真空冷卻過程中水質(zhì)量和二元溶液濃度的變化

真空冷卻過程中水質(zhì)量和二元溶液濃度的變化

真空冷卻是通過降低物體中的水在較低的溫度下蒸發(fā)，在蒸發(fā)過程中吸收自身熱量，從而達到冷卻的方法。與傳統(tǒng)的冷卻方法相比,真空冷卻具有降溫速率快、降溫效果均勻、清潔無污染等特點。目前真空冷卻已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到水果、蔬菜等的預(yù)冷過程中。在真空冷卻的研究方面,人們已經(jīng)對真空冷卻的理論模型、真空冷卻過程中的氣體溫度變化以及能耗匹配等問題進行了深入的研究,并取得了大量研究成果。但對液體真空冷卻失水問題的研究卻較少,特別是對二元溶液在真空冷卻過程中濃度變化問題的研究就更少見。液體的真空冷卻降溫效果非常明顯,但液體在劇烈沸騰中會因水分飛濺出容器而造成大量失水,這部分失水對于降溫沒有作用,稱之為無效失水。失水不僅會影響冷卻后液體的產(chǎn)量,同時還會導(dǎo)致溶液的濃度發(fā)生變化。降低無效失水成為保持冷卻后溶液品質(zhì)的關(guān)鍵。以水和蔗糖溶液作為實驗對象,研究真空冷卻過程中的失水問題及二元溶液的濃度變化問題。1真空冷卻控制系統(tǒng)實驗在自主研發(fā)的真空冷卻裝置上進行。該裝置主要包括制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)三部分(如圖1)。真空冷卻室為圓筒形,采用不銹鋼材料,內(nèi)壁拋光,內(nèi)徑D=400mm,長度L=470mm。上部采用直徑500mm、厚度10mm的鋼化玻璃作為真空冷卻室的蓋板,便于實驗過程的實時觀察、拍照或錄像。玻璃與真空室法蘭間裝有柔性密封圈,抽真空時靠大氣壓力將玻璃緊壓在法蘭上,達到密封的效果。真空室內(nèi)下部分別安裝有帶孔承重隔板、凝水器盤管和真空泵抽氣口等。凝水器的作用是將蒸發(fā)的水汽凝結(jié)下來。待真空冷卻過程結(jié)束后,由放水閥排出。真空冷卻裝置中凝水器不是直接起著冷卻食品的作用,凝水器在凝結(jié)水蒸汽的同時,使其分壓力降低,避免水分進一步蒸發(fā),只有少部分水汽以及不可凝氣體才由真空泵排出。凝水器內(nèi)的低溫載冷劑由制冷系統(tǒng)提供,通過循環(huán)泵使低溫載冷劑循環(huán)。真空泵抽氣速率是4L/s。此外在真空室內(nèi)的實驗環(huán)境中布置有熱電偶和壓力測點。控制系統(tǒng)由PLC、上位機以及電氣系統(tǒng)組成,用于檢測真空冷卻室內(nèi)壓力、樣品質(zhì)量、各點溫度以及電參量等,操作人員可通過上位機的監(jiān)控軟件進行真空冷卻過程的人機對話,如設(shè)置開啟真空泵的參數(shù)、設(shè)置樣品的終溫等。系統(tǒng)會自動控制循環(huán)泵、制冷機與真空泵的啟停,實時檢測壓力、溫度等參數(shù),并進行實驗數(shù)據(jù)保存及處理。2在研究中，關(guān)于丟失2.1冷卻前后樣品質(zhì)量及降溫指標(biāo)的測定采用相對失水率來衡量真空冷卻過程中無效失水程度,相對失水率的定義為,真空冷卻過程中的實際失水量與理論失水量的比值,表達式如下式中Δmp—實際失水量,kg;Δmt—理論失水量,kg;m1—試驗前樣品質(zhì)量,kg;ΔT—試驗前后樣品溫差,K;c—溶液冷卻前比熱容,kJ/kg·k;γ—溶液的汽化潛熱,kJ/kg。由于Δmp包括理論失水和無效失水兩部分,因此:式中Δmi—無效失水量,kg。通過式(1)(2)可得:式(1)中的Δmt是僅考慮樣品本身降溫的理論失水,這里也可將其稱之為有效失水。實際冷卻過程中的失水量Δmp大于理論失水量Δmt。從相對失水率vr的定義可知,這是一個與被冷卻樣品的質(zhì)量和降溫幅度無關(guān)的系數(shù),具有可對比性。Vr是大于1的數(shù),并且Vr越接近于1,表明實際失水就越接近于理論失水。2.2較小的容器中不同水質(zhì)量對損失的影響2.2.1凝水器表面冷卻采用圓柱形廣口容器,容器底面直徑6cm,高度13cm。容器內(nèi)分別盛放150g、180g、200g、240g的水,將稱重后的樣品放入真空冷卻室內(nèi),實驗中當(dāng)凝水器表面降溫至0℃時開啟真空泵,水預(yù)冷到3.0℃時結(jié)束試驗。2.2.2水面高度與容器高度的相對高度試驗中,在劇烈沸騰時有大量水分飛濺到容器外面的真空室壁面以及玻璃蓋板上,并且在試驗結(jié)束時可以觀察到在玻璃蓋板上有水滴蒸發(fā)后留下的水漬。實驗數(shù)據(jù)記錄以及相對失水率計算結(jié)果如表1。由表1可知,隨著容器內(nèi)水質(zhì)量的增加,無效失水也急劇增加。這是由于廣口容器無法有效阻止水分飛濺,并且隨著容器內(nèi)液面高度的增加,液體更加易于飛濺出容器所致。