食品工程原理 第三章 制冷

食品工程原理课件第三章制冷第1页，课件共63页，创作于2023年2月第一节理论基础及基本概念

在食品工业上的应用：①产生冷冻、速冻食品；②贮藏；③加工手段（冷冻浓缩、干燥）；④空气调节等。制冷:消耗机械功或其它能量获得低温（相对环境）的单元操作。工业上，一般是采用机械压缩、蒸汽喷射和吸收剂吸收等实现制冷的。

分类：深度冷冻（-100℃以下）和一般冷冻（-100℃以上）。一、概述第2页，课件共63页，创作于2023年2月2、热力循环：体系经过一个过程的变化，热和功有一定的转换，如果从初始状态经过若干过程后，回复到原状态，又完成了热与功的转换，而物质状态发生周期性变化。该循环过程称为热力循环。二、基础理论与方法（一）封闭体系热力过程1、封闭体系:与外界无物质交换，但可以有热、功交换的热力学体系，即只有能量传递，没有物质传递。

热力学第一定律恰好描述了热力学体系中热与功转换的数量关系。第3页，课件共63页，创作于2023年2月3、热力学第一定律：dq=de+pdV（J/kg）因此，对于理想的封闭体系（热力循环），热交换量等于功交换量。

以热和功的形式传递的能量必定对应于系统的内能确定的变化。

规定：de↑为+,内能增加为正;dq↑为+,吸热,q为正;dV↑为+,膨胀,即对外做功,w为正。工质循环后，内能无变化，回复到原状态。第4页，课件共63页，创作于2023年2月1、卡诺循环和逆卡诺循环TTCTNP12342341q1q2TCTNS1S2

卡诺循环——

热机循环VS1→2等温膨胀过程2→3等熵膨胀过程3→4等温压缩过程4→1等熵压缩过程P-V图T-S图（二）制冷循环第5页，课件共63页，创作于2023年2月

逆卡诺循环——制冷循环TTCTNP12342341q1q2TCTNS1S2VSP-V图T-S图1→2等熵（绝热）压缩过程2→3等温压缩过程3→4等熵（绝热）膨胀过程4→1等温膨胀过程第6页，课件共63页，创作于2023年2月2、实际制冷过程蒸发器等温等压等压冷凝器膨胀阀（节流阀）等焓等熵压缩机制冷过程简图四个阶段：压缩、冷凝膨胀、蒸发第7页，课件共63页，创作于2023年2月（三）制冷剂的压焓图与温熵图

等压线群：水平线等焓线群：垂直线等比容υ线群：虚线等干度x线群:

等温t线群:

等熵S线群:饱和蒸汽饱和液体临界点过冷液体过热蒸汽1、压焓图第8页，课件共63页，创作于2023年2月2、温熵图K点：临界点；

K点左支曲线:饱和液体曲线；

K点右支曲线:饱和蒸汽曲线；等压线群:ABCD；等焓线群:EF；等比容υ线群:GHJ（虚线）；等温t线群（水平线）等熵S线群（垂线）过冷液体过热蒸汽第9页，课件共63页，创作于2023年2月P89第10页，课件共63页，创作于2023年2月F-12压焓图P90第11页，课件共63页，创作于2023年2月（四）理想制冷循环与实际制冷循环的比较1、理想制冷循环第12页，课件共63页，创作于2023年2月第13页，课件共63页，创作于2023年2月2、实际制冷循环1.绝热可逆压缩(等熵)过程:1-2线2.等压冷却、冷凝及过冷过程：2-2’-3’-3线3.节流膨胀(等焓)过程:3-4线(不可逆,无外功,绝热)4.等温等压蒸发:4-1线第14页，课件共63页，创作于2023年2月h1h2h3=h4h1、绝热可逆压缩(等熵)线1-2。2、等压冷却、冷凝及过冷过程：2-2’

