长期以来，工业制冷一直是保护易腐食品质量和安全的有效方法。冷冻和冷却设备对于帮助制造商在保持风味和质地的同时延长产品保质期至关重要。在过去的几年里，由于自动化、安全性和可持续性方面的进步，食品制造商已经能够进一步从工业制冷中获益，这有助于提高当今冷冻和冷却设备的性能和效率。
“市场上对冷冻和冷藏食品的需求急剧增加，对冷藏配送系统的需求也在急剧增加，”Andrew Pipkin说恒星佛罗里达的杰克逊维尔。总部位于美国的设计建造公司。“随着家庭倾向于花更多宝贵的时间与家庭成员在一起，而不是准备食物，我们看到市场趋势主要集中在冷冻和冷藏食品领域以及预制食品领域。”
起点
随着冷冻和冷藏食品越来越受欢迎，制造商正在寻求通过冷冻和冷却设备来满足不断增长的生产需求，这些设备可以最大限度地提高效率，提高容量和吞吐量。皮普金表示，在选择工业制冷设备时，制造商应主要考虑生命周期成本，评估设备的长期可靠性、效率和性能，以提供最佳的投资回报。处理器不仅要记住初始的资本支出，还要分析设备在其生命周期内的运行成本，包括能源消耗、维护成本、维修、环境影响、法规遵从性、潜在的设备停机时间和人工成本。
Pipkin建议制造商进行冷却负荷计算。工业制冷在满负荷运行时工作效率最高，但这种情况很少发生。冷却负荷计算评估冻结或冷却设备是否能有效地去除热量，同时保持温度设定值条件。它可以防止制造商错过生产率基准，并帮助他们避免过程效率低下和浪费能源。
Pipkin解释说:“进行适当的负载计算非常重要，不仅要考虑峰值性能，还要考虑平均性能和低规模性能。”他补充说，制冷系统通常是为一年中最热的一到两天设计的，以便能够在最艰苦的条件下排除必要的热量。“每隔一天，它就会以低于峰值容量的速度运行，因为在其他日子里，它不需要那么努力地工作来抵御高温。这是制冷领域的一大挑战。为了避免短周期问题和设备过早故障，你(必须)有这种开关能力。从大局出发，为业主可能面临的低负荷场景进行设计，与为峰值负荷能力进行设计一样重要。对于一些系统来说，低负载情况可能更常见，因此对能源消耗的影响比峰值容量更大。”
提高效率的动力
为了确保冷冻和冷却设备有效运行，许多工业制冷专家建议将变频驱动器(VFD)应用于设备。vfd可以降低设备的速度，有助于降低能源成本，延长设备的使用寿命。但是vfd也可以很容易地增加冰箱或冷却设备，如果它是满负荷的。例如，冷凝器风扇上的vfd可以控制浮头压力。通过VFD降低浮头压力，降低了冷凝器风扇电机和压缩机电机的能耗。vfd还可以提高制冷系统其他领域的整体效率，包括蒸发器、风扇电机和泵。
vfd还可以通过改变每个产品的气流来帮助制造商冷却或冻结各种产品。例如，如果一个处理器冻结了厚的半磅汉堡肉饼，它不能使用相同的气流速度来冻结更薄的香肠肉饼，因为气流会把肉饼从传送带上吹走。使用VFD，操作员可以轻松地调整风扇的速度，以适当的速度冻结肉饼，加快转换。“VFD的好处是它可以调节气流，所以它不会把产品吹得到处都是，”Paul Osterstrom说，该公司营销和销售高级副总裁先进设备公司是一家位于加拿大不列颠哥伦比亚省里士满的冰柜和冷冻机供应商。“vfd使机器在运行任何产品时都更加灵活。”
“这是我们越来越多地遇到的问题，因为我们的客户在一个冰箱里运行许多不同的产品。有时需要10到20种不同的产品，它们不需要相同的气流，”德国杜塞尔多夫的产品经理马蒂厄•努欣(Mathieu Nouhin)表示赫亚．“我们在风扇电机上添加了变频器，这样我们就可以优化产品的气流，为风扇选择合适的速度，然后节省能源。”
保险起见
许多类型的冷却和冷冻设备使用循环就地清洗(CIP)系统，该系统对设备进行多次清洗，并在CIP过程中回收清洗溶液。它可以确保彻底清洁，节省水的消耗。图片由Advanced Equipment Inc提供。制造商还要求他们的工业制冷设备具有更多的食品安全特性。例如，供应商正在用非空心结构和焊接结构设计他们的设备。与使用螺栓结构或嵌缝接头的设备不同，焊接结构没有细菌生长的避风港。此外，一些制造商正在用完全焊接的销而不是板将他们的工业制冷设备从地板上举起来，这可能会困住灰尘和细菌。如今的冷冻和冷却设备通常都是开放式的，这样工人就可以很容易地接触和清洁它。
奥斯特特罗姆表示，冷冻和冷却设备的设计和材料是确保食品安全的关键:“如果你的冰箱设计得不适合清洁，那么你的CIP(就地清洁)系统再好也没用。如果你不设计一种方法来防止食物被困住，减少焊接的数量，减少任何多孔结构，或减少螺栓之类的东西，那么它仍然不能清洁。所以它是CIP系统和冰箱的结合，专为清洁而设计。”
供应商正在增强其冷冻和冷却设备的CIP功能。例如，GEA和Advanced Equipment提供循环CIP系统，可多次清洗设备，并在CIP过程中回收清洗溶液。溶液经过过滤后，再注入设备中进行进一步清洗。这种CIP系统确保设备在不使用过量的水的情况下被彻底清洗，从而节省大量的水。
一些制造商，如肉类加工者，要求非常高的卫生水平，所以他们使用热处理或巴氏杀菌系统结合CIP。在CIP过程完成后，加热系统将冷却器或冰柜内的温度提高到约170°F，以杀死CIP系统可能遗漏的任何剩余病原体。然而，热处理仅对使用焊接结构的冷冻和冷却设备有效。
努欣说:“这只有在完全焊接的外壳下才有可能实现。”他说，一些冰柜供应商使用绝缘面板，这种面板是用嵌缝接头组装而成的。“这些嵌缝接头可以抵抗140华氏度的最高温度，这意味着你无法达到巴氏杀菌温度。但是完全焊接的外壳，没有嵌缝接头或硅胶接头。所以我们可以提高温度，达到170华氏度的巴氏杀菌温度，以确保所有的细菌都被杀死。”
制造商也在转向自动化来加强他们的食品安全协议，遵守食品安全法规。传感器、可编程逻辑控制器和其他类似的物联网设备允许操作员确保一致的温度控制和连续的温度监测。此外，冷冻和冷却设备中的自动化记录和存储数据，制造商需要向监管机构验证他们是否符合食品安全准则。
皮普金说:“随着食品安全变得越来越严格，对制冷系统正常运行和保持适当温度的要求也变得越来越严格。”“因此，计算机控制程序和数据记录不仅对处理非常重要，对制冷系统也非常重要。”他补充说，制造商有义务长期保存这些数据，以证明他们遵守了程序、监管要求和良好的生产实践。
GEA的CALLIFREEZE使用传感器来监控产品从冷冻室流出的状况，然后自动校准冷冻室的参数，以确保冷冻室中的产品根据最佳要求(包括空气温度和保存时间)进行冷冻。图片由GEA提供。GEA在其冷冻机生产线中使用CALLIFREEZE传感器来监控产品从冷冻机中流出的状况，然后自动校准冷冻机的参数，以确保产品根据最佳要求冷冻。控制系统连续监测食品中的结晶水水平，然后自动调整产品在冰柜中的停留时间、空气温度和风扇转速，以最低的能耗达到所需的精确冷冻水平。
使用传统的冰柜，操作人员通常会从生产线上随机抽取一批产品来测量温度。由于产品通常完全冷冻，操作人员无法将温度探头插入其中。所以他们测量了产物之间的冻结温度。
努欣说，GEA使用了一种传感器，可以自动连续地测量产品，并测量其冰冻和温度水平。“我们现在有一个内联测量，提供准确的信息和信任的产品的冷冻质量在冷冻室出口。我们还可以使用这个传感器来控制我们的冷冻室，以确保冷冻室的参数调整到符合目标要求。”
努欣说，有了CALLIFREEZE，处理器可以持续监控产品。“这提高了食品安全，因为他们可以确保从冷冻室发出的产品符合他们为这一过程设定的温度目标。”
绿色的担忧
除了提高食品安全，许多制造商还希望他们的冷冻和冷却设备能帮助他们减少对环境的影响，这促使他们考虑使用最好的制冷剂。成本效益高的合成制冷剂，如氯氟烃和氢氯氟烃，由于其高全球变暖潜能值(GWP)而失宠。许多安全和环保机构鼓励制造商使用天然制冷剂，如二氧化碳、无水氨和丙烷，因为它们不会损害环境，几乎没有全球变暖潜能值和臭氧消耗潜力。
皮普金说:“我们通常建议保留天然制冷剂作为可行的选择，因为我们已经看到天然制冷剂的使用寿命。”“我们已经禁止使用人造制冷剂30年了，似乎可用的用途越来越少，而天然制冷剂，尤其是一氧化碳2比如氨和丙烷，它们在今天仍然被广泛使用。”
氨仍然是制造商中最受欢迎的天然制冷剂选择。它是一种丰富、低成本的自然资源，具有优越的热力学性质。由于氨在蒸发时可以吸收大量热量，制造商可以使用更少的氨来达到与其他制冷剂相同的性能水平，同时使用更小、更薄的管道和组件。然而，氨也是剧毒和易燃的，这就是为什么它受到众多政府机构的监管，包括职业安全与健康管理局和环境保护局。
