氨制冷系统在食品加工类冷库中的应用
作者简介：张友先（1966—），男，汉族，山西盂县人，工学学士，工程师，1987年毕业于太原工业大学暖通专业。
摘 要：氨是一种天然的制冷剂，它具有良好的热力性质，氨制冷系统具有较大的单位容积制冷量和较高的制冷系数，在我国使用历史最长。但是由于氨有毒，氨系统设备体积较大复杂且自控程度低，中小型冷库逐渐使用氟利昂制冷系统。近年来，随着人们对环境的重视，对氨制冷剂开始重新评价，随着对氨的安全性能和制冷系统及其设备技术研究的不断深入，使得氨制冷系统在大中型制冷企业的应用越来越广泛。
食品加工行业中，氨系统方案的确定，需要综合考虑使用环境、建筑特点、建设规模、建设成本、经济效益等因素。氨制冷方案除了工艺本身外，还要涉及相应的建筑、结构、水系统、通风及电器部分。氨制冷方案的选定，旨在合理优化制冷系统、细化设计过程和设计资料，与相配套专业的紧密衔接，以实现指导工程实践的目的。
关键词：氨;制冷;工艺设计;制冷设备;工程
文章编号：2095-4085（2020）05-0056-05
食品企业根据食品加工及流转的需要来建造冷库，冷库的选址及加工间的布置应该满足国家相关规范的要求。大多数需要使用冷库的食品加工流程中，冷库位于最后环节，主要起到低温加工和低温贮存的作用。地理位置、主要功能、货物类型、每日的加工量、冷加工的温度及时间等要求，这些都是制冷方案选定所需的基本依据。技术人员首先要熟知食品冷加工的相关工艺流程，汇总所需的数据，进而才能做出合理的制冷方案。
1 食品加工类氨系统冷库的类型
氨制冷剂单位容积制冷量大，系统虽然辅助设备多，相对复杂，但其对大负荷下制冷工况变化的适应能力较强，故广泛应用在食品行业企业的低温速冻及低温贮藏环节：如屠宰及速冻加工常用-25℃～（-40℃）的速冻间，-15℃～（-23℃）的低温冷藏库等。此外，果蔬类食品流转高温库、食品加工企业的预冷库、排酸间、快冷间、空调车间等，当规模较大、负荷较高时，都可以采用氨系统直接或间接的冷却方式。
冷库的设计库温根据食品冷加工工艺要求来确定。通用的水果蔬菜低温贮存，需要建造-5℃～5℃的高温冷藏库，特殊的热带水果如香蕉的贮存温度为11℃～15℃。采摘时环境温度过高、或采摘后要进行长距离运输的水果蔬菜，还需要建造5℃～10℃的预冷库。猪牛羊肉屠宰及冷加工过程，需要根据工艺流程分区建造：8℃～20℃低温空调加工间、8℃～15℃低温空调发货区、0℃～6℃排酸库、-5℃～5℃高温库、-30℃～（-40℃）速冻库、-18℃～（-20℃）低温冷藏库等。高品质肉类在排酸之前，需要经过低温下的90min内快速冷却，快冷间的库温一般设置在-15℃～（-20℃）。冷饮的低温冷藏库，要求库温在-20℃～（-23℃）。禽类及海产品的冷冻冷藏，除设置常规冷库外，还需要有-5℃～（-15℃）制冰间及贮冰库，制做大体积冰的制冰间采用间接冷却方式，小体积冰块或碎冰可采用制冰机。禽类屠宰完毕后，需要在4～10℃预冷水池里浸泡，预冷水池的水温通过设置间接冷却的换热器降温或往水池中加冰块予以保持。水饺、汤圆、鸡腿、虾等小体积的食品速冻时，末端可采用速冻厂家生产的-30℃以下速冻机，其速冻效率高。
冷间的大小根据冷库功能、每日加工量、加工时间、贮存时间等要求确定。果蔬类的预冷库每次的冷加工时间短，在建造时不宜过大。有些果蔬采摘后装车，整车进预冷库进行冷却，冷却4～8h后随车出库，这类预冷间建造时冷库门洞规格及库高要符合进货车要求。
2 冷库建筑规模的确定
