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

　　關(guān)鍵詞：速凍設(shè)備，性能優(yōu)化，展望，節(jié)能

　　快速凍結(jié)是重要的食品保鮮技術(shù)之一，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，符合當(dāng)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(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗图彼倮鋬?，于?8～－20℃的低溫條件下送達消費點的低溫產(chǎn)品。

　　隨著速凍食品需求量的日益增多，研究影響其品質(zhì)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(jié)后的品質(zhì)、貨架期等，結(jié)果表明速凍食品的質(zhì)量取決于凍結(jié)速率，凍結(jié)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(jié)速率會影響食品品質(zhì)。Alhamdan等分別采用液氮超低溫凍結(jié)、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(jié)的食品在相同儲存期內(nèi)品質(zhì)最好，即凍結(jié)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(nèi)部組織細胞的傷害小，而凍結(jié)速率的快慢很大程度上依賴于凍結(jié)設(shè)備的性能。因此，設(shè)備性能好壞會直接影響冷凍食品的品質(zhì)，而且速凍設(shè)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(shè)備的研發(fā)、設(shè)計和優(yōu)化至關(guān)重要。本文主要根據(jù)目前國內(nèi)速凍設(shè)備的現(xiàn)狀，分別從能耗、氣流分布和凍結(jié)時間三個方面，綜述了影響速凍設(shè)備性能的因素。
 

　　1 速凍設(shè)備的現(xiàn)狀
 

　　1.1 速凍設(shè)備研究的背景

　　20世紀20年代，速凍設(shè)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(biāo)志，迄今為止，美、日、西歐等發(fā)達國家速凍設(shè)備的種類已達20余種，且設(shè)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(shè)備產(chǎn)業(yè)起步相對較晚。1973年我國食品廠首次引進日本的速凍設(shè)備進行速凍食品的生產(chǎn)加工。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(shè)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(shè)備。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(shè)備規(guī)模最大的市場，占全球的39%，速凍設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊。目前我國研發(fā)的速凍設(shè)備與國外同類設(shè)備在性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、清潔便捷程度（如凍結(jié)區(qū)內(nèi)設(shè)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(nèi)，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(shè)備的分類

　　速凍設(shè)備依據(jù)不同角度有不同的分類，例如: 按凍結(jié)速度分為快速凍結(jié)（5～20cm/h）、中速凍結(jié)（1～5cm/h）和慢速凍結(jié)（0.1～1cm/h）設(shè)備，三種凍結(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；按冷卻介質(zhì)分4類，即空氣循環(huán)式凍結(jié)、噴淋式凍結(jié)、接觸式凍結(jié)和浸漬式凍結(jié)；空氣凍結(jié)方式中應(yīng)用較廣的是隧道式、螺旋式和流態(tài)化式凍結(jié)裝置。

　　速凍設(shè)備的種類較多，但不同的速凍設(shè)備優(yōu)缺點各異，而速凍設(shè)備的性能直接影響速凍食品的品質(zhì)，因此合理選擇設(shè)備對保證食品的品質(zhì)至關(guān)重要。魯珺等分別采用液氮速凍、平板速凍和冷柜凍結(jié)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(jié)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(jié)方法中液氮凍結(jié)最能有效地保持銀鯧魚的品質(zhì)。Boonsumrej等分別采用鼓風(fēng)和超低溫兩種凍結(jié)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(jié)，虎蝦解凍后損失較少，品質(zhì)良好。

　　綜上可知，不同的速凍設(shè)備對同一食品進行凍結(jié)、解凍后的品質(zhì)會不同，因此應(yīng)該依據(jù)被凍食品的特點和要求合理地選擇速凍設(shè)備。在這幾種常用的凍結(jié)方法中，直接接觸式、流化床式凍結(jié)設(shè)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(jié)設(shè)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(shè)備，尤其是隧道式和螺旋式速凍設(shè)備。
 

　　2 速凍設(shè)備的性能優(yōu)化

　　2.1 影響速凍設(shè)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(shè)備主要應(yīng)用于冷凍水產(chǎn)品、肉禽類和果蔬食品領(lǐng)域，而速凍設(shè)備的運行能耗比其它類型同容積的凍結(jié)設(shè)備高，因此速凍設(shè)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(shè)備能耗的因素。

