تونل انجماد

چکیده

جهت حفظ کیفیت مواد غذایی باید محصول را هر چه سریعتر منجمد کرد. اگر محصولی آرام آرام منجمد شود، کریستالهای یخ تشکیل شده در محصول بزرگ شده، باعث اعمال نیروی زیاد به دیواره سلول و در نهایت پارگی بافت دیواره سلول و از دست رفتن آب میان بافتی محصول و کاهش کیفیت هنگام پخت میشود. روش های متفاوتی برای انجماد یک محصول وجود دارد که عبارتند از:
1 - تماس مستقیم محصول با مایع (Cryogenic freezers)
2 - استفاده از صفحات سرد تماسی (Plate freezer)
3 - وزش باد سرد در تونل (Air blast freezer)


تونل انجماد                     

تونل انجماد و اصول محاسبات مربوط به آن

جهت دسترسی سریع به بخشهای صفحه مربوط به تونل انجماد میتوانید از لینکهای زیر استفاده نمایید.


Cryogenic freezer

در این روش به محصول، نیتروژن مایع یا دی اکسید کربن (برف دی اکسید کربن) پاشیده شده و یا محصول در نیتروژن مایع غوطه ور میگردد. نیتروژن هنگام تبخیر 183 کیلوکالری بر کیلوگرم و دی اکسید کربن هنگام تبخیر 285 کیلوکالری بر کیلوگرم گرما از محصول میگیرند. همچنین دی اکسید کربن بازدارنده رشد باکتریها بر روی محصول نیز میباشد.
به دلیل هزینه زیادی که استفاده از این مدل انجماد در بر خواهد داشت، در این روش انجماد سرمایه گذاری کمی انجام میشود و بیشتر برای محصولات حساس و گران قیمت و در مقیاس کم مورد استفاده قرار میگیرد. در این روش معمولا محصول بر روی یک نوار نقاله استیل قرار گرفته و با نیتروژن مایع که در فشار جو در دمای 196- درجه سانتیگراد میجوشد، یا با دی اکسید کربن مایع که در فشار جو در دمای 79- درجه سانتیگراد میجوشد، تماس پیدا میکند. محصول منجمد شده و بخار گرم 45- به هوای بیرون راه پیدا میکند. این روش انجماد پرهزینه و گران است و تقریبا چهار برابر انجماد با کمپرسور و سیکل برودتی هزینه بر است ولی مزیت آن این است که نیازی به کمپرسور جهت ایجاد برودت نداشته و رنگ و کیفیت محصول به بهترین نحو ممکن حفظ خواهد شد.
شاید خیلی از مایعات کاندید مناسبی برای پروسه گرماگیری از محصول در فرآیند غوطه وری باشند ولی به دلیل تاثیرگذاری در رنگ، بافت یا طعم محصول استفاده نمیشوند. برای مثال یکی از روشهایی که در قدیم مورد مورد استفاده قرار میگرفت غرق کردن ماهی تن در حوض آب نمک سرد (و در برخی دیگر از محصولات خاص در آب و شکر سرد) بود که در آن بافت ماهی به دلیل ضخامت پوست مقدار کمی نمک جذب میکرد.

