真空預冷與Christ冷凍干燥機都是現代食品加工技術。前者主要是在果蔬進行運輸, 儲藏之前在真空條件下對其進行預冷, 去除其田間熱, 迅速降低果蔬溫度, 盡量使其保持新鮮度與良好的口感, 延長果蔬的儲藏時間。后者則主要是將含水物料在低溫下凍結, 然后在真空條件下使冰直接升華成水蒸氣排走, 從而脫去物料中的水分使物料干燥, 它可以在保持食品原有營養成分的基礎上大大延長食品的保存期, 減輕運輸質量。2 種技術的實現都要依賴于真空的獲取, 同時, 2 種系統中都要用到捕水器這一核心裝置。但是, 同樣是捕水器的部件, 其工作條件、工作目的等又有著許多不可忽視的差別。搞清楚這些差別, 對于熟練掌握和應用現代食品技術, 對產品進行準確高效的管理, 具有重要意義。

　　真空預冷與Christ冷凍干燥機中捕水器的不同結構與特點淺析

　　1工作原理的區別

　　在真空預冷過程中, 當真空室內壓力不斷降低時, 水的飽和蒸發壓力隨之降低, 水的沸點也不斷下降, 使得水分迅速在較低的溫度下蒸發。在沒有外部熱源的情況下, 水從被冷物表面蒸發出來, 在蒸發過程中吸熱便會產生制冷效果。熱量從貨品釋放給了水蒸氣, 而貨品本身得到迅速冷卻。從真空室出來的水蒸氣以氣態的形式進入捕水器, 與冷媒進行充分換熱后被冷凝成為液態的水, 附著在捕水器凝水管上, 同時, 其中的不凝性氣體則從捕水器出口排出, 被真空泵抽走。當捕水器管道上累積的水量到達一定程度后便會在重力作用下滴落, 由排水管排出。捕水器與真空泵共同維持真空室的真空度( 見圖 1) 。

　　冷凍干燥過程中, 首先使干燥室內的擱板溫度降低到一定值, 再將物料送入干燥室置于擱板上預凍。物料凍結到冰點以下后水分就變為固態的冰, 再通過真空泵和捕水器使得干燥室壓力不斷降低, 同時通電對擱板加熱。由水的相平衡圖可知, 在較高的真空度下( 壓力低于 610 Pa) , 固態的冰加熱升溫可以直接升華為水蒸氣。因此, 物料中的水受熱后直接由固態升華為氣態排出干燥室, 從而獲得干燥的制品。升華得到的氣體進入捕水器后, 在管路上凝結為冰或者霜。同時, 其中的不凝性氣體從捕水器出口排出, 被真空泵抽除

　　( 見圖 2) 。

　　2工作條件的區別

　　捕水器在真空預冷與冷凍干燥過程中的工作條件是完全不同的。在真空預冷過程中, 真空室所要求的最終壓力大約在 610～400 Pa, 捕水器表面溫度約為 0 ℃左右, 水蒸氣進入捕水器后由氣態冷凝為液態; 而在凍

　　真空與低溫 第 13 卷第 1 期

　　干過程中, 真空室所要求的最終壓力在 13.3 Pa 左右, 遠遠低于真空預冷時真空室的壓力, 其捕水器溫度一般要求在- 40～- 50 ℃, 也比真空預冷時捕水器溫度低很多, 水蒸氣在其中直接凝結成為固態的冰或者霜。另外, 由于凍干條件下所要求的真空度遠遠高于真空預冷, 因此, 即使是相同質量的水分, 汽化后的體積兩者也有很大差別。在 610～450 Pa 左右的條件下, 1 kg 水的體積會膨脹至原來的 25 萬倍, 而在 13.3 Pa 的條件下, 1 g 水蒸氣的體積為 10 m3。這就意味著在凍干條件下工作的捕水器要比在預冷條件下具有更加優異的捕水能力。

　　3工作目的的區別

　　無論是真空預冷, 還是冷凍干燥過程都會產生大量的水蒸氣。因此, 設置捕水器的目的都是為了捕集水蒸氣, 從而維持系統的真空, 這一點, 兩者是相同的。但是, 在某些方面也存在細微的差別。真空預冷作為果蔬采摘后的第一道工序, 是保證消費者能夠購買到高品質果蔬的重要條件。它的目的是為了避免高溫下的擱置對農產品的損壞, 而對剛采摘的農產品和食品進行預處理, 通過迅速地冷卻降溫達到所要求的低溫, 去除產品的田間熱, 抑制其呼吸作用和酶的作用, 減少農產品的損壞, 盡量保持其新鮮度和自身的水分。真空預冷時

　　, 水分蒸發吸熱不可避免地造成貨品的水分散失, 即“減重”, 但是這部分干耗僅僅占貨品自身質量的 3%～

　　4%左右, 大部分水分仍然完好的保留在貨品內部, 即捕水器所帶走的只是空氣中的水蒸氣和貨品表面的一小部分水分。相比之下, 冷凍干燥過程就是為了“干燥”, 即將貨品內部的水分完全帶走, 徹底脫水, 使貨品呈現多孔疏松的結構, 從而使其具有完好的速溶性和快速復水性, 同時最大限度地保持了食品的營養成分和生理活性成分。因此該過程中, 捕水器捕集了包括真空室內空氣中含有的水蒸氣和貨品的含水在內的所有水分。

　　4結構特點的區別

　　4.1真空預冷捕水器

　　真空預冷捕水器的結構與一般的換熱器沒有太大差別, 實質就是一個氣液兩相換熱器。由于要將真空室過來的水蒸氣由氣態冷凝為液態, 因此銅材或者鋁材或者不銹鋼材質的金屬光管即可滿足要求。另外需要在捕水器底部連接排水口, 將冷凝后的液態水排出。與凍干機捕水器相比, 對真空預冷捕水器的要求顯然要簡單很多。圖 3 為真空預冷捕水器結構圖。