线—冷却(到饱和蒸汽)(等压)；2’-3’—冷凝(等压,等温)；3’-3—过冷(等压),3’与3点的温度不同；故2-2’-3’-3为等压冷却、冷凝及过冷过程线。3、节流膨胀(等焓)线3-4。4、蒸发(等压,等温)线4-1。第15页，课件共63页，创作于2023年2月第16页，课件共63页，创作于2023年2月实际制冷循环与理想过程的区别

1.节流阀取代膨胀机：

节流膨胀：连续流动流体经到节流阀急剧膨胀,使其压强p2下降至p1。由于过程太快,其情况不可逆，由于节流阀没有作外功,w=0,又流体与周围介质来不及作热交换,故节流前后焓值不变。2.引入过冷凝线：加大冷凝器面积，增大吸热量，即增加了制冷量。3.干法压缩取代湿法压缩：

制冷系数减少，但避免液击事故，提高生产能力。

4.过程不可逆。实际制冷循环所消耗外功多。第17页，课件共63页，创作于2023年2月第18页，课件共63页，创作于2023年2月三、一般制冷方法（一）机械压缩制冷1、空气压缩制冷：用空气作为制冷剂。制冷系数小，经济性差，单位制冷量小（无相变）。2、蒸汽压缩制冷：用常温下加压可以液化的物质作为制冷剂（工质），工质在循环过程中不断发生相变（液态→气态，气态→液态）第19页，课件共63页，创作于2023年2月蒸汽压缩式制冷循环原理图冷凝器等温过程等温过程特点：制冷系数大，单位制冷量大，传热系数大，设备小。第20页，课件共63页，创作于2023年2月3、吸收式制冷：消耗热能。使用制冷剂和吸收剂两种工质。中央空调系统如溴化锂吸收制冷。制冷剂吸热蒸发制冷剂蒸汽冷凝减压蒸发制冷混合吸收制冷剂吸收剂吸收式制冷原理图4、蒸汽喷射式制冷：消耗热能。第21页，课件共63页，创作于2023年2月（二）非机械压缩制冷1、融解和溶解制冷：如冰融解制冷；盐水低温制冷（降低冰点）。2、固体升华和液体汽化制冷：如干冰制冷、液氮制冷。第22页，课件共63页，创作于2023年2月四、低温制冷方法为了获得更低的温度，可用以下几种方法：1、多级制冷循环：多级压缩（一种制冷剂）。2、串级制冷循环：多级压缩（多种制冷剂）。3、节流膨胀和绝热膨胀法：配合1、2方法使用。4、固体升华与液体汽化制冷：第23页，课件共63页，创作于2023年2月两级蒸气压缩式制冷循环

第24页，课件共63页，创作于2023年2月1、制冷量（制冷能力）：单位时间制冷剂从被冷冻物中（在蒸发器中吸收）取出的热量Q0，单位W或kW。冷冻吨(国外)，1冷吨(USA)=3.52kW=12660kJ/h1冷吨(JP)=3.86kW=13900kJ/h

单位制冷量：单位质量或单位容积制冷剂在蒸发器中所吸收的热量。（1）单位质量制冷量q0；单位J/kg

（2）单位容积制冷量qv；单位J/m3

单位制冷量q0、qv可从蒸汽压焓图查取、计算。第二节食品冷冻常用的蒸汽压缩式制冷的计算一、制冷计算第25页，课件共63页，创作于2023年2月h4=h3h1h2hq0=h1-h4J/kgkJ/kgkJ/m3J/m3比容单位质量制冷量q0单位容积制冷量qv式中υ0是1点的比容。第26页，课件共63页，创作于2023年2月2、制冷剂循环量：单位时间内制冷机中循环的制冷剂流量。（1）单位时间质量循环量G，单位kg/s

