The art of air blast freezing: Design and efficiency considerations

finned surface evaporators to cool the air and large fans to direct
the refrigerated air over the carcasses. During the 1950’s blast
freezing became the dominant method of freezing worldwide and
the fundamental principles of carcass freezing changed little over
the next 50 years. Prior to the 1950’s the beef trade was dominated
by quarter beef carcasses. The emergence of the hamburger in
America opened a new market for frozen boneless beef suitable for
direct processing. In response to the new boneless product
demand, Ellis Hardie Syminton Ltd in conjunction with Bill
Freeman constructed the world’s first continuous carton freezer for
27.2 kg beef cartons near Palmerston North (New Zealand). The
freezer blew refrigerated air as low as
40

C at a velocity around
3 m/s over the cartons and achieved freezing times of 24 h.
Over the next 20e30 years, the air-blast freezer became universal
in the New Zealand frozen food industry. Several variations were
developed, including cross flow and vertical air flow systems and
there was a move from batch to continuous production for larger
through puts and reduced labour costs. By the 1980’s, energy effi-
ciency became an important design parameter. Many potential
energy saving initiatives were investigated in terms of both the
refrigeration system and the system as a whole. Such energy saving
initiatives included: improved air flow design by altering the
product stacking arrangement and the use of baffles and turning
vanes, varying the air velocities at different times throughout the
freezing process and the effect of product packaging on freezing
times. The easiest and most advantageous energy saving device
today is the use of variable speed drives (VSD’s) on evaporator fans.
3. Why blast freeze?
The killing of bacteria is largest in the range 4

C to 10

C due
to ‘cold-shock,’ where their metabolism is disturbed, even stopped.
When the freezing rate is slow, the bacteria have time to adapt to
the new conditions, hence food needs to be frozen quickly.
There are various methods available for food freezing, these
include: air-blast freezers (batch and continuous), fluidised bed
freezers, impingement freezers, liquid immersion freezers, plate
freezers, liquid nitrogen freezers and carbon dioxide freezers. The
major advantage of the air blast freezer is its versatility. Since air is
a low viscosity fluid it has the ability to easily follow around
irregular surface geometries, thus providing a more uniform
freezing rate over the whole product. Other freezing methods such
as plate freezing (contact freezing) offer faster cooling times
[2]
but
can only be used with products of a suitable geometry, i.e. a flat
surface to match the plate bed.
4. Types of air freezers
Air is the most widely used method of freezing food as it is
economical, hygienic and relatively non-corrosive to equipment
[4]
.
Various forms of air blast freezers are used in industry
[5e16]
.
1. Sharp freezer: or blast room freezer is a cold storage room that
relies on natural convection and low air movement from
evaporator fans to circulate the cooling air resulting in slow
freezing times. This arrangement is sometimes used for bulk
products like butter, beef-quarters and fish, but not for pro-
cessed food products.
2. Tunnel freezers: the refrigerated air is circulated by large fans
over the product confined in an insulated closed room. Meat
carcasses are supported by hooks suspended from a conveyor
or specially designed racks. The trays or spacers are arranged to
provide an air space between each layer of trays. The air can
either be cross flow or counter flow, depending on the type of
tunnel freezer. Various forms of tunnel freezers exist including:
2a Batch Freezers: the product is stacked on pallets, or hung
from hooks on slide rails in the case of carcasses, and
loaded into the freezer using fork hoists. This is an on/off
process where the freezer is loaded, run until the meat is
frozen to its desired temperature, then pumped down and
switched off for unloading. Batch blast freezers are suit-
able for small quantities of varied products
[17]
. Typically,
the heat transfer coefficient is less than 50 W/m
2
K (
Fig. 1
).
2b Mechanised freezers: the pallet racks are fitted with casters
or wheels. The racks or trolleys are usually moved on rails
by a pushing mechanism, usually hydraulically powered.
Such mechanised tunnel freezers are known as push-
through tunnels or carrier freezers which have two tiers,
one on top of the other. These freezers are designed
primarily for packaged goods, as well as carcasses.
Advantages of mechanised freezers over batch freezers
include: improved air circulation over the product as it
moves at a steady rate through the tunnel; labour costs
are considerably decreased as pallets are not manually
placed in the freezer; and there is added flexibility of the
facility by varying the freezing time with the speed of the
ram
[18]
. Heat transfer coefficients in mechanised freezers
are similar to batch freezers being less than 50 W/m
2
K.
2c Belt freezers: the product is loaded on a continuous
conveyor belt. Modern belt freezers usually employ
vertical air flow to force air between the product items
creating good contact with the product. Typically, the heat
transfer coefficient of belt freezers varies between 25 and
80 W/m
2
K. Multi belt freezers offer the advantage of
smaller floor space compared to single belt freezers. There
are several forms of belt freezers:
i) Multi-tier belt freezers: consist of several conveyor
systems positioned one above the other with fans and
coils positioned above the top belt. The air flow in belt
freezers can either be vertical or horizontal over the
product. The most efficient flow is determined by the
product
characteristics,
dimensions,
packed
or
unpacked, as well as degree of processing and
composition.
ii) Spiral belt freezers: where the belt is coiled in numerous
revolutions around one vertical central axis to optimise
the use of floor space. The belt can stack 30 tiers or
Fig. 1.
Schematic of a typical batch air blast freezer.

tải về 1.05 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: