第十一章 速冻与制冰设备

冷冻设备在农产品及食品加工与贮藏方面的应用广泛，如：食品的冻结、冻藏和冻结运输；冷却、冷藏和冷却运输；食品的冷冻加工；生产车间的空气调节；工艺用冰和食用冰产品的制备等。

第一节 压缩制冷原理及系统 一、压缩制冷原理 人工制冷是指利用制冷剂能从较低温度的物体中连续地或间断地吸热，然后散热于周围环境中。根据制冷剂及设备的不同有蒸气压缩制冷、蒸气喷射制冷和吸收式制冷等方式，食品工业中常用的方法是蒸气压缩制冷循环。

蒸气压缩制冷循环（见图）是一以制冷剂蒸气为工质，通过对制冷剂压缩做功为补偿，利用汽化潜热来吸热的制冷循环过程。蒸气压缩制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四部分组成。制冷剂经过蒸发器后，制冷剂的低压低温蒸气被压缩机吸入，经压缩提高压力又增加温度，成为高压高温的过热蒸气，此为等熵过程（图中1→2）。

该过热蒸气的温度高于环境介质的温度，而压力可使制冷剂蒸气能在常温下冷凝成液体状态，当被排至冷凝器时，经冷却（2→3）、冷凝（3→4）成液态高压的制冷剂，把热量传给冷却水为等压过程（图中2→4）。

高压液体通过膨胀阀时，其压力因节流作用而降低后，制冷剂液因沸腾蒸发吸热，使其本身温度下降，此为等焓过程（图中4→5）。把这种低压低温的制冷剂引入蒸发器，进行蒸发吸热，使周围空气及物料温度下降，此为等压等温过程（图中5→1）。从蒸发器出来的低压低温蒸气重新进入压缩机，完成一制冷循环。

图14-1 蒸气压缩制冷循环原理图

第二节 食品速冻设备

食品在温度降低到－1℃时开始冻结，最大冰晶生成区在－1～－4℃。速冻时需要使食品尽快通过这一最大冰晶生成区，并使其平均温度尽快达到-18℃以下。

冻结过程中水分在食品内基本未产生迁移，速冻食品内形成的冰晶细小均匀，不会在细胞间生成过大的冰晶体，细胞内水分析出少，减少了解冻时汁液流失。并且短时间内完成整体冻结，避免了冻藏期间的缓慢冻结效应，细胞组织内部各种浓缩溶质接触时间短，降低了浓缩危害程度。

一、速冻方法与特点 食品速冻方法和设备，随食品的形状、大小与性质的不同而不同。冻结过程中需要防止过大冰晶的形成，因此要求冻结时间必须短，同时还要求操作方便，可以实现机械化的连续生产。 一般常用的速冻方法有空气冻结法、接触冻结法、浸渍冻结法等。

（1）空气冻结法 空气冻结法即利用室内空气与物料的温度差，通过自然对流传热来冻结食品的方法。根据空气流动状态可分为： 静止空气冻结法 在冷却室上方设蒸发器，食品放置在其下方搁架上，利用室内空气温差（-20℃～-30℃）形成的自然对流来冻结食品，这是最早采用的速冻方法。因在静止空气中冷冻，表面传热系数小，冷冻缓慢，约需12～72h，食品的失水非常显著，但构造简单，无须特别操作，一次处理容量较大，目前仅用于体积较大以及特殊形式的产品。

送风冻结 送风冻结装置的冷冻室多为隧道结构，上部隔开设置蒸发器，食品置于其下方的可移动挂架上或运输带上，利用鼓风机送风流经蒸发器进入下部的冷冻室形成循环流动，室内流动空气温度约-30～-40℃。 半送风冻结 在普通空气冻结室内增设送风机，利用送风机压送冷风通过冷却器加速冷却食品。风速一般为1.5～2.0m/s，同普通静止空气冻结法相比冻结时间可以减半。相对于送风冻结，该法相特称之为半送风冻结法。

