白菜真空預冷熱質(zhì)遷移模型及實(shí)驗研究

　　以柱狀白菜為研究對象，建立了熱質(zhì)遷移數學(xué)模型，并對該模型采用實(shí)驗的方法加以驗證。在設定真空壓力狀況下，就真空室內的壓力變化，白菜自身溫度變化，真空室內相對濕度變化以及白菜質(zhì)量損失情況，模擬與試驗進(jìn)行了對比，其結果相接近。文章分析了試驗過(guò)程參數變化的機理及誤差產(chǎn)生的原因，模型對柱狀蔬菜真空預冷的理論研究有參考價(jià)值。

　　真空預冷就是通過(guò)在真空條件下,使食品中的自由水迅速在真空室內以較低的溫度蒸發(fā),水蒸發(fā)吸熱,在沒(méi)有外界熱源的情況下, 食品自身溫度降低而產(chǎn)生制冷效果的。真空預冷技術(shù)冷卻速度快, 能延長(cháng)食品的貯藏時(shí)間和貨架壽命,消除異味, 改善食品質(zhì)量, 操作方便, 而且不受食品外部形狀的限制。上世紀中葉，真空預冷技術(shù)就已經(jīng)開(kāi)始在日本，美國等國家的冷藏運輸環(huán)節中發(fā)揮作用，大大促進(jìn)了其低溫冷藏鏈的發(fā)展。真空技術(shù)網(wǎng)也曾經(jīng)做過(guò)相關(guān)的報道。我國真空預冷技術(shù)起步較晚，從八十年代中期才開(kāi)始進(jìn)行真空預冷技術(shù)和設備的研究工作，但是發(fā)展十分迅速，尤其是在東南沿海的許多城市。目前真空預冷保鮮技術(shù)廣泛應于蔬菜、鮮花、食用菌、水果等新鮮果蔬原料及制品的采后及時(shí)保鮮處理。國內外關(guān)于這方面的研究很多，也建立了很多數學(xué)模型，但是許多模型對描述傳熱過(guò)程比較準確，描述傳質(zhì)過(guò)程誤差較大，主要問(wèn)題是在傳質(zhì)過(guò)程要發(fā)生氣液相變，而且壓力在不斷地下降，是典型的非穩態(tài)過(guò)程。

　　柱狀白菜是北方冬季的主要蔬菜作物，新鮮白菜采收后,其呼吸作用、蒸發(fā)作用及其他許多生理變化通常會(huì )加速產(chǎn)品老化、萎凋及黃化；受環(huán)境溫度的影響,水分大量蒸發(fā),自身的營(yíng)養和水分持續消耗,迅速萎焉,鮮度降低,使貨架期大大縮短。為了克服上述問(wèn)題,在進(jìn)入流通之前,需對白菜進(jìn)行真空預冷處理。但真空預冷會(huì )造成白菜失水。失水會(huì )對白菜的質(zhì)量存在一定的負面影響。深入研究真空冷卻過(guò)程中的熱質(zhì)遷移具有重要的理論意義和實(shí)際意義。作者從理論上分析了柱狀白菜在真空冷卻條件下其內部熱質(zhì)遷移過(guò)程,建立了熱質(zhì)遷移數學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)驗與仿真對比，驗證模型的正確性。

1、白菜熱質(zhì)數學(xué)模型的建立及實(shí)驗驗證

　　白菜為圓柱形，在建立傳熱傳質(zhì)模型時(shí),對其做以下假定：傳熱是非穩態(tài)的；白菜的徑向換熱率遠大于其它方向；白菜各向同性；試驗初始時(shí)刻，白菜的溫度和水分是均一的；白菜的熱物性是常數（熱導率，熱擴散率和比熱）。

1.1、數學(xué)模型的建立

　　結合白菜特點(diǎn)，假設白菜為直徑D=100 mm，高h=200 mm 的一個(gè)圓柱體,如下圖所示。

圖1 白菜物理模型簡(jiǎn)圖

3、結論

　　白菜是一種適合真空預冷的理想蔬菜，白菜真空預冷的過(guò)程實(shí)際上就是白菜自身熱質(zhì)遷移的過(guò)程，是依靠在真空狀態(tài)下白菜自身水分的吸熱蒸發(fā)而降溫，并通過(guò)熱傳導方式將溫度趨于一致的過(guò)程。本文以白菜作為柱狀蔬菜的典型代表，建立了真空預冷的熱質(zhì)遷移模型，并通過(guò)實(shí)驗的方式，分析了柱狀蔬菜白菜在真空預冷實(shí)驗過(guò)程中，真空壓力，白菜溫度及真空室內相對濕度和白菜質(zhì)量損失的情況，驗證了模型與實(shí)際情況基本相吻合。但該數學(xué)模型存在誤差, 這主要是因為：在模擬的過(guò)程中忽略了熱輻射的影響，適當考慮熱輻射的影響因素，將會(huì )減少與實(shí)驗的誤差，提高模擬的準確性；所建立的柱狀模型，質(zhì)地均勻，整體一致，但事實(shí)上白菜葉部與根部情況及芯部與外部情況差別很大，所以實(shí)驗結果與仿真結果存在偏差，可以采用試驗的方式進(jìn)一步修正模型中的相關(guān)實(shí)驗參數，如水份擴散系數D等；試驗中，測點(diǎn)位置的選擇及探針的形狀對實(shí)驗數據也會(huì )有一定的影響，探針插入白菜中對白菜細胞有一定的破壞作用，探針周?chē)�的水分比其他位置多，這就增加了自由水的存在，影響測試的真實(shí)準確性。