食品液氮速冻处理的热力与经济分析.docx

食品液氮速冻处理的热力与经济分析林文胜鲁雪生顾安忠(上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200030)摘要：主要介绍了液氮速冻处理的几种形式，讨论了食品流态化速冻装置的特点，分析了食品液氮速冻过程的热力特性和技术经济特点，并通过具体算例比较了食品速冻处理的几种方案，说明 了液氮速冻与常规机械式流态化装置联合运行的可行性。分析结果还表明，液氮流态化速冻装置 产品质量高，但运行成本也高，目前还只适合于生产高质量的、具有高附加值的产品。 关键词：液氮；流态化；速冻中图分类号：ts205.7文献标识码：a文章编号：1005-9989(2003)05-0049-04the fast freezing treatment of food with liquid nitrogenlin wen-sheng lu xue-sheng gu an-zhong(institute of refrigeration and cryogenics, shanghai jiaotong university, shanghai, 200030) abstract: in this paper, several types of food treatment with liquid nitrogen are introduced, the characteristics of food fluidized bed freezing equipment are discussed, the thermal and economical aspects of the liquid nitrogen foodtreatment process are analyzed, some projects for food fast freezing are compared through a case study, and thefeasibility of a combination of a liquid nitrogen freezer and a conventional mechanical refrigerated fluidized bed equipment is demonstrated. the analysis also indicates that the liquid nitrogen fluidized bed equipment produces good-quality products, but the operation cost is still high. at present, it is only practical for producing good-quality products high additional value.key words: liquid nitrogen; fluidized bed; fast freezing1食品流态化液氮速冻装置简介食品流态化液氮速冻装置采用安全可靠和对环 境友好的低温液体（从空气中分离出的液态氮，温度为-196）作为冷冻剂，直接与被冷冻的食品表面接触，并使被冷冻的食品实现流态化。由于这种 冷冻方式的传热速度非常快，处理食品的数量大幅度提高，通常，液氮流态化冷冻装置的生产量比同样规模的机械式流态化冷冻装置高出一倍。液氮食 品流态化速冻装置除了使装置提高冷冻速度和效率 以外，更重要的是使食品的品质保持在最好的状态， 是机械式冷冻设备无法与其比拟的。采用液氮进行食品的冷冻处理，在国际上发展 速度很快，有流态化冻结装置，也有隧道式冻结装 置。在型式上有直线型和螺旋型，液氮的使用有喷 雾型和浸泡型。有的速冻装置将浸没式冷冻技术和流态化冷冻技术结合，形成了高效紧凑的液氮冷冻装置，用这种流态化冷冻装置可以生产出质量优秀 的单体快速冷冻（ iqf）产品。高效的流态化冷冻装 置避免了食品在冷冻过程中容易产生的粘结和剥落 等问题，1h 的生产量达 2.5t 高品质的单体快速冻结 产品，且占地面积小。图 1 是一种流化床与液氮相结合的冷冻装置， 应用于草莓的冷冻处理1 。先进行液氮浸没式预处 理，固定冷冻物品的水分。然后进入流化床，一个 特殊的风扇驱动-195.9 的冷氮气进入流化床，增 加了流化床的冷冻能力，冷冻能力提高 200%。用液 氮储罐和输送系统代替机械制冷系统，减少设备投 资。文献2 介绍了一种液氮喷射作冷源的螺旋型冷 冻隧道，用于冷冻比萨饼，冷冻温度为-140-150， 液氮喷射压力 200400kpa，被冷冻产品干耗小于0.55%0.60%。图 2 是一种典型的流化床与液氮喷 雾相结合的食品速冻装置。收稿日期：2003-01-30作者简介：林文胜(1967-)，男，四川荣县人，副教授，博士，主要从事低温技术研究工作。