食品工程原理_冯骉_第十二章冷冻过程

1、一、制冷的基本原理一、制冷的基本原理 第一节第一节 冷冻的原理冷冻的原理（一）制冷循环（一）制冷循环 第十二章冷冻过程第十二章冷冻过程制冷装置中不断循环流动以实现制冷的工作物质称为制冷制冷装置中不断循环流动以实现制冷的工作物质称为制冷剂或简称工质。剂或简称工质。在制冷循环中，制冷剂经过若干个过程以后，回复到原来在制冷循环中，制冷剂经过若干个过程以后，回复到原来的状态，其内能的变化必为零。根据热力学第一定律，体的状态，其内能的变化必为零。根据热力学第一定律，体系对外的热交换等于对外的功交换。系对外的热交换等于对外的功交换。根据热力学第二定律，卡诺循环的热效率为：根据热力学第二定律，卡诺循环的热效

2、率为： h h=1-T2/T1如果逆方向进行循环，工质将从冷源吸取热量，并和外功如果逆方向进行循环，工质将从冷源吸取热量，并和外功一起放给热源，这样的机械就是制冷机。一起放给热源，这样的机械就是制冷机。由于逆卡诺循环由于逆卡诺循环的四个过程都是可逆过程，所以它是理想的制冷循环，常的四个过程都是可逆过程，所以它是理想的制冷循环，常常将逆卡诺循环作为实际制冷循环完善程度的比较标准。常将逆卡诺循环作为实际制冷循环完善程度的比较标准。（二）二）制冷能力和制冷系数制冷能力和制冷系数制冷能力制冷能力在一定操作条件下，单位质量制冷剂从被在一定操作条件下，单位质量制冷剂从被 冷冻物取出的热量。冷冻物取出的热量

3、。逆卡诺循环：逆卡诺循环： q0=Tc(S2-S3)=Tc(S1-S4) 制冷系数制冷系数某一循环的制冷量与循环所消耗的热量之比。某一循环的制冷量与循环所消耗的热量之比。对于逆卡诺循环，制冷系数为：对于逆卡诺循环，制冷系数为： chc41c41h41c0h000-=)-(-)-()-(=-=TTTSSTSSTSSTqqqwq 在同样的热源和冷源温度范围内工作的制冷机，其制冷系在同样的热源和冷源温度范围内工作的制冷机，其制冷系数必小于逆卡诺循环的制冷系数。数必小于逆卡诺循环的制冷系数。（三）制冷剂和载冷剂（三）制冷剂和载冷剂理想的制冷剂应具备以下性质：理想的制冷剂应具备以下性质：（1）在大气压下

4、的沸点要低；）在大气压下的沸点要低；（2）单位容积的制冷能力要大；）单位容积的制冷能力要大；（3）汽化潜热大；）汽化潜热大；（4）临界温度要高，至少高于冷却水的温度；）临界温度要高，至少高于冷却水的温度；（5）在蒸发器内的压强最好与大气压接近或稍高于大气压，）在蒸发器内的压强最好与大气压接近或稍高于大气压， 在冷凝器内的压强又不过高；在冷凝器内的压强又不过高；（6）不会燃烧和爆炸，无腐蚀性，无毒，无刺激味，价格）不会燃烧和爆炸，无腐蚀性，无毒，无刺激味，价格 低廉。低廉。常用的制冷剂有：氨、水、二氧化硫、二氧化碳、氟里昂等。常用的制冷剂有：氨、水、二氧化硫、二氧化碳、氟里昂等。间接蒸发制冷原理

5、间接蒸发制冷原理二、常用制冷方法二、常用制冷方法 （一）空气压缩式制冷（一）空气压缩式制冷 （二）蒸汽压缩式制冷（二）蒸汽压缩式制冷 （三）吸收式制冷（三）吸收式制冷 1发生器发生器 2精馏器精馏器 3冷凝器冷凝器 4过冷器过冷器 5膨胀阀膨胀阀6蒸发器蒸发器 7吸收器吸收器 8升压泵升压泵 9换热器换热器 （四）蒸汽喷射式制冷（四）蒸汽喷射式制冷 1一效主喷射器一效主喷射器 2二效主喷射器二效主喷射器 3三效主喷射器三效主喷射器4蒸发器蒸发器 5主冷凝器主冷凝器 6两级喷射泵两级喷射泵（五）融解和溶解制冷（五）融解和溶解制冷 固体吸热后变为液体称为融解，固体溶于溶质称为溶解，这固体吸热后变为

