本发明涉及果汁冷冻浓缩加工设备及冷冻浓缩方法，具体地说是一种可移动卧式冷冻浓缩设备及冷冻浓缩方法。
背景技术：
在浓缩果汁加工领域，蒸发浓缩和热力杀菌仍是行业内应用较多的技术。众所周知，这种热力加工的果汁，会使得果汁营养大大流失，而且也需要耗费大量能源保证蒸汽供应。随着经济的发展和人们生活水平的提高，为满足人们对高品质果汁的需求，近年来冷冻浓缩的加工技术越来越受到行业内的重视。
冷冻浓缩是在常压下通过冷却和冻结，将食品中的水分相变为冰晶体，然后分离去除冰晶，从而提高溶液中可溶性固形物的浓度的浓缩方法。冷冻浓缩过程处于低温环境（一般低于0℃）中，避免了食品中热敏性成分和香气物质的热分解、挥发，抑制了大部分酶的活性，同时微生物的增殖被抑制，减小污染和腐败的危险。与此同时，冷冻浓缩的能量消耗在理论上远低于蒸发浓缩，具有十分广阔的工业化应用前景。为此，近年来行业内研发人员积极研发了多种冷冻浓缩设备。如zl201310385420.1公开了一种新型悬浮式冷冻浓缩设备，包括刮刀式换热器、液体分配盘、刮冰装置、冰晶承接罐、重结晶罐、冰晶输送管、排冰罐、物料补充罐，所述的刮刀式换热器的下端与冰晶承接罐的上端连接，冰晶承接罐的下端与重结晶罐上端连接；重结晶罐的上部与排冰罐之间通过引导管相连通，所述的重结晶罐的底部或侧面与带有泵a的管道i的一端相连通，管道i的另一端与刮刀式换热器的顶部相连形成物料液体循环系统。又如201520290115.9公开了一种冷冻浓缩设备，包括罐体，所述罐体的下面焊接有罐脚，所述罐体为圆柱形的不锈钢罐，罐体的侧壁设有冷媒夹套，罐体的底部为圆弧形，底部设有加热夹套，罐内侧壁上径向垂直交替焊接有若干块不锈钢导热宽板和导热窄板，罐盖上设有观察孔、进料孔、测温器、脱气孔、减速电机，减速电机下连有搅拌桨，罐底中心位置设有快装盲板出渣口，其上部置有滤网、快装盲板出渣口中心开孔为浓缩液及融冰水出口，罐体外设有聚氨酯保温层。再如cn201710641415.0公开了一种一体式溶液冷冻浓缩设备和冷冻浓缩方法，其结构包括刮面换热器、设于换热器内的转轴、环绕转轴的螺旋式刮刀、连接于刮面换热器开口的隔热保温的结晶-洗涤室，刮面换热器的壁面为冷冻壁面，转轴连接有驱动电机，该转轴的轴心方向与结晶-洗涤室的轴心方向相同，结晶-洗涤室的顶部设有预冷洗涤水的水箱和排放所述结晶-洗涤室内空气的逸气管，水箱和结晶-洗涤室之间设有进水阀，结晶-洗涤室的腔体设有阻隔冰晶的隔板，刮面换热器与结晶-洗涤室之间连有外循环回路；等等。但是，从目前报道的这些冷冻浓缩的设备我们可以看到，现有的冷冻浓缩设备的共同特点是立式结构、重心较高、体积庞大、结构复杂、造价和维护成本较高、重量大、不利于远距离运输，所以目前仅被应用于药物、高档果汁等的生产中。
而对于普通农户而言，因多方面原因使得农产品特别是水果，无法实现直接销售和加工，造成了大量果实腐烂在产地，造成巨大的经济损失，据估计全球的农产品损失超过产量的30%；而对于果汁加工企业而言，如果将原料从产地运输到目的地进行生产加工，在此过程容易造成果蔬机械损伤，而且运输成本较高，使得多数企业认为成本高而效益低，不能为之动容。虽然，目前市场上出现了一些可移动式的果汁加工生产线，可直接将设备运输到农产品产地直接加工，但其特点是非浓缩还原，基本都采用巴氏杀菌技术，其加工设备面积大，运输成本依旧很高，所得到的果汁产品风味差、营养成分含量很低。而目前的冷冻浓缩设备还没有可移动式的，而且结构较为复杂、体积庞大、重心高、不够紧凑、重量较大、运输困难、不易移动且占地面积大。因此，如果能够开发一种结构较为简单、体积小、重量轻、使用操作方便、造价及维护成本低、可移动式、便于运输的冷冻浓缩设备将会是企业、果农和消费者实现多赢的关键点。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种可移动卧式冷冻浓缩设备及冷冻浓缩方法，以解决现有冷浓浓缩设备结构复杂、体积庞大、重心高、不易运输、造价及维护成本高的问题，尤其解决果蔬原产地加工困难、难以实现在水果原产地直接加工得到高品质浓缩果汁的问题。
