食品工程原理制冷

關(guān)于食品工程原理制冷第一節(jié):概述

一、制冷指從低溫物體吸熱并將其轉(zhuǎn)移到環(huán)境介質(zhì)中的過程，使物體降溫并保持比環(huán)境介質(zhì)溫度更低的低溫條件。

二、分類（一）按制冷溫度分：1、普通制冷：－150℃以上2、低溫制冷：－150℃以下第2頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（二）按獲得低溫的方法不同，分為：1、蒸汽壓縮式制冷2、吸收式制冷3、蒸汽噴射式制冷4、半導(dǎo)體制冷5、化學(xué)反應(yīng)式制冷以下主要介紹蒸汽壓縮式制冷第3頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、制冷在食品加工中的應(yīng)用1、冷凍保藏2、速凍食品的生產(chǎn)3、冷飲食品的生產(chǎn)4、冷凍干燥技術(shù)5、酒類低溫發(fā)酵等等第4頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)：制冷技術(shù)的理論基本

一、制冷操作的實質(zhì)借助制冷劑把低溫物體中的熱量送到溫度較高的環(huán)境中去。必須消耗一定的外界能量。二、蒸汽壓縮制冷指在消耗外功的條件下，借助制冷劑，通過壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)等過程的交替循環(huán)來實現(xiàn)制冷目的。第5頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、卡諾循環(huán)與逆卡諾循環(huán)

卡諾循環(huán)，即將熱量轉(zhuǎn)化成機(jī)械功的循環(huán)是正循環(huán)。

逆卡諾循環(huán)是一種消耗功的循環(huán)。在溫－熵圖或壓－焓圖上，循環(huán)的各個過程都是依此按逆時針方向變化的。逆卡諾循環(huán)是壓縮制冷的物理基礎(chǔ)，由兩個可逆的等溫過程和兩個絕熱等熵過程組成，是評價實際循環(huán)效率高低的標(biāo)準(zhǔn)。但工業(yè)上不能實現(xiàn)。第6頁,共38頁，2024年2月25日，星期天理想壓縮制冷循環(huán)特點四個基本設(shè)備：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器1

2

絕熱壓縮p

T2

3

等溫壓縮向環(huán)境放熱，S3

4

絕熱膨脹T<T1（膨脹閥）4

1

等溫膨脹T

T1理想化處理：①無阻；②絕熱;③可逆；第7頁,共38頁，2024年2月25日，星期天四、單級蒸氣實際壓縮

制冷循環(huán)

①制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后成為高壓高溫過熱氣體（1→2）；②進(jìn)入冷凝器被冷卻、冷凝、過冷為過冷液體（2→3）,向環(huán)境放熱；③然后進(jìn)入節(jié)流裝置如膨脹閥后降溫降壓為液體（3→4）；④部分液體閃蒸成蒸氣，這些氣液兩相的混合物進(jìn)入蒸發(fā)器，從冷物體吸熱蒸發(fā)成飽和蒸氣（4→1）后回到壓縮機(jī)重新被壓縮。從而完成一個循環(huán)?？諝獾?頁,共38頁，2024年2月25日，星期天五、多級壓縮蒸氣制冷循環(huán)

（一）采用多級壓縮蒸氣制冷循環(huán)的原因?qū)τ诟蜏囟鹊囊?，單級壓縮將會遇到很大困難。在冷凝溫度一定的條件下，蒸發(fā)溫度越低，其循環(huán)的壓縮比越大，壓縮比的增大會給制冷循環(huán)的運行帶來一系列的問題。具體如下：第9頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1、循環(huán)的壓縮比越大，壓縮機(jī)制冷因數(shù)越小，壓縮機(jī)的制冷量也越小；2、循環(huán)的壓縮比越大，則會使實際壓縮過程更偏離等熵壓縮過程，不可逆損失增大；3、循環(huán)的壓縮比越大，引起壓縮機(jī)排溫升高、效率降低、功耗增大；4、循環(huán)的壓縮比越大，甚至?xí)斐上到y(tǒng)內(nèi)制冷劑和潤滑油分解，運轉(zhuǎn)條件惡化，危害壓縮機(jī)的正常工作。第10頁,共38頁，2024年2月25日，星期天

單級壓縮蒸氣制冷循環(huán)壓縮比一般不超過8～10。氨因為絕熱指數(shù)比氟利昂要大，我國規(guī)定氨的單級壓縮比最大不允許超過8，而氟利昂不允許超過10。因此，不同冷凝溫度下，在允許壓縮比范圍的最大值時，常用的中溫制冷劑一般只能獲得-20～-40℃的低溫。第11頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（二）兩級壓縮制冷循環(huán)的組成

