第三章制冷与食品冷冻

第3章,制冷与食品冷冻,Refrigeration,3.1制冷技术原理3.2制冷剂和载冷剂3.3食品的冻结,制冷与食品冷冻,3.1制冷技术原理,3.1.1制冷的基本概念、原理与方法,3.1.2一般制冷方法,3.1.3低温制冷方法,3.1.4食品冷冻常用的蒸气压缩式制冷循环,3.1.1制冷基本概念、原理与方法,A卡诺循环及逆卡诺循环,卡诺循环,12等温可逆膨胀，23绝热可逆膨胀,34等温可逆压缩，41绝热可逆压缩,构成正循环：顺时针的热力循环,1-2-3-4-1闭合线所围面积：对外所作之功,逆卡诺循环,也是由四个可逆过程组成,12绝热可逆压缩，等熵过程，T2升至T1,23等温可逆压缩,熵减少,向热源(T1)放热Q1,34绝热可逆膨胀，熵不变，T1降到T2,41等温可逆膨胀,熵增加,由冷源(T2)吸热Q2,经过一个反循环，工质从冷源吸热Q2，,并和外功W一并向热源放热Q1,制冷过程简图,压缩式制冷机的制冷过程压缩、冷凝、膨胀、蒸发,制冷机主要由蒸发器、压缩机冷凝器和膨胀阀。压缩机是制冷系统的作功单元,B制冷过程,C制冷量与制冷系数,制冷量（制冷能力）Q：单位时间制冷剂从被冷冻物取出的热量。WKW,国外冷冻吨1冷吨=24h内1吨0水,冰所放出的热量,1美国冷吨=12660KJ/h=3.5kw1日本冷吨=3.86kw,低温低压气体,低温低压气体气体,高压液体,低温低压液体,D压焓图,制冷剂的压焓图(lgp-h图)，,又称莫里哀(mollier)图,横坐标：比焓h，纵坐标：lgp(直接读取的仍是p值),除等压线,等焓线外，,等温线（T=c）,等比容线（v=c）,等熵线（S=c）,等干度线（x=c）,还绘出：,过冷液体区,湿蒸汽区,过热蒸汽区,制冷系数,Tc高温热源TN低温热源,人工制冷方法中以机械压缩循环制冷法最为常用。,一般制冷方法,机械压缩制冷法空气压缩制冷、蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷,非机械压缩制冷法融解和溶化制冷、固体升华和液体汽化制冷,低温制冷方法多级制冷循环、串级制冷循环、节流膨胀和绝热膨胀法,3.1.2一般制冷方法,1.蒸汽压缩式制冷,应用最广泛的制冷方法,理想蒸汽压缩式制冷循环分四步：,1.绝热压缩；,2.等温等压冷凝；,3.绝热膨胀；,4.等温等压蒸发,A机械压缩循环制冷法,2.吸收式制冷,以吸收器发生器组代替压缩机,以热能代替机械能而工作,工质是二元溶液,低沸点组分作制冷剂,高沸点组分作吸收剂,最常用的工质有：,氨水二元溶液,氨为制冷剂，水为吸收剂,水溴化锂二元溶液,水为制冷剂，溴化锂为吸收剂,溴化锂极易溶于水，溴化锂水溶液有较强的,吸水能力。,3.蒸汽喷射式制冷,利用高压水蒸气在喷射器内高速喷射造成低压，并使水在此低压下蒸发吸热的原理实现制冷。,广泛应用于空调,为了获取更低的温度,3.1.3低温制冷方法,A多级制冷循环,依靠一种制冷剂实施多级压缩的制冷方法。低压气缸、高压气缸、中间冷却器。,B串级制冷循环,在制冷循环中应用两种或多种制冷剂串联操作，以一高温制冷剂所产生的冷效应去液化沸点较低的制冷剂，而此液化后的制冷剂，在汽化时又去液化另一沸点更低的制冷剂，如此逐级液化以达到所要求的低温。用于70以下的制冷，可获得80120,3.1.4食品冷冻常用的蒸汽压缩制冷循环,单级蒸汽压缩制冷循环：将制冷剂从蒸发压力一次压缩到冷凝压力的制冷循环。由压缩机、冷凝器、蒸流机构及蒸发器组成。理论循环的假设条件是：压缩机吸入的气体是饱和气体，在节流阀前是饱和液体，蒸发和冷凝的压力和温度稳定；制冷压缩机气缸没有磨擦、节流等损耗。气缸阀与外界没有热交换，也没有余隙容积，管道中没有任何损失，压力降低仅在膨胀阀中进行。,A单位制冷量,单位质量制冷量q0,(J/kg),单位容积制冷量qv,(J/m3),单位质量或单位容积制冷剂在蒸发器中所吸收的热量称为单位制冷量。,B制冷剂循环量,单位时间在制冷机中循环的制冷剂流量。循环量有质量和容积两种表示方法。,C制冷剂的放热量,冷却过程放热量,冷凝过程放热量,过冷过程放热量,包括冷却、冷凝、过冷三阶段的热量总放热量：,液态物质在温度降低至凝固点而仍不发生凝固或结晶等相变的现象。这样的物质叫作过冷液体。把物质加热到通常发生相变的温度以上而仍不出现相变的现象，称为过热。,44,55,11,22,3,如果饱和液体受到过冷（44），则节流过程以虚线45表示。蒸发过程则为551.