冷库的建筑规模，取决于货物的加工量和设备的布置情况，在《冷库设计规范》中，给出了不同货物冷加工及贮存时相应的计算公式。方案设计及计算过程中，相关参数的取值既要满足规范的设计要求，还要考虑实际使用的经济性。
2.1 冷藏库建筑规模的确定
高温冷藏库和低温冷藏库的规模取决于一个周期内货物贮存的最大量，根据《冷库设计规范（GB 50072—2010）》，冷库或冰库的计算吨位可按下式计算。
G=∑V1ρSη1000 。
式中： G— —冷库或冰库的计算吨位，单位为t;V1— —冷藏间或冰库的公称体积，单位为m3;η— —冷藏间或冰库的容积利用系数;ρS— —食品的计算密度，单位為kg/m3。
冷间建筑应尽量减少其隔热围护结构的外表面积，一般为正方形或近方形设置。冷藏间平面柱网尺寸和层高应综合考虑建筑模数及结构，并根据贮藏食品的主要品种、包装规格、运输堆码方式、托盘规格和堆码高度以及经营管理模式等使用功能确定。受货物堆叠的高度所限，冷库层高依据实际情况确定，多层冷库层高一般不大于7m，单层冷库采用自动化多层货架，层高可设置更高。
2.2 白条肉冷加工间建筑规模的确定
猪牛羊肉冷却库、排酸库和速冻库，在库内设置安装吊轨，冷间轨道布置的长度和根数直接决定冷间的加工量。设有吊轨的排酸间、冻结间，其加工能力可根据下面公式计算。
Gd=1g1000 24τ 。
式中： Gd——设有吊轨的冷却间、冻结间每日冷加工能力，单位为t;l—冷间内吊轨的有效总长度，单位为m;g—吊轨单位长度净载货量，单位为kg/m。τ—冷间货物冷加工时间，单位为h。
设有吊轨的白条肉冷加工间，制冷末端蒸发器采用冷风机，冷库降温时库内空气在冷风机的作用下强制循环。由于冷却间的库温最低设置在0℃，排酸间的库温一般设置在0～4℃。考虑到干耗问题，这两类的冷库的降温时间不宜过长，一般设置在24h以内。有些肉类食品冷加工企业将排酸时间设置在48或72h，这类长时间排酸的冷库，需要设置低风速的冷风机，以降低排酸过程中的货物的干耗。
2.3 分割肉冷加工间建筑规模的确定
分割肉速冻库，通常采用搁架式排管作为蒸发器。设有搁架式冻结设备的冻结间，其冷加工能力可按下式计算。
Gg=NGg1000 24τ 。
式中：Gg— —搁架式冻结间每日的冷加工能力，单位为t;N— —搁架式冻结设备设计摆放冻结食品容器的件数;Gg— —每件食品的净质量，单位为kg;τ— —货物冷加工时间，单位为h。
为了提高冷却效果，可在库内设置轴流风机和导流装置，或在搁架排管上方再安装冷风机。冷间进货初时，开启轴流风机或冷风机，采用空气强制循环，配合搁架排管对货物进行降温;速冻后期，在“慢冻”的过程中，可关闭风机的电源，只通过搁架排管对货物进行降温。搁架排管冻分割肉时，分割肉过厚会延长冻结时间，增加能耗;分割肉太薄会减少冻结量。
2.4 低温空调区规模的确定
屠宰类冷库和食品加工车间一般设置低温空调区。低温空调区的空调设置与一般舒适性空调有差别，低温空调区的负荷主要来自货物，操作人员负荷占总负荷的比例较小。低温空调区除了降温要求外，还要考虑新风系统。
以肉类屠宰厂为例，低温空调区主要包括：剔骨分割肉车间、生肉鲜销间、内包装材料间、内包装间、低温川堂，不同区域的温度设置与操作人员密度及停留时间有关：剔骨分割车间和内包装间温度一般为8℃～12℃，生肉鲜销间温度一般为10℃左右，内包装材料间和低温川堂温度一般为15℃～20℃。
剔骨分割肉车间、内包装材料间、内包装间空间大小根据屠宰量确定。低温川堂位于速冻库和低温冷藏库之间，通往发货站台。低温川堂大小及布置根据速冻库和低温冷藏库的位置、货物在川堂的运送方式确定。
3 冷库布局的确定
