速凍設備的分類及性能優(yōu)化的研究進展

唐 婉,謝 晶

(上海水產(chǎn)品加工與貯藏工程技術研究中心,上海海洋大學食品學院,上海 201306)

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速凍設備的分類及性能優(yōu)化的研究進展

唐 婉,謝 晶*

(上海水產(chǎn)品加工與貯藏工程技術研究中心,上海海洋大學食品學院,上海 201306)

速凍是重要的食品保鮮技術之一,符合當代人們對綠色、方便、保健的三大要求,而速凍食品的品質與速凍設備的性能密切相關。本文首先介紹了速凍設備的分類和特點,綜述了影響速凍設備性能的三個因素:能耗、氣流分布和凍結時間,得出在速凍設備設計時也需綜合考慮上述三個方面。在對食品凍結過程進行數(shù)值模擬時,應注意食品物性參數(shù)的時變性和建模的準確性,進而獲得較為準確的數(shù)值計算結果。數(shù)值模擬和自動控制是今后速凍設備性能優(yōu)化的有效手段。

速凍設備,性能優(yōu)化,展望,節(jié)能

快速凍結是重要的食品保鮮技術之一[1],能最大程度地保留食品的感官、營養(yǎng),并利于儲存、延長貨架期且不需要添加任何防腐劑[2-4],符合當今人們對食品綠色、方便和保健的三大追求[5],逐漸成為備受歡迎的食品種類之一。速凍食品是采用新鮮的原料,經(jīng)過適當?shù)奶幚砗图彼倮鋬?于-18～-20 ℃的低溫條件下送達消費點的低溫產(chǎn)品[6]。

隨著速凍食品需求量的日益增多,研究影響其品質變化的因素是非常必要的。參考文獻[7-9]分別利用不同的冷凍方法處理同樣的原料,研究它們凍結后的品質、貨架期等,結果表明速凍食品的質量取決于凍結速率,凍結速率影響冰晶的大小與分布位置,與冰晶大小成反比。Fennema等[10]研究也證實了凍結速率會影響食品品質。Alhamdan等[11]分別采用液氮超低溫凍結、單體快速冷凍和傳統(tǒng)的慢凍方式處理新鮮食品及其貨架期,發(fā)現(xiàn)液氮凍結的食品在相同儲存期內品質最好,即凍結速率越快,冰晶成核速度大于生長速度,這時晶體的體積小、數(shù)量多、分布均勻,對食品內部組織細胞的傷害小[8-9],而凍結速率的快慢很大程度上依賴于凍結設備的性能。因此,設備性能好壞會直接影響冷凍食品的品質,而且速凍設備在冷凍食品加工生產(chǎn)線上的初投資也最大、能耗最高,所以對速凍設備的研發(fā)、設計和優(yōu)化至關重要。本文主要根據(jù)目前國內速凍設備的現(xiàn)狀,分別從能耗、氣流分布和凍結時間三個方面,綜述了影響速凍設備性能的因素。

1 速凍設備的現(xiàn)狀

1.1 速凍設備研究的背景

20世紀20年代,速凍設備的發(fā)展起源于美國,以世界上第一臺速凍機的問世為標志[12],迄今為止,美、日、西歐等發(fā)達國家速凍設備的種類已達20余種,且設備規(guī)格齊全、單位時間生產(chǎn)量大且自動化程度高,而我國速凍設備產(chǎn)業(yè)起步相對較晚[13]。1973年我國食品廠首次引進日本的速凍設備進行速凍食品的生產(chǎn)加工[14]。后來,隨著速凍食品的需求量增加,開始注重對國產(chǎn)速凍設備的研發(fā)。1985年開始相繼自主開發(fā)研制了不同規(guī)格的十多種類型的速凍設備[15]。亞洲人口基數(shù)大,對速凍食品的需求量大,目前亞洲已成為全球速凍設備規(guī)模最大的市場,占全球的39%,速凍設備產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊[15]。目前我國研發(fā)的速凍設備與國外同類設備在性能指標、結構設計、清潔便捷程度(如凍結區(qū)內設置圓形倒角、傾斜面,不易生長細菌,而且機組各個面處于完全可視化范圍內,利于觀察,及時清掃等)和自控性能等方面的差距仍然很大[16]。