冷冻食品根据行业预测，我国目前流态化速冻装置的需求量大约在 1000 台/年左右，目前流态化速冻装置的产 品售价为 120 万元左右，如果按照年生产量 100 台 的生产规模，年产值可达 1.2 亿元。此外，还可带 动低温储罐的产量和低温液氮的应用市场。低温流态化食品速冻装置可广泛用于水产（虾 类）、水果（荔枝和草莓）、蔬菜（豆类）和半成品 食品等附加值较高的食品的速冻处理，其处理速度 快、干耗少和保鲜质量好的优点比机械制冷型流态 化冷冻装置更具竞争力，尤其对价格比较高、冷冻 速度要求快的产品。随着人们生活和健康水平的提 高，对冷冻食品的冷冻质量也有更高的要求。农副 产品的出口贸易有着非常重要的地位，其中很多产 品需要速冻处理，因此，这种装置对提高我国农副 产品在国际市场上的竞争力有重要意义。另一方面，发展低温流态化食品速冻装置除了 具有良好的经济效益之外，还具有明显的社会效益 和生态效益。食品流态化速冻装置可以提高冷冻食 品的保鲜质量，增进人民健康水平。而作为冷媒的 液氮是无色、无味的惰性介质，对食品极其安全， 不会污染食品。通过使用液氮作冷冻剂，可以减少 cfc 和 hcfc 的使用量，减少对大气臭氧层的危害。 液氮本来源于空气，汽化复温后仍然排放到大气中， 对环境没有任何有害排放，属于环保型产品。此外， 对食品进行大规模流态化速冻处理可以加快农业产 业化和集约化的进程，促进农副产品的深加工，提 高农业生产的效率，增加农民的收入，具有重要的 社会效益。2 液氮速冻过程热力与经济分析2.1 液氮速冻过程热力分析为分析简便，以下均假设被冷冻食品为均质的 半径为 r（直径为 d）的球形物体。本节首先分析了没有流态化系统的液氮速冻过程。 在进入速冻装置后，食品即进入液氮浸没槽或通过液氮喷射系统与液氮直接接触。食品首先从初 始温度 ti 被预冷到初始冻结温度 tf，然后开始冻结。在预冷和冻结至球体表面出现厚度为 的冻结层的两个过程中，液氮从每一块食品（如每个草莓）中 吸收的热量分别为：1-速冻室 2-液氮浸没槽 3-i 传送带 4-ii 传送带 5-绝热外壳 6-排气扇图 1 浸没式流态化液氮速冻装置图 2 喷雾式流态化液氮速冻装置我国在 20 世纪 80 年代初对液氮喷射型冷藏汽 车和列车也进行过研究，由于当时液氮价格偏高（2.0 元/l，而当时的平均工资收入仅几十元），故 此未能推广应用。目前，与机械式冷冻装置相比，虽然食品流态 化液氮速冻装置运行成本还是较高，但随着市场的 发展和人民生活水平的提高，对食品的保鲜要求也 相应提高，尤其是对那些附加值比较高的出口产品， 要求有上佳的保鲜质量，对冷冻速度有很高的要求。 液氮是一种非常理想的低温冷冻剂，在食品速冻工 业有着广泛的应用，与流态化技术结合，可以大幅 度地提高冷冻速度和效率。此外，随着液氮价格下 降 50%和国民平均收入的提高，采用液氮进行食品 冷冻，已具备市场条件。随着生产和市场的迅速发展，人们生活节奏的 加快和观念的改变，冷冻食品的需求量正在日益的 增长，人们在解决了温饱问题以后，对食品的营养 价值、保鲜效果和便捷性也有了更高的要求。近年 来，特别是农副产品生产率提高、产量增加和农副 产品出口贸易量的增长，对农副产品的冷冻保存和 运输需求量也随之增加。此外，我国人均冷冻食品 消耗量与发达国家相比还有相当大的差距。据统计， 我国冷冻食品人均消耗量仅为 2.3kg/年人，而日 本的人均消耗量为 20kg/ 年人，美国达到 38kg/ 年人，因此，冷冻食品还存在巨大的潜在市场。q d 3 d 2 3 c t t （1）c1plifpl 6q d3 d 2 3 q（2）fpf f6式中：c 表示比热容； 表示密度；下标 pl 和50no. 5. 2003冷冻食品pf 分别代表未冻结和已冻结的状态。假设每千克食品总共由 n 小块组成，则使其表 面产生厚度为 的冻结层消耗的液氮量为：2.3流态化液氮速冻过程的经济分析以下通过具体算例来对流态化液氮速冻过程的 经济性进行说明，计算中选取了 3 种食品：虾、草 莓、青豌豆。取食品初始温度 ti=20，最终温度 te=-20 ，食品的热物理性质取自文献3。计算结 果列于表 1 中。 c qng（3）1qv式中：q=qc1+qf；qv 为液氮的蒸发潜热；c 为考虑到食品冻结层以内的部分虽未冻结，但温度也 有所降低，因而液氮耗量会有所增加时的修正系数，在文中取 c=1.2。 若食品完全冻结后需继续冷却至最终产品温度te，则这部分热量为：表 1食品流态化速冻过程分析食品种类g（kg/kg） y（元/kg）d/m虾草莓 青豌豆0.0150.0300.0081.121.171.011.381.451.25q d 3c t t （4）表 1 中 y 表示采用液氮流态化速冻装置进行冷冻处理后附加到食品上的成本，计算中取液氮价 格为 1 元/l。