6、液体称为融解，固体溶于溶质称为溶解，这两种状态变化都可以利用来制造冷量。用冰熔化不能获得低两种状态变化都可以利用来制造冷量。用冰熔化不能获得低于零度的温度，此外冰本身必须由另一种制冷操作获得。于零度的温度，此外冰本身必须由另一种制冷操作获得。 （六）（六）固体升华制冷固体升华制冷固体吸热固体吸热后直接变成气体称为升华。在制冷中已经应用的主后直接变成气体称为升华。在制冷中已经应用的主要是固态要是固态CO2，即，即“干冰干冰”。 （七）（七）液化气体制冷液化气体制冷本质上属于蒸发制冷。它利用低沸点液化气体物质直接与食本质上属于蒸发制冷。它利用低沸点液化气体物质直接与食品接触，吸取食品热量使其冻结，

7、品接触，吸取食品热量使其冻结，而自身蒸发成气体。这种而自身蒸发成气体。这种制冷方式能获得的温度可低达制冷方式能获得的温度可低达-73以下。以下。 （八）低温制冷方法（八）低温制冷方法 双级压缩制冷循环双级压缩制冷循环两级串联制冷循环两级串联制冷循环1高温压缩机高温压缩机 2高温冷凝器高温冷凝器 3高温膨胀阀高温膨胀阀 4中间换热器中间换热器5低温压缩机低温压缩机 6低温膨胀阀低温膨胀阀 7低温蒸发器低温蒸发器一、食品的冷冻过程一、食品的冷冻过程 第二节第二节 食品的冷冻食品的冷冻（一）食品的冻结曲线（一）食品的冻结曲线 （二）水分结冰率与最大冰晶生成区（二）水分结冰率与最大冰晶生成区水分结冰率

8、（冻结率或结冰率）水分结冰率（冻结率或结冰率）食品冻结到食品冻结到一定温度时一定温度时形成的冰晶体质量形成的冰晶体质量Gi与食品总水分质量之比。与食品总水分质量之比。 y y=Gi/(Gi+Gw) 水分结冰率与食品温度间关系：水分结冰率与食品温度间关系： y y=(1-tr/t) 食品冻结时所放出的热量食品冻结时所放出的热量 1冷却的热量：冷却的热量： qc=cp1(t1-tp) 2形成冰时的热量：形成冰时的热量： qi=wy yr 3自冰点至冻结终温时放出的热量：自冰点至冻结终温时放出的热量： qe=cp2(tp-t2) 总热量：总热量： Q=mcp1(t1-tp)+wy yr+cp2(tp

9、-t2) 也可用焓差法来表示：也可用焓差法来表示： Q=m(H1-H2) 二、食品冻结中的物理性质二、食品冻结中的物理性质 （一）食品热物理性质的估算（一）食品热物理性质的估算 1密度的计算密度的计算 iiiswwww iisww1 iiiw 12比热容的计算比热容的计算 当食品的温度高于初始冻结温度时，可以按其组成计算：当食品的温度高于初始冻结温度时，可以按其组成计算： cp=4.18ww+1.711wp+1.574wc+1.928wf+0.908wa w水分；水分；p蛋白质；蛋白质；c碳水化合物；碳水化合物；f脂肪；脂肪；a灰分。灰分。若食品的组成未知，可用下列的近似公式计算：若食品的组成

10、未知，可用下列的近似公式计算： cp=1.470+2.72ww若食品的温度低于冻结温度，则用：若食品的温度低于冻结温度，则用： cp=0.837+1.256ww 3导热系数的计算导热系数的计算食品的温度高于初始冻结温度时：食品的温度高于初始冻结温度时： l l=0.58ww+0.155wp+0.25wc+0.16wf+0.135wa 如果食品的组成未知，只知道水的质量分数，可用：如果食品的组成未知，只知道水的质量分数，可用： l l=0.26+0.33ww 如果如果食品为由两种组分组成的非均质材料，则根据不同食品为由两种组分组成的非均质材料，则根据不同的传热情况计算：的传热情况计算： （a）表

11、示传热方向与两组分系统的界面平行）表示传热方向与两组分系统的界面平行 l l=v1l l1+v2l l2 （b）表示传热方向与两组分系统的界面垂直）表示传热方向与两组分系统的界面垂直 12211)( l ll ll lvv（c）表示组分）表示组分d扩散与另一组分扩散与另一组分c中中 )1(11dcvcc l ll l)1(cd2dl ll l vc冻结食品的导热系数远高于未冻结食品的导热系数：冻结食品的导热系数远高于未冻结食品的导热系数： iiiiv l l l l（二）冻结对食品的影响（二）冻结对食品的影响 1物理性质变化物理性质变化 （1）密度和内压）密度和内压（2）比热容）比热容 cpr

12、=2.0935a+0.8374b （3）热导率）热导率 2冻结食品质构的变化冻结食品质构的变化 冻结过程如果以较快速度冻结过程如果以较快速度完成，则水分重新分布、完成，则水分重新分布、造成组织破坏的程度将得造成组织破坏的程度将得到缓和，解冻时能最大程到缓和，解冻时能最大程度地保持未冻食品的组织度地保持未冻食品的组织状态。状态。一般以冻藏为目的冻结宜一般以冻藏为目的冻结宜用快速冻结手段。用快速冻结手段。三、食品冻结前的冷却三、食品冻结前的冷却 （一）毕渥数（一）毕渥数Bi 0.1时的冷却时的冷却 Bi=a al/l l 特征尺寸特征尺寸l对大平板食品取厚度的一半，对圆球或圆柱状对大平板食品取厚度

