面向制造业数字化的Simulink/Simscape协同仿真专题二——预制食品蒸煮过程节能分析的Simscape仿真
我们在做饭烧水的时候，盖盖子吗？如果是食品工厂级的生产加工，是打开盖子还是密封加工呢？这就必须要考虑节能问题了。从节能的角度，可能盖上盖子更节省燃料，但如何分析呢？本文尝试使用simscape仿真工具进行分析计算，方法供大家参考。
这是实际存在的工厂案例，作者去企业进行了现场调研。
一、蒸煮车间问题分析
目前蒸煮车间蒸煮工序中，蒸煮锅敞口蒸煮，现将此操作可能存在的问题汇总如下：
1、多台蒸煮锅敞口蒸煮食材，加热食材（蘑菇汤、火锅料以及西式菜汤等）造成营养物质以及风味物质流失影响产品品质。
2、蒸煮车间集气罩为多台蒸煮锅共用，需求不足时，蒸煮锅不能同时开启，气体收集效率偏低，虽然只有部分蒸煮锅开启，但依然需要开启整个集气系统，造成能源浪费。
3、集气罩开启时，为了平衡加工车间压力，需要进行补风，为保持车间无菌和低温状态，势必增加新风负荷与制冷负荷，造成能源浪费。
4、目前煮制完成的食品长期处于敞口状态，且使用人工灌装，增加了有害微生物侵入的食品安全风险。同时新风过滤压力增大导致能耗增加。
二、蒸煮过程能耗分析
1、物理过程描述
混合料进入锅内首先要经过受热升温、煮开沸腾以及持续全面沸腾煮制3个状态。该3个状态，将由3个过程完成，且均由蒸汽提供的热量。第1个过程，混合料首先吸收热量升温，并伴随着混合料表面强制对流换热（蒸煮锅敞口且排烟罩启动排烟），以锅内食材混合料为研究对象，锅外壁与空气的对流换热相对于液面对流换热量来的较小，这里暂不考虑。第2个过程，当温度达到接近100℃时（1个标准大气压下），锅体内加热表面气化核心（一般有突起或裂缝处常见）开始产生气泡，即开始核态沸腾，随着继续加热，过热度增加，气泡大量产生，原来的锅内加热壁表面对流换热逐步增强为相变对流换热，使得换热系数急剧增大，最终达到全面沸腾状态。第3个过程，为了满足汤料熟制及其风味工艺要求，需要继续以沸腾方式继续加热一段时间，具体沸腾煮制时间需要根据工艺要求确定。
2、理论模型搭建
此处不考虑传质问题，并根据传热学理论，进行合理的简化，通过搭建传热模型来分析蒸煮过程的热量传递。以一台蒸煮锅为例，建立敞口煮制热平衡方程如下：
注意：这里考虑到蒸煮锅有保温套设计，锅体视为绝热，不考虑锅体外壁与空气对流换热，只考虑混合料与空气接触的强制对流。
（1）蒸汽为蒸煮锅提供的总热量Q蒸汽计算。
将蒸煮锅加热用蒸汽量进行计算，即得到所需热量。根据国家标准，《蒸汽热量计算方法》（GB/T 34060-2017）中3.1热量计算方法进行计算，当已知蒸汽的质量流量以及比焓，蒸汽热量计算公式为：
t0、t1——热量计算起止时间，单位是秒（s）；
qm——蒸汽质量流量，单位是千克每秒（kg/s）；
△h″为蒸汽温度、压力发生变化前后，蒸煮锅蒸汽入口和出口蒸汽的比焓。单位是千焦每千克（kJ/kg）。
精度要求不高的情况下，可进行简化处理：直接采用其加热功率即可，并根据该功率进行调节，来评估节能情况，在下边的仿真模型中，即采用相关加热功率代替，可以满足节能评估要求。
（2）食材混合料加热升温吸热Q升温计算
m料—需要加热的食材混合料质量，单位是千克（kg）；
C料—食材混合料定压比热容，单位（J/kg·K）；
Tt和T0—加热至沸腾终了和加热起始时的温度，单位K。
这里，食材混合料的定压比热容取定值，不考虑温度变化影响（温升范围较小）。另外，西式酱料中水分质量占比约为90%左右，这里在仿真过程中，可以参考水的比热容为4183 J/kg·K，并结合其他食材比热容进行最终评估确定。