（2）接触冻结法 将食品与表面温度达-25～-40℃的冷却板密切接触，完成食品的冻结。冷却板为中空结构，内部通以一次或二次冷媒。冻结速度非常快，冻结效果好，因冻结过程中食品与空气接触的机会少，可避免氧化效应，但要求食品平坦整齐。

（3）浸渍冻结法 亦称二次冷剂冻结法。将拟冻结的食品浸入低温冷媒(如盐水、糖浆、甘油等)中，或喷射冷却介质于食品表面，有时为加速冻结，辅以搅拌使冷媒流动，完成食品的冻结。这种方法冷媒与食品直接接触，因此效率非常高，但只适用于不受冷却介质影响的食品。 近年来有使用适当的耐水防湿性包装材料，可密封包装食品浸入冻结，于是过去认为不适用的氯化钙、甲醇等二次冷媒，也可采用。

（4）其他冻结方法 除上述冻结方法外，其他常用的还有液态氮冻结法、送风及浸渍并用冻结法和送风连续式冻结法等。 速冻设备的冻结温度一般为－30℃～－40℃，适用于快速冻结块状、粒状、片状等食品物料。食品速冻设备可按冷却方法分类，也可按整体结构分为隧道式、带式、流化床式和螺旋式等。

2 常见速冻设备 （1）平板式速冻器 平板式冻结器采用直接接触冻结法，外壳用绝热材料包裹，直接工作构件是一组作为蒸发器的空心平板，空心内通入制冷剂，板管间隙也可灌注盐水。被冻食品压在两相邻的平板间，食品与平板间接触密实，其接触压力一般为7～30kPa，传热系数可达93～120W／（m2·K）。冻结平板的两面与食品（或冻盘）接触，内腔为制冷剂的通道，有以下几种形式：

图14-20 铝合金平板的拼装 (1)凹凸型 （2）凹凸凹型 异形管拼装平板（见下图） 内腔为矩形，两侧分别为燕尾形凹槽和凸榫，若干根异形管拼装成平板。 图14-20 铝合金平板的拼装 (1)凹凸型 （2）凹凸凹型

矩形无缝管焊接平板（见下图） 冻结平板由矩形无缝钢管或铝管拼焊而成，制造工艺简单。 图14-21 矩形无缝钢管焊接平板 1.平板蒸发器 2.接头 3.滑板 4、5.封板 6.堵头

根据平板的布置形式，平板式速冻设备分为卧式、立式两类。 ①卧式平板速冻机 图14－22 厢式水平平板速冻机 1.门 2.冻结平板 3.料盘 4.二级制冷剂分配管 5.一级制冷剂分配管6.冻结平板挂接连杆 7.上压板 8.冻结平板提升液压缸 9.液压泵站

1.机架 2、4.橡胶软管 3.供液管5.吸入管 6.冻结平板 7.液压装置 ②立式平板冻结装置 图14-24 立式平板冻结装置结构示意图 1.机架 2、4.橡胶软管 3.供液管5.吸入管 6.冻结平板 7.液压装置

(2)隧道式连续速冻器 隧道式连续速冻器（见下图）为一种空气强制循环的速冻器，主要由绝热隧道、蒸发器、液压传动、输送轨道、风机等五部分组成。速冻温度为-35℃，隧道内装有数组蒸发器，每组蒸发器配置若干台鼓风机。

1—绝热层 2—冲霜淋水管 3—翅片蒸发排管 4—鼓风机 5—集水箱 6—水泥空心板 图14-25 隧道式连续速冻器 1—绝热层 2—冲霜淋水管 3—翅片蒸发排管 4—鼓风机 5—集水箱 6—水泥空心板