　　2.1.1 壓縮機的選型 壓縮機是速凍設(shè)備動力的來源也是耗能最大的部件，因此其設(shè)計選型對系統(tǒng)能耗至關(guān)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(qū)動裝置對隧道式速凍設(shè)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(qū)動裝置能提高系統(tǒng)能效且便于調(diào)節(jié)容量。湯青等在蒸發(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。張金翠等在相同的運行工況下（蒸發(fā)溫度-40～-60℃）對比了自動復(fù)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(fù)疊式系統(tǒng)具有凍結(jié)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(fā)現(xiàn)單機雙極變頻螺桿機組最適合應(yīng)用于大型低溫速凍設(shè)備。張建一等通過實驗現(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(jié)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(nèi)，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(shè)備的制冷效果和能耗高低，因此蒸發(fā)器傳熱傳質(zhì)的研究對系統(tǒng)的優(yōu)化至關(guān)重要。張玲等研究了速凍設(shè)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(jié)霜帶來的能量損失。鄭傳祥等的研究表明不結(jié)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。杜宇等研究了重力供液和直接膨脹供液對速凍設(shè)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(guān)重要。今后可以著重研究蒸發(fā)器管道的設(shè)計和布置等，設(shè)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(fēng)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。張亮等研究流場均衡性對隧道式速凍機能耗的影響，研究結(jié)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。孫勇等分析了吹風(fēng)式速凍裝置料口跑冷的機理，提出了料口高度對裝置內(nèi)部冷空氣泄露速度的影響遠大于寬度; 若同側(cè)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(shè)備在運行工況下設(shè)備的選型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及流場的特性均對速凍設(shè)備能耗有影響，因此在今后的研究和設(shè)計速凍設(shè)備時需綜合考慮這三個因素，尋求最佳的設(shè)計方案。
 

　　2.2 內(nèi)部流場的研究

　　在研發(fā)速凍機時，速凍裝置內(nèi)部的流場不僅影響速凍設(shè)備的傳熱性能，而且對被凍食品的品質(zhì)和干耗有影響，因而研究速凍設(shè)備內(nèi)部流場至關(guān)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(shè)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(nèi)部流場對提高速凍機性能、改進速凍設(shè)備至關(guān)重要。張珍等研究了上下沖擊式速凍設(shè)備內(nèi)靜壓箱流場分布，建立物理數(shù)學(xué)模型，模擬靜壓箱內(nèi)速度場和壓力場，發(fā)現(xiàn)在均風(fēng)板和隔板間增設(shè)導(dǎo)流板后，提高了流場內(nèi)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(shè)備出口風(fēng)道對風(fēng)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(shè)備合適的位置增設(shè)導(dǎo)流板會提高流場均勻性，進而從性能、設(shè)計上優(yōu)化速凍設(shè)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(shè)備內(nèi)部的流場，分析風(fēng)速大小和柵格的加入對速凍設(shè)備內(nèi)流場的影響，研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)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(shè)備內(nèi)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(yīng)的通道高度、進口風(fēng)速，為以后板式速凍機的研發(fā)設(shè)計提供了依據(jù)。張珍等運用CFD模擬技術(shù)模擬了上下均風(fēng)孔板的速凍裝置中流場及溫度場，對比了凍結(jié)區(qū)內(nèi)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(yīng)力集中，對孔板和隔板之間的區(qū)域起到保護作用。牛新朝用CFD模擬了-60℃低溫速凍柜內(nèi)流場及溫度場，發(fā)現(xiàn)送風(fēng)口與回風(fēng)口的布置方式對速凍柜內(nèi)流場分布有影響，并最終得出送風(fēng)口采用上下布置，且回風(fēng)口位于送風(fēng)口中間時，流場均勻性最佳。

　　由上述可知，針對不同的凍結(jié)設(shè)備其內(nèi)部流場的影響因素不同，CFD模擬技術(shù)可以相對準(zhǔn)確地模擬整個速凍設(shè)備內(nèi)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(diào)整設(shè)計參數(shù)可以有效地改進速凍設(shè)備的設(shè)計，以及發(fā)現(xiàn)設(shè)備在設(shè)計和使用中存在的不足，表明數(shù)值模擬技術(shù)對于設(shè)計和優(yōu)化速凍設(shè)備可提供有效的參考。
 

　　2.3 凍結(jié)時間的研究

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

　　2.3.1 影響食品凍結(jié)時間的因素 食品凍結(jié)時間是被凍結(jié)食品從初始狀態(tài)凍結(jié)至所需溫度所用的時間。凍結(jié)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(jié)過程中食品物性具有時變性，食品結(jié)構(gòu)存在復(fù)雜性，因此準(zhǔn)確計算凍結(jié)時間比較困難?？梢砸罁?jù)不同食品的特點，相對準(zhǔn)確地預(yù)測食品凍結(jié)時間，從而合理匹配速凍設(shè)備，進而合理地控制速凍裝置的運行，使設(shè)備高效運行的同時保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗。

　　2.3.2 食品凍結(jié)時間的計算 基于食品凍結(jié)時間預(yù)測的復(fù)雜性，計算凍結(jié)時間的方法各不相同。Pham等通過對比分析計算凍結(jié)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(jié)時間計算的準(zhǔn)確程度，研究表明對該類食品凍結(jié)時間預(yù)測最為準(zhǔn)確的模型是P1。李杰等分析總結(jié)了預(yù)測食品凍結(jié)時間的三種方法，得出簡單公式法易掌握但準(zhǔn)確度低，數(shù)值模擬法成本低且值得推廣，在模擬形狀復(fù)雜的食品和同時存在傳熱傳質(zhì)的凍結(jié)過程中具有優(yōu)勢，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上的補充完善。Min等食品凍結(jié)時間的經(jīng)驗公式出發(fā)，開發(fā)了凍結(jié)時間的計算程序，考慮了食品厚度、冷卻介質(zhì)溫度和吹風(fēng)速度對隧道式速凍設(shè)備凍結(jié)時間的影響，計算結(jié)果準(zhǔn)確快速，得出根據(jù)凍結(jié)時間選擇速凍設(shè)備的運行工況，使系統(tǒng)更節(jié)能。

　　綜上可知，計算食品凍結(jié)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(jié)果的準(zhǔn)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(jié)時間計算的優(yōu)化國內(nèi)外關(guān)于凍結(jié)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等采用CFD模擬鼓風(fēng)方式中三種容積不同番石榴果肉的凍結(jié)時間，研究結(jié)果表明利用模擬法和實驗法獲得的凍結(jié)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等對比了有無電磁加熱處理對大蒜凍結(jié)時間的影響，研究結(jié)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(shè)硅樹脂作為冷卻劑的預(yù)冷裝置，發(fā)現(xiàn)增設(shè)預(yù)冷裝置后，食品凍結(jié)時間大大縮短。李杰等利用CFD模擬軟件研究了蝦仁在鼓風(fēng)凍結(jié)裝置中的凍結(jié)時間，得出吹風(fēng)速度、方向、大小以及送風(fēng)溫度均影響蝦仁凍結(jié)時間，且隨送風(fēng)溫度降低凍結(jié)時間減少的趨勢會變緩。Gon~i等結(jié)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(shù)支持。Santos等基于焓和基爾霍夫結(jié)合的傳熱方程，用MATLAB6.5軟件對蘑菇凍結(jié)時間進行模擬，模擬得出凍結(jié)時間溫度曲線與實驗結(jié)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(jié)過程進行模擬，模擬結(jié)果與實驗結(jié)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(jié)時間的研究較多，但模型的建立、網(wǎng)格的劃分和計算機內(nèi)存的有限在很大程度上限制了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前有關(guān)食品凍結(jié)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(jié)時間模擬結(jié)果的影響較大。進行不同速凍設(shè)備中食品凍結(jié)時間的計算時，應(yīng)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(guān)設(shè)備運行參數(shù)進行食品凍結(jié)時間的計算。
 

　　3 未來速凍設(shè)備發(fā)展的展望

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