（工程热物理专业论文）螺旋式快速冻结装置气流组织与食品冻结过程的研究.pdf

j ! ! j ! i 一 一 螺旋式快速冻结装置气流组织与食品冻结过程的研究 摘要 快速冻结技术是食品冷链中的一个重要环节，螺旋式快速冻结装置因其空间 利用率高、适合于多种食品的冻结而被“泛采用。但由于冻结工艺和气流组织较 为复杂，以致目前螺旋式速冻装置普遍存在着效率低、能源消耗量大和没有充分 发挥应有的冻结能力等缺憾，为此本文以螺旋式速冻装置为研究对象，以提高螺 旋式速冻装置效率和降低能源消耗为研究目的。在对食品冻结过程和气流组织进 i i ：理论分析和实验研究的基础上，结合所提 的速冻装置性能指标，给出了设计 改善螺旋式速冻装置性能的技术措施，提高了评价速冻装置的科学性。 ：本研究课题是涉及热力学、传热学、流体力学、制冷技术、食品加工技术等 的交叉学科问题，其主要研究内容如下： l 、速冻装置的性能评价指标 速冻装置是一种高耗能装置，所消耗的能量一部分用于冻品降温和冻结，该 部分能量被有效利用，而其它部分则由于产冷环节和用冷环节中的各种不可逆因 素造成能源浪费。为了提高速冻装置的能量利用率，不仅要使制冷系统的性能系 数c o p 较高，同时还要使制冷装置能最大限度地利用制冷系统所输出的冷量。为 此，本文首次从制冷装置的整体能源利用率角度提出了速冻装置的能量利用率指 标，利用该性能指标可以评价速冻装置的整体性能。 气流组织是影响吹风式冻结装置能量利用率的一个很重要因素，也是一个在理 论上较为复杂的流体动力学问题，但在能源的有效利用方面具有很大潜力。通过 气流组织的优化能较大幅度地降低装置的运行费用，为此本文首次提出了气流组 织效率和气流组织均匀性系数概念。 本文提出的三个性能指标是本研究课题的最终目标函数。所提出的性能指标应 用范围广，适宜于各种速冻装置的性能分析、比较，利用这些指标还可以对速冻 装置所存在的问题进行诊断。 2 、速冻装置运行参数间的匹配 冻结环境温度和冷空气与冻品的对流换热系数是影响冻结过程的两个重要因 素。本文首次建立了速冻装置运行参数对速冻装置性能参数( 包括：冻结时间、 生产能力、能耗等) 影响的理论模型，通过模型分析可知：冻结温度和冷空气的 送风速度直接影响了食品的冻结时间、速冻装置的生产能力和能耗指标。这两个 墼量一 运行参数的不同匹配关系对应不同的能耗，研究表明：最优的匹配关系对应的能 耗比通常工况下的能耗可降低1 0 以上。因此，在速冻装置的设计过程中要高度 重视冻结温度与冻结风速这两个参数的匹配。 3 、食品冻结过程的动态模拟 冻结过程是一种典型的伴有相变和变物性的强非线性热传导过程，求解有很大 难度。目前数值方法对冻结过程进行模拟多数采用有限差分法，有限差分法在处 理复杂边界条件和强非线性问题时存在着各种缺憾。本文在对冻结过程进行3 一d ( 三维) 数值模拟时采用了对处理复杂边界和非线性问题有明显优势的g a l e r k i n 法，并编制了计算程序。实践证明该方法可很容易地对各种形状食品进行网格划 分，其有较好的稳定性和较快的收敛速度，理论计算结果与实验结果吻合较好。 利用该方法可确定各类食品在不同冻结工况下的冻结时间，并获得以下有指导 意义的结论：( i ) 气流组织是影响速冻装置性能的重要因素，冻结区气流流速和 冻结温度平均值对螺旋式速冻装置的性能影响很大，而均匀性系数的影响则很 小：( 2 ) 进料口设置在温度较低的区域有利于缩短冻结时间和降低能耗； ( 3 ) 冻品终温应根据冻品的种类和形状适当调整，如特征尺寸为2 8 c m 的平板状、柱状 和球状食品的最终中心温度可控制在1 5 、一2 和一0 5 ，而所需要的平衡时问 很短：( 4 ) 冻品热物性不同对冻结参数的要求也不同：对于导热性能差的冻品， 宜采用降低冻结温度的方法；对于导热性能好的冻品，宜采用提高风速的方法。 4 、气流组织的数值模拟 本文首次建立了有内部障碍物的螺旋式速冻装置气流组织的紊流模型，编制了 计算程序，理论计算结果与实验结果吻合较好。获得了在各种不同条件下的流场 特性，给出了有利于食品冻结和节能的气流组织形式及其在工程上的控制方法。 研究结果表明：对于螺旋式速冻装置，在送、回风口之间应采用气流隔断技术： 在送风口侧靠近中心线的转鼓附近应采取气流隔断或导流技术，隔板的宽度以其 所对应的圆心角为6 5 。为最佳，导流板要与传送带接触并相切为宜。 5 、气流组织与冻结过程的实验研究 设计并建立了国内第一个快速冻结过程和气流组织实验台，该实验装置具有较 大的灵活性，可对不同吹风式冻结装置的气流组织及冻结过程进行实验研究。 利用该实验装置验证了理论工作的正确性，结果表明：通过采用气流隔断技 术、导流技术可消除气流短路现象。从而使冻结区的平均风速提高1 7 0 、气流组 织效率提高9 0 、冻结时间缩短约2 0 、能量利用率提高2 5 。) 关键词：速冻装置、气流组织、冻结过程、性能参数、节能 一 塑! 坠旦 一一 t h es t u d yo nt h ea i rf l o w o r g a n i z a t i o n a n dt h ef r e e z i n gp r o c e s s i nt h es p r i a lq u i c k f r e e z i n gi n s t a l l a t i o n a b s t r a c t t h e q u i c k f r e e z i n gt e c h n o l o g y f o rf o o d s t u f fi st h ei m p o r t a n tp a r ti nt h ec o l d - c h a i n t h e s p i r a l q u i c k - f r e e z e ra m o n gv a r i e t i e so fq u i c kf r e e z i n gi n s t a l l a t i o n si sa d o p t e dw i d e l yf o ri t sh i g hs p a t i a l u t i l i t ya n dv a l i d i t yf o rm a n yk i n d so ff o o d s b u ti t h a st h ed r a w b a c ko fl o we n e r g ye f f i c i e n c yf o ri t s c o m p l i c a t e df r e e z i n gt e c h n o l o g ya n di t s a i rf l o wo r g a n i z a t i o n ，s ot h eg o a lo ft h ed i s s e r t a t i o ni st o i m p r o v et h ee n e r g ye 衢c i e n 叫a n di o w e rt h ee n e r g y - e o n s u m i n go ft h es p i r a lq u i c k - f r e e z e r t h e t e c h n o l o g ym e a s u r e st oi m p r o v et h ef r e e z e r se f f i c i e n c ya r ep r o v i d e db yt h es t u d yo nt h ef r e e z i n g p r o c e s s e sa n d t h ea i rf l o wo r g a n i z a t i o nc o m b i n i n gw i t ht h ee s t a b l i s h e de f f i c i e n c yi n d e x t h es u b j e c ti st h ec r o s s - d i s c i p l i n ep r o b l e m ，w h i c hi n v o l v e di nt h e r m o d y n a m i c s ，h e a tt r a n s f e r , t l u i dd y n a m i c s ，r e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g ya n df o o dp r o c e s st e c h n o l o g ye t c t h ef o l l o w i n gp r o b l e m s a r es t u d i e di nt h i sp a p e r ： ，t h ep e r f o r m a n c ei n d e xf o rt h eq u i c k - f r e e z e r t h e q u i c k - f r e e z e rc o n s u m e sm u c he n e r g y ；o z l ep a r to f t h a ti se f f e c t i v e l yu s e dt oc o o la n d f r e e z e t h ef o o da n dt h eo t h e ri si s t e do w i n gt ot h ei r r e v e r s i b l ef a c t o r se x i s t i n gm a i n l yi nl i n k so ft h ec o l d - m a k i n ga n dc o l du s a g e i no r d e r t or a i s et h eu s a g er a t eo ft h ef r e e z e r ，t h ec o po ft h er e f r i g e r a t i o n s y s t e ma n dt h er a t eo ft h ec o l de f f e c t i v e l yu s e db yt h ef o o ds h o u l db eh i g ha tt h es a m et i m e ，s ot h e c o n c e p t “t h ee f f e c t i v er a t i oo f t h ee n e r g y ”o f t h ef r e e z e ri sp r o v i d e d t oe v a l u a t et h et o t a lp e r f o r m a n c e t o mt h es t u d y , w ek n o w t h a tt h ea i rf l o wo r g a n i z a t i o no f t h ef r e e z e ri st h ei m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n g t h et o t a lp e r f o r m a n c ea n dt h eo p e r a t i o nf e ew i t h o u ti n c r e a s i n gt h ei n i t i a li n v e s t m e n t ，s ot h ec o n c e p t a i rf l o wo r g a n i z a t i o ne f f i c i e n c y i se s t a b l i s h e dt oa n a l y s e st h ea i rf l o wo r g a n i z a t i o ns t y l e sa n dt h e c o r r e s p o n d e n tf e a t u r e sb yu s i n gt h ee s t a b l i s h e d “w e l l - d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r ”t h ed e s c r i b e dt h r e e i n d e xa r et h ee t e r n a lf u n c t i o n sf o rt h i ss u b j e c t 2 t h em a t c hb e t w e e nt h e o p e r a t i o np a r a m e t e r si nt h eq u i c k - f r e e z e r t h et w of a c t o r s ，i e t h es u r r o u n d i n g t e m p e r a t u r ea n dt h ec o o l e da i rv e l o c i t y , d i r e c t l ya f f e c tt h e f r e e z i n gp r o c e s sa n dt h ee n e r g y c o n s u m i n gi n d e x o nt h ec e r t a i nc o n d i t i o no f t h ef r e e z i n g ，t h em a t c h 些! ! 坠盟一 b e t w e e nt h e s et w of a c t o r sc o 盯e s p o n d st h ed i f f e r e n tc o n s u m e de n e r g y , f o re x a m p l e ，t h e b e s tm a t c h c a nn l a k et h ee n e 毽y c o n s u m i n gl o w e r1 0 a b o v e ，s ot h e m a t c hs h o u l db ep a i dm o r ea t t e n t i o nt ot h e e n g i n e e r i n gd e s i g n a n d o p e r a t i o n 3 t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n to i lt h ea i rf l o wo r g a n i z a t i o na n df r e e z i n gp r o c e s s t h ef r e e z i n gp r o c e s sa n da i rf l o wo r g a n i z a t i o ne x p e r i m e n t a le q u i p m e n t w h i c hi st h ef i r s ti nt h i s f i e l dmc h i n aa n dh a st h ee x p l i c i tf l e x i b i l i t yi se s t a b l i s h e dt os t u d yt h ea i rf l o wo r g a n i z a t i o na n d f r e e z i n gp r o c e s sa n d t op r o v i d et h ef r e e z i n gp a r a m e t e r sf o re v e r yk i n do f f o o d s t u f f s 4 t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h ef r e e z i n gp r o c e s sf o rf o o d f r e e z i n gp r o c e s si st h es p e c i a lk i n do fh e a tc o n d u c t i o nc o m p a n i e db y t h ep h a s ec h a n g e ，s o m e f a c t 0 1 s ，e g t h ep h a s ec h a n g e a n dt h ev a r i a b l et h e r m a lp r o p e r t yw i t ht e m p e r a t u r e ，p l a ya ni m p o r t a n t p a r ti ns u c hs i t u a t i o n ，s ot h ep h a s ec h a n g ep r o b l e m i st h es t r o n gn o n l i n e a rp r o b l e m ，w h i c hw o u l db e s o l v e d d i f f i c u l t y t h ef i n i t e d i f f e r e n c em e t h o dw h i c hi su s e dc o m m o n l yc a l l n o td e a lw i t ht h e c o m p l i c a t e db o u n d a r yc o n d i t i o na n dt h en o n - l i n e a rp r o b l e mb e a u t i f u l l y , s o t h eg a l e r k i nm e t h o d w h i c hw o u l dd e a lt h eb o u n d a r ya n dt h eg e o m e t r i cp r o b l e m sa n dh a st h es t a b i l i t ya n dt h eq u i c k c o n v e r g es p e e di s u s e dt os o l v et h ef r e e z i n gp r o b l e m s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sf o re n g i n e e r i n ga l e o b t a i n e di nt h ep a p e r , t h e ya r e ：( 1 ) t h ea i rf l o wo r g a n i z a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ea v e r a g ec o o l i n ga i r v e l o c i t ya n dt h ef r e e z i n gt e m p e r a t u r e ，i st h ei m p o r t a n tf a c t o rw h i c ha f f e c tt h ee f f i c i e n c yo f t h e f r e e z e r ；( 2 ) t h ef i n a lc e n t r a lt e m p e r a t u r eo f f r o z e nf o o dm a yb ec o n t r o l l e da t 1 5 c f o rp l a t e ，一2 。c f o r c y l i n d e ra n do l f o rs p h e r es h a p e df o o d ；f 3 ) t h el o w e rf r e e z i n gt e m p e r a t u r ef o rp o o rc o n d u c t i v i t y f o o da n dt h eh i g h e rv e l o c i t yf o rg o o dc o n d u c t i v i t yf o o di st h eb e s tm e t h o dt oa d o p t 5 t h ec o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ea i rf l o wo r g a n i z a t i o n 7 r h ec o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o ns i m p l em e t h o di su s e dt oa n a l y s e st h ea i rf l o wo r g a n i z a t i o ni n t h ef r e e z e r t h ef l o wf e a t u r e so