速凍設備流場優(yōu)化研究進展

朱一帆 謝 晶,3,4

(1. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價 專業(yè)技術服務平臺，上海 201306；3. 上海海洋大學食品科學與工程國家級實驗教學示范中心， 上海 201306；4. 上海海洋大學食品學院，上海 201306)

隨著生活水平的提高，人們對食品品質(zhì)的追求也越來越高。速凍是保存新鮮食品的重要技術之一[1]，能最大程度地保留食品的風味與營養(yǎng)，并有利于延長貯藏期。影響速凍食品品質(zhì)的因素較多，如原料質(zhì)量、前處理工藝、凍結(jié)速率等[2-4]，各因素間互相關聯(lián)，而凍結(jié)速率是決定性因素[5-6]。

凍結(jié)設備按凍結(jié)速率可分為慢速凍結(jié)(0.1～1.0 cm/h)、中速凍結(jié)(1～5 cm/h)和快速凍結(jié)(5～20 cm/h)，不同凍結(jié)速度使食品凍結(jié)后內(nèi)部冰晶大小、形狀和分布均有差異[7-9]，極大地影響了凍結(jié)食品的品質(zhì)[10]。速凍設備按冷卻介質(zhì)還可分為空氣循環(huán)式凍結(jié)、噴淋式凍結(jié)、接觸式凍結(jié)和浸漬式凍結(jié)[11]。目前，主要的空氣循環(huán)式速凍機有隧道式速凍機、螺旋式速凍機和流態(tài)化式速凍機。文章主要從氣流對表面換熱的影響、空氣循環(huán)式凍結(jié)設備流場規(guī)律、空氣循環(huán)式凍結(jié)設備流場優(yōu)化3個方面闡述氣流組織對空氣循環(huán)式速凍機性能的影響。

1 氣流對食品凍結(jié)的影響

氣流對食品凍結(jié)一直是食品速凍研究的熱點。近年來對高速氣流沖擊凍品的研究逐漸增多，如Salvadori等[12]指出將高速空氣射流引導至食物表面以破壞圍繞產(chǎn)品的傳熱邊界層，可有效地減少食品的凍結(jié)時間，通過對漢堡包的沖擊式凍結(jié)驗證了氣流垂直吹向鋼帶比平行吹向鋼帶的冷凍時間更短，質(zhì)量損失也更少；而氣流沖擊板帶上凍品的角度也會影響凍品的換熱效率[13]。研究[14]表明，通過更高的風速可增加凍品表面的傳熱系數(shù)，以減少食品的凍結(jié)或冷卻時間。Dominguez等[15]通過對饅頭速凍中流場內(nèi)低溫空氣的溫度和速度的研究，驗證了食品的凍結(jié)速度與空氣冷卻器進口風速呈正比。Lawal等[16]在穩(wěn)定和不穩(wěn)定流動以及來自射流沖擊恒定熱通量壁面的熱傳遞的數(shù)值研究中進行驗證，發(fā)現(xiàn)較高的射流入口速度會導致不穩(wěn)定流動，但可以增強目標板上的高傳熱效率。Erdogdu等[17]使用集總參數(shù)法來評估空氣噴嘴出口速度為14，28 m/s時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的空間變化，在停滯區(qū)域分別產(chǎn)生71.6，101.7 W/(m2·K)的傳熱系數(shù)最大值。岳占凱等[18]通過對馬鈴薯泥凍結(jié)研究，發(fā)現(xiàn)凍品受到的氣流速度越大、溫度越低，凍品中心與表面的溫差越大，當風速達到一定值后增加風速對冷凍時間的影響逐漸減小；風速與溫度的改變對相變階段的影響比對預冷和深冷階段大。因此，在空氣循環(huán)式速凍機中，凍品表面的風速越大，凍品凍結(jié)速率越大。

