朱一帆 謝 晶,3,4

(1. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià) 專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；3. 上海海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 上海 201306；4. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

隨著生活水平的提高，人們對(duì)食品品質(zhì)的追求也越來(lái)越高。速凍是保存新鮮食品的重要技術(shù)之一[1]，能最大程度地保留食品的風(fēng)味與營(yíng)養(yǎng)，并有利于延長(zhǎng)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(guān)聯(lián)，而凍結(jié)速率是決定性因素[5-6]。

凍結(jié)設(shè)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(shè)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(jī)有隧道式速凍機(jī)、螺旋式速凍機(jī)和流態(tài)化式速凍機(jī)。文章主要從氣流對(duì)表面換熱的影響、空氣循環(huán)式凍結(jié)設(shè)備流場(chǎng)規(guī)律、空氣循環(huán)式凍結(jié)設(shè)備流場(chǎng)優(yōu)化3個(gè)方面闡述氣流組織對(duì)空氣循環(huán)式速凍機(jī)性能的影響。

1 氣流對(duì)食品凍結(jié)的影響

氣流對(duì)食品凍結(jié)一直是食品速凍研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)對(duì)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(dǎo)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(shí)間，通過(guò)對(duì)漢堡包的沖擊式凍結(jié)驗(yàn)證了氣流垂直吹向鋼帶比平行吹向鋼帶的冷凍時(shí)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(huì)影響凍品的換熱效率[13]。研究[14]表明，通過(guò)更高的風(fēng)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(shí)間。Dominguez等[15]通過(guò)對(duì)饅頭速凍中流場(chǎng)內(nèi)低溫空氣的溫度和速度的研究，驗(yàn)證了食品的凍結(jié)速度與空氣冷卻器進(jìn)口風(fēng)速呈正比。Lawal等[16]在穩(wěn)定和不穩(wěn)定流動(dòng)以及來(lái)自射流沖擊恒定熱通量壁面的熱傳遞的數(shù)值研究中進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)較高的射流入口速度會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定流動(dòng)，但可以增強(qiáng)目標(biāo)板上的高傳熱效率。Erdogdu等[17]使用集總參數(shù)法來(lái)評(píng)估空氣噴嘴出口速度為14，28 m/s時(shí)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(guò)對(duì)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(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值后增加風(fēng)速對(duì)冷凍時(shí)間的影響逐漸減小；風(fēng)速與溫度的改變對(duì)相變階段的影響比對(duì)預(yù)冷和深冷階段大。因此，在空氣循環(huán)式速凍機(jī)中，凍品表面的風(fēng)速越大，凍品凍結(jié)速率越大。

李保國(guó)[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(shí)，旋轉(zhuǎn)改變迎風(fēng)面可以加快凍結(jié)速率。而凍結(jié)體積較小的食品時(shí)，單個(gè)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(shù)與流態(tài)化速凍技術(shù)結(jié)合，可設(shè)計(jì)出沖擊流態(tài)化速凍機(jī)[21]。

綜上所述，在凍結(jié)時(shí)改變迎風(fēng)面有利于凍結(jié)，增加風(fēng)速可以獲得更大的努塞爾特?cái)?shù)，加快降溫速率，增加凍品中心與表面溫差；當(dāng)風(fēng)速增大后，會(huì)降低設(shè)備內(nèi)部平均溫度，增加凍品干耗，因此溫度、風(fēng)速與食品干耗間可能存在合理配比的關(guān)系。

2 對(duì)空氣循環(huán)式凍結(jié)設(shè)備流場(chǎng)規(guī)律的研究

(1)

式中：

α——實(shí)際速凍機(jī)中的對(duì)流換熱系數(shù)；

θα——凍結(jié)區(qū)冷空氣的平均溫度。

通過(guò)試驗(yàn)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(fēng)方式、風(fēng)向及凍結(jié)區(qū)風(fēng)速等因素的影響，與凍品尺寸無(wú)關(guān)。