انجماد سریع انجماد سریع> انجماد سریع

Plate freezer

این نوع فریزرها از صفحات سردی تشکیل شده اند که محصول بین صفحات قرار گرفته و منجمد میشود. این مدل دستگاههای منجمد کننده را میتوان برای انجماد محصولاتی با حجم و ضخامت کم که دارای شکل با قاعده ای بوده یا محصولاتی که در یکسری قالبهای مکعب مستطیل یکسان قرار گرفته اند، استفاده نمود. این دستگاه انجماد از یک سری صفحات موازی تشکیل شده که در مدل افقی دستگاه صفحات بالای هم و در مدل عمودی دستگاه صفحات کنار هم قرار گرفته اند به طوریکه محصول بین صفحات قرار میگیرد.
صفحات از آلیاژی از آلومینیوم که داخل آنها مجرا و کانالهایی جهت عبور مبرد ایجاد شده است، ساخته شده و مجموعه این صفحات به یک سیستم هیدرولیکی که صفحات را بهم متصل کرده یا از هم جدا میکند مجهز شده است. این مدل دستگاه انجماد زمانی صحیح کار میکند که هنگام نزدیک شدن صفحات با سیستم هیدرولیک، محصول از دو سمت با صفحات در تماس باشد در صورت عدم برقراری تماس فیزیکی صحیح، پروسه انجماد چندین برابر بیشتر طول خواهد کشید. بعد از اتمام کار نیز بواسطه عبور گاز داغ از بین صفحات، فرآیند دیفراست کامل شده و دستگاه برای شیفت کاری جدید آماده میشود.

پلیت فریزر , انجماد سریع , تونل انجماد

Air blast freezer

انتقال حرارت به روش جابجایی طبیعی نرخ تبادل حرارتی مناسبی نخواهد داشت. برای افزایش این نرخ نیاز به جابجایی اجباری هوا داریم که همین عامل مسبب ورود فن به صنعت برودت بوده است. از آنجائیکه در فرآیند انجماد زمان اهمیت بالایی دارد در نتیجه دبی و سرعت فن انتخابی اواپراتور نیز فاکتور مهمی است.
معمولا در اواپراتورهای تونل انجماد از فنهای 50 و 63 و 71 سانتی متری استفاده میشود و سرعت باد خروجی از این فن ها را در محاسبات 5 متر بر ثانیه در نظر میگیرند. سرعت پایین تر از این سبب کاهش نرخ انتقال حرارت شده و سرعتهایی مانند 10 متر بر ثانیه و یا بالاتر سبب چند برابری نرخ انتقال حرارت نخواهد شد. معمولا از فنهایی با سرعت 10 الی 15 متر بر ثانیه در تونلهای انجماد سریع استفاده میگردد.
طراحی فینهای اواپراتور باید به گونه ای باشد که اواپراتور در حداقل یه پروسه 8 ساعته از شروع به کار نیازی به دیفراست نداشته باشد. از آنجائیکه رطوبت در مقطع هوای ورودی به اواپراتور بر روی فین یخ میزند، بنابراین فینهای عقبی اواپراتور که در مجاورت باد ورودی هستند باید دارای فاصله زیاد بوده و یا حداقل بر خلاف ردیفهای جلویی که آرایش مثلثی دارند، دارای آرایش مربعی باشند.
در حالت ثابت محصول بر روی یکسری باکس پالت یا چرخ های دستی درون تونل چیده میشود. درب تول بسته شده و فرآیند انجماد با شروع به کار سیستم آغاز میگردد. در یک پروسه 6 الی 10 ساعته محصول داخل سالن منجمد گشته و بعد از پایان فرآیند درب تونل جهت خروج محصول و انتقال آن به سالن نگهداری باز میگردد.
در نوع دیگری از این مدل تونلهای انجماد با باد سرد که تونلهای انجماد سریع نامیده میشود (IQF)، محصول یا چرخ دستی حاوی محصول توسط یک تسمه یا نقاله در یک تونل مستقیم به آرامی حرکت میکند. محصول از یک سمت تونل وارد شده آرام آرام به حرکت خود ادامه داده و از سمت دیگر تونل در یک فرآیند تقریبا 30 دقیقه ایی به صورت منجمد شده خارج میشود. این مدل تونلها را (batch-continuous/continuous belt) مینامند. دقت کنید که محصول [گرم] باید از سمتی وارد تونل شود که با باد برگشتی به سمت اواپراتور [باد گرم] مواجه شود تا فرآیند انتقال حرارت بالاترین راندمان و شرایطی همانند وضعیت جریان مخالف در طراحی مبدلهای حرارتی را داشته باشد. واژه IQF به طور کلی برای فریزهای انجماد سریع بکار برده میشود بدین منظور در برخی مواقع به فریزهای Cyogenic freezers نیز IQF اطلاق میگردد.
همچنین در صورتی که طول کافی برای احداث تونلهای انجماد سریع وجود نداشته باشد این مدل تونلها با طول کمتر ولی به صورت دو طبقه یا سه طبقه (triple continuous belt) که در آنها محصول یک مسیر را به آرامی طی کرده و در انتها با انتقال بر روی تسمه­ ای دیگر مسیر را باز گشته و یا به صورت یک مسیر مارپیچی (spiral continuous belt) رو به بالا داخل تونل ساخته میشود. نمونه ای از یک تونل انجماد مارپیچی را میتوانید در تصویر زیر مشاهده کنید.