李保國[19]研究證明了有各向異性的纖維質(zhì)肉品的凍結(jié)速率受氣流與纖維組織方向的影響，冷空氣順著纖維方向的凍結(jié)速率高于垂直于纖維方向的。Erdogdu等[20]發(fā)現(xiàn)凍品在冷凍時，旋轉(zhuǎn)改變迎風面可以加快凍結(jié)速率。而凍結(jié)體積較小的食品時，單個顆粒食品凍結(jié)的速率約為堆積凍結(jié)的6倍，故采用流態(tài)化凍結(jié)可極大地提高凍結(jié)速率。將沖擊式速凍技術與流態(tài)化速凍技術結(jié)合，可設計出沖擊流態(tài)化速凍機[21]。

綜上所述，在凍結(jié)時改變迎風面有利于凍結(jié)，增加風速可以獲得更大的努塞爾特數(shù)，加快降溫速率，增加凍品中心與表面溫差；當風速增大后，會降低設備內(nèi)部平均溫度，增加凍品干耗，因此溫度、風速與食品干耗間可能存在合理配比的關系。

2 對空氣循環(huán)式凍結(jié)設備流場規(guī)律的研究

(1)

式中：

α——實際速凍機中的對流換熱系數(shù)；

θα——凍結(jié)區(qū)冷空氣的平均溫度。

通過試驗可知，氣流組織效率主要受速凍裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸、送風方式、風向及凍結(jié)區(qū)風速等因素的影響，與凍品尺寸無關。

在速凍機中，不同的氣流方向?qū)魉蛶系膬銎防鋬鲞^程有著巨大的影響。賴威娜[23]在設計螺旋式液氮速凍機時，模擬了不同的送風方式，發(fā)現(xiàn)垂直流動的方式氣流在經(jīng)凍品后會產(chǎn)生渦流，導致預冷段風速不足，造成預冷效果較差；氣流從轉(zhuǎn)鼓中垂直流至預冷段后橫掠過凍品的方式與頂部側(cè)送橫掠的送風方式，均能保證較低的平均溫度與較高的風速，且后者風速比前者略大。牛新朝[24]研究-60 ℃低溫速凍柜內(nèi)流場及溫度場時，發(fā)現(xiàn)送風口采用上下布置，回風口處于送風口中間時，流場的均勻性最佳。因此，在設計速凍機時，合理設計進出風口位置對流場均勻性及提高氣流組織效率有著重要影響。

徐斌等[25]研究板帶式速凍機時發(fā)現(xiàn)，相同流量下，通道高度越小，通道內(nèi)氣流壓力損失越大，不均勻性也越大；相同通道高度下，流速越大，通道內(nèi)氣流壓力損失越大，不均勻性也越大，在實際生產(chǎn)過程中會造成食品在流速較小處換熱較差，在氣流流速最大處，食品可能會被吹離板帶。祁艷會[26]通過對雙螺旋速凍機的模擬研究發(fā)現(xiàn)，增大風速有助于減小低風速區(qū)域、增加低溫區(qū)域，改善流場的均勻性，當風速達到某一值后，繼續(xù)增大風速，設備內(nèi)低風速區(qū)域并未減少，考慮到運行費用與節(jié)能，風速應有一個極限值。

目前，研究導流板可改善流場的均勻性，但仍存在以下問題：① 溫度對流體黏度的影響，Lacerda等[27]研究發(fā)現(xiàn)，降低溫度會增加空氣密度和降低空氣動力黏度，導致局部雷諾數(shù)增加；② 轉(zhuǎn)角處流場有待改善，如張珍等[28]對沖擊式速凍機靜壓箱內(nèi)的流場進行模擬時發(fā)現(xiàn)，當箱體內(nèi)氣流均勻分布時，流體經(jīng)過拐角時會產(chǎn)生不同程度漩渦，導致局部呈現(xiàn)紊亂，氣流均勻性變差，使下方孔板的出口風速小于上方孔板的；③ 氣流從下往上垂直流經(jīng)網(wǎng)帶時會發(fā)生繞流現(xiàn)象，由于網(wǎng)帶的有效面積較小，對平均流速影響較小，當經(jīng)網(wǎng)帶后速度變化較大時，上方凍品的凍結(jié)速率會受影響[29]。

