張淑榮，譚魯志，孫舒揚(yáng)，鄒欣華，朱愛珍

（魯東大學(xué)食品工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264025）

我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，對(duì)工程技術(shù)人才培養(yǎng)提出了更高的要求。工程教育認(rèn)證是工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的有力保障。2016 年，中國成為《華盛頓協(xié)議》的正式成員，這一歷史性的跨越為我國高校工程專業(yè)學(xué)子提供了一個(gè)國際舞臺(tái)，為我國進(jìn)一步深化工程教育改革提供了良好的契機(jī)。工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求明確指出，工科大學(xué)生應(yīng)具有能夠運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)工具解決復(fù)雜工程問題的能力。面對(duì)新工科環(huán)境，工程教育提出了新要求、新理念，高校必須做出適應(yīng)新環(huán)境、新態(tài)勢(shì)的教育改革。

食品是人類賴以生存和發(fā)展的基本物質(zhì)保障，隨著人們生活水平的不斷提高，食品產(chǎn)業(yè)日益蓬勃發(fā)展，冷凍冷藏食品因?yàn)槠浔Ｙ|(zhì)時(shí)間長、便于運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)廣受青睞，食品冷凍冷藏技術(shù)備受關(guān)注。人們開始深入研究食品貯藏、食品加工技術(shù)，通過利用低溫技術(shù)將食品降低溫度，在保證食品色、香、味及營養(yǎng)價(jià)值的同時(shí)實(shí)現(xiàn)食品的長、短期貯藏[1]。食品冷凍冷藏技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)食品制冷技術(shù)教學(xué)也提出了更高的要求。在新工科背景下，基于OBE成果導(dǎo)向理念探索“食品冷凍冷藏技術(shù)”現(xiàn)代技術(shù)工具使用的教學(xué)內(nèi)容與方法，從而提升學(xué)生工程能力培養(yǎng)質(zhì)量。

1 理論支撐

“食品冷凍冷藏技術(shù)”是在熱工學(xué)理論基礎(chǔ)上進(jìn)行的，食品冷凍冷藏過程是一個(gè)復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)過程，通過消耗機(jī)械能將食品的熱量轉(zhuǎn)移到環(huán)境，實(shí)現(xiàn)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(zhì)的主要因素，同時(shí)低溫下微生物活度及各種食品生化反應(yīng)也是影響食品品質(zhì)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(lǐng)域廣泛使用的制冷方法很多，如真空冷卻、差壓式冷卻、通風(fēng)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(jí)蒸氣壓縮式制冷（-30～-60 ℃）、復(fù)疊式制冷（＜-60 ℃） 和吸收式制冷等方式實(shí)現(xiàn)，主要采用液體汽化式制冷。

壓縮式制冷系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 壓縮式制冷系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)主要由四大件組成：蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥。蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑吸收被冷卻介質(zhì)（食品、冷媒水、空氣等） 的熱量，通過壓縮機(jī)運(yùn)輸并做功，將熱量通過冷凝器排放給室外環(huán)境或冷卻工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)制冷。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，制冷系統(tǒng)熱傳遞數(shù)學(xué)模型[2]：

蒸發(fā)器吸熱量：QL=qm（h2-h1）

壓縮機(jī)做功：We=qm（h3-h2）

冷凝器放熱：Qh=qm（h4-h3）

節(jié)流閥節(jié)流：h4=h1

食品在冷卻過程中熱傳遞數(shù)學(xué)模型[3-4]：

式中：QL——蒸發(fā)器低壓狀態(tài)下等壓吸熱量，J；

We——壓縮機(jī)等熵壓縮下所做功，J；

Qh——冷凝器高壓狀態(tài)下等壓放熱量，J；

qm——系統(tǒng)內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量，L/s；

h——系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)焓值，J；

t——食品溫度，℃；

τ——時(shí)間，s；

u，v，w——x，y，z 3 個(gè)方向的風(fēng)速，m/s；

ρ——密度，kg/m3；

c——比容，m3/kg；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)。

2 驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)

