基于臭氧-流化冰的水产品保鲜系统设计及其保鲜效能率研究

陈壮 韩晨辉 王祥 陈朝帅 胡滨鹏

摘 要：为了更好地衡量一种保鲜方式在节能和保鲜两个方面的综合效果，本文定义了一种新的评判指标——效能率，即制备单位保鲜工质消耗的能量所能达到的保鲜效果。其间利用自主设计的臭氧-流化冰水产品保鲜系统，从保鲜效果、制冰系统性能系数（COP）和耗冷量三个方面，对比计算了冰箱、碎冰、过冷水、臭氧-流化冰四种保鲜方式，并基于此引出了效能率的评价方法。研究结果表明，相比于其他三种保鲜方式，臭氧-流化冰组的保鲜效果最好且效能率最高。

关键词：水产品保鲜;臭氧-流化冰;性能系数;保鲜效果;效能率

中图分类号：TB69文献标识码：A文章编号：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

水產品富含蛋白质、矿物质元素等营养成分，肉质鲜美，深受人们的喜爱。但正因如此，其容易腐烂变质，生物体鲜度自死亡起即开始迅速恶化。水产品腐烂变质的主要原因是微生物和酶的作用，其中温度是影响微生物繁殖和酶活性的主要因素。因此，迅速降低温度，可以起到钝化化学反应，杀死细菌、微生物的作用。目前，水产品在运输、贩卖的过程中常用碎冰、片冰降温保鲜，但这种方式的制冰机组能耗高，且存在水产品二次损伤风险、换热效率低的缺陷，保鲜效果不尽如人意[1-4]。

流化冰作为一种新型蓄冷工质，它可流动，冰粒细小圆滑，通常是通过一定浓度的无机盐溶液在一定温度下结晶析出，与载液形成的两相混合物。其相变潜能大，蓄能密度高，含冰率为5%～20%的流化冰其载冷能力是冷却水的1.8～4.3倍，具有良好的流动性和可泵送性[5-6]。

臭氧（O3）属于广谱杀菌剂，对真菌、病毒，甚至肉毒杆菌毒素均有较强的杀灭作用。它的杀菌速度很快，比氯快300～600倍，消毒后分解成氧气，无毒无害、无残留，不产生二次污染，因而在食品保鲜中有着广泛的应用[7]。

目前，将臭氧-流化冰应用在水产品保鲜领域已受到国内外学者广泛关注。有研究以鱿鱼为保鲜对象，对比冰箱、碎冰、过冷水和流化冰四种保鲜方式，结果发现，流化冰在降温速率、水分保持两个方面的效果更好[8];有研究以梅鱼保鲜对象，对比分析了臭氧-流化冰和碎冰两种保鲜方式的杀菌效果，结果表明，臭氧-流化冰在杀菌方面效果显著，并得出当臭氧浓度为0.82 mg/L左右时，杀菌作用最强[9];有研究以鱿鱼为保鲜对象，分析了在保鲜过程中臭氧对鱿鱼pH的影响[10]。

本文以臭氧-流化冰为保鲜工质，设计了一种基于臭氧-流化冰的水产品保鲜系统，并定义了一种新的评判指标——效能率。其间从保鲜效果（[K]值）、耗冷量（[Q]值）和制冰系统[COP]三个方面，对比分析了冰箱、碎冰、过冷水、臭氧-流化冰四种保鲜方式，并探讨了上述三个方面对效能率的影响[8-10]。

1 基于臭氧-流化冰的水产品保鲜系统设计

1.1 系统组成及其工作原理

基于臭氧-流化冰的水产品保鲜系统的原理图如图1所示，图2为该系统的三维设计图。系统由冰浆机（蒸发器）、气液分离器、压缩机、冷凝器、节流阀、干燥过滤器、气液混合泵、流量调节阀、臭氧发生器、溶液配制罐和带有搅拌机的蓄冰罐组成。

下面进行工作原理分析。气液混合泵将臭氧发生器产生的臭氧与溶液配制罐内预先配置好的制冰溶液混合，形成微米级（20 μm以下）的臭氧微泡混合溶液。在泵力的作用下，其进入冰浆机内与壁面另一侧（蒸发器）的低温制冷剂换热，吸收冷量。此时，微米级的臭氧微泡在溶液相变结晶时被冻结在冰晶中，形成包裹有臭氧微泡的臭氧冰。在刮刀搅拌的作用下，其形成一种“气冰互裹”的结构。制备完毕的臭氧-流化冰在泵力的作用下从冰浆机上部排出，进入蓄冰罐内。蓄冰罐内设有搅拌机构，不定时地搅拌，防止流化冰在蓄冰罐内固化。同时，设有融化水回流结构，及时排出多余的融化水，在一定时间内保证罐内臭氧-流化冰的品质。溶液泵可以将蓄冰罐内的臭氧-流化冰运送到有用冷需求的场所。

