【《食品冻结干耗问题研究的文献综述》5700字】

食品冻结干耗问题研究的文献综述1.1速冻设备发展及现状速冻设备是食品速冻加工工艺过程中必不可少的关键环节设备，其主要功能是对经过一定前处理的食品原料进行快速冻结处理，使其达到生产需求的冻结状态。速冻设备的分类方式很多，表1-3为按食品冻结方式对速冻产品进行的分类，其中部分数据来源于文献[12]。表1-3食品速冻方式与装置分类空气冻结方式间接接触冻结方式直接接触冻结方式隧道式单冻机平板速冻器载冷剂直接接触冻结螺旋式单冻机回转式速冻器低温液体直接接触冻结流态床单冻机钢带式速冻器对于直接接触冻结法的速冻装置：载冷剂接触冻结式的设备主要采用低温盐水或醇类作为载冷剂，由于需载冷剂与食品需要接触，其可加工的食品范围较窄；低温液体接触冻结式的速冻设备目前市场上以液氮作为冷媒的为主，CO2作为冷媒的较少，液氮速冻设备主要有液浸、喷淋和蒸发冷凝3种类型，其中喷淋式使用最为广泛[13]，且本身具有冻结速度快的优势10~100cm·h-1[14]，但由于设备运行成本偏高，目前在速冻设备市场上的占有率较低。间接接触冻结法的速冻设备所能加工的食品也具有一定的局限性，在目前速冻设备市场上仍是以空气冻结法的速冻装置为主，我们通常在市场上提及的“单冻机”大多也指的是该类设备。速冻设备是伴随着速冻食品同步发展起来的，在发达国家已经有几十年的历史，但我国速冻设备的起步较晚。上个世纪70年代，国内开始引进国外（主要是日本和欧洲）设备；80年代，国内相关人员开始对引进的速冻设备进行消化吸收，并在其基础上开发出了我国自产的速冻设备；90年代，国内的速冻设备企业开始迅速发展。到目前为止，国内速冻设备制造行业已经形成较为稳定供货市场。截止到2018年，国内速冻设备制造行业大体可分为三个档次。第一档次为进口品牌，主要有美国JBT公司旗下的Frigoscandia、德国的GEA、冰岛的Marel等。第一档次设备具有“三高”的特点：质量高、标准化程度高、价格高，专注于国内高端市场。第二档次为国内在质量和技术方面都领先的品牌，其中南通四方与冰轮环境为两个主要品牌，其他还有松下冷链（冰山）、南通星诺、奥维（山东烟台）、七星（天津）等。相对于第一档次，第二档次在价格方面具有较大优势，技术方面差距不大，个别技术点甚至高于第一档次，但产品质量方面略有不足。第二档次主要面对与国内中、高端用户市场。第三档次为国内其他中小型速冻设备制造企业，规模小、品种多是其主要特点，产品质量参差不齐，主要面对国内中、低端市场或一些个性化需求的客户。作者所在公司于上世纪90年代开始与日本某株式会社合作，引进了隧道式单冻机，正式进入速冻设备制造行业。最初的隧道式单冻机我们称之为“普通型”，其原理是利用图1-3中的上导风装置将冷风吹至食品表面，通过对流换热将食品进行速冻，导风装置出口设计风速为10m·s-1。但该设备冻结速度较慢，相应冻品品质偏低。2007年，公司研发人员对“普通型”隧道单冻机进行改型升级，在其基础上结合当时欧州市场隧道单冻机的优点，开发出了第二代隧道单冻机——冲击式单冻机。其结构如图1-3所示。图13冲击式隧道单冻机风场布置示意图空气流向如上图箭头所示，风机将空气送入由钢板围成的正压腔内，正压腔设有两个出口：一个是类似槽型的上导风装置，一个是出风表面由多孔板构成下导风装置（如图1-3中A向放大图所示）。空气经过上导风装置的条缝后吹至板带上方的食品表面，经换热后，沿上导风装置的内部槽型空间向板带宽度方向的两侧流动进入回风区；经下导风装置吹至板带下表面的空气经换热后亦沿板带宽度方向向两侧到达回风区。回风区的空气经过蒸发器降温后再次被风机送入正压腔中，如此反复循环。该产品通过改单面换热为双面换热以及提高食品表面风速的手段大大降低了食品冻结时间，推出后迅速垄断了国内品牌的高端隧道单冻机市场，当时为企业带来了巨大效益。但高风速意味着高能耗，同时带来了高干耗。近年来随着节能理念的深入，以及客户对食品出成率要求的提高，该产品的市场竞争力逐渐下降。面对日益激烈的市场竞争，笔者作为公司的速冻设备研发设计人员，亟需推出新具有技术优势的新产品。我们计划针对单冻机的风场布置，尤其是导风装置进行改进升级，在综合考虑能耗、冻结时间及干耗的基础上，开发出一款结构的单冻机满足目前市场的新需求，以重新抢占市场份额。