西瓜汁冷冻浓缩冰晶生长动力学研究及设备的优化扩大

摘要

本文以西瓜汁为试验原料,系统地研究了冷冻浓缩结晶强度及冰晶纯度的影响因素、多级冷冻浓缩的冰晶生长动力学,从而确定冷冻浓缩终点、建立了多级冷冻浓缩动力学方程,并进一步了解冷冻浓缩过程中冰品质量生长及能量传递的变化规律,在此基础上建成冷冻浓缩中试装备,并通过对中试装备的总传热系数、冷量效率较为系统的分析和计算,为冷冻浓缩装备的进一步改进提出了建议。本文所开展的研究简介如下:
　　 1.以西瓜汁为试验材料,研究冷媒温度、果汁浓度、取冰时间及刮刀转速对冷冻浓缩结晶强度和冰晶纯度的影响。结果表明:冷媒温度必须与果汁冰点达到一定的温度差才能形成冰晶。冷媒温度对冷冻浓缩结晶强度和冰晶纯度的影响都较大,较理想的冷媒温度范围为:-15℃到-19℃;冷冻浓缩结晶强度和冰晶纯度随着果汁浓度的提高而不断降低;适时地取出果汁中的冰晶,对提高冷冻浓缩的工作效率是很有帮助的,取冰时间以25 min到30 min为宜;选择合理的刮刀转速,不仅可以获得较多的冰晶,而且可以减少果汁的损失,合理的刮刀转速为:60 r/min到105 r/min之间。
　　 2.通过研究冰点曲线和冻结率曲线来确定西瓜汁的冷冻浓缩终点,并对西瓜汁进行多级浓缩,按照扩散学说的原理,引入冷冻浓缩冰晶生长动力学模型加以验证和研究。结果表明:随着浓缩级数的提高,冰晶生长动力学模型的系数β和k逐渐变小。意味着果汁浓度的提高加大了果汁中质量和能量传递的阻力,使冰晶生长速度变慢。
　　 西瓜汁一级冷冻浓缩动力学方程为:dmi/dt=0.0373mi(1-mi/mi,max)1.0333,二级冷冻浓缩动力学方程为:dmi/dt=0.0311mi(1-mi/mi,max)0.9994,三级冷冻浓缩动力学方程为:dmi/dt=0.0301mi(1-mi/mi,max)0.9717。
　　 3.对冷冻浓缩制冷系统和果汁冷冻系统进行合理的计算和设计,建成冷冻浓缩中试装备,并对中试装备的总传热系数和冷量效率进行计算。结果表明:在冷媒流量为0.317 m3/h～7.405 m3/h范围内,自制冷冻浓缩中试装备的总传热系数K的计算值和测定值范围分别为:194.07～509.36 W/m2·K和196.16～516.26W/m2·K。而提高冷媒的流量或缩短换热器的内管与外管套之间的距离可以大大改进冷冻浓缩的传热效果。当冷媒流量为7.405 m3/h时,冷冻浓缩的出冰量可以达到31.095 kg/h,冷量效率可达到78.1％。