蒸發器内的低温两相制冷剂在与冰浆换热后，变为低温低压的制冷剂蒸汽，经过气液分离器后被吸入压缩机中[11-12]。在压缩机内，低温制冷剂蒸汽被压缩成高温高压的过热蒸汽。然后，其在冷凝器内放出热量，冷凝为冷凝压力下的过冷液体。后经过干燥过滤器，除去制冷剂液体中的杂质和水分。接着，其流经节流阀，压力温度均降低，部分液体汽化，变为低温低压的两相混合物重新回到蒸发器中与冰浆换热，完成一个循环。

1.2 系统性能分析计算

1.2.1 系统压焓图及工况表。综合各种角度考虑，系统选用R22作为制冷剂[13-14]。由于不同水产品的保鲜温度不同，故所需冰浆温度也不相同。本文以壁面所需温度[tc]=-5 ℃为例，取传热温差[Δtc]=5 ℃，在蒸发温度为[t0]=-10 ℃、冷凝温度为[tk]=35 ℃的工况下，系统压焓图如图3所示。其中，4-1′为低温两相制冷剂在蒸发器内蒸发吸热的过程，1-1′为制冷剂在蒸发器内的有效过热。1′-2为理想状态下压缩机的等熵压缩过程，1′-2′表示压缩机实际的多方压缩过程。2′-3为高温制冷剂蒸汽在冷凝器内的冷却降温液化过程，3-4为过冷制冷剂液体流经节流阀时的等焓节流过程。系统运行时，各点状态如表1所示。

1.2.2 性能系数（[COP]）计算。制冰系统性能系数代表了一台制冰系统的能量转化效率，COP越高，说明制冷系统的能量利用率越高，更节能环保。依据相关文献，性能系数的计算方法如下[11]。

系统制冷量的计算公式为：

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

式中，[Q0]为蒸发器换热量，kW;[h1′-h4]为单位制冷量，kJ/kg;[mc]为制冷剂流量，kg/s。

压缩机指示功率的计算公式为：

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

式中，[Wh]为压缩机指示功率，kW;[h2-h1′]为指示比功，kJ/kg。

性能系数（[COP]）的计算公式为：

[COP=Q0/Wh]                         （3）

式中，[COP]为制冰系统性能系数。

1.2.3 制冰系统[COP]对比分析。不同保鲜工质的制备方式不同，但制备系统原理相同。由压焓图可知，在保证系统制冷量（[Q0]）和制冷剂种类（R22）不变的情况下，[COP]主要取决于系统蒸发温度和冷凝温度[15]。取冷凝温度为环境温度（35 ℃），蒸发器传热温差为5 ℃，保持不变。结合保鲜工质的物性参数，取过冷水机蒸发温度为-5 ℃，片冰机蒸发温度为-15 ℃，冰箱保鲜室为0 ℃。根据式（1）、式（2）和式（3），估算不同制冰系统的[COP]，如表2所示。

2 保鲜效果值[K]的定义与对比计算

结合相关文献中臭氧-流化冰对水产品保鲜研究和对比试验，为了更直观地显示试验结果，本文引入降温速率值、杀菌效果值、水分保持值，作为一种保鲜方式在降温速率、菌落数目变化、样本水分保持三个方面的评判标准[8-10]。

降温速率值可定义为在保鲜的前5 min内水产品温度变化占起始温度的百分比，用[K1]表示。杀菌效果值可定义为在10 d的保鲜时间内菌落总数增长值占初始值的百分比，用[K2]表示。水分保持值可定义为在10 d的保鲜时间内水产品水分变化的绝对值占初始值的百分比，用[K3]表示。

