预制食品蒸煮锅煮制方式问题分析及节能量评估

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，有害微生物侵入的风险。为了确保食品安全，必然引起新风过滤负荷。

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（过度）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（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不考虑。第2个过程，当温度达到接近100℃时（1个标准大气压），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，气泡会大量产生，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（物理及化学贡献）工艺要求，需要继续以沸腾方式继续运行一段时间，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

此处根据传热学理论，并进行合理的简化，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，不考虑锅体的空气对流换热，只考虑混合料与空气接触的强制对流。

⑴ 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：

由于需要进行测量，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。

⑵ 食材混合料加热升温吸热Q升温计算

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（4183 J/kg·K），并结合其他食材比热容进行最终评估确定。

⑶ 食材混合料加热煮制Q自然对流损失计算

⑷ 食材混合料沸腾发展期煮制损Q相变对流失计算

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）：

⑸ 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既定的物理和化学品质（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摄氏度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。

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：

表1 敞口状态相关参数设定表

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：

图3 完全沸腾煮制时间及能耗计算控制仿真

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：

表2 闭口状态相关参数设定

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：

表3 节能量计算表

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、《食品工程原理》，高福成，中国轻工业出版社，2001年，P686，附录二表12。

2、《传热学》第四版，杨世铭，高等教育出版社，2016年，P8，表1-1。