氨系统冷库多为大型冷库，有生产、分配、流转及其组合等主要功能，冷库的地理位置决定冷库的主要功能，企业根据冷库的主要功能向政府提出用地申请。冷库的地理位置选择除要求合法、有良好的卫生条件、交通运输方便、具备可靠的水源和电源以及排水条件外，氨系统冷库应位于集中居住区夏季最大频率风向的下风侧，满足防护距离不小于300m的要求。肉类、水产等生产性冷库、食品批发等分配性冷库、食品药品低温物流等流转性冷库还应综合考虑其特殊要求。
冷库的具体布局，先根据冷加工量、冷藏吨位等技术要求确定各个冷间的空间尺寸，然后将冷库布置在厂区内。
屠宰加工类生产性冷库厂区，冷库的布置要根据屠宰线的布局来设置。副产品冷却间（0℃～4℃）布置在屠宰前处理区，快冷间（-15℃～（-20℃））和排酸间（0℃～4℃）布置在剔骨分割车间之前，白条肉速冻库（-30℃～（-40℃））布置在排酸间之后，分割肉速冻库（-30℃～（-40℃））布置在剔骨分割车间之后，低温冷藏库（-18℃～（-20℃））布置在速冻库之后，生肉鲜销间（10℃）布置在排酸间之后，鲜肉冷藏间（0℃～4℃）布置在剔骨分割车间之后，各冷间通过货物通道和川堂相连接。
果蔬产地初处理等生产性冷库，如高温冷藏库、果蔬预冷库等，多设在农副产品主要产地的乡镇主干道附近，远离集中居住区，冷库使用主要集中于生产旺季，食品多为分批进货一次出货或批进批出，在布置时应着重考虑进货的方位，此外还要考虑过磅、拣选、包装等工艺需求，如果设有挑选区时，冷库与要靠近挑选区。投产后要充分注意冷库空置时的安全管理。
食品批发等分配性冷库多设在交通便捷的城市内，功能以城市一定区域内的肉类、海产品批发为主，货物吞吐量大，其布局要充分考虑站台位置大小和回车场的设置;温度分区单一，一般只设有-18～（-20℃）的低温冷藏库和0℃左右高温冷藏库，冷库和制冷系统相对简单;由于此类冷库位置在城市内，加上人员流动大，越来越少使用氨制冷系统。
物流等流转类大规模冷库是随着近年来物流业的兴起而发展起来的，由于进出货频繁、货物周转时间短，自动化程度高，园区与高速公路网、机场、码头、铁路货运站的立体交通便捷是建设首选;货物进出频繁、进出货量大，一般需设低温穿堂、封闭式站台并设置电动滑升式冷藏门、防撞柔性密封口、站台高度调节装置（升降平台），站台位置、停车区域、卸货区域和回车场设置需合理;库房温度控制范围宽，可实现15～（-40℃）甚至更广的多温区多库容灵活组合，满足不同批次不同类别商品的需求;配备库温自动检测、记录和自动控制装置和专业的冷链物流库管技术和信息系统，做到食品药品安全的可追溯性;宽范围的库温和负荷设定、高程度自控对氨制冷系统冷却设备的选型、布置和设计提出了更高的要求。
4 食品加工类冷库制冷系统设计应注意的几个问题
制冷系統根据使用温度不同大体分为三类蒸发温度系统，即-10℃蒸发温度系统，-30℃蒸发温度系统，-40℃～（-45℃）蒸发温度系统。氨制冷系统中，将车间空调区、冷却间、排酸间、恒温库、高温冷藏库划分在-10℃蒸发温度系统;将低温冷藏库、快冷间划分在-30℃蒸发温度系统;速冻库及速冻隧道为-40℃～（-45℃）蒸发温度系统。
4.1 白条肉快冷间的系统设计
快冷间虽然划分在-30℃蒸发温度系统， 但是与低温冷藏库有很大区别。 快冷间所进货物为屠宰后的热货， 进货温度在35℃～42℃， 负荷较高。 低温冷藏库进货为冻结后的货物， 进货温度在-12℃～（-15℃），负荷较小。因此，设有快冷间的屠宰类冷库，应将快冷间制冷系统的低压循环桶和压缩机单独设置，也可通过阀门控制与其他系统互用。白条肉快冷间的货物进出方式为全自动机械输送，货物从进库到出库的时间间隔为90min可调。由于库温低，在这一降温过程中，白条肉表面会形成较薄的冰层，传热速度加快且减少了过度干耗。白条肉在快冷间温度降至10℃～15℃。