( 3)螺旋式速冻机 螺旋式速冻机中输送系统的主体为一螺旋塔（见下图）。均布在传送链上的冻品，随传送链作螺旋运动，同时由强迫对流蒸发器送来的冷风穿过物料层、传送链（下图）对物料进行冻结，并循环使用。冻结完毕的物料从卸料口卸出。

图14-26 螺旋式冻结装置结构 1.空气冷却器 2.转筒 3.产品出口 4.传送链张紧装置； 5.自动清洗装置 6.干燥器 7.产品入口 8.液压泵

图14-27 螺旋式冻结装置工作原理 1.蒸发器 2.风机 3.传送链 4.转筒

图14-28 螺旋速冻机传送链条循环传动示意图 1.驱动轮 2.转筒 3.传送链条 4.重力张紧器 5.电动张紧器

图14-29 螺旋式速冻机传送链布置形式 （a）单转筒 （b）双转筒

图14－30堆砌式链条螺旋速冻机

螺旋式速冻器的特点是：生产连续化，结构紧凑，占地面积小，食品在移动中，受风均匀，冻结速度快，效率高，干耗重量损失小，但不锈钢材料消耗大，投资大。适用于处理体积小而数量多的食品，如饺子、烧麦、对虾、饺子、肉丸、贝类、水果、蔬菜、肉片、鱼片、冰淇淋和冷点心等单体不大的食品。

（4）流态化速冻机 食品流态化速冻机在冻结过程中，食品物料处于流态化状态，是实现食品单体速冻（IQF）的一种理想设备。与其他冻结设备比较，这种速冻机的冻结速度快、产品质量好、耗能低，适宜于冻结球状、圆柱状、片状及块状颗粒食品，尤其适宜果蔬类单体食品的冻结加工。

流态化速冻机一般由物料传送系统、冷风系统、除霜装置、围护结构、进料机构和控制系统等组成。物料传送系统构成速冻机的流态化速冻床。冷风系统围绕物料传送系统设置，主要由风机、蒸发器和导风结构所组成。除霜装置用于除去蒸发器表面的积霜，围护结构是指速冻机的绝热外壳，由绝热材料和结构材料组成。进料机构通常采用带孔的斗式提升机。

流态化冻结装置接物料传输系统通常分为3种形式，即带式、振动槽式和斜槽式。

带式流态化速冻装置 图14－31 York带式流态化速冻机

图14-32 带式流化速冻装置传送带的排列 （a）双流程 （b）三流程

振动流态化速冻装置 图14－33 MA型往复式振动流化速冻装置 1.蒸发器 2.卸料口 3.物料 4.进料口 5.机罩 6.风机

（5）浸渍式速冻机 这种速冻机多为隧道式结构，在隧道内将被冻结物料与温度很低的液化气体或液态制冷剂直接接触，制成速冻产品。

(a)

1.排散风机排风口 2.进料口 3.搅拌风机 4.风机 5.液态氮喷雾器 6.出料口 （b） 图14－34 液态氮速冻装置 (a)外形 (b)内部构成 1.排散风机排风口 2.进料口 3.搅拌风机 4.风机 5.液态氮喷雾器 6.出料口

第三节 制冰机

冰广泛地用于食品工业中，可用于短期保存食品或原料，如铁路冷藏运输中一直沿用的冰盐冷却用冰；肉品加工过程中常常需要添加冰片代替加水来吸收加工过程中产生的热量，保持物料的低温状态；餐饮业中有些食品或饮料需要加入冰制品调节口味或调节温度。这些工艺用冰制备所用专门设备即为制冰机。

1 大型冰块制冰机 （1）冰桶式快速制冰机 冰桶式快速制冰机（图14-35）用于大型冰块的制取，其直接工作构件夹层冰桶和设在冰桶内的双套管指形蒸发器。氨液在冰桶夹层和指形蒸发器内蒸发，直接吸收冰桶内水的热量，冰层首先在冰桶内壁和指形管外壁形成，然后逐步扩大，一直到桶内水全部冻结。由于采用了直接蒸发式和内外同时进行冷冻方式，结冰过程大大缩短，可实现快速冻冰。

