制冷与食品冷冻解读课件.ppt

第三章 制冷与食品冷冻,本章概述,冷冻是利用制冷技术产生的低温源使产品从常温冷却降温，进而冻结的操作过程。冷冻一般分为一般冷冻、深度冷冻两种。一般冷冻温度在-100以上，而深度冷冻在-100以下。在食品工业中的应用：用于冷冻制品、速冻制品的加工；用于食品的储藏；用于食品加工的特殊方法；用于生产车间的空气调节。,3.1制冷技术原理 3.2制冷剂和载冷剂 3.3食品冻结,制冷原理制冷过程制冷方法蒸汽压缩式制冷循环计算,本章概述,制冷剂的选用原则制冷剂载冷剂,食品的冻结曲线冻结对食品的影响食品冻结的速度与时间,3.1 制冷技术原理,1.制冷原理： 逆卡诺循环逆卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程所组成。1-2：等熵绝热压缩过程 外界对系统做功2-3：等温压缩过程 系统向环境放出热量3-4：等熵绝热膨胀过程 系统对外界做功4-1：等温膨胀过程 系统从环境中吸收热量,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3.1 制冷技术原理,4个过程均可逆，但在工业生产中不可能实现：1）实际制冷过程中，不存在真正的绝热过程，肯定有摩擦损失2）无法实现没有温差的等温传热过程,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3.1 制冷技术原理,2. 制冷过程压缩式制冷机的制冷过程： 压缩、冷凝、膨胀、蒸发制冷剂主要设备：压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,1. 低温、低压气体,3. 高压、低温液体,4. 低温、低压液体,2. 高温、高压气体,3.1 制冷技术原理,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3. 制冷量与制冷系数制冷量：在一定的操作条件下，单位时间制冷剂从被冷冻物中提取的热量，以Q表示，单位W，J/h。制冷系数：表示制冷循环中制冷量Q与该循环所消耗的功率P之比，也是指加入单位功时能从被冷冻物料取出的热量数。理论上推导出逆卡诺循环的制冷系数为： TC：高温热源；TN 低温热源,3.1 制冷技术原理,4.制冷剂的压焓图1 等压线2 等焓线3 等干度线4 等温线5 等熵线6 等容线,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3.1 制冷技术原理,1.一般制冷方法1.1蒸汽压缩式制冷 用常温及普通低温下可以液化的物质作为工质，工质在循环过程中将不断发生相变。,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,利用液体蒸发来制冷，单位制冷量大；有相变的传热过程，传热系数大；,3.1 制冷技术原理,1.一般制冷方法1.2吸收式制冷,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,浓度高的制冷剂,高温、高压制冷剂蒸汽,低温、高压冷凝液,低温、低压冷凝液,低温、低压蒸汽,节流阀降压,溶液泵,冷却水冷却,3.1 制冷技术原理,1.一般制冷方法1.3蒸汽喷射式制冷,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,喷射泵由喷嘴、混合室、扩压器组成,800-1000m/s的气流速度,3.1 制冷技术原理,1.4 非机械压缩制冷 物理状态的变化制冷1）融解和溶化制冷： 2）固体升华和液体汽化,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3.1 制冷技术原理,2.低温制冷方法2.1多级制冷循环,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,三个冷却器两个压缩机两个膨胀阀,液态制冷剂：一部分通过中间冷却器冷却减压，一部分节流阀减压,减压后的制冷剂：一部分与通过中间冷却器的过冷液汇合进入低压系统，一部分则进入中间冷却器内蒸发。,3.1 制冷技术原理,2.低温制冷方法2.2 串级制冷循环,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,以高温制冷剂所产生的冷效应去冷凝液化低温的制冷剂；而此液化后的低温制冷剂又去液化另一沸点更低的制冷剂，如此逐级液化达到所要求的低温。,3.1 制冷技术原理,1.单级压缩制冷循环单级压缩制冷理论循环的假设条件： 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； 制冷压缩机汽缸没有摩擦、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。