nt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h eo p t i m a la i rf l o wo r g a n i z a t i o ns t y l ea n d t h ec o n t r o lm e t h o di n e n g i n e e r i n ga r e o b t a i n e db yc o m p a r a t i o na m o n gt h ed i f f e r e n tf l o ws t y l e s t h es l u d ys h o wt h a tt h ea v e r a g ev e l o c i t yo nt h ef r e e z i n gz o n ew o u l db er a i s e d17 0 ，t h ee f f i c i e n c y o fa i rf l o wo r g a n i z a t i o nb er a i s e d9 0 ，t h ef r e e z i n gt i m eb es h o r t e n2 0 a n dt h e e f f i c i e n c yo fe n e r g y b ee n h a n c e d 2 5 b yu s i n gt h ea i rf l o wi s o l a t i n gb o a r da n dt h ea i rf l o wb a f f l e k e y w o r d s ：q u i c k - f r e e z i n gi n s t a l l a t i o n ，a i rf l o wo r g a n i z a t i o n ，f r e e z i n gp r o c e s s ，p e r f o r m a n c ei n d e x ， e n e r g ys a v i n g 墨二翌堑堡 第一章绪论 能源和环境保护问题与可持续发展密切相关。我国在能源有效利用方面普遍存 花营利用率较低的现象，我国能源利用率约为3 0 ，而发达国家的能源利用率多 乃4 0 以上，日本高达5 0 以上，因此我国制定了能源建设“开发和节约并重， 蚯蝴要把节能放在优先地位”的总方针 i - 4 。制冷行业是能耗较大的行业之一，据 l q 制冷学会1 9 9 4 年的统计，制冷空调设备的年耗电量约占全国总耗电量的 5 - 6 ，夏季占季节耗电量的1 8 2 0 。在各类食品企业尤其是冷冻冷藏企业中，制 玲系统的能耗占了整个企业能耗的大部分( 7 0 以上) ，其中速冻装置又是一种高 t 能装置，又占楚个制冷系统耗电量的较大比例。 随着人们生活水平的不断提高，生活节奏的加快，消费者对食品结构的要求 发生了显著的变化，人们所需要的食品应具有方便卫生且营养丰富等特点。经过多 ： ：的探索和研究，发现速冻食品能满足人们对食品的以上要求；另外，目前我国农 剐产品流通过程中的损耗相当严重，仅蔬菜的流通损耗量每年就高达2 0 0 0 万吨， 冷链技术与装备的研究就是在这种背景下诞生的。快速冻结是食品冷链( c o l d c h a i n ) 中的一个重要环节，所谓的冷链是指冷冻及冷却食品由生产、储存、运输 剩送、展示销售到消费者手中的整个过程中能使食品保持在相应的低温环境，确 保食品的安全及品质的连锁系统口“】。冷链技术主要包括产地预冷、快速冻结、冷 冻冷藏、冷藏运输、冷藏销售及解冻等环节，我国已把该技术作为“九五”重点 攻关项目，此项技术的研究将从根本上改变国内流通冷链技术的落后状况，对减 少农副产品的损耗、提高产品质量、增加农副产品的附加值、降低农村土地资源 的浪费、提高国民的生活水平具有重要的意义，因此，食品的速冻技术有极为广 阔的发展前景 7 - 9 。在目前情况下，速冻装置普遍存在着效率低、耗能大的缺点， 因此对速冻装置进行性能研究具有重要意义，尤其是解决速冻装置的能耗问题己 迫庄眉睫。 影响速冻装置性能的因素很多，例如：制冷系统的形式、蒸发器与冷凝器的换 热性能、结霜特性、风机效率、送风方式、气流组织、料口的热湿交换、围护结 陶的隔热性能等。在所有的这些因素中，气流组织是一个不会增加初投资而对降 低运行费用和提高速冻装置效率又有很大潜力的重要因素。因此本文以气流组织 为出发点，通过冻结过程、运行参数的匹配及速冻装置性能评价指标等中间环节， 研究气流组织对螺旋式速冻装置性能的影响。 本章在概述速冻技术产生背景和速冻食品保鲜机理的基础上，对快速冻结方式 硬其发展现状进行了简要的总结与比较，从而提出了本课题的研究内容，即以应 一一丕鎏查堂竖主笙兰堡壁垄堡望堡堕薹墨墨堕望塑兰皇曼堡苎望望堕旦窒一 用范围较广但又有较多技术问题的螺旋式速冻装置的节能问题作为研究对象，并 确定了本课题的主要研究内容。 1 1 速冻技术产生的背景 所谓的速冻技术是以食品中的水分快速结晶为基础，迅速降低食品温度的加 技术。根据国际速冻协会的标准，速冻的要求是在3 0 分钟内通过食品最大冰晶 l x ，叩一1 5 ，并迅速降到1 8 。c 以下，且在该温度下储藏。 