The art of air blast freezing: Design and efficiency considerations

The art of air blast freezing: Design and efficiency considerations
Patrick Dempsey, Pradeep Bansal
*
,
1
Department of Mechanical Engineering, The University of Auckland, Private Bag e 92019, Auckland, New Zealand
a r t i c l e
i n f o
Article history:
Received 16 March 2011
Accepted 6 December 2011
Available online 13 December 2011
Keywords:
Blast freezer
Batch
Carton
Refrigeration
Low temperature
Energy
Efficiency
a b s t r a c t
Air blast freezing is a common freezing technique used throughout the world to freeze various food
commodities from carcasses to packaged goods. The New Zealand Cold Storage industry identified blast
freezing as the most energy intensive operation in the frozen food storage industry, consuming 8.1 GWh
of electricity in New Zealand in 2005. This paper presents an overview of various types of blast freezers,
their common design flaws, common energy saving measures and a best practice guide. A simulation
model has also been presented to predict the performance and to design an optimal system under range
of operating conditions.
Ó
2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.
1. Introduction
Air blast freezing is the process of taking a product at
a temperature (usually chilled but sometimes at ambient temper-
ature) and freezing it rapidly, between 12 and 48 h, to its desired
storage temperature which varies from product to product (e.g.
fish ¼
20

C, beef ¼
18

C). Typically, the evaporator tempera-
ture in a blast freezer refrigeration system ranges between
35

C
and
52

C. Slow freezing produces large ice crystals, which grow
through cell walls, permitting an accelerated penetration of oxygen,
causing rancidity and browning of meat and enhancing the danger
of higher drip on thawing. Therefore, rapid freezing is required to
maintain food quality as it produces small ice crystals due to
a higher number of nucleation points from which ice crystals form.
Air Blast freezing is classified as a forced convection phenom-
enon where the use of fans increases the products surface heat
transfer coefficient and produces a more uniform air temperature
throughout the freezer. The air velocity, and hence heat transfer
coefficient, can be altered with the use of variable speed drives
(VSD’s). The main detriment of forced convection in blast freezers is
the use of large fans that add significantly to the total heat load on
the refrigeration system and running costs. Also, unwrapped foods
are prone to moisture loss during blast freezing as the absolute
humidity of the bulk air is usually lower than that of the air at the
surface of the food.
Although air blast freezers have been used in industry since the
1950’s, limited number of technical studies have been published on
specific aspects of the topic in the open literature
[1,3,12,24,26,
31,42,51,52]
, and there is hardly any study that summarises all
aspects of blast freezers at one point in a single study. Therefore, this
paper presents an overview of blast freezers of their working prin-
ciple, historical background, different designs, efficiency issues,
a modelling perspective and a best practice guide.
2. Origin of air blast freezers
The early freezing rooms typically consisted of bare pipe grids in
the ceiling above rails on which sheep carcasses and beef quarters
were hung. These freezing rooms relied on the natural convection of
cold air, typically around 15

C, and resulted in freezing times up to
three days. Following World War II the world faced a serious food
shortage. A major New Zealand innovation was the air blast freezer
which enabled rapid freezing for high export quantities. The air blast
freezer used fans to blow air at low temperatures (down to 30

C)
over carcasses reducing freezing times to between 10 and 24 h. This
ability to freeze and transport food to distant markets made
refrigeration a highly profitable trade and in fact made New Zealand
one of the richest countries in the world in the 1950’s and 1960’s.
The New Zealand company Ellis Hardie Syminton Ltd patented
the A189 air-blast freezer in about 1950
[1]
. The concept was to use
* Corresponding author. Current address: Building Equipment Program, Oak
Ridge National Laboratory, P O Box 2008, Oak Ridge, TN37831-6067, USA. Tel.: þ1
865 576 7376.