在速凍機(jī)中，不同的氣流方向?qū)魉蛶系膬銎防鋬鲞^(guò)程有著巨大的影響。賴威娜[23]在設(shè)計(jì)螺旋式液氮速凍機(jī)時(shí)，模擬了不同的送風(fēng)方式，發(fā)現(xiàn)垂直流動(dòng)的方式氣流在經(jīng)凍品后會(huì)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致預(yù)冷段風(fēng)速不足，造成預(yù)冷效果較差；氣流從轉(zhuǎn)鼓中垂直流至預(yù)冷段后橫掠過(guò)凍品的方式與頂部側(cè)送橫掠的送風(fēng)方式，均能保證較低的平均溫度與較高的風(fēng)速，且后者風(fēng)速比前者略大。牛新朝[24]研究-60 ℃低溫速凍柜內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)送風(fēng)口采用上下布置，回風(fēng)口處于送風(fēng)口中間時(shí)，流場(chǎng)的均勻性最佳。因此，在設(shè)計(jì)速凍機(jī)時(shí)，合理設(shè)計(jì)進(jìn)出風(fēng)口位置對(duì)流場(chǎng)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(jī)時(shí)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)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(huì)被吹離板帶。祁艷會(huì)[26]通過(guò)對(duì)雙螺旋速凍機(jī)的模擬研究發(fā)現(xiàn)，增大風(fēng)速有助于減小低風(fēng)速區(qū)域、增加低溫區(qū)域，改善流場(chǎng)的均勻性，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到某一值后，繼續(xù)增大風(fēng)速，設(shè)備內(nèi)低風(fēng)速區(qū)域并未減少，考慮到運(yùn)行費(fèi)用與節(jié)能，風(fēng)速應(yīng)有一個(gè)極限值。

目前，研究導(dǎo)流板可改善流場(chǎng)的均勻性，但仍存在以下問(wèn)題：① 溫度對(duì)流體黏度的影響，Lacerda等[27]研究發(fā)現(xiàn)，降低溫度會(huì)增加空氣密度和降低空氣動(dòng)力黏度，導(dǎo)致局部雷諾數(shù)增加；② 轉(zhuǎn)角處流場(chǎng)有待改善，如張珍等[28]對(duì)沖擊式速凍機(jī)靜壓箱內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)箱體內(nèi)氣流均勻分布時(shí)，流體經(jīng)過(guò)拐角時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度漩渦，導(dǎo)致局部呈現(xiàn)紊亂，氣流均勻性變差，使下方孔板的出口風(fēng)速小于上方孔板的；③ 氣流從下往上垂直流經(jīng)網(wǎng)帶時(shí)會(huì)發(fā)生繞流現(xiàn)象，由于網(wǎng)帶的有效面積較小，對(duì)平均流速影響較小，當(dāng)經(jīng)網(wǎng)帶后速度變化較大時(shí)，上方凍品的凍結(jié)速率會(huì)受影響[29]。

綜上所述，對(duì)于鼓風(fēng)式速凍機(jī)，氣流組織效率受設(shè)備自身結(jié)構(gòu)的影響，與凍品大小形狀無(wú)關(guān)，適當(dāng)增加風(fēng)速可減少低風(fēng)速區(qū)域，而達(dá)到一定的風(fēng)速后繼續(xù)增加風(fēng)速無(wú)助于減少低速區(qū)域。出風(fēng)口與回風(fēng)口的布置會(huì)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生重要影響，應(yīng)盡量避免氣流自下而上經(jīng)過(guò)網(wǎng)帶導(dǎo)致凍品處氣流速度降低，避免流場(chǎng)中出現(xiàn)直角而形成渦流。