如果制冷剂蒸汽由蒸发器出来后在进入压缩机前出现过热（11），这样压缩机吸入的就是过热蒸汽（点1），蒸发过程则变为5511，压缩过程为等熵线12.,D压缩机所消耗的功率,循环量G的制冷循环,指示效率,压缩机压缩功W单位制冷剂,理论功率：,余隙容积的大小，冷凝和蒸发的压力比、吸入蒸气的温度以及汽缸，活塞和汽阀的结构等因素,指示效率,由于摩擦损失,轴功率,电动机功率,0.8-0.95,为了保证压缩机工作可靠和安全，加一个安全系数B,一般取B=1.1-1.15便可求得电动机的额定功率N0,E制冷系数,理论,实际,有一立式、双缸氨压缩制冷机，制冷量为418600kJ/h,其操作的蒸发温度T015，冷凝温度Tk=25,过冷温度TU20，作制冷循环计算。,(1)单位制冷量,(2)制冷剂循环量,解：查氨的lgp-h图,据操作温度,定出1,2,3,4各点，,（3）制冷剂放热量,（4）功率消耗,理论压缩功率Nt=G(h2-h1),绝热指示效率：,机械效率取传动效率取电动机的实际轴功率,（5）制冷因数,理论值,实际值,3.2制冷剂和载冷剂,1.制冷剂实现制冷循环的工作物质,对制冷剂的要求：,（1）汽化热要大，制冷剂循环量,（2）冷凝压力不应过高，省功,（3）沸点应适当低，使压缩吸入压力适合,（4）凝固点应低，适用温度范围较大,（5）临界温度应高些，常温可液化,（6）比容要小，可压缩机尺寸,（7）安全性无毒无腐蚀性,难燃难爆,化学稳定,（8）价格低廉易得,目前，最常用的制冷剂为氨和氟利昂等,（1）氟利昂（Freon）,氟利昂：饱和烃的卤素取代物的总称,氟利昂按其组成可分为三类：,CFC-含氯的氟化碳,HCFC-含氢和氯的氟化碳,HFC-含氢无氯的氟化碳,分子通式：,氟利昂的种类多，通常用编号以便于称呼,氟利昂促进了制冷技术的发展。但到1970s，人们发现氟利昂进入大气后会破坏臭氧层，并产生温室效应。,氟利昂中:,CFC类对臭氧层的破坏能力最强,HCFC类次之,HFC类因不含氯而无破坏作用,为保护人类赖以生存的自然环境，1987年以来，经过三次国际会议讨论，决定对R11，R12等15种CFC物质及R10等5种物质到2010年完全停止生产,对R22等34种HCFC物质从2020年起开始控制,现在，各国都在积极研究CFC的代用问题,（2）氨（NH3）,是我国最广泛应用的制冷剂,按国家标准规定，无机化合物制冷剂:,编号数字为700加其分子量,2载冷剂,载冷剂：将制冷系统产生的冷量传给被冷却物体的中间介质,常用的载冷剂有三类：,水、盐水(NaCl,CaCl2)及有机物载冷剂(乙二醇),间接冷却装置需用载冷剂,载冷剂条件：安全性好；价廉易得；热容量大。,3.3食品的冻结,3.3.1水的冻结曲线,食品冻结过程是食品中的自由水形成晶体的物理过程。自由水冻结成冰，结合水不能。水在常压下的冰点为0，但实际上在冻结曲线上，冰晶体往往不是一到0就形成，而是要先经过一个过冷过程。水的过冷温度可低到-40才出现结冰。（书中图）,食品的冻结温度曲线,AB：降温至过冷,BC：冰晶开始形成,CD：冻结主要阶段,DE：溶质开始结晶,EF：水和溶质继续结晶,FG：已冻食品继续降温,3.3.2食品的冻结曲线,各类食品都有一个类似于水的冰点的初始冻结点，称为食品的冰点。总是低于水的冰点。,一般冻藏食品的温度仅为-18左右。其中的水分实际上并未完全冻结。食品的冻结也会出现过冷现象。过冷的程度与食品的种类有关。,3.3.3水分结冰率与最大冰晶生成区,水分转化为冰晶体的程度水分结冰率（冻结率、结冰率）食品冻结到一定温度时形成的冰晶体质量（mi）与食品总水分（包括结冰水mi和液态水mw）,r食品的冰点低于冰点的食品温度,水分结冰率变化最大的温度区域称为最大冰晶生成区，-1-5之间,3.3.4冻结对食品的影响,A物理性质,1.体积膨胀产生内压冻结膨胀压：含水分多的食品冻结时体积会膨胀，当内部的水分因冻结而膨胀时会受到外部冻结层的阻碍，于是产生内压。2.比热变小Cp=2.0935a+0.8374ba-食品含水率b-固形物含量导热系数提高，汁液流失（减少风味，营养成分，重量）干耗量w=A(Pf-Pa),B质构变化,细胞间隙的与亲水胶体结合转弱或以低浓度溶液状态存在的水分,冰晶体冻结越慢,水分重新分布越显著,3.3.5食品冻结的速度与时间,A冻结过程的传热与产品的温度分布,不稳定的外部传热：食品表面与冷冻介质主流间,内部传热：不稳定导热,对流传热,对流和间壁传导,食品冻结终了温度：一般取冻结结束时的食品表层温度与食品中心温度算术平均值。,B冻结速率及冻结时间,表示方法,食品热中心温度下降的速率,冰锋前的速率,食品热中心：指降温过程中食品内部温度最高的点。公称冻结时间：温度均匀的食品，中心温度从0下降到比它低10所需的时间。有效冻结时间（实际冻结时间）：从实际某温度Ta下降到某一平均温度所需的时间。,C冻结时间计算式,通用计算式,P和R为系数板状P=1/2R=1/8圆柱状P=1/4R=1