一次節(jié)流：一次節(jié)流循環(huán)是將冷凝壓力pk下的制冷劑液體，直接節(jié)流到蒸發(fā)壓力p0，由于壓差較大，易實現(xiàn)遠(yuǎn)距離和向高處供液，而且調(diào)節(jié)也很方便，故應(yīng)用較廣。

兩次節(jié)流：兩次節(jié)流循環(huán)則是先將pk下的制冷劑液體節(jié)流到中間壓力pm，然后再次節(jié)流到P0，實際工程應(yīng)用并不多。第12頁,共38頁，2024年2月25日，星期天兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)

兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)由低壓級壓縮機(jī)、高壓級壓縮機(jī)、冷凝器、中間冷卻器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和回?zé)崞鹘M成。圖4

兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)A—高壓級壓縮機(jī)

B—低壓級壓縮機(jī)

C—冷凝器

D—蒸發(fā)器E—中間冷卻器

F—回?zé)崞鞯?3頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié):制冷劑與載冷劑一、制冷劑（冷凍劑）（一）概念：是在制冷系統(tǒng)中循環(huán)流動，通過其狀態(tài)變化來傳遞能量，從而實現(xiàn)制冷循環(huán)的工作物質(zhì)。（二）制冷劑的發(fā)展史第14頁,共38頁，2024年2月25日，星期天乙醚1834年查爾斯·泰勒（CharlesTellier)二甲基乙醚

拉烏爾·皮克特（RaulPictel）SO2

1874年混合制冷劑二十世紀(jì)五六十年代

卡特·林德（CarlLinde)NH3

1870年

威德豪森（Windhausen）CO2

1866年

湯姆斯·米杰里（ThomasMidgley）鹵代烴1929-1930年

第15頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（三）對制冷劑的要求1、汽化熱大；2、冷凝壓力不應(yīng)過高；3、沸點適當(dāng)；4、凝固點低，臨界溫度高；5、比體積小，黏度小，密度小。6、安全性高；7、價廉易得。第16頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（四）常用的制冷劑1、氟利昂飽和烴的鹵素取代物的總稱。（1）特點優(yōu)點：無臭、無味、不易燃、不易爆。缺點：有些種類破壞臭氧層，產(chǎn)生溫室效應(yīng)；與水和氧氣混合會產(chǎn)生光氣，對人體有害。第17頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1974年，美國加利福尼亞大學(xué)的羅蘭教授和他的博士后莫利納在“自然”雜志上發(fā)表文章，指出：鹵代烴在紫外線作用下會釋放出氯離子，而氯離子會消耗地球周圍熱成層中的臭氧（Ozone,O3），而使過量的太陽紫外線照射到地面，給地球上的生物和人類帶來一系列的危害。為此，瑞典皇家科學(xué)院將1995年的諾貝爾化學(xué)獎授予這兩位化學(xué)家。第18頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（2）主要類型

①CFC（CFCs）：含氯，常用于冰箱制冷，對臭氧層破壞最大；②HCFC（HCFCs）：含氫和氯，常用于空調(diào)、冷庫制冷，對臭氧層破壞次之；③HFC（HFCs）：含氫無氯，對臭氧層無破壞，“綠色”環(huán)保。第19頁,共38頁，2024年2月25日，星期天附表1：氟利昂制冷劑的命名第20頁,共38頁，2024年2月25日，星期天《蒙特利爾議定書》1、對CFCs，包括CFC11、CFCl2，CFCll3、CFCll4、CFCll5等氯氟烴物質(zhì)：（1）對發(fā)達(dá)國家，規(guī)定從1996年1月1日起完全停止生產(chǎn)與消費；（2）對發(fā)展中國家（CFCs人均消耗量小于0.3kg/年），最后停用的日期是2010年。2、對HCFCs，包括HCHC22、HCFCl42b、HCFCl23等：（1）對發(fā)達(dá)國家，從1996年起凍結(jié)生產(chǎn)量，2004年開始削減，至2020年完全停用；（2）對發(fā)展中國家，從2016年開始凍結(jié)生產(chǎn)量，2040年完全停用。第21頁,共38頁，2024年2月25日，星期天2、氨（1）特點

