Christ冷冻干燥机真空预冷与冷冻干燥中捕水器的

作者：Christ售后发布时间：2021-04-12 11:30点击：

　　真空预冷与Christ冷冻干燥机都是现代食品加工技术。前者主要是在果蔬进行运输, 储藏之前在真空条件下对其进行预冷, 去除其田间热, 迅速降低果蔬温度, 尽量使其保持新鲜度与良好的口感, 延长果蔬的储藏时间。后者则主要是将含水物料在低温下冻结, 然后在真空条件下使冰直接升华成水蒸气排走, 从而脱去物料中的水分使物料干燥, 它可以在保持食品原有营养成分的基础上大大延长食品的保存期, 减轻运输质量。2 种技术的实现都要依赖于真空的获取, 同时, 2 种系统中都要用到捕水器这一核心装置。但是, 同样是捕水器的部件, 其工作条件、工作目的等又有着许多不可忽视的差别。搞清楚这些差别, 对于熟练掌握和应用现代食品技术, 对产品进行准确高效的管理, 具有重要意义。

　　真空预冷与Christ冷冻干燥机中捕水器的不同结构与特点浅析

　　1工作原理的区别

　　在真空预冷过程中, 当真空室内压力不断降低时, 水的饱和蒸发压力随之降低, 水的沸点也不断下降, 使得水分迅速在较低的温度下蒸发。在没有外部热源的情况下, 水从被冷物表面蒸发出来, 在蒸发过程中吸热便会产生制冷效果。热量从货品释放给了水蒸气, 而货品本身得到迅速冷却。从真空室出来的水蒸气以气态的形式进入捕水器, 与冷媒进行充分换热后被冷凝成为液态的水, 附着在捕水器凝水管上, 同时, 其中的不凝性气体则从捕水器出口排出, 被真空泵抽走。当捕水器管道上累积的水量到达一定程度后便会在重力作用下滴落, 由排水管排出。捕水器与真空泵共同维持真空室的真空度( 见图 1) 。

　　冷冻干燥过程中, 首先使干燥室内的搁板温度降低到一定值, 再将物料送入干燥室置于搁板上预冻。物料冻结到冰点以下后水分就变为固态的冰, 再通过真空泵和捕水器使得干燥室压力不断降低, 同时通电对搁板加热。由水的相平衡图可知, 在较高的真空度下( 压力低于 610 Pa) , 固态的冰加热升温可以直接升华为水蒸气。因此, 物料中的水受热后直接由固态升华为气态排出干燥室, 从而获得干燥的制品。升华得到的气体进入捕水器后, 在管路上凝结为冰或者霜。同时, 其中的不凝性气体从捕水器出口排出, 被真空泵抽除

　　( 见图 2) 。

　　2工作条件的区别

　　捕水器在真空预冷与冷冻干燥过程中的工作条件是完全不同的。在真空预冷过程中, 真空室所要求的最终压力大约在 610～400 Pa, 捕水器表面温度约为 0 ℃左右, 水蒸气进入捕水器后由气态冷凝为液态; 而在冻

　　真空与低温第 13 卷第 1 期

　　干过程中, 真空室所要求的最终压力在 13.3 Pa 左右, 远远低于真空预冷时真空室的压力, 其捕水器温度一般要求在- 40～- 50 ℃, 也比真空预冷时捕水器温度低很多, 水蒸气在其中直接凝结成为固态的冰或者霜。另外, 由于冻干条件下所要求的真空度远远高于真空预冷, 因此, 即使是相同质量的水分, 汽化后的体积两者也有很大差别。在 610～450 Pa 左右的条件下, 1 kg 水的体积会膨胀至原来的 25 万倍, 而在 13.3 Pa 的条件下, 1 g 水蒸气的体积为 10 m3。这就意味着在冻干条件下工作的捕水器要比在预冷条件下具有更加优异的捕水能力。

　　3工作目的的区别

　　无论是真空预冷, 还是冷冻干燥过程都会产生大量的水蒸气。因此, 设置捕水器的目的都是为了捕集水蒸气, 从而维持系统的真空, 这一点, 两者是相同的。但是, 在某些方面也存在细微的差别。真空预冷作为果蔬采摘后的第一道工序, 是保证消费者能够购买到高品质果蔬的重要条件。它的目的是为了避免高温下的搁置对农产品的损坏, 而对刚采摘的农产品和食品进行预处理, 通过迅速地冷却降温达到所要求的低温, 去除产品的田间热, 抑制其呼吸作用和酶的作用, 减少农产品的损坏, 尽量保持其新鲜度和自身的水分。真空预冷时

