速冻设备流场优化研究进展

朱一帆 谢 晶,3,4

(1. 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306；2. 上海冷链装备性能与节能评价 专业技术服务平台，上海 201306；3. 上海海洋大学食品科学与工程国家级实验教学示范中心， 上海 201306；4. 上海海洋大学食品学院，上海 201306)

随着生活水平的提高，人们对食品品质的追求也越来越高。速冻是保存新鲜食品的重要技术之一[1]，能最大程度地保留食品的风味与营养，并有利于延长贮藏期。影响速冻食品品质的因素较多，如原料质量、前处理工艺、冻结速率等[2-4]，各因素间互相关联，而冻结速率是决定性因素[5-6]。

冻结设备按冻结速率可分为慢速冻结(0.1～1.0 cm/h)、中速冻结(1～5 cm/h)和快速冻结(5～20 cm/h)，不同冻结速度使食品冻结后内部冰晶大小、形状和分布均有差异[7-9]，极大地影响了冻结食品的品质[10]。速冻设备按冷却介质还可分为空气循环式冻结、喷淋式冻结、接触式冻结和浸渍式冻结[11]。目前，主要的空气循环式速冻机有隧道式速冻机、螺旋式速冻机和流态化式速冻机。文章主要从气流对表面换热的影响、空气循环式冻结设备流场规律、空气循环式冻结设备流场优化3个方面阐述气流组织对空气循环式速冻机性能的影响。

1 气流对食品冻结的影响

气流对食品冻结一直是食品速冻研究的热点。近年来对高速气流冲击冻品的研究逐渐增多，如Salvadori等[12]指出将高速空气射流引导至食物表面以破坏围绕产品的传热边界层，可有效地减少食品的冻结时间，通过对汉堡包的冲击式冻结验证了气流垂直吹向钢带比平行吹向钢带的冷冻时间更短，质量损失也更少；而气流冲击板带上冻品的角度也会影响冻品的换热效率[13]。研究[14]表明，通过更高的风速可增加冻品表面的传热系数，以减少食品的冻结或冷却时间。Dominguez等[15]通过对馒头速冻中流场内低温空气的温度和速度的研究，验证了食品的冻结速度与空气冷却器进口风速呈正比。Lawal等[16]在稳定和不稳定流动以及来自射流冲击恒定热通量壁面的热传递的数值研究中进行验证，发现较高的射流入口速度会导致不稳定流动，但可以增强目标板上的高传热效率。Erdogdu等[17]使用集总参数法来评估空气喷嘴出口速度为14，28 m/s时表面传热系数的空间变化，在停滞区域分别产生71.6，101.7 W/(m2·K)的传热系数最大值。岳占凯等[18]通过对马铃薯泥冻结研究，发现冻品受到的气流速度越大、温度越低，冻品中心与表面的温差越大，当风速达到一定值后增加风速对冷冻时间的影响逐渐减小；风速与温度的改变对相变阶段的影响比对预冷和深冷阶段大。因此，在空气循环式速冻机中，冻品表面的风速越大，冻品冻结速率越大。

李保国[19]研究证明了有各向异性的纤维质肉品的冻结速率受气流与纤维组织方向的影响，冷空气顺着纤维方向的冻结速率高于垂直于纤维方向的。Erdogdu等[20]发现冻品在冷冻时，旋转改变迎风面可以加快冻结速率。而冻结体积较小的食品时，单个颗粒食品冻结的速率约为堆积冻结的6倍，故采用流态化冻结可极大地提高冻结速率。将冲击式速冻技术与流态化速冻技术结合，可设计出冲击流态化速冻机[21]。

综上所述，在冻结时改变迎风面有利于冻结，增加风速可以获得更大的努塞尔特数，加快降温速率，增加冻品中心与表面温差；当风速增大后，会降低设备内部平均温度，增加冻品干耗，因此温度、风速与食品干耗间可能存在合理配比的关系。

2 对空气循环式冻结设备流场规律的研究

(1)