13、的一半，对圆球或圆柱状食品取半径。当食品取半径。当Bi 0.1时，冷却过程的热传递的阻力主时，冷却过程的热传递的阻力主要是对流传热阻力，可假设食品内部的温度分布与空间要是对流传热阻力，可假设食品内部的温度分布与空间坐标无关，只是时间的函数。坐标无关，只是时间的函数。pVcAtttt a a eb0b或或 Tc*=e-BiFo 例例12-1用用tb=0的空气冷却青碗豆。青碗豆的水分为的空气冷却青碗豆。青碗豆的水分为74，初温初温t0=25，冷却终了的温度，冷却终了的温度t=3，青碗豆可以看作半径，青碗豆可以看作半径R=5 mm的球体，密度的球体，密度 =950 kg/m3，求冷却所需的时间。，求

14、冷却所需的时间。解：计算得青碗豆的比热容解：计算得青碗豆的比热容cp为为3.483 kJ/(kgK)；导热系数；导热系数为为0.504 W/(mK)；取自然对流的对流传热系数；取自然对流的对流传热系数10 W/(m2K)。1 . 00992. 0504. 0005. 010 l la alBi将青碗豆看作半径将青碗豆看作半径r=5 mm的球体，则：的球体，则： 3rAV s11690-250-3ln310005. 01000483. 3950-ln-b0b ttttAVcpa a 例例12-2某食品罐头高某食品罐头高0.05 m，直径，直径0.05 m，初始温度为，初始温度为-18，其导热系数

15、为，其导热系数为2W/(mK)，比热容为，比热容为2510 J/(kgK)，密度为密度为961 kg/m3，空气对流表面传热系数为，空气对流表面传热系数为5.7 W/(m2K)，现将罐头放在静止的空气中解冻，空气温度为现将罐头放在静止的空气中解冻，空气温度为21，试计，试计算半小时后的罐头温度。算半小时后的罐头温度。解：解： 1 . 0007. 02025. 07 . 5 l la alBi罐头体积罐头体积 352m1081. 905. 0405. 0- V罐头表面积罐头表面积 22-2m1018. 1405. 0205. 005. 0 A51. 0-1081. 996125101800101

16、8. 17 . 521-18-21-5-2- tVcAp a a t=-2.4 （二）大平板食品的温度变化与冷却时间（二）大平板食品的温度变化与冷却时间10.1Bi40的情况的情况记大平板的厚度为记大平板的厚度为2b，在中心平面处记为，在中心平面处记为x=0，用食品的平均，用食品的平均温度作为食品冷却的衡量指标，它与冷却所需时间的关系：温度作为食品冷却的衡量指标，它与冷却所需时间的关系：)lg)(lg3 . 52(43. 00 a al ll l bbpttttbbc)cossin(sin22 当当Bi40的情况的情况可以忽略食品表面对流传热的阻力：可以忽略食品表面对流传热的阻力： )4lg-

17、(lg)(2 . 9bcb02 ttttbcpl l 例例12-3用用tb=-2的空气冷却牛肉，牛肉的初始温度为的空气冷却牛肉，牛肉的初始温度为25，冷却终了的平均温度为冷却终了的平均温度为2，牛肉可近似作为厚度为，牛肉可近似作为厚度为18 cm的的大平板，大平板， =960 kg/m3，瘦牛肉（水分，瘦牛肉（水分75）的）的l l为为0.506 W/(mK)， cp=3485 J/(kgK)，试求空气自然对流的冷却时，试求空气自然对流的冷却时间。若间。若Bi40，求牛肉中心达到，求牛肉中心达到1需要的时间。需要的时间。解：（解：（1）取）取a a=10 W/(m2K)，已知，已知b=0.09

18、 m 878. 1506. 009. 010 l la abBis95103)2- (-2)2- (-25ln)10506. 03 . 518. 0(09. 0506. 0960348543. 0 （2）Bi 40时时 即即：22409. 0506. 04040 bl la aW/(m2K) s52932)14. 34lg)2- (-1(-2)-25(lg)14. 309. 0(506. 096034852 . 92 （三）长圆柱食品的温度变化和冷却需要的时间（三）长圆柱食品的温度变化和冷却需要的时间长圆柱食品的平均温度与冷却所需时间的关系：长圆柱食品的平均温度与冷却所需时间的关系： )lg-

