The art of air blast freezing: Design and efficiency considerations

There are several optimum air velocities that are used for tunnel
blast freezers in the open literature, depending upon the particular
product being frozen; however, the generally accepted value is 4 m/
s. Although increasing the air velocity will increase surface heat
transfer coefficient, it does not necessarily reduce cooling time due
to the increased heat load from the fans because fan power, W f V
3
.
This increase in fan power increases the running cost usually
rendering the increased fan speed uneconomical when compared
to slower speeds. Furthermore Kolbe et al
[32]
showed that
increasing the air velocity above 5 m/s only barely increased the
freezing rate. This is because partway through the freezing cycle
when the surface layers are frozen, the rate of heat transfer is
increasingly controlled by the internal conduction resistance, i.e.
the Biot number becomes large.
When sizing evaporators for tunnel blast freezers, a frost build-
up factor must be considered with fin spacing of no more than 4
fins per inch
[34]
. When air coolers are mounted above a false
ceiling, logarithmically spaced air deflectors can be installed to help
deflect the air through the 90

turns and help distribute a uniform
airflow over the products.
Modern spiral freezer designs eliminate any type of structure
and belt support and each tier is supported directly on the previous
one (self-stacking belt). The temperature of the refrigerated air is
below
30

C, generally being closer to
40

C, with a circulation
velocity ranging from 3 to 8 m/s. In simple designs the air flow
direction relative to the belt can be horizontal, parallel or vertical
(both upwards and downwards). Further design improvements
implementing the use of baffles and flow dividers can provide air
flow vertically upwards through the lower half of the stack and
downwards through the upper half (controlled dual flow). This
balances the heat transfer on the two sides of the food, and slightly
decreases freezing time and weight loss.
The current state of the art developments are focused on
impingement freezers, dual air systems
[35]
and improving the air
flow distribution throughout air blast freezers with the aid of
computational fluid dynamics (CFD). Various studies
[36e43]
with
CFD application to air blast freezers have been performed in the
open literature. CFD delivers detailed information e both in time
and space e of the flow field, the temperature and moisture
distribution, the shear forces and the heat fluxes. Furthermore,
computer visualisation gives a direct insight in the process, which
allows a fast interpretation of any possible problem. Finally, the
model-based procedure allows the evaluation of many what if
scenarios at little cost compared to the process of prototyping.
8. Product geometry
Product geometry plays a significant role in determining
freezing time. Most meat plants use a standard carton depth of
160e165 mm. A reduction in carton depth can significantly reduce
freezing time. The most important areas of the carton are the top
Table 1
Summary of forced convection freezing methods.
Freezer type Product
Air velocity
H.T.C
a
W/m
2
C Capacity
Advantages
Disadvantages
Batch tunnel Useful for all foods but better for
bulk items, particularly carcasses
1.5-6 m/s
Typically z 4 m/s
h < 50
[20]
1e80 tonnes
i) Low capital cost
ii) Versatile, can accommodate
various product geometries
i) Long freezing times
ii) Relatively low H.T.C
Continuous
tunnel
Useful for all foods but better for
bulk items. Mainly suited to
packaged product due to hygiene
issues
1.5e6 m/s
Typically z 4 m/s
h < 50
[20]
1000e20,000
kg/hr
i) Reduction in down time as
the freezer is not stopped for
loading/unloading
ii) Flexible with freezing times
i) Requires additional space
ii) Reduced freezing capacity
due to frost on evap. coils
Spiral
Suitable for most foods, packaged or
unpackaged e.g. poultry, red meat,
sea, bakery product
3e8 m/s
h z 25e80
[21]
500e6000 kg/hr i) Compact
ii) Capable of IQF
iii) Higher efficiency than
tunnel
i) More expensive than tunnel
freezers
ii) Hygiene issues
Fluidised bed IQF small products, .5e5 cm
diameter, e.g. peas, French fries,
shrimp, scallops, diced meat, meat
balls
z30 m/s
h z 110e160
[21]
100e20,000
kg/hr
i) Very fast freezing times,
comparable to cryogenic only
cheaper
ii) High efficiency
i) Only suitable for small
products of fairly uniform
shape and size
Impingement IQF. Meat patties, fish fillets,
shrimp, French fries. Product
thickness typically 0e25 mm
1
10e100 m/s
Typically z 40 m/s
h z 250e350
[21]
Depends on
application,
can be up to
1200 kg/h
i) Reduced moisture loss
ii) Very fast freezing times,
similar to cryogenic
i) Only suitable for products
of small thickness
a
Heat transfer coefficient.
Fig. 4.
Freezing curves for packaged and unpackaged meat product in an air blast
freezer.
Table 2
Heat transfer resistance of packaging
[22]
.
Heat transfer resistance (m
2
K/W)
Source of heat transfer resistance
Frozen fish
Frozen beef
Convective boundary layer external to
carton
.04
.04
Carton wall
.06
.02
Nominal 1 mm layer of trapped air
between carton and product
.04
.04
Product itself between surface and
geometric centre
.03
.06
Total
.17
.16
Heat transfer resistance due to
packaging system (%)
59
38

tải về 1.05 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: