Руководство инженера по охлаждающим туннелям: Глубокое погружение в технические принципы
Введение: За пределами промышленного охлаждения
Охлаждающий туннель - это ключевая часть производственных процессов. Он предназначен для точного и контролируемого снижения температуры продукта. Но он делает гораздо больше, чем просто охлаждает. Это сложная система, которая опирается на проверенные инженерные принципы.
То, насколько хорошо работает любой охлаждающий туннель, зависит от совместной работы трех основных областей. Это термодинамика, гидродинамика и механическая конструкция. Чтобы достичь определенной температуры ядра за определенное время, необходимо глубоко разобраться в этих областях.
Это Руководство дает инженерам-технологам полное техническое разбивка. Мы начнем с основ науки о теплопередаче. Затем мы разберем механические части современного туннеля. Мы также рассмотрим различные технологии охлаждения, которые вы можете выбрать.
Наконец, мы расскажем о ключевых факторах проектирования, расчетах производительности и системах управления, которые обеспечивают успешную установку охлаждающего туннеля. Вам необходимо понимать такие понятия, как тепловая нагрузка и время пребывания. Это необходимые для определения и эксплуатации данного оборудования хорошо.
Ядро охлаждения: Термодинамическое разбиение
Основная задача охлаждающего туннеля - перемещение тепла. Важно понимать, что охлаждение не добавляет “холода” к чему-либо. Напротив, оно систематически и эффективно отводит тепловую энергию от продукта.
Отвод энергии происходит тремя различными способами перемещения тепла: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Обычно один из способов выполняет большую часть работы. Но все три способа присутствуют и помогают в общем процессе охлаждения.
Проведение: Прямая контактная передача
Теплопроводность перемещает тепло через прямой физический контакт. В охлаждающем туннеле это происходит в основном там, где дно изделия касается конвейерной ленты.
Скорость перемещения тепла за счет теплопроводности зависит от нескольких факторов. Теплопроводность материала ленты имеет значение. Также имеет значение теплопроводность самого продукта и площадь поверхности, соприкасающейся с лентой. Хотя это и является фактором, он зачастую менее важен, чем конвекция, если только вы не используете специальную охлаждающую ленту с теплопроводностью.
Конвекция: Рабочая лошадка охлаждения
Принудительная конвекция выполняет большую часть работы по передаче тепла в охлаждающих туннелях. При этом используется движущаяся холодная жидкость, обычно воздух, протекающий через поверхность продукта.
Вентиляторы или воздуходувки создают этот воздушный поток. Движущийся воздух забирает тепло с поверхности продукта и переносит его на змеевик-испаритель холодильного агрегата. Скорость охлаждения зависит от разницы температур между воздухом и продуктом, а также от скорости движения воздуха.
Вот полезное правило: удвоение скорости воздуха над продукт может увеличить конвективную теплопередачу коэффициент значительно увеличивается. Часто это увеличение составляет 60-80%. Это показывает, насколько мощное влияние оказывает хорошая конструкция воздушного потока на производительность туннеля.
Излучение: Невидимый обмен энергией
При радиационном теплообмене энергия передается через электромагнитные волны. Более теплый продукт испускает тепловое излучение. Более холодные внутренние поверхности корпуса туннеля поглощают это излучение.
Этот метод становится все более важным по мере увеличения температурного разрыва между продуктом и стенками туннеля. В криогенных туннелях, где температура стенок чрезвычайно низка, излучение играет большую роль в общем отводе тепла.
Таблица 1: Сравнительный анализ режимов теплопередачи в охлаждающем туннеле
Характеристика | Проведение | Конвекция | Радиация |
Основной механизм | Прямой молекулярный перенос (продукт на ленту) | Тепло, уносимое потоком жидкости (воздух над продуктом) | Излучение электромагнитных волн (продукт к стенам) |
Контролирующие факторы | Теплопроводность материала, площадь контакта | Скорость воздуха, температура воздуха, свойства жидкости | Излучательная способность поверхности, разница температур (до 4-й степени) |
Типичный взнос | От низкого до умеренного (сильно зависит от ассортимента) | Высокая (часто 70-90% общего охлаждения) | Умеренная (увеличивается при больших перепадах температуры) |
Оптимизация Метод | Выбор материала ремня, обеспечивающий хороший контакт с продуктом | Увеличение скорости вращения вентилятора, снижение температуры воздуха | Покраска внутренних стен в черный матовый цвет с высокой светопроницаемостью |
Анатомия современного тоннеля: Основные компоненты
Охлаждающий туннель объединяет механические и электрические детали в единую систему. Для правильного определения, эксплуатации и обслуживания необходимо понимать, что делает каждая деталь.
