制冷与解冻装置的共生系统

2008年11月22 00:00:00 来源:中国制冷空调技术网

摘要:为了最大限度地保持食品的原有质量,解冻工艺与冻结工艺具有同等的重要性。本文推荐利用冷库制冷装置制冷剂冷凝热量为热源,构建现代化食品解冻装置的原理、构成方法,以及如何应对因季节更替、负荷波动、解冻过程的温度控制等变化因素,优化解冻工况,保证解冻食品质量的解决办法。

1 食品解冻概述

正确的冻、藏工艺,固然可以实现食品在冻结状态下最大限度保持其原有质量之目的,但是由于食品在冻结过程中,难以避免冰晶对细胞组织和蛋白质的破坏,而且在贮藏过程中还有肌肉组织特性等方面的变化,在解冻过程中,无论是完全解冻,还是半解冻(-5℃),都会造成液汁流失,并且伴随着发生微生物繁殖及酶促或非酶促的不良生化反应。造成损失的大小,很大程度上取决于解冻方法的优劣。所以,如果在加工、消费前所采用的解冻方法不正确,仍然不能保证最大限度地恢复食品的冻前质量。由此可见,在保持食品质量方面,解冻和冻结具有同等的重要性。

食品的解冻,是食品冻结的逆过程。解冻后的食品,其质量下降的速度比生鲜状态的食品更快。因此,采用什么解冻方法,解冻过程中的温度控制,解冻到什么程度,都需要认真对待。

食品的解冻方法大体上有两大类:其一是从食品的外部加热,热量从食品表面向内部传导,例如:把冻品放置在空气环境中、浸入水中或者让食品与固体加热体直接接触等进行加热;其二是在食品的内外,进行整体均匀加热,如电解冻。当然,也可以两大类组合使用。

按照解冻方法的类别,主要有如下解冻装置:

【1】外部加热解冻法

空气解冻装置——低温加热微风式;加压空气式 水解冻装置——低温流水式;涡流流水式;水-气泡流动式;淋水式;水压式;减压型或常压型水蒸气凝集式 接触解冻装置

【2】内外均匀加热解冻法

电解冻装置——介电加热型(高频式—13MHz;微波式—915兆赫,2450兆赫)

【3】组合式解冻法

电加热解冻与水解冻组合式

在选择解冻装置时,应注意下列要点:处理能力;初投资;经常运转费用;维护保养费用;人工费用;解冻速度和可调性能;对于各种食品形态的适应性;解冻过程中的液汁流失及干耗量;解冻的均匀性;与加工处理机械的兼容性;装置的占地面积;解冻品的质量;误操作造成的影响等。

迄今为止,我国冷冻厂的功能仅限于对食品进行冷加工和冷藏。冻结食品的解冻大抵是在食品加工厂现场进行。而绝大部分食品加工厂却很少设置专门的解冻装置,必然引起人们对食品原料质量的担忧。随着食品卫生法的实施、食品安全法的诞生、HACCP系统的推广和食品工业专业化的加强,提高对食品解冻质量的要求势在必行。

当前,食品加工厂家之所以不重视食品解冻这一关键环节,原因之一是解冻所造成的食品质量下降是隐性的,表观现象不明显;原因之二是为了尽量用最少的投入,获取最大的利润,不愿投资构建正规的解冻装置;原因之三是对百姓健康负责的精神淡薄;原因之四是我国的相关法律不完善。这种现状不应该也不可能长期继续下去。

为了适应人们对食品安全越来越重视的发展趋势,设法开发一种低成本、高品质、正规化的解冻装置是当务之急。

在此,推荐以制冷压缩机冷凝热量为热源的大型解冻装置。它既可以在有食品原料冷库的食品加工厂实施,也可以在专业冷冻厂建造,实现由冷冻厂根据食品加工厂的需要,直接提供解冻食品原料。

2 解冻装置的构成原理

本例对应于大、中型冷库设置,以盐水作为提取制冷装置余热的中间介质,以可控温空气流为解冻热量的载体,按照符合食品解冻理论的设定程序运行,解冻与暂存两用的解冻装置。其系统构成原理如下所示。

2.1 采用水冷式冷凝器的制冷装置

(1) 制冷装置的余热提取

对应条件:制冷系统配置了复数台的制冷压缩机;采用卧式壳管式冷凝器。

余热提取方法:选择热容量较大、对钢材无腐蚀作用的盐水,用以替代冷凝器的冷却水,吸收制冷压缩机排出的制冷剂冷凝热,作为食品解冻的加热热源介质。

构成原理如图1所示。

图1 余热提取回路原理图

(2) 蓄热装置

经冷凝器加热升温后的盐水,由于受制冷负荷、食品解冻负荷波动及气候变化对加热热源稳定性的影响,不能直接导入食品解冻装置中应用,应该设置可调节盐水温度的蓄热装置。

结构示意如图2所示.