19、)(lg16. 3(3565. 0bb0 a al ll l ttttRRcp)(42222BiBi 当当Bi4时，简化为：时，简化为： )-)(lg16. 3(3565. 0bb0ttttRRcpa al ll l 若以长圆柱食品的中心温度来计算冷却时间，则有：若以长圆柱食品的中心温度来计算冷却时间，则有： a al la al ll l a al ll l 7 . 185. 20843. 0)(lg85. 2(3833. 020 RRRcttttRRcpbcbp例例12-4用用tb=-1的海水冷却金枪鱼，设金枪鱼为半径的海水冷却金枪鱼，设金枪鱼为半径0.1 m的的长圆柱，初始温度为长圆柱，

20、初始温度为20，冷却结束时的鱼的平均温度为，冷却结束时的鱼的平均温度为3，鱼的密度为鱼的密度为1000 kg/m3，含水率为，含水率为70，比热容为，比热容为3430 J/(kgK)。试计算需要的冷却时间。试计算需要的冷却时间。解：用公式计算导热系数，得解：用公式计算导热系数，得l l=0.5 W/(mK)。取水的自然对。取水的自然对 流传热系数，流传热系数，a a=500 W/(m2K)。41005 . 01 . 0500 l la aRBi)5005 . 016. 31 . 0( 1 . 05 . 0100034303565. 0 h4s14260)1004 . 2(4 . 21004lg

21、)1- (-3-1)(-20lg2222 （四）球状食品的温度变化和冷却需要的时间（四）球状食品的温度变化和冷却需要的时间球状食品的平均温度与冷却所需时间的关系：球状食品的平均温度与冷却所需时间的关系： )lg)(lg85. 3(1955. 0bb0 a al ll l ttttRRcp)(62222BiBiBi 的值可查图的值可查图。Bi非常大时，非常大时， 趋于趋于 。 当当Bi 4时，上式可简化为：时，上式可简化为： )(lg85. 3(1955. 0bb0ttttRRcp a al ll l 若以圆球食品的中心温度来计算冷却时间，则有：若以圆球食品的中心温度来计算冷却时间，则有： a

22、al la al ll l a al ll l 1 . 22 . 30737. 0)(lg2 . 3(2233. 020 RRRcttttRRcpbcbp例例12-5用温度为用温度为0，流速为，流速为1 m/s的冷空气冷却苹果，苹果的的冷空气冷却苹果，苹果的初始温度为初始温度为25，密度为，密度为950 kg/m3，比热容为，比热容为3.55 kJ/(kgK)，苹果可看成半径为苹果可看成半径为0.04 m的圆球体，其表面的对流传热系数为的圆球体，其表面的对流传热系数为12 W/(m2K)，苹果的导热系数为，苹果的导热系数为0.76 W/(mK)。试分别求苹果。试分别求苹果的平均温度和中心温度达

23、到的平均温度和中心温度达到3所需要的冷却时间。所需要的冷却时间。解：解： 463. 076. 004. 012 Bi平均温度为平均温度为3所需要的冷却时间：所需要的冷却时间： s9069)030-25)(lg1276. 085. 304. 0(04. 076. 095035501955. 0 - 中心温度为中心温度为3所需要的冷却时间：所需要的冷却时间： )0-30-25)(lg1276. 02 . 304. 0(04. 076. 095035502233. 0 h87. 2s103281276. 01 . 204. 01276. 02 . 304. 0)04. 0(76. 095035500

24、737. 02 （五）短圆柱、立方体的冷却时间（五）短圆柱、立方体的冷却时间同样按不稳定热传导的方法处理。短圆柱体可以看成为是一长同样按不稳定热传导的方法处理。短圆柱体可以看成为是一长圆柱体和一大平板的垂直切割而成，食品与冷却介质的热交换圆柱体和一大平板的垂直切割而成，食品与冷却介质的热交换分别从半径方向和轴线方向同时进行；立方体则为三个大平板分别从半径方向和轴线方向同时进行；立方体则为三个大平板相互垂直切割而成，其热交换则从三个相互垂直的方向进行。相互垂直切割而成，其热交换则从三个相互垂直的方向进行。例例12-6用用tb=-2的空气冷却牛肉块，肉块的空气冷却牛肉块，肉块x、y、z三个方向长三

25、个方向长度分别为度分别为300、200和和180 mm，牛肉块的初始温度为，牛肉块的初始温度为25，冷，冷却终了的平均温度为却终了的平均温度为2，牛肉块的密度，牛肉块的密度 为为960kg/m3，比热容，比热容cp为为3485 J/(kg. K)，导热系数，导热系数l l为为0.506 W/(m.K)，冷空气为自然，冷空气为自然对流，对流传热系数对流，对流传热系数a a为为10 W/(m2.K)。若冷却至牛肉块的平均。若冷却至牛肉块的平均时间为时间为2，问时间需要多长？，问时间需要多长？解：解：x方向上方向上 896. 2506. 015. 010 l la abBixbbpttttbbc)-

