CN1060575A - 生物体的热处理方法及实现该方法的传热元件 - Google Patents

Abstract

本方法包括生物体在空气介质中的对流传热和 在每一个生物体内部分地插入至少一个作为热虹吸 管的可独立操纵的传热元件进行接触传热。在冷却 和冷冻时它的露出端定向朝上，而在保暖和解冻时将 其旋转使其露出端定向朝下。传热元件(1)是热虹吸 管，它是带有尖端(3)以便于插入生物体内的密封管 (2)，其另一端(5)带有翅片，当端(3)段(4)和端(5)段 (6)的长度比为1.5-4时，翅片系数为3-15。

Description

本发明属于冷藏技术，更确切地说是生物体的热处理方法及实现该方法的传热元件。

本方法和传热元件在食品工业中可以用于处理食品，象如半胴肉和鱼，也可以在医学中用于保存主要器官和组织。

已知的利用空气介质中的对流传热方式对生物体进行冷却，冷冻和保暖的方法有多种。这些方法的区别在于热处理的阶段数，每个阶段的温度值，室内程序控制温度的方法，室内对流换热的特点（空气的自然和强制对流）等。在空气强制对流时，采用了各种空气分配方式：经过无通道有缝隙的带有定向翅片的假室顶以便将冷空气传送到生物体（如半胴体）。所有为实现上述目的方法都是为了强化生物体表面和空气介质之间的传热。采用这些方法并不能缩短处理时间，这个时间通常为20-48小时。由于生物体厚度的不均匀，所以这些方法的特点是：从整体上看，冷却和冷冻都不均匀。

苏联专利（SU，A，611087）公开的保存生物体的方式是通过生物体与冷却液体（如聚环氧乙烷）直接接触。为了强化传热，同时在生物体内插入传热元件-整块金属制成的刀具。这些刀具安装在联接杆的水平基座上，联接杆接在可以垂直移动的支架上。当联接杆下降时，刀具可刺入置于聚环氧乙烷中的生物体（如器官）的断面中。而后进行程序冷却。由于金属具有高的热传导性，所以刀具保证了器官断面在整个面上的均匀冷却。器官冷冻过程是依靠其外表面与聚环氧乙烷的对流换热和内部与金属刀具表面的接触换热而实现的。

这样的方法仅仅对于冷冻小的生物体有效。因为增加刀具的长度，同时也增加了与冷却液的距离。进而增加了刀具材料的热传导热阻，导致了刀具表面温度的升高。在生物体厚度较大时，由于不能从高温热稳定区移去足够的热量，即由于接触传热效率的降低，从而导致了这些物体冷却和冷冻的不均匀。

苏联专利（SU，A，1070396）公开的生物体热处理方法是通过在空气介质中的对流传热和穿过生物体的传热元件的接触传热进行的。这些传热元件被制成带有尖端的管子，并有一定容积以便注入热载体，热处理（冷冻和解冻）的效果由热载体（氮和热水）的流速、管子的数量以及管子之间的距离来控制，并主要靠接触传热来实现。由于管子不是独立操纵的，每一根管子的工作效率都取决于热载体的容量和温度调节的可能性。所以这些传热元件的使用效率并不高，此外这种传热元件也可能导致原定的热处理方式被破坏。所以，这种方法仅仅在冷冻和化冻小生物体时才有效，而对于大的象如半胴肉这样的生物体是不行的。由于管子穿过生物体时形成了大量的孔径，从而使其质量大大地变坏。

本发明研究生物体的热处理方法。它是通过使用结构更完善的传热元件及其在生物体内的相应布置来强化传热的。为实现该方法，传热元件必须从结构上和几何尺寸上即能保证空气介质和不同尺寸的生物体间的传热得以强化，又能维持其高质量。

问题是按下述方法解决的。生物体的热处理即借助空气介质中的对流传热，又借助在每一个生物体内部分地插入至少一个传热元件进行接触传热来实现。按照发明，接触传热是通过作为热虹吸管的可独立操纵的传热元件实现的。它的一端插入生物体内，另一端（露出端）在冷却和冷冻时定向朝上，而在保暖和解冻时将生物体与传热元件一起翻转以使其露出端定向朝下。