本发明的目的之一是这样实现的：
一种可移动卧式冷冻浓缩设备，其主要包括冰晶形成输送系统、冰晶生长分离系统和控制系统三部分；
所述冰晶形成输送系统包括一个或多个冰晶形成输送机构；所述冰晶形成输送机构包括螺旋管式直接蒸发器和制冷设备；所述螺旋管式直接蒸发器是在横卧设置的圆管内安装有由电机驱动并可切换旋转方向的螺旋推送刮刀，在所述圆管的外壁设置有内通制冷剂的盘管，所述盘管的两端连接所述制冷设备，以及在所述圆管的管壁两端上侧面各设有一个与圆管内腔连通的物料循环进出管；所述冰晶形成输送系统中，在至少一个冰晶形成输送机构的圆管管壁下侧开设有进出料口；
所述冰晶生长分离系统包括冰晶生长分离槽和设置于冰晶生长分离槽内的冰晶分离机构；在所述冰晶生长分离槽的底面或侧面底部开设有与所述一个或多个冰晶形成输送机构的物料循环进出管分别对应连接的物料进出口；所述冰晶分离机构包括可在冰晶生长分离槽内上下移动的筛孔板和可将所述筛孔板抬升出液面后筛出的冰晶刮除并水平推送至排冰口的冰晶移除结构；
所述控制系统可控制所述冰晶形成输送系统的螺旋推送刮刀的转速、旋转方向和所述制冷设备的启停，以及可控制所述冰晶生长分离系统的筛孔板的上下移动和冰晶移除结构的冰晶水平推动刮除动作。
所述的可移动卧式冷冻浓缩设备，所述控制系统为自动化控制系统，所述自动化控制系统包括plc，编码器，限位开关，变频器以及温度传感器，所述温度传感器设置于所述冰晶生长分离槽内底部。
所述的可移动卧式冷冻浓缩设备，所述可在冰晶生长分离槽内上下移动的筛孔板是在冰晶生长分离槽内设有垂直丝杆带动其上下移动，所述垂直丝杆由第一电机驱动。
所述的可移动卧式冷冻浓缩设备，所述冰晶移除结构位于所述筛孔板的上方，所述冰晶移除结构是在所述冰晶生长分离槽内设有由水平丝杆带动而前后移动的推送分离板，所述推送分离板将所述筛孔板抬升后所升出液面的冰晶刮除并水平推送至排冰口处；所述水平丝杆由第二电机驱动。
所述的移动卧式冷冻浓缩设备，所述的限位开关包括用于分别确定所述筛孔板垂直位置原点的第一限位开关和所述推送分离板水平位置原点的第二限位开关；所述编码器用于计数电机转动圈数，包括位于第一电机输出轴上的第一编码器和位于第二电机输出轴上的第二编码器；所述plc根据所述编码器传输的数据进行计算，进而根据计算结果控制所述筛孔板和所述推送分离板的行程距离；所述温度传感器用于确定物料温度变化，所述plc根据温度变化间接得到物料浓度变化并推算得到冰晶含量，从而控制启动所述冰晶生长分离系统。
本发明的目的之二是这样实现的：
一种基于所述设备的冷冻浓缩方法，包括如下步骤：
（1）经所述设备的进出料口向冰晶形成输送机构的螺旋管式直接蒸发器内泵入待浓缩物料，同时开启该冰晶形成输送机构的制冷设备，以使待浓缩物料在通过螺旋管式直接蒸发器后温度降低；持续泵入待浓缩物料，物料经螺旋管式直接蒸发器进入冰晶生长分离槽，待冰晶生长分离槽内物料液面到达一定高度时，停止泵入；
（2）进料完毕，开始冰晶形成输送过程：控制所述冰晶形成输送机构内的螺旋推送刮刀正向转动，一段时间后，控制所述螺旋推送刮刀反向转动，然后一段时间后再控制所述螺旋推送刮刀正向转动，如此反复进行；所述螺旋推送刮刀正向转动或反向转动过程中，制冷设备保持开启状态；
