現代工具在“食品冷凍冷藏技術”教學中的應用

張淑榮，譚魯志，孫舒揚，鄒欣華，朱愛珍

（魯東大學食品工程學院，山東煙臺 264025）

我國經濟發展轉型升級和產業結構的不斷調整，對工程技術人才培養提出了更高的要求。工程教育認證是工程技術人才培養質量的有力保障。2016 年，中國成為《華盛頓協議》的正式成員，這一歷史性的跨越為我國高校工程專業學子提供了一個國際舞臺，為我國進一步深化工程教育改革提供了良好的契機。工程教育認證畢業要求明確指出，工科大學生應具有能夠運用現代技術工具解決復雜工程問題的能力。面對新工科環境，工程教育提出了新要求、新理念，高校必須做出適應新環境、新態勢的教育改革。

食品是人類賴以生存和發展的基本物質保障，隨著人們生活水平的不斷提高，食品產業日益蓬勃發展，冷凍冷藏食品因為其保質時間長、便于運輸等優點廣受青睞，食品冷凍冷藏技術備受關注。人們開始深入研究食品貯藏、食品加工技術，通過利用低溫技術將食品降低溫度，在保證食品色、香、味及營養價值的同時實現食品的長、短期貯藏[1]。食品冷凍冷藏技術的廣泛應用，對食品制冷技術教學也提出了更高的要求。在新工科背景下，基于OBE成果導向理念探索“食品冷凍冷藏技術”現代技術工具使用的教學內容與方法，從而提升學生工程能力培養質量。

1 理論支撐

“食品冷凍冷藏技術”是在熱工學理論基礎上進行的，食品冷凍冷藏過程是一個復雜的傳熱、傳質過程，通過消耗機械能將食品的熱量轉移到環境，實現食品冷藏或冷凍。食品的降溫速度、降溫形式、冷卻溫度是影響食品冷藏品質的主要因素，同時低溫下微生物活度及各種食品生化反應也是影響食品品質好壞的重要因素。

不同類型的食品需要不同的冷卻溫度與速度及制冷方式。食品領域廣泛使用的制冷方法很多，如真空冷卻、差壓式冷卻、通風冷卻、冷水冷卻、碎冰冷卻等，這些制冷方法主要是通過單、雙級蒸氣壓縮式制冷（-30～-60 ℃）、復疊式制冷（＜-60 ℃） 和吸收式制冷等方式實現，主要采用液體汽化式制冷。

壓縮式制冷系統原理圖見圖1。

圖1 壓縮式制冷系統原理圖

系統主要由四大件組成：蒸發器、壓縮機、冷凝器、節流閥。蒸發器內制冷劑吸收被冷卻介質（食品、冷媒水、空氣等） 的熱量，通過壓縮機運輸并做功，將熱量通過冷凝器排放給室外環境或冷卻工質，實現制冷。

根據熱力學第二定律，制冷系統熱傳遞數學模型[2]：

蒸發器吸熱量：QL=qm（h2-h1）

壓縮機做功：We=qm（h3-h2）

冷凝器放熱：Qh=qm（h4-h3）

節流閥節流：h4=h1

食品在冷卻過程中熱傳遞數學模型[3-4]：

式中：QL——蒸發器低壓狀態下等壓吸熱量，J；

We——壓縮機等熵壓縮下所做功，J；

Qh——冷凝器高壓狀態下等壓放熱量，J；

qm——系統內制冷劑質量流量，L/s；

h——系統內各點焓值，J；

t——食品溫度，℃；

τ——時間，s；

u，v，w——x，y，z 3 個方向的風速，m/s；

ρ——密度，kg/m3；

c——比容，m3/kg；

λ——導熱系數。

2 驅動環節的教學設計

“食品冷凍冷藏技術”理論性、工程性強，學生學習難度大，一定程度上影響學生的學習積極性[5]。為激發學生的學習熱情，教學設計中通過采用現代計算工具-工程軟件對食品冷凍冷藏過程進行數值計算和圖形表達，對制冷工程問題進行研究。對于食品冷卻問題，目前已有不少軟件可以對其進行數值計算，如COMSOL Multiphysics、CoolPack、EES、Matlab、CFD 等，這些軟件即使沒有數學建模或數值計算基礎也很容易入門[6]。