綜上所述，對于鼓風式速凍機，氣流組織效率受設備自身結(jié)構(gòu)的影響，與凍品大小形狀無關，適當增加風速可減少低風速區(qū)域，而達到一定的風速后繼續(xù)增加風速無助于減少低速區(qū)域。出風口與回風口的布置會對內(nèi)部流場產(chǎn)生重要影響，應盡量避免氣流自下而上經(jīng)過網(wǎng)帶導致凍品處氣流速度降低，避免流場中出現(xiàn)直角而形成渦流。

3 空氣循環(huán)式凍結(jié)設備流場優(yōu)化研究

3.1 從引導流體的角度

前期研究[30]發(fā)現(xiàn)，增加風速可縮短凍結(jié)時間，而風機功率與氣體速率的3次方呈正比。但Odey[31]研究發(fā)現(xiàn)通過增加風扇轉(zhuǎn)速簡單地增加空氣流量會形成大的不穩(wěn)定渦流，導致風扇入口處速度受到負作用，使傳熱效率降低。在冷凍室頂部和側(cè)面上設置擋板、在風機入口設置錐形口和擴散器、在角落上設置進氣口和排氣葉片、使用可變頻風扇，可顯著減少進入風扇的氣流所形成的湍流。在此基礎上，李堃[32]通過數(shù)值模擬對軸流風機進行優(yōu)化改進，將導流罩直角進口改為弧形進口可使風量提升20%以上，當進口處導流罩圓弧半徑與軸流風機半徑比值>1/5時，風量不再發(fā)生改變；導流罩出口外接圓弧式管路導流可使風量獲得提升，當出口處導流罩圓弧半徑與軸流風機半徑比值>1/3時，風量不再發(fā)生改變。

在不增加風機功率的情況下，增加導流板可增強空氣的流動[33-34]，并減少氣流在經(jīng)鈍體后的繞流[35-36]。通過在彎道處設置導流板將風道隔開，可有效控制流體在彎道處的離心現(xiàn)象與渦流的產(chǎn)生，改善風道出口處的流速與均勻性；導流板數(shù)量越多，效果越好，改變導流板間的相對位置及曲率半徑，對風道內(nèi)的流場也會產(chǎn)生影響[37]。在螺旋式速凍機中將出流和回流隔開(見圖1)，可使冷凍區(qū)的部分空氣流速增加50%，再增加導流板，可使冷凍區(qū)平均風速提高2.5～2.7倍；相應地，凍結(jié)時間縮短至78%～85%，能效和生產(chǎn)率提高了18%～28%[22]。但同時采用多種導流方式，產(chǎn)生的邊際效益會逐漸減小，因此在增加導流設備時還應考慮制造成本與生產(chǎn)周期[38]。

圖1 側(cè)送側(cè)回螺旋速凍裝置流場[29]

3.2 從隔斷速凍設備內(nèi)外流體的角度

除了優(yōu)化速凍機內(nèi)部流場，還可以通過降低速凍機的冷負荷來達到降低能耗的目的。在實際生產(chǎn)過程中，速凍設備的進出料口始終處于敞開狀態(tài)，導致設備內(nèi)外的冷空氣在開口處進行熱質(zhì)交換[39]，造成設備內(nèi)的冷空氣溢出，周圍工作環(huán)境變差，影響工人的身體健康；外界熱空氣侵入內(nèi)部，使系統(tǒng)冷負荷增加，且濕度較大的熱空氣進入設備后容易造成蒸發(fā)器結(jié)霜，使換熱效率變差。開口處的熱質(zhì)交換主要由溫度梯度引起的熱壓壓差、風機產(chǎn)生的氣流流動形成的風壓、傳送帶與食品運動帶動氣流形成的風壓3部分構(gòu)成[40]。尹從緒[41]通過能量平衡方程分析速凍機內(nèi)部溫度與料口跑冷的關系；毛力等[42]通過使用NH4Cl白色煙霧對單螺旋速凍機進行料口跑冷的可視化試驗，驗證了熱壓在熱質(zhì)交換中起主導作用，冷空氣從下部進料口流出，熱空氣在上部出料口流入。

