白菜真空预冷热质迁移模型及实验研究

　　真空预冷就是通过在真空条件下,使食品中的自由水迅速在真空室内以较低的温度蒸发,水蒸发吸热,在没有外界热源的情况下,食品自身温度降低而产生制冷效果的。真空预冷技术冷却速度快, 能延长食品的贮藏时间和货架寿命,消除异味, 改善食品质量, 操作方便, 而且不受食品外部形状的限制^[1、2]。

　　上世纪中叶，真空预冷技术就已经开始在日本，美国等国家的冷藏运输环节中发挥作用，大大促进了其低温冷藏链的发展^[12]。我国真空预冷技术起步较晚，从八十年代中期才开始进行真空预冷技术和设备的研究工作，但是发展十分迅速，尤其是在东南沿海的许多城市。目前真空预冷保鲜技术广泛应用于蔬菜、鲜花、食用菌、水果等新鲜果蔬原料及制品的采后及时保鲜处理。国内外关于这方面的研究很多，也建立了很多数学模型，但是许多模型对描述传热过程比较准确，描述传质过程误差较大，主要问题是在传质过程要发生气液相变，而且压力在不断地下降，是典型的非稳态过程^[3~11]。

　　柱状白菜是北方冬季的主要蔬菜作物，新鲜白菜采收后,其呼吸作用、蒸发作用及其他许多生理变化通常会加速产品老化、萎凋及黄化;受环境温度的影响,水分大量蒸发,自身的营养和水分持续消耗,迅速萎焉,鲜度降低,使货架期大大缩短。为了克服上述问题,在进入流通之前,需对白菜进行真空预冷处理。但真空预冷会造成白菜失水。失水会对白菜的质量存在一定的负面影响。深入研究真空冷却过程中的热质迁移具有重要的理论意义和实际意义。作者从理论上分析了柱状白菜在真空冷却条件下其内部热质迁移过程,建立了热质迁移数学模型，并通过实验与仿真对比，验证模型的正确性。

　　1白菜热质数学模型的建立及实验验证

　　白菜为圆柱形，在建立传热传质模型时,对其做以下假定：传热是非稳态的;白菜的径向换热率远大于其它方向;白菜各向同性;试验初始时刻，白菜的温度和水分是均一的;白菜的热物性是常数(热导率，热扩散率和比热)。

　　1.1数学模型的建立

　　结合白菜特点，假设白菜为直径D=100mm，高h=200mm的一个圆柱体,如下图所示。

　　在真空制冷的过程中，热量的转移模型可以参照ROGERS 模型^[1]，如公式(1)所示。

　　式中ρ—白菜容重，kg/m³

　　cp—比热容，kJ/(kg·K)

　　T—温度，K

　　t—时间，s

　　λ—导热系数，kW/(m·K)

　　x,r,θ—柱坐标系

　　fv—白菜内部水蒸气的产生率，kg/(m·s)