食品冷冻冷却设备详解

食品冷冻冷却的目的是将食品冻结或冷却到适当低的温度。为此，虽然可以利用下节介绍的冷库速冻间或冷却间实现，但更多场合利用本节介绍的各种冷冻冷却设备。这些设备大多在常温环境下操作，有利于生产环节的衔接，也改善了操作人员的劳动条件。本节主要介绍各种食品冻结设备、冷水机，以及近年来出现的真空冷却设备。

一、冷冻设备

食品的冻结有多种方法，食品工业中常用的冻结方法有空气冻结法、间接接触冻结法，及直接接触冻结法。每种方法又包含多种形式的冻结装置（见表13-2）。

表13-2 食品冻结方法与装置形式

（一）空气冻结法冷冻设备

空气冻结法，又称鼓风冻结法。在冻结过程中，冷空气以强制或自然对流方式与食品换热。由于空气的导热性较差，与食品间的换热系数小，故所需的冻结时间较长。但是，空气资源丰富、无任何毒副作用，其热力性质已为人们熟知，所以，空气冻结法冷冻设备仍然是目前食品行业应用最为广泛的冷冻设备。

1.隧道式冻结装置

隧道式冻结装置，也称为隧道式速冻器或速冻隧道，主要由冷风机（或蒸发器+风机）、冻结物输送装置和绝热护围层等构成。

冻结物料输送装置分间歇式的，例如（用多孔或无孔）料盘架开一面推车，和连续式的，如不锈钢（网、链板或环绕板）带输送机和推盘等。连续输送装置的输送速度通常可根据物料冻结时间要求进行调整。

隧道式冻结装置所用的蒸发器一般为翅片式，并带有融霜系统。蒸发温度在—40～-35℃间。蒸发器在隧道内的位置根据输送装置形式而定，有的设在输送通道侧面，也有的安装在输送通道上方。

图13-31所示为小车输送式冻结隧道冷风循环方式，可见，两种情形下均使冷风以水平向吹过冻结食品的表面。

图13-31 小车输送的冻结隧道冷风循环方式

带式速冻隧道的冷风机多置于输送网带的上方，以节省设备占地面积。冷风机的冷风，可（以正反两个方向）侧向吹过物料层上下（即水平向与物流垂直交叉），也有的主风方向与物料方向呈逆流向（即冷风朝进料口方向在物料上面吹）。图13-32所示为典型带式速冻机的外形。这类速冻器目前国内食品行业应用相当多。

图13-33所示为一种用于冰淇淋硬化的速冻隧道。它的输送装置为料盘垂直升降机构及水平向的多层式输送机。它的两端分别设有料盘的进出口。料盘进出、在冻结隧道内的垂直和水平移动均由程序自动控制执行。每次在进料端送入一个料盘，便同时在出料端送出一个料盘。

图13-32 带式速冻隧道

图13-33 冰淇淋硬化冻结隧道

2.螺旋式冻结装置

螺旋式冻结装置与隧道式冻结装置一样，也主要由护围结构、物料输送装置和蒸发器和风机等构成。物料输送装置是一种如图13-34（1）所示螺旋带式输送机，输送带用的是钢丝扣带或工程塑料链板带，这类带可以在水平方向有一定的弯曲余地，从而可以沿适当的圆柱体以近于水平的螺旋升角（约为2°）向上或向下盘旋，食品不会下滑。

根据带式螺旋输送机的结构原理，可以将螺旋式冻结装置分别设计成如图13-34（2）所示的单螺旋式和如图13-34（3）所示的双螺旋式两种型式。可见，单螺旋式在下面进料，在上面出料，而双螺旋式的进出均在下面。双螺旋式的输送带长度为单螺旋式的一倍，因此，可以说，冻结时间相同条件下，双螺旋式的生产能力是单螺旋式的一倍。

被冻结的物料，可以直接单个摆放在输送带上，也可装在料盘中，由输送带输送料盘通过冻结装置。

螺旋式冻结装置的蒸发器和风机通常安排在螺旋输送机的侧面，风向与输送带面相对平行，即横向吹过输送带上面物料表面。根据需要，也可以通过在输送带间设置适当走向的风道，在单个螺旋体总体上实现冷风与物料呈逆向穿流的效果，从而可以提高传热速率，缩短冻结时间。人们发现，穿流构型与横流构型相比，相同的产品，冻结时间约可缩短30%。

螺旋式冻结装置适用于冻结单体食品，如饺子、烧卖、对虾及经加工整理的果蔬，还可用于冻结各种熟制品，如鱼饼、鱼丸等。

螺旋式冻结装置有主要有以下特点：①结构紧凑，相同产能的装置占地面积小，仅为一般水平输送带冻结装置的四分之一；②运行平稳，产品与传送带相对位置保持不变，适于冻结易碎食品和不许混合的产品；③冻结速度快，生产能力大，干耗小，冻结质量好，适用于大批量生产。

图13-34 螺旋式冻结器

3.流态化速冻装置

食品流态化冻结是在一定流速的冷空气作用下，使食品在流态化条件下得到快速冻结的方法。这类冻结装置主要用于颗粒状、片状和块状食品的快速单体冻结。食品流态化冻结装置，按其机械传送方式可分为：带式、振动式和斜槽式流态化冻结装置等。

（1）带式流态化式速冻装置 带式流态化速冻装置以不锈钢网带作为物料的传送带。根据输送带的数目，带式流态化速冻装置可分为单流程和多流程形式；按冻结区分可分为一段和两段的带式速冻装置。

早期的流态化速冻装置的传输系统只用一条传送带，并且只有一个冻结区，这种单流程一段带式速冻装置结构简单，但配套动力大、能耗高、食品颗粒易黏结，适用于冻结软嫩或易碎的食品，如草莓、黄瓜片、青刀豆、芦笋、油炸茄块等。操作时需要根据食品流态化程度确定料层厚度。

多流程一段带式流态化冻结装置也只有一个冻结区段，但有两条或两条以上的传送带，传送带摆放位置为上下串联式，与单流程式相比，这种结构外形总长度较短，配套动力小，并且在防止物料间和物料与传送带黏结方面也有所改善。

两段带式流态化冻结装置是将食品分成两区段冻结，第一区段为表层冻结区；第二区段为深层冻结区。颗粒状食品流入冻结室后，首先进行快速冷却，即表层冷却至冰点温度，然后表面冻结，使颗粒间或颗粒与传送带不锈钢网间呈散离状态，彼此互不黏结，最后进入第二区段深层冻结至中心温度为—18℃，完成冻结。

图13-35所示为典型的用于果蔬速冻的二段带式流态化冻结装置，它主要由两条行进速度不等的输送带、蒸发器、风机和护围（保温）结构等组成。在速冻机外经过脱水的待冻食品，首先经过由第一条输送带输送的“松散相”（表层）冻结区域，此时的流态化程度较高，食品悬浮在高速的气流中，从而避免了食品间的相互黏结。然后进入第二条输送带所在的“稠密相”（深层）冻结区域，此时仅维持最小的流态化程度，使食品进一步降温冻结。这种速冻装置适用范围广泛，可以用于青刀豆、豌豆、豇豆、嫩蚕豆、辣椒、黄瓜片、油炸茄块、芦笋、胡萝卜块、芋头、蘑菇、葡萄、李子、桃子、板栗等果蔬类食品的冻结加工。

（2）振动流态化速冻装置振动流态化速冻机以振动槽作为物料水平方向传送手段。由于物料在行进过程中受到振动作用，因此这类形式的速冻装置可显著地减少冻结过程中黏结现象的出现。

振动槽传输系统主要由两侧带有挡板的振动筛和传动机构构成。由于传动方式的不同，振动筛有两种运动形式：一种是往复式振动筛；另一种是直线振动筛。后者除了有使物料向前运动的作用以外，还具有使物料向上跳起的作用。

图13-35 两段带式流态化冻结装置示意图

图13-36所示为瑞典Frigo-scandia公司制造的MA型往复式振动流态化冻结装置。这种装置的特点是结构紧凑、冻结能力大、耗能低、易于操作，并设有气流脉动旁通机构和空气除霜系统，是目前世界上比较先进的一种冻结装置。

