真空预冷过程中捕水器与泵抽气能力的计算

真空预冷过程中捕水器与泵抽气能力的计算

1真空预冷系统优化匹配研究真空预冷技术是降低预冷食品的预冷房间压力，降低水的沸腾，在低温下迅速蒸发食品中的水分，带食品的热量，从而在短时间内降低食品的温度。在这个过程,为了保证真空泵的正常工作,需要把水蒸汽经过捕水器后由真空泵排空,即真空泵的负荷是由真空室内的空气量和水分蒸发量来决定的。从现有的研究成果分析,多数研究成果集中在真空预冷的介绍、工艺等方面,只有较少的学者研究过真空预冷系统优化匹配,其中文献给出了关于真空预冷有关部件的理论计算式。针对捕水器所需冷量和真空泵功率之间的匹配关系进行了研究,以确定两者选型,达到真空预冷设备经济运行状态。2真空预冷能耗分析2.1真空槽内的压力对预冷和以多元温度下排气质量的影响假定真空槽的容积为V(m3),初始压力为p(Pa),真空泵的功率为w(W),排气量为一定压力p1(Pa)下的V1(m3/s),在这样的条件下考虑每排除单位质量气体量的功耗。如果真空槽内的气体被认定为理想气体,根据给定的条件,在稳定后排气量的质量按式(1)计算。m1=Ρ1V1RΤ1(1)m1=P1V1RT1(1)式中R真空槽内气体的气体常数,如果为水蒸汽,则为R为461;T1为此时真空槽内的温度(K),在一般情况下,真空槽内的温度可以认定为一常值;m1为排除空气质量(kg/s)。因此对排除单位质量气体所需要的功率按式(2)计算。w1=wRΤ1Ρ1V1(2)w1=wRT1P1V1(2)式中w1为单位时间内排除单位质量气体所消耗的能量(J/kg·s)。对真空泵而言,其功率与抽气量之间的关系可用式(3)表示。w=V1P2(3)式中p2为真空泵抽气压头(Pa),一般为大气压(105Pa),式中没有考虑真空泵的效率。图1和图2分别显示了不同真空压力和温度下排气质量及单位排气质量所需要真空泵的能耗。从图1可以看出,真空槽内的温度对排气质量的影响较小。在真空槽内压力为600Pa,排气量为5.555L/s时,温度为288K时的排气质量为0.0251克,温度为296K时的排气质量为0.0244克。而对于同一温度条件下,真空槽内的压力则对排气质量有较大的影响。当真空槽内的温度为288K,排气量为5.555L/s时,压力为1000Pa时的排气质量为0.0418克,相对于600Pa时的排气质量0.0251克要大的多。从图2看出,随着真空槽内的压力升高,每排出单位质量的气体真空泵的能耗则减少。当压力为600Pa时,单位质量排出量的能耗为22kW/kg,压力为1000Pa时,单位质量排出量的能耗为12.8kW/kg.。说明在处理相同的温度降时,真空槽内压力较高时则有较好的经济性,但是这受到需要预冷所达到的温度控制。当真空槽压力越高,预冷所能达到最低温度越高,即不能超过此时压力下的自由水的沸点温度。图3显示了不同压力下自由水沸点温度的变化曲线。从图中可以看出,随着真空槽内的压力升高,预冷食品能达到的最低温度也在升高。当真空槽内的压力为611Pa时,食品预冷的最低温度能达到0℃,压力为1000Pa时,食品预冷的最低温度能达到7℃。因此对那些易冻伤食品,在进行真空预冷时要考虑食品水分蒸发的能力,从而选择合适的真空泵,达到最佳的预冷效果。2.2冷剂等熵压缩能耗捕水器的捕集水分的能力对真空泵的工作性能起决定影响,是系统部件中的两个耗能部件之一,能耗效率的高低决定整个系统的能耗效率。捕水器的能耗是和制冷机组的能耗是一致。假定捕水器表面温度为T2(K),压缩机冷凝温度为T3(K),捕水器光滑管的管径为D(mm),制冷剂的流量为m2(kg/s),压缩过程没有过热要求且为等熵压缩。等熵压缩过程的能耗可按式(4)计算。w2=m2×1k-1×(p3v3-p2v2)(4)w2=m2×1k−1×(p3v3−p2v2)(4)式中w2为系统需要的压缩功(W);k为等熵压缩指数,对多原子分子而言,为1.29;p3和v3分别为温度T3下对应的饱和压力及T2等熵压缩下的比容;p2和v2分别为温度T2下对应有饱和压力及比容。这些具体值可以通过相应制冷剂状态方程来决定。图4显示了制冷机组压缩机的功耗,计算条件:冷凝温度310K,制冷剂为R22,真空泵排气能力为5.55L/s,压力为1000Pa。从图中可以发现,随着捕水器表面温度的升高,压缩机的功率在降低。