毕业设计（论文）-钢带连续式冻结装置制冷系统的设计.doc

学校代码： 10128学 号： 200920301049 本科毕业设计说明书题 目：钢带连续式冻结装置制冷系统的设计学生姓名：学 院：能源与动力工程学院专 业：热能与动力工程班 级：09-2班指导教师：二 一 三 年 六 月内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘 要随着科技的不断进步，人们生活水平的显著提高，食品结构向多样、方便、营养型方向发展。其中，冷冻食品由于其卫生、快捷等特点，越来越受到世界各国人民的青睐。速冻行业在我国起步较晚，进入九十年代，国内速冻食品迅猛发展，与此相应国产速冻装置也从无到有并不断推陈出新。本课题将以速冻汤圆为例，进行钢带连续式冻结装置制冷系统的设计。首先，对国内外的发展历史及现状作了简单的介绍，并对速冻食品的未来作了展望。随着人们对速冻食品的需求越来越高，使速冻装置的应用市场越来越大。在文中也介绍了速冻食品的原理。毫无疑问，速冻装置对速冻食品的质量起着至关重要的作用。其中钢带连续式速冻机因其冻结工艺简单、适用范围广越来越受到青睐。文中的最后，揭示了该冻结装置存在的问题，并提出了提高其效率的有效途径。关键词：速冻；食品；冷负荷AbstractWith the development of technology and the improvement of peoples living standards. The foodstuff structure is changing towards multiplicity convenience and nutrition. The quick-freezing food is becoming more popular among the worldwide because its healthy，fast and many other advantages. Frozen industry in China starts late, while the development of the domestic frozen food is rapid from the last century. At the same time, the freezing equipment is also scratch. Freezing-preservation is the best method for food preservation. It is cheaper and can preserve the food longer. A topic investigated processing procedures for fast frozen dumpling. First, I introduce the history and the present of the quick-freezing industry. Also, some future I imagine. The principle and characteristic of quick-freezing food technologic is introduced in the paper. There is no doubt that quickfreezing equipment is crucial for the good qualities of frozen food. The steel belt quick freezer is favorable for its simple freezing technology and wide application. At finally, some measurements are given to improve quick freezer performance after revealing their existing problems.Key words：quick-freezing; sweet soup balls；cooling load目 录绪 论1第一章 速冻食品及装置11.1 速冻技术产生的背景11.2 速冻及发展现状21.2.1冻结装置21.2.2速冻食品21.3 速冻行业的未来发展趋势31.4 