26、lg()3 . 52(43. 00a al ll l xbbtttt)-lg()10506. 03 . 53 . 0(15. 0506. 0960348543. 00 整理得：整理得： 242308)lg(0 xbbtttt同样的方法得到在同样的方法得到在y方向上，有方向上，有： ybbtttt)lg()10506. 03 . 52 . 0(10. 0506. 0960348543. 00 整理得：整理得： 133056)lg(bb0 ytttt在在z方向上，有：方向上，有： 114633)lg(bb0 ztttt三式相加：三式相加： 114633133056242308)lg(,bb0 zy

27、xtttt即：即： 24230893. 4)2(2)2(25lg =40760 s=11.3 h 四、食品的冻结四、食品的冻结 （一）冻结过程的传热与产品的温度分布（一）冻结过程的传热与产品的温度分布 （二）实际冻结速度及冻结时间（二）实际冻结速度及冻结时间 食品与冷冻介质相接触表面到温度中心点的距离食品与冷冻介质相接触表面到温度中心点的距离 冻结速度冻结速度= 冻结时间冻结时间（三）冻结时间的预测（三）冻结时间的预测 )4(22il la a lltr 平板状食品：平板状食品： )4(42il la a ddtr 球状食品：球状食品： )4(62il la a ddtr 圆柱状食品：圆柱状食

28、品： 普遍式：普遍式： )(2il la a RxPxtr 板状食品板状食品 P=1/2 R=1/8圆柱状食品圆柱状食品 P=1/4 R=1/16球状食品球状食品 P=1/6 R=1/24块状食品：块状食品： )(2l la a RxPxtH 最终形式：最终形式： 例例12-7在在-30的送风冻结器内，冻结外形为的送风冻结器内，冻结外形为0.4 m0.3 m0.15 m的猪肉块。试计算该肉块初温的猪肉块。试计算该肉块初温+35冻至终温冻至终温-15时所需时间。由有关手册上查得时所需时间。由有关手册上查得： H=305.65 kJ/kg， =1050 kg/m3，tp=-2.8，l l=1.02

29、 W/(m2.K)，t=-30时时，a a=13.76 W/(m2.K)。解：根据肉块外形求出解：根据肉块外形求出b b1 1及及b b2：b b1 1= =b/c=0.30/0.15=2， b b2=a/c=0.4/0.15=2.66 再利用再利用图找出图找出P和和R值得：值得： P=0.27，R=0.075 将上述各值代入计算式：将上述各值代入计算式：)30(8 . 210501065.305)(32- l la a RxPxtHh1 .15s54248)02. 115. 0075. 076.1315. 027. 0(2 五、食品冷冻的方法和装置五、食品冷冻的方法和装置 （一）空气冻结法（

30、一）空气冻结法 用空气作为载冷剂，接受来自制冷剂的冷量，将其传给食用空气作为载冷剂，接受来自制冷剂的冷量，将其传给食品。尽管空气的导热性差，表面传热系数也小，从而冻结品。尽管空气的导热性差，表面传热系数也小，从而冻结速度慢，但空气随处可得，对食品和机械材料无害，所用速度慢，但空气随处可得，对食品和机械材料无害，所用设备相对比较简单，因此仍然是目前应用最广的冻结方法。设备相对比较简单，因此仍然是目前应用最广的冻结方法。食品表面的水分会向空气中蒸发，随后又在制冷系统的蒸食品表面的水分会向空气中蒸发，随后又在制冷系统的蒸发器（管）或载冷剂换热器（管）表面结霜，所以凡用空发器（管）或载冷剂换热器（管）

31、表面结霜，所以凡用空气作冷冻介质的场合，均需定期对蒸发器表面进行除霜。气作冷冻介质的场合，均需定期对蒸发器表面进行除霜。增大风速能使表面传热系数提高，从而提高冻结速度。增大风速能使表面传热系数提高，从而提高冻结速度。 风速与冻结速度的关系风速与冻结速度的关系风速风速/(m/s) 对流传热系数对流传热系数a a/(W/m2.K) 相对冻结速度相对冻结速度 0 4.30 1 1.5 7.40 1.7 2 8.94 2.0 3 13.59 2.85 4 16.68 3.45 5 20.30 3.95 6 22.88 4.31顶管顶管 2冻结盘冻结盘 3蒸发管蒸发管水平带式冻结器水平带式冻结器1传送带

32、传送带 2导板导板 3除霜水喷嘴除霜水喷嘴4空气冷却器空气冷却器 5风机风机往复振动流化速冻装置往复振动流化速冻装置 （二）浸渍冻结与液化气体冻结装置（二）浸渍冻结与液化气体冻结装置 1浸渍冻结装置浸渍冻结装置1食品食品 2传送带传送带 3液面液面 4池子池子 5喷嘴喷嘴 6水浴水浴2液化气体冷冻装置液化气体冷冻装置 （三）接触冻结装置（三）接触冻结装置横式接触冻结装置横式接触冻结装置 竖式接触冻结装置竖式接触冻结装置 接触与送风传热效果的比较接触与送风传热效果的比较1接触冻结法接触冻结法 2送风冻结法送风冻结法 3静止空气冻结法静止空气冻结法一、冷冻浓缩的原理一、冷冻浓缩的原理 第三节第三节