（2）单位时间容积循环量V，单位m3/s（1）单位时间质量循环量G单位kg/s（2）单位时间容积循环量V单位m3/s第27页，课件共63页，创作于2023年2月3、制冷剂的放热量Qk：包括冷却、冷凝、过冷三阶段的放热量。h4=h3h1h2h冷却段冷凝段过冷段单位均为：W或kW单位放热量：qk=(h2-h3)第28页，课件共63页，创作于2023年2月4、制冷压缩机功率：对于单位质量制冷剂，压缩机的理论压缩功称为理论功wt，单位J/kg。h4=h3h1h2hJ/kg（1）理论功wt（2）理论功率Nt：对于制冷剂循环量为G（kg/s）的压缩循环,压缩机所消耗的功率，单位W。单位：WJ/kg第29页，课件共63页，创作于2023年2月（3）实际功率N：实际功率大于理论功率。N

>Nt。如果压缩机的总效率为η，则实际功率：其中ηai—指示效率，为理论功率Nt与指示功率Ni之比。是压缩机余隙容积、压缩比、汽缸、活塞和气阀等结构因素造成能量损失。可用该式计算：蒸发温度中、小型卧式压缩机：大型卧式压缩机：立式压缩机：冷凝温度排气温度预热系数温度℃卧式：

b=0.002立式：

b=0.001第30页，课件共63页，创作于2023年2月ηm—机械效率。指示功率Ni与轴功率Nz之比。机械摩擦损失。ηD—传动效率。轴功率Nz与实际功率N之比。传动机构的完善程度。传动效率ηD的取值：三角皮带：0.97~0.98平皮带：0.96齿轮箱：0.96~0.99电动机直接联接：1.0第31页，课件共63页，创作于2023年2月

为了保证压缩机工作可靠，取保险系数B=1.1~1.15，则电机的额定功率N0为：单位：W第32页，课件共63页，创作于2023年2月5、制冷系数ε

：制冷循环中的制冷量Q0（W，或kW）与该循环所消耗的功率N（W，或kW）之比值ε。消耗单位外功所能获得的制冷量。用于衡量制冷循环的效率，是评价某具体制冷循环经济性的一项指标。单位质量的理论值理论功单位质量制冷量第33页，课件共63页，创作于2023年2月对于理想制冷循环,ε仅与T0和Tk有关，与制冷剂的性质无关。逆卡诺循环制冷系数ε最大,制冷最为经济，ε↑,制冷效率↑；(Tk-T0)↓,ε↑→但Tk↓受环境条件限制；T0↑不利于传热。对于理想制冷循环（逆卡诺循环）：蒸发温度冷凝温度第34页，课件共63页，创作于2023年2月例1.某制冷循环为逆向卡诺循环。在-25℃下每kg制冷剂在蒸发器内的吸热量和在冷凝器内的放热量分别为200kJ/kg和240kJ/kg。求：

1.制冷系数；

2.冷凝温度；

3.若制冷剂循环量为450kg/h，求所需理论功为若干kW。第35页，课件共63页，创作于2023年2月解：1.制冷系数ε

由题意知：

2.冷凝温度Tk

因是逆向卡诺循环，故制冷系数：已知蒸发温度T0=273-25=248K第36页，课件共63页，创作于2023年2月3.理论功Nt第37页，课件共63页，创作于2023年2月例2、在氨蒸气压缩制冷循环中，蒸发温度和冷凝温度分别为-20℃和20℃，制冷量为20冷吨(日本)。氨在冷凝器中的放热速率为100kJ/s，氨进入压缩机的状态为干饱和蒸气，并在其中进行绝热压缩。求：

1.压缩机的理论功率；

2.制冷系数；

3.氨的循环流量。第38页，课件共63页，创作于2023年2月解：1.压缩机的理论功率Nt

氨在冷凝器中放热速率为100kJ/s，即制冷量:净功:理论功率:2.制冷系数第39页，课件共63页，创作于2023年2月3.氨的循环流量G

根据题意知，蒸发温度t0=-20℃，又因为压缩机入口为干饱和蒸气，并进行绝热压缩，故可由附录logp-h图查出：h4h1h2h3-20℃20℃h,kJ/kgLogph1=1445kJ/kgh2=1640kJ/kgwt=h2-h1=195kJ/kgG=Wt/wt=420kg/h第40页，课件共63页，创作于2023年2月例3.某蒸气压缩制冷循环以氨为制冷剂，冷凝温度为30℃，蒸发温度为-10℃。制冷剂离开蒸发器时为干饱和蒸气，离开冷凝器时为饱和液体。如制冷剂流量为100kg/h，求：