1.2针对食品冻结时间的研究状况1）食品冻结时间的重要性在第1.1.1节中，我们已经叙述了冻结时间对于食品冻结后质量的影响，并可以从中得出结论：食品的冻结时间越短、食品冻结速度越快，食品冻结后的质量就越高。此外，缩短冻结时间还可以带来其他经济效益，表1-4为第1.1节中提及的冲击式板带单冻机与普通型板带单冻机在相同条件下对同种冻品的冻结时间对比。表14鲜海参在不同结构形式的板带单冻机内的冻结时间食品名称规格mm重量设备形式库温℃初温℃末温（芯部）℃冻结时间min鲜海参115x3549g/个普通式-4010-1824鲜海参115x3549g/个冲击式-4010-1813从上表中可以明显看出冲击式板带单冻机的冻结时间缩短了接近50%，这就意味着对于要求同一冻结能力的速冻设备来说，冲击式板带单冻机的有效冻结段长度可以缩短接近50%，这样可以大大节约速冻设备的围护结构及传动结构初投资成本，同时更小的占地面积也可以使得食品加工厂节约一部分空间的初投资成本。综上所述，食品冻结时间对速冻设备的经济指标具有决定性的意义，是速冻设备研发设计过程中不可忽视的参数。2）食品冻结时间确认方法国际冷冻协会为了统一原则，制定了以下标准。（1）将食品的整个冻结过程分为三个阶段：预冷、冻结、深冷。（2）标准冻结时间——食品各处温度均处于0℃时为初始温度，其指食品中心温度由初始温度下降到-10℃所需时间。（3）有效冻结时间——初始温度定义与标准冻结时间中规定相同，其指食品中心温度由初始温度下降到某一温度所需时间。（4）最大冰晶形成区的温度范围为-1~-5℃。目前，主要有三种食品冻结时间的确定方法[15]：实验法、理论分析法及简化计算法。a）实验法实验法是指通过对真实的食品进行冻结实验，并对实验数据进行监控，得到食品的冻结时间。实验方法的优点是数据精确，但需要大量的实验工作，耗时费力，成本较高。b）理论分析法理论分析法是通过求解方程得到理论计算公式的方法，其主要利用的是热传导微分方程。求解热传导微分方程有两种方法：其一是积分求导，需要给出计算用的边界条件；其二是数值模拟计算，通过这种方法来得到数值解。理论分析方法中给定边界条件积分求解方法简单，但使用范围窄；数值模拟方法虽较为复杂，但适用范围广，是目前理论分析方法中主要采用的手段。数值模拟计算都是一定条件下在能量、质量等守恒方程基础上进行的[16—17]，同时结合一部分初始边界条件利用数值模拟技术对食品的实际冻结过程进行模拟，分为以下几步：建立几何模型、将连续空间离散化、通过微分方程求解。建立几何模型就是将实物的形状进行数学描述，冷冻食品的几何模型有3种基本形状：无限大平板、无限长圆柱体和球体[18]。在食品形状与标准几何模型差异不大时，可以在求解式中增加一定形状的几何因子，近似的按标准形状处理，但这种方法误差较大。在实际运算中，通常是借助计算机软件先生成物体三维或二维模型，然后再利用软件生产网格，离散连续的空间域，最后采用计算机模拟求解。离散方法常用的有3种：暨有限体积法、有限差分法、有限元法，他们的特点对比见表1-5[19]。表15数值离散法分类及优劣数值离散方法求解速度精度有限体积法快高有限差分法快低有限元法慢高划分网格对连续的空间域离散后，生成微分方程，用以求解变量。步长法是求解方法的常用方法，其中Crank-Nicolson式算法应用最为普遍，该式稳定性好且可取二级精度，计算精度较高。除此之外，还有Lees[20]的三水平法，该方法在处理可变参数条件时应用较为广泛。针对以上两种方法的优劣对比，相关人员进行了验证。针对相变部分的问题，Pham对比了不同方式有限差分法的处理后结果，他认为与Crank-Nicolson法对比，Lees法并不具备什么优势[21]。但Cleland等[22]在对食品冻结时间进行预测时涉及到的相变问题，采用有限差分法进行分析时，发现Lees式模型所预测的精度最高。由此可见，在计算时应选择哪种步长法，应根据具体的模型进行验证后再判断。步长法确定后，需要选择求数值解的解法，针对解微分方程，常用的解法有：基尔霍夫转换、准焓法、表观比热容法等。针对基尔霍夫转换法，Scheerlinck等[23]、Santos[24]等均进行过研究验证；针对表观比热法，Peralta等[25]、Santos等[24]均进行过研究验证；针对准焓法，Voller[26]、ZhangY[27]等均进行过研究验证。此外，因为食品冻结过程中有质量传递伴随热传递（主要是水分转移），还需要考虑传热和产值方程的耦合。