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发表于 2014-11-20 22:13:58
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第二章压差预冷技术
前言
预冷作业大都已是独立于冷藏之外的一项作业，而且需要一些特别的设备来完成，并在特定的空间中来进行。目前已被实际采用的预冷方法可分为下列几项：冰水预冷，室内风冷，压差预冷，真空预冷以及碎冰预冷等。不同的预冷方式各有其优缺点，本文中将只针对气冷式的压差预冷做进一步的详细介绍。
何谓压差预冷
压差预冷(Forced-air cooling)，是一个普遍应用在水果、蔬菜或切花上的预冷技术，降温的方式是强迫冷风进入包装箱中，使冷空气直接与产品接触，其原理是利用抽风扇使包装箱两侧造成压力差，使冷风由包装箱之一侧通风孔进入包装箱中与产品接触后由另一侧通风孔出来，同时将箱内的热带走。其优点是设备简单，且几乎所有的园产品均可使用压差预冷方式降温，其使用的包装箱可不用如水冷或加冰预冷必须是防水的。其缺点是1.降温速度较其他方法慢(除了室冷)，2.在某些产品上会造成2％以上的失水。因此有效的压差预冷必须：
．产品排列良好，使包装箱两侧形成压差。
．包装箱经过设计，使冷风能通过并与产品直接接触。
．空气必须维持在一定的低温。
．空气相对湿度必须维持在90％以上。
压差预冷的型式
一、隧道式压差预冷(Tunnel cooler)
这是最常用来强迫冷风通过箱子的方法，栈板堆积的包装箱排列成两行，中央具开放走道（图二），用帆布覆盖中央走道的上方及末端以形成一隧道，再用抽风扇抽去隧道内的空气，如此迫使隧道外的冷空气穿过箱子中的产品进入隧道中，而由风扇抽出的暖空气则再经由冷排降温。栈板可堆高两层以上，以充份利用库内空间。用纸箱装箱的产品，只要纸箱具有适当的通风孔也可使用此方法降温。
图二.隧道式压差预冷库示意图
图二.隧道式压差预冷库示意图
(Thompson et al., 1998)
国内中型压差预冷产品入库情形
国内中型压差预冷产品入库情形
大型隧道式压差预冷库操作情形
大型隧道式压差预冷库操作情形
(Thompson et al., 1998)
中型隧道式压差预冷库操作情形
中型隧道式压差预冷库操作情形
这个系统可整批操作使大量产品降温，而不需操作个别箱子或栈板。每一操作系统有单一的抽风扇，此抽风扇最好有速度控制器，当穿过包装箱的空气温度降低时，风速亦逐渐降低，如此可减少风扇耗能、热量产生及减低产品失水。
二、蛇形式压差预冷(Serpentine cooler)
这个系统是设计使用在具底部开孔的包装木箱上，堆高机操作的侧边底部开孔是用来作为空气进出的通道，木箱紧靠透空墙（plenum），以偶数层堆积， 偶数层木箱底部侧边开孔对准墙上通风孔。在交错的木箱底部开孔分别有阻风板条，如此强迫冷空气通过木箱上层，再经木箱中的产品后，由底部通道进入透空墙后面经冷排及压差扇抽出。由于需特殊包装容器，目前只以美国苹果包装的标准木箱使用较普遍。此系统通常是整批操作，但每次可沿着墙壁堆高许多层，蛇形式预冷对库内空间利用率高（图三）。
蛇形压差预冷库示意图
图三.蛇形压差预冷库示意图
(Thompson et al., 1998)
移动式压差预冷设施
移动式压差预冷设施
三、冷墙式压差预冷(Cold-wall cooler)
这是一种使少量及无法完整栈板堆积的产品有效降温的通风系统。单行的栈板排列在透空墙上，透空墙内部有冷排及压差风扇使造成负压，栈板靠近墙壁时，压下弹簧使阻隔通风孔的调气阀打开，空气开始流通，调气阀可安排在一定的高度以适合不同高度堆积的产品预冷，不用调整或怕造成漏气现象（图四）。
冷壁式压差预冷库示意图
图三.冷壁式压差预冷库示意图
(Thompson et al., 1998)
壁面吸引式压差预冷库
壁面吸引式压差预冷库
(Thompson et al., 1998)
切花较常使用冷墙式压差预冷，透空墙内约需2～4cm水柱的静压力，操作时包装箱沿着墙壁堆积，将箱子的通风孔对准透空墙的孔隙，墙上的孔隙须小到足够使透空墙内外压力差大于箱子内外的压力差，如此操作时通过箱子的风量才不会改变，且没有调气阀亦可操作。
另可安装自动起动式系统，操作者不需起动压差扇，产品一旦靠近即自动起动，一个栈板预冷结束可立即更换另一栈板，使操作空间有效利用，但缺点是设备费相对较高，所需操作空间亦较大。由于每一栈板预冷结束时间不同，操作者须不断观察每一栈板降温情形，以防止因通风过久而使产品损伤，因此有些降温设备加上定时器，栈板靠近起动调气阀后，同时起动定时器，一旦达到降温终点后，即自动关闭压差扇，如此操作者可不用经常去担心是否已达到预冷终点。
压差预冷库设计
一、冷冻能力
压差预冷库的冷冻能力计算主要考虑的热量来源是产品的田间热，预冷初期产品本身的热量高，且须很快的降温，因此冷冻系统必须有足够能力去除产品最初的热量，一般是以移除产品完全冷却所须最高冷冻吨的75～80％为标准。以单一隧道式压差预冷库处理叶菜类每次处理2吨为例，产品初温为30℃降至5℃须要15～20冷冻吨的冷冻能力才可达到快速降温的要求。
二、压差风扇选择
压差风扇的选择依其可产生的风量及其静压力而定，大部分设备须达风量0.5～2.0 L-sec-1-kg-1，如前所述，风量愈大愈耗能，操作量不同时可使用变频器来调节风量大小。
压差风扇操作时所产生的静压力通常很难测量，简易的量测方法是以一段透明塑胶管一端伸入压差箱中，另一端置于大气压力中，塑胶管中间折成U型，启动风扇时，U型管内的水柱型成水位差，此高度差即为风扇最大静压力。空气通过箱子后产生的压力差受下列因素影响：
通过风扇的压差还包括通过冷排及风道的阻抗，一般来说压差风扇的设计须能有50mm水柱以上的压力抗性，除非是经测试过的小型的压差预冷设备，其静压力较低的也可被接受。
轴流(Axial-flow)风扇及离心(centrifugal)风扇均可使用在压差预冷,轴流风扇适合使用在静压力大于1.5吋水柱时, 离心风扇则在相同静压力下较轴流风扇静音。
操作上应注意事项
一、预冷时间
如前面提过，产品预冷的降温模式曲线如图一，降温速率由产品温度与冷空气的温度差决定，开始时产品降温速度较快，愈接近终点时降温速度愈慢，降温过程可以半预冷期表示，使产品温度降到其最初温度与冷空气温度差的一半所需的时间称半预冷期，产品最初温度为30℃，空气温度为0℃，产品由30℃降为15℃是第一个半冷期，第二个半冷期的时间约等于第一个半冷期，但由于产品的温度与冷空气温度差只有第一个半冷期温度差的一半，所以实际降低的度数只有第一个半冷期的一半，大多数的产品以三个半冷期(7/8预冷期)，或四个半冷期(15/16预冷期)时间为预冷终点。
体积较大的产品，如洋香瓜，位置前后的预冷速度差异较小，不同位置洋香瓜果实中心的热量移除时间相同，然而体积小或表面积大的果实或叶菜类，则差异很大，操作者需注意当最不易降温位置的产品已经降温，才算结束并移除栈板。
