真空預(yù)冷過(guò)程中捕水器與泵抽氣能力的計(jì)算

真空預(yù)冷過(guò)程中捕水器與泵抽氣能力的計(jì)算

1真空預(yù)冷系統(tǒng)優(yōu)化匹配研究真空預(yù)冷技術(shù)是降低預(yù)冷食品的預(yù)冷房間壓力，降低水的沸騰，在低溫下迅速蒸發(fā)食品中的水分，帶食品的熱量，從而在短時(shí)間內(nèi)降低食品的溫度。在這個(gè)過(guò)程,為了保證真空泵的正常工作,需要把水蒸汽經(jīng)過(guò)捕水器后由真空泵排空,即真空泵的負(fù)荷是由真空室內(nèi)的空氣量和水分蒸發(fā)量來(lái)決定的。從現(xiàn)有的研究成果分析,多數(shù)研究成果集中在真空預(yù)冷的介紹、工藝等方面,只有較少的學(xué)者研究過(guò)真空預(yù)冷系統(tǒng)優(yōu)化匹配,其中文獻(xiàn)給出了關(guān)于真空預(yù)冷有關(guān)部件的理論計(jì)算式。針對(duì)捕水器所需冷量和真空泵功率之間的匹配關(guān)系進(jìn)行了研究,以確定兩者選型,達(dá)到真空預(yù)冷設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。2真空預(yù)冷能耗分析2.1真空槽內(nèi)的壓力對(duì)預(yù)冷和以多元溫度下排氣質(zhì)量的影響假定真空槽的容積為V(m3),初始?jí)毫閜(Pa),真空泵的功率為w(W),排氣量為一定壓力p1(Pa)下的V1(m3/s),在這樣的條件下考慮每排除單位質(zhì)量氣體量的功耗。如果真空槽內(nèi)的氣體被認(rèn)定為理想氣體,根據(jù)給定的條件,在穩(wěn)定后排氣量的質(zhì)量按式(1)計(jì)算。m1=Ρ1V1RΤ1(1)m1=P1V1RT1(1)式中R真空槽內(nèi)氣體的氣體常數(shù),如果為水蒸汽,則為R為461;T1為此時(shí)真空槽內(nèi)的溫度(K),在一般情況下,真空槽內(nèi)的溫度可以認(rèn)定為一常值;m1為排除空氣質(zhì)量(kg/s)。因此對(duì)排除單位質(zhì)量氣體所需要的功率按式(2)計(jì)算。w1=wRΤ1Ρ1V1(2)w1=wRT1P1V1(2)式中w1為單位時(shí)間內(nèi)排除單位質(zhì)量氣體所消耗的能量(J/kg·s)。對(duì)真空泵而言,其功率與抽氣量之間的關(guān)系可用式(3)表示。w=V1P2(3)式中p2為真空泵抽氣壓頭(Pa),一般為大氣壓(105Pa),式中沒(méi)有考慮真空泵的效率。圖1和圖2分別顯示了不同真空壓力和溫度下排氣質(zhì)量及單位排氣質(zhì)量所需要真空泵的能耗。從圖1可以看出,真空槽內(nèi)的溫度對(duì)排氣質(zhì)量的影響較小。在真空槽內(nèi)壓力為600Pa,排氣量為5.555L/s時(shí),溫度為288K時(shí)的排氣質(zhì)量為0.0251克,溫度為296K時(shí)的排氣質(zhì)量為0.0244克。而對(duì)于同一溫度條件下,真空槽內(nèi)的壓力則對(duì)排氣質(zhì)量有較大的影響。當(dāng)真空槽內(nèi)的溫度為288K,排氣量為5.555L/s時(shí),壓力為1000Pa時(shí)的排氣質(zhì)量為0.0418克,相對(duì)于600Pa時(shí)的排氣質(zhì)量0.0251克要大的多。從圖2看出,隨著真空槽內(nèi)的壓力升高,每排出單位質(zhì)量的氣體真空泵的能耗則減少。當(dāng)壓力為600Pa時(shí),單位質(zhì)量排出量的能耗為22kW/kg,壓力為1000Pa時(shí),單位質(zhì)量排出量的能耗為12.8kW/kg.。說(shuō)明在處理相同的溫度降時(shí),真空槽內(nèi)壓力較高時(shí)則有較好的經(jīng)濟(jì)性,但是這受到需要預(yù)冷所達(dá)到的溫度控制。當(dāng)真空槽壓力越高,預(yù)冷所能達(dá)到最低溫度越高,即不能超過(guò)此時(shí)壓力下的自由水的沸點(diǎn)溫度。圖3顯示了不同壓力下自由水沸點(diǎn)溫度的變化曲線。從圖中可以看出,隨著真空槽內(nèi)的壓力升高,預(yù)冷食品能達(dá)到的最低溫度也在升高。當(dāng)真空槽內(nèi)的壓力為611Pa時(shí),食品預(yù)冷的最低溫度能達(dá)到0℃,壓力為1000Pa時(shí),食品預(yù)冷的最低溫度能達(dá)到7℃。因此對(duì)那些易凍傷食品,在進(jìn)行真空預(yù)冷時(shí)要考慮食品水分蒸發(fā)的能力,從而選擇合適的真空泵,達(dá)到最佳的預(yù)冷效果。2.2冷劑等熵壓縮能耗捕水器的捕集水分的能力對(duì)真空泵的工作性能起決定影響,是系統(tǒng)部件中的兩個(gè)耗能部件之一,能耗效率的高低決定整個(gè)系統(tǒng)的能耗效率。捕水器的能耗是和制冷機(jī)組的能耗是一致。假定捕水器表面溫度為T2(K),壓縮機(jī)冷凝溫度為T3(K),捕水器光滑管的管徑為D(mm),制冷劑的流量為m2(kg/s),壓縮過(guò)程沒(méi)有過(guò)熱要求且為等熵壓縮。等熵壓縮過(guò)程的能耗可按式(4)計(jì)算。w2=m2×1k-1×(p3v3-p2v2)(4)w2=m2×1k?1×(p3v3?p2v2)(4)式中w2為系統(tǒng)需要的壓縮功(W);k為等熵壓縮指數(shù),對(duì)多原子分子而言,為1.29;p3和v3分別為溫度T3下對(duì)應(yīng)的飽和壓力及T2等熵壓縮下的比容;p2和v2分別為溫度T2下對(duì)應(yīng)有飽和壓力及比容。這些具體值可以通過(guò)相應(yīng)制冷劑狀態(tài)方程來(lái)決定。圖4顯示了制冷機(jī)組壓縮機(jī)的功耗,計(jì)算條件:冷凝溫度310K,制冷劑為R22,真空泵排氣能力為5.55L/s,壓力為1000Pa。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著捕水器表面溫度的升高,壓縮機(jī)的功率在降低。當(dāng)捕水器表面溫度為268K時(shí),功耗約為14W;表面溫度為273K時(shí),功率約變?yōu)?2W。因此提高捕水器表面溫度有利于提高制冷機(jī)組的運(yùn)行效果。3能量指數(shù)分析3.1u3000中ts、ts與放空排氣量的關(guān)系從前面的分析可知,真空預(yù)冷單位時(shí)間內(nèi)食品的溫度降取決于食品的水分蒸發(fā)量,按照熱力學(xué)第一定律能量平衡的觀點(diǎn),水分蒸發(fā)所需要的潛熱來(lái)自于食品自身顯熱,見(jiàn)式(5)。Δts=r×m1cp×m(5)式中r為水的潛熱(J/kg);Δts為單位時(shí)間內(nèi)的溫度降(℃/s);cp為預(yù)冷物品的比熱(J/kg·℃);m預(yù)冷物品質(zhì)量(kg)。對(duì)m1可以按理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算,把式(1)代入式(5),有式(6)。Δts=r×Ρ1×V1cp×m×R×Τ1(6)圖5顯示了在理想狀態(tài)下不同質(zhì)量菠菜的Δts與真空泵排氣量V1之間的關(guān)系曲線。從圖5中明顯地看出,在一定的抽氣量下,隨著質(zhì)量的增加,單位時(shí)間溫度降下降;而對(duì)于一定質(zhì)量的菠菜,單位時(shí)間溫度則隨著抽氣量的增大而上升。但是也發(fā)現(xiàn),單位時(shí)間溫度降的變化不是線性變化,這就要求在確定抽氣量時(shí)就要考慮單位時(shí)間溫度降的變化,而不只是變化抽氣量。3.2預(yù)冷系統(tǒng)總能耗的計(jì)算如上所述,預(yù)冷過(guò)程總的能耗包括兩個(gè)部分:壓縮機(jī)的能耗和真空泵的能耗。壓縮機(jī)實(shí)際功耗可以用式(7)計(jì)算。w2=Qε=r×m1ε=r×Ρ1×V1ε×R×Τ1(7)式中Q為制冷機(jī)組的制冷量(W),不考慮真空預(yù)冷系統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱,Q數(shù)值上等于水分的潛熱;ε為制冷機(jī)組的制冷系數(shù),對(duì)風(fēng)冷低溫機(jī)組,考慮傳熱溫差的不可逆程度,真實(shí)制冷系數(shù)ε要比理論計(jì)算值小得多,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,真實(shí)制冷系數(shù)ε值在0.95～1.2之間。同時(shí)考慮真空泵和制冷系統(tǒng)的不可逆性,因此預(yù)冷系統(tǒng)總功耗可表達(dá)如式(8)。w3=w1+w2=(V1×p2ζ1+r×Ρ1×V1ε×R×Τ1)(8)式中ζ1為常數(shù),在一般情況下,真空泵的ζ1為0.75。圖6顯示了預(yù)冷總功耗隨真空泵排氣量V1之間的關(guān)系曲線。從圖6中可以看出,當(dāng)其它條件一定量,真空預(yù)冷所需要的總功耗與真空泵抽氣量成正比,并且與果蔬種類無(wú)關(guān)。而對(duì)于需要降低一定溫度的預(yù)冷果蔬,整個(gè)過(guò)程所消耗的能量則是為總功耗乘上整個(gè)預(yù)冷過(guò)程所需要的時(shí)間,可以按式(9)計(jì)算。w3×τ=w3×ΔtΔts=(Ρ2ζ1+r×Ρ1ε×R×Τ1)×Δt×cp×m×R×Τ1r×Ρ1(9)式中τ為預(yù)冷時(shí)間(s),Δt為預(yù)冷下降溫度(℃)。圖7顯示了幾種不同果蔬在溫度下降23℃所需要的總能量(J)。從圖中可以看出,不同果蔬通過(guò)真空預(yù)冷降低相同溫度時(shí),黃瓜所需要的能量最多,而棗所需要的最少,這取決于不同果蔬在冰點(diǎn)以上的比熱,而與真空泵的抽氣量無(wú)關(guān)。黃瓜在冰點(diǎn)以上的比熱為4.06kJ/kg,而棗的比熱為1.5kJ/kg。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析根據(jù)上述匹配原則,設(shè)計(jì)了真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)裝置。整個(gè)試驗(yàn)裝置外形尺寸為長(zhǎng)1500mm,寬9100mm,高1300mm,真空室內(nèi)容積0.2m3,采用380V三相四線。裝機(jī)功率:冷凝機(jī)組1HP,真空泵750W,蒸發(fā)溫度為-5℃,極限真空度低于660Pa,采用R134a制冷劑。捕水器尺寸長(zhǎng)590mm,寬15mm,高465mm。捕水器內(nèi)部為光管加折流板。對(duì)裝載率為60%(白菜30kg)的情況進(jìn)行了研究,圖8和圖9分別為白菜溫度降和真空室內(nèi)的壓力降。圖8中的5、6、7及8分別為真空室內(nèi)中間白菜的中心、1/3處、2/3處及外表面處的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖8和圖9中可以看出,經(jīng)過(guò)18分鐘時(shí)間,白菜溫度基本達(dá)到0℃,室內(nèi)壓力在660Pa左右,白菜表面還沒(méi)有形成霜。這時(shí)預(yù)冷系統(tǒng)所消耗的能量為1620kJ。從圖7中計(jì)算值可以發(fā)現(xiàn),白菜2kg降溫23℃,所需要的能量為52kJ,即每公斤白菜從23℃預(yù)冷到0℃時(shí)需要26kJ的能量。在實(shí)驗(yàn)中共30公斤白菜,理論計(jì)算應(yīng)需要780kJ的能量。理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值1620kJ進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)值比理論計(jì)算值要大得多。經(jīng)過(guò)分析,認(rèn)為主要是由于以下兩個(gè)原因造成:1)白菜的物性cp選擇不同所造成的。對(duì)不同地區(qū)所產(chǎn)的白菜含水率都會(huì)有所不同;2)預(yù)冷系統(tǒng)存在著漏冷的區(qū)域。由于加工水平及保溫等原因,系統(tǒng)不夠完善;3)制冷系統(tǒng)和真空泵性能沒(méi)有能達(dá)到最優(yōu),真空泵抽氣能力及蒸發(fā)器捕水能力沒(méi)有能匹配一致;5真空預(yù)冷系統(tǒng)的壓力通過(guò)以上的理論及實(shí)驗(yàn)研究,可以得出以下結(jié)論:1)真空預(yù)冷中捕水器及真空泵的能耗主要取決于真空泵的抽