力和財力.除此之外差壓通風預冷中差壓風機的選擇、包裝箱開孔形狀、開孔面積與通風量和壓降之間的關(guān)系等,仍然需要深入的研究.

(2)目前對單個包裝箱內(nèi)果蔬預冷降溫研究較多,但是對堆碼狀態(tài)下的包裝箱群之間內(nèi)部冷空氣分布及對果蔬預冷效果影響的研究較少.另外研究中采用的果蔬一般為色澤光鮮,大小均勻,無病害蟲害,但是和從產(chǎn)地直接采收下來的果蔬有出入,因此實際果蔬的預冷環(huán)節(jié)最好與分級、包裝等環(huán)節(jié)相配合.

(3)目前部分成果采用計算機仿真方法得到,但是由于是在簡化假設(shè)前提下進行研究的,因此現(xiàn)有研究成果還不能很好地反映實際實驗中所涉及的內(nèi)容,另外一般采用有限差分和有限元法,其計算量大,尤其在處理包裝箱內(nèi)果蔬之間空隙率時較困難.因此預冷過程中數(shù)學模型的建立及求解還需深入研究,使其求解結(jié)果與實際更接近.

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