速凍設備的分類及性能優化的研究進展

快速凍結是重要的食品保鮮技術之一，能最大程度地保留食品的感官、營養，并利于儲存、延長貨架期且不需要添加任何防腐劑，符合當今人們對食品綠色、方便和保健的三大追求，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，經過適當的處理和急速冷凍，于－18～－20℃的低溫條件下送達消費點的低溫產品。

　　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等研究也證實了凍結速率會影響食品品質。Alhamdan等分別采用液氮超低溫凍結、單體快速冷凍和傳統的慢凍方式處理新鮮食品及其貨架期，發現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、數量多、分布均勻，對食品內部組織細胞的傷害小，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線上的初投資也最大、能耗最高，所以對速凍設備的研發、設計和優化至關重要。本文主要根據目前國內速凍設備的現狀，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 速凍設備的現狀
 

　　1.1 速凍設備研究的背景

　　20世紀20年代，速凍設備的發展起源于美國，以世界上第一臺速凍機的問世為標志，迄今為止，美、日、西歐等發達國家速凍設備的種類已達20余種，且設備規格齊全、單位時間生產量大且自動化程度高，而我國速凍設備產業起步相對較晚。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加工。后來，隨著速凍食品的需求量增加，開始注重對國產速凍設備的研發。1985年開始相繼自主開發研制了不同規格的十多種類型的速凍設備。亞洲人口基數大，對速凍食品的需求量大，目前亞洲已成為全球速凍設備規模最大的市場，占全球的39%，速凍設備產業發展前景廣闊。目前我國研發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。
 

　　1.2 速凍設備的分類

　　速凍設備依據不同角度有不同的分類，例如: 按凍結速度分為快速凍結（5～20cm/h）、中速凍結（1～5cm/h）和慢速凍結（0.1～1cm/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；按冷卻介質分4類，即空氣循環式凍結、噴淋式凍結、接觸式凍結和浸漬式凍結；空氣凍結方式中應用較廣的是隧道式、螺旋式和流態化式凍結裝置。

　　速凍設備的種類較多，但不同的速凍設備優缺點各異，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，發現使用液氮凍結時銀鯧魚中揮發性鹽基氮值（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，發現采用超低溫凍結，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量增長較快，占據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品、肉禽類和果蔬食品領域，而速凍設備的運行能耗比其它類型同容積的凍結設備高，因此速凍設備的節能需特別重視。下文將從壓縮機選型、蒸發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能耗至關重要。Widell等利用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的影響，研究發現在壓縮機電機上安裝變速驅動裝置能提高系統能效且便于調節容量。湯青等在蒸發溫度為－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的COP的影響，發現單機單、雙極切換壓縮在速凍系統中的節能效果最佳。張金翠等在相同的運行工況下（蒸發溫度-40～-60℃）對比了自動復疊和單機雙級壓縮兩套系統，研究表明隨蒸發溫度的降低，復疊式系統具有凍結速度快和耗能低等特點。王衍智等在相同工況下對比幾種不同的制冷機組，發現單機雙極變頻螺桿機組最適合應用于大型低溫速凍設備。張建一等通過實驗現場測試發現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，可以根據不同的凍結溫度，合理選擇制冷循環及其壓縮機。

　　2.1.2 蒸發器的傳熱 在速凍系統內，蒸發器是必備的換熱部件，其性能的優劣直接影響速凍設備的制冷效果和能耗高低，因此蒸發器傳熱傳質的研究對系統的優化至關重要。張玲等研究了速凍設備蒸發器的傳熱，對比了在有霜運行時，等節距和變節距翅片對蒸發器傳熱的影響，研究發現變節距翅片能有效緩解結霜帶來的能量損失。鄭傳祥等的研究表明不結霜條件下，采用叉排、小管徑的蒸發器傳熱系數較高。此外制冷劑的供液方式也會影響蒸發器的傳熱系數，曹曉程等采用三種供液方式（射流泵節流供液、熱力膨脹閥供液和液泵供液）對比分析了平板速凍機系統性能，發現射流泵供液系統的能耗最低。杜宇等研究了重力供液和直接膨脹供液對速凍設備蒸發器運行特性的影響，發現重力供液傳熱性能優于直接膨脹供液。由此可知，蒸發器在有霜和無霜條件下翅片形狀、是否變節距、管徑大小以及管子排列方式等，對蒸發器傳熱性能影響至關重要。今后可以著重研究蒸發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，進而提高蒸發器的傳熱效率，達到減少蒸發器尺寸、提高蒸發溫度、提高制冷系統運行經濟型的目的。

　　2.1.3 其他影響因素 黃仲興研究提高速凍冷庫制冷效率的途徑時，發現選用較大蒸發面積的冷風機，以及使用水冷機組時偏大選用冷卻塔的規格，能顯著提高制冷機組的制冷量。張亮等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，可以實現節能。孫勇等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，建立物理數學模型，模擬靜壓箱內速度場和壓力場，發現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定性。梁亞星等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，發現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、設計上優化速凍設備。段雪濤等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，研究發現風速大小、生產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設計提供了依據。張珍等運用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域起到保護作用。牛新朝用CFD模擬了-60℃低溫速凍柜內流場及溫度場，發現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，通過調整設計參數可以有效地改進速凍設備的設計，以及發現設備在設計和使用中存在的不足，表明數值模擬技術對于設計和優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凍結至所需溫度所用的時間。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。可以依據不同食品的特點，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品質量、降低能耗。

　　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等通過對比分析計算凍結時間的四個經典模型：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勢，而人工神經網絡法是在數值模擬基礎上的補充完善。Min等食品凍結時間的經驗公式出發，開發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，得出根據凍結時間選擇速凍設備的運行工況，使系統更節能。

　　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、實驗法和經驗公式法三種方法。Okita等采用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，可能是網格劃分不合理造成的。Kim等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，發現增設預冷裝置后，食品凍結時間大大縮短。李杰等利用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。Gon~i等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，應根據不同食品的特點，選擇計算模型、物性參數，或者確定相關設備運行參數進行食品凍結時間的計算。
 

　　3 未來速凍設備發展的展望
 

　　目前對速凍設備的研究，主要從優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，相關研究者已經從系統結構設計、設備選型以及制冷劑供液方式等方面入手；優化設備內部的流場，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化設計的一個重要指標。根據目前我國設計和生產的速凍機的現狀，基于速凍設備在食品加工生產中節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整體性能的一個重要指標，因此根據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據積累，為進一步研究不同食品凍結時間提供有效的依據。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化。