1.2 速凍設備的分類

速凍設備依據(jù)不同角度有不同的分類,例如:按凍結速度分為快速凍結(5～20 cm/h)、中速凍結(1～5 cm/h)和慢速凍結(0.1～1 cm/h)設備,三種凍結速度使食品凍結后內部冰晶大小、形狀和分布均有差異[16];按冷卻介質分4類,即空氣循環(huán)式凍結、噴淋式凍結、接觸式凍結和浸漬式凍結[17];空氣凍結方式中應用較廣的是隧道式、螺旋式和流態(tài)化式凍結裝置。

速凍設備的種類較多,但不同的速凍設備優(yōu)缺點各異,而速凍設備的性能直接影響速凍食品的品質,因此合理選擇設備對保證食品的品質至關重要。魯珺等[18]分別采用液氮速凍、平板速凍和冷柜凍結方法處理大小相近的同批銀鯧魚,并在相同的貯藏條件下儲存一段時間后,發(fā)現(xiàn)使用液氮凍結時銀鯧魚中揮發(fā)性鹽基氮值(TVB-N)和K值最小,且鹽溶性蛋白濃度下降最緩慢,表明三種凍結方法中液氮凍結最能有效地保持銀鯧魚的品質。Boonsumrej等[19]分別采用鼓風和超低溫兩種凍結方式對虎蝦進行冷凍,且用相同的解凍方法,發(fā)現(xiàn)采用超低溫凍結,虎蝦解凍后損失較少,品質良好。

綜上可知,不同的速凍設備對同一食品進行凍結、解凍后的品質會不同,因此應該依據(jù)被凍食品的特點和要求合理地選擇速凍設備。在這幾種常用的凍結方法中,直接接觸式、流化床式凍結設備對食品的形狀有要求;出于運行經(jīng)濟性的考慮,液氮噴淋式凍結設備使用還不夠廣泛。因此,空氣式速凍裝置仍是目前使用最廣的設備,尤其是隧道式和螺旋式速凍設備。

2 速凍設備的性能優(yōu)化

2.1 影響速凍設備能耗的因素

近年來我國速凍食品年產(chǎn)量增長較快,占據(jù)全球速凍食品總量的三分之一。我國速凍設備主要應用于冷凍水產(chǎn)品、肉禽類和果蔬食品領域[15],而速凍設備的運行能耗比其它類型同容積的凍結設備高,因此速凍設備的節(jié)能需特別重視。下文將從壓縮機選型、蒸發(fā)器傳熱以及其他方面綜述影響速凍設備能耗的因素。

2.1.1 壓縮機的選型 壓縮機是速凍設備動力的來源也是耗能最大的部件,因此其設計選型對系統(tǒng)能耗至關重要。Widell等[20]利用MATLAB軟件對比分析了壓縮機電機上是否安裝變速驅動裝置對隧道式速凍設備系統(tǒng)的影響,研究發(fā)現(xiàn)在壓縮機電機上安裝變速驅動裝置能提高系統(tǒng)能效且便于調節(jié)容量。湯青等[21]在蒸發(fā)溫度為-35 ℃條件下,對比分析了使用單級壓縮、單機雙極壓縮和單機單、雙極切換壓縮對制冷系統(tǒng)的COP的影響,發(fā)現(xiàn)單機單、雙極切換壓縮在速凍系統(tǒng)中的節(jié)能效果最佳。張金翠等[22]在相同的運行工況下(蒸發(fā)溫度-40～-60 ℃)對比了自動復疊和單機雙級壓縮兩套系統(tǒng),研究表明隨蒸發(fā)溫度的降低,復疊式系統(tǒng)具有凍結速度快和耗能低等特點。王衍智等[23]在相同工況下對比幾種不同的制冷機組,發(fā)現(xiàn)單機雙極變頻螺桿機組最適合應用于大型低溫速凍設備。張建一等[24]通過實驗現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)壓縮機與冷凝壓力存在最佳匹配,在最匹配時制冷效率高。綜上可知,在不同的運行工況,速凍裝置壓縮機的選型方案可以不同,可以根據(jù)不同的凍結溫度,合理選擇制冷循環(huán)及其壓縮機。