快冷间的库温低、降温时间短、进货温度高，因而负荷大，库内蒸发器冷风机在运行过程中结霜较快。快冷间规格一般设置为，为保证冷却效果，快冷间的冷风机片距一般设置为8变16mm、10变16mm、12变16mm、16mm，大片距可以延长冷风机降温时间。快冷间由于连续工作，为保证使用效果库内冷风机分组采用水冲霜，风机设计和匹配时需要额外考虑一组风机，同时工作的风机要能满足降温的要求。
4.2 白条肉排酸间的系统设计
活牲畜屠宰后，首先肉质pH值降低至 5.4～5.6出现僵直，随后在酶的作用下肉中的乳酸成分分解pH值升高至6.0～6.4，使肉柔软多汁，并产生特有的滋味和气味，我们把这一系列使肉变柔软多汁和风味提高的过程称为肉的成熟，在工业上称为肉的排酸。肉完全成熟后经历自溶、趋向腐败，肉质变化的时间随着温度的降低会减慢。
猪牛羊等牲畜宰杀后，胴体的温度为其体温35～42℃，非常适宜细菌等微生物的生长繁殖，为避免微生物滋生，需要迅速进行冷却处理，使胴体中心温度在24h内降为0～4℃，这样的低温使酶的活性和大多数微生物的生长繁殖受到抑制，肉毒梭菌和金黄葡萄球菌等不再分泌毒素，肉中的酶发生作用，将部分蛋白质分解成氨基酸，确保了肉类的安全卫生。在后续加工、流通和销售过程中始终保持在 0～4℃的生鲜，减少了细菌的污染的机会，延长肉的保质期达1星期以上。
排酸间为-10℃/-15℃蒸发温度系统，使库温保持在0℃～4℃。未经快速冷却的白条肉进排酸间的进货温度在35℃～42℃，快速冷却后进排酸库的进货温度在10℃～20℃，冷却出货温度为5℃～10℃。冷却肉在冷却环境下表面形成一层干膜，能够减少水分蒸发，阻止微生物侵入及在肉的表面繁殖。不同肉类需要的排酸时间不同，羊肉的排酸时间为不超过12h，猪肉的排酸时间为15～20h，牛肉的排酸时间为24～48h。
排酸间使用冷风机，因加工货物湿度大，库内蒸发器冷风机在运行过程中结霜较快，为保证冷却效果，快冷间的冷风机采用宽距离片距，冷风机采用水冲霜，满足降温的要求。
4.3 速冻库的系统设计
用于食品速冻的冷间是速冻间，也称急冻间，除采用轨道吊装或搁架冻盘进行冻品加工外，还可以采取速冻隧道、平板冻结器、螺旋速冻机等设备进行速冻加工。较小冷库的速冻间采取-25℃库温，一般冷库速冻间采取-30℃库温，为了加快冻结速冻提升冻结食品质量，速冻温度也可采取-35℃、-40℃甚至更低，例如金枪鱼、三文鱼的速冻温度最低达到-60℃。
未经冷却的白条肉进速冻间的进货温度为35℃～42℃，经过冷却排酸的鲜肉进货温度为0℃～4℃，从外库调入的进货温度为-10℃～-15℃，冰鲜鱼、虾整理后的温度为10℃～15℃。冻结间的出货温度比库温稍高，为-15℃以下。冻结间在不进行冻结加工时，宜通过所设置的自动控温装置，使房间温度控制在-8℃±2℃的范围内。
对食品的冻结加工，应根据不同食品冻结工艺的要求，选用相应的冻结装置。冻结猪牛羊等体积较大的畜类胴体，一般选用吊轨冻结装置，吊轨冻结装置也用于冻结加工吊挂盘装食品。搁架排管冻结主要用于冻结猪牛羊鱼分割肉、鸡鸭兔等较小型的肉类的冻结加工。速冻水饺汤圆包子馒头花卷等调理食品的冻结应采用冻结加工所需时间更短、符合食品卫生要求的成套冻结装置，高品质的速冻蔬菜丁、水果丁一般都采用螺旋速冻机。成套食品冷加工设备的加工能力，可根据产品件所提供的数据确定。
4.4 低温冷藏库的系统设计
