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(yíng)養(yǎng)，并利于儲(chǔ)存、延長(zhǎng)貨架期且不需要添加任何防腐劑，符合當(dāng)今人們對(duì)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(lèi)之一。速凍食品是采用新鮮的原料，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗图彼倮鋬?，?18～-20℃的低溫條件下送達(dá)消費(fèi)點(diǎn)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(xiàn)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(shí)了凍結(jié)速率會(huì)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(chǔ)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(zhǎng)速度，這時(shí)晶體的體積小、數(shù)量多、分布均勻，對(duì)食品內(nèi)部組織細(xì)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(huì)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(duì)速凍設(shè)備的研發(fā)、設(shè)計(jì)和優(yōu)化至關(guān)重要。本文主要根據(jù)目前國(guó)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(shí)間三個(gè)方面，綜述了影響速凍設(shè)備性能的因素。

速凍設(shè)備依據(jù)不同角度有不同的分類(lèi)，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(lèi)，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(lèi)較多，但不同的速凍設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)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(duì)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(yú)，并在相同的貯藏條件下儲(chǔ)存一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)使用液氮凍結(jié)時(shí)銀鯧魚(yú)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(yú)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(duì)虎蝦進(jìn)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(duì)同一食品進(jìn)行凍結(jié)、解凍后的品質(zhì)會(huì)不同，因此應(yīng)該依據(jù)被凍食品的特點(diǎn)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(duì)食品的形狀有要求; 出于運(yùn)行經(jīng)濟(jì)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。

壓縮機(jī)的選型 壓縮機(jī)是速凍設(shè)備動(dòng)力的來(lái)源也是耗能最大的部件，因此其設(shè)計(jì)選型對(duì)系統(tǒng)能耗至關(guān)重要。Widell等利用MATLAB軟件對(duì)比分析了壓縮機(jī)電機(jī)上是否安裝變速驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)隧道式速凍設(shè)備系統(tǒng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)在壓縮機(jī)電機(jī)上安裝變速驅(qū)動(dòng)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(duì)比分析了使用單級(jí)壓縮、單機(jī)雙極壓縮和單機(jī)單、雙極切換壓縮對(duì)制冷系統(tǒng)的COP的影響，發(fā)現(xiàn)單機(jī)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(yùn)行工況下(蒸發(fā)溫度-40～-60℃)對(duì)比了自動(dòng)復(fù)疊和單機(jī)雙級(jí)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(diǎn)。王衍智等在相同工況下對(duì)比幾種不同的制冷機(jī)組，發(fā)現(xiàn)單機(jī)雙極變頻螺桿機(jī)組最適合應(yīng)用于大型低溫速凍設(shè)備。張建一等通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)與冷凝壓力存在最佳匹配，在最匹配時(shí)制冷效率高。綜上可知，在不同的運(yùn)行工況，速凍裝置壓縮機(jī)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(jī)。

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(duì)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(duì)比了在有霜運(yùn)行時(shí)，等節(jié)距和變節(jié)距翅片對(duì)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(lái)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(huì)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(duì)比分析了平板速凍機(jī)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(duì)速凍設(shè)備蒸發(fā)器運(yùn)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(wú)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(duì)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(jì)和布置等，設(shè)計(jì)更有利于換熱的盤(pán)管或采用高效板式換熱器，進(jìn)而提高蒸發(fā)器的傳熱效率，達(dá)到減少蒸發(fā)器尺寸、提高蒸發(fā)溫度、提高制冷系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)型的目的。

2.1.3 其他影響因素 黃仲興研究提高速凍冷庫(kù)制冷效率的途徑時(shí)，發(fā)現(xiàn)選用較大蒸發(fā)面積的冷風(fēng)機(jī)，以及使用水冷機(jī)組時(shí)偏大選用冷卻塔的規(guī)格，能顯著提高制冷機(jī)組的制冷量。張亮等研究流場(chǎng)均衡性對(duì)隧道式速凍機(jī)能耗的影響，研究結(jié)果表明流場(chǎng)分布越均勻，換氣速率越小，單凍機(jī)耗冷量越小，可以實(shí)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(jī)理，提出了料口高度對(duì)裝置內(nèi)部冷空氣泄露速度的影響遠(yuǎn)大于寬度; 若同側(cè)雙料口，要進(jìn)行隔斷，且盡量處于同一高度的改進(jìn)方案。

綜上可知，速凍設(shè)備在運(yùn)行工況下設(shè)備的選型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及流場(chǎng)的特性均對(duì)速凍設(shè)備能耗有影響，因此在今后的研究和設(shè)計(jì)速凍設(shè)備時(shí)需綜合考慮這三個(gè)因素，尋求最佳的設(shè)計(jì)方案。