本课题的主要研究内容4第二章 食品冷冻原理与相关参数的计算52.1 食品冷冻保鲜原理52.2 食品冷冻曲线62.3 速冻汤圆原料及物性参数计算72.3.1 原料以及食品物性值计算72.3.2 设计条件以及相关物性参数计算72.4 食品的冻结特性82.5 热负荷计算92.5.1食品冷负荷92.5.2其他冷负荷102.6 冻结速率与时间102.6.1食品的冻结速率102.6.2 食品的冻结时间10第三章 主要制冷设备的选型与计算123.1 制冷系统方案设计123.2 制冷压缩机的选型计算133.2.1 制冷压缩机的选型133.2.2主要工作参数的确定143.3冷凝器选型与计算183.3.1冷凝器的选型183.3.2冷凝器的计算193.4 蒸发器的选用与布置213.4.1蒸发器结构形式的选择213.4.2 蒸发器的选型计算213.5节流机构22第四章 制冷系统的优化设计244.1食品冷却介质244.2布风系统的优化设计244.2.1吹风方式的选择244.2.2风速大小的选择与布置254.3冻品的输送装置264.3.1食品的摆放264.3.2 输送装置274.4 库体与保温284.5 钢带连续式冻结装置的特点28第五章 结论305.1相关结论305.2今后工作建议30参考文献32致谢33 绪 论随着经济的快速发展，人们物质文化水平的不断提高，食品行业的得到了长足的发展与进步。为满足消费市场不同人群对食品的更高要求，各种新型食品的保藏加工技术应运而生，比如速冻、无菌包装、辐照等等。速冻食品具有营养价值高、卫生、方便和快捷等特点，从而受到世界各国人民的青睐，因此促进了食品冷冻业的发展。当前冷冻冷藏食品已经成为世界上发展最快的食品，在发达国家其销售量已占全部食品的6070。随着冷冻食品消费量的迅速增长，品种逐渐增多，曾被广泛使用的库房式冻结间演变为使用各种新型的、快速连续冻结装置，并因此推动了食品冷冻工艺的巨大变革。鉴于速冻食品的迅猛发展，冷冻库将无疑被速冻机所取代，其中钢带连续式冻结装置具有热交换效果好，冻结速度快、半接触、半送风传热的特点，特别适用于调理食品、肉食制品、水产品等的冻结加工。半接触式冻结装置，凭借传送带它又可以实现连续化生产。所以近年来一般预制食品的冻结开始采用这种装置，其构造和隧道式相仿。它利用轴流风机通过制冷蒸发器向传送带上的食品吹风，从而加快了食品的冻结速度。由于汤圆在-25-30低温下快速冻结，汤圆所含的大部分水分随着热量的散失而形成微小冰晶体，减少了生命活动和生化反应所需的液态水分，抑制了微生物的活动,延缓了食品的品质变化,最大限度地保持了汤圆原有的营养和风味，并可长期保鲜。因此,速冻汤圆的发展对推动我国速冻食品工业的发展有着非常重要而广泛的意义。34第一章 速冻食品及装置1.1 速冻技术产生的背景目前，冻结是食品保鲜最为有效和普遍的方法，通过低温技术将食品所含水分冻结成冰，恶化微生物的生存环境，有效抑制了食物变质。速冻技术是以食品中的水分快速结晶为基础，在-30以下或者更低的温度下快速冻结，使食品中心温度在2030min内从-l降至-5，并使食品热中心的温度迅速降低到-18以下，并在此温度下储存和流通。在食品的冻结(慢冻)过程中，由于细胞内的液体含有蛋白质，糖类等物质，其冰点要低于细胞外的液体。故细胞外的水分首先结晶，造成细胞外溶液浓度增大，细胞内水分通过细胞膜渗透到细胞外并继续结晶，直至温度降低到细胞内溶液的冰点时细胞内才会有冰晶。一方面细胞由于受到细胞外冰晶挤压产生变形甚至破裂，破坏了食品的组织结构。另一方面，由于细胞内外浓度的不同，细胞内的液体就会通过细胞膜扩散到细胞间隙中去，这些液体在细胞间隙内形成较大的冰晶。当食品解冻后，由于冰化成水后，体积要增大9%。体积的增大会对细胞产生一种膨胀压。显然，这种膨胀压不仅会对细胞产生破坏，而且汁液流失多，不能使冻品保持原有的外观和鲜度，质量明显下降。在速冻过程中，能以最短的时间通过最大结晶区，细胞内外几乎同时形成冰晶，冰晶分布与天然食品中液态水的分布及为相似，而且分布均匀，形成冰晶小，这样就不会破坏细胞组织，同时使微生物的生命活动及酶的生化作用均受到抑制。当食品解冻时，冰晶体融化的水分能迅速被细胞吸收，因此速冻食品能最大限度地保持天然食品原有的色泽风味、新鲜状态和营养，且具有卫生、质优、品种繁多、食用方便、成本较低等优点。从本世纪30年代，速冻食品在欧美发达国家问世以来，发展非常迅速。近年来，发达国家速冻食品年增长率高达10%30%，品种多达3000多种，其销售量占全部食品的60%70%。我国从九十年代开始，速冻食品进入普通家庭，1991年人均消费量不足1kg，现在也只有3.7kg，与发达国家的差距还很大。因此，速冻食品有很大的发展空间。1.2 速冻及发展现状1.2.1冻结装置冻结装置就是用来加工食品冻结过程的机器设备的总称。我们可以根据冻品的不同特性选择不同的冻结装置。其方法及装置也不尽相同。根据不同的换热方式和冻结装置结构的不同。大致可以分为以下三类3：（1）吹风式冻结法，比如隧道式冻结装置、螺旋式冻结装置、搁架式冻结间以及流态化式冻结装置等。其中隧道式冻结装置又可分为传送带式、推盘式、以及吊篮式等。流态化式冻结装置又分可以为斜槽式、一段带式、二段带式、和往复振动式等等。（2）接触式冻结法，比如平板式冻结装置（分为立式和卧式）、钢带式冻结装置、回转式冻结装置。（3）喷淋浸渍式冻结法，有低温液体喷淋冻结装置、载冷剂浸渍冻结装置，低温液体喷淋装置又分为二氧化碳喷淋冻结装置和液氮喷淋冻结装置。1.2.2速冻食品速冻食品1928年起源于美国。很长的时间内，由于人们对速冻食品缺乏必要的认识，没有赢得多少消费者的青睐，速冻行业发展十分缓慢。二次世界大战后，速冻食品才迅速发展起来，1948-1953年美国系统地研究了速冻食品，提出了著名的T、T、T概念，并制定了冷冻食品制造法规。从此以后，速冻食品实现工业化生产，并进入超级市场，深受消费者青睐。特别是果蔬单体快速冻结技术的开发，开创了速冻食品的新局面。速冻食品是指将原料和配料经处理后，在-30的低温下进行快速冻结、包装，在-18下低温贮藏和流通的方便食品。速冻食品与其他食品相比有以下五大优点： （1）卫生质优。食品经过低温速冻处理，既能最大限度地保持食品本身的色泽风味及营养成分，又能有效地抑制微生物的活动，保证食用安全。 （2）营养合理。如速冻调理食品配料时，可以通过原料的不同搭配控制脂肪、热量及胆固醇的含量，以适应不同消费者的需要。（3）食用方便。速冻食品既能调节季节性供需平衡，又能减轻家务劳动，减少城市垃圾，保护环境。 最近几年，世界速冻食品的生产和消长迅速增长，其增长速度高达2030，超过任何一种食品，品种达3000多个，美国、日本以及一些欧洲国家已形成原料产地加工、销售、家庭食用的完整的产业链，保证了速冻食品的工业化和社会化。据有关资料介绍，速冻食品销售量在发达国家将占全部食品的6070，已取代罐头食品的垄断地位而跃居食品加工工业的首位。冷冻冷藏食品行业是我国20世纪八九十年代发展起来的一门新兴食品产业，中国速冻食品起步于20世纪80年代，开始主要是沿海城市大型罐头厂试制生产速冻食品，供外销出口，在技术上大多采用以冷藏间代替冻结时间，大部分工序采用人工操作。由于冷藏间制冷能力有限，冻结大都在几小时以上，许多产品成了“慢冻食品”，因此生产发展十分缓慢。1973年北京、青岛、上海的3个速冻食品厂同时从日本引进螺旋式速冻机，促进了我国速冻食品的发展。随着引进设备的不断增加和各种国产设备的研制成功，我国的速冻食品加工工艺逐渐向国际水平靠拢，速冻食品也从过去仅有的肉类、水产类冷冻加工发展到果品、蔬菜和调理食品加工。目前，我国已有生产速冻食品企业近200家，品种达300多个，年生产量达1000万吨，仅速冻蔬菜的出口量已达50万吨，速冻方便食品的出口量已超过意大利跃居世界第一位5。1.3 速冻行业的未来发展趋势 （1）冻品的加工技术将更加先进液氮、液态二氧化碳直接喷洒的制冷装置可以使温度下降到比氨压缩机低很多的冷冻程度，使超低温冻结成为可能。一些新的解冻技术，比如冰被摸冻结法（CPF）、DDM冻结法等等，高压解冻技术也逐渐被应用于速冻食品（2）向绿色食品方向发展由于人们生活水平的不断提高，对速冻食品的质量要求也越来越高，发展符合环保要求、安全卫生、质优价廉、品种繁多的速冻食品是行业发展的大趋势。发展绿色速冻食品将成为全球人民的共识。（3）业务和集团消费的速冻食品比例增加家庭之外的业务用餐以及学校、单位、及快餐业的集团消费速冻食品比例将越来越大，开发生产更多适合此类需求的产品，将占据速冻食品的又一大市场。流通和消费领域的冷链将日益完善。速冻食品的保质期短，贮藏要求高。随着市场要求的旺盛，经营规模的发展、配送、运输、贮藏、销售过程的制冷设施-即冷链将进一步完善3。1.4 本课题的主要研究内容鉴于速冻食品的迅猛发展，冷冻库将无疑被速冻机所取代，钢带连续式冻结装置具有热交换效果好，冻结速度快、半接触、半送风传热的特点，特别适用于调理食品、肉食制品、水产品等的冻结加工。这种装置使用强制吹风式冻结，从而加快了食品的冻结速度。凭借传送带它又可以实现连续化生产。本课题将以速冻汤圆为例，作钢带连续式冻结装置制冷系统的设计。首先，对国内外的发展历史及现状作了简单的介绍，并对速冻食品的未来作了展望。随着人们对速冻食品的需求越来越高，使速冻装置的应用市场越来越大。在文中也介绍了速冻食品的原理。毫无疑问，速冻装置对速冻食品的质量起着至关重要的作用。其中钢带连续式速冻机因其冻结工艺简单、适用范围广越来越受到青睐。文中的最后，揭示了该冻结装置存在的问题，并提出了提高其效率的有效途径。本文将以速冻汤圆为例，进行钢带连续式冻结装置制冷系统的设计。第二章 食品冷冻原理与相关参数的计算2.1 食品冷冻保鲜原理（1）低温对反应速度的影响 温度为物质之间的反应提供能量，反应速率随温度的变化可以用温度系数Q10来表示5： （2-1） 根据Arrhenius方程可以得出 （2-2）式中， -温度t时的反应速度； -温度为（t+10）时的反应速度； E-活化能。 从式中可以看出，温度系数表示温度每升高10反应速度所增加的倍数。也就是说，温度系数表示温度每下降10反应速度所减缓的速度。显然，低温能大大减缓反应速度。 （2）低温对微生物的影响1）随着温度的降低，微生物细胞内酶的活性也跟着下降，使得微生物新陈代谢的速度减慢，因而微生物繁殖速度也减慢。在-5-2低温下对微生物破坏性最大，但是在-25-20时，微生物的死亡速率反而会减慢，这是由于微生物细胞内的新陈代谢基本完全停止。2）当食品处于冻结温度以上时，冻结速度冻越快，微生物的死亡率也就越大。这是因为一方面微生物的各种生化反应的一直协调性被迅速破坏，另一方面，还导致了蛋白质的变性。 （3）低温对酶活性的影响大多数酶的活性温度处在3040，低温可以抑制蛋白酶（多数酶属于蛋白质）活性。由于微生物多数的生化反应需要酶的催化，这样无疑大大减缓了微生物的繁殖。综上所述，食品温度的降低能在一定程度上抑制微生物的生长，降低酶的活性，从而减缓食品变质的速度，这对于食品的保鲜是十分有利的。2.2 食品冷冻曲线食品的冻结就是使食品的温度降至食品冰点以下的某一规定温度，使食品中绝大部分水变成冰的工艺过程。由于食品在- 25- 30低温下快速冻结。食品所含的大部分水分随着热量的散失而形成微小冰晶体,减少了生命活动和生化反应所需的液态水分,抑制了微生物的活动,延缓了食品的品质变化,最大限度地保持了食品原有的营养和风味,并可长期保鲜4。通常把冻结过程中食品温度随时间变化的曲线称为食品冻结曲线。冻结曲线一般是指食品热中心的温度变化曲线。所谓食品热中心，是指冻结过程中食品内部温度最高的点。对于成分均匀且几何形状规则的食品，热中心就是几何中心。食品的冻结曲线如图2-1所示。 图2-1 食品的冻结曲线从食品的冻结曲线可以看出，食品的冻结过程分为冷却、相变、终温三个阶段。（1）冷却阶段。食品从初温冷却至冰点。在冷却阶段，由于食品与冷却介质的温差大，所以冷却速度快，曲线比较陡。（2）相变阶段。食品中绝大部分水从液相变为固相的阶段。由于食品中的水分不是纯水，随着水分的冻结，食品的冰点逐渐降低。因此食品的相变是在一定温度范围内进行的。当食品的温度为-5时，食品中可冻结水分的80左右都已经结冰。故把-51度称为最大冰结晶生成带。在最大冰结晶生成带，由于食品结冰放出潜热，食品降温很慢，曲线比较平坦。 （3）终温阶段。这一阶段由于结冰量很少，放出潜热不多，加之食品冻结后比热减小，导热系数增大，曲线又变得比较陡。到食品冻结后期，由于食品温度与冷却介质的温差减小，曲线变得比较平缓。2.3 速冻汤圆原料及物性参数计算汤圆的中心温度通过最大冰晶生成带（-1-5）所用的时间在30min之内，这种方法生产的汤圆称为速冻汤圆。制作工序：原料选用原料处理调制馅心、面皮成形 速冻包装成品入库2.3.1 原料以及食品物性值计算馅料： 黑芝麻18；白芝麻12；白砂糖30；饴糖15；熟面粉10； 大油10； 核桃仁5； CMCC-Na 适量（羧甲基纤维素钠的作用是调节馅心的粘度和软硬度,使馅心成为软硬适当的团块）。皮料：优质糯米8090 粳米1020 植物油适量其中每百克中各成分含量如下：能量：1285kJ 15； 蛋白质：4.1g 7； 脂肪：13g 22；碳水化合物： 43.2g 14； 钠13mg 1；计算结果：含水量46.68。2.3.2 设计条件以及相关物性参数计算被冻结食品名称： 黑芝麻汤圆。处理量：48000个/h；单位冻品重量：20g/个； 馅心重量：14.67g； 冻品直径：24mm； 室内温度：26； 室内湿度：90%；食品入口温度：20； 食品出口温度：-18； 冻结区温度：-40。 （1）比热C(kJ/kg）1）当食品还处于初始冻结点之上时，可以用下面公式计算其比热容。CP=4.18Ww+1.711WP+1.574WC+1.928Wf+0.908Wa （2-3）式中： Ww、WP、WC、Wf、Wa-食品中水分、蛋白质、碳水化合物、脂肪和灰分含量 质量分数。 2）食品冻结后的比热 CP=0.837+1.256W （2-4）计算结果：食品开始冻结前的比热容C1：3.76 (kJ/kg）； 食品开始冻结后的比热容C2：2.566 (kJ/kg）。 （2）热导率(W/m)1）食品开始冻结前的热导率 =0.58Ww+0.155Wp+0.25Wc+0.16Wf+0.135Wa （2-5）式中： Ww、Wp、Wc、Wf、Wa-食品中水分、蛋白质、碳水化合物、脂肪和灰分的质量分数。2）食品冻结后的热导率 （2-6）式中：、-各组分的体积分数、密度和热导率计算结果：食品开始冻结前的热导率1：0.5007 (W/m)； 食品开始冻结后的热导率2：0.0.757 (W/m)。2.4 食品的冻结特性 食品的冻结点，即食品的初始冻结温度。众所周知，水的冰点是0，而当水中溶入糖、盐这一类非挥发性物质时，冰点就会下降。食品物料冻结时在初始冻结点开始冻结，随着冻结过程的进行。水分不断地转化成冰结晶，冻结点也随着降低，这样直至所有水分都冻结。食品冻结点的温度在冻结过程中并不是恒定的，随着食品浓度的增加，其冻结温度会逐渐下降。在低浓度条件下，冻结点的下降可以通过下式来求解： （2-7）式中：Kf-是常数，就冰而言，Kf=1.86/(mol/kg 水)； m-是溶质的质量摩尔浓度(mol/kg 水)。该式对于该浓度的物料场合可能不适用，因为在高浓度条件下，冻结点温度下降幅度比较大。2.5 热负荷计算冷冻所需能量应包括食品冷却、冻结、过冷却所需带走的热量以及外界传入冻结装置的热量、电动机散发出的热量的总和。2.5.1食品冷负荷Qm （1）冷却时的热量 Q1=GC0（tC-tB) （2-8）式中：G-为冷冻加工食品的重量，kg； C0-为未冻结食品高于冰点时的比热，kJ/(kg)； tC-为食品的初温,； tB-为食品的冰点,。 （2）水结成冰时放出的潜热 Q2=GWmr （2-9）式中：W-为视食品中的含水量； m-为食品冻结结束时在平均冻结温度下的结冰率； r -为水变成冰时的潜热，r=335kJ/kg。 （3）结成的冰自冰点至冻结终温时放出的热量 Q3=GWmCB(tB-tP) （2-10）式中：CB-为冰的比热，CB2.1kJ/(kg)； tP-为食品的平均冻结终温，。 （4）未冻结水分从冰点冷却至平均冻结终温放出的热量 Q4=GW(1-m)cS(tB-tP) （2-11）式中：cS为水的比热，cS=4.187kJ/(kg)。 （5）食品中干物质从冰点冷却至平均冻结终温放出的热量 Q5=G(1-W)cg(tB-tP) （2-12）式中：cg-为食品中干物质的比热，对于植物性食品cg0.9kJ/(kg)。以上5项之和即为食品在冻结过程中放出的热量。计算结果：Qm=129.80kW2.5.2其他冷负荷Qn （1）护围结构的冷负荷(库体隔热材料选用硬质聚氨酯泡沫材料) QW=KA(t1-t2)=346w （2-13）其中 K-护围结构传热系数； A-护围结构的表面积26.55m2； t1-速冻机所在的室内温度26； t2-速冻机内温度-35。本文采用150mm聚氨酯，导热系数为 0.15W/m2 。 （2）开口处冷负荷: 每一处开口耗冷量按930.4w计算，两个进出口则是1860.8w计算结果：Qn=18kW 以上负荷合计 Q=Qm+Qn=148kW2.6 冻结速率与时间2.6.1食品的冻结速率冻结速率是指食品物料内某点的温度下降速率或冰峰的前进速率。食品的冻结过程可分为缓慢冻结、快速冻结和超快冻结等。主要有以下几种表示方法5：(1) 时间-温度法。一般以降温过程中食品物料内部温度最高点，即热中心的温度表示食品物料的温度。常用热中心温度从-1到-5这一温度范围的时间来表示。若通过此区的时间少于30min，称为快速冻结；大于30min，称为缓慢冻结。(2) 冰峰前进速率。冰峰前进速率是指温度为-5的结冰面在1h内从表面向中心移动的距离，单位为cm/h。快速冻结520cm/h，中速冻结15cm/h，慢速冻结0.11cm/h。1972年国际冷冻协会定义，冻结速率是指食品表面与中心温度点间的最短距离与食品表面达到0后食品中心温度降至比食品冻结温度低10所需时间之比，单位是cm/h。2.6.2 食品的冻结时间食品冻结过程分为预冷、结冰和深冷三个阶段。1972年国际冷冻协会定义了标准冻结时间和有效冻结时间。标准冻结时间是指以食品各处的温度均以0度为起始温度，将食品中心温度下降到比起始温度低10时所需的时间。有效冻结温度是指食品从初温下降到给定温度所需的时间。在实际应用中广泛采用有效冻结时间。冻结时间的计算方法主要有三种：实验法、理论分析计算法和简化计算法。本课题采用简化计算法7。1941年普朗克公式 这种数学模型提出了如下假设6： （1）食品冻结前初始温度均匀一致并等于其初始冻结温度； （2）冻结过程中，食品的初始冻结温度保持不变； （3）食品的热导率等于冻结时的热导率； （4）只计算水的相变潜热量，忽略冻结前后放出的显热量； （5）冻结过程为稳定的传热过程，冷却介质与食品表面的对流换热系数不变。 （2-14）其中h-每千克食品的冻结潜热，等于纯水的冻结潜热与食品含水率的乘积J/kg; -为食品的密度。kg/； D-为直径； -为食品表面对流传热系数，W/(m2)； -为东冻结层的热导率，（W/m)； -为食品的冰点温度，； -为冷却介质的温度，。该式经计算冻结时间为20.2min，符合速冻条件。从汤圆表面到中心温度点（即几何中心）间的最短距离1.2cm，以先进的速冻工艺，通过最大冰晶区（-1-5）的时间为6min，冻结到中心温度-18。根据国际冷冻协会制定的冻结速度的计算公式8:代入相关数据得： 参照国际冷冻协会制定的冻结速度规定与实际V=12cm/h的结果相比。此冻结工艺完全符合国际V520cm/h快速冻结标准。第三章 主要制冷设备的选型与计算3.1 制冷系统方案设计 （1）制冷方式的选择制冷的方法很多，常见的有以下三种2：1）利用物质相变（如熔化、蒸发、升华等等）2)利用气体膨胀产生的冷效应制冷；3）利用帕尔贴效应的热电制冷。在众多制冷方式中，相变制冷是应用最早也是最广泛的一种，技术趋于成熟。本文采用蒸汽压缩式制冷。 （2）制冷剂的选择本课题研究的是速冻汤圆，其速冻温度要达到-30以下。在众多制冷工质中，氨是应用较广的中温制冷工质。沸点为-33.3，凝固点为-77.9。单位容积制冷量大，粘性小，流动阻力小，传热性能好。此外，氨的价格低廉，又易于获得。氨能与水以任意比例互溶，组成氨水溶液。在低温时，水也不会从溶液中析出而冻结成冰。不用担心“冰赌”现象。所以氨系统里不必设置干燥器。另外，氨的ODP（消耗臭氧潜能）值为0，GWP（全球变暖潜能）1。说明了氨对大气环境的友好性。鉴于以上优点，选择氨作为制冷剂。 （3）单、双级压缩循环的选择从温度上来看单机压缩制冷温度在-40以上，双级压缩的制冷温度为-40至-70，复叠式制冷制冷温度为-70以下，采用单机压缩无法满足要求，复叠式压缩需耗费不必要的能量，故采用双级压缩。 （4）冷却方式的选择冷却方式分为直接冷却与间接冷却。直接冷却冷却效果好，间接冷却由于存在二级温差，所以需要更低的蒸发温度，制取同样的冷量会使耗功增大。故采用直接冷却方式。 （5）节流次数的选择节流次数越多，节流损失越小，制冷循环的制冷系数越高。但多级节流循环所组成的制冷系统比较复杂，而且多级节流系统过多的节流阀也给实际操作带来许多不便。若采用双级节流，中间冷却器中的制冷剂流量随蒸发器热负荷的变化而变化，为了适应负荷的变化，必须不断地调节两个节流阀的开启度。两个阀门的开启度相互影响，相互制约，很难适应负荷的变化。因此，采用一级节流循环的优点要多于二级节流方式。 （6）中间冷却器的方式选择氨制冷剂的等熵指数较高（k=1.30），压缩中的排气温度较高。为了降低排气温度，最有效的方法是降低吸气温度，所以应采用中间完全冷却的方式。综上所述，采用氨制冷系统的双级压缩一次节流方中间完全冷却方式。