白菜真空预冷热质迁移模型及实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海海事大学商船学院 作者:阚安康

  以柱状白菜为研究对象,建立了热质迁移数学模型,并对该模型采用实验的方法加以验证。在设定真空压力状况下,就真空室内的压力变化,白菜自身温度变化,真空室内相对湿度变化以及白菜质量损失情况,模拟与试验进行了对比,其结果相接近。文章分析了试验过程参数变化的机理及误差产生的原因,模型对柱状蔬菜真空预冷的理论研究有参考价值。

  真空预冷就是通过在真空条件下,使食品中的自由水迅速在真空室内以较低的温度蒸发,水蒸发吸热,在没有外界热源的情况下, 食品自身温度降低而产生制冷效果的。真空预冷技术冷却速度快, 能延长食品的贮藏时间和货架寿命,消除异味, 改善食品质量, 操作方便, 而且不受食品外部形状的限制。上世纪中叶,真空预冷技术就已经开始在日本,美国等国家的冷藏运输环节中发挥作用,大大促进了其低温冷藏链的发展。真空技术网也曾经做过相关的报道。我国真空预冷技术起步较晚,从八十年代中期才开始进行真空预冷技术和设备的研究工作,但是发展十分迅速,尤其是在东南沿海的许多城市。目前真空预冷保鲜技术广泛应于蔬菜、鲜花、食用菌、水果等新鲜果蔬原料及制品的采后及时保鲜处理。国内外关于这方面的研究很多,也建立了很多数学模型,但是许多模型对描述传热过程比较准确,描述传质过程误差较大,主要问题是在传质过程要发生气液相变,而且压力在不断地下降,是典型的非稳态过程。

  柱状白菜是北方冬季的主要蔬菜作物,新鲜白菜采收后,其呼吸作用、蒸发作用及其他许多生理变化通常会加速产品老化、萎凋及黄化;受环境温度的影响,水分大量蒸发,自身的营养和水分持续消耗,迅速萎焉,鲜度降低,使货架期大大缩短。为了克服上述问题,在进入流通之前,需对白菜进行真空预冷处理。但真空预冷会造成白菜失水。失水会对白菜的质量存在一定的负面影响。深入研究真空冷却过程中的热质迁移具有重要的理论意义和实际意义。作者从理论上分析了柱状白菜在真空冷却条件下其内部热质迁移过程,建立了热质迁移数学模型,并通过实验与仿真对比,验证模型的正确性。

1、白菜热质数学模型的建立及实验验证

  白菜为圆柱形,在建立传热传质模型时,对其做以下假定:传热是非稳态的;白菜的径向换热率远大于其它方向;白菜各向同性;试验初始时刻,白菜的温度和水分是均一的;白菜的热物性是常数(热导率,热扩散率和比热)。

1.1、数学模型的建立

  结合白菜特点,假设白菜为直径D=100 mm,高h=200 mm 的一个圆柱体,如下图所示。

白菜物理模型简图

图1 白菜物理模型简图

3、结论

  白菜是一种适合真空预冷的理想蔬菜,白菜真空预冷的过程实际上就是白菜自身热质迁移的过程,是依靠在真空状态下白菜自身水分的吸热蒸发而降温,并通过热传导方式将温度趋于一致的过程。本文以白菜作为柱状蔬菜的典型代表,建立了真空预冷的热质迁移模型,并通过实验的方式,分析了柱状蔬菜白菜在真空预冷实验过程中,真空压力,白菜温度及真空室内相对湿度和白菜质量损失的情况,验证了模型与实际情况基本相吻合。但该数学模型存在误差, 这主要是因为:在模拟的过程中忽略了热辐射的影响,适当考虑热辐射的影响因素,将会减少与实验的误差,提高模拟的准确性;所建立的柱状模型,质地均匀,整体一致,但事实上白菜叶部与根部情况及芯部与外部情况差别很大,所以实验结果与仿真结果存在偏差,可以采用试验的方式进一步修正模型中的相关实验参数,如水份扩散系数D等;试验中,测点位置的选择及探针的形状对实验数据也会有一定的影响,探针插入白菜中对白菜细胞有一定的破坏作用,探针周围的水分比其他位置多,这就增加了自由水的存在,影响测试的真实准确性。

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