淺析食品冷凍干燥技術(shù)
——以速凍隧道冷風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為例

邵軍暉 趙麗超 張洪旗 崔俊昌 張翠翠 煙臺(tái)中孚冷鏈設(shè)備有限公司，山東煙臺(tái) 265500

引言

真空冷凍干燥技術(shù)是目前被公認(rèn)的最先進(jìn)的食品加工技術(shù)[1]，能保持食品的色、香、味、形，相比較其他加工技術(shù)，能最大限度保留食品的各種營養(yǎng)成分。食品經(jīng)過該技術(shù)加工后，更營養(yǎng)，更健康。在真空凍干系統(tǒng)中，速凍隧道是整個(gè)系統(tǒng)中關(guān)鍵的一個(gè)工藝過程，速凍的質(zhì)量好壞直接影響產(chǎn)品凍干后的質(zhì)量，以及干后復(fù)水以后的質(zhì)量，凍結(jié)速度和送風(fēng)溫度以及送風(fēng)的均勻性是速凍隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。冷風(fēng)機(jī)作為速凍隧道的核心設(shè)備，對冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)場的合理布置，物料凍結(jié)需要均勻一致，達(dá)到速凍的目的。

1 凍干項(xiàng)目簡介

由煙臺(tái)中孚冷鏈設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝調(diào)試的福建立興食品公司凍干成套設(shè)備工程順利投產(chǎn)使用。煙臺(tái)中孚的科研人員于1996年開始從事凍干機(jī)理、凍干工藝、凍干設(shè)備的研究開發(fā)工作，經(jīng)過大量的凍干工程實(shí)踐，在系統(tǒng)優(yōu)化、凍干工藝研發(fā)實(shí)驗(yàn)、凍干工廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多方面積累豐富經(jīng)驗(yàn)，為國內(nèi)外眾多客戶建設(shè)了不同規(guī)格、不同類型的凍干生產(chǎn)線。

福建立興食品公司總部坐落在福建漳州市，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)龍頭企業(yè)，該公司主營凍干果蔬系列產(chǎn)品、凍干速食方便食品系列、凍干肉制品系列、速溶茶及其他植物提取物、凍干咖啡系列。在國內(nèi)凍干行業(yè)，該公司生產(chǎn)規(guī)模排在行業(yè)前列，凍干產(chǎn)品市場占有率名列行業(yè)前茅。

真空冷凍干燥技術(shù)是將含水物料在低溫狀態(tài)下凍結(jié)，然后在真空條件下使固態(tài)水直接升華為氣態(tài)并排走，從而脫去物料中的水分使物料干燥的一項(xiàng)高新技術(shù)[2]。真空凍干技術(shù)幾乎可以對所有的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行加工，成品種類多，適用范圍廣。蔬菜類包括菠菜、黃花菜、芹菜等，水果類如香蕉、草莓、無花果、黃桃、龍眼、菠蘿等，水產(chǎn)類如海參、甲魚、海帶，調(diào)味品如蔥、姜、蒜，飲品類如茶葉、菊花、枸杞，干果類如核桃、花生、開心果等均可加工。成品包括凍干果蔬、凍干肉類、凍干方便面、凍干湯粥、速溶飲品等。該技術(shù)加工后的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量遠(yuǎn)高于其他加工工藝[3]。或放熱過程（在濕蒸氣區(qū)）。因而原則上可實(shí)現(xiàn)逆卡諾循環(huán)1’-3-4-8-1’（如圖2-1所示）[5]。

圖2 -1 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)圖

2 冷風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 冷風(fēng)機(jī)的熱交換過程

冷風(fēng)機(jī)是熱交換器的一種，冷風(fēng)機(jī)排管內(nèi)的制冷劑排出時(shí)理論上不允許有液滴，以保證壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)際系統(tǒng)中，有時(shí)在冷風(fēng)機(jī)出口裝設(shè)氣液分離器，使壓縮機(jī)得到進(jìn)一步保護(hù)[4]。

傳熱過程是導(dǎo)熱、對流、輻射三種傳熱方式的綜合，傳熱過程的強(qiáng)烈程度用“傳熱系數(shù)”來表示。如果利用低沸點(diǎn)的物質(zhì)作為工質(zhì)，利用該工質(zhì)在定溫定壓下液化和氣化的相變性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)定溫定壓吸熱

圖中T表示溫度，S表示時(shí)間。圖中1’-3過程表示制冷劑在壓縮機(jī)中定熵壓縮，3-4過程表示制冷劑在冷凝器中定壓定溫冷凝放熱，4-8過程表示制冷劑在膨脹機(jī)中的定熵膨脹，8-1’過程表示通過蒸發(fā)器從冷庫中定壓定溫氣化吸熱。蒸氣壓縮制冷裝置主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥及蒸發(fā)器組成。實(shí)際上蒸氣壓縮制冷循環(huán)圖過程是1-2-3-4-5-1。從蒸發(fā)器出來的制冷劑呈干飽和蒸汽狀態(tài)被吸入壓縮機(jī)，絕熱壓縮后成為過熱蒸汽（過程1-2）。蒸氣進(jìn)入冷凝器后，在定壓下冷卻（過程2-3）并進(jìn)一步在定壓定溫下凝結(jié)成飽和液體（過程3-4）。飽和液體通過膨脹閥（或稱為節(jié)流閥、減壓閥）經(jīng)絕熱節(jié)流降壓降溫而變成低干度的濕蒸氣。絕熱節(jié)流是不可逆過程，節(jié)流前后焓值相同，圖2-1中用虛線4-5表示。濕蒸氣進(jìn)入冷室的蒸發(fā)器，在定壓定溫下吸熱氣化成為干飽和蒸汽（過程5-1），從而完成一個(gè)循環(huán)。

制冷系統(tǒng)熱交換設(shè)備涉及的傳熱過程包括平壁、圓管和肋壁的傳熱過程?，F(xiàn)以圓管的傳熱過程為例加以說明。由于圓管的內(nèi)、外表面積不同，所以傳熱系數(shù)也有內(nèi)、外之分。以圓管外表面積為基準(zhǔn)時(shí)，單位時(shí)間傳熱量Φ為：

單位長度的傳熱系數(shù)為

式中 ——單位時(shí)間的傳熱量，W；

Φ——傳熱系數(shù)，W/m2℃；

K——圓管外表傳熱面積，m2；

Fo——圓管內(nèi)側(cè)流體溫度，℃；

ti——圓管外側(cè)流體溫度，℃；

to——圓管的長度，m；

l——圓管的內(nèi)徑，m；

di——圓管的外徑，m；

γi——圓管的內(nèi)半徑，m；

γi——圓管的外半徑，m；

λ——管壁材料的熱導(dǎo)率，W/m2℃。

2.2 熱量傳遞過程的控制

在熱量傳遞過程中，需要強(qiáng)化傳熱過程來實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源。通常的方法有增加傳熱面積，增加傳熱溫差，增加傳熱系數(shù)或?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)[6]。

強(qiáng)化傳熱有很多種方法：改進(jìn)翅片的形狀、增加排管的排列密度、蒸發(fā)器翅片進(jìn)行表面處理、減少翅片與排管的接觸熱阻等。強(qiáng)化傳熱的研究已經(jīng)歷了至少半個(gè)多世紀(jì)的歷程，現(xiàn)以固體表面的第三代傳熱技術(shù)（縱向渦發(fā)生器）為例加以說明。縱向渦發(fā)生器（如圖2-2所示），就是突起的三角形片，他們對準(zhǔn)來流方向設(shè)置，可使流體繞流后產(chǎn)生沿主流方向前進(jìn)的一對旋轉(zhuǎn)的渦，稱為縱向渦。試驗(yàn)證明，這樣的渦可有效強(qiáng)化縱向渦流經(jīng)區(qū)域的對流傳熱。圖2-2所示是四種常見的縱向渦發(fā)生器，圖中表示三角形翼，表示矩形翼，表示三角形小翼，矩形小翼。

圖2 -2四種常見的縱向渦發(fā)生器

冷風(fēng)機(jī)的翅片采用親水鋁箔，是強(qiáng)化傳熱的一種方法。親水處理是在翅片表面生成具有親水性的耐腐蝕薄膜，使凝結(jié)水在翅片上迅速擴(kuò)散，形成極薄的水膜，避免形成“水橋”，可以延緩結(jié)霜，提高傳熱[7]；同時(shí)可以防止翅片受腐蝕而形成“白粉”。

2.3 冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)

制冷系統(tǒng)的管道是制冷系統(tǒng)的重要部分，必須嚴(yán)密，不能是制冷劑泄露或空氣滲入。冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)包括管路的布置，管徑的確定，管道與管件的布局，管道支架和絕熱層的設(shè)計(jì)，等等。

管徑的選定取決于管內(nèi)控制壓力降和流速的大小，在工程設(shè)計(jì)中一般采用限定管段流動(dòng)阻力損失來確定管徑大小。有公式計(jì)算法和線算圖法，公式計(jì)算法比較煩瑣，大多采用線算圖法。氟管道回氣管由水平管段和立管段組成，根據(jù)制冷能力、管道當(dāng)量長度、蒸發(fā)溫度，從相關(guān)的線算圖即可查得回氣管最小內(nèi)徑。對于上升回氣立管，確定管徑時(shí)還要考慮帶油速度問題。如圖2-3所示，為多組蒸發(fā)器回氣支管接至同一回氣總管時(shí)，應(yīng)根據(jù)蒸發(fā)器和壓縮機(jī)的相對位置采取不同的方法處理。

氟系統(tǒng)回氣管不僅要向壓縮機(jī)輸送低壓氣體，還要將蒸發(fā)器內(nèi)的潤滑油帶回壓縮機(jī)而不發(fā)生回液。回氣管水平部分應(yīng)有一定的坡度，坡向壓縮機(jī)。上升回氣立管的底部應(yīng)設(shè)有“回油彎”。在壓縮機(jī)吸入口附近的回氣管上不要設(shè)置回油彎，避免出現(xiàn)液囊，在壓縮機(jī)重啟時(shí)發(fā)生油擊。

管道支架是支撐和固定管道，支架的最大間距應(yīng)滿足：防止管道因垂直作用力引起的彎曲破壞；有坡度要求的管道，應(yīng)有撓度不大于坡度的要求。管道隔熱的設(shè)計(jì)應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。隔熱層的厚度應(yīng)能保證隔熱層外表面的溫度不低于當(dāng)?shù)乜諝獾穆饵c(diǎn)溫度，防止管道外表面凝結(jié)滴水或結(jié)霜。

圖2 -3多組蒸發(fā)器回氣支管的連接

3 展望

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營，指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面向市場，實(shí)現(xiàn)科研、生產(chǎn)、加工、銷售一體化，走向社會(huì)化生產(chǎn)的一種新型經(jīng)營方式。主要是農(nóng)戶之間或者是龍頭企業(yè)與農(nóng)戶之間，在供產(chǎn)銷等生產(chǎn)經(jīng)營環(huán)節(jié)上，在明晰各自產(chǎn)權(quán)條件下的聯(lián)合生產(chǎn)。由傳統(tǒng)的封閉式生產(chǎn)邁向了市場經(jīng)濟(jì)條件下的社會(huì)化大生產(chǎn)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑之一。培育了支柱產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)了農(nóng)民增收[8]。我國是農(nóng)業(yè)大國，有豐富的蔬菜、水果、肉食及水產(chǎn)資源，然而長期以來農(nóng)牧產(chǎn)品一直停留在出口原料或初加工階段，農(nóng)產(chǎn)品的附加值低，經(jīng)濟(jì)效益差。而將農(nóng)產(chǎn)品加工成凍干產(chǎn)品，或開發(fā)出更多的附加值高的深加工產(chǎn)品，必將給農(nóng)民、企業(yè)、國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益[9]。食品真空凍干技術(shù)區(qū)別于膨化、油炸技術(shù)，它最大程度保留了營養(yǎng)成分?？萍枷蛏?，將真空凍干技術(shù)服務(wù)于全人類的民生產(chǎn)業(yè)，該技術(shù)將引領(lǐng)食品界的又一次“工業(yè)革命”。

4 結(jié)語

本文從多個(gè)方面對速凍隧道的冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在保證速凍間內(nèi)的溫度場、風(fēng)速場應(yīng)盡可能均勻，使不同貨位的食品在相近時(shí)間內(nèi)完成速凍過程，以提高凍品質(zhì)量[10]。冷風(fēng)機(jī)速凍間是強(qiáng)制通風(fēng)，需配有合適的風(fēng)速使空氣循環(huán)流動(dòng)，加快凍結(jié)速度、縮短凍結(jié)時(shí)間。冷風(fēng)機(jī)的軸流風(fēng)機(jī)大多采用山東濟(jì)南風(fēng)王通風(fēng)設(shè)備（由航空專業(yè)化研究所演變而來）自主研發(fā)的機(jī)翼型系列結(jié)構(gòu)，具有大流量和較低壓頭，且噪音低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[11]。