,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,蒸发温度T0：-20冷凝温度TK：+20,3.1 制冷技术原理,1.单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环理论计算：,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,1-2压缩机绝热压缩过程；2-3冷凝器等压放热过程；3-4节流阀节流过程；4-1蒸发器的等压吸热过程。,根据制冷机的制冷量Q0，蒸发温度T0，冷凝温度TK，过冷温度Tu，来确定各点,3.1 制冷技术原理,1）单位制冷量 单位质量或单位容积制冷剂在蒸发器中吸收的热量称为单位制冷量。 单位质量制冷量： （J/kg） 单位容积制冷量为： （J/m3）,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3.1 制冷技术原理,2）制冷剂循环量 单位时间在制冷机中循环的制冷剂流量。同样也有质量表示和容积表示两种： 以质量表示的循环量G为： （kg/s） 以容积表示的循环量V为： （m3/s）,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3.1 制冷技术原理,3）制冷剂的放热量 包括冷却、冷凝、过冷三阶段。 总放热量QK应为： （J/s） 其中： 冷却过程的放热量： 冷凝过程的放热量： 过冷过程的放热量：,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3.1 制冷技术原理,4）压缩机所消耗的功率（1）理论压缩功率 单位制冷剂蒸汽，理论压缩功率： 循环量为G的制冷循环，理论压缩功率： （2）电动机的额定功率 （W）,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3.1 制冷技术原理,（3）指示效率 实际压缩机上标识的指定率肯定高于理论功率， 其中，指示系数，可按下面公式计算：,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3.1 制冷技术原理,单级压缩制冷循环理论计算： 中、小型卧式压缩机: 大型卧式压缩机： 立式压缩机： 其中，TO、Tk、T2分别为蒸发温度、冷凝温度、排气温度，b为系数，立式压缩机取0.001，卧式压缩机取0.002。,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3.1 制冷技术原理,（4）压缩机的轴功率 一般在0.8到0.95之间，可从产品目录中查的。 （5）传动效率 三角皮带 0.970.98 平皮带 0.96 齿轮箱 0.960.99 电动机直接连接 1.0,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,3.1 制冷技术原理,（6）安全系数B 一般安全系数取1.11.155）制冷系数 实际制冷系数应为：,3.1.1制冷原理 3.1.2制冷方法 3.1.3制冷循环计算,例3-1，有一立式、双缸氨压缩机，其制冷量为Q0=4.186105KJ/h，其操作的蒸发温度T0=-15，冷凝温度TK=+25，过冷温度为TU=+20做制冷循环计算。,思 考 题,4 .一台单级蒸汽压缩制冷机工作在高温热源为30，低温热源为-15下，试求分别用F-12和氨工作时理论循环的性能指标。 单位制冷量q0，单位容积制冷量qv，单位理论压缩功w，单位冷凝 热量qk，制冷系数,1）以F-12为制冷剂：查表的处于饱和线上个点的有关状态参数值： h1=345kJ/kg， h2=376kJ/kg，h3=h4=232kJ/kg， 压缩机吸气比容v0=0.085m3/kg; q0=h1-h4=113kJ/kg qv=q0/vo=113/0.085=1329.411kJ/kg w=h2-h1=376-232=31kJ/kg qk=h2-h3=376-232=144kJ/kg =q0/w=113/31=3.65,思 考 题,思 考 题,2）以氨为制冷剂：查表的处于饱和线上个点的有关状态参数值： h1=1439kJ/kg， h2=1689kJ/kg，h3=h4=335kJ/kg， 压缩机吸气比容v0=0.49m3/kg; q0=h1-h4=1439-335=1104kJ/kg qv=q0/vo=1104/0.49=2253.06kJ/kg w=h2-h1=1689-1439=250kJ/kg qk=h2-h3=1689-335=1354kJ/kg =q0/w=1104/250=4.42,思 考 题,5 有一台氨压缩机，蒸汽压力为P0=190kPa、冷凝压力为Pk=1.33MPa，节流前的过冷度是3，压缩机吸气前的过热度为5，制冷量为240kW。