基于臭氧-流化冰的水產品保鮮系統設計及其保鮮效能率研究

陳壯 韓晨輝 王祥 陳朝帥 胡濱鵬

摘 要：為了更好地衡量一種保鮮方式在節能和保鮮兩個方面的綜合效果，本文定義了一種新的評判指標——效能率，即制備單位保鮮工質消耗的能量所能達到的保鮮效果。其間利用自主設計的臭氧-流化冰水產品保鮮系統，從保鮮效果、制冰系統性能系數（COP）和耗冷量三個方面，對比計算了冰箱、碎冰、過冷水、臭氧-流化冰四種保鮮方式，并基于此引出了效能率的評價方法。研究結果表明，相比于其他三種保鮮方式，臭氧-流化冰組的保鮮效果最好且效能率最高。

關鍵詞：水產品保鮮;臭氧-流化冰;性能系數;保鮮效果;效能率

中圖分類號：TB69文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0057-04

Study on the Design of Aquatic Products Preservation System Based on Ozone-fluidized ice and Its Preservation Efficiency

CHEN Zhuang HAN Chenhui WANG Xiang CHEN Chaoshuai HU Binpeng

（School of Vehicle and Traffic Engineering， Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471003）

Abstract： In order to better measure the comprehensive effect of a preservation method in both energy saving and preservation， this paper defines a new evaluation index—efficiency rate， which is the preservation effect that can be achieved by the energy consumed by the preparation unit of preservation working fluid. In the meantime， the self-designed ozone-fluidized ice aquatic product preservation system was used to compare and calculate four fresh-keeping methods from the three aspects of fresh-keeping effect， coefficient of performance （COP） of ice-making system and cold consumption， including refrigerator， crushed ice， supercooled water， and ozone-fluidized ice， and based on this， the evaluation method of efficiency rate was derived. The research results show that， compared with the other three preservation methods， the ozone-fluidized ice group has the best preservation effect and the highest efficiency rate.

Keywords： preservation of aquatic products;ozone-fluidized ice;COP;preservation effect;efficiency rate

水產品富含蛋白質、礦物質元素等營養成分，肉質鮮美，深受人們的喜愛。但正因如此，其容易腐爛變質，生物體鮮度自死亡起即開始迅速惡化。水產品腐爛變質的主要原因是微生物和酶的作用，其中溫度是影響微生物繁殖和酶活性的主要因素。因此，迅速降低溫度，可以起到鈍化化學反應，殺死細菌、微生物的作用。目前，水產品在運輸、販賣的過程中常用碎冰、片冰降溫保鮮，但這種方式的制冰機組能耗高，且存在水產品二次損傷風險、換熱效率低的缺陷，保鮮效果不盡如人意[1-4]。

流化冰作為一種新型蓄冷工質，它可流動，冰粒細小圓滑，通常是通過一定濃度的無機鹽溶液在一定溫度下結晶析出，與載液形成的兩相混合物。其相變潛能大，蓄能密度高，含冰率為5%～20%的流化冰其載冷能力是冷卻水的1.8～4.3倍，具有良好的流動性和可泵送性[5-6]。

臭氧（O3）屬于廣譜殺菌劑，對真菌、病毒，甚至肉毒桿菌毒素均有較強的殺滅作用。它的殺菌速度很快，比氯快300～600倍，消毒后分解成氧氣，無毒無害、無殘留，不產生二次污染，因而在食品保鮮中有著廣泛的應用[7]。

目前，將臭氧-流化冰應用在水產品保鮮領域已受到國內外學者廣泛關注。有研究以魷魚為保鮮對象，對比冰箱、碎冰、過冷水和流化冰四種保鮮方式，結果發現，流化冰在降溫速率、水分保持兩個方面的效果更好[8];有研究以梅魚保鮮對象，對比分析了臭氧-流化冰和碎冰兩種保鮮方式的殺菌效果，結果表明，臭氧-流化冰在殺菌方面效果顯著，并得出當臭氧濃度為0.82 mg/L左右時，殺菌作用最強[9];有研究以魷魚為保鮮對象，分析了在保鮮過程中臭氧對魷魚pH的影響[10]。