優(yōu)點：具良好的熱力學(xué)性質(zhì)和熱物理性質(zhì)，價格低廉，易于獲得。

缺點：具刺激性氣味和腐蝕性，易燃、易爆，對人體有毒性。（2）應(yīng)用領(lǐng)域示例乳制品企業(yè)鮮乳冷卻、汽水低溫混合、食品工業(yè)冷庫等。第22頁,共38頁，2024年2月25日，星期天二、載冷劑（冷媒）（一）概念：是用于將制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量傳遞給被冷卻物體的中間介質(zhì)。用于“間接制冷”

直接制冷：利用制冷劑的蒸發(fā)直接吸收被冷卻物體的熱量，使其冷卻到所需溫度。

間接制冷：當(dāng)蒸發(fā)器距冷凍機(jī)較遠(yuǎn)時，利用載冷劑將制冷劑在制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量傳遞給被冷卻物體。第23頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（二）主要類型1、水：用于蒸發(fā)溫度為0℃以上的制冷裝置。2、鹽水：常用氯化鈉水溶液和氯化鈣水溶液。其中氯化鈉水溶液因無毒，在食品行業(yè)應(yīng)用廣泛。3、有機(jī)物載冷劑：常用乙醇、乙二醇和丙二醇水溶液，性能良好，但價格相對較高。丙二醇水溶液無毒，常用于啤酒發(fā)酵罐的制冷。第24頁,共38頁，2024年2月25日，星期天啤酒發(fā)酵罐第25頁,共38頁，2024年2月25日，星期天

基本組成：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和冷卻器，另有：油分離器、貯液器等。第四節(jié):蒸汽壓縮制冷設(shè)備和系統(tǒng)第26頁,共38頁，2024年2月25日，星期天一、壓縮機(jī)（一）作用：將制冷劑壓縮為高溫高壓過熱蒸汽。（二）類型：主要有活塞式、離心式和旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，其中活塞式壓縮機(jī)使用較廣。（三）活塞式壓縮機(jī)

1、原理：類似于活塞泵，依靠活塞往復(fù)運動，完成吸氣、壓縮、排氣，可采用多缸壓縮。其工作過程見附件

2、構(gòu)造：見附圖1第27頁,共38頁，2024年2月25日，星期天附圖：往復(fù)式壓縮機(jī)第28頁,共38頁，2024年2月25日，星期天3、壓縮機(jī)型號的意義：如4FV10表示四缸、氟利昂制冷劑、V型、汽缸直徑為10厘米的壓縮機(jī)。第29頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（三）離心式壓縮機(jī)：原理與離心鼓風(fēng)機(jī)相同，低壓大流量，一般采用多級壓縮。（四）旋轉(zhuǎn)制冷式壓縮機(jī)：中壓小流量，常用于小型制冷機(jī)，螺桿式、轉(zhuǎn)子式居多，如冰箱中的轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。第30頁,共38頁，2024年2月25日，星期天二、冷凝器

（一）作用：在冷凝器中，制冷劑放熱冷卻冷凝為液體，并將熱量經(jīng)間壁交換給空氣或水等冷流體。（二）類型：分為水冷式、空冷式、蒸發(fā)式三類。

1、水冷式：常用臥式或立式殼管式冷凝器。其原理圖見附件第31頁,共38頁，2024年2月25日，星期天2、空冷式：一般是蛇管式，制冷劑蒸汽在管內(nèi)冷凝，空氣在風(fēng)機(jī)作用下橫向流過管外。主要用于中小型氟利昂制冷機(jī)。3、蒸發(fā)式：一般是蛇管式冷凝器是一種換熱器。第32頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、膨脹閥

（一）作用：又名節(jié)流閥，可以使制冷劑降壓和控制其流量。（二）原理：高壓液態(tài)制冷劑被迫通過節(jié)流小孔，冷凝壓力驟降至蒸發(fā)壓力，液體制冷劑沸騰吸熱氣化進(jìn)入濕氣狀態(tài)，同時溫度降低。（三）類型：分為人工調(diào)節(jié)閥和自動膨脹閥。生產(chǎn)中常用自動膨脹閥。第33頁,共38頁，2024年2月25日，星期天四、蒸發(fā)器（一）作用：使低溫低壓的制冷劑沸騰，以吸收被冷卻物體的熱量，進(jìn)行制冷。（二）類型：分為直接冷卻式和間接冷卻式。1、直接冷卻式蒸發(fā)器：主要有盤管式、翅片管式和板式蒸發(fā)器。2、間接冷卻式蒸發(fā)器：主要有立管式和臥式殼管式蒸發(fā)器。（見附件）冷凝器也是一種換熱器。第34頁,共38頁，2