在研發(fā)速凍機(jī)時(shí)，速凍裝置內(nèi)部的流場(chǎng)不僅影響速凍設(shè)備的傳熱性能，而且對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(jī)內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)提高速凍機(jī)性能、改進(jìn)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(chǎng)分布，建立物理數(shù)學(xué)模型，模擬靜壓箱內(nèi)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，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(chǎng)內(nèi)氣流組織的均勻性，使壓力場(chǎng)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(duì)比了擴(kuò)口形和等徑形的液氮噴霧式速凍設(shè)備出口風(fēng)道對(duì)風(fēng)速場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)等徑形的速度場(chǎng)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(huì)提高流場(chǎng)均勻性，進(jìn)而從性能、設(shè)計(jì)上優(yōu)化速凍設(shè)備。段雪濤等對(duì)板帶式速凍機(jī)建立二維模型，利用PHOENICS軟件模擬速凍設(shè)備內(nèi)部的流場(chǎng)，分析風(fēng)速大小和柵格的加入對(duì)速凍設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)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(chǎng)、溫度場(chǎng)的均勻性都有所提高。徐斌等又進(jìn)一步模擬闡述了板帶式速凍機(jī)不同的流動(dòng)通道高度、進(jìn)口空氣流速和進(jìn)口夾角對(duì)流場(chǎng)的影響，得出最佳氣流分布所對(duì)應(yīng)的通道高度、進(jìn)口風(fēng)速，為以后板式速凍機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。張珍等運(yùn)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(chǎng)及溫度場(chǎng)，對(duì)比了凍結(jié)區(qū)內(nèi)孔板不同開(kāi)口率下的壓力分布情況，得出孔板開(kāi)孔率5%時(shí)，壓力分布較為均勻，減少應(yīng)力集中，對(duì)孔板和隔板之間的區(qū)域起到保護(hù)作用。牛新朝用CFD模擬了-60℃低溫速凍柜內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)送風(fēng)口與回風(fēng)口的布置方式對(duì)速凍柜內(nèi)流場(chǎng)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(shí)，流場(chǎng)均勻性最佳。

由上述可知，針對(duì)不同的凍結(jié)設(shè)備其內(nèi)部流場(chǎng)的影響因素不同，CFD模擬技術(shù)可以相對(duì)準(zhǔn)確地模擬整個(gè)速凍設(shè)備內(nèi)部的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，直觀地分析出流場(chǎng)的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)可以有效地改進(jìn)速凍設(shè)備的設(shè)計(jì)，以及發(fā)現(xiàn)設(shè)備在設(shè)計(jì)和使用中存在的不足，表明數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)和優(yōu)化速凍設(shè)備可提供有效的參考。

食品凍結(jié)過(guò)程所消耗的能量占總能耗比重最大，凍結(jié)時(shí)間也直接影響生產(chǎn)商的運(yùn)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。

影響食品凍結(jié)時(shí)間的因素 食品凍結(jié)時(shí)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(shí)間。凍結(jié)時(shí)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(guò)程中食品物性具有時(shí)變性，食品結(jié)構(gòu)存在復(fù)雜性，因此準(zhǔn)確計(jì)算凍結(jié)時(shí)間比較困難?？梢砸罁?jù)不同食品的特點(diǎn)，相對(duì)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)食品凍結(jié)時(shí)間，從而合理匹配速凍設(shè)備，進(jìn)而合理地控制速凍裝置的運(yùn)行，使設(shè)備高效運(yùn)行的同時(shí)保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗。

食品凍結(jié)時(shí)間的計(jì)算 基于食品凍結(jié)時(shí)間預(yù)測(cè)的復(fù)雜性，計(jì)算凍結(jié)時(shí)間的方法各不相同。Pham等通過(guò)對(duì)比分析計(jì)算凍結(jié)時(shí)間的四個(gè)經(jīng)典模型：CE、P1、P2、SM，研究低水分、低冰點(diǎn)的食品在凍結(jié)時(shí)間計(jì)算的準(zhǔn)確程度，研究表明對(duì)該類(lèi)食品凍結(jié)時(shí)間預(yù)測(cè)最為準(zhǔn)確的模型是P1。李杰等分析總結(jié)了預(yù)測(cè)食品凍結(jié)時(shí)間的三種方法，得出簡(jiǎn)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(shí)存在傳熱傳質(zhì)的凍結(jié)過(guò)程中具有優(yōu)勢(shì)，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上的補(bǔ)充完善。Min等食品凍結(jié)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式出發(fā)，開(kāi)發(fā)了凍結(jié)時(shí)間的計(jì)算程序，考慮了食品厚度、冷卻介質(zhì)溫度和吹風(fēng)速度對(duì)隧道式速凍設(shè)備凍結(jié)時(shí)間的影響，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確快速，得出根據(jù)凍結(jié)時(shí)間選擇速凍設(shè)備的運(yùn)行工況，使系統(tǒng)更節(jié)能。