本文以臭氧-流化冰為保鮮工質，設計了一種基于臭氧-流化冰的水產品保鮮系統，并定義了一種新的評判指標——效能率。其間從保鮮效果（[K]值）、耗冷量（[Q]值）和制冰系統[COP]三個方面，對比分析了冰箱、碎冰、過冷水、臭氧-流化冰四種保鮮方式，并探討了上述三個方面對效能率的影響[8-10]。

1 基于臭氧-流化冰的水產品保鮮系統設計

1.1 系統組成及其工作原理

基于臭氧-流化冰的水產品保鮮系統的原理圖如圖1所示，圖2為該系統的三維設計圖。系統由冰漿機（蒸發器）、氣液分離器、壓縮機、冷凝器、節流閥、干燥過濾器、氣液混合泵、流量調節閥、臭氧發生器、溶液配制罐和帶有攪拌機的蓄冰罐組成。

下面進行工作原理分析。氣液混合泵將臭氧發生器產生的臭氧與溶液配制罐內預先配置好的制冰溶液混合，形成微米級（20 μm以下）的臭氧微泡混合溶液。在泵力的作用下，其進入冰漿機內與壁面另一側（蒸發器）的低溫制冷劑換熱，吸收冷量。此時，微米級的臭氧微泡在溶液相變結晶時被凍結在冰晶中，形成包裹有臭氧微泡的臭氧冰。在刮刀攪拌的作用下，其形成一種“氣冰互裹”的結構。制備完畢的臭氧-流化冰在泵力的作用下從冰漿機上部排出，進入蓄冰罐內。蓄冰罐內設有攪拌機構，不定時地攪拌，防止流化冰在蓄冰罐內固化。同時，設有融化水回流結構，及時排出多余的融化水，在一定時間內保證罐內臭氧-流化冰的品質。溶液泵可以將蓄冰罐內的臭氧-流化冰運送到有用冷需求的場所。

蒸發器內的低溫兩相制冷劑在與冰漿換熱后，變為低溫低壓的制冷劑蒸汽，經過氣液分離器后被吸入壓縮機中[11-12]。在壓縮機內，低溫制冷劑蒸汽被壓縮成高溫高壓的過熱蒸汽。然后，其在冷凝器內放出熱量，冷凝為冷凝壓力下的過冷液體。后經過干燥過濾器，除去制冷劑液體中的雜質和水分。接著，其流經節流閥，壓力溫度均降低，部分液體汽化，變為低溫低壓的兩相混合物重新回到蒸發器中與冰漿換熱，完成一個循環。

1.2 系統性能分析計算

1.2.1 系統壓焓圖及工況表。綜合各種角度考慮，系統選用R22作為制冷劑[13-14]。由于不同水產品的保鮮溫度不同，故所需冰漿溫度也不相同。本文以壁面所需溫度[tc]=-5 ℃為例，取傳熱溫差[Δtc]=5 ℃，在蒸發溫度為[t0]=-10 ℃、冷凝溫度為[tk]=35 ℃的工況下，系統壓焓圖如圖3所示。其中，4-1′為低溫兩相制冷劑在蒸發器內蒸發吸熱的過程，1-1′為制冷劑在蒸發器內的有效過熱。1′-2為理想狀態下壓縮機的等熵壓縮過程，1′-2′表示壓縮機實際的多方壓縮過程。2′-3為高溫制冷劑蒸汽在冷凝器內的冷卻降溫液化過程，3-4為過冷制冷劑液體流經節流閥時的等焓節流過程。系統運行時，各點狀態如表1所示。

1.2.2 性能系數（[COP]）計算。制冰系統性能系數代表了一臺制冰系統的能量轉化效率，COP越高，說明制冷系統的能量利用率越高，更節能環保。依據相關文獻，性能系數的計算方法如下[11]。

系統制冷量的計算公式為：

[Q0=mc（h1′-h4）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[Q0]為蒸發器換熱量，kW;[h1′-h4]為單位制冷量，kJ/kg;[mc]為制冷劑流量，kg/s。

壓縮機指示功率的計算公式為：

[Wh=mc（h2-h1′）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[Wh]為壓縮機指示功率，kW;[h2-h1′]為指示比功，kJ/kg。