（3）食材混合料加热煮制Q自然对流损失计算
h—强制对流换热系数，单位：w/(m2·K)；
A—强制对流换热面积，单位：m2；
Ts—环境温度，即车间温度，单位K。
（4）食材混合料沸腾发展期煮制损失Q相变对流计算
hc—相变对流传热系数，单位：w/(m2·K)；
Ac—相变对流换热面积，单位：m2。
这里简化了相变对流计算，因为无法精确获得“大容器沸腾”相关准数及其他参数，也没有必要进行基于相变换热（其中含辐射环节）的精确计算，这里将沸腾换热等价于对流换热进行定量分析，也可以满足节能定量评估需要。
将（2）-（5）式带入（1）式得到敞口煮制情况下，完成煮制工序的能量平衡方程（6）：
（5）加盖密封煮制能量平衡方程
如果采用加盖密封煮制方法，物料被加热至工艺允许温度，并保持温度，类似高压锅原理。这里的温度随着压力增加，其饱和温度也要超过100℃，但水分并不发生沸腾（相变），由于密封，也基本不与外界进行对流换热和物质交换，对外热损失可不考虑。唯一变化的就是食品混合料被加热的温度会高于100℃，并维持一定时间，以实现食品预期的物理和化学品质（口感和风味）。这个工序也可细致分为3个过程，一个是从环境温度升温至100℃，另外一个是由100℃升温至既定压力下的饱和温度，最后一个是保温过程，由于蒸煮锅有保温层，该过程可视为蒸煮锅为绝热系统，热量消耗很小忽略。这里直接将3个过程合并为1个升温过程处理。
其能量平衡方程为方程（7）：
三、蒸煮过程能耗仿真
本物理模型采用simulink与simscape联合仿真。具体仿真过程如下：
1、敞口情景
⑴情景设定
蒸煮过程按照上文介绍的过程进行，相关参数设定如表1所示：
注：篇幅有限，以上表格仅列出部分预设参数。
⑵仿真结果
仿真流程及结果见图1和图2：
图1 敞口蒸煮仿真模型搭建流程
图2敞口煮制时间仿真结果
通过图2可以看出，敞口时，完成加热至1个大气压100℃（373.15k）完全沸腾所需要的时间为2120秒，35.3333分钟，0.5889小时，既定加热功率为48千瓦，故所需要的能量为：28.2672千瓦时。
完全沸腾后，继续按照工艺要求，沸腾煮制所需时间设定为1200秒，经过计算，在恒定热源功率情况下，还需要消耗16千瓦时热量。这里可以通过调整滑块，设置煮制时间，实时得到能源消耗量。具体仿真模型如图3所示：
通过以上分析，每锅敞口状态煮制能耗合计保守评估最低为：28.2672+16=54.2672千瓦时。
2、闭口情景
⑴情景设定
带保温层蒸煮锅，在既定功率加热器（或蒸汽）封闭加热情况下，食材混合料被加热到一定温度并保温，通过仿真得到完成该过程所需要的时间。设定参数如表2所示：
注：篇幅有限，以上表格仅列出部分预设参数。
⑵仿真结果
仿真流程及结果见图4和图5：
图4 闭口蒸煮仿真模型搭建流程
图5闭口煮制时间仿真结果
通过模型仿真，从图5可以看出，将混合料加热至110℃，所需要的时间为1596秒，0.4433小时。既定加热功率为48千瓦，故所需要的能量为：21.2784千瓦时。
3、节能评估
不改变蒸汽阀门开度，也就是保证而定热源功率时，计算节能量。
节能量评估数据计算，如表3所示：
从上表看出，敞口状态煮制能源消耗是闭口煮制能源消耗的2.5倍。公司采用的热源是蒸汽，这里可以根据千瓦时与焦耳的换算，得到蒸汽消耗量，并结合蒸汽每吨购入费用，计算节省成本费用，这里暂不做计算。
四、参考文献
[1] 高福成.食品工程原理[M].北京:中国轻工业出版社,2001年.
[2] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2016.