Изолированный корпус
Основная задача шкафа - создание термически разделенной среды. Он предотвращает попадание тепла и влаги из окружающей среды в технологическую зону. Это привело бы к увеличению холодильной нагрузки и снижению эффективности.
Такие корпуса обычно изготавливаются из панелей из нержавеющей стали, заполненных изоляцией из пенополиуретана высокой плотности. Толщина панелей, конструкция стыков и герметичность - ключевые детали. Они определяют тепловую целостность туннеля и его гигиенические характеристики.
Конвейерная система
Конвейерная система перемещает продукт по туннелю с точно контролируемой скоростью. Это напрямую определяет время выдержки.
Типы ремней сильно различаются в зависимости от того, что вы производите. Среди вариантов - сплошные пластиковые, сетчатые и модульные пластиковые ремни. В системе привода почти всегда используется двигатель с частотно-регулируемым приводом (VFD). Это позволяет точно регулировать скорость.
По нашему опыту, выбор ЧРП с широким диапазоном скоростей имеет решающее значение для гибкости процесса. Для деликатных кондитерских изделий функция плавного ‘мягкого старта’ предотвращает смещение продукта во время циклов запуска и остановки.
Охлаждение и AHU
Холодильная и вентиляционная установка (AHU) - это сердце системы охлаждения. Этот агрегат охлаждает воздух и перемещает его по всему корпусу туннеля.
Он работает по стандартному парокомпрессионному циклу. В нем используются компрессор, конденсатор, расширительный клапан и змеевик испарителя. Змеевик испарителя - это часть внутри AHU, где циркулирующий воздух фактически охлаждается.
Правильная конструкция воздухораспределительной трубы и воздуховодов имеет решающее значение. Цель - обеспечить равномерный, постоянный поток воздуха и температуру продукта по всей ширине и длине конвейера. Это исключает возникновение горячих или холодных зон.
Панель управления (HMI/PLC)
Панель управления - это мозг туннеля. С ее помощью операторы могут устанавливать, контролировать и регулировать все важнейшие параметры процесса.
Современные системы перешли от простых термостатов и ручных циферблатов к сложным системам. В них используется технология программируемых логических контроллеров (ПЛК) с сенсорным экраном с человеко-машинным интерфейсом (HMI).
Такой уровень контроля обеспечивает точные и повторяющиеся настройки температуры, скорости ремня и скорости вентилятора. Это необходимо для обеспечения стабильного качества продукции.
Углубленный анализ технологий охлаждения
Способ подачи холодного воздуха или холодной поверхности на продукт так же важен, как и сама температура. Выбор технологии оказывает существенное влияние на скорость охлаждения, качество продукции и эксплуатационные расходы.
Принудительная конвекция воздуха
Стандартная принудительная конвекция воздуха - наиболее распространенная и универсальная технология охлаждения. Она обеспечивает циркуляцию большого объема охлажденного воздуха с относительно низкой скоростью по всему туннелю.
Этот метод надежен и экономически эффективен. Он хорошо подходит для многих продуктов, от хлебобулочных изделий и закусок до кондитерских изделий и готовых блюд.
Воздушно-импульсное охлаждение
Технология нагнетания воздуха - это большой шаг вперед в интенсивности охлаждения. Она использует массивы сопел для направления высокоскоростных струй холодного воздуха непосредственно на верхнюю и нижнюю поверхности продукта.
Ключевой идеей здесь является разрушение изолирующего “пограничного слоя” продукта. Прорезая этот слой, нагнетание значительно увеличивает коэффициент конвективной теплопередачи. Это приводит к значительному ускорению охлаждения по сравнению со стандартной конвекцией.
Эта технология идеально подходит для быстрого застывания поверхности продукта. В качестве примера можно привести нанесение шоколадной корочки или охлаждение плоских изделий, таких как печенье, основы для пиццы или мясные котлеты.
Охлаждение косвенным методом
При косвенном кондукционном охлаждении воздух не используется в качестве основной среды. Вместо этого продукт перемещается непосредственно по прочной ленте из нержавеющей стали или пластика, которая охлаждается снизу циркулирующей жидкостью, например гликолем или холодной водой.