为了降低工人接触氨的风险，并减少冷冻和冷却设备中氨的使用量，一些制造商正在使用氨-二氧化碳级联系统。级联系统使氨和二氧化碳通过各自独立的压缩机循环，制冷剂在分离的回路中循环。这两个电路由一个称为级联冷凝器的热交换器连接。氨通过高温回路，而二氧化碳通过低温回路。这种配置允许氨负荷被限制在机房，而二氧化碳存在于加工和储存区域，并可以通过管道输送到工厂的其他部分。
FRICK的低电荷中央系统使用远程分布式冷凝装置，以最大限度地减少液氨。它只在整个工厂中分布蒸汽氨。氨蒸汽只在使用时凝结成液体。图片由FRICK提供。传统的两级纯氨系统的另一种安全、环保的替代方案是低充能氨系统，它使用的氨体积非常小。例如,弗里克该公司的低收费中央系统(LCCS)起到了帮助作用Congebec加拿大魁北克省最大的冷藏服务提供商，将氨收费降低了80%。LCCS通过在整个工厂中只分配蒸汽氨来最大限度地减少液氨。氨蒸汽只在使用时凝结成液体。机舱内没有液氨，它只存在于工厂内需要它的地方附近。该系统大大减少了制冷空间中的氨含量，从而减少了可能伤害工人的潜在产品损坏和氨泄漏。
“我们没有在整个设施中移动液体。我们只是移动的蒸汽。所以我们用蒸汽线而不是液体线来连接所有东西，”弗里克高级产品经理内文·福里解释道。“我们在接近使用点的地方冷凝，在这些地方只储存非常少量的液体，然后我们在蒸发器上使用低充注技术。我们使用的是直接膨胀式蒸发器，这意味着我们在运行的蒸发器中不会有很多液体。
“然后我们只是把蒸汽从A点移动到B点，再回到压缩室，”他补充道。“所以压缩室是我们认为的一个中央系统，然后我们将液体保持在那些偏远地区的最低限度。”
大寒冷
虽然大多数制造商使用机械制冷，如低负荷氨系统，但低温制冷是另一种不使用任何氨的环保选择。机械制冷使用制冷剂冷却盘管以降低空气温度。冷却后的空气经过食品以去除热量。另一方面，在低温制冷中，食物被喷洒液氮或二氧化碳，或直接浸入液氮或二氧化碳中。食物几乎立即被冷冻或冷藏。
低温制冷比机械制冷有许多优点。作为制冷剂，氮气或二氧化碳对环境的影响可以忽略不计。此外，低温制冷可以达到更低的温度，并且比机械制冷更快地冷却产品。例如，机械冻结可以达到零下40华氏度。低温冷冻可以低至-160华氏度液氮和-80华氏度液态二氧化碳。这种类型的快速冷冻显著减少脱水或冷冻烧伤，从而保护产品的质地和风味。
“如果我能更快地冷冻东西，这意味着我将得到更小的冰晶，这意味着更高质量的产品，”斯科特罗伯逊说，北美食品工业经理空气化工产品公司这是一家总部位于宾夕法尼亚州阿伦敦的工业气体公司。
低温制冷的前期成本也较低。与机械制冷设备相比，设备的购买和安装成本低廉，占地面积更少。但是低温制冷需要大量的制冷剂，这是一项持续的、昂贵的费用。
金刚狼包装公司这家位于底特律的肉类加工商安装了两套低温底注(BI)冷却系统后，已经看到了投资回报梅塞尔集团这家位于新泽西州布里奇沃特(Bridgewater)的公司为食品行业提供工业气体以及冷冻和冷却设备。处理器使用该系统在研磨和形成肉饼之前混合其碎牛肉产品。该系统利用氮的热力学性质，从金刚狼的双混合器底部的多个点注入液氮。氮气在被注入的那一刻就开始冷却产品，并在它与食品分散和混合的过程中继续冷却。据Wolverine的生产计划人员Riley Cronk介绍，BI系统将肉的温度冷却在29°F到31°F之间，这是形成肉饼的理想温度范围，比公司之前的冷却系统每批快30秒左右。
金刚狼之前使用的二氧化碳低温冷却系统工作良好，直到公司不得不增加产量。当液体二氧化碳被注入肉中时，金刚狼必须给低温物质足够的时间来升华。但随着生产需求的增长，该公司没有时间等待完全升华。所以细小的二氧化碳颗粒变成了水分而不是气体，把水分困在肉里。这造成了红色液体和空气从包装中的肉泄漏。
当金刚狼切换到BI系统时，它不需要等待很长时间就可以与混合后的氮发生升华。因此，新的BI系统帮助公司每天多获得50分钟的生产时间，或每天多3到5个批次。这相当于每天多吃3万磅碎牛肉饼。
“我们不再有质量包装的问题，”克朗克说。“我们不必担心CO2雪困在肉里导致了质量问题，这加速了我们的整个过程。这是一个巨大的好处。每批多出的30秒非常有帮助。”