大体如下图所示：图 3-1 氨制冷系统的双级压缩一次节流中间完全冷却示意图3.2 制冷压缩机的选型计算在蒸汽压缩式制冷系统中，压缩机是决定系统能力大小的关键部件，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等有着直接的影响。无疑，压缩机相当于系统中的“心脏”。制冷压缩机根据其对制冷剂蒸汽的压缩热力学原理可以分为容积型和速度型两大类。前者如活塞式、回转式。后者如离心式。3.2.1 制冷压缩机的选型压缩机的作用是将来自蒸发器的气态制冷工质吸入，并将其压缩到冷凝压力，然后排至冷凝器。相对活塞式压缩机，螺杆式压缩机结构简单，易损件少，容积效率高，排气温度低，对制冷剂中含有大量的润滑油（湿行程）不敏感，无活塞式的液击和离心式的喘振现象，有良好的输气调节特性等优点。螺杆式压缩机采用了高效转子型线和齿数比，这样螺杆式压缩机的压缩过程等熵效果更好，故其循环更加贴近于理论循环。相对其他形式的压缩机，螺杆式压缩机在结构上存在泄露三角形1，但是它没有余隙容积，这样就增强了密封性，故螺杆式压缩机的容积效率明显高于活塞式压缩机。由于螺杆式压缩机可以以较小的功率输入获得较多的输气量，故理论分析选用螺杆式压缩机的制冷装置更加经济、节能1。3.2.2主要工作参数的确定 （1） 蒸发温度tZ的确定吹风式冻结的速冻机的蒸发器的传热温差选择8，蒸发温度-40。 （2）冷凝温度tL的确定冷凝温度主要取决于冷凝器的形式、冷却方式和冷却介质的温度，以及制冷压缩机允许的排气温度和压力。 tL=式中：tL-为冷凝温度（）； t1、t2-冷却水进、出口温度（）； t-为温差。本文中t1取27.5，t2取33.5，t取7.5，则tL为38。 （3）压缩机吸气温度tL的确定从蒸发器出来的干饱和蒸汽，经过回气管道以及回气管道上的辅助设备到压缩机吸气口时，由于管道渗入等因素影响已有相当的过热度。吸气温度不但受吸入管道的长短和环境温度的高低以及蒸发温度的高低影响，还与制冷系统供液方式有关。设计时，按下表中的温度来确定。表3-1 氨压缩机允许的最高吸气温度蒸发温度/ 5 0-5 -10-15-20-25-28-30-33-40-45吸气温度/10 1-4-7-10-13-16-18-19-21-25-28 本文中蒸发温度取-43，吸气温度取-26.5。 （4）排气温度tP的确定由工程热力学可知，排气温度可由下式求得： （3-2）式中：TX、TP-分别是压缩机吸、排气绝对温度（K）;PX、PP-分别是压缩机吸、排气压力（kPa）；-是制冷剂的等熵指数。经计算，排气温度为156。（6）最佳中间冷却温度tpj的确定中间冷却温度是由中间压力所决定的，中间压力是指双级压缩制冷循环的中间冷却器内的压力。最佳中间温度tpj的确定主要有以下两种方法：1）有理想中间压力确定。理想中间压力计算式为 （3-3）式中 Pzj-理想中间压力（MPa）； PZ、PL-蒸发压力和冷凝压力（MPa），以绝对压力计。求得后，查制冷剂性质表2，即可得到与之对应的最佳中间温度值。2）利用拉塞经验公式确定。在温度范围为+40-40以内的氨制冷系统中，可用拉塞经验公式确定最佳中间温度，计算式为 (3-4)双级压缩机的选型方法有理论输气量选型和特性曲线图表选型两种方法。本课题采用理论输气量法来选型，具体过程如下：因制冷剂为氨，选用一级节流中间完全冷却循环，其p-h图如下图所示。根据给定条件，可以确定表中的参数。按最佳制冷系数的原则确定中间温度及中间压力，假定中间压力pm=0.334MPa，中间温度tm=-6.5，在-6.5上、下取若干个数值，例如0，-1，-2，-3，-4，-5，-6，-7，-8，-9进行计算，在计算中取中间冷却盘管的氨液出口处端部温差t=3，计算结果得出，最佳温度在tm=-5处，相应中间压力pm=0.355MPa，制冷循环性能指标的计算结果如表所示：（其中，低压级制冷压缩机的容积效率取0.65，指示效率0.83，轴效率0.67，高压级压缩机容积效率0.73，指示效率0.85，轴效率0.67） 图3-2 制冷循环的p-h图 图3-3 制冷系数与中间温度的关系曲线 表3-2 各点的状态参数状态参数符号单位数值冷凝压力pkMPa1.555蒸发压力poMPa0.07175点的比焓h5kJ/kg390.61点的比焓h1kJ/kg14081点的比焓h1kJ/kg14191点的比体积v1m3/kg1.5912点的比焓h2kJ/kg16403点的比焓h3kJ/kg14574点的比焓h4kJ/kg16727点的比焓h7kJ/kg191.53点的比体积v3m3/kg0.3465表3-3 