降温设备通常设定的风量约需1 cfm/lb(1 L-sec-1-kg-1)，如此才有一个合理的降温速率及风扇大小。风量加倍到2 cfm/lb，叶菜类约可减少40％的预冷时间，但洋香瓜则只减少10％，而加倍的风量须使风扇增加4倍的静压力，即需增加6～7倍的马力。降低风量会增加处理时间，因此虽可降低风扇的大小及减少成本，但降温速度太慢有以下的缺点：(1)须要有较大的操作空间使整批产品能够有较长的操作时间，(2)会增加产品的失水量。
二、产品堆叠
产品在包装箱中堆放如果太过紧密，会使静压力加大，增加风扇阻力。包装箱堆叠愈宽，冷空气通过产品的距离愈长，当达预冷终点时，产品最高最低温度差会很大。堆叠较宽时静压力必须加大，才能使风量加大，通常降温设备可堆叠一个栈板宽度，栈板宽度1.2m，上面排列3～4层，单行堆叠时在较低静压力下可有较大的风量及较快的降温速率。两排栈板中间回风道及栈板外侧的出风道宽度需50公分左右，栈板排列长度以480公分为宜。
三、压差预冷造成的失水
良好的压差预冷处理并不会造成产品失水，然而如果因操作不当使产品因失水太多而受损，将因而限制其使用。其中影响最大的是处理风量及预冷时间，风量超过太多时会造成大量失水，因此应避免大风扇处理少量的产品的情况。有时风量稍大，失水情形反而较少，原因是使预冷时间缩短。压差预冷时当到达预冷终点时应立即停止冷风继续通过产品，持续的通风，是造成产品失水太多的重要原因。预冷时间会随产品温度及处理风量的因素而不同，一般来说散装非结球叶菜类的预冷时间为1～2小时，甘蓝等结球型叶菜类为4～8小时，果菜类则约1到2小时。有些降温设备以抽回的冷空气温度控制，当循环回来的空气温度与压差扇刚吹出时的温度接近时，风扇速度自动调节变慢，接近预冷终点时所需的风量远较预冷初期为低，因为接近预冷终点时热量的移除速率变的很慢。
产品初始温度太高会造成较多的失水，早晨或夜晚采收可使产品温度较低，如果要在田间暂时停留的产品必须遮阴，或是采收后尽早进行预冷。有些产品包装前先部份降温，包装后再完全降温，在包装时应尽量减少回温情形，以减少失水。
蒸散系数小的产品如柑橘，降温时并不会有失水的情形，很适合压差预冷。胡萝葡的蒸散系数是柑橘的10倍，预冷后失水0.6～1.8％，以PE塑胶袋包装可使失水减少到0.08％，但预冷时间增加5倍。蒸散系数很大的产品如叶菜类可先淋水后再预冷可防减少失水。
适当的压差预冷处理，空气湿度在80～100％范围，对产品失水影响不大。冷空气与产品间的蒸气压差大小，主要受产品温度的影响，而不是空气湿度，然而预冷时加湿可增加纸箱的水份，防止产品预冷后纸箱自产品中吸水。
四、降温速率变慢的因素
造成遂道式压差预冷速度变慢的主要因素有:1.冷排温度设定不当.2.容器的通风不当。大量产品预冷时库内空气温度上升的原因可能为冷冻能力不足或库体保温不良。库内温度上升时，须与冷冻工程师商量，在经济考量下设法有效提高冷冻机能力。
假如温度显示一直维持在设定的低温，但产品无法降温，表示冷空气无法进入包装箱内使产品降温，造成并没有足够的空气通过箱子，使降温速度变慢，可能原因：
．抽风扇的风静压力不足，无法产生1～2 cfm/lb的风量。
．产品堆叠不良，使冷风经由堆叠空隙通过而不经由包装箱开孔进入
．纸箱开孔面积不足，须有3～5％的开孔面积，且栈板堆积时开孔须对齐。
．包装材质阻碍空气流通。
．堆积太多产品造成风量相对不足。
．出风道及回风道的宽度不足，造成前后或上下降温不均匀。
结语