33、 冷冻浓缩冷冻浓缩冷冻浓缩：利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理而实现分离冷冻浓缩：利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理而实现分离的方法。采用冷冻浓缩时，溶液的浓度必须低于低共熔浓度。的方法。采用冷冻浓缩时，溶液的浓度必须低于低共熔浓度。（一）冷冻浓缩中的相平衡（一）冷冻浓缩中的相平衡 冰点下降：冰点下降： )1ln(m20iwrRTT 稀溶液：稀溶液： wrRTTm20i p/ Ti=r0 S 1咖啡咖啡 2蔗糖蔗糖 3苹果汁苹果汁 4葡萄糖葡萄糖 5果糖果糖流体食品的冻结曲线流体食品的冻结曲线 （二）冷冻浓缩中的结晶过程（二）冷冻浓缩中的结晶过程 1层状冻结层状冻结（1）随着冷冻浓缩的进行，溶

34、液浓度逐渐增加，晶尖处溶）随着冷冻浓缩的进行，溶液浓度逐渐增加，晶尖处溶 液的过冷度逐渐降低，冻结速率或晶尖成长速度也随液的过冷度逐渐降低，冻结速率或晶尖成长速度也随 之降，晶体直径逐渐增大；之降，晶体直径逐渐增大；（2）在溶液浓度不变的情形下，水分扩散系数愈小，粘度）在溶液浓度不变的情形下，水分扩散系数愈小，粘度 愈大，则平均直径愈小；愈大，则平均直径愈小；（3）在平行的晶体之间存在着液层，当溶液浓度低于）在平行的晶体之间存在着液层，当溶液浓度低于20% 时，浓度增加，厚度也增加。当浓度大于时，浓度增加，厚度也增加。当浓度大于20%时，则时，则 厚度将保持不变；厚度将保持不变；（4）水分冻结

35、时，具有排斥溶质析出，保持冰晶纯净的现）水分冻结时，具有排斥溶质析出，保持冰晶纯净的现 象，称为溶质脱除作用；象，称为溶质脱除作用；（5）只有在极缓慢的冻结条件下，才有可能产生溶质脱除）只有在极缓慢的冻结条件下，才有可能产生溶质脱除 的现象。的现象。2悬浮冻结悬浮冻结（1）提高溶液中溶质的浓度）提高溶液中溶质的浓度, 冰晶的成长速率将降低；冰晶的成长速率将降低；（2）在溶液过冷度的低值范围内，成长速率与溶液主体过）在溶液过冷度的低值范围内，成长速率与溶液主体过 冷度成正比；冷度成正比；（3）当晶体尺寸大于）当晶体尺寸大于50 mm时，成长速率不随晶体的大小时，成长速率不随晶体的大小 而变；而变

36、；（4）对于连续搅拌结晶槽生产的晶体，当溶液的主体过冷）对于连续搅拌结晶槽生产的晶体，当溶液的主体过冷 度和溶质浓度不变时，平均晶体粒度与晶体在结晶器度和溶质浓度不变时，平均晶体粒度与晶体在结晶器 内的停留时间成正比；内的停留时间成正比；（5）在连续搅拌结晶槽内，保持一定的结晶生产能力。）在连续搅拌结晶槽内，保持一定的结晶生产能力。但但 晶体颗粒在含量不同的情况下晶体颗粒在含量不同的情况下, 晶体平均直径与晶体晶体平均直径与晶体 在器内的平均停留时间的关系是不同的。在器内的平均停留时间的关系是不同的。 葡萄糖溶液冻结时冰晶的成长葡萄糖溶液冻结时冰晶的成长 溶液主体过冷度与晶体临界直径的关系溶液

37、主体过冷度与晶体临界直径的关系 （三）冰晶（三）冰晶浓缩液的分离浓缩液的分离 )1()1(FpFpFpFp wwFPwwFPFwwFwwGb bb bb bb b 二、冷冻浓缩装置二、冷冻浓缩装置 （一）冷冻浓缩的结晶装置（一）冷冻浓缩的结晶装置1直接冷却式真空冻结器直接冷却式真空冻结器1真空结晶器真空结晶器 2冷凝器冷凝器 3干式真空泵干式真空泵 4湿式真空泵湿式真空泵 5吸收器吸收器II6吸收器吸收器I 7冰晶分离器冰晶分离器 V水蒸汽水蒸汽 A芳香物芳香物 C浓缩液浓缩液2内冷式结晶器内冷式结晶器 3外冷式结晶器外冷式结晶器 1料液料液 2刮板式换热器刮板式换热器 3带亚临界晶体的料液带

