CN114518004B - 一种冲击式隧道速冻装置及速冻方法 - Google Patents

一种冲击式隧道速冻装置及速冻方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于制冷技术领域，特别是涉及一种冲击式隧道速冻装置及速冻方法。现有的冲击式隧道速冻装置中未能根据冻品阶段和冻品状态去匹配合适的风速，造成了冻品严重干耗和能源的浪费。本申请提供了一种冲击式隧道速冻装置，包括本体，所述本体内设置有温湿度采集组件、传送组件和若干风场形成组件，所述风场形成组件风场，若干所述风场相互独立，所述温湿度采集组件设置于所述风场内，所述传送组件设置于所述风场下方，所述传送组件与所述所述若干风场形成组件配合使用。每个风场形成组件独立进行控制，实现风速变频调节。减少装置能耗，避免能源浪费。

Description

一种冲击式隧道速冻装置及速冻方法
技术领域
本申请属于制冷技术领域，特别是涉及一种冲击式隧道速冻装置及速冻方法。
背景技术
冻品速冻可分为三个阶段，第一阶段是初温到冰点的显热释放阶段(初温～0℃)。第二阶段是冰晶生长阶段(0℃～-5℃)，此时80％的水被冻结成冰晶。第三阶段冰的降温和剩余水的结冰阶段(-5℃～-18℃)。图4对比了上送风风速为40m/s和20m/s时的冻结曲线。在第一阶段，高风速和低风速的冻结时间相差不大，说明在冻品表面风速超过一定值后，再增加风速对冻结时间的减小作用不大。但风速过大容易造成严重的干耗，尤其对于含水量较大的水产品，不仅造成了经济损失，并且引起鱼肉品味和质量的下降。在第二个阶段较高风速有利于形成均匀的冰晶、快速过冰晶带。第三阶段同第一阶段，在送风速度超过一定值后，再增加已不能减少冻结时间。因此，冻品速冻的每个阶段需要匹配合适的风速。
对于速冻来说，冻品过冰晶带的时间(0℃～-5℃)占整个冻结时间的比例较大。为了进一步降低装置能耗，需要减少冻品过冰晶带的时间。现有的冲击式隧道速冻装置中未能根据冻品阶段和冻品状态去匹配合适的风速，造成了冻品严重干耗和能源的浪费。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于现有的冲击式隧道冲击式隧道速冻装置中未能根据冻品阶段和冻品状态去匹配合适的风速，造成了冻品严重干耗和能源的浪费的问题，本申请提供了一种冲击式隧道速冻装置及速冻方法。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种冲击式隧道速冻装置，包括本体，所述本体内设置有温湿度采集组件、传送组件和若干风场形成组件，所述风场形成组件风场，若干所述风场相互独立，所述温湿度采集组件设置于所述风场内，所述传送组件设置于所述风场下方，所述传送组件与所述若干风场形成组件配合使用。
本申请提供的另一种实施方式为：所述风场形成组件包括风机，所述风机之间设置有隔板，所述风机下方设置有导风板，所述导风板与所述隔板连接；所述风机包括变频器，所述温湿度采集组件与所述变频器连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述温湿度采集组件包括温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器设置于所述隔板内侧，所述湿度传感器设置于所述隔板内侧，所述温度传感器与所述变频器连接，所述湿度传感器与所述变频器连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述导风板为弧形，所述弧形的曲率半径R为280mm，圆心角θ为60°。
本申请提供的另一种实施方式为：还包括风速调整组件，所述风速调整组件包括第一导风机构和第二导风机构，所述第一导风机构设置于所述传送组件一侧，所述第二导风机构设置于所述传送组件另一侧。