2.1 食品冷藏過程中冷庫能耗分析

以EES 工程軟件為例，對食品制冷能量消耗進行數值計算，得出不同冷卻溫度下貯藏食品冷庫的能耗及制冷效率。

EES 計算界面見圖2。

圖2 EES 計算界面

假設冷庫內冷卻環境溫度為-1～7 ℃，蒸發器溫差為8 ℃，冷凝溫度為45 ℃，分別計算系統的壓縮機能耗和制冷效率。

不同冷卻溫度下制冷系數的變化見圖3，不同冷卻溫度下系統的各能量值見圖4。

圖3 不同冷卻溫度下制冷系數的變化

圖4 不同冷卻溫度下系統的各能量值

食品冷卻溫度的變化對冷庫系統制冷系數的影響很大，冷卻溫度越高，制冷系數越大，因為隨著食品冷卻溫度的升高，系統蒸發溫度越高，單位制冷量越大，而壓縮機耗功越小。冷庫運行中需良好地控制冷庫的蒸發溫度，既能保證食品冷藏要求，又能盡可能地提高冷庫的制冷系數、減少能耗。

2.2 食品預冷過程中溫度變化分析

以Matlab 計算軟件為例，通過建立食品冷卻能量方程，能夠計算出食品冷卻過程中任意時刻、任意位置的溫度值，對研究食品的預冷、冷藏等具有重要的指導意義。以球形果蔬——蘋果為例，對其放置于冷庫中預冷過程進行數值模擬。

不同時刻蘋果內溫度分布見圖5，蘋果內各點溫度隨時間的變化見圖6。

圖5 不同時刻蘋果內溫度分布

圖6 蘋果內各點溫度隨時間的變化

果蔬放置于冷庫的預冷過程是一個非穩態熱量傳遞過程，由圖5 和圖6 可以看出，冷卻過程的影響從蘋果的邊界開始，隨著時間的推移，逐步沿蘋果徑向中心傳遞表面溫度變化速率大，中心處溫度變化延后且速率小。蘋果表面在500 s 內，由最初的25 ℃降低到6 ℃，而中心處1 000 s 時刻溫度僅降低到23 ℃，經歷4 000 s 的時間，蘋果整體基本達到設定的預冷溫度2 ℃。

食品的傳熱過程是一個復雜的過程，傳統上采用集總參數法（Bi＜0.1） 進行簡化理論計算，但對于不滿足條件的冷卻問題需采用解析法求解，求解難度大，不易實現，而采用工程軟件進行計算，可以快速直觀地將冷卻過程中食品內各點、各時刻的溫度展現出來，對食品冷藏品質的研究具有重要的指導意義和參考價值。

3 結語

新時代新工科背景要求現代教育必須緊跟時代步伐，在發揚傳統教學優良做法的同時，與時俱進做出相應的教學改革。21 世紀，現代大學生計算機水平普遍較高，能夠且愿意嘗試新事物，在“食品冷凍冷藏技術”教學中增設使用現代工具的環節。通過工程軟件的使用，可以為實驗做出重要的指導和參考，大大減少實驗成本和時間；通過工程軟件的使用，實現了畢業要求中第5 條，使用現代工具對復雜工程問題進行預測和模擬，培養了學生對復雜工程問題的設計、開發能力，又提升了學生的自主創新能力；通過工程軟件的使用，打破了傳統機械講解的教學方法，改善了學生學習枯燥、乏味、沒有積極性的現狀，很大程度上激發了學生的學習興趣，教學效果良好，為現代工具的使用及教學目標的實現起到重要支撐。