常见的低温冷藏库分为三个温度类型：-15℃～-18℃为淡水类冻品冷藏库，以猪肉为例，从猪肉冷加工工艺可知，在-18℃的温度下，它的储藏期可达到12个月，足以满足生产淡旺季的调剂供应。淡水类冻品包括猪牛羊鸡鸭等畜禽肉、馒头花卷水饺等速冻调理食品以及淡水鱼类;-22℃～（-25℃）为海产品类冻品冷藏库，由于海产品含盐量高，冰点较低，所以需要较低的冷藏温度;-23℃～（-25℃）为冷饮、冰点类冻品冷藏库，冰点中奶油和糖分含量较高，电解质浓度高冰点更低，温度稍高会使冰点局部融化丧失造型棱角，所以采取更低的冷藏库温。此外，金枪鱼、三文鱼等水产的冷藏温度要求低至-40℃。
应根据储藏食品的种类、储藏期和用户要求设定具体库温。库房应设穿堂，门洞内侧应设置回笼间，冷藏门外侧应设置冷风幕耐低温的透明塑料门帘。食品在低温冷藏库中进行3-12个月的长期储藏，应减少食品在储藏期内的干耗，提高经济价值与食品质量，相对湿度保持在90%以上，维持冷藏间库温恒定，减少冰结晶长大对食品质量的影响。冻结物冷藏间的冷却设备，宜选用空气冷却器。当食品无良好的包装时，可采用顶排管、墙排管。
4.5 冷却间的系統设计
冷却间主要应用于果蔬的预冷。例如本地生产的卷心菜等蔬菜和葡萄、梨、柿子等水果，生产旺季一般在夏季，环境气温高，果蔬采摘后的初始温度高达25℃～30℃，呼吸强度和酶的活性很高，不利于长途运输和长期储藏，以4～6d的物流时间计算，很容易发生变质。把采摘后拣选、包装好的果蔬送入0℃～4℃冷却间，进行8h～10h迅速冷却，果蔬温度降至5℃～10℃，再使用10℃左右冷藏保温车或采取棉被覆盖等保温措施运输，确保果蔬质量。
现蒸出的包子馒头花卷等调理食品，温度为80℃～90℃，这个熟食需要在预冷间快速冷却，一般采用室外30℃以下的室外空气流动散热。具体做法是：预冷间设置较大的送风和排风系统，经过净化的室外空气经过送风系统送入房间冷却热的熟食后，从熟食上方的排风机排出，使熟食的温度自然冷却到30℃～40℃，再送入0℃～4℃的熟食冷却间进行冷却，使熟食温度降低到5℃～10℃，以便物流配送;或经预冷后送入速冻库速冻，后转入-20℃左右低温冷藏库长期储存。
4.6 高温库的系统设计
高温库主要用于蔬菜、水果的长期储藏和肉类的短期储藏，库温设在-5～5℃，不同种类果蔬储藏的具体库温要求不同，具体库温应根据实际储藏的果蔬类型和储藏期确定。设置冷却间或预冷间的高温库果蔬进库温度为5℃～10℃，未经冷却的果蔬应尽量散去田间热，在垄间自然晾至晚上10点左右气温较低又不至于有露水时入库，此时进货温度一般低于20℃。
高温库配置气体调节装置后可以组成气调库，更好的储藏果蔬。常规方法储藏效果不好的柿子等水果，采用气调储藏课长期保持果体的硬实，很好的延长了储藏期。气调的主要通过降温，库内气体降氧、提高氮气和二氧化碳含量、去除乙烯等途径实现。
高温库一般采用低风速冷风机作为冷却设备，保证库内温度场分布均匀的同时，尽量减少视频的干耗。也可采用空气强制循环的风道空气分配系统，保证冷间温度场的均匀分布。高温库应按所贮货物的品种设置通风换气装置，每日进行换气，进入冷间的新鲜空气应先经冷却或预热处理。
5 总 结
食品加工厂、肉制品屠宰场、食品成品生产厂等是冷库的主要应用，是食品加工的重要环节，关系到食品的营养、外观、口感等多方面，保证食品加工过程中各方面的指标，是冷库系统应用的难点。随着对企业生产环保监管力度的加大，氨制冷系统技术的不断进步，以及氨制冷系统安全措施的不断完善，氨制冷系统在食品加工类冷库中的应用会越来越广泛。
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