2.1.2 蒸發(fā)器的傳熱 在速凍系統(tǒng)內,蒸發(fā)器是必備的換熱部件,其性能的優(yōu)劣直接影響速凍設備的制冷效果和能耗高低,因此蒸發(fā)器傳熱傳質的研究對系統(tǒng)的優(yōu)化至關重要。張玲等[25]研究了速凍設備蒸發(fā)器的傳熱,對比了在有霜運行時,等節(jié)距和變節(jié)距翅片對蒸發(fā)器傳熱的影響,研究發(fā)現(xiàn)變節(jié)距翅片能有效緩解結霜帶來的能量損失。鄭傳祥等[26]的研究表明不結霜條件下,采用叉排、小管徑的蒸發(fā)器傳熱系數(shù)較高。此外制冷劑的供液方式也會影響蒸發(fā)器的傳熱系數(shù),曹曉程等[27]采用三種供液方式(射流泵節(jié)流供液、熱力膨脹閥供液和液泵供液)對比分析了平板速凍機系統(tǒng)性能,發(fā)現(xiàn)射流泵供液系統(tǒng)的能耗最低。杜宇等[28]研究了重力供液和直接膨脹供液對速凍設備蒸發(fā)器運行特性的影響,發(fā)現(xiàn)重力供液傳熱性能優(yōu)于直接膨脹供液。由此可知,蒸發(fā)器在有霜和無霜條件下翅片形狀、是否變節(jié)距、管徑大小以及管子排列方式等,對蒸發(fā)器傳熱性能影響至關重要。今后可以著重研究蒸發(fā)器管道的設計和布置等,設計更有利于換熱的盤管或采用高效板式換熱器,進而提高蒸發(fā)器的傳熱效率,達到減少蒸發(fā)器尺寸、提高蒸發(fā)溫度、提高制冷系統(tǒng)運行經(jīng)濟型的目的。

2.1.3 其他影響因素 黃仲興[29]研究提高速凍冷庫制冷效率的途徑時,發(fā)現(xiàn)選用較大蒸發(fā)面積的冷風機,以及使用水冷機組時偏大選用冷卻塔的規(guī)格,能顯著提高制冷機組的制冷量。張亮等[30]研究流場均衡性對隧道式速凍機能耗的影響,研究結果表明流場分布越均勻,換氣速率越小,單凍機耗冷量越小,可以實現(xiàn)節(jié)能。孫勇等[31]分析了吹風式速凍裝置料口跑冷的機理,提出了料口高度對裝置內部冷空氣泄露速度的影響遠大于寬度;若同側雙料口,要進行隔斷,且盡量處于同一高度的改進方案。

綜上可知,速凍設備在運行工況下設備的選型、系統(tǒng)結構的設計以及流場的特性均對速凍設備能耗有影響,因此在今后的研究和設計速凍設備時需綜合考慮這三個因素,尋求最佳的設計方案。

2.2 內部流場的研究

在研發(fā)速凍機時,速凍裝置內部的流場不僅影響速凍設備的傳熱性能,而且對被凍食品的品質和干耗有影響,因而研究速凍設備內部流場至關重要。Amarante等[32]利用熱流傳感器分析了隧道式和流化床式速凍設備,研究表明速度場分布不均勻性是影響傳熱效率的主要因素。因此,優(yōu)化速凍機內部流場對提高速凍機性能、改進速凍設備至關重要。張珍等[33]研究了上下沖擊式速凍設備內靜壓箱流場分布,建立物理數(shù)學模型,模擬靜壓箱內速度場和壓力場,發(fā)現(xiàn)在均風板和隔板間增設導流板后,提高了流場內氣流組織的均勻性,使壓力場分布更均勻,增加了速凍裝置結構的穩(wěn)定性。梁亞星等[34]對比了擴口形和等徑形的液氮噴霧式速凍設備出口風道對風速場的影響,發(fā)現(xiàn)等徑形的速度場均勻性好。因此在速凍設備合適的位置增設導流板會提高流場均勻性,進而從性能、設計上優(yōu)化速凍設備。段雪濤等[35]對板帶式速凍機建立二維模型,利用PHOENICS軟件模擬速凍設備內部的流場,分析風速大小和柵格的加入對速凍設備內流場的影響,研究發(fā)現(xiàn)風速大小、生產(chǎn)量與能耗之間存在最佳匹配,加入格柵后速凍設備內速度場、溫度場的均勻性都有所提高。徐斌等[36]又進一步模擬闡述了板帶式速凍機不同的流動通道高度、進口空氣流速和進口夾角對流場的影響,得出最佳氣流分布所對應的通道高度、進口風速,為以后板式速凍機的研發(fā)設計提供了依據(jù)。張珍等[37]運用CFD模擬技術模擬了上下均風孔板的速凍裝置中流場及溫度場,對比了凍結區(qū)內孔板不同開口率下的壓力分布情況,得出孔板開孔率5%時,壓力分布較為均勻,減少應力集中,對孔板和隔板之間的區(qū)域起到保護作用。牛新朝[38]用CFD模擬了-60 ℃低溫速凍柜內流場及溫度場,發(fā)現(xiàn)送風口與回風口的布置方式對速凍柜內流場分布有影響,并最終得出送風口采用上下布置,且回風口位于送風口中間時,流場均勻性最佳。