38、亚临界晶体的料液4结晶器结晶器 5搅拌器搅拌器 6滤板滤板 7循环泵循环泵（二）冷冻浓缩的分离设备（二）冷冻浓缩的分离设备 连续洗涤塔连续洗涤塔螺旋洗涤塔螺旋洗涤塔1熔化水熔化水 2熔冰器熔冰器 3浓缩液浓缩液 4料浆料浆 活塞床洗涤塔活塞床洗涤塔1水水 2熔化器熔化器 3冰晶在熔水中冰晶在熔水中 4洗涤前沿洗涤前沿;5冰晶在浓缩液中冰晶在浓缩液中 6浓缩液浓缩液 7来自结晶器的悬浮液来自结晶器的悬浮液压榨机和洗涤塔的典型组合压榨机和洗涤塔的典型组合1冰冰 2洗涤塔洗涤塔 3结晶器结晶器4浓缩液浓缩液 5压缩机压缩机 6混合器混合器 7料液料液例例12-8采用压榨机和洗涤塔组合的设备进行蔗糖液

39、的冷冻浓采用压榨机和洗涤塔组合的设备进行蔗糖液的冷冻浓缩。进入系统的原料液为缩。进入系统的原料液为1330 kg/h，其浓度为，其浓度为12.5%，要求浓，要求浓缩液的浓度为缩液的浓度为50%。已知离开洗涤塔进入结晶液体浓度为。已知离开洗涤塔进入结晶液体浓度为24%。试求浓缩液量和冰晶量，并近似估计以组合设计代替单纯洗塔试求浓缩液量和冰晶量，并近似估计以组合设计代替单纯洗塔后生产能力的提高。假设浓度为后生产能力的提高。假设浓度为50%的溶液的粘度为的溶液的粘度为0.5 P，24%的为的为0.06 P。解解：设从洗涤塔排出的冰晶为纯冰，夹带的溶质可忽略不计，设从洗涤塔排出的冰晶为纯冰，夹带的溶质

40、可忽略不计， 则由溶质的物料衡算有：则由溶质的物料衡算有： FwF=PwP 故浓缩液量：故浓缩液量： P=FwF/wP=13300.125/0.50=333 kg/h冰晶量为：冰晶量为： G=F-P=1330-333=997 kg/h如果只用洗涤塔进行分离，则洗涤塔所分离的浓缩液即如果只用洗涤塔进行分离，则洗涤塔所分离的浓缩液即为终产品，浓度应为为终产品，浓度应为50%。设组合式装置中洗涤塔的分。设组合式装置中洗涤塔的分离速率在料液浓度为离速率在料液浓度为24%时为时为B，在，在50%时为时为B。假设。假设其他操作条件相同，则两种浓度下混合液在洗涤塔的分其他操作条件相同，则两种浓度下混合液在洗

41、涤塔的分离能力之比应近似等于它们粘度比的倒数：离能力之比应近似等于它们粘度比的倒数： B/B=0.5/0.06=8.33 即组合设备的生产能力是单独洗涤塔时生产能力的即组合设备的生产能力是单独洗涤塔时生产能力的8.33倍。倍。一、冷冻干燥的原理一、冷冻干燥的原理 第四节第四节 冷冻干燥冷冻干燥冷冻干燥：使含水物质温度降至冰点以下，再使由水凝冷冻干燥：使含水物质温度降至冰点以下，再使由水凝固的冰在较高真空度下直接升华而除去的干燥方法。固的冰在较高真空度下直接升华而除去的干燥方法。冷冻干燥具有如下特点：冷冻干燥具有如下特点：（1）冷冻干燥在低压低温下进行，可以保留新鲜食品的）冷冻干燥在低压低温下进

42、行，可以保留新鲜食品的 色、香、味及维生素色、香、味及维生素C等营养物质，特别适用于热等营养物质，特别适用于热 敏性食品以及易氧化食品的干燥；敏性食品以及易氧化食品的干燥；（2）由于物料中水分存在的空间在水分升华以后基本维）由于物料中水分存在的空间在水分升华以后基本维 持不变，故干燥后制品不失原有的固体框架结构，持不变，故干燥后制品不失原有的固体框架结构， 保持原有的形状；保持原有的形状；（3）升华时原来均匀地溶于水中的无机盐就地析出，避）升华时原来均匀地溶于水中的无机盐就地析出，避 免了因物料内部水分向表面扩散时携带无机盐而造免了因物料内部水分向表面扩散时携带无机盐而造 成的表面硬化现象，制