（3）步骤（2）进行过程中，每隔一定时间，启动冰晶分离机构，开始排冰过程：先启动第一电机，控制垂直丝杆带动筛孔板向上抬升出液面，至与排冰口齐平的高度，关闭第一电机，然后启动第二电机，控制冰晶移除结构的水平丝杆带动推送分离板向前移动，将筛孔板上筛出的冰晶向前推送至冰晶生长分离槽上的排冰口处，将冰晶从排冰口排出；排冰后，控制水平丝杆带动推送分离板向后移动至水平方向后限位处停止，关闭第二电机，然后重新启动第一电机，控制垂直丝杆带动筛孔板向下移动至垂直方向下限位处停止，然后关闭第一电机；
（4）待冰晶生长分离槽内物料浓度浓缩至期望浓度时，将浓缩后的物料再经进出料口处排出，收集浓缩物料，关闭设备即可。
本发明去除了的冷媒的泵循环系统，改去以往冷冻浓缩设备间接蒸发换热器，以及移除物料在换热器中循环的泵系统，使得所述冷冻浓缩设备更加紧凑。
本发明的冷冻浓缩设备为可移动式，能够在原产地实现生产加工，其将冰晶生长及分离过程集合于一体，改变了以往的单独工作结构，节省设备空间，结构紧凑，并且设备整体横卧设置，重心低，方便移动和长途运输，更适合到原产地进行生产加工；所采用的螺旋管式直接蒸发器，相比一般冷冻浓缩设备，实现了物料交替流动，出冰方向交替变化，保证了冰晶生长分离槽内物料中冰晶体的均匀分布。
本发明的设备不仅实现了在水果原产地直接加工果汁的目的，并且设备利用率高且能最大程度地保留水果色香味和营养物质的，有效提高了果蔬汁的浓缩效率，还可应用于其它各种热敏性液体的浓缩，如牛奶、茶汤等，初始液体浓度范围可为2％~10％，浓缩后浓度可达20％~45％。
附图说明
图1为本发明设备整体结构示意图。
图2为本发明设备的冰晶形成输送系统与冰晶生长分离系统相对结构示意图。
图3为本发明设备的冰晶生长分离系统结构示意图。
图4为本发明设备的冰晶生长分离系统的冰晶生长分离槽内结构示意图。
图5为本发明设备的冰晶形成输送系统的冰晶形成输送机构结构示意图。
图6是冷冻浓缩过程物料的温度与浓度的线性关系图。
图1-5中：1、冰晶形成输送机构，2、冰晶生长分离系统，3、自动化控制系统，4、制冷设备，5、铜管，6、物料循环进出管，7、圆管，8、螺旋推送刮刀，9、冰晶生长分离槽，10、物料进出口，11、筛孔板，12、第一传动链，13、排冰口，14、垂直丝杆，15、水平丝杆，16、水平导轨，17、第一电机，18、第二传动链，19、第二电机，20、推送分离板，21、轮子，22、基座，23、第三电机，24、进出料口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
本发明的可移动卧式冷冻浓缩设备是一种模块式、低重心的可移动设备，其整体结构如图1所示，其整体主要由冰晶形成输送系统、冰晶生长分离系统2和自动化控制系统3三大部分构成，该三部分安装于一个带有轮子21的基座22上。
冰晶形成输送系统可设置于冰晶生长分离系统2的下方或侧下方，如图2所示，根据对设备规模的设计和要求，每台设备的冰晶形成输送系统可以由一个或多个冰晶形成输送机构1构成。冰晶形成输送机构1（参见图5）由螺旋管式直接蒸发器和制冷设备4构成。螺旋管式直接蒸发器是在一个横卧设置的圆管7内设置有螺旋推送刮刀8，螺旋推送刮刀8由第三电机23驱动转动，可根据系统指令进行逆时针、顺时针交替转动；在圆管7的外壁上，螺旋盘绕有内通制冷剂的铜管5，铜管5的两端连接制冷设备4，也可由不锈钢槽镶嵌在圆管7外壁上形成制冷剂流动通道；在圆管7的管壁两端上侧面各设有一个物料循环进出管6，物料循环进出管6与圆管7内腔连通。如每台设备只设置有一个冰晶形成输送机构1，则在该冰晶形成输送机构1的圆管7一端下侧壁上开设一个进出料口24；如每台设备设置有多个冰晶形成输送机构1，则在其中至少一个冰晶形成输送机构1的圆管7一端下侧壁上开设一个进出料口24。