Trujillo等[28]、Ebrahimnia等[29]也做过这方面的研究验证。以上关于算法的问题本文不再进行详细叙述，目前市场上有现成的商业软件可进行计算机辅助数值模拟计算，不同软件可提供不同的模型、离散化方式及解法，使用者可根据自身要求进行选择，如ANSYS、COMSOL、ABAQUS等。c）简化计算法简化计算方法含有理论和经验两部分，其经验部分是先进行实验，其理论部分是利用实验数据总结理论公式，在总计公式时需要恰当的引入各种系数对公式进行修正，最终得到我们需要的计算公式。如需确定准确的食品冻结时间，还是以实验方法为主。但在多数工业生产应用上，对数据精度要求并不高，这时可以采用简化计算法。在进行理论分析之前，我们需要做四个假设条件作为理论分析基础：（a）食品的起始温度均匀一致，冷却介质为恒温。（b）食品自身内部传热形式为导热，食品所有外表面与冷却介质之间的的放热系数为同一常数，且保持不变。（c）食品的热物性在整个冻结过程中保持不变。（d）食品有一个固定的冰点（实际上是一个温度范围）。食品冻结时间简化计算公式最先是由Plank在1941年提出的，他所提出的模型是无限大平板状食品。该公式在以上四个前提假设的基础上，又增加了三个假设条件。（a）食品自身的温度均匀一致，且该温度为食品的冰点温度，同时该温度在冻结过程保持不变。（b）食品冻结为稳态传热过程。（c）食品中所含水分在冻结前统一视为液态。在以上7个前提下，推导出的无限大平板食品模型冻结时间理论计算公式一般形式为：(1-1)式中：t——冻结时间/s；Tf——食品冰点温度/℃；Ta——冷风温度/℃；L——食品相变潜热/kJ·kg-1；α——食品表面与冷风之间的放热系数/kW·m-2·℃-1；ρ——食品温度在冰点以下时的密度/kg·m-3；k——食品温度在冰点以下时的导热系数/kW·m-2·℃-1；P——几何系数；R——几何系数；d——特征尺寸/m。其中d、P、R的取值如表1-6所示。表16食品特征尺寸及几何系数取值表物理模型无限大平板0.50.125平板厚度无限长圆柱0.250.0625圆柱直径球状0.1670.0416球直径从Plank公式的假设条件可以看出，该公式未考虑预冷段与深冷段，与实际冻结有较大偏差。1972年国际冷冻协会对Plank公式进行了修正，修正后公式如下：(1-2)公式(1-2)中采用替代了L，Q为食品初始状态与冻结结束状态时的焓差，其单位与相同。尽管该公式进行了修正，但由于假设条件与实际冻结状态存在较大差异，导致其精度偏低，目前在实际工程应用中，基本上不会采取该公式做冻结时间预测，仅出现在一些教科书或指导手册中，做定性分析指导。1963年，Plank再次对公式(1-1)进行了修正，这次修正在原公式的基础上增加了预冷段与深冷段的相关参数，修正后的公式如下：(1-3)(1-4)(1-5)(1-6)式中：Ti——食品初始温度/℃；Tc——食品冻结的终止温度/℃；a——食品特征尺寸/m；c"——食品冰点以下的比热/kJ·kg-1·℃-1；Bi——Biot数；k——食品的导热系数（-12）/kW·m-2·℃-1；Q——食品焓差（冰点温度值减-12时值）/kJ·kg-1；n——由Bi确定的数，见参考文献[30]。该式的模型仍为平板状食品，为验证修正后的Plank公式的精度，对平板状牛肉分别进行冻结时间实测与计算，结果发现计算结果与实测结果的最大偏差在10%以内[15]。但由于其使用范围及误差精度限制，该公式仍未成为目前工程计算时对食品冻结时间预测的主要工具。1991年，Salvadori与Mascheroni共同提出以下公式：(1-7)式中：A、B、C、m、n均为常数，其值见文献[31]。式(1-7)中的各种形状几何参数与食品的形状有关，主要分为平板状、圆柱状、球状这三种，Salvadori与Mascheroni采用该公式对鱼、肉、土豆泥这三种食品的三种不同形状进行了冻结时间计算，将计算结果与实测结果进行对比后发现，其平均绝对误差在5%以内，其精度及应用范围均好于Plank修正公式。2005年，Campanone等在之前对于食品冻结简化计算的研究成果基础上，增加了冻结过程中食品表面水分蒸发及冰晶升华对冻结时间的影响，提出了新的预测公式[32]。关于该公式具体内容参见文献[33]，本文不再详细论述。3）方法的选择以上所述3中方法中，理论分析法精度偏低，通常与实验法结合使用，作为实验法的前期理论分析，为实验确定方向；简化计算法的精度可满足工业