Этот метод обеспечивает интенсивное и эффективное охлаждение нижней части продукта. Это отличный выбор для жидкостей, суспензий или полутвердых продуктов, таких как соусы, пюре и кондитерские начинки, которые можно распределить тонким слоем.
Криогенное охлаждение (LN2 / CO2)
Криогенное охлаждение использует огромную холодопроизводительность, высвобождающуюся при фазовом переходе жидкого азота (LN2) или углекислого газа (CO2). Жидкий азот закипает при температуре -196°C (-320°F), а CO2 сублимируется при -78,5°C (-109,3°F).
При распылении в туннеле эти криогены мгновенно поглощают огромное количество тепла из продукта. Это обеспечивает сверхбыстрое охлаждение или замораживание. Это очень важно для сохранения клеточной структуры и качества ценных продуктов.
Области применения включают индивидуальное быстрое замораживание (IQF) морепродуктов и птицы, сохранение влаги в готовых мясных продуктах, а также охлаждение готовых блюд премиум-класса, где качество является наиболее важным.
Таблица 2: Техническое сравнение технологий охлаждающих туннелей
Технологии | Скорость охлаждения | Капитальные затраты (CAPEX) | Операционные расходы (OPEX) | Ключевое преимущество | Идеальное применение |
Принудительный воздух | Умеренный | Низкий | Низкий | Простота, универсальность | Общего назначения, хлебобулочные, кондитерские изделия |
Импинджмент | Высокий | Средний | Средний | Высокоскоростное, равномерное охлаждение | Плоские изделия, поверхностная корочка, пристеночная выпечка |
Косвенные | От умеренного до высокого | Высокий | Низкий | Отлично подходит для жидкостей/суспензий | Соусы, пюре, кондитерские начинки |
Криогенные | Очень высокий | От среднего до высокого | Высокий | Высокая скорость, сохранение качества | IQF морепродукты, высокоценные белки, медицина |
Критические параметры конструкции и расчеты
Определение или проектирование охлаждающего туннеля требует структурированного инженерного подхода. Переход от требований к продукту к техническим характеристикам оборудования включает в себя несколько критических расчетов и конструктивных соображений. Эта статья служит контрольным списком инженерных решений для любого нового проекта по охлаждению.
Расчет общей тепловой нагрузки
Общая тепловая нагрузка - это общее количество тепловой энергии, которую система охлаждения должна удалить за единицу времени. Это самый важный расчет при определении размеров холодильного туннеля. Эта нагрузка складывается из нескольких отдельных частей.
- Загрузка продукта: Это основная нагрузка, представляющая собой тепло, выделяемое самим продуктом при его охлаждении. Вы рассчитываете ее по формуле Q = m * c * ΔT, где ‘m’ - массовый расход продукта (кг/час), ‘c’ - удельная теплота продукта, а ‘ΔT’ - необходимое изменение температуры.
- Инфильтрационная нагрузка: Это тепло, которое попадает в туннель через отверстия на входе и выходе. Сюда также входит тепло от протечек панелей или дверных проемов.
- Нагрузка на конвейер и двигатель вентилятора: Все механические части внутри туннеля во время работы выделяют тепло. К ним относятся двигатели вентиляторов и система привода конвейера. Вы должны учитывать это тепло.
- Нагрузка на трансмиссию: Это тепло, которое проходит через изолированные стены, потолок и пол из более теплой внешней среды в холодную внутреннюю часть туннеля.
Суммирование этих индивидуальных нагрузок определяет общую требуемую мощность охлаждения. Обычно она выражается в киловаттах (кВт) или BTUs в час. Правильный расчет является основополагающим для обеспечения соответствия туннеля технологическим требованиям.
Определение времени пребывания
Время выдержки - это общая продолжительность пребывания продукта в контролируемой атмосфере охлаждающего туннеля. Это критически важный параметр, который должен быть достаточно продолжительным, чтобы продукт успел охладиться до заданной температуры сердцевины.
Это определяется простой, но очень важной формулой: Время пребывания = Длина туннеля / Скорость конвейера.
Чтобы добиться желаемого профиля охлаждения, инженеры должны сбалансировать длину туннеля (фактор капитальных затрат) и скорость конвейера (фактор производительности).