图13-36 MA型往复式振动流态化速冻装置

（二）间接接触式冻结设备

间接接触式速冻结设备是指产品与一定形状的（内通制冷剂或载冷剂）的蒸发器或换热器表面进行接触换热的冷冻设备。接触式速冻设备主要依靠传导方式传热，冻结效果直接受产品与换热器表面的接触状态影响。最常见的间接接触式速冻设备型式为平板式，其他还有钢带式和转鼓式等。

1.平板冻结装置

平板冻结装置是一组与制冷剂管道（通过软管）相连的空心平板作为蒸发器的冻结装置，将冻结食品放在两相邻的平板间，并借助液压系统使平板与食品紧密接触。由于金属平板具有良好的导热性能，故其传热系数高。当接触压力为7～30kPa时，传热系数可达93～120W/（h·K）。根据平板取向，这种冻结装置形式可分为卧式和立式两种。

带护围结构的卧式平板冻结器[图13-37（1）]整体为厢式结构，一般有6～16块水平冻结板，平板间的位置由液压装置控制。被冻食品装盘放入两相邻平板之间后，启动液压油缸，使被冻食品与冻结平板紧密接触进行冻结。为了防止压坏食品，相邻平板间装有限位块。这种冻结器适用于常温环境的车间。

无护围结构的卧式平板冻结器[图13-37（2）]适用于低温环境，可以多台同时安装在冷间内，适合生产规模较大场合。

图13-37 卧式平板式速冻器

立式平板冻结装置的结构原理与卧式平板冻结装置的相似，但冻结平板呈垂直状态平行排列，外形结构如图[图13-38（1）]所示。平板一般有20块左右。待冻食品一般直接散装倒入平板间进行冻结，操作方便，适用于小杂鱼和肉类副产品的冻结[图13-38（2）]。冻品脱离平板的方式有上进下出、上进上出和上进旁出等。平板的移动、冻块的升降和推出等动作，均由液压系统驱动和控制。

图13-38 立式板式冻结器

2.其他间接接触冻结器

除了平面型冻结器以外，还有其他形式的主要用于连续操作的接触式冻结器，如回转式冻结器、钢带隧道式冻结器，以及旋转刮板式冻结器等。

回转式冻结装置如图13-39所示，是一种新型的间接接触连续式冻结装置。其主体为一内通载冷剂的轴向水平的不锈钢回转筒。被冻品呈散状由入口送到回转筒的表面，由于转筒表面温度很低，食品立即粘在上面，进料传送带再给冻品稍施加压力，使其与回转筒表面接触得更好。转筒回转一周，完成食品的冻结过程。冻结食品转到刮刀处被刮下，刮下的食品由传送带输送到包装生产线。利用回转式冻结器，可对虾仁进行单体速冻，进料温度为10℃，出料温度为—18℃时，冻结时间约为15～20min。该冻结装置的特点是，占地面积小，结构紧凑，冻结速度快，干耗少，生产率高。

图13-39 回转式冻结装置

图13-40所示是一种日本MYCOM公司生产的钢带式隧道冻结装置结构示意。这种冻结器借助于不锈钢带输送物料，不锈钢钢带与直接蒸发器的冷表面紧密接触，二者之间的热阻可以忽略，食品随钢带通过隧道时，受到连续接触冻结。同时，不锈钢带上方的冷风机也将冷风吹向所经过的食品，强化了冻结过程。因此，这种冻结器具有接触式、风冷式和连续式三者结合的特点。这种冻结装置可在6～60min时间范围内实现无级调速。

图13-40 钢带隧道冻结装置

除了以上用于固体物料的接触式冻结器以外，还有用于液体物料的冻结器，这类冻结器实际上是一种刮板式热交换器（见图7-16）。这类冻结器可用于冰淇淋凝冻。

（三）直接接触冻结装置

直接接触式冻结装置是指利用冷媒直接与（包装或未包装）食品接触进行冻结的装置。所用的冷媒可以是载冷剂（如食盐溶液，），也可以是低温制冷剂的液化体气体，如液氮、液体CO₂等。因冷媒不同，这类冻结装置可有两种型式，即沉浸式和喷淋式。

1.沉浸式冻结装置(www.xing528.com)

这类冻结装置直接使食品浸入载冷剂液中进行冻结。这种装置通常由敞开或半敞开的保温槽体、槽内设置冷冻机的蒸发器及载冷剂液体。被冷冻物体直接沉于载冷剂进行冷却冻结。为了提高载冷剂与蒸发器表面和物体表面的换热系数，通常设法提高载冷剂在槽内的循环流动速度。有的冻结装置甚至将蒸发器做成中空搅拌器形式，这样，既提高了蒸发器表面的换热系数，又提高了载冷剂在槽内的流动速度，从而可以提高载冷剂与被冻结物料之间的换热速率。

沉浸式冻结装置多用于刚捕捞到的小鱼、虾类及贝类等小个体海产品的冻结，以最大限度地保留其新鲜度。由于被冻对象个体在流动的载冷剂液中冻结，因此可以做到单体冻结。这种装置一般用一定浓度的食盐溶液作载冷剂。

2.液氮喷淋速冻装置

使用液态氮作冷媒时，可将液氮直接喷向食品，使食品直接与—196℃的低温接触而快速冻结。液氮的蒸发潜热约为46kcal/kg，因此每千克液氮能冻结约1kg的食品。由于液氮冻结可得到品质优良的产品，设备成本也较低廉，并且，液氮价格近年来也已下降许多，因此，液氮冻结有一定的应用发展潜力。

典型的液氮速冻机如图13-41所示，其主体为一网状输送机。为了充分发挥液氮的吸热效率，出现了多种型式的液氮速冻设备流程，主要形式如图13-42所示，有瀑布式、全蒸发式和强风式三种。

图13-41 液氮速冻机

全蒸发式[图13-42（1）]流程的液氮在输送带末端喷出，并全部蒸发；输送带前端设置的风扇将气态氮继续吹向刚进入的食品，进行预冷处理，装置的出口端设置了风幕，将氮气挡住，迫使氮气由物料入口端排气孔排出。

瀑布式的流程如图13-42（2）所示，液氮在其接近出口的后段上方以雾状方式喷下，随即吸热汽化，汽化的氮在风机的抽吸下，再吹向刚从入口端进入的高温食品作预冷处理，以提高氮气的利用效率。来不及汽化的液氮，收集后用泵回送重新喷雾。

强风式[图13-42（3）]的设计特点是将输送带分成四个区，各区自成一个循环系统，在液氮喷嘴后方有一个强力风机，可将在输送带面已蒸发的氮气加以抽回再喷向液氮，进行强制循环。这种机型所用的输送带为平板无孔带。

图13-42 液氮速冻机的流程形式

二、冷水机

冷水机也称冰水机，是提供低温冷水或冷冻液的制冷装置。低温冷水或冷冻盐水应用于各种场合的操作，如加热处理后的冷却，杀菌后的冷却，以及用来进行空气调节等。冷水机也可用来直接制造低温工艺用水。

冷水机基本上均带有完整的制冷系统，因此，有时也称其为冷水机组，主要由压缩机、膨胀阀、冷凝器、产生冷水（或冷冻盐水）的蒸发器和自动控制系统等构成，有时冷水机还自带循环水泵等。

冷水机根据冷凝器形式可分为水冷式和风冷式两种；根据蒸发器形式，可以分为壳管式和水箱式两种。此外，还可以根据压缩机类型，分为螺杆式和活塞式压缩机冷水机等。

（一）水冷式冷水机

水冷式制冷机的制冷量一般较大。图13-43所示的水冷式冷水机主要由螺杆式压缩机、冷凝器、蒸发器及控制箱等构成。冷凝器和蒸发器均为壳管式，各有两个水管接口，分别用于接冷却水循环系统和冷冻水循环系统。蒸发器为低温部件，因此外壳通常有隔热层保护，与之相连的循环冷水管往往也要进行隔热处理。水冷式冷水机在提供低温冷水的同时，本身需要用冷却水冷凝其制冷剂。因此，必要时，也需要有凉水塔之类的冷却水循环系统配套。