温度对蔬果品质影响很大，产品应尽快降温才能保鲜度，在先进国家欧美及日本对蔬菜运销时的温度管理相当重视，以保持产品鲜度。国内目前由于冷藏库大量兴建，冷藏及低温运销技术渐受重视，而预冷是做好产品温度管理的第一步，也是重要的一步，因此预冷技术跟随着不断改进及发展。压差预冷并不一定是最佳的预冷方式，但有其特殊的优点存在，如对产品的适应性广，设备简单，降温快，处理量大，及预冷库同时可当冷藏库使用等优点。但缺点是操作上要注意的细节很多，如果操作不良会使降温效果大打折扣，甚或对产品造成失水等伤害。正确的预冷观念及预冷技术发展，可使国内农产品不论内外销均可有很好的低温保鲜的处理以提升产品品质。
压差预冷产品之包装箱需注意开孔型式
压差预冷产品之包装箱需注意开孔型式
(摘自Thompson等, 1998)
第三章 真空预冷技术原理及应用
前言
前文中有大略提到真空预冷的降温原理，且一再提到真空预冷是预冷效率最佳的方式，而以下文章中将详述其降温原理，所需的设备构造及比较其处理应用上的优缺点。
真空预冷的降温原理
真空预冷（Vacuum cooling）主体结构为可栈板堆积的真空槽，另须具有真空帮浦以降低仓内压力。在真空帮浦之前有一冷冻机组是用来凝结帮浦抽出的气体中之水气，由于水气的蒸发会使真空帮浦的负荷加大，因此在真空帮浦之前先行凝结以提高真空帮浦效能（图五）。
真空预冷机模式图
图五. 真空预冷机模式图
处理时将产品以起重机作业，放入真空槽中，起动冷冻机组，然后抽气降低槽内压力，在正常大气压力下(760毫米水银柱)，水的沸点是100℃，随着压力降低，水的沸点降低，当压力降至4.6毫米水银柱之压力终点时，水的沸点降低至0℃，水沸腾时由液态变为气态带走大量的热，产品温度亦迅速降低。由于真空预冷是靠水分蒸发带走大量的热，故产品每降低5℃约会失水1％，预冷完成时通常会失水2～4％，由于真空预冷所失去的水分是自产品表面均匀的散失，只要失水率在5％以下，产品因真空预冷所造成的萎凋情况并不明显。虽然如此，采收后仍应在产品尚未萎凋前尽速预冷，有时甚至必须在产品表面洒水来加强预冷降温效果及减少失水失重。
美国大型真空预冷机
美国大型真空预冷机
中大型真空预冷机
中大型真空预冷机
(摘自Thompson等, 1998)
国产中型真空预冷机
国产中型真空预冷机
真空预冷之应用
以恒资公司提供的商业预冷机操作为例，每次蔬菜处理量约800公斤，进行短期非结球型叶菜类真空预冷处理，预冷时真空槽中压力在6分钟后降至100 Torr(毫米水银柱)以下，到10分钟时降至10 Torr以下（图六），如前所述，此时水的沸点已接近0℃。测量真空槽中产品的温度变化如图七 ，在8分钟前，温度几乎没有降低，但在8～10分钟时，两分钟内温度迅速由27℃左右降至5℃以下，之后再加上回压时间，整个处理过程应在15～20分钟内完成一批。
图六.真空预冷时真空槽内压力降低情形
数种短期菜类真空预冷时降温情形
图七.数种短期菜类真空预冷时降温情形
计算其耗电量每操作一次共需17度(KW/hr)，每度电费以1.65元计算(农业用电)，共需28.05元，折合每公斤处理电费成本为0.035元，可见就操作成本及能源使用效率来说，真空预冷是最经济的预冷处理方式。 虽然如此，真空预冷机也不是万能的，有许多产品进行真空预冷时降温速率缓慢，如水果类、果菜类及根菜类。最主要为其可供水分蒸散的表面积与体积的比例小，而真空预冷最主要是靠水分的蒸散原理降温。因此，真空预冷最主要还是应用在叶菜类或花卉上效果较显著。
真空预冷的优缺点
．优点
1.使产品预冷澈底且降温均匀，保鲜效果显著。
2.操作简便，产品不须特别堆积处理，且经由自动控制设备通常只须按一键即可完成所有操作。