3 空氣循環(huán)式凍結(jié)設(shè)備流場(chǎng)優(yōu)化研究

3.1 從引導(dǎo)流體的角度

前期研究[30]發(fā)現(xiàn)，增加風(fēng)速可縮短凍結(jié)時(shí)間，而風(fēng)機(jī)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(guò)增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)單地增加空氣流量會(huì)形成大的不穩(wěn)定渦流，導(dǎo)致風(fēng)扇入口處速度受到負(fù)作用，使傳熱效率降低。在冷凍室頂部和側(cè)面上設(shè)置擋板、在風(fēng)機(jī)入口設(shè)置錐形口和擴(kuò)散器、在角落上設(shè)置進(jìn)氣口和排氣葉片、使用可變頻風(fēng)扇，可顯著減少進(jìn)入風(fēng)扇的氣流所形成的湍流。在此基礎(chǔ)上，李堃[32]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將導(dǎo)流罩直角進(jìn)口改為弧形進(jìn)口可使風(fēng)量提升20%以上，當(dāng)進(jìn)口處導(dǎo)流罩圓弧半徑與軸流風(fēng)機(jī)半徑比值>1/5時(shí)，風(fēng)量不再發(fā)生改變；導(dǎo)流罩出口外接圓弧式管路導(dǎo)流可使風(fēng)量獲得提升，當(dāng)出口處導(dǎo)流罩圓弧半徑與軸流風(fēng)機(jī)半徑比值>1/3時(shí)，風(fēng)量不再發(fā)生改變。

在不增加風(fēng)機(jī)功率的情況下，增加導(dǎo)流板可增強(qiáng)空氣的流動(dòng)[33-34]，并減少氣流在經(jīng)鈍體后的繞流[35-36]。通過(guò)在彎道處設(shè)置導(dǎo)流板將風(fēng)道隔開(kāi)，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(fēng)道出口處的流速與均勻性；導(dǎo)流板數(shù)量越多，效果越好，改變導(dǎo)流板間的相對(duì)位置及曲率半徑，對(duì)風(fēng)道內(nèi)的流場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生影響[37]。在螺旋式速凍機(jī)中將出流和回流隔開(kāi)(見(jiàn)圖1)，可使冷凍區(qū)的部分空氣流速增加50%，再增加導(dǎo)流板，可使冷凍區(qū)平均風(fēng)速提高2.5～2.7倍；相應(yīng)地，凍結(jié)時(shí)間縮短至78%～85%，能效和生產(chǎn)率提高了18%～28%[22]。但同時(shí)采用多種導(dǎo)流方式，產(chǎn)生的邊際效益會(huì)逐漸減小，因此在增加導(dǎo)流設(shè)備時(shí)還應(yīng)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(chǎng)[29]

3.2 從隔斷速凍設(shè)備內(nèi)外流體的角度

除了優(yōu)化速凍機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，還可以通過(guò)降低速凍機(jī)的冷負(fù)荷來(lái)達(dá)到降低能耗的目的。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，速凍設(shè)備的進(jìn)出料口始終處于敞開(kāi)狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)外的冷空氣在開(kāi)口處進(jìn)行熱質(zhì)交換[39]，造成設(shè)備內(nèi)的冷空氣溢出，周?chē)ぷ鳝h(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(fù)荷增加，且濕度較大的熱空氣進(jìn)入設(shè)備后容易造成蒸發(fā)器結(jié)霜，使換熱效率變差。開(kāi)口處的熱質(zhì)交換主要由溫度梯度引起的熱壓壓差、風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流流動(dòng)形成的風(fēng)壓、傳送帶與食品運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)氣流形成的風(fēng)壓3部分構(gòu)成[40]。尹從緒[41]通過(guò)能量平衡方程分析速凍機(jī)內(nèi)部溫度與料口跑冷的關(guān)系；毛力等[42]通過(guò)使用NH4Cl白色煙霧對(duì)單螺旋速凍機(jī)進(jìn)行料口跑冷的可視化試驗(yàn)，驗(yàn)證了熱壓在熱質(zhì)交換中起主導(dǎo)作用，冷空氣從下部進(jìn)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(jì)算，雙料口處于不同高度情況下，料口形成的冷負(fù)荷約占總制冷量的20%，超過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量。呂靜等[44]在進(jìn)、出料口增加隔板形成兩個(gè)通道(圖2)，使熱壓與風(fēng)壓進(jìn)行抵消可以讓進(jìn)、出料口的風(fēng)速減小為原來(lái)的1/3，根據(jù)冷量的損失與料口風(fēng)速呈正比可以大致推算出，改進(jìn)后的冷量損失僅為原先的1/3，并運(yùn)用Phoenics軟件對(duì)速凍機(jī)進(jìn)行模擬，得出在進(jìn)、出料口附近各放一個(gè)隔流板為最佳布置方法，且找出了最佳的放置距離。