黃建昌等[43]分析得出，在熱壓的作用下，裝置內(nèi)外溫差越大，料口之間高度差越大，上部料口熱空氣侵入和下部料口冷空氣外泄的速度越快。經(jīng)初步計算，雙料口處于不同高度情況下，料口形成的冷負荷約占總制冷量的20%，超過圍護結(jié)構(gòu)傳熱量。呂靜等[44]在進、出料口增加隔板形成兩個通道(圖2)，使熱壓與風壓進行抵消可以讓進、出料口的風速減小為原來的1/3，根據(jù)冷量的損失與料口風速呈正比可以大致推算出，改進后的冷量損失僅為原先的1/3，并運用Phoenics軟件對速凍機進行模擬，得出在進、出料口附近各放一個隔流板為最佳布置方法，且找出了最佳的放置距離。

通過模擬[45]發(fā)現(xiàn)，在凍結(jié)區(qū)與料口之間加設遮流板還可以有效減小料口處的進出氣流速度，且遮流板后方區(qū)域的氣流速度基本為零。由于熱壓壓差導致的冷風流出是跑冷的最直接原因，而內(nèi)外壓差形成的進風是被動的，因此對出風料口進行遮流處理效果優(yōu)于對進風料口的處理。陸蓓蕾等[46]通過定義不均勻系數(shù)ku(速度的方差和速度的算數(shù)平均值的比值)與溫度不均勻系數(shù)kt(溫度的方差和溫度算術平均值的比值)來評價氣流組織的均勻性，并通過ku、kt來判斷遮流板的最佳位置。

1. 圍護結(jié)構(gòu) 2. 金屬密閉通道隔板 3. 進料口 4. 準料口5. 出料口

綜上所述，在設計速凍裝置時，可以通過在風機的入口與出口增加錐形口，在直角處增加弧形板等措施來消除渦流，增加流場的均勻程度，提高平均流速；也可以在流場中增加導流板，在未增加風機功率的前提下使凍結(jié)區(qū)域流速增加；此外，還可以通過增加擋板減少機器內(nèi)外的空氣交換，降低設備的冷負荷，但目前的研究還不能對擋板設置的數(shù)量和位置給出明確的建議。

4 結(jié)論與展望

凍結(jié)時間是衡量速凍設備的重要標準，為了縮短凍結(jié)時間就需提高換熱效率，需提供更低的溫度與更大的風速。僅增加風速會導致氣流的不均勻度增加，通過調(diào)整風機的位置改變整體流場的走向可以使流場更均勻。為了獲得更大的風速僅增加風機轉(zhuǎn)速會起到相反的作用，使風機效率降低；增加導流板分割氣流并消除渦流、風機安裝錐形入口等方式均可在不增加能耗甚至減小風機功耗的情況下達到改善流場的效果。在實際生產(chǎn)中料口跑冷是設備冷負荷的一個重要原因，通過增加擋板降低料口風速可以有效地減少冷量流失。

后續(xù)速凍機流場的優(yōu)化研究可進一步關注：對于預冷段氣流溫度與速度的優(yōu)化；氣流經(jīng)過凍品形成的擾流與凍品尺寸的關系，錄求更合理的凍品擺放間隔；導流板形狀與弧度改變后對氣流速度的影響；通過隔板將出流與回流分割，以減小不同方向氣流間的干擾；減少速凍機的跑冷情況。中國的速凍設備雖然發(fā)展很快，但與世界先進水平相比依然有較大的差距，如中國產(chǎn)速凍裝置結(jié)構(gòu)復雜、效率低、凍品損耗大等，仍需進一步改進和提升，同時考慮效果與實際生產(chǎn)的成本和可行性。