图14-35 冰桶式快速制冰机原理图 1.热氨管 2.氨泵 3.排液器 4.冰块 5.水位计 6.多路阀 7.指形蒸发器 8.上水管 9.冰桶 10.给水阀 11.预冷器水箱 12.溢水管 13.供液管 14.吸入管 15.浮球阀 16.氨液分离器

（2）管冰机

2 专用冰制冰机 图14－38 圆柱冰制冰机

图14－39 方形冰制冰机

图14－40 雪花冰制冰机

图14－41 矿块冰制冰机

图14－42 滚筒式鳞形冰制冰机

3 连续式冰淇淋凝冻机 冰淇淋是一种冰晶、空气和浆料的混合物。在冰淇淋生产工艺过程中，凝冻是指冰淇淋加工中混合浆料在强烈的搅拌作用下充入空气进行冷冻结晶的过程。凝冻筒内受到连续剧烈搅拌的冰淇淋混合浆料，在制冷剂的换热作用下，浆料中的水分不断地冻结成细微的冰晶，随后被刮刀刮下后分散到混合料液中。随着凝冻过程的进行，冰晶不断形成及被均匀分散到浆料中去，同时，连续不断地加入的空气在搅拌作用下形成极小的气泡均匀地分布在料液中，使冰淇淋的体积增加而膨胀。当料液中的冰晶和微小的气泡达到一定比例时，就成为具有一定膨胀率的软质冰淇淋。

（1）凝冻机的基本构成 凝冻机是工业化冰淇淋生产的关键设备，对于冰淇淋生产质量有重要影响。主要由送料装置、空气混合装置、凝冻筒、刮刀、搅拌装置等构成，有些机型还配置有制冷装置。

（2）卧式冰淇淋凝冻机 卧式冰激凌凝冻机（图14-43）由进料槽、星月泵、凝冻器、冷气系统等组成，其中凝冻筒呈水平布置。图示机型无内置制冷压缩机。

图14－43 卧式冰淇淋凝冻机 1.控制阀 2.喷射器 3.浮球阀 4.液氨贮筒 5.喷氨开关 6.恒压阀7.出料阀 8.凝冻筒 9.过滤器 10.电气箱 11.进料槽 12.氨直通阀13.无级变速器 14.空气调节阀 15.星月泵 16.主电机 17.泵电机

工作过程 来自老化缸的冰淇淋浆料进入进料糟后，顺序通过供料泵和乳化泵将浆料与空气均匀混合后送入凝冻筒中，在凝冻筒内高速旋转的两片刮刀的搅拌下，空气以气泡形式均匀分散于浆料中，引起体积膨胀。使冰淇淋保持一定的疏松度。由于凝冻筒夹层中氨的蒸发，浆料与凝冻筒内壁接触，其中的水分在筒壁内表面冻结形成冰晶，并迅速被旋转的刮刀刮下。在连续进料的压力下，浆料在凝冻筒内被不断凝冻、刮下和混合，直至从出口压出，进入下道工序。

（3）立式冰淇淋凝冻机 立式冰淇淋凝冻机（图14-45）主要由立式凝冻筒、空气混合泵、料箱、制冷系统、电气控制系统等部分组成。通过变频调速改变电动机的转速，可调节柱塞泵的输出量，用来控制生产能力及凝冻质量。

1.可调支脚 2.左侧门 3.溢流阀 4.空气调节阀 5.针阀 8.变频旋钮9.按钮 图14-45 立式冰淇淋凝冻机 1.可调支脚 2.左侧门 3.溢流阀 4.空气调节阀 5.针阀 8.变频旋钮9.按钮 10.膨胀阀 11.料箱 12.总开关13.出料阀14.料管15.右侧门 16.压力表 17.制冷系统 18.空气混合泵