冰晶生长分离系统2的结构如图3所示，其集冰晶生长分离于一体，由冰晶生长分离槽9和设置于冰晶生长分离槽9内的冰晶分离机构构成。冰晶生长分离槽9为一个长方形槽，槽的底面或侧面底部开设有一组与每个冰晶形成输送机构1上的物料循环进出管6对应且连通的物料进出口10，供螺旋管式直接蒸发器的圆管7内的液体物料进出；物料进出口10处有阀门，可控制物料流量；另外，在冰晶生长分离槽9上设有上盖。冰晶生长分离槽9内的冰晶分离机构由可在冰晶生长分离槽9内上下移动的筛孔板11和用于将筛孔板11抬升后筛出的冰晶刮除的冰晶移除结构构成。可在冰晶生长分离槽9内上下移动的筛孔板11是在冰晶生长分离槽9内四角处设置有四根垂直丝杆14，四根垂直丝杆14下端伸出冰晶生长分离槽9的底板，通过第一传动链12带动并经第一电机17驱动实现同步转动，筛孔板11整体呈长方形，筛孔板11的四角由连接于垂直丝杆14上的长方形支架支撑，长方形支架由两根长不锈钢方管与五根短不锈钢方管焊接而成的，该长方形支架四个角由四个不锈钢牛角固定在垂直丝杆14带侧角螺母上；从而实现由垂直丝杆14带动筛孔板11抬升或下降，筛孔板11的孔径为3~5mm。在垂直丝杆14垂直方向上设有第一限位开关和安装在第一电机17输出轴上的第一编码器，以实现筛孔板11高度的定点定位。冰晶移除结构是在冰晶生长分离槽9内上部，用于将升出物料液面的冰晶在水平方向移除；冰晶移除结构是在水平方向设有水平丝杆15和水平导轨16，如图4所示，推送分离板20设置于两根平行设置的水平导轨16之间，并与推送分离板20联动，第二电机19提供动力经第二传动链18带动水平丝杆15转动，进而实现推送分离板20沿水平导轨16前后移动；推送分离板20下端为推送刀，用于刮除及推送冰晶至设置于冰晶生长分离槽9上开设的排冰口13处。水平丝杆15运动通过编码器，准确计算行程，在水平丝杆15水平方向上设有第二限位开关和安装在第二电机19输出轴上的第二编码器，以实现推送分离板20的定点定位。
冰晶形成输送系统及冰晶生长分离系统2的工作过程全部由自动化控制系统3控制；自动化控制系统3由plc，编码器，限位开关，变频器以及温度传感器（设置于冰晶生长分离槽9内底部）组成，有自动控制和手动控制两种不同操作方式。自动化控制系统3采用modbus通讯控制，可自由设置筛孔板11的升降和推送分离板20的前后移动速度、位置等。编码器（即第一编码器和第二编码器）测量行程，设备行程的上下限可设，保证行走安全，筛孔板11及推送分离板20归原点，采用多段速控制。变频器调节丝杆（水平丝杆15和垂直丝杆14）运动的快慢，以及筛孔板11及推送分离板20在接近目的距离时，通过逐渐变频，使筛孔板11及推送分离板20缓缓停止。温度传感器采集到冰晶生长分离槽9内物料温度变化，根据下述方法进行计算，得到冰晶生长分离槽内的不同时刻冰晶质量，启动冰晶分离机构。
根据温度传感器采集温度，间接计算得到冰晶生长分离槽内冰晶质量，具体说明如下：
在冷冻浓缩过程中，物料体系存在这样关系：
mt=ml+ms，式①
式①中，mt表示物料总质量，ml表示液体质量，ms表示冰晶质量；
果汁中总可溶性固形物有如下关系：
mtct=mlcl+mscs，式②
式②中，ct表示果汁初浓度；cl表示果汁浓缩浓度；cs表示冰晶中可溶性固形物浓度。
将式①整理后得
ml=mt-ms，式③
将式③代入式②得：
mtct=(mt-ms)cl+mscs=mtcl-mscl+mscs=mtcl-ms(cl-cs)
将上述方程移项整理得：
ms=mt(cl-ct)/(cl-cs)，式④
从式④中可看出，若知道mt、ct、cl、cs的数值，可计算出冰晶质量ms，其中mt为果汁初始总质量，可计算或称量得到，ct可采用折光计测得初始可溶性固形物含量，cs为1-1.5°brix（实验测得），可设定为常数，而cl为果汁浓缩的浓缩，随着冷冻浓缩的不断进行，浓度不断增大。若能得到cl的值，即可间接得到冰晶质量ms。