图2 蓄热装置

(3) 食品解冻热交换器

采用表面式换热器,作为向食品解冻库提供设定温度循环空气流的设备,称为“温风机”。为了保持温风机能够始终送出设定温度的空气流,在温风机内增设电加热器,以应对在特殊情况,由于制冷负荷过小或者气温过低所造成的盐水温度低下的局面;同时,在温风机的进液管上设电动三通阀,以便根据库内 温度状态自动调节向温风机输送的温盐水流量,控制库内的温度。

温风机接管示意参见图3。

图3 温风机

(4) 食品解冻库

食品解冻库,宜按照冷却物冷藏间的隔热要求建造,需要内外防潮处理。为了减少被解冻食品的干耗损失,保持解冻食品的质量,加快库温变换速度,减少库温的不均匀性,在库内还设置了加湿器和冷风机,构成优先利用被解冻食品冷、热量的控温系统。

(5) 盐水冷却塔

由于温盐水系统是闭回路设置,所以当压缩机负荷大的时候,盐水温度会异常升高,往往引发压缩机运转故障。为此,在回收冷凝热量的温盐水回流管线上并联设置冷却塔,必要时用冷却塔扬弃过剩排热。

盐水冷却塔如图4所示。

图4 盐水冷却塔

2.2 采用空冷式冷凝器的制冷装置

(1) 制冷装置的余热提取

在空冷式冷凝器的场合,把回收排热的热交换器设置在压缩机与空冷式冷凝器之间的管线上,只利用压缩机排气的显热。

构成原理如图5所示。

图5 空冷式冷凝器的余热提取

(2) 蓄热装置

与水冷式系统相比,除排热回收热交换器不同之外,还有自温风机回流的温盐水,首先通过排热回收热交换器,再返回盐水槽。

蓄热装置的管道连接方法如图6所示。

图6 空冷系统的蓄热装置

3 食品解冻库的温、湿度和解冻时间控制

解冻装置各部实行实时微机程序控制,预先输入解冻品的种类或形状,品质优先还是解冻时间优先等解冻条件,计算出与此相应的库内温度条件,进行节能的温度控制。同时,还监视压缩机排热的回收状况及解冻品冷热的利用状况,优先利用低成本热源。

虽然解冻品周围循环空气流的温度越高,解冻时间越短,但从解冻后的食品品质及解冻成本考虑,应确定最佳解冻环境温度的上限。

(1) 盐水回路各节点的温度控制

为了得到最佳设定环境温度的解冻热源空气流,首先要通过温风机负荷计算,设定加热盐水的温度。在平均负荷时,控制解冻室释放热量后的温盐水温降ΔT。较低温盐水返回盐水槽后,与从冷凝器返回的较高温盐水混合,达到流向温风机盐水的设定温度,由盐水泵把该设定温度的盐水输送到温风机,加热解冻库内的空气。同时输送到冷凝器,冷凝压缩机排气。为此,必须预先计算确定冷凝器的热交换面积和制冷剂的冷凝温度。

(2) 负荷波动的对策

冷凝排热解冻容易遇到的问题是热源侧的负荷波动。通常,在多数制冷装置中,一般设置复数台压缩机,排热为零的可能性非常小。冷库用制冷压缩机满负荷运转时,不会出现问题。但是当冬季冷库负荷减少、夏季负荷增加时就必然造成热源的波动,而且又有因各种理由停机的时候。

对于上述负荷的波动,可采取下述措施进行控制:

1) 设置凉水塔:由于采用了闭回路的温盐水系统,所以当压缩机负荷大的时候,盐水温度会异常升高,往往引发压缩机运转故障。为此,在回收冷凝热量的温盐水回流管线上并联设置冷却塔,必要时用凉水塔扬弃过剩热量,控制好盐水温度。

2) 盐水槽的蓄热效果:被解冻食品的外形大多是箱装或盘装,解冻时间需要12~15小时。其间,解冻初期的负荷大约是平均负荷的5倍,但随过程逐步减少。解冻开始4~5小时后降到平均负荷,此后以比平均负荷更小的负荷继续解冻。因此,如果能够适应解冻开始后数小时的负荷变动,那么此后就可以在平均负荷以下进行解冻。

3) 蓄热盐水槽的容量要按照本装置的最大解冻能力确定,用盐水的蓄热量平衡解冻初期解冻负荷的差额。在冬季压缩机运转率低的时期,或者部分压缩机停止运转时,也用盐水槽中盐水的蓄热量来平衡。