从这几种不同成分、不同大小的食品的计算中， 可以粗略地得出液氮流态化速冻装置的液氮耗量大约在 1.01.2kg/kg，增加到食品上的运行成本大约在1.21.5 元/kg（未计入投资成本）。按照这样的计算 结果，液氮流态化速冻装置用于处理像虾这一类价值较高的产品，其增加的成本还是可以接受的；但 对于像青豌豆这样的普通蔬菜类产品，就显得有些昂贵了。3液氮速冻与机械式流态化装置的联合应用3.1几种食品冷冻方案液氮速冻除了可以单独用于处理食品外，也可 以与普通机械式流态化速冻装置联合使用，以期达 到良好的经济效益。下面以一个实例进行说明。水果类产品，尤其是草莓这样的产品，其产量 波动很大。随着气候等因素的变化，不同年份草莓 的产量不同；在同一年份中，草莓的产量从开始上 市到上市结束的时间段内的波动就更为明显。资料 表明，草莓产量达到最高的阶段占整个草莓生产期 的 30%40%，而这段时间需要的冷冻能力是平均值 的 150%200%。对于这样的具体情况可以采取以下 几种冷冻方案。（1）按草莓生产期的平均产量选取机械式流态 化速冻装置。这种方案的投资和运行成本均不高， 但限制了工厂的生产量，使工厂在出产期中段产品 质量最佳时不能生产出足够的产品，而且这种方案 对果农的生产形成了重大的不利因素，经济效益和 社会效益都不够好。（2）按草莓生产期的最大产量选取机械式流态 化速冻装置。这种方案意味着巨大的初投资，而所 选设备一年中可能只有数周能达到满负荷生产，形c2pf fepf 6而这部分所需的液氮量为：q ng c2（5）2qv液氮总消耗量为：（6）g=g1+g22.2流态化液氮速冻过程的液氮耗量在上一节的分析中，食品释放出的热量完全用于蒸发液氮，即未考虑利用氮气从低温复热至常温 可以吸收的热量。事实上，饱和液氮在-196时的 汽化潜热 qv=199kj/kg，而假设低温氮气能够从-196 被食品复热至 0，则其焓差为略大于 200 kj/kg。也 就是说，冷氮气仍可利用，其冷量接近液氮的汽化 潜热。流态化装置是利用气体焓差的一种合理选择。 在流态化装置中，蒸发出来的低温氮气通过风机系统的作用，以较高的流速流过食品，并使小块状或颗粒状的食品实现流态化。这种系统既充分利用了 液氮的冷量，又因为流态化的实现加大了气体与食 品间的换热系数，使达到最终温度的时间得以减少， 提高了装置的经济性。在液氮流态化速冻装置中，低温氮气可以只与 先经液氮冷却后的食品接触，可以只与未经液氮冷 却的食品接触，也可以先与经液氮冷却后的食品接 触再与未经液氮冷却的食品接触，还可以在 2 次液 氮冷却（一般第 1 次为浸没式，第 2 次为喷雾式） 之间与食品接触。各种方式在热力分析上不同，处 理食品的时间也不相同，这里不进行单独的分析。 但在氮气同样复温到 0的相同前提下，基本上可 以认为液氮流态化速冻装置的液氮耗量只是单纯液 氮速冻装置耗量的一半，即：（7）g=g/251no. 5. 2003冷冻食品成浪费。（3）按草莓生产期的平均产量选取机械式流态 化速冻装置，另配液氮速冻装置处理超出平均产量 的部分。这种方案投资中等，但因液氮耗量高而使 运行成本较高。（4）按草莓生产期的最大产量选取液氮流态化 速冻装置。这种方案的初投资比方案 b 小，但运行 费用会更高，同时设备能力也未得到充分利用。（5）将液氮速冻装置与机械式流态化速冻装置 联合运行，可极大地提高机械式流态化速冻装置的 生产能力，这样可以以比较小的投资实现较大的生 产能力，使经济效益达到最佳。3.2 冷冻方案技术经济比较下面对上一节提出的几种方案进行技术经济 分析。分析比较的共同基础是：草莓出产期 45 d， 出产期平均产量 24t/d（年产量为 1080t/a），其中 15 d 为平均产量的 150% ，15d 为平均产量，另外 15 d 为平均产量的 50%；液氮价格 1 元/l；电价 1.5 元/kwh；机械式制冷装置 cop=1；投资成本考虑 2年回收。方案 a：按 1t/h 生产能力选取机械式流态化速 冻装置，工厂年产量只有 900t/a。装置价值为 25 万 元，附加到食品上的成本为 0.14 元/kg。方案 b：按 1.5t/h 生产能力选取机械式流态化 速冻装置，工厂年产量 1080t/a。装置价值为 37.5 万元，附加到食品上的成本为 0.17 元/kg。方案 c：按 1t/h 生产能力选取机械式流态化速 冻装置，按 0.5t/h 生产能力选取液氮速冻装置，工 厂年产量 1080t/a。装置价值为 30 万元，附加到食品上的成本为 0.14 元/kg。液氮耗量按式（10）计算。 方案 d：按 1.5t/h 生产能力选取液氮流态化速冻装置，工厂年产量 1080t/a。装置价值为 30 万元， 附加到食品上的成本为0.14 元/kg。液氮耗量按式(11) 计算。电耗取方案 b 的 1/10。方案 e：工厂年产量 1080t/a。按 1t/h 生产能力 选取机械式流态化速冻装置，并在产量不足时与一液氮速冻装置联合运行。液氮耗量按使草莓表面1mm2 发生冻结的情况计算。从液氮速冻装置蒸发出 的低温氮气被引入机械式流态化速冻装置，以减少 需要由机械式流态化速冻装置提供的冷量，从而使 其生产能力得到提高。提高的幅度可以从以下分析 得出。假设机械式流态化速冻装置的制冷量为 qr，装 置的生产能力为 g，食品在冷冻前后的焓差为 hp ， 则装置的热平衡方程为：g hp=qr（8）与液氮速冻装置联合后，机械式流态化速冻装置的生产能力提高为为 g，其热平衡方程变为：（9）g h ggq q gg hpv rn式中： hn 为氮气进入装置前后的焓差。将式(8)代入（9）得： h g p g（10） h p gq v g h n将草莓的物性数据代入后，可以求得 g=2.22g， 亦即装置的生产能力提高了 122%（实际上，如果同 样使食品表面 1mm2 发生冻结，对于粒径较小的食 品，机械式流态化速冻装置的生产能力提高得会更 多，当然这也意味着液氮耗量会更大）。这样，要达 到 1.5t/h 的生产能力，只需选取 0.7t/h 的机械式流 态化速冻装置即可。于是，联合装置的总投资为 29 万元，附加到食品上的成本为 0.13 元/kg。5 种方案的技术经济对比见表 2。表 2 5 种方案的技术经济对比 y（元/kg）产量（t/a）投资(万元)液氮量（kg/a）电耗(kwh/a)方案a b c de90010801080108010802537.5303029003600001263600104400105300126360107406126361147600.320.350.621.330.39计算表明，若单纯从运行成本的角度考虑，机械式制冷装置仍然具有优势。方案 b 运行成本低， 但设备投资最大，且占地、配套水电设施的投入也 最大；方案 e 在不显著增加运行成本的基础上，节 约了多方面的成本，不失为一种可能的选择。同时， 计算也表明，如果不考虑产品的质量带来的高附加 值，那么方案 d 的液氮流态化速冻装置是没有竞争 力的。4结论液氮流态化速冻装置产品质量高，设备简单， 投资较小，是一种有发展潜力的食品处理设备。在目前条件下，液氮流态化速冻装置的运行成 本比机械式流态化速冻装置高出较多，因此前者还 只适合于生产质量要求高、具有高附加值的产品。液氮速冻与机械式流态化速冻装置的联合运行 可大大提高后者的生产能力，从而提供了一种为现 有设备增大生产能力的捷径。（下转第 54 页）52no. 5. 2003机械现代化floor being captured electronically by the same centralsystem.the move is being made in partnership with weighing equipment supplier bizerba. as david jeffries points out, most parts of the ready meal production process involve weighing in some form, from arrival of raw materials, through bulk weighing of ingredients to assembly and finished pack weights.“those are hands-on, practical uses,” he says. “but then you think: okay, how do we collect that information centrally and make use of it? what would we like to do, and how should we do it in each localised application?“for example, a simple software package would beable to measure the yield from proteins that were cooking in our stein oven. obviously its important that the yield is measured, both from a cost and a quality point of view. i want to make that measurement there and then. but i also want to be able to compare trends, so it becomes a virtual loop and