图13-43 水冷式冷水机

冷水机是一种间接制冷设备，除了能够提供0℃以上冷水以外，也可用来产生盐或醇溶液载冷剂。例如，使用盐溶液时，可以提供—15℃的冷冻温度。这种螺杆压缩冷水机提供的冷冻液体温度范围及制冷量的变化范围，可通过控制系统及压缩机的排气量调节实现。

（二）风冷式冷水机

制冷量较小的冷水机多为风冷式，它不需要专门的冷却水系统。图13-44所示为一种风冷式冷水机外形，其流程如图13-45所示。其中的水箱，既是制冷系统的蒸发器，也是低温冷水贮存器。可利用循环水泵提供工艺冷水，但需要及时将用去的水补上。水箱的水位可以通过供水浮球保持相对恒定。

图13-44 风冷式冷水机

图13-45 风冷式冷水机流程图

三、真空冷却设备

真空冷却设备常用于对新鲜果蔬、肉、禽、水产品进行冷却。真空冷却是利用含水产品中的水分在真空条件下蒸发汽化，吸收蒸发潜热，从而使产品降温。

（一）系统构成

典型真空冷却系统构成如图13-46所示，主要由真空容器、水蒸气捕集器、制冷机组和真空泵等构成。真空容器内产品蒸发产生的水蒸气，进入水蒸气捕集器，其中的（由制冷机组提供冷媒的）冷却器表面使水蒸气冷凝成水，不凝的气体则由真空泵抽走。

图13-46 典型真空冷却系统构成

1.真空容器

真空容器是处理产品的容器。它的容积、形状直接关系到产品的处理量。此外，其结构、材料也是容器设计制造中要考虑的重要方面。

真空容器可以设计成圆筒形，也可设计成长方体形。圆筒形虽然有受力均匀、制造方便等优点，但是装入产品的包装箱多为方形，容器利用率不高。目前大多数的真空容器都制作成方形。方形容器具有较高的容器空间利用率，同时还可节约制造材料。但是方形容器四周（包括门）须焊上型钢作加强筋，以防真空状态下内外压差过大，而使真空容器变形。

真空容器的门可以不同方式与箱（筒）体配合，常见形式如图13-47所示，有铰链水平转开式、悬臂上开式、侧向平移式等。箱体小的开一扇门，朝向可在端面，也可在侧面；箱体大的可分别在箱体两端各设一扇门[图13-47（4）]，以方使产品进出。

图13-47 常见真空冷却装置开门型式

有些真空容器底面设有带滚轮的轨道，并与室外相同轨道和移动垫板配合，以提高货物的进出效率。另外，也有的冷却装置直接将水蒸气捕集器（即制冷系统的蒸发器）设在真空容器内。

处理加工食品的真空容器必须采用食品级的不锈钢板，如304等不锈钢板制造，也有采用碳钢板的，但要经过防锈表面处理。容器内壁需经抛光加工处理。

2.水蒸气冷凝捕集器

真空冷却的特点决定了这种过程会产生大量水蒸气，因此，在进入真空泵以前，必须将其大部除去。为此，真空冷却装置通常采用水蒸气冷凝捕集器（简称捕集器）。这种水蒸气冷凝捕集器工作原理与冷冻干燥机的冷阱相似，因此也称为低温冷阱（简称冷阱）。它是一种制作成特殊结构的制冷系统蒸发器。实践表明，真空冷却装置中冷凝器的表面温度以—5℃左右为宜，过低的温度无多大作用。因此，制冷系统的蒸发温度也不能过低。水蒸气冷凝捕集器可以设在真空容器外，也可直接设在真空容器内。

3.真空系统

用于食品的真空冷却装置必须达到所要求的极限压力，一般至少在600Pa以下，并且，配置的真空泵或真空系统应具有足够大的抽气能力。真空泵用于抽吸容器内的空气，造成真空环境，整个过程，真空泵抽吸空气的负荷是先大后小，因此，一般真空冷却系统往往设多台真空泵，开始时全部启动，到后来只留一台运行，以维持系统内所需的真空状态。常见于真空冷却装置的真空泵类型有滑阀式、罗茨泵式、旋片式、水力喷射式和蒸汽喷射式等，它们可以根据系统规模进行适当组合。表13-3所示为某些真空系统组成及适用的冷却装置规模对应关系。