تونل انجماد

راهنمایی تخصصی

در این قسمت به برخی سوالات تخصّصی مربوط به تونل انجماد پاسخ میدهیم. 

بهتر است با ذکر یک مثال از درس فیزیک اول دبیرستان شروع کنیم. مثال: می­خواهیم آب 20 درجه را تبدیل به یخ 30- درجه سانتیگراد کنیم.
بسیاری از محاسبات بار حرارتی از دو رابطه ساده فیزیکی: Q = m * C * (T2 – T1) , Q = m * Lf به دست می آیند.

در مثالی که در بالا ذکر شد با سه مرحله بار حرارتی مواجه هستیم. مرحله اول رساندن آب 20 درجه تا آب صفر درجه (در نقطه انجماد)، مرحله دوم رساندن آب صفر درجه به یخ صفر درجه در نقطه انجماد و مرحله سوم رساندن یخ صفر درجه به یخ 30- درجه.

بار حرارتی اول Q1 و سوم Q3 از رابطه (m * C * (T2 – T1 به دست می آیند؛ تنها در تبدیل آب 20 درجه به آب صفر درجه پارامتر C ظرفیت گرمایی ویژه آب و در بار حرارتی سوم یعنی Q3، پارامتر C ظرفیت گرمایی ویژه یخ می­باشد.
(Q1 = m * C [water] * (T2 – T1
(Q3 = m * C [ice] * (T2 – T1
ظرفیت گرمایی ویژه آب برابر 1 کالری/گرم – درجه سانتیگراد
ظرفیت گرمایی ویژه یخ برابر 0/5 کالری/گرم-درجه سانتیگراد

ولی در این میان بار حرارتی Q2 هم داریم. به Q2 بار گرمای نهان انجماد یا بار نهان گفته می‌شود یعنی گرمایی که باید از یک محصول (که در مثال ذکر شده آب است) گرفته شود تا بتوانیم آن را در نقطه انجماد از فاز مایع به حالت جامد تبدیل نماییم.
مقدار عددی Q2 از رابطه m * Lf بدست می آید که در آن m جرم آب و Lf گرمای نهان انجماد آب می‌باشد. برای مثال ذکر شده Lf آب برابر 80 کالری/گرم می‌باشد.
پس کل حرارتی که از آب 20 درجه باید گرفته شود تا تبدیل به یخ 30- درجه شود عبارتست از: Q = Q1 + Q2 + Q3
از میان این 3 تا بار حرارتی، بار حرارتی Q2 که بار نهان نامیده می‌شود (تبدیل آب صفر درجه به یخ صفر درجه) نسبت به بقیه بارهای حرارتی بار نسبتا زیادی است و همانطور که از اسمش پیداست این بار را، بار نهان می‌گویند چون ناپیداست و در آن ما هیچ تغییر دمایی نداریم و تنها تغییر فاز خواهیم داشت.
این مثال ساده زده شد تا پروسه محاسبات انجماد گوشت قابل درک باشد.