Контроль воздушного потока и влажности
Эффективное охлаждение зависит не только от температуры воздуха, но и от того, как этот воздух регулируется. Цель - создать турбулентный поток воздуха вокруг продукта. Это гораздо эффективнее для отвода тепла, чем гладкий ламинарный поток.
Контроль влажности не менее важен, особенно для чувствительных продуктов. Если температура поверхности продукта опускается ниже точки росы воздуха внутри туннеля, образуется конденсат.
Это может оказаться губительным для таких продуктов, как шоколад, где он вызывает “сахарный цвет”. Этот дефект создает тусклую, зернистую поверхность. Правильная конструкция AHU и управление инфильтрацией воздуха являются ключевыми факторами контроля влажности.
Современные системы управления и Индустрия 4.0
Системы управления охлаждающими туннелями претерпели значительные изменения. Промышленность перешла от простых ручных циферблатов и переключателей к сложным автоматизированным системам. Они дают огромные преимущества в плане согласованности, отслеживаемости и эффективности.
Современные системы построены на базе ПЛК и сенсорного экрана HMI. Эта платформа позволяет реализовать такие мощные функции, как управление рецептами. Вы можете сохранять и вызывать десятки уникальных наборов параметров для различных продуктов одним прикосновением.
Эти системы также обеспечивают обширную регистрацию данных для обеспечения качества и прослеживаемости. Они предлагают подробную историю аварийных сигналов для ускорения поиска неисправностей. Они также имеют возможности для удаленной диагностики поставщиками оборудования.
Таблица 3: Уровни систем управления охлаждающими туннелями
Уровень | Интерфейс управления | Основные характеристики | Лучшее для |
Основные | Физические циферблаты и переключатели | Ручное управление температурой и скоростью. | Мелкомасштабные операции, недорогой вход. |
Промежуточный | Сенсорный экран HMI с ПЛК | Хранение рецептов, регистрация аварийных сигналов, отображение основных данных. | Большинство стандартные производственные линии нуждаются в последовательности. |
Расширенный | Интеграция SCADA, IIoT | Централизованное управление, отслеживание исторических данных, предупреждения о необходимости профилактического обслуживания, удаленный доступ. | Крупномасштабные автоматизированные заводы, требующие полной интеграции данных. |
Заключение: Обобщение принципов для производительности
Эффективность охлаждающего туннеля заключается не только в его способности быть холодным. Это точно спроектированная система, в которой эффективность достигается за счет объединения фундаментальных принципов.
Оптимальное охлаждение достигается за счет применения термодинамики, надежной механической конструкции и интеллектуального, оперативного управления. Каждый элемент играет важную роль. Сюда входит все: от расчета тепловой нагрузки до проектирования воздушного потока.
По мере развития отрасли несколько тенденций будут продолжать определять развитие технологии охлаждающих туннелей. К ним относятся стремление к повышению энергоэффективности, ужесточение контроля над технологическими процессами и более интеллектуальное производство, управляемое данными.
- Пищевая промышленность и инженерия | Пищевая наука и технология | Virginia Tech https://www.fst.vt.edu/research/food-processing-and-engineering.html
- Передовые технологии охлаждения | US EPA https://www.epa.gov/greenchill/advanced-refrigeration-technologies
- Пищевая инженерия | FABE - Университет штата Огайо https://fabe.osu.edu/future-students/majors/food-agricultural-and-biological-engineering/food-engineering
- Институт пищевых наук и инженерии | Национальная сельскохозяйственная библиотека (USDA) https://www.nal.usda.gov/research-tools/food-safety-research-projects/institute-food-science-and-engineering-1
- Инженерия пищевых систем | Университет Арканзаса https://food-science.uark.edu/research-outreach/research/food-systems-engineering.php
- EARTH Hub - Технология хладагентов | Университет Канзаса https://erc-earth.ku.edu/
- Инженерия пищевых процессов | Иллинойский технологический институт https://www.iit.edu/academics/programs/food-process-engineering-ms
- Оптимизация охлаждающих туннелей SMIP | CESMII https://www.cesmii.org/project/sopo-2331/
- Охлаждающие туннели Пищевая промышленность | Frain Group https://www.fraingroup.com/cooling-tunnels-food-processing/
- Понимание тоннелей промышленного охлаждения и отопления | Genemco https://www.genemco.com/blogs/news/title-exploring-the-mechanics-of-industrial-cooling-and-heating-tunnels