图1 - 1 ：速冻和慢冻冰晶体大小和分布比较 经过多年的探索和研究，发现速冻食品能满足人们对食品的要求 1 0 - 1 2 1 ，速冻食 品是经过严格的原料筛选、加工处理、调理制作、低温快速冻结、密封包装、低 第一章绪论 温储存运输和销售的现代化加工食品。速冻食品将食品中大部分可冻结水( 通常占 8 0 以上的自由水) 转变成冰，以降低食品的物理、化学及微生物等作用，从而达到 保鲜和储存的目的。 食品中的水以两种状态存在，即结合水( b u n d e r w a t e o s e l 自由水( f r e e w a t e r ) 。 食品经过速冻，其细胞间的游离水和细胞内的结合水及游离水能同时结成无数的 冰晶体( 冰晶颗粒在1 0 0um 以下) ，冰晶分布与天然食品中液态水的分布极为相似， 这样就不会破坏细胞组织，图1 1l ”j 给出了速冻和慢冻食品冰晶体的分布及大小情 况。当食品解冻时，冰晶体融化的水分能迅速被细胞吸收，因此，速冻食品能最大 限度地保持天然食品原有的新鲜状态、色泽风味和营养成分，且具有卫生质优、 品种繁多、食用方便、成本较低等优点i l ”。 从本世纪3 0 年代，速冻食品在欧美发达国家问世以来，至今已有6 0 多年的历 史，无论是速冻食品的种类还是速冻食品的产量都有了显著的变化。美国是速冻食 品的起源国又是发展最快的国家，自3 0 年代起就由创始人c l a r e n c e b i r d s e y e 丌 始搞速冻食品，经过不到1 0 年的时间，从1 9 4 2 年开始有记载以来，美国速冻食品 小仅发展早而且发展非常迅速( 如图1 2 所示) 。近年来，发达国家速冻食品年增 长率商达1 0 3 0 ，品种多达3 0 0 0 多种，其销售量占全部食品的6 0 7 0 i ”l 。 图1 2 ：美国速冻食品年产量比较 目前，世界各国的速冻食品的消费很不平衡，图1 - 3 给出了1 9 9 1 年和1 9 9 6 年 ( 不含速冻禽畜肉) 部分国家和地区速冻食品的人均年消费量。 中国速冻食品的发展起步较晚，人均消费量很低，例如：1 9 9 1 年速冻食品仅为 9 6 万吨，人均消费量不足1 公斤，1 9 9 2 年速冻食品的消费量超过1 0 0 万吨，人均消 一 圣堡查兰竖主堡苎 塑壁壅堡壅鎏笙茎里墨堕丝堡兰皇曼堡堕婪堡堕竺签一 旋量已超过l 公斤，虽然人均消费量较低，但未来潜力较大，因为我国速冻食品的 发展有雄厚的物质基础，到1 9 9 6 年速冻食品产量已达2 2 0 万吨，人均消费1 8 公斤；初步估计2 0 0 0 年底速冻食品的年产量可达到8 5 0 1 0 0 0 万吨，人均消费达 7 ，。8 公斤以上，市场对速冻装置的需求量约为1 1 8 万台。目前，国内天津、北京、 沈斑| 等地出现了几十家速冻装置生产厂家，产品已投放国内各地，有的已远销国 外，速冻装置的市场前景光明。速冻食品的迅速发展推动了食品速冻装置的推陈 j 新从而推动了速冻技术的飞速发展 1 6 - 2 4 。 图l - 3 不同国家和地区速冻食品消费量比较 1 - 2 快速冻结方式及发展现状 食品冷冻加工的基本方式主要有食品在空气中鼓风冻结( 吹风冻结) 、食品与金 属表面直接接触冻结( 接触冻结) 、食品在低温介质中冻结( 低温冻结与沉浸冻结) 及 它们的组合冻结( 复合冻结) 等基本冻结形式。由于接触式冻结装置、沉浸式冻 结装置及复合式冻结装置存在着诸如：冻品种类有定局限性、冻品冻结过程中 易产生龟裂现象、沉浸溶液易渗透食品、食品间易产生交叉污染、运行成本高、 能源利用率低等弊病，所以吹风式冻结装置在食品加工业得到了广泛应用。 在早期由于冷冻技术的不发达，只能利用简单的冷冻库来冻结食品，此时影 响乓品质的因素除温度、风速外，就是食品的堆码方式，于是就由最初的整体堆 码疗式发展到分区堆码方式，进而又发展到分层货架式，使冻结库内的食品冻结 第一章绪论 得到最佳的温度分布与速率。随后由于冷冻食品的需求量不断扩大，而不得不扩 大生产能力，将台车推入冻结库的方式便应运而生，这不但缩短了冻结库内冻品 的搬运时间，也减小了冻结过程中的能量浪费，接着传送带的引入更简化了搬运 的手续，扩大了生产能力。不久又完成隧道式冻结设备的开发应用，使冻结方式 由批量式进入连续式的时代，随后在生产能力的扩大、冻结速率的提高、空间的 有效利用及速冻食品质量的提高的要求下，发展到如今广泛应用的螺旋式速冻装 胃，以上就是吹风式冻结装置的发展过程。 吹风冻结就是利用具有一定风速的低温空气与食品进行热量交换从而使食品 冻结的方法。吹风式冻结装置主要有隧道式、螺旋式、流态化式及升降式等。 1 2 1 隧道式速冻装置( t u n n e lq u i c k - f r e e z e r ) 隧道式速冻装置是速冻产品通过隧道进入速冻本体进行速冻的装置。 隧道式速冻装置是八十年代发展起来的一种连续式冻结装置，其送风冷却器及 送风机一般置于输送带的上部或下部，冷风由输送带的上部或下部垂直吹送，风 速的设计多为3 5 5 m s 。输送带可分为网状与带状两大类，其速度可利用变速装置 调节以适应不同的冻结时间。 隧道式速冻装置虽然具有结构简单、成本低、用途多等优点，但其缺点是占 地面积大、难以扩充、且单机生产能力小、冷量损失大。 