پروسه انجماد و نگهداری گوشت یخ زده شامل سه مرحله است: مرحله اول- آماده کردن گوشت تازه کشتار شده در پیش سردکن و رساندن آن به نزدیکی نقطه انجماد. مرحله دوم- انجماد. مرحله سوم- نگهداری گوشت منجمد شده در سردخانه زیر صفر.

دمای انجماد گوشت حوالی 2- درجه سانتیگراد می‌باشد. داریم:
ظرفیت گرمایی ویژه گوشت در بالای نقطه انجماد برابر [تقریبا] 3/15 ژول/گرم-درجه سانتیگراد
ظرفیت گرمایی ویژه گوشت در پایین نقطه انجماد برابر [تقریبا] 1/70 ژول/گرم-درجه سانتیگراد
گرمای نهان انجماد گوشت برابر [تقریبا] 256 ژول/گرم

انجماد گوشت هم همانند انجماد یخ، یک پروسه نهان انجماد دارد که بار حرارتی آن برای انجماد گوشت بسیار زیاد است. اگر فرض کنیم که گوشت از پیش سردکن بیرون آمده است و دمای آن به قدری خنک شده که آماده وارد شدن به تونل جهت شروع پروسه انجماد است، در پروسه انجماد در دمای انجماد گوشت تقریبا 2- درجه باید به قدری گرما از گوشت گرفته شود که به حالت منجمد تبدیل گردد. همانطور که ذکر گردید گرمای نهان انجماد گوشت برابر 256 ژول/گرم یا به عبارت دیگر 256 کیلوژول/کیلوگرم است. حال اگر ما فرض کنیم 1300 کیلوگرم گوشت جهت انجماد داریم پس رابطه خواهد شد: Q = m * Lf یا
Q = 1300 * 256 = 332800 کیلوژول و با یک ضریب تبدیل ساده این عدد 92/451 کیلووات یا به عبارت دیگر 92451 وات خواهد شد.
در حین پروسه انجماد بارهای حرارتی دیگری هم مانند: پرت از جداره ­ها، بار گرمایی خود ظرف باکس پالت، بار حرارتی فن اواپراتور و.... که تمامی این بارها در نهایت 20% به بار حرارتی محاسبه شده اضافه خواهد شد یعنی نتیجه نهایی 110941 وات.
این گرمایی است که باید از گوشت گرفته شود ولی توجه کنید که این گرما باید در یک پروسه 8 ساعته از گوشت گرفته شود، پس گرمایی که در هر ساعت باید از گوشت گرفته شود عبارتست از:  وات 13867 =8 ÷ 110941

برای انتخاب کمپرسور مناسب به کاتالوگ یکی از پرمصرف­ترین کمپرسورهای موجود در بازار یعنی بیتزر نگاهی می اندازیم.
در کاتالوگ کمپرسور 2 مرحله 30 اسب بیتزر مدل S6F-30.2، در دمای اواپراتور 40- با دلتا تی 5 درجه (یعنی دمای تونل 35- درجه سانتیگراد) و دمای کندانسور 45 درجه سانتیگراد (بدون سابکولینگ مایع) ظرفیت برودتی 15910 وات خواهیم داشت. در بالا 13867 وات نیاز داشتیم که در نتیجه مشخص است که کمپرسور انتخاب شده جوابگوی نیاز ما می‌باشد.
در نتیجه با یک کمپرسور 30 اسب 2 مرحله بیتزر مدل S6F-30.2 می‌توان تقریبا 1 الی 1.4 تن گوشت را "به طور صحیح"منجمد کرد.
اگر گرمای نهان 3 محصول: گوشت گاو – گوشت مرغ – ماهی را مقایسه کنیم، مشخص خواهد شد که (تقریبا) گرمای نهان انجماد گوشت گاو از مرغ و مرغ از ماهی بیشتر است. بنابراین طبق این گرماهای نهان با همان کمپرسور 30 اسب 2 مرحله یک تن مرغ را می‌توان سریعتر از گوشت و یک تن ماهی را می‌توان سریعتر از مرغ منجمد کرد.