“食品冷凍冷藏技術(shù)”理論性、工程性強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，一定程度上影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[5]。為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，教學(xué)設(shè)計(jì)中通過采用現(xiàn)代計(jì)算工具-工程軟件對(duì)食品冷凍冷藏過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和圖形表達(dá)，對(duì)制冷工程問題進(jìn)行研究。對(duì)于食品冷卻問題，目前已有不少軟件可以對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，如COMSOL Multiphysics、CoolPack、EES、Matlab、CFD 等，這些軟件即使沒有數(shù)學(xué)建?；驍?shù)值計(jì)算基礎(chǔ)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(duì)食品制冷能量消耗進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(jì)算界面見圖2。

圖2 EES 計(jì)算界面

假設(shè)冷庫內(nèi)冷卻環(huán)境溫度為-1～7 ℃，蒸發(fā)器溫差為8 ℃，冷凝溫度為45 ℃，分別計(jì)算系統(tǒng)的壓縮機(jī)能耗和制冷效率。

不同冷卻溫度下制冷系數(shù)的變化見圖3，不同冷卻溫度下系統(tǒng)的各能量值見圖4。

圖3 不同冷卻溫度下制冷系數(shù)的變化

圖4 不同冷卻溫度下系統(tǒng)的各能量值

食品冷卻溫度的變化對(duì)冷庫系統(tǒng)制冷系數(shù)的影響很大，冷卻溫度越高，制冷系數(shù)越大，因?yàn)殡S著食品冷卻溫度的升高，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度越高，單位制冷量越大，而壓縮機(jī)耗功越小。冷庫運(yùn)行中需良好地控制冷庫的蒸發(fā)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(shù)、減少能耗。

2.2 食品預(yù)冷過程中溫度變化分析

以Matlab 計(jì)算軟件為例，通過建立食品冷卻能量方程，能夠計(jì)算出食品冷卻過程中任意時(shí)刻、任意位置的溫度值，對(duì)研究食品的預(yù)冷、冷藏等具有重要的指導(dǎo)意義。以球形果蔬——蘋果為例，對(duì)其放置于冷庫中預(yù)冷過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

不同時(shí)刻蘋果內(nèi)溫度分布見圖5，蘋果內(nèi)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化見圖6。

圖5 不同時(shí)刻蘋果內(nèi)溫度分布

圖6 蘋果內(nèi)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化

果蔬放置于冷庫的預(yù)冷過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)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(shí)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(nèi)，由最初的25 ℃降低到6 ℃，而中心處1 000 s 時(shí)刻溫度僅降低到23 ℃，經(jīng)歷4 000 s 的時(shí)間，蘋果整體基本達(dá)到設(shè)定的預(yù)冷溫度2 ℃。

食品的傳熱過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，傳統(tǒng)上采用集總參數(shù)法（Bi＜0.1） 進(jìn)行簡(jiǎn)化理論計(jì)算，但對(duì)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(shí)現(xiàn)，而采用工程軟件進(jìn)行計(jì)算，可以快速直觀地將冷卻過程中食品內(nèi)各點(diǎn)、各時(shí)刻的溫度展現(xiàn)出來，對(duì)食品冷藏品質(zhì)的研究具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

3 結(jié)語

新時(shí)代新工科背景要求現(xiàn)代教育必須緊跟時(shí)代步伐，在發(fā)揚(yáng)傳統(tǒng)教學(xué)優(yōu)良做法的同時(shí)，與時(shí)俱進(jìn)做出相應(yīng)的教學(xué)改革。21 世紀(jì)，現(xiàn)代大學(xué)生計(jì)算機(jī)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(shù)”教學(xué)中增設(shè)使用現(xiàn)代工具的環(huán)節(jié)。通過工程軟件的使用，可以為實(shí)驗(yàn)做出重要的指導(dǎo)和參考，大大減少實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間；通過工程軟件的使用，實(shí)現(xiàn)了畢業(yè)要求中第5 條，使用現(xiàn)代工具對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問題的設(shè)計(jì)、開發(fā)能力，又提升了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力；通過工程軟件的使用，打破了傳統(tǒng)機(jī)械講解的教學(xué)方法，改善了學(xué)生學(xué)習(xí)枯燥、乏味、沒有積極性的現(xiàn)狀，很大程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果良好，為現(xiàn)代工具的使用及教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到重要支撐。