1 2 2 螺旋式连续冻结装置( s p i r a lq u i c k - f r e e z e r ) 螺旋式冻结装置( 如图l 一4 所示) 由双板链( 内板链采用缩扣机构组成) 带动不 图l - 4 ：螺旋式速冻装置内部结构瞄1 茎堡查兰竖主笙茎 塑堡壅堡壅堕丝薹茎墨堕里堡兰童曼至兰尘堕塑竺墅里一 锈钢网穿条，使其螺旋上升传送的速冻装置。原料由装置输送带输入，进入冻结 区，借助冷风冷冻，冻品再由输送带输出。该设备由蒸发器、风机、转鼓、驱动 装置、输送带及电气控制装置组成。 螺旋式速冻装置气流组织的形式主要有：( 1 ) 与输送网带垂直流动的逆吹式、 ( 2 ) 与输送网带平行流动的横吹式、 ( 3 ) 与输送网带平行且环绕转鼓的环状横 吹式。在蒸发器翅片设计方面，迎风面的翅片节距较大，而背风面的翅片节距较 小，要是为了防止蒸发器表面结霜阻碍空气流动，冷风温度一般为一3 0 一3 5 。 螺旋式冻结装置近年来在气流组织方面不断改进，如最早是水平鼓风，这种结 构布置方便，瑞典f r l g o s c a n d i a 公司研制出的垂直方向鼓风速冻装置的气流 组织较好，但螺旋下层物料与温度较高的冷空气接触，使物料表面冻结时间加长， 引起冻品重量损失较大。加拿大a e r o 公司研制的侧向多方向鼓风，使最冷的空气 与最热的物料接触尽快在表面冻结，这样可减少食品冻结时的干耗损失。 这种冻结装置的特点是连续式无级调速，冻结时间从1 0 分钟到3 小时，冻结量 人，冻品的种类适应性亦较大，从食品原料到各种调理食品皆可。 螺旋式冻结装置是选择冻结装置的理想机型，因为具有结构紧凑和生产能力 高的特点。目前只在瑞典、英国等少数国家有这种产品。研制这种速冻装置的最 大困难是如何保证做螺旋运动的输送网运行平稳、不堆链、不积网，其技术关键是 寻找最巧妙的链网结构和驱动方式，使其主要技术指标达到八十年代末英国a p v 公司的水平。目前，国内以天津天马制冷设备工程公司为代表生产的螺旋式速冻 装置已被国内外用户广泛采用。 螺旋式速冻装置虽然为一种立体结构设计，拥有空间省、产量大、效率高的 优点。但其转鼓造成空间利用率低，使传送网带的宽度受到限制；输送网带因张 力负荷变化而容易损坏；送风效率有待改善，对气流组织需做深入研究。 1 2 3 流态化单体速冻装置( i q f i n d i v i d u a lq u i c kf r e e z e r ) 流态化单体速冻装置是利用高速气流上吹冻品，使之悬浮并快速冻结的设 备主要用于速冻蔬菜、虾仁和颗状食品。流态化单体速冻装置是六十年代中期 瑞典的f r i g o s c a n d i a 公司首先研制成功的。八十年代我国先后从日本、瑞典、 法国、美国、加拿大等国引进了数十台流态化单体速冻装置用于速冻果蔬食品，这 是我国从国外引进的冻结装置中最多的一种。目前国内也有五六家专业公司从事 流惫化单体速冻装置的生产。从技术水平上看，国产机的主要差距是：能耗指标大 这就要求研究出低温高效离心式风机取代现用的轴流式风机，同时使流化条件及 保温性能得到改善： 二是蒸发器传热性能差，国外都用铝合金管套铝肋片变片距 结构的蒸发器，传热性能高，外形尺寸小，比国产的无缝钢管套肋片的蒸发器效率 要，每。这两方面改善后，国产流态化单体速冻装置就有望赶上国际先进水平。 笙= 兰笙笙一 1 2 。4 升降式冻结装置忙6 l 为了使吹风式速冻装置具有效率高、空间省、用途多、产量大、冻品干耗小的 功能，台湾工研院能资所与开拓冷冻公司合作开发了升降式速冻设备。其内部结 构简图如图1 5 所示，主要由围护结构、低温换热器和一组升降式传送装置组合而 成，其中传送装置包含有个下层水平输送机构、上升输送机构、上层水平输送 机构、下降输送机构。冻品在被下层水平输送机构送入冻结装置以后，先由上升 输送机构垂直向上输送，再由上层水平输送机构水平输送到冻结装置的另一侧， 其后由下降输送机构垂直向下送回下层水平输送机构，最后被送出速冻装置。 该速冻装置使作业流程立体化，延长了冻结作业区域，空间利用率高，降低了 冷量损失，缩小了占地面积，使冻结效果接近接触式冻结装置，并利用适当的送 j x l 设计，配合隔板及导流板来增进冻结效果，但升降式速冻装鼍目前仅处于实验 1 ： f 究阶段。 l 盛鞋 = 巴# l # 到” 。 ；f 手一ic = j = | | 一 隔 i i i tj nl 4 ! 竺u h “g s 4 图1 5 ：升降式速冻装置结构示意图 1 2 5 最新冻结方法与设备的研究 在前面所述的冻结方法与冻结装置的基础上，最近几年科技工作者不断地开发 新工艺新方法，主要表现在以下几个方面： 一、冰被膜冻结法1 2 7 1 冻品经反复速冻、慢冻在其表面形成冰膜的冻结方法。如鲣鱼、金枪鱼、鲟 鱼等大条鱼及食品均可采用此方法，会枪鱼采用此方法保鲜，鱼内组织生成冰晶 小，可逆性大，产品解冻后汁液流失少，品质较优。工艺流程为：速冻( 一4 5 ) 一慢冻( 一3 0 ) 一速冻慢冻。操作要点：速冻：用液氮或液c 0 ，喷淋，使鱼 体表面快速降到1 5 c 以下，表面结层数毫米的冰膜；慢冻：在一3 0 一2 5 。