采用这样的传热元件所提供的工艺，由于从整体上降低了温度的不均匀性，特别是在高温热稳定区（尤其对于大的生物体），从而保证了热处理生物体的高质量。该工艺缩短了热处理时间，减少了生物体的损耗量，提高了冷藏室的生产率，减少了电能能耗和润滑油及冷藏剂的用量。该工艺保证了冷藏工作，例如肉品加工厂，屠宰冷藏场所需要的节奏性。

插入生物体高温热稳定区的适宜的传热元件的露出端与垂直方向的夹角不大于45℃，深度不超过其长度的2/3，插入的传热元件间的相互距离大约为6-10厘米。

传热元件的这些插入条件保证了这些传热元件和生物体之间的最佳接触传热方式，同时也极大地强化了周围介质和生物体之间的对流传热。

为实现上述方法提出了生物体热处理的传热元件。它是带有尖端的插入管以便将其插入生物体内，并用作蒸发段。按照发明，传热元件是可以独立操纵的密封的热虹吸管，其中一部分被充以低沸点液体。与尖端相对的另一端作为冷凝段，此端带有翅片，当蒸发段和冷凝段的长度比为1.5-4时，翅片系数为3-15。

推荐的传热元件的特点是内部热传导热阻小，沿管长无温度梯度，因而可以强化传热。传热元件的特点决定了它只是部分地被插入。此时再根据生物体的大小选择传热元件的直径，实际上可以保证传热元件移去后，在生物体上可以不留下残留的孔。由于肌肉组织的弹性可以使小孔很快堵塞，这样就保证了生物体保存的高质量。可独立操纵的传热元件使用方便可靠，它的高效率在处理大的生物体时尤为明显。

后面还有对该方法和生物体热处理传热元件的详细叙述。本发明引用下列附图：

其中图1是所发明的传热元件的示意图;

图2是图1按Ⅱ-Ⅱ截面的剖面图;

图3是传热元件在半胴体中的布置图;

图4是冷却过程中半胴体在插有传热元件时、无传热元件时温度随时间的变化曲线以及空气温度随时间的变化曲线。

根据发明，传热元件1（图1）是可独立操纵的热虹吸管，它被制成带有尖端3的密封管2以便于插入生物体内，用作蒸发段4。与尖端3相对的另一端5作为冷凝段6并带有翅片。为了保证传热元件1最佳地工作，蒸发段4和冷凝段6的长度比应在1.5-4之间选择。这是因为冷凝段6传给空气的热量远低于蒸发段4冷半胴体借助接触传热传给传热元件1的热量。

为了增大传热元件1传给空气的热量，冷凝段6的翅片系数应在3-15之间选择。

翅片7为平板，垂直焊接在管2上。如图2所示，4根翅片沿圆周呈90°间隔分布，在管2的空腔部分8充以低沸点液体。

图3为将3个传热元件1置于半胴体9中的布置方式示意图。半胴体9用挂钩10悬挂在架空线11上进行冷却。每个传热元件1的尖端3都被插入至半胴体9的胯股处，这里是高温热稳定区。冷凝段6都朝上，且与垂直方向的夹角不超过45°

本方法认为：在空气介质中生物体的热处理主要利用对流传热。为了强化传热使生物体（例如用挂钩10悬挂在架空线11上的半胴体9）达到尽可能均匀的温度场，在将其送到冷藏室之前，应插入至少一个可独立操纵的传热元件1（例如3个如图3所示）。传热元件1的插入位置和数量取决于生物体的大小和几何形状，以能覆盖高温热稳定区为准。在高温热稳定区，推荐插入的传热元件1的数目为3-6个。将传热元件1的管2尖端3部分地插入至半胴体9的胯股处，将翅片端5的露出段6定向朝上，且与垂直方向的夹角不超过45°。按照同样方法在胯股区再布置2个彼此相距6-10厘米的传热元件1，以取得均匀的温度场。为了保证蒸为段4和冷凝段6能够正常工作，它们的插入深度不要超过总长度2/3。随后，半胴体9沿架空线11送到冷冻室。露出端5在该方式中是冷凝器，它与室内的冷空气接触。