性能系數（[COP]）的計算公式為：

[COP=Q0/Wh]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[COP]為制冰系統性能系數。

1.2.3 制冰系統[COP]對比分析。不同保鮮工質的制備方式不同，但制備系統原理相同。由壓焓圖可知，在保證系統制冷量（[Q0]）和制冷劑種類（R22）不變的情況下，[COP]主要取決于系統蒸發溫度和冷凝溫度[15]。取冷凝溫度為環境溫度（35 ℃），蒸發器傳熱溫差為5 ℃，保持不變。結合保鮮工質的物性參數，取過冷水機蒸發溫度為-5 ℃，片冰機蒸發溫度為-15 ℃，冰箱保鮮室為0 ℃。根據式（1）、式（2）和式（3），估算不同制冰系統的[COP]，如表2所示。

2 保鮮效果值[K]的定義與對比計算

結合相關文獻中臭氧-流化冰對水產品保鮮研究和對比試驗，為了更直觀地顯示試驗結果，本文引入降溫速率值、殺菌效果值、水分保持值，作為一種保鮮方式在降溫速率、菌落數目變化、樣本水分保持三個方面的評判標準[8-10]。

降溫速率值可定義為在保鮮的前5 min內水產品溫度變化占起始溫度的百分比，用[K1]表示。殺菌效果值可定義為在10 d的保鮮時間內菌落總數增長值占初始值的百分比，用[K2]表示。水分保持值可定義為在10 d的保鮮時間內水產品水分變化的絕對值占初始值的百分比，用[K3]表示。

根據式（4）計算總體保鮮效果值[K]，其值可作為評判保鮮效果好壞的依據[16]。各項計算結果如表3所示。

[K=K1K2K3]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

3 耗冷量[Q]的定義與對比計算

保鮮工質制備需要消耗能量，本文引入了耗冷量的概念，即制備單位工質所消耗的制冷量，用字母[Q]表示，單位為kJ/kg。其值可通過式（5）進行計算。

[Q=CW×TY-T+Ci×IBFT≥0CW×TY+Ci×IBF+Cm×IBF×TT<0]? （5）

式中，[CW]為被冷卻工質比熱容（顯熱），kJ/（kg·℃）;[TY]為工質冷卻初始溫度，℃;[T]為最終冷卻溫度，℃;[Ci]為被冷卻工質融化潛熱比熱容，kJ/（kg·℃）;[IBF]為含冰率，%;[Cm]為冰的比熱容，kJ/（kg·℃）。

計算時忽略臭氧對水、冰比熱容的影響，冰箱保鮮工質為空氣，取溫度區間內標準大氣壓下的平均定壓比熱容[16]。表4為不同保鮮工質的相關參數值。

4 效能率的定義與對比計算

本文定義了一種新的評判指標——效能率，即制備單位保鮮工質消耗的能量所能達到的保鮮效果值。其用字母[TC]表示，單位為kg/kJ。其值可通過式（6）計算，表5為不同保鮮方式的[TC]值運算結果。

[TC=K×COP/Q]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，[K]為保鮮效果值;[COP]為制冰系統性能系數;[Q]為耗冷量，kJ/kg。

結果表明，對于一種保鮮方式來說，如果其保鮮效果值[K]高，耗冷量[Q]低，且制冰系統[COP]高，就說明在取得良好保鮮效果的同時，系統能耗低，性能好，即效能率高。通過表5數據可知，臭氧-流化冰組的效能率最高，說明其在制備與保鮮的全過程中節能保鮮效果最好。

5 結論

對比冰箱、碎冰、過冷水和臭氧-流化冰四種保鮮方式可以看出，臭氧-流化冰的保鮮效果值（[K]）最高（52.144），說明其保鮮效果最好。保鮮方式效能率的大小與它的保鮮效果值（[K]值）和制冰系統的[COP]成正比，與耗冷量（[Q]）成反比。根據效能率的定義和計算公式，對比四種保鮮方式可以看出，臭氧-流化冰組的效能率最高，[TC]=1.710 7，說明其在保鮮工質的制備與保鮮的全過程中節能與保鮮效果最好。

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