c 的 库内使冻品表面和中心温度接近o ，作均温处理，可使鱼体内部和表面的压力、 温度相近，不会产生胜腹破裂现象：速冻；用液氮或液c o ，喷淋l o m i n ，使鱼体 一歪堡查堂堂圭堡塞塑塑垫堡垄蔓丝茎曼墨堕塑塑兰童曼堕丝型兰塑堕墅王一 快速通过最大冰晶带：慢冻：停止喷淋，保冷9 0 m i n ，使中心温度达一1 8 。c ，送 入一2 0 一6 0 冷库。 二、d d m ( d 5 7 n a m i cd i s p e r s em e d i u m ) 冻结法【2 “”1 在吹风式冻结装置的基础上，利用运动微粒体作为冷媒的冻结装置，例如冰粒 颗粒用在流化床上作为冷媒，该冻结装置冻结牛肉时，和吹风式冻结装置相比， 川缩短冻结时间5 0 7 5 ，干耗可降低1 3 左右。 三、 三路速冻装置( t r i p l e p a s s f r e e z e r ) ”2 1 ”1 t “美国宾西法尼亚化工公司开发的三路速冻装置，首先将冻品送入一1 9 6 。c 的液 氮槽，然后输送到2 个独立的传送带用低温氮气冷冻，该装置可降低冻品的粘连 和下耗，提高产品质量和生产能力，缩小装置体积( 仅为机械冻结装置的1 1 0 ) 。 四、双向垂直气流冻结法t ”、 美国约克公司开发的双向垂直气流快速冻结装置利用双风道喷嘴从上下两侧 垂直对冻品喷射，由于气流速度很高( 达2 5 m s 以上) ，可使冻品表面的空气流动 边界层减薄，增大了换热系数，冻结速度较快，如冻结汉堡包时可由传统的1 3 m i n 降为3 m i n 。 综上所述，目前国内外对速冻技术的研究主要集中在缩短冻结时间、提高冻 品质量、减小冻品干耗等方面，但一般都存在着冻结装置复杂、冻结工艺复杂、 冻品易被交叉污染以及速冻装置能耗大等弊病。在目前情况下，螺旋式吹风式冻 结装置具有应用范围较广、空间利用率高及综合性能易于改善等特点，因此本课 题以吹风式冻结装置中的螺旋式速冻装置为研究对象。 1 - 3 吹风式冻结装置的关键问题及研究现状 在吹风式快速冻结设备中，隧道式与螺旋式速冻装置为食品冷冻加工厂的主 要加| 设备，可满足不同形状大小冻品的冻结要求，特别是螺旋式速冻装置因有 省空间、生产能力大的特点，广受冷冻食品业的青睐。不过此两种设备亦存在不 同缺点，隧道式速冻装置占地面积大、不易扩充，且单机生产能力为大多数冷冻 机械制造厂亟需克服的难题。再者，由于拉长型的结构使冷量对外损失变大，降 低了冻结效率，所以隧道式多用于小产量、冻结时问短的食品。螺旋式速冻装置 为立体结构，它克服了隧道式的缺点，特别是提高了冻结效率和生产能力，节约 了大约5 0 的占地面积。不过螺旋式速冻装置也有些问题有待于研究改善，如 冻结区内转鼓所占空间造成浪费；其次，由于输送带为螺旋上升运动，使得输送 面宽度受到限制；再者，输送带沿转鼓边缘拉伸常会造成始端与末端速度不一， 墨二兰堡垒 且易使输送带因张力负荷变化而损坏；此外，改善螺旋式速冻装置气流组织是一 个亟待解决的重要课题。气流组织是工程热物理学科范畴，它是影响速冻装置能 耗的一个重要因素，对气流组织的研究需要与冻结过程和装置的性能指标相结 合。 1 3 1 冻结过程分析与冻结时间预测的研究现状 冻结过程对食品品质影响的研究已进行了很多 3 6 - 4 0 1 。研究表明：速冻有利于 食品品质保持和储存期的延长。目前对冻结过程的研究主要集中在冻结时间的预 测、冻结过程分析和食品与冷媒的换热等方面。 在工业实践和工程设计中，食品冻结时间是一个重要参数，它不仅是确定系 统冷负荷的基础，同时也是设备选型的前提。为了确定冻结时间，就需要对冻结 过程进行换热分析。冻结过程属相变问题，截止目前，对相变问题的求解( 包括 冻结时间的预测方法) 主要有近似解析法、数值求解法和实验研究【4 1 4 ”。 一、近似解析法 近似解析法主要有以下几种：( 1 ) 5 0 年代，g o o d m a n ( 1 9 5 8 ) 1 4 3 根据y o nk a r m a n 列运动边界层提出的动量积分法而提出的能量平衡积分法获得极大成功； ( 2 ) b i o t ( 1 9 6 4 ) 1 基于不可逆过程热力学理论提出变分方法；( 3 ) c h u a n g ( 1 9 7 2 ) i ” 假定固液两相热物性完全相同时，把潜热解释为运动热源而提出的运动热源法， 用格林函数求解了平板、圆柱等一维相变问题；( 4 ) 考虑两种极端情况提出的准 静态法和准稳态法，在伴有相变的热传导过程中存在两个“边界层”，即热量传 递的热边界层和凝固或融化的边界层。所谓准静态法是指热边界层远比凝固或融 化层厚度小，在处理凝固或融化区时忽略界面的移动；反之，忽略介质中温度分 布随时间的变化，即准稳态法；( 5 ) 方法( 4 ) 的推广或延拓摄动法，国内 外已有不少文献1 4 6 i 利用摄动法对各类传热问题进行了求解，但是对于圆柱或球形 物体，用正则摄动法得到的解在界面移动到中心时不再有效，为了克服在中心点 摄动解的奇异性，可采用欧拉变换或莱西尔方法i 4 ”。 利用上述方法，对食品冻结问题的分析研究主要有以下成果： ( 一) 普朗克( p l a n k ) 公式”4 9 1 普朗克在分析假