根据式（4）计算总体保鲜效果值[K]，其值可作为评判保鲜效果好坏的依据[16]。各项计算结果如表3所示。

[K=K1K2K3]                                 （4）

3 耗冷量[Q]的定义与对比计算

保鲜工质制备需要消耗能量，本文引入了耗冷量的概念，即制备单位工质所消耗的制冷量，用字母[Q]表示，单位为kJ/kg。其值可通过式（5）进行计算。

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

式中，[CW]为被冷却工质比热容（显热），kJ/（kg·℃）;[TY]为工质冷却初始温度，℃;[T]为最终冷却温度，℃;[Ci]为被冷却工质融化潜热比热容，kJ/（kg·℃）;[IBF]为含冰率，%;[Cm]为冰的比热容，kJ/（kg·℃）。

计算时忽略臭氧对水、冰比热容的影响，冰箱保鲜工质为空气，取温度区间内标准大气压下的平均定压比热容[16]。表4为不同保鲜工质的相关参数值。

4 效能率的定义与对比计算

本文定义了一种新的评判指标——效能率，即制备单位保鲜工质消耗的能量所能达到的保鲜效果值。其用字母[TC]表示，单位为kg/kJ。其值可通过式（6）计算，表5为不同保鲜方式的[TC]值运算结果。

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

式中，[K]为保鲜效果值;[COP]为制冰系统性能系数;[Q]为耗冷量，kJ/kg。

结果表明，对于一种保鲜方式来说，如果其保鲜效果值[K]高，耗冷量[Q]低，且制冰系统[COP]高，就说明在取得良好保鲜效果的同时，系统能耗低，性能好，即效能率高。通过表5数据可知，臭氧-流化冰组的效能率最高，说明其在制备与保鲜的全过程中节能保鲜效果最好。

5 结论

对比冰箱、碎冰、过冷水和臭氧-流化冰四种保鲜方式可以看出，臭氧-流化冰的保鲜效果值（[K]）最高（52.144），说明其保鲜效果最好。保鲜方式效能率的大小与它的保鲜效果值（[K]值）和制冰系统的[COP]成正比，与耗冷量（[Q]）成反比。根据效能率的定义和计算公式，对比四种保鲜方式可以看出，臭氧-流化冰组的效能率最高，[TC]=1.710 7，说明其在保鲜工质的制备与保鲜的全过程中节能与保鲜效果最好。

参考文献：

[1]高萌，张宾，王强，等.流化冰保鲜对鲣鱼蛋白质功能特性的影响[J].食品科学，2014（22）：304-309.

[2]吴锁连，康怀彬，李冬姣.水产品保鲜技术研究现状及应用进展[J].安徽农业科学，2019（22）：4-6.

[3]Liu Z，Lou F，Qi X，et al.Performance evaluation of a new ice preservation system for supermarkets[J].International Journal of Energy Research，2019（14）：8802-8810.

[4]林雪.鮐鱼流化冰保鲜技术研究[D].舟山：浙江海洋学院，2014：26-27.

[5]张小松，陈瑶，殷勇高，等.流态冰制取技术研究进展及实验初探[J].东南大学学报（自然科学版），2013（6）：1343-1352.

[6]梁坤峰，王志远，袁竹林.液-液循环流化床传热与制冰特性数值模拟[J].河南科技大学学报（自然科学版），2007（6）：24-27.

[7]Lone S A，Sathya R，Davoodbhasha M A，et al.An investigation on the sterilization of berry fruit using ozone：An option to preservation and long-term storage[J].Biocatalysis and Agricultural Biotechnology，2019（20）：101212.

[8]袁鹏翔.流化冰对鱿鱼的保鲜研究[D].舟山：浙江海洋学院，2015：21-23.

[9]黄玉婷.臭氧-流化冰对梅鱼保鲜效果的研究[D].舟山：浙江海洋学院，2014：33-34.

[10]杜文静.臭氧冰的制备及其在鱿鱼保鲜中的应用[D].福州：福建农林大学，2013：24-26.

[11]王志远.制冷原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2009：2.

[12]王秀松.制冷技术的原理与应用[M].北京：中国建材工业出版社，1994：12.

[13]冯光东，柳建华，张良，等.R410A和R22在小管径水平管内冷凝换热特性研究[J].制冷学报，2020（1）：141-146.

[14]郑俊逸.冷水机组常用制冷剂及替代工质分析[J].化工与医药工程，2019（6）：50-56.

[15]刘刚，周欣欣，刘魁星.基于冷水机组不同COP表达方式的比较分析[J].建筑科学，2019（12）：126-130.

[16]师云涛.提取冷水凝固热的热泵系统技术方案[J].现代制造技术与装备，2018（5）：140-141.