辅助电加热器的设置:在压缩机负荷 非常少的时候,即使运用上述蓄热系统可能也无法弥补解冻负荷的不足。因此,设置了辅助电加热器,作为最不利条件下维持解冻系统工作。 盐水旁通回路:无解冻任务时,温盐水通过设在温风机前的三通阀旁通到温风机的出口,返回盐水槽中蓄热。在解冻作业中,盐水槽的温度达到设定温度的上限时,由设在温风机和排热回收热交换器之间的三通阀切断向排热回收热交换器的温盐水供应,防止盐水槽内温度异常升高。

4) 硬件措施

送风方向: 解冻库内宜采用壁面送风、风向可调系统。 库内的加湿: 为防止冻品表面干燥,强化食品表面换热,从而缩短解冻时间,采用加湿作业。但是对采用纸箱包装的解冻品,由于加湿会对纸箱造成致命的损害,所以不能加湿。

5) 软件措施

控温程序:

虽然库内的设定温度越高,解冻时间越短,但因解冻品的局部会过度升温,造成汁液损失增加。而且从食品卫生角度衡量,也不宜使品温上升到设定的最佳解冻温度之上。因此,确定库内温度取决于解冻品的最高许用品温,需要控制解冻品升温最快的部位(边、角)的温度,不致超过设定温度。

解冻品表面受表面对流换热的影响大,中心部位只取决于解冻品的热导率。解冻终 了时的品温,最重要的是解冻品的中心温度。

因此,为了既要抑制解冻品最高升温部位过热,又要缩短总体的解冻时间,应按照下列要点改变库内温度设定,进行解冻作业:

i. 从解冻开始到最高升温部达到设定的最高品温之前,维持较高温度。 因为解冻品的品温一升到冻结点以上,库内温度控制程序即跟踪抑制最高升温部的品温,得到一定程度地降低。最高升温部在接近设定品温的时刻,把库内温度降低到与设定品温相同的温度,抑制品温上升。

ii. 库内温度变更时间的确定:为了进行上述库内温度的控制,必须随时知道解冻过程中最高升温部的品温,根据解冻品各部位升温机理编制计算程序,只要在进行解冻前输入解冻条件,就可计算出各部位的品温,根据计算结果确定库内温度的控制时间。

解冻食品数据库:

根据解冻品的种类,编制所有需要进行解冻食品的数据库。只要选择解冻品的品名,就能自动确定其物性值。对于尚未登录的特殊冻品,如果已知其物性值,也可在预留的窗口进行登录。

解冻时间:

根据输入的参数,实时自动确定对于实际解冻品最适当的库内温度控制时间,把确定的控制内容和解冻品中心温度的实时变化,用曲线图表示出来,同时表示达到目标解冻温度的时间。因此,如果一次确认了解冻中的解冻品温,那么处理量或者形状等即使变化,也能得到同样品质的解冻产品。

解冻中的监控

按照HACCP系统的要求,实时微机测控系统记录解冻库内的温度变化曲线,必要时再现解冻数据并打印出来。

处理量增减的对应措施

实时微机根据食品解冻处理量和库温变化走势,调节加热盐水的流量,将库温波动控制在最小范围之内。

解冻终了后的库温控制

解冻工艺是根据解冻品的种类或形状确定解冻时间,而用户多半由生产工艺或者供求安排确定出货时间。因此,在解冻完成后不能立即出库时,本系统会自动转入冷藏方式,能够采用用户希望的温度冷藏解冻品。

根据上述软件,不仅能进行高质量的解冻,而且能够根据品温预测指定解冻终了温度,预定其解冻时间,而且也能进行解冻后的冷藏。所以,能够在必要的时刻,以必要的解冻状态,供应必要数量的高质量解冻食品。

4 结语

本装置从提高解冻食品的质量和降低食品解冻的能耗出发,以制冷装置中制冷剂的冷凝热量作为食品的解冻热源,构成制冷装置与解冻装置的共生系统。解冻装置是从制冷系统中延伸出来的一个热媒体回路,构成方法简单。它既不会影响制冷装置的正常运行,又能实现解冻装置的节能运行,降低食品解冻成本。

由于导入实时微机测控系统,能保证在最佳解冻工况下解冻食品,获得高品质的解冻食品;可以根据食品种类、形状、库温及品温,自动调节温度变化过程及解冻终温,确定解冻时间。同时,该装置兼具贮藏功能,当解冻工序完成后暂时不能出货时,可以自动转入暂存工况,将库温保持在与解冻食品种类相对应的温度条件。

消费者期待食品企业提供物美价廉的商品,国家高度重视食品安全和人民的身体健康,解决冻结食品的解冻质量问题势在必行,业者当思,把握主动。


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