　　, 水分蒸发吸热不可避免地造成货品的水分散失, 即“减重”, 但是这部分干耗仅仅占货品自身质量的 3%～

　　4%左右, 大部分水分仍然完好的保留在货品内部, 即捕水器所带走的只是空气中的水蒸气和货品表面的一小部分水分。相比之下, 冷冻干燥过程就是为了“干燥”, 即将货品内部的水分完全带走, 彻底脱水, 使货品呈现多孔疏松的结构, 从而使其具有完好的速溶性和快速复水性, 同时最大限度地保持了食品的营养成分和生理活性成分。因此该过程中, 捕水器捕集了包括真空室内空气中含有的水蒸气和货品的含水在内的所有水分。

　　4结构特点的区别

　　4.1真空预冷捕水器

　　真空预冷捕水器的结构与一般的换热器没有太大差别, 实质就是一个气液两相换热器。由于要将真空室过来的水蒸气由气态冷凝为液态, 因此铜材或者铝材或者不锈钢材质的金属光管即可满足要求。另外需要在捕水器底部连接排水口, 将冷凝后的液态水排出。与冻干机捕水器相比, 对真空预冷捕水器的要求显然要简单很多。图 3 为真空预冷捕水器结构图。

　　4.2Christ冻干机捕水器捕水器的管路间距较大。由于温度很低, 因此捕水后捕水器的管路外要结冰或者结霜, 会使管路厚度增

　　张芳芳等: 真空预冷与冷冻干燥中捕水器的不同结构与特点浅析 55

　　加, 考虑到不凝性气体的通导速率会因此而受到影响, 故捕水器的管间距比一般换热器大。

　　增设了除霜系统。捕水器管路在结霜后, 若不及时化霜导致霜层结的太厚, 势必会影响传热, 且厚度增加后也会影响到不凝性气体的通导速率。所以冻干机捕水器一定要考虑融霜的问题, 在冻干系统中增设除霜系统。目前许多冷冻干燥设备都设置有除霜系统。

　　管路的截面形状特殊。早期的捕水器管路多采用铜材光管, 目前铝材翅片管则用的较多, 其具有凝霜面积大、质量轻、价格经济的优点, 但化霜时易积水。考虑到化霜后的排水问题, 捕水器凝霜管的截面形状设计成了特殊的形式, 便于化成的水顺利排出。

　　图 4 为Christ冻干机捕水器结构图。

　　6水蒸气的相态变化的区别

　　在真空预冷过程中是: 液态→气态→液态, 其中在真空室内水分在低压下沸腾, 由液态蒸发为气态, 在捕水器中由气态冷凝为液态; 在冷冻干燥过程中则是: 液态→固态→气态→固态, 先在

　　真空室内将物料冻结到冰点以下, 使水分变为固态的冰, 再在较高的真空度下加热使固态的冰直接升华为气态, 气态的水进入捕水器后在管路上凝结为冰或者霜。

　　7结构优化实践中存在的问题

　　增大捕水面积。由于捕水器的首要作用就是捕水, 因此如何增大捕水器的实际捕水面积是目前捕水器结构改进和优化的焦点。不少专家学者通过实验得出结论: 增大管路内径是使捕水器捕水面积增大的有效措施 [4]。对于真空预冷捕水器, 一些专家已通过实验证明这确实为一个可行的办法。要注意的是, 内径太大会导致设备结构庞大、繁杂且造价增加。但是对于冻干机捕水器而言, 由于其管路会在捕水的过程中结冰或者结霜, 冰层或霜层又会使管路厚度增加, 如果管径过大, 对于体积一定的捕水器则意味着管间距的减小, 而这势必会影响不凝性气体的通导速率, 但是管径过小, 捕水量又不够。如果增大管间距, 设备的体积庞大, 造价也跟着上升[5]。因此要综合考虑实际工程情况和生产需要, 确定最佳的捕水器管路内径, 使得捕水面积增大的同时不凝性气体的通导不受太大影响, 并且捕水器结构比较紧凑。

　　降低捕水器壁面温度。对于真空预冷过程, 实验证明捕水器壁面温度高低对捕水量大小的影响并不明显, 一般维持在 0 ℃即可。而对于冷冻干燥过程, 其捕水器的温度需要结合实际情况加以考虑[6]。一般情况下是- 40～- 50 ℃左右, 但是作为冻干机的捕水器极限温度, 有人主张- 80 ℃或者- 90 ℃。我们知道, 当温度要从50 ℃下降到- 80 ℃左右时, 水的饱和蒸气压力并没有改进多少, 也就是说, 对于其间的升华过程而言, 捕水器的捕水量并无太大变化, 因此对于冷冻干燥的效果也没有突出的贡献。但是对于制冷系统来说, 蒸发温度过低却会使压缩机运转困难, 而且要把蒸发温度下降如此之多也十分困难; 对于捕水器管道而言, 过低的壁温会让管道外结霜而不是结冰, 霜层的热导率与密度都低于冰层, 因此结霜不利于捕水, 结冰过程更加合理; 从能耗角度来说, 冷面温度太低也不利于节能。