通過(guò)模擬[45]發(fā)現(xiàn)，在凍結(jié)區(qū)與料口之間加設(shè)遮流板還可以有效減小料口處的進(jìn)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(dǎo)致的冷風(fēng)流出是跑冷的最直接原因，而內(nèi)外壓差形成的進(jìn)風(fēng)是被動(dòng)的，因此對(duì)出風(fēng)料口進(jìn)行遮流處理效果優(yōu)于對(duì)進(jìn)風(fēng)料口的處理。陸蓓蕾等[46]通過(guò)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(shù)平均值的比值)來(lái)評(píng)價(jià)氣流組織的均勻性，并通過(guò)ku、kt來(lái)判斷遮流板的最佳位置。

1. 圍護(hù)結(jié)構(gòu) 2. 金屬密閉通道隔板 3. 進(jìn)料口 4. 準(zhǔn)料口5. 出料口

綜上所述，在設(shè)計(jì)速凍裝置時(shí)，可以通過(guò)在風(fēng)機(jī)的入口與出口增加錐形口，在直角處增加弧形板等措施來(lái)消除渦流，增加流場(chǎng)的均勻程度，提高平均流速；也可以在流場(chǎng)中增加導(dǎo)流板，在未增加風(fēng)機(jī)功率的前提下使凍結(jié)區(qū)域流速增加；此外，還可以通過(guò)增加擋板減少機(jī)器內(nèi)外的空氣交換，降低設(shè)備的冷負(fù)荷，但目前的研究還不能對(duì)擋板設(shè)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(shí)間是衡量速凍設(shè)備的重要標(biāo)準(zhǔn)，為了縮短凍結(jié)時(shí)間就需提高換熱效率，需提供更低的溫度與更大的風(fēng)速。僅增加風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致氣流的不均勻度增加，通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)的位置改變整體流場(chǎng)的走向可以使流場(chǎng)更均勻。為了獲得更大的風(fēng)速僅增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)起到相反的作用，使風(fēng)機(jī)效率降低；增加導(dǎo)流板分割氣流并消除渦流、風(fēng)機(jī)安裝錐形入口等方式均可在不增加能耗甚至減小風(fēng)機(jī)功耗的情況下達(dá)到改善流場(chǎng)的效果。在實(shí)際生產(chǎn)中料口跑冷是設(shè)備冷負(fù)荷的一個(gè)重要原因，通過(guò)增加擋板降低料口風(fēng)速可以有效地減少冷量流失。

后續(xù)速凍機(jī)流場(chǎng)的優(yōu)化研究可進(jìn)一步關(guān)注：對(duì)于預(yù)冷段氣流溫度與速度的優(yōu)化；氣流經(jīng)過(guò)凍品形成的擾流與凍品尺寸的關(guān)系，錄求更合理的凍品擺放間隔；導(dǎo)流板形狀與弧度改變后對(duì)氣流速度的影響；通過(guò)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(jī)的跑冷情況。中國(guó)的速凍設(shè)備雖然發(fā)展很快，但與世界先進(jìn)水平相比依然有較大的差距，如中國(guó)產(chǎn)速凍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、凍品損耗大等，仍需進(jìn)一步改進(jìn)和提升，同時(shí)考慮效果與實(shí)際生產(chǎn)的成本和可行性。