由上述可知,針對不同的凍結設備其內部流場的影響因素不同,CFD模擬技術可以相對準確地模擬整個速凍設備內部的速度場、壓力場和溫度場的分布,直觀地分析出流場的特點,通過調整設計參數(shù)可以有效地改進速凍設備的設計,以及發(fā)現(xiàn)設備在設計和使用中存在的不足,表明數(shù)值模擬技術對于設計和優(yōu)化速凍設備可提供有效的參考。

2.3 凍結時間的研究

食品凍結過程所消耗的能量占總能耗比重最大,凍結時間也直接影響生產(chǎn)商的運行成本以及食品的質量,是衡量速凍設備整體性能的重要因素之一。

2.3.1 影響食品凍結時間的因素 食品凍結時間是被凍結食品從初始狀態(tài)凍結至所需溫度所用的時間[39]。凍結時間受被凍食品的幾何尺寸、邊界條件和初始條件等影響,而且在凍結過程中食品物性具有時變性,食品結構存在復雜性,因此準確計算凍結時間比較困難?？梢砸罁?jù)不同食品的特點,相對準確地預測食品凍結時間,從而合理匹配速凍設備,進而合理地控制速凍裝置的運行,使設備高效運行的同時保證產(chǎn)品質量、降低能耗[40]。

2.3.2 食品凍結時間的計算 基于食品凍結時間預測的復雜性,計算凍結時間的方法各不相同。Pham等[41]通過對比分析計算凍結時間的四個經(jīng)典模型:CE、P1、P2、SM,研究低水分、低冰點的食品在凍結時間計算的準確程度,研究表明對該類食品凍結時間預測最為準確的模型是P1。李杰等[42]分析總結了預測食品凍結時間的三種方法,得出簡單公式法易掌握但準確度低,數(shù)值模擬法成本低且值得推廣,在模擬形狀復雜的食品和同時存在傳熱傳質的凍結過程中具有優(yōu)勢,而人工神經(jīng)網(wǎng)絡法是在數(shù)值模擬基礎上的補充完善。Min等[43]食品凍結時間的經(jīng)驗公式出發(fā),開發(fā)了凍結時間的計算程序,考慮了食品厚度、冷卻介質溫度和吹風速度對隧道式速凍設備凍結時間的影響,計算結果準確快速,得出根據(jù)凍結時間選擇速凍設備的運行工況,使系統(tǒng)更節(jié)能。

綜上可知,計算食品凍結時間的方法較多,但對具有不同熱物性、不同形狀的食品,計算結果的準確度存在差異,因而開發(fā)新的、適用性廣的計算模型是研究的熱點之一。

2.3.3 食品凍結時間計算的優(yōu)化 國內外關于凍結時間的研究頗多,一般是交叉使用模擬法、實驗法和經(jīng)驗公式法三種方法。Okita等[44]采用CFD模擬鼓風方式中三種容積不同番石榴果肉的凍結時間,研究結果表明利用模擬法和實驗法獲得的凍結時間趨勢一致但存在誤差,可能是網(wǎng)格劃分不合理造成的。Kim等[45]對比了有無電磁加熱處理對大蒜凍結時間的影響,研究結果表明采用電磁熱處理后通過最大冰晶帶的時間縮短,且保持較好的硬度、新鮮度。Kim等[46]通過對液氮噴淋速凍裝置增設硅樹脂作為冷卻劑的預冷裝置,發(fā)現(xiàn)增設預冷裝置后,食品凍結時間大大縮短。李杰等[47]利用CFD模擬軟件研究了蝦仁在鼓風凍結裝置中的凍結時間,得出吹風速度、方向、大小以及送風溫度均影響蝦仁凍結時間,且隨送風溫度降低凍結時間減少的趨勢會變緩。Goi等[48]結合核磁共振成像的圖像處理和放樣對食品進行幾何建模,為食品建模的精確性提供了技術支持。Santos等[49]基于焓和基爾霍夫結合的傳熱方程,用MATLAB6.5軟件對蘑菇凍結時間進行模擬,模擬得出凍結時間溫度曲線與實驗結果基本吻合,最大的絕對誤差小于3.2 ℃。邵雙全等[50]基于食品物性具有時變性特點,首先對不同溫度下枸杞的各個物性進行計算,然后采用FLUENT軟件的simple算法,建立二維模型對枸杞鮮果的凍結過程進行模擬,模擬結果與實驗結果能很好地吻合。