本申请提供的另一种实施方式为：还包括超声组件，所述超声组件包括超声波发生器和超声波振子，所述本体包括进料口和出料口，所述超声波发生器设置于所述本体内侧，所述超声波发生器设置于所述进料口处，所述超声波振子设置于所述风机下方；所述超声波发生器内设置有信号处理器，所述信号处理器与所述温度传湿度采集组件连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述超声波阵子为3个，所述超声波振子沿所述风机宽度方向设置。
本申请提供的另一种实施方式为：所述风机为两个或者两个以上，所述风机包括非末端风机和末端风机，所述进料口、所述非末端风机、所述末端风机和所述出料口依次排列。
本申请提供的另一种实施方式为：所述传送组件包括依次排列的第一传送带和第二传送带，所述第一传送带用于传送所述进料口至所述非末端风机下方物料，所述第二传送带用于传送所述末端风机下方至所述出料口处物料。
本申请还提供一种采用所述的冲击式隧道速冻装置的速冻方法，所述速冻方法包括采用温湿度采集组件实时采集冻品温湿度和环境温湿度，根据冻品的冻结阶段和冻结状态调节风速频率。
本申请提供的另一种实施方式为：所述速冻方法包括采用温湿度采集组件实时采集冻品温湿度和环境温湿度，根据冻品的冻结阶段和冻结状态调节超声波阵子的频率。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的冲击式隧道速冻装置及速冻方法的有益效果在于：
本申请提供的冲击式隧道速冻装置，为一种风速变频调节的冲击式隧道速冻装置。
本申请提供的冲击式隧道速冻装置，根据冻品的冻结阶段，风速变频调节的冲击式隧道装置，不仅降低干耗、提升了冻品的冻结品质，而且减少了装置能耗，避免了能源的浪费。
本申请提供的冲击式隧道速冻装置，风速的变频调节辅之以超声波的变频率振动，能使冻品更快的度过冰晶带，生成的冰晶更均匀，冻结品质更高、冻结时间更短且装置能耗进一步降低。
本申请提供的冲击式隧道速冻装置，将冻品的冻结阶段和冻结状态与合适的风速相匹配，降低了干耗、提升了冻结品质；根据冻品的温湿度自动调节风机的频率，进而配合压缩机的变频，这样每个风机和压缩机都以合适的频率运行，减少了装置能耗，避免能源的浪费。
本申请提供的冲击式隧道速冻装置，辅之以超声波阵子的变频率振动，减少了冻品过冰晶带的冻结时间，并且冰晶生成更小更均匀，进一步提升了冻结品质、减少了冻结能耗。
附图说明
图1是本申请的冲击式隧道速冻装置整体结构示意图；
图2是本申请的冲击式隧道速冻装置的左视图；
图3是本申请的导风板示意图；
图4是本申请的不同的上下送风速度时的冻品冻结曲线图；
图5是本申请的冲击式隧道速冻装置的具体控制方法流程图；
图6是本申请的第二具体控制方法流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
冲击式速冻原理是利用高压冷气流经第一导风机构8和第二导风机构9增速后喷射到食品的表面，提高食品表面的换热系数使得食品快速冻结。冲击式隧道速冻装置通过将风机置于冻品的正上方，给冻品的上下表面同时垂直送风使冻品冻结。冲击式隧道速冻装置因其冻品表面风速大、冻品双面同时冻结、冻结后不变形等优势逐渐成为隧道式速冻装置的主流产品。通过蒸发器12给冲击式隧道内提供冷量。
参见图1～6，本申请提供一种冲击式隧道速冻装置，包括本体，所述本体内设置有温湿度采集组件4、传送组件和若干风场形成组件，所述风场形成组件风场，若干所述风场相互独立，所述温湿度采集组件4设置于所述风场内，所述传送组件设置于所述风场下方，所述传送组件与所述若干风场形成组件配合使用。
所述风场相互独立，使得每个风场形成组件独立进行控制，实现风速变频调节。
进一步地，所述风场形成组件包括风机1，所述风机1之间设置有隔板2，所述风机1下方设置有导风板3，所述导风板3与所述隔板2连接；所述风机1包括变频器，所述温湿度采集组件4与所述变频器连接。
本申请还提供一种采用所述的冲击式隧道速冻装置的速冻方法，所述速冻方法包括采用温湿度采集组件4实时采集冻品温湿度和环境温湿度，根据冻品的冻结阶段和冻结状态调节风速频率。
首先开启制冷系统，每个风机1以初始恒定频率f0运行到库内温度下降到-40℃。然后冻品进入，用温湿度采集组件4检测冻品表面和库体内的温湿度，根据冻品表面和冻品中心温度的关系推算冻品中心温度。当冻品中心的温度在冰点(0℃)以上，进一步检测冻品表面的湿度，若冻品表面的湿度大于库体空气的湿度时，风机1降频至f1(f1＜f0)运行；若冻品的湿度和空气的湿度逐渐接近时，风机1升频至f0运行；当冻品的中心温度在-5℃～0℃时，风机以高频f2运行(f2＞f0)；当冻品的中心温度在-18℃～-5℃时，风机降频至f3(f3＜f0)运行。最后，通过检测冻品刚进入第二传送带11时的温度。根据在合适风速下第三阶段温度和冻结时间的线性关系，得出还需要的冻结完成时间，进而去控制第二传送带11的速度，确保冻品出口的温度正好为-18℃，避免了冻品的过冷冻和欠冷冻。
进一步地，所述温湿度采集组件4包括温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器设置于所述隔板2内侧，所述湿度传感器设置于所述隔板2内侧，所述温度传感器与所述变频器连接，所述湿度传感器与所述变频器连接。
温度传感器和湿度传感器用来检测冻品表面的温度和湿度，分别布置在竖直隔板2的上下位置，避免了对风场的干扰。温度传感器、湿度传感器和变频器内置有微处理器来处理信号。
为了不破坏冻品的结构，利用温度传感器检测到冻品的表面温度，进而通过拟合的函数关系推算出中心温度。通过冻品表面的温度推算出冻品中心的温度。在某些实施例中，拟合的冻品表面温度和中心温度的函数关系式为：(第一阶段
Figure BDA0003439227430000041
第二阶段/>
Figure BDA0003439227430000042
第三阶段：T中心温度＝2.65T表面温度-388.91)。实现风速和冻品所处冻结阶段相匹配，需要确定冻品所处的冻结阶段即冻品的中心温度。
通过温度传感器和湿度传感器去判断冻品所处的冻结阶段，将控制信号传递给控制风机1的变频器，通过调节风机1的频率进而调节冻品表面的风速。
进一步地，所述导风板3为弧形，所述弧形的曲率半径R为280mm，圆心角θ为60°；能有效的避免涡流的产生，使得气流均匀性更好。
其中竖直隔板2保证了每个风机1的风场相互独立，弧形导风板3使得风场内的气流组织更加均匀，实现风速的变频调节。
进一步地，还包括风速调整组件，所述风速调整组件包括第一导风机构8和第二导风机构9，所述第一导风机构8设置于所述传送组件一侧，所述第二导风机构9设置于所述传送组件另一侧。
这里的第一导风机构8和第二导风机构9用于进一步增加风机风速，同时让风场更加均匀。具体地，可以调节导风机构的孔口大小和孔口间距对风速大小进行控制。
进一步地，还包括超声组件，所述超声组件包括超声波发生器6和超声波振子5，所述本体包括进料口和出料口，所述超声波发生器6设置于所述本体内侧，所述超声波发生器6设置于所述进料口处，所述超声波振子5设置于所述风机1下方；所述超声波发生器6内设置有信号处理器，所述信号处理器与所述温度传湿度采集组件4连接。
进一步地，所述速冻方法包括采用温湿度采集组件4实时采集冻品温湿度和环境温湿度，根据冻品的冻结阶段和冻结状态调节超声波阵子5的频率。
为了进一步减少冻品过冰晶带的时间，利用超声波的变频率振动辅助风速的变频调节。
本申请中的冲击式隧道速冻装置包括风速的变频调节以及风速的变频调节辅之以超声波阵子5的变频率振动两种控制模式。
超声波振子5用于对传送网带7施加超声震动，从而使冻品内部振动、冰晶生成的小且均匀。
冻品速冻可分为三个阶段，第一阶段是初温到冰点的显热释放阶段(初温～0℃)。第二阶段是冰晶生长阶段(0℃～-5℃)，此时80％的水被冻结成冰晶。第三阶段冰的降温和剩余水的结冰阶段(-5℃～-18℃)。在第一阶段，热量传递方式主要是冻品表面的对流换热和冻品内部的导热。当无量纲准则数
Figure BDA0003439227430000051
时，也就是对流换热热阻远小于导热热阻时，增加对流换热系数对减少冻结时间已经没有作用了。对流换热能力的大小由冻品表面的风速决定，也就是当冻品表面的风速超过一定值时，再增加风速已经对冻结时间影响不大了。由实验测试的冻品的冻结曲线图(图4)可得，在第一阶段时，网带7上送风风速在低风速(20m/s)和高风速(40m/s)时的冻结时间差别在1min以内。进一步考虑到风速越大，干耗越严重，因此冻品在第一阶段需要中等送风速度(20m/s～30m/s)。在第二阶段，主要是冰晶生长阶段，风速越大，冰晶生长越均匀、越能快速过冰晶带，因此第二阶段需要高风速(40m/s)。在第三阶段，此时冻结基本完成，送风速度为低风速和高风速时的冻结时间一致，因此本阶段需要低风速(20m/s)。
在第一阶段(初温～0℃)冻品需要中风速速冻，在第二阶段(0℃～-5℃)需要高风速速冻，在第三阶段(-5℃～-18℃)低风速速冻即可。也就是风机1在检测到冻品处于第一个阶段时，需要中等频率运行；在第二个阶段，需要高频运行；第三个阶段，需要低频运行。这个每个风机都以合适的频率运行。
第一阶段时，超声波发生器6高功率运行，使得超声波振子5高频振动。当在第二、三阶段时，考虑到超声波振子5长时间振动产热不利于冻结过程，超声波发生器6低功率运行，使得超声波振子5低频振动。这样每个风机下的超声波阵子5也以合适的频率运行。
风机1变频调节辅之以超声波阵子的5变频率振动具体控制方法为：首先开启制冷系统，每个风机1以初始恒定频率f0运行到库内温度下降到-40℃。然后冻品进入，用温湿度采集组件4检测冻品表面和库体内的温湿度。当冻品中心的温度在冰点(0℃)以上，进一步检测冻品表面的湿度，若冻品表面的湿度大于库体空气的湿度时，风机1降频至f1(f1＜f0)运行，且超声波振子5以高频率w0振动；若冻品的湿度和空气的湿度逐渐接近时，风机1升频至f0运行，且超声波振子5以中等频率w1振动(w1＜w0)；当冻品的中心温度在-5℃～0℃时，风机以高频f2运行(f2＞f0)，且超声波振子5以低频率w2振动(w2＜w1)；当冻品的中心温度在-18℃～-5℃时，风机1降频至f3(f3＜f1)运行，超声波振子5以超低频率w3振动(w3＜w2)振动。最后，通过检测冻品刚进入第二传送带11时的温度，通过在合适的风机1转速下以及超声波阵子5振动下的第三阶段温度和冻结时间的线性关系，得出还需要的冻结完成时间，进而去控制第二传送带11的速度，确保冻品出口的温度正好为-18℃，避免了冻品的过冷冻和欠冷冻。
进一步地，所述超声波阵子5为3个，所述超声波振子5沿所述风机1宽度方向设置。
在每个风机1正下方(也就是网带7下方的回风口位置)，沿着宽度方向均匀布置3个超声波振子5。
网带7设置于传送电机上，用于放置冻品。
用超声波阵5子的变频率振动作为风速变频控制的辅助手段，进一步减少冻结时间。
每个风机1的下面沿着宽度方向布置3个超声波振子5，根据冻品所处的不同冻结阶段控制超声波发生器6的功率，进而控制超声波阵子5的频率。低频率高能量的超声波有助于生成均匀较小的晶核，加速冻结过程。但其机械振动产生的热效应不利于食品冻结过程。当检测到冻品处于第一阶段时，超声波发生器6高功率运行，使得超声波振子5高频振动。当在第二、三阶段时，考虑到超声波振子5长时间振动产热不利于冻结过程，超声波发生器6低功率运行，使得超声波振子5低频振动。根据实验可得，超声波发生器6的高功率可选择(36W～72W)左右，低功率可选择36W左右。间隔时间30s，持续工作10为合适的条件。
进一步地，所述风机1为两个或者两个以上，所述风机1包括非末端风机和末端风机，所述进料口、所述非末端风机、所述末端风机和所述出料口依次排列。
进一步地，所述传送组件包括依次排列的第一传送带10和第二传送带11，所述第一传送带10用于传送所述进料口至所述非末端风机下方物料，所述第二传送带11用于传送所述末端风机下方至所述出料口处物料。
在出料的最后一个风机1下面的传送带作为第二传送带11，与前面的第一传送带10分隔开。通过最后一个风机1控制区域的温度传感器检测到冻品刚进入第二传送带时的温度。然后根据在合适风速条件下的第三阶段温度和冻结时间的线性关系，推算出来还需要的冻结完成时间，进而去控制第二传送带11的速度，确保冻品出口的温度正好为-18℃，避免了冻品的过冷冻和欠冷冻。
在某些实施方式中，当上送风风速在20m/s和40m/s之间时，第三阶段温度和冻结时间的线性关系为t＝-0.14T中心温度+11.78。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (9)

1.一种冲击式隧道速冻装置，其特征在于：包括本体，所述本体内设置有温湿度采集组件、传送组件和若干风场形成组件，所述风场形成组件风场，若干所述风场相互独立，所述温湿度采集组件设置于所述风场内，所述传送组件设置于所述风场下方，所述传送组件与若干所述风场形成组件配合使用；所述温湿度采集组件实时采集冻品温湿度和环境温湿度，根据冻品表面和冻品中心温度的关系推算冻品中心温度，根据冻品的冻结阶段和冻结状态调节风速频率；所述风场形成组件包括风机，冻品速冻分为三个阶段，第一阶段是初温到冰点的显热释放阶段需要中风速速冻，第二阶段是冰晶生长阶段需要高风速速冻，第三阶段冰的降温和剩余水的结冰阶段低风速速冻即可，当冻品中心的温度在冰点，若冻品表面的湿度大于库体空气的湿度时，所述风机降频运行：若冻品的湿度和空气的湿度逐渐接近时，所述风机升频运行。
2.如权利要求1所述的冲击式隧道速冻装置，其特征在于：所述风机之间设置有隔板，所述风机下方设置有导风板，所述导风板与所述隔板连接；所述风机包括变频器，所述温湿度采集组件与所述变频器连接。
3.如权利要求2所述的冲击式隧道速冻装置，其特征在于：所述温湿度采集组件包括温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器设置于所述隔板内侧，所述湿度传感器设置于所述隔板内侧，所述温度传感器与所述变频器连接，所述湿度传感器与所述变频器连接。
4.如权利要求2所述的冲击式隧道速冻装置，其特征在于：所述导风板为弧形，所述弧形的曲率半径R为280mm，圆心角θ为60°。
5.如权利要求1所述的冲击式隧道速冻装置，其特征在于：还包括风速调整组件，所述风速调整组件包括第一导风机构和第二导风机构，所述第一导风机构设置于所述传送组件一侧，所述第二导风机构设置于所述传送组件另一侧。
6.如权利要求2～5中任一项所述的冲击式隧道速冻装置，其特征在于：还包括超声组件，所述超声组件包括超声波发生器和超声波振子，所述本体包括进料口和出料口，所述超声波发生器设置于所述本体内侧，所述超声波发生器设置于所述进料口处，所述超声波振子设置于所述风机下方；所述超声波发生器内设置有信号处理器，所述信号处理器与所述温湿度采集组件连接。
7.如权利要求6所述的冲击式隧道速冻装置，其特征在于：所述超声波振 子为3个，所述超声波振子沿所述风机宽度方向设置；所述风机为两个以上，所述风机包括非末端风机和末端风机，所述进料口、所述非末端风机、所述末端风机和所述出料口依次排列。
8.如权利要求7所述的冲击式隧道速冻装置，其特征在于：所述传送组件包括依次排列的第一传送带和第二传送带，所述第一传送带用于传送所述进料口至所述非末端风机下方物料，所述第二传送带用于传送所述末端风机下方至所述出料口处物料；通过温度传感器监测冻品进入第二传送带时的温度，根据温度与冻结时间的关系推算处出冻品冻结完成所需要的时间，控制第二传送带的速度，避免冻品的过冷冻和欠冷冻。
9.如权利要求1所述的冲击式隧道速冻装置，其特征在于：所述温湿度采集组件实时采集冻品温湿度和环境温湿度，根据冻品的冻结阶段和冻结状态调节超声波阵子的频率。
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