在这种情况下，半胴体9和室内空气可以进行强化对流传热，半胴体9的高温热稳定中心区可以与传热元件1的蒸发段4进行接触传热。在冷凝段6空腔8内，低沸点液体的蒸汽冷凝形成的液体在重力的作用下，沿管2内壁流到蒸发段4的尖端3处。在这里液体吸收热量并冷却传热元件1周围的半胴体9。液体的蒸汽沿空腔8上升到另一端5的冷凝段6进行冷凝，冷凝热经过管2和翅片7传给冷空气。过程就这样周而复始地进行。因此半胴体9的冷冻不仅在外表面进行，而且也在其内部进行。由于降低了被冷冻的半胴9的厚度，减少了热传导的内阻，传热元件1能够强化对半胴体9的冷冻。因此，半胴体9的冷冻时间降低到1/1.3-1/1.5。这可由图4给出的曲线给以证实;曲线A是无传热元件1时，在离表面5厘米深处测量的参照半胴体温度随冷却时间的变化曲线;曲线B是在半胴体内插入3个传热元件1时，在与参照半胴体同样条件下测量的温度随冷却时间的变化曲线;曲线C是冷却室内空气温度随时间的变化曲线。分析这些曲线可知，在半胴体冷却的开始阶段，借助传热元件1，从高温热稳定区移去热量，过程可得到极大的强化：冷却时间可减少到40%，半胴体的损耗量可减少到28%。上述工艺在单相冷冻半胴肉方面特别有效。在缩短冷冻时间和减少损耗量方面取得了极好的效果。半胴体冷却（冷冻）结束后，传热元件1或者留在其上，或者移去。带有传热元件1的半胴体促暖（解冻）时，如上所述，将半胴体沿架空线11送入温度不低于周围介质的解冻室，将半胴体沿水平轴线方向旋转使每个传热元件1的的端5的冷凝段6定向朝下。在这种热处理方式中，冷凝段6将作为蒸发段工作，而在半胴体9内的蒸发段4将作为冷凝段工作。为了使传热元件1处于最佳工作状态，必须使其与垂直方向的夹角不超过45°

实施例：

冷冻两个用挂钩10悬挂在架空线11上的半胴体9，按上述工艺预先作好准备。在送到冷冻室之前，在其中之一的胯股处部分插入3个传热元件1，使传热元件端5的冷凝段6相对于半胴体定向朝上且与垂直方向的夹角为20-40°将端3的蒸发段4置于半胴体9的最厚部分。在整个冷冻期间，直到平均体积温度达到-18℃为止，室内空气温度应维持在-26℃-28℃之间。当在空气温度为21℃的解冻室解冻时，解冻前应通过改变悬挂点（将前腿挂在架空线11的挂钩10上）的方法，将半胴体9沿水平轴线旋转180°，将传热元件1的露出端6定向朝下。在本实施例中，传热元件1的翅片系数为4.2，此时蒸发段4和冷凝段6的长度比为4.1。半胴体的解冻延续到平均体积温度为5℃。半胴体9与参照物相比：冷冻时间缩短了36%，解冻时间缩短了22%，半胴体9的损耗量减少了28%。在本实施例条件下，热处理半胴肉时，每吨冷冻肉由于自然损耗（冷冻时的干缩）造成的损失量减少了4-6公斤。

Claims (5)

1、借助在空气介质中的对流传热和在每一个生物体中至少插入一个传热元件的接触传热的生物体热处理方法，其特征是接触传热通过可独立操纵的传热元件实现，该元件为一热虹吸管，将其一端部分插入生物体中，而另一端(露出端)在冷却和冷冻时定向朝上，而保暖和解冻时传热元件与生物体一同旋转，使其露出端定向朝下。

2、按权利要求1的方法，其特征是插入生物体内的传热元件的露出端与垂直方向的夹角不超过45°。

3、按权利要求2的方法，其特征是插入生物体内高温热稳定区的传热元件的相互距离为6-10厘米。

4、按权利要求3的方法，其特征是插入生物体内的传热元件的深度不超过其长度的2/3。

5、为了实现权利要求1所述方法的用于热处理生物体的传热元件（1）是带有尖端（3）的管（2），将其插入生物体内可用作蒸发段（4），方法的特征是它是作为密封管（2）的可独立操纵的热虹吸管，管内充以低沸点液体，与尖端相对的另一端（5）带有翅片，为冷凝段（6），当蒸发段4和冷凝段6的长度比为1.5-4时，翅片系数为3-15。

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