表13-3 各种用途的真空冷却装置的真空系统

4.喷水装置

利用真空却对食品及新鲜果蔬产品进行冷却是一种非稳定传质传热过程，对产品而言，降温作用动力来源于产品表面水分的蒸发吸热。有些产品比表面积较小（如果菜类产品和水果），表面水分蒸发完后，还未达到降温要求，有些产品（如一些包装品）表面甚至没有什么自由水分，这种情形下，要使真空冷却发挥作用，则可采取先进行喷水再进行真空冷却操作。于是就出现了如图13-48所示的带喷水的真空冷却系统。通常，这类设备运行时，真空冷却与喷雾加湿并不同时操作，而是先进行喷雾加湿，再进行真空冷却。加湿时，水泵将水输送到真空冷却室顶部的喷嘴喷成水雾，将待冷却产品淋湿。喷淋下的多余水滴积在真空室底部，再由水泵抽到水喷射口喷出，反复循环使用。抽真空时，这些在产品上的水分蒸发吸热使产品冷却。

图13-48 带喷水装置的真空冷却系统

喷雾加湿的设备种类很多。真空冷却装置可采用高压喷射式或压缩空气喷雾式两种，前者主要利用喷嘴孔把高压水喷射成（粒度为5～20μm的）水雾；后者利用压缩空气在喷嘴处将水喷成（l～5μm）水雾。前者结构较小，后者因压缩机体积较大，运作时噪声很大。

喷雾加湿式真空冷却装置不仅可以在无水分质量损耗条件下对表体比很小的产品进行冷却，而且能将产品温度降到0℃ 以下（普通真空冷却只能使叶菜降到2～3℃）。同时它也适用于表体比很大的产品的冷却。因此，这种装置技术促进了真空冷却技术的进展。

（二）真空冷却装置系统举例

常见真空冷却装置有单室式和双室式两种构型。中小型或移动式冷却装置常采用单室构型；而大型及固定式真空冷却装置可采用双室结构。以下分别就两种构型装置作简单介绍。

1.单室式直列式真空冷却装置

这种冷却装置只有一个真空容器和一套制冷设备。一种型号为VAC-3的单槽真空冷却装置结构如图13-49所示，其真空室有效容积为3m³；真空系统最大抽气速率560m³/h，极限真空度小于200Pa；冷阱所联制冷机功率为3.2kW，所用的冷凝面积为50m²。用于蔬果冷却时的生产能力为1t/h。这种装置可以移动使用也可固定使用。

图13-49VAC-3真空冷却装置

2.双室均压式真空冷却装置

双室均压式真空冷却装置的结构流程如图13-50所示，这种装置的结构特点是：①采用两个容积相同、内带产品装入取出装置的真空冷却室，真空冷却室的门为电动门；②两个真空冷却室由均压管相连，均压管由真空阀门V₁、V₂调节，V₃、V₄分别为两个真空室的主阀门；③两个真空冷却室合用一套由3台滑阀真空泵组成的真空系统，分别由阀门V₆、V₇、V₈控制，V₅为真空系统的主阀门；④两个冷却室合用一套制冷设备及水蒸气冷凝捕集器。

图13-50 双槽均压式真空冷却装置流程

两个真空冷却室在时序上，以交替程序进行产品进、出和冷却操作，整个运作过程如表13-4所示。整个操作过程所费时间只有44min。在真空冷却运作中，1号真空室冷却结束时，室内真空度为0.80kPa时，先打开连接两个真空室的均压管阀门V₁和V₂，使两个真空室均压为51.33kPa，然后切断V₁V₂和V₃，再由真空泵继续对2号真空室抽气。对于2号真空室而言，由于产品装入与冷却结束的1号真空相通后，立即可获得51.33kPa低压状态，因而既缩短了所需抽气的时间，同时节约了电力消耗。可见，双槽式真空冷却装置具有缩短抽气时间、节约能源和设备投资费用等优点。

表13-4 双室均压真空冷却装置的运行过程