　　4.2Christ凍干機捕水器捕水器的管路間距較大。由于溫度很低, 因此捕水后捕水器的管路外要結冰或者結霜, 會使管路厚度增

　　張芳芳等: 真空預冷與冷凍干燥中捕水器的不同結構與特點淺析 55

　　加, 考慮到不凝性氣體的通導速率會因此而受到影響, 故捕水器的管間距比一般換熱器大。

　　增設了除霜系統。捕水器管路在結霜后, 若不及時化霜導致霜層結的太厚, 勢必會影響傳熱, 且厚度增加后也會影響到不凝性氣體的通導速率。所以凍干機捕水器一定要考慮融霜的問題, 在凍干系統中增設除霜系統。目前許多冷凍干燥設備都設置有除霜系統。

　　管路的截面形狀特殊。早期的捕水器管路多采用銅材光管, 目前鋁材翅片管則用的較多, 其具有凝霜面積大、質量輕、價格經濟的優點, 但化霜時易積水。考慮到化霜后的排水問題, 捕水器凝霜管的截面形狀設計成了特殊的形式, 便于化成的水順利排出。

　　圖 4 為Christ凍干機捕水器結構圖。

　　6水蒸氣的相態變化的區別

　　在真空預冷過程中是: 液態→氣態→液態, 其中在真空室內水分在低壓下沸騰, 由液態蒸發為氣態, 在捕水器中由氣態冷凝為液態; 在冷凍干燥過程中則是: 液態→固態→氣態→固態, 先在

　　真空室內將物料凍結到冰點以下, 使水分變為固態的冰, 再在較高的真空度下加熱使固態的冰直接升華為氣態, 氣態的水進入捕水器后在管路上凝結為冰或者霜。

　　7結構優化實踐中存在的問題

　　增大捕水面積。由于捕水器的首要作用就是捕水, 因此如何增大捕水器的實際捕水面積是目前捕水器結構改進和優化的焦點。不少專家學者通過實驗得出結論: 增大管路內徑是使捕水器捕水面積增大的有效措施 [4]。對于真空預冷捕水器, 一些專家已通過實驗證明這確實為一個可行的辦法。要注意的是, 內徑太大會導致設備結構龐大、繁雜且造價增加。但是對于凍干機捕水器而言, 由于其管路會在捕水的過程中結冰或者結霜, 冰層或霜層又會使管路厚度增加, 如果管徑過大, 對于體積一定的捕水器則意味著管間距的減小, 而這勢必會影響不凝性氣體的通導速率, 但是管徑過小, 捕水量又不夠。如果增大管間距, 設備的體積龐大, 造價也跟著上升[5]。因此要綜合考慮實際工程情況和生產需要, 確定最佳的捕水器管路內徑, 使得捕水面積增大的同時不凝性氣體的通導不受太大影響, 并且捕水器結構比較緊湊。

　　降低捕水器壁面溫度。對于真空預冷過程, 實驗證明捕水器壁面溫度高低對捕水量大小的影響并不明顯, 一般維持在 0 ℃即可。而對于冷凍干燥過程, 其捕水器的溫度需要結合實際情況加以考慮[6]。一般情況下是- 40～- 50 ℃左右, 但是作為凍干機的捕水器極限溫度, 有人主張- 80 ℃或者- 90 ℃。我們知道, 當溫度要從50 ℃下降到- 80 ℃左右時, 水的飽和蒸氣壓力并沒有改進多少, 也就是說, 對于其間的升華過程而言, 捕水器的捕水量并無太大變化, 因此對于冷凍干燥的效果也沒有突出的貢獻。但是對于制冷系統來說, 蒸發溫度過低卻會使壓縮機運轉困難, 而且要把蒸發溫度下降如此之多也十分困難; 對于捕水器管道而言, 過低的壁溫會讓管道外結霜而不是結冰, 霜層的熱導率與密度都低于冰層, 因此結霜不利于捕水, 結冰過程更加合理; 從能耗角度來說, 冷面溫度太低也不利于節能。

　　8結束語

　　對真空預冷和冷凍干燥系統中捕水器比較發現, 同樣是捕水器, 在不同工作系統中的工作方式也存在著巨大的差別。

　　(1)真空預冷中捕水器的工作主要原理是水蒸氣的蒸發溫度隨蒸發壓力的降低而降低; 冷凍干燥捕水器的工作主要依據是在較高的真空度下, 固態的冰加熱升溫可以直接升華為水蒸氣[7, 8]。

　　(2)冷凍干燥過程的真空度大大高于真空預冷過程對真空度的要求, 其捕水器表面溫度也遠遠低于真空預冷過程捕水器溫度[9]。

　　(3)真空預冷捕水器主要捕集的是空氣中的水蒸氣[10, 11], 凍干過程捕水器主要捕集的是物料中的水分。

　　(4)水蒸氣相態變化在真空預冷過程中是液態→氣態→液態; 在冷凍干燥過程中則是液態→固態→氣態→固態。

　　(5)捕水器內部結構上的不同。

　　作者在最后列舉了對于改進 2 種用途的捕水器結構的各種方式方法, 并分別對其可能性和可操作性進行了討論。

　　隨著食品科技水平的不斷提高, 系統工作部件的結構也會越來越復雜。在實踐中必須注意在把握各種部件的工作特性、充分了解設備性質的基礎上實施對食品的高科技處理, 從而提高食品管理的效率, 為人們的生產生活服務。