43、品复水后易恢复原有的性质成的表面硬化现象，制品复水后易恢复原有的性质 和形状；和形状；（4）升华所需的热可用常温或温度稍高的加热剂提供，）升华所需的热可用常温或温度稍高的加热剂提供， 热能利用的经济性好；热能利用的经济性好；（5）操作是在高真空和低温下进行，需要有一整套高真）操作是在高真空和低温下进行，需要有一整套高真 空获得设备和制冷设备，故投资和操作费用都大，空获得设备和制冷设备，故投资和操作费用都大， 生产成本高。生产成本高。（一）水的相图（一）水的相图（二）冻结速率对冷冻干燥的影响（二）冻结速率对冷冻干燥的影响冰晶升华后留下的空隙是后续冰晶升华时水蒸汽的逸出通道，冰晶升华后留下的空隙是

44、后续冰晶升华时水蒸汽的逸出通道，慢冻时形成的大而连续的六方晶体升华后形成的空隙通道大，慢冻时形成的大而连续的六方晶体升华后形成的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干速度快；反之，速冻时形水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干速度快；反之，速冻时形成的树枝形和不连续的球状冰晶通道小或者不连续，水蒸汽成的树枝形和不连续的球状冰晶通道小或者不连续，水蒸汽靠扩散或渗透方能逸出，因而干燥速度慢。因此，仅从干燥靠扩散或渗透方能逸出，因而干燥速度慢。因此，仅从干燥速率来说，以慢冻为好。速率来说，以慢冻为好。（三）冷冻干燥过程（三）冷冻干燥过程（1）物料的预冻）物料的预冻 物料预冻的冻结速度同样非常重要，应物料

45、预冻的冻结速度同样非常重要，应通过实验确定合适的冻结速度，使物料组织造成的破坏小，通过实验确定合适的冻结速度，使物料组织造成的破坏小，又能形成有利于以后升华传质的冰晶结构。又能形成有利于以后升华传质的冰晶结构。（2）升华干燥）升华干燥 启动真空系统使干燥箱内达到并保持足够启动真空系统使干燥箱内达到并保持足够的真空度，并对物料精细供热。一般冷冻干燥采取的绝对压的真空度，并对物料精细供热。一般冷冻干燥采取的绝对压强为强为0.2 kPa左右。应控制热流量使供热仅转变为升华热而不左右。应控制热流量使供热仅转变为升华热而不使物料升温熔化。升华产生的大量水蒸气以及不凝气经冷阱使物料升温熔化。升华产生的大量

46、水蒸气以及不凝气经冷阱除去大部分水蒸气后由其后的真空泵抽走。除去大部分水蒸气后由其后的真空泵抽走。（3）解吸干燥）解吸干燥 已结冰的水分在升华干燥阶段被除去后，已结冰的水分在升华干燥阶段被除去后，物料仍含有物料仍含有10%30%的水分，还应进一步干燥。在真空下的水分，还应进一步干燥。在真空下提高物料温度，一般采用提高物料温度，一般采用3060。待物料干燥到预期的含。待物料干燥到预期的含水量时，解除真空，取出产品。水量时，解除真空，取出产品。1干燥室干燥室 2产品产品 3热板热板 4冷凝器（冷阱）冷凝器（冷阱） 5真空系统真空系统 6制冷剂进制冷剂进 7制冷剂出制冷剂出 8加热流体进加热流体进

47、9加热流体出加热流体出（四）冷冻干燥中的传热和传质（四）冷冻干燥中的传热和传质 冷冻干燥物中水分分布冷冻干燥物中水分分布1理想条件下冷冻干燥中的传热和传质理想条件下冷冻干燥中的传热和传质 （1 1）忽略传热）忽略传热 （2 2）接触传热）接触传热 （3 3）辐射传热）辐射传热ii0max)dd(TSpKW imi0mmax)dd(TrSpKrWQ 2实际冷冻干燥中的传热和传质实际冷冻干燥中的传热和传质 0di0imax)()dd(RRRppSW 0dis0ismax)()dd(RRRrppSrWQ )(2)()(2)(isdsf0a20idf0a2dTTrXXppKXX l l 二、冷冻干燥装

48、置二、冷冻干燥装置 （一）冷冻干燥装置的主要构成（一）冷冻干燥装置的主要构成 （1）预冻系统）预冻系统 应用最多的预冻手段为鼓风式和接触应用最多的预冻手段为鼓风式和接触式冻结法。对液态物料，也可用真空喷雾冻结法进行预冻。式冻结法。对液态物料，也可用真空喷雾冻结法进行预冻。（2）供热系统）供热系统 供热系统主要提供冻结制品水分不断升供热系统主要提供冻结制品水分不断升华所需的热量，其次是间歇性地提供低温凝结器（冷阱）华所需的热量，其次是间歇性地提供低温凝结器（冷阱）积霜熔化所需的熔解热。传热方式主要采用传导和辐射两积霜熔化所需的熔解热。传热方式主要采用传导和辐射两种。常用喷射混合换热法。种。常用喷射混合换热法。（3）蒸汽和不凝结气体的排除系统）蒸汽和不凝结气体的排除系统 多采用低