由圖2可知,相對失水率曲線在水質(zhì)量減少時逐漸趨于平緩,對應(yīng)的相對失水率也較低。這是由于沸騰的水滴是向水面上各個方向濺出的,碰壁的水滴自然落下,顯然水面上壁面長度越長,水滴碰撞容器壁的幾率就越大,就越容易使濺出液面的水滴落下,隨著預(yù)冷水的質(zhì)量逐漸下降,其液面高度也逐漸下降,這使得液體在沸騰過程中濺出的水分在尚未到達容器口前就滴落下來。因此,在液面高度下降較少時,無效失水的降低效果比較明顯,相對失水率明顯減小。但是當(dāng)液面下降到某一高度之后,繼續(xù)減小液面高度將不再具有明顯的降低失水效果,此時的相對失水率達到一個較低值,相對失水率曲線變化也較平緩?？梢妼τ谀骋蝗萜髦兴⒎诺囊后w質(zhì)量,存在一個較佳的取值范圍,不僅使容器得到最大程度的利用,還能有利于控制液體的無效失水。為此,提出相對高度的概念,定義為水面高度與容器高度之比,表達式為:式中h—液面高度,cm;H——容器高度,cm。根據(jù)上述分析可知,當(dāng)相對高度減小到一定程度后,無效失水可以減小到一個較低值,并且相對失水率變化也將趨于平緩。2.3高窄口容器對損失的影響2.3.1口部直徑為9cm,進口面為5.5m;口部直徑為5.5;口部直徑為5.5.5.5.采用整體呈圓柱形但口部漸縮的窄口容器,容器高35cm,底面直徑9cm,口部直徑2.5cm。分別以400.4g、499.2g、599.5g、700.5g的水作為試驗對象進行真空冷卻,每次實驗將水預(yù)冷到7℃時結(jié)束。2.3.2相對失重率的變化整個實驗過程中幾乎沒有水滴飛濺到容器外面。試驗數(shù)據(jù)記錄及相對失水率計算結(jié)果如表2所示。由表2可知,采用較高的窄口容器之后,相對失水率大大降低,最低僅為1.03。實際失水已經(jīng)非常接近于理論失水,降低無效失水的效果比較理想。這是由于容器較大并且具有漸縮口,使得液體在低壓下劇烈沸騰時所濺起的水滴可以被有效阻擋并回流至容器內(nèi)。因此,在進行液體類食品的真空冷卻時可采用這種高度較高的容器以降低液體的無效失水。圖3的曲線變化趨勢與圖2相似,這證實了隨著相對高度的降低,相對失水率將隨之減小,并且其變化將趨于平緩的結(jié)論。同時,從圖3中還可以看到,在相對高度從0.31降低到0.22時,相對失水率下降較為明顯。但在相對高度從0.22降低到0.18的這段區(qū)間內(nèi),相對失水率下降緩慢,這是由于在這段區(qū)間內(nèi),相對高度對無效失水的影響逐漸減弱。隨著相對高度的減小,相對失水率也將趨于一個較低的量值。3二乙二醇濃度變化的實驗研究3.1真空冷卻過程中回收數(shù)n與濃度變化率s由于真空冷卻中溶液的損失過程是動態(tài)的,所以很難準確計算出溶液經(jīng)真空冷卻后的理論濃度,這給比較真空冷卻濃度變化問題帶來了一定難度。因此提出兩個能夠直觀比較濃度變化的概念——相對濃度和濃度變化率。相對濃度定義為,真空冷卻結(jié)束后的濃度與起始濃度的比值,其表達式如下;式中:C初—溶液在真空冷卻前的起始濃度;C末—溶液在真空冷卻后的結(jié)束濃度。濃度變化率定義為,真空冷卻過程中的濃度變化值與起始濃度的比值,其表達式如下:若相對濃度大于1,說明試驗結(jié)束后溶液濃度升高,即溶液在真空冷卻過程中失去溶劑的比例較大;若小于1,則說明在真空冷卻過程中損失溶質(zhì)較嚴重。為保證真空冷卻后具有期望的濃度(如甜度或咸度等),需要在真空冷卻前調(diào)制好初始濃度。同時也要采取減少無效失水的措施。3.2u3000度計檢測配制質(zhì)量分數(shù)分別為3%、5%、7%、9%、11%、13%的蔗糖溶液,并且都用糖度計檢測以判斷所配置的質(zhì)量分數(shù)是否精準,每份溶液的質(zhì)量均為600g。所用容器與上述2.2試驗條件相同,溶液預(yù)冷至7℃時結(jié)束試驗。實驗結(jié)束后的溶液濃度由糖度計測得,所用糖度計是成都市青羊聯(lián)合光學(xué)儀器成套部生產(chǎn)的WYT-IV型手持糖量計。3.3蔗糖溶液在真空冷卻過程中對于濃度的影響隨著真空室內(nèi)壓力的降低,溶液在劇烈沸騰時有極少量的液滴飛濺到容器外面的玻璃蓋板上。試驗結(jié)束后可觀察到在玻璃蓋板上留有水分蒸發(fā)之后的糖漬,而容器內(nèi)溶液中沒有固體結(jié)晶析出。由表3可知,溶液質(zhì)量分數(shù)在試驗結(jié)束后發(fā)生變化,這是由于在劇烈沸騰中水分損失或者溶液損失所導(dǎo)致。同時每次實驗的相對濃度大于1,這說明蔗糖溶液在真空冷卻過程中濃度略微升高,并且在真空冷卻過程中損失的主要是水分;而每次實驗的濃度變化率都在7%以下,說明在本實驗條件下真空冷卻對蔗糖溶液濃度的影響比較有限。對于溶液的真空冷卻,在能夠有效降低無效失水的情況