制冷循环性能指标的计算结果序号性能指标计算公式计算结果1高压级压力比PK/Pm4.3832低压级压力比Pm/po4.9523单位质量制冷量(kJ/kg)Qom=h1-h712164低压级压缩机理论制冷剂流量(kg/h)qmal=QO/qom4445低压级压缩机理论输气量(m3/h)qVtL= qmal v1/vL1086.56低压级压缩机理论功率/kWPOL= qmal(h2-h1)27.287低压级压缩机的轴功率/kWPEl=pol/eL40.78低压级压缩机实际排气比焓(kJ/kg)h2s=h1+(h2- h1)/ Il16859高压级压缩机制冷剂流量(kg/h)qmaH= qmal(h2s-h7)/(h3-h5)62210高压级压缩机理论输气量(m3/h)qVtH=qmaHv3/nVH295.411高压级压缩机理论功率/kWPOH=qmaH(h4-h3)37.2212高压级压缩机的轴功率/kWPeh=Poh/neh55.513高压级压缩机实际排气比焓(kJ/kg)h4s=h3+(h4-h3)/nih171014理论制冷系数=(h1-h7)/(h2-h1)+(h4-h3)(h2-h7)/(h3-h5)2.32615实际制冷系数=QO/(PEh+PEL)1.55816理论输气量比=qVtH/qVtL0.27217冷凝器热负荷/kWQL= qmaH(h4s-h5)2293.3冷凝器选型与计算冷凝器是一个热换交换器，它的作用是将来自压缩机的高温高压气态制冷工质冷却并冷凝成液体。在这一过程中，气态制冷工质放出热量，故需用其他物质或介质来冷却。冷凝器按其冷却介质和冷却方式可分为水冷式、空气冷却式（或称风冷式）和蒸发式3种。3.3.1冷凝器的选型由于水冷式冷凝器对压缩机的制冷能力和运行的经济性都比较有利，本课题采用水冷式冷凝器。而水冷式冷凝器又分为管壳式（分为立式与卧式）、套管式和板式等几种形式。其中卧式冷凝器结构紧凑，传热系数高且操作管理方便。适用于水源缺少，水温与湿球温度较低的地区，用水量和耗水量都较小，能效比较高。综上所述，采用卧式水冷式冷凝器。一般水冷式冷凝器都带有水冷却塔。水冷却塔的作用是把水冷式冷凝器中冷却水吸收的制冷剂蒸发而吸收的热量，通过表面蒸发及与空气接触进行热交换后排放到环境中，使冷却水的温度降低，供冷凝器循环使用，以达到节约用水的目的。卧式管壳式冷凝器的冷凝系统如下图所示11：图3-4 卧式冷凝器制冷剂的蒸汽在管子外表面冷凝，冷却水在循环水泵的作用下流动。冷却水从壳体下部的进水口进入冷凝器，吸收制冷剂的热量后，从壳体上部的出水口流入冷却塔。经由循环水池循环使用。3.3.2冷凝器的计算对于双级压缩制冷循环，其循环过程的压焓图如图3-4所示。图3-4 双级压缩循环压焓图(1) 冷凝负荷QL（kW）的计算 (3-5) 式中 QL-冷凝负荷（kW）； G -压缩机制冷剂循环量（kg/h）； h3 -压缩机的排气比焓（kJ/kg)； h4 -冷凝压力下饱和液体的比焓（kJ/kg)。代入数据得: QL=kW=229kW (2) 冷凝面积F（m2）的确定 (3-6) 式中 qF-冷凝器单位面积热负荷； -对数平均温差； K-冷凝器的传热系数。 代入数据得： m2=50.89m2考虑到以下几个原因，传热面积F应该留出20%30%的余量6：1) 在实际使用过程中，个别管子会被腐蚀甚至烂穿，一般先把这样的管子密封，待到生产淡季再进行维修，这样一来，传热面积会减小。2) 管子难免会产生污垢，使管径变小，阻力增大，传热面积减小，水量减小。3) 系统中的空气或者其他不凝性气体会使冷凝压力高于其饱和压力。4) 其他非正常情况的出现。（3）冷却水量（m3/s)的确定 （3-7）式中： QL-冷凝负荷（kW)； C-冷却水的比热容； -冷却水的密度，淡水=1000kg/m3。代入数据得；m3/s=0.0091m3/s3.4 蒸发器的选用与布置3.4.1蒸发器结构形式的选择 蒸发器也是一个热交换器，它的作用是使经节流机构供入的制冷工质液体蒸发成蒸汽，以吸收被冷却物体的热量。因此，蒸发器是制冷系统中制取和输出冷量的地方。根据对冷却对象的不同，蒸发器分为冷却液体的蒸发器和冷却空气的蒸发器。而依据冷却空气的流动情况又分为自然对流冷却和用风机强制冷却。冷风机主要由翅片管式换热器与风机组成。冷