1.制冷系数；

2.制冷装置的制冷量；

3.所需的理论功率。第41页，课件共63页，创作于2023年2月解：该制冷循环的logp-i示意图由本题附图所示。由附录logp-h图查出制冷剂在各状态点的焓值分别为：1.制冷系数εh4h1h2h3-10℃30℃h,kJ/kgLogp第42页，课件共63页，创作于2023年2月2.制冷量Q01kg氨的制冷量为：

制冷装置的制冷量为：3.所需理论功率Nt

压缩机对1kg制冷剂所作的净功为：所需理论功率为：第43页，课件共63页，创作于2023年2月二、制冷循环工作参数的确定1、蒸发温度（T0）：随制冷剂的不同而不同。

空气载冷:T0比冷库空气温度低8～12℃;

盐水载冷:T0比盐水温度低4～6℃。2、冷凝温度（Tk）：由冷凝器型式、冷凝介质的温度决定。

水冷却:Tk=t+(4～5℃)

(t为冷凝器排水温度，进出水的温差取2～3℃)

空气冷却:Tk=t’+(8～12℃)(t’为冷凝器排气温度)

(立、卧式、淋激式冷凝器）第44页，课件共63页，创作于2023年2月3、压缩机的吸汽温度（T1）：为控制过热点温度。

低压蒸汽过热有害，使压缩机功耗↑，可通过控制冷凝温度，回收一部分过热能量。吸汽温度取决于回汽的过热度。若不考虑回汽的过热,则T1≈T0,实际上,自蒸发器的低压蒸汽进压缩机前将在吸汽管中吸收周围空气的热量,温度升高,比容增大,叫蒸汽过热。第45页，课件共63页，创作于2023年2月

制冷量q0没有变化，但压缩机的功耗却增加了△W（图中1-1’-0-2-1的面积），这在经济上是不利的，称为有害过热。蒸发温度越低，吸入蒸汽与周围空气间的温差越大，此有害影响越大。可以用回热循环减轻该危害。什么是回热循环？回热循环对制冷是否有利？

4、过冷温度（Tu）：比冷凝温度(预先确定的)低3～5℃,比冷却水进口温度高3℃。第46页，课件共63页，创作于2023年2月回热循环：将蒸发器产生的低温低压蒸汽与节流前的液体工质进行热交换。1、既可减轻或消除吸汽管道中的有害过热，又能使液态制冷剂过冷。2、制冷剂过冷，将增加循环的制冷量△q0

，但功耗也增大△W，其制冷系数是否提高，视具体操作条件和制冷剂种类而异。3、当Tk=30℃，T0在普通制冷温度范围内时，对F-12采用回热循环是有利的；对于氨是不利的；F-22介于两者之间，即制冷无大的变化。第47页，课件共63页，创作于2023年2月一、制冷剂：即制冷工质，冷冻剂——传递热能的媒介。第三节制冷剂与载冷剂第48页，课件共63页，创作于2023年2月1、对制冷剂的要求：①常压下，沸点低→蒸发温度低；②单位容积制冷量大→制冷剂量小，压缩机尺寸小；③制冷剂潜热要大→可减少制冷剂循环量；

④不燃烧、无毒、无刺激气味（无爆炸、无腐蚀性）价低。第49页，课件共63页，创作于2023年2月2.常用制冷剂（1）氨:单位容积制冷量大、价廉；但有味、有害且有腐蚀；（2）氟里昂（Freon）：饱和碳氢化合物的卤素衍生物。常用的主要是甲烷、乙烷、丙烷的衍生物。但氟里昂破坏地球的臭氧层，已限制使用。（3）SO2