綜上可知，計(jì)算食品凍結(jié)時(shí)間的方法較多，但對(duì)具有不同熱物性、不同形狀的食品，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度存在差異，因而開(kāi)發(fā)新的、適用性廣的計(jì)算模型是研究的熱點(diǎn)之一。

食品凍結(jié)時(shí)間計(jì)算的優(yōu)化國(guó)內(nèi)外關(guān)于凍結(jié)時(shí)間的研究頗多，一般是交叉使用模擬法、實(shí)驗(yàn)法和經(jīng)驗(yàn)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(shí)間，研究結(jié)果表明利用模擬法和實(shí)驗(yàn)法獲得的凍結(jié)時(shí)間趨勢(shì)一致但存在誤差，可能是網(wǎng)格劃分不合理造成的。Kim等對(duì)比了有無(wú)電磁加熱處理對(duì)大蒜凍結(jié)時(shí)間的影響，研究結(jié)果表明采用電磁熱處理后通過(guò)最大冰晶帶的時(shí)間縮短，且保持較好的硬度、新鮮度。Kim等通過(guò)對(duì)液氮噴淋速凍裝置增設(shè)硅樹(shù)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(shí)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(shí)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(shí)間，且隨送風(fēng)溫度降低凍結(jié)時(shí)間減少的趨勢(shì)會(huì)變緩。Gon~i等結(jié)合核磁共振成像的圖像處理和放樣對(duì)食品進(jìn)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(duì)蘑菇凍結(jié)時(shí)間進(jìn)行模擬，模擬得出凍結(jié)時(shí)間溫度曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，最大的絕對(duì)誤差小于3.2℃。邵雙全等基于食品物性具有時(shí)變性特點(diǎn)，首先對(duì)不同溫度下枸杞的各個(gè)物性進(jìn)行計(jì)算，然后采用FLUENT軟件的simple算法，建立二維模型對(duì)枸杞鮮果的凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好地吻合。

因?yàn)榛谲浖僮鞯难芯恐芷诙?、?jié)省物力，故利用軟件模擬計(jì)算凍結(jié)時(shí)間的研究較多，但模型的建立、網(wǎng)格的劃分和計(jì)算機(jī)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(duì)凍結(jié)時(shí)間模擬結(jié)果的影響較大。進(jìn)行不同速凍設(shè)備中食品凍結(jié)時(shí)間的計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同食品的特點(diǎn)，選擇計(jì)算模型、物性參數(shù)，或者確定相關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行食品凍結(jié)時(shí)間的計(jì)算。

目前對(duì)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(gè)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(jì)、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(chǎng)，關(guān)注速凍裝置內(nèi)流場(chǎng)的均勻性、氣流組織分布; 凍結(jié)時(shí)間，凍結(jié)時(shí)間是影響速凍食品品質(zhì)的重要因素之一，準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測(cè)食品凍結(jié)時(shí)間是速凍設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)目前我國(guó)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的速凍機(jī)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(duì)于食品品質(zhì)的重要性，在今后的研究中還可以重點(diǎn)關(guān)注以下方面：首先，由于壓縮機(jī)能耗是系統(tǒng)整體性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此根據(jù)不同速凍設(shè)備的特點(diǎn)，對(duì)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等進(jìn)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(jìn)行食品的建模，提高模型準(zhǔn)確性，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)比分析速凍設(shè)備各部件的布置和設(shè)計(jì)、部件形狀等對(duì)設(shè)備內(nèi)部速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的影響，從而優(yōu)化設(shè)備的設(shè)計(jì); 最后，在模擬和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探究計(jì)算凍結(jié)時(shí)間的可靠方法，并對(duì)不同凍結(jié)設(shè)備所凍結(jié)食品的凍結(jié)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)積累，為進(jìn)一步研究不同食品凍結(jié)時(shí)間提供有效的依據(jù)。總之，該領(lǐng)域今后研究的熱點(diǎn)是在綜合考慮設(shè)備能耗、凍結(jié)時(shí)間和流場(chǎng)分布三個(gè)因素的基礎(chǔ)上對(duì)速凍設(shè)備性能優(yōu)化。