在冷冻浓缩过程，温度与浓度存在线性关系，t=-16.12*cl+0.842，cl=0.062*t-0.0522，数据结果如图6所示，温度不断降低下，物料浓度不断升高。
若测得果汁某时刻的温度，即可得知果汁的初始浓度，从而根据式④计算得到果汁中所存在的冰晶质量ms，
ms=mt(0.062*t-0.0522-ct)/(0.062*t-0.0522-cs)
例如，果汁总质量mt为2000kg，在某时刻cl为15°brix，温度为-1.57℃，当浓缩进行到下一个时刻，测得温度为-1.84℃，根据公式ms=mt(0.062*t-0.0522-ct)/(0.062*t-0.0522-cs)可知，冰晶生长分离槽内有200kg的冰晶。
当冰晶质量达到相应数值时，即可启动冰晶分离系统中的冰晶分离机构，分离冰晶。
基于上次冰晶分离结果，以此为下次分离冰晶的时刻的初始值，然后再次根据温度传感器采集得到的温度，计算下次时刻分离冰晶的质量，不断循环迭代，直至冷冻浓缩结束。
实施例2
利用本发明的设备（本例中设计容量为2吨），对以10吨生鲜西瓜原料，经过榨汁后得到6吨初始浓度为7~9°brix的鲜榨西瓜汁（浓度以可溶性固形物的浓度计）进行冷冻浓缩，具体实施过程如下：
（1）开启进出料口24及冰晶生长分离槽9的物料进出口10处的阀门，将浓度为7~9°brix的鲜西瓜汁，从螺旋管式直接蒸发器的进出料口24处泵入，进料最大流量可达到1200kg/h，进料的同时，开启螺旋管式直接蒸发器配套的制冷设备4，使榨出的新鲜西瓜汁通过蒸发器后温度降低，使西瓜汁处在低温环境；待物料达到冰晶生长分离槽9中最大容纳液位，即容量达2000kg，关闭进料泵，结束进料。
若设备设置有两个或多个冰晶形成输送机构1，待西瓜汁从冰晶生长分离9槽流向另外的螺旋管式直接蒸发器时，开启其它螺旋管式直接蒸发器配套的制冷制冷设备4。
（2）进料完毕，由自动化控制系统3控制冰晶形成输送过程：开启自动运行模式，启动第三电机23，第三电机驱动圆管7内螺旋推送刮刀8转动，螺旋推送刮刀使得圆管7内带有冰晶小颗粒的物料从一端物料循环进出管6排入冰晶生长分离槽9内，同时冰晶生长分离槽9内的物料从另一端的物料循环进出管6回到螺旋管式直接蒸发器内进行降温结晶过程；运行一定时间后，自动控制使螺旋推送刮刀8反向转动，以避免物料循环进出管6处冰晶堆积形成堵塞。
（3）步骤（2）进行过程中，冰晶生长分离槽9内的小冰晶颗粒生长长大，每隔1~1.5小时，由自动化控制系统3控制启动排冰过程：设置相应运动时间或运动行程，移动距离可设置推送分离板20移动最大距离为1500~1520mm，筛板运动距离420~440mm；开启自动运行模式，启动第一电机17，带动垂直丝杆14将筛孔板11抬升出液面，直至到达排冰口13，自动关闭垂直丝杆14作业的第一电机17，停隔30s~1min，启动水平丝杆15作业的第二电机19，带动水平丝杆15，使推送分离板20向前运动，推动冰晶体前进，直至推送分离板20运动到设定行程，停止2s；然后第二电机19带动水平丝杆15反向运动，推送分离板20向后运动，直至到后水平限位处停止；然后控制垂直丝杆14的第一电机17自动启动，带动垂直丝杆14转动，使筛孔板11向下运动，直至到垂直方向下限位，完成一次排冰过程，排冰量可达150~200kg每次。
每排出相应质量的冰晶，将重新补充对应质量的新鲜原果汁。如此反复操作，可得到浓度为40~45°brix的浓缩西瓜汁，所得浓缩西瓜汁由进出料口24排出，所排出的冰晶中夹带物浓度为1-1.5°brix。本发明的设备及工艺最大限度保留了西瓜汁的生鲜风味，营养保留率在90%以上。