you can start controlling those yields.”at the beginning its just about a having a set ofscales on the infeed and another on the out-feed. “but you have to link the two,” points out david jeffries, “then start generating batch information, and it all snowballs from there. once you start looking at weighing applications, its all the stuff that comes with it that adds the value.”oscar mayer opted to work with bizerba on theproject because the company could handle all parts of the equation, from bulk scales to high-speed check- weighers, along with all the necessary software. once fully operational, the recipe management system will link together shopfloor pcs, cookers, and weighing equipment such as the load cells beneath each cooking vessel,supplying and gathering production data in real-time.concentrated on getting each piece of bizerba weighingkit working accurately on its own, giving operators menus and accurate readings of tolerances and so on.“the other important area of the bizerba project is weighing proteins in the high-risk filling halls,” says mr. jeffries. “weve got about 30 different scales on three floors. again, these are giving a menu of tolerances but were not actually recording anything yet. the next phase is to put in a network of cables so, once youve told the scales what you are doing, everything will go back to the central pc:300 batches of beef at 70g, giving a total of x, a yield of y, and z units per minute.“so it will be quite a useful tool in terms of measuring raw material usage and efficiencies, but also as a training tool: for example, is one person better at judging 70g than someone else?”david jeffries says the bizerba system is “on thecusp” of being fully operational. the scales are already earning their keep-replacing kit from six different suppliers used in the past and the networking should be in place by the spring.“most of the software is pretty much off the shelf,”he points out. “its how you tailor it that matters. were now at the point where we need to assess all the recipes and cost