式中：

α——实际速冻机中的对流换热系数；

θα——冻结区冷空气的平均温度。

通过试验可知，气流组织效率主要受速冻装置内部结构、尺寸、送风方式、风向及冻结区风速等因素的影响，与冻品尺寸无关。

在速冻机中，不同的气流方向对传送带上的冻品冷冻过程有着巨大的影响。赖威娜[23]在设计螺旋式液氮速冻机时，模拟了不同的送风方式，发现垂直流动的方式气流在经冻品后会产生涡流，导致预冷段风速不足，造成预冷效果较差；气流从转鼓中垂直流至预冷段后横掠过冻品的方式与顶部侧送横掠的送风方式，均能保证较低的平均温度与较高的风速，且后者风速比前者略大。牛新朝[24]研究-60 ℃低温速冻柜内流场及温度场时，发现送风口采用上下布置，回风口处于送风口中间时，流场的均匀性最佳。因此，在设计速冻机时，合理设计进出风口位置对流场均匀性及提高气流组织效率有着重要影响。

徐斌等[25]研究板带式速冻机时发现，相同流量下，通道高度越小，通道内气流压力损失越大，不均匀性也越大；相同通道高度下，流速越大，通道内气流压力损失越大，不均匀性也越大，在实际生产过程中会造成食品在流速较小处换热较差，在气流流速最大处，食品可能会被吹离板带。祁艳会[26]通过对双螺旋速冻机的模拟研究发现，增大风速有助于减小低风速区域、增加低温区域，改善流场的均匀性，当风速达到某一值后，继续增大风速，设备内低风速区域并未减少，考虑到运行费用与节能，风速应有一个极限值。

目前，研究导流板可改善流场的均匀性，但仍存在以下问题：① 温度对流体黏度的影响，Lacerda等[27]研究发现，降低温度会增加空气密度和降低空气动力黏度，导致局部雷诺数增加；② 转角处流场有待改善，如张珍等[28]对冲击式速冻机静压箱内的流场进行模拟时发现，当箱体内气流均匀分布时，流体经过拐角时会产生不同程度漩涡，导致局部呈现紊乱，气流均匀性变差，使下方孔板的出口风速小于上方孔板的；③ 气流从下往上垂直流经网带时会发生绕流现象，由于网带的有效面积较小，对平均流速影响较小，当经网带后速度变化较大时，上方冻品的冻结速率会受影响[29]。

综上所述，对于鼓风式速冻机，气流组织效率受设备自身结构的影响，与冻品大小形状无关，适当增加风速可减少低风速区域，而达到一定的风速后继续增加风速无助于减少低速区域。出风口与回风口的布置会对内部流场产生重要影响，应尽量避免气流自下而上经过网带导致冻品处气流速度降低，避免流场中出现直角而形成涡流。

3 空气循环式冻结设备流场优化研究

3.1 从引导流体的角度

前期研究[30]发现，增加风速可缩短冻结时间，而风机功率与气体速率的3次方呈正比。但Odey[31]研究发现通过增加风扇转速简单地增加空气流量会形成大的不稳定涡流，导致风扇入口处速度受到负作用，使传热效率降低。在冷冻室顶部和侧面上设置挡板、在风机入口设置锥形口和扩散器、在角落上设置进气口和排气叶片、使用可变频风扇，可显著减少进入风扇的气流所形成的湍流。在此基础上，李堃[32]通过数值模拟对轴流风机进行优化改进，将导流罩直角进口改为弧形进口可使风量提升20%以上，当进口处导流罩圆弧半径与轴流风机半径比值>1/5时，风量不再发生改变；导流罩出口外接圆弧式管路导流可使风量获得提升，当出口处导流罩圆弧半径与轴流风机半径比值>1/3时，风量不再发生改变。

在不增加风机功率的情况下，增加导流板可增强空气的流动[33-34]，并减少气流在经钝体后的绕流[35-36]。通过在弯道处设置导流板将风道隔开，可有效控制流体在弯道处的离心现象与涡流的产生，改善风道出口处的流速与均匀性；导流板数量越多，效果越好，改变导流板间的相对位置及曲率半径，对风道内的流场也会产生影响[37]。在螺旋式速冻机中将出流和回流隔开(见图1)，可使冷冻区的部分空气流速增加50%，再增加导流板，可使冷冻区平均风速提高2.5～2.7倍；相应地，冻结时间缩短至78%～85%，能效和生产率提高了18%～28%[22]。但同时采用多种导流方式，产生的边际效益会逐渐减小，因此在增加导流设备时还应考虑制造成本与生产周期[38]。