计算：（1）蒸发温度和冷凝温度，节流阀前温度和压缩机的吸入温度。（2）压缩机吸入蒸汽的质量流量G和容积流量。,（1）根据以上条件，查图可得：t0=-22.4,tk=30，故截留前温度为27，压缩机吸气温度为-17.4（2）Q=240kW=2403600=864000kJ/h；查图得：h1=1435kJ/kg， h1=1450kJ/kg，h4=320kJ/kg，v0=0.7m3/kgq0= h1- h4=1450-320=1130kJ/kg吸入蒸汽的质量流量：G=Q0/q0=764.6kg/h G=240/1130=0.21kg/s容积流量：V=Gv0=764.60.7=535.22m3/h,3.2 制冷剂和载冷剂,3.2.1基本概念 3.2.2选用原则 3.2.3制冷剂 3.2.4载冷剂,制冷工质/制冷剂,直接制冷,间接制冷,载冷剂/冷媒,3.2 制冷剂和载冷剂,1.基本概念 制冷工质：在制冷系统中实现制冷循环的工作介质。直接制冷：制冷剂吸热的蒸发器直接与被冷却的物体或者被冷却物质的周围环境进行换热。,3.2.1基本概念 3.2.2选用原则 3.2.3制冷剂 3.2.4载冷剂,3.2 制冷剂和载冷剂,间接制冷：用廉价物质作为媒介载体实现制冷装置与被制冷物体或空间的热交换。载冷剂（冷媒）：从被冷却物体吸取的热量送到制冷装置后再传递给制冷剂，自身重新降温循环使用。,3.2.1基本概念 3.2.2选用原则 3.2.3制冷剂 3.2.4载冷剂,3.2 制冷剂和载冷剂,2.制冷剂的要求和选用原则2.1热力学的要求制冷剂的正常沸点（一个大气压，0.1MPa）一般不应超过-10。,3.2.1基本概念 3.2.2选用原则 3.2.3制冷剂 3.2.4载冷剂,制冷剂在蒸发器中的压力应等于或大于大气压冷凝器的压力不应过高单位容积的产冷量应尽可能的大制冷剂的相对密度和黏度应尽可能的小导热系数和散热系数高蒸发比容小，蒸发潜热大,3.2 制冷剂和载冷剂,2.2物理化学上的要求1）制冷剂能溶于油：有利于压缩机的润滑；但从压缩机带出的油量多蒸发温度升高 2）制冷剂微溶于油：从压缩机带出的油量少蒸发温度稳定，但清除润滑油有较困难，降低设备的传热系数 3）制冷剂能溶于水：避免压缩机中的水形成冰塞，对金属不腐蚀。2.3生理学上的要求2.4经济上的要求,3.2.1基本概念 3.2.2选用原则 3.2.3制冷剂 3.2.4载冷剂,3.2 制冷剂和载冷剂,3.制冷剂,3.2.1基本概念 3.2.2选用原则 3.2.3制冷剂 3.2.4载冷剂,氨：常压下沸点-33.4，凝固点-77.7；单位制冷量大，循环量少；黏性小，流动阻力小，传热性能好；有毒性，刺激性臭味；能与水互溶，不形成冰塞,氟利昂-12：常压下沸点-29.8，凝固点-155；无色、无臭、不燃烧、无爆炸；渗透性强，渗透不易发现；易溶于油，如有水会引起膨胀阀冰塞，要求水份含量不超过0.0025%；制冷量较小，压缩机的尺寸较大。,3.2 制冷剂和载冷剂,4.载冷剂,3.2.1基本概念 3.2.2选用原则 3.2.3制冷剂 3.2.4载冷剂,载冷剂的要求：热容量大，温度易于保持稳定；无味、无臭、无色和无毒的要求。常用的有水、盐水和有机化合物,0以上冷量的载冷剂：水0以下冷量的载冷剂：冷冻盐水（氯化钠、氯化钙、氯化镁的水溶液）、有机溶剂（乙二醇和丙二醇的水溶液）,3.2 制冷剂和载冷剂,4.载冷剂,3.2.1基本概念 3.2.2选用原则 3.2.3制冷剂 3.2.4载冷剂,1. 水的冻结曲线,水的冻结曲线的特征 ：过冷过程 在实际的冻结中，冰晶体往往不是一到0就形成，而是要形成一个过冷过程。即水温要降低到冰点温度以下才会出现液体到固体的相转变。 冻结过程,3.3 食品的冻结,2. 食品的冻结曲线,自由水和结合水食品的冻结同样出现过冷现象。溶液冰点降低原理食品冻结的温度-时间曲线：结成冰的水分不断的从溶液析出，溶液浓度升高，导致残留溶液的冰点不断下降。,3.3 食品的冻结,2. 食品的冻结曲线,食品的过冷温度：与食品的种类有关。 禽肉鱼为：-4-5 牛奶为： -5-6 蛋类为： -11-13,3.3 食品的冻结,3. 水分结冰率与最大冰晶生成区,3.1 水分结冰率/冻结率：食品冻结到一定温度时形成的冰晶体质量（mi）与食品中总水分（结冰水mi和液态水mw）质量之比。反映食品中水分转化为冰晶体的程度。,3.2 食品水分冻结率与食品温度有以下近似关系：其中： r为食品的冰点，； 低于冰点的食品温度，。