因為基于軟件操作的研究周期短、節(jié)省物力,故利用軟件模擬計算凍結時間的研究較多,但模型的建立、網(wǎng)格的劃分和計算機內存的有限在很大程度上限制了模擬結果的準確性。目前有關食品凍結的模擬軟件很多,但適用范圍和精確度不同,軟件的選擇對凍結時間模擬結果的影響較大。進行不同速凍設備中食品凍結時間的計算時,應根據(jù)不同食品的特點,選擇計算模型、物性參數(shù),或者確定相關設備運行參數(shù)進行食品凍結時間的計算。

3 未來速凍設備發(fā)展的展望

目前對速凍設備的研究,主要從優(yōu)化速凍設備性能的角度考慮,可歸納為三個方面:降低設備能耗,相關研究者已經(jīng)從系統(tǒng)結構設計、設備選型以及制冷劑供液方式等方面入手;優(yōu)化設備內部的流場,關注速凍裝置內流場的均勻性、氣流組織分布;凍結時間,凍結時間是影響速凍食品品質的重要因素之一,準確計算和預測食品凍結時間是速凍設備優(yōu)化設計的一個重要指標。根據(jù)目前我國設計和生產(chǎn)的速凍機的現(xiàn)狀,基于速凍設備在食品加工生產(chǎn)中節(jié)能和對于食品品質的重要性,在今后的研究中還可以重點關注以下方面:首先,由于壓縮機能耗是系統(tǒng)整體性能的一個重要指標,因此根據(jù)不同速凍設備的特點,對壓縮機、風機等進行合理選型;其次利用數(shù)字成像技術、核磁共振技術等進行食品的建模,提高模型準確性,通過計算機模擬技術對比分析速凍設備各部件的布置和設計、部件形狀等對設備內部速度場、壓力場、溫度場的影響,從而優(yōu)化設備的設計;最后,在模擬和實驗的基礎上,探究計算凍結時間的可靠方法,并對不同凍結設備所凍結食品的凍結時間進行數(shù)據(jù)積累,為進一步研究不同食品凍結時間提供有效的依據(jù)。總之,該領域今后研究的熱點是在綜合考慮設備能耗、凍結時間和流場分布三個因素的基礎上對速凍設備性能優(yōu)化。

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Progress of performance optimization and classification in the quick-freezing equipment

TANG Wan,XIE Jing*

(Shanghai Aquatic Products Processing and Storage Engineering Technology Research Center,College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

Freezing is recognized as one of the most important technology in food preservation,which is in keeping with contemporary three requirements of green,convenience,health care,and the quality of frozen food is closely related to the performance of equipment. The classification and characteristics of the equipment were introduced,then the three factors affecting equipment performance,such as energy consumption,air distribution,and freezing time,were proposed,which were also needed to be considered for equipment design. The physical properties of time-varying and modeling accuracy of food(digital image)should be considered when the numerical simulation in food freezing process was carried out,to obtain a more accurate numerical results. Numerical simulation and optimization of automatic control are effective optimizing means of quick freezing equipment development.

Quick-freezing equipment;Performance optimization;Outlook;Energy saving

2016-05-30

唐婉(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：制冷工程，E-mail:1210051321@qq.com。

*通訊作者:謝晶(1968-)，女，博士，教授，研究方向：食品物流，E-mail:jxie@shou.edu.cn。

國家“十三五”重點研發(fā)項目(2016YFD0400303)；上海市科委平臺能力提升項目(16DZ2280300)。

TS203

A

1002-0306(2016)23-0362-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.060