图1 侧送侧回螺旋速冻装置流场[29]

3.2 从隔断速冻设备内外流体的角度

除了优化速冻机内部流场，还可以通过降低速冻机的冷负荷来达到降低能耗的目的。在实际生产过程中，速冻设备的进出料口始终处于敞开状态，导致设备内外的冷空气在开口处进行热质交换[39]，造成设备内的冷空气溢出，周围工作环境变差，影响工人的身体健康；外界热空气侵入内部，使系统冷负荷增加，且湿度较大的热空气进入设备后容易造成蒸发器结霜，使换热效率变差。开口处的热质交换主要由温度梯度引起的热压压差、风机产生的气流流动形成的风压、传送带与食品运动带动气流形成的风压3部分构成[40]。尹从绪[41]通过能量平衡方程分析速冻机内部温度与料口跑冷的关系；毛力等[42]通过使用NH4Cl白色烟雾对单螺旋速冻机进行料口跑冷的可视化试验，验证了热压在热质交换中起主导作用，冷空气从下部进料口流出，热空气在上部出料口流入。

黄建昌等[43]分析得出，在热压的作用下，装置内外温差越大，料口之间高度差越大，上部料口热空气侵入和下部料口冷空气外泄的速度越快。经初步计算，双料口处于不同高度情况下，料口形成的冷负荷约占总制冷量的20%，超过围护结构传热量。吕静等[44]在进、出料口增加隔板形成两个通道(图2)，使热压与风压进行抵消可以让进、出料口的风速减小为原来的1/3，根据冷量的损失与料口风速呈正比可以大致推算出，改进后的冷量损失仅为原先的1/3，并运用Phoenics软件对速冻机进行模拟，得出在进、出料口附近各放一个隔流板为最佳布置方法，且找出了最佳的放置距离。

通过模拟[45]发现，在冻结区与料口之间加设遮流板还可以有效减小料口处的进出气流速度，且遮流板后方区域的气流速度基本为零。由于热压压差导致的冷风流出是跑冷的最直接原因，而内外压差形成的进风是被动的，因此对出风料口进行遮流处理效果优于对进风料口的处理。陆蓓蕾等[46]通过定义不均匀系数ku(速度的方差和速度的算数平均值的比值)与温度不均匀系数kt(温度的方差和温度算术平均值的比值)来评价气流组织的均匀性，并通过ku、kt来判断遮流板的最佳位置。

1. 围护结构 2. 金属密闭通道隔板 3. 进料口 4. 准料口5. 出料口

综上所述，在设计速冻装置时，可以通过在风机的入口与出口增加锥形口，在直角处增加弧形板等措施来消除涡流，增加流场的均匀程度，提高平均流速；也可以在流场中增加导流板，在未增加风机功率的前提下使冻结区域流速增加；此外，还可以通过增加挡板减少机器内外的空气交换，降低设备的冷负荷，但目前的研究还不能对挡板设置的数量和位置给出明确的建议。

4 结论与展望

冻结时间是衡量速冻设备的重要标准，为了缩短冻结时间就需提高换热效率，需提供更低的温度与更大的风速。仅增加风速会导致气流的不均匀度增加，通过调整风机的位置改变整体流场的走向可以使流场更均匀。为了获得更大的风速仅增加风机转速会起到相反的作用，使风机效率降低；增加导流板分割气流并消除涡流、风机安装锥形入口等方式均可在不增加能耗甚至减小风机功耗的情况下达到改善流场的效果。在实际生产中料口跑冷是设备冷负荷的一个重要原因，通过增加挡板降低料口风速可以有效地减少冷量流失。

后续速冻机流场的优化研究可进一步关注：对于预冷段气流温度与速度的优化；气流经过冻品形成的扰流与冻品尺寸的关系，录求更合理的冻品摆放间隔；导流板形状与弧度改变后对气流速度的影响；通过隔板将出流与回流分割，以减小不同方向气流间的干扰；减少速冻机的跑冷情况。中国的速冻设备虽然发展很快，但与世界先进水平相比依然有较大的差距，如中国产速冻装置结构复杂、效率低、冻品损耗大等，仍需进一步改进和提升，同时考虑效果与实际生产的成本和可行性。