,3.3 食品的冻结,3. 水分结冰率与最大冰晶生成区,青豌豆结冰率与温度的关系：3.3 最大冰晶生成区：水分结冰率变化最大的温度区域。大部分食品在从-1至5时，近80的水分可冻结成冰。,3.3 食品的冻结,4. 冻结对食品的影响,4.1冻结对食品物理性质的变化4.1.1体积膨胀和产生内压 0，冰比水体积增大9%； 冰每下降1其体积收缩0.01-0.005%， 冻结膨胀压：内部的水份因冻结而膨胀时会受到外部冻结层的阻碍，产生内压。 食品冻结时龟裂现象产生的原因？,3.3 食品的冻结,4. 冻结对食品的影响,4.1冻结对食品物理性质的变化4.1.2 比热 水的比热： 4.2kJ/(kgK) 冰的比热： 2.09kJ/(kgK) 冻结食品的比热 未冻结时的比热 Cp = 2.0935 a + 0.8374 b,a为食品的含水率；b为食品固形物含量；2.0935是冰的比热，kJ/(kgK)； 0.8374是食品固形物的比热kJ/(kgK)；,3.3 食品的冻结,4. 冻结对食品的影响,4.1.3 导热系数 水的导热系数：0.582W/(mK) 冰的导热系数：2.326W/(mK) 冻结时冰层向内推进，食品导热系数提高。,3.3 食品的冻结,4. 冻结对食品的影响,3.3 食品的冻结,4. 冻结对食品的影响,4.1.4 汁液流失 流失液 流失液的产生率：评价冻品质量的指标之一,3.3 食品的冻结,4. 冻结对食品的影响,4.1.5 干耗量 与蒸汽压差、食品表面积、冻结时间有关 W= A（pf-pa） kg/h w单位时间内干耗量 A食品的表面积 蒸发系数， pf食品表面的水蒸气压 pa空气的水蒸气压,3.3 食品的冻结,4. 冻结对食品的影响,4.2质构的变化,3.3 食品的冻结,5. 食品冻结的速度与时间,3.3 食品的冻结,冻结的传热过程,内部传热过程,外部传热过程,间接接触（对流和间壁传导）,直接接触（对流传热）,推动力：温差,影响因素：密度、比热容、热导率,推动力：温差,影响因素：冷冻介质、流速、食品表面状态,5. 食品冻结的速度与时间,3.3 食品的冻结,食品冻结终了温度：是一个平均温度，冻结结束时食品表层温度与食品中心温度的算术平均值。,5. 食品冻结的速度与时间,5.2冻结速率及冻结时间 食品冻结速率： l为食品表面与热中心的最短距离，cm； t为食品表面达0至热中心达初始冻结温度以下5K或10K所需的时间,3.3 食品的冻结,食品热中心：降温过程中食品内部温度最高的点。,5. 食品冻结的速度与时间,5.2冻结速率及冻结时间 公称冻结时间：温度均匀的食品，其中心温度从0下降到比它低10所需的时间为公称冻结时间。 有效冻结时间：温度均匀的食品，从实际某温度下降到某一平均温度所需的时间，也称实际冻结时间。,3.3 食品的冻结,5. 食品冻结的速度与时间,5.3冻结时间的计算式 以平板状食品为例，对于厚度为dx的冻结层，表面积为A，单位质量物品冻结时放出的热量为ri，放出的热量dQ：,3.3 食品的冻结,5. 食品冻结的速度与时间,5.3冻结时间的计算式 以平板状食品为例，从传导传出的热量来计算：,3.3 食品的冻结,5. 食品冻结的速度与时间,5.3冻结时间的计算式 圆柱形食品：球形食品：通用公式：其中，板状食品：P=1/2 R=1/8 圆柱形食品：P=1/4 R=1/16 球形食品：P=1/6 R=1/24,3.3 食品的冻结,5. 食品冻结的速度与时间,5.3冻结时间的计算式 方块食品从下图中寻找：,3.3 食品的冻结,5. 食品冻结的速度与时间,5.3冻结时间的计算式,3.3 食品的冻结,例：将初温+12的少脂肪鱼装入鱼盆中，放到-30的静止空气中冻结。鱼盆内尺寸为0.65m0.1m0.5m。试求该鱼块冻至-15所需的时间？查出，鱼的冰点为-1，鱼的密度为=970kg/m3，冻结鱼块的导热系数=1.108w/(mK)， h=29.4103kJ/kg，=6.16w/(m2K),解：1=5，2=6.5 ,P=0.37, R=0.101,5. 食品冻结的速度与时间,5.4食品冻结时所放出的热量,3.3 食品的冻结,冷却过程放出的热量,凝结成冰放出的潜热量,冰点至冻结终点放出的热量,5. 食品冻结的速度与时间,5.4食品冻结时所放出的热量 总热量用焓差来计算：,3.3 食品的冻结,思 考 题,1 制冷剂的压-焓图中有哪些参数？2 单级制冷理论循环在压-焓图中如何表示？3什么叫载冷剂？什么叫制冷剂？对制冷剂有什么要求？,lgp-h图是以制冷剂的焓作为横坐标，以压力为纵坐标，共绘制出制冷剂的六种状态参数线簇，定压力P，定比容V，定熵S，定温T，定焓h，定干度x,思 考 题,1 压缩式制冷机的制冷过程包括哪四个阶段？2 什么是制冷系数？制冷系数只与（）和（）有关，与（）无关。,