3.降温速度快，以短期叶菜类为例，每次只要20～30分钟即可完成数公吨的处理量。3.没有包装容器的限制，不像水冷式须考虑容器的防水性，气冷式须考虑冷空气与产品的接触性。
4.能源使用效率高，由于大幅缩短预冷时间，及处理量大，因此操作时之耗能相对的较水冷或压差预冷少。
．缺点
1.部分品目不适合，园产品中水果类并不适合使用，蔬菜类中如附表一，有部分产品不适合，如果菜类、根菜类由于预冷时蒸散表面积小，因此预冷效率差，但表面积大的叶菜类则大都很适合。
2.处理不当会造成失水萎凋。
3.设备费用高，初期的投资成本大。
4.必须有冷藏库配合，预冷处理完的产品必须进入冷藏库中贮藏。
使用上应注意事项
1.真空预冷通常以表面积与体积比大的产品较适合，如结球莴苣等叶菜类，水果及结球紧密的甘蓝、结球白菜等表面积小且蒸散作用小的产品较不适合真空预冷。但在日本部分根菜类及果菜类如胡萝卜、甜椒、甜玉米等亦采用真空预冷，主要考量的因素是其操作方便性。
2.虽然有很好的预冷降温设备，但仍须注意产品的新鲜度，如尽量利用清晨或旁晚采收以减少田间热，采收后并尽快进行预冷降温处理，否则产品新鲜度一旦丧失，即很难恢复，再好的处理技术通常只能维持品质而无法增进品质。
3.容易失水的产品如短期叶菜类，甜玉米等，处理前先淋水，可增进预冷降温效率及减少失重。
4.真空预冷处理之操作通常需有起重机及栈板操作，否则会失去其操作简便性之优点。另处理场附近须有冷藏库，以利预冷处理完之产品保鲜贮藏。
5.大部分产品可以压力控制操作流程，使操作时间固定，部分具有低温寒害特性的产品则须改以温度控制，并应注意预冷终温的设定。
结语
有许多人认为预冷只是把产品浸一下冷水，或放入冷藏库一段时间后让温度有稍微降低。也有些人已有很好的预冷设备，如冰水预冷机或压差预冷库，但是常常由于操作不良或是因嫌麻烦而自行简化操作步骤，使预冷处理效果大打折扣，或不再使用而任由设备闲置。由于预冷处理会增加处理成本，而且如此不够彻底的预冷做法对产品的保鲜增进有限，因此许多人对预冷作业是敬而远之，不愿去做或只浸一下冰水或直接放入冷藏库一段时间，觉得已经降温就满意了。所以多年来国内预冷预技术的发展是走走停停，进展有限。但近几年来经由农政单位、学术单位及产地业者的努力，至少唤醒了大家对预冷及低温保鲜的重视，也建立了预冷技术在国内采后处理的上重要地位。
真空预冷最主要的优点是只要简单的操作就能使产品均匀而澈底的降温，因此保鲜效果明显，且时间短，对采后处理流程影响小，操作的人工成本及耗能成本低。真空预冷技术在欧美已发展多年，在大型农场上使用非常普遍，但只限定在某些效果特别明显的作物上，如结球莴苣、西洋芹菜等，在日本则已开发出中小型真空预冷机，且广泛使用在大多数的蔬菜上面。
有真空预冷设备，产品可以在田间包装，简化处理手续
有真空预冷设备，产品可以在田间包装，简化处理手续
以往我们没有直接推广使用的原因是国内尚未开发商业型真空预冷机，由国外引入除了价钱昂贵外，将来的机械维护及保养也是问题。近年来由台大农机系（目前改名生物机电系）与厂商建教合作研发，及经多次的改良后，已有很好的商业机械在产地实际操演，如此一来真空预冷机将有很大的降价空间及解决了机械维护问题，大大的提高了其在国内发展的可能性。真空预冷技术如果推展成功，在国内园产品的保鲜处理上将会有十足的影响。
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楼主: 魏杰
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