当捕水器表面温度为268K时,功耗约为14W;表面温度为273K时,功率约变为12W。因此提高捕水器表面温度有利于提高制冷机组的运行效果。3能量指数分析3.1u3000中ts、ts与放空排气量的关系从前面的分析可知,真空预冷单位时间内食品的温度降取决于食品的水分蒸发量,按照热力学第一定律能量平衡的观点,水分蒸发所需要的潜热来自于食品自身显热,见式(5)。Δts=r×m1cp×m(5)式中r为水的潜热(J/kg);Δts为单位时间内的温度降(℃/s);cp为预冷物品的比热(J/kg·℃);m预冷物品质量(kg)。对m1可以按理想气体状态方程计算,把式(1)代入式(5),有式(6)。Δts=r×Ρ1×V1cp×m×R×Τ1(6)图5显示了在理想状态下不同质量菠菜的Δts与真空泵排气量V1之间的关系曲线。从图5中明显地看出,在一定的抽气量下,随着质量的增加,单位时间温度降下降;而对于一定质量的菠菜,单位时间温度则随着抽气量的增大而上升。但是也发现,单位时间温度降的变化不是线性变化,这就要求在确定抽气量时就要考虑单位时间温度降的变化,而不只是变化抽气量。3.2预冷系统总能耗的计算如上所述,预冷过程总的能耗包括两个部分:压缩机的能耗和真空泵的能耗。压缩机实际功耗可以用式(7)计算。w2=Qε=r×m1ε=r×Ρ1×V1ε×R×Τ1(7)式中Q为制冷机组的制冷量(W),不考虑真空预冷系统的围护结构传热,Q数值上等于水分的潜热;ε为制冷机组的制冷系数,对风冷低温机组,考虑传热温差的不可逆程度,真实制冷系数ε要比理论计算值小得多,从实验结果分析,真实制冷系数ε值在0.95～1.2之间。同时考虑真空泵和制冷系统的不可逆性,因此预冷系统总功耗可表达如式(8)。w3=w1+w2=(V1×p2ζ1+r×Ρ1×V1ε×R×Τ1)(8)式中ζ1为常数,在一般情况下,真空泵的ζ1为0.75。图6显示了预冷总功耗随真空泵排气量V1之间的关系曲线。从图6中可以看出,当其它条件一定量,真空预冷所需要的总功耗与真空泵抽气量成正比,并且与果蔬种类无关。而对于需要降低一定温度的预冷果蔬,整个过程所消耗的能量则是为总功耗乘上整个预冷过程所需要的时间,可以按式(9)计算。w3×τ=w3×ΔtΔts=(Ρ2ζ1+r×Ρ1ε×R×Τ1)×Δt×cp×m×R×Τ1r×Ρ1(9)式中τ为预冷时间(s),Δt为预冷下降温度(℃)。图7显示了几种不同果蔬在温度下降23℃所需要的总能量(J)。从图中可以看出,不同果蔬通过真空预冷降低相同温度时,黄瓜所需要的能量最多,而枣所需要的最少,这取决于不同果蔬在冰点以上的比热,而与真空泵的抽气量无关。黄瓜在冰点以上的比热为4.06kJ/kg,而枣的比热为1.5kJ/kg。4实验结果及分析根据上述匹配原则,设计了真空预冷实验装置。整个试验装置外形尺寸为长1500mm,宽9100mm,高1300mm,真空室内容积0.2m3,采用380V三相四线。装机功率:冷凝机组1HP,真空泵750W,蒸发温度为-5℃,极限真空度低于660Pa,采用R134a制冷剂。捕水器尺寸长590mm,宽15mm,高465mm。捕水器内部为光管加折流板。对装载率为60%(白菜30kg)的情况进行了研究,图8和图9分别为白菜温度降和真空室内的压力降。图8中的5、6、7及8分别为真空室内中间白菜的中心、1/3处、2/3处及外表面处的温度随时间的变化关系。从图8和图9中可以看出,经过18分钟时间,白菜温度基本达到0℃,室内压力在660Pa左右,白菜表面还没有形成霜。这时预冷系统所消耗的能量为1620kJ。从图7中计算值可以发现,白菜2kg降温23℃,所需要的能量为52kJ,即每公斤白菜从23℃预冷到0℃时需要26kJ的能量。在实验中共30公斤白菜,理论计算应需要780kJ的能量。理论计算值与实验值1620kJ进行比较可以发现,实验值比理论计算值要大得多。经过分析,认为主要是由于以下两个原因造成:1)白菜的物性cp选择不同所造成的。对不同地区所产的白菜含水率都会有所不同;2)预冷系统存在着漏冷的区域。由于加工水平及保温等原因,系统不够完善;3)制冷系统和真空泵性能没有能达到最优,真空泵抽气能力及蒸发器捕水能力没有能匹配一致;5真空预冷系统的压力通过以上的理论及实验研究,可以得出以下结论:1)真空预冷中捕水器及真空泵的能耗主要取决于真空泵的抽