制冷机械与设备

第十章制冷机械与设备第一节食品冷冻技术第二节压缩制冷循环第三节制冷剂及载冷剂第四节制冷系统的主要设备第一节食品冷冻技术冷冻在食品工业中的应用是相当广泛的，它的作用是作为食品加工的手段和防止食品腐败。冷冻贮藏食品，能延长食品保存期限，减少食品损耗，以及加工冷冻食品等。一、制冷技术在食品工业中的应用二、食品冷冻技术三、一般制冷方法四、制冷技术理论基础（冷冻原理）一、制冷技术在食品工业中的应用1．冷冻制品速冻制品的加工和低温加工eg冰淇淋、速冻水饺、速冻蔬菜。低温加工：啤洒低温发酵（2~3℃），碳酸饮料在充气前冷却3~5℃（此时，二氧化碳溶解量大，充气最大。地下水温度为7℃，夏天江河水温18-20℃。）2．食品的贮藏（冰柜、冷库）3．食品加工的特殊手段•冷冻浓缩、冷冻干燥。4．食品生产车间的空气调节二、食品冷冻技术制冷技术是利用某种装置，以消耗机械功或其他能量来维持某一物料的温度低于周围自然环境的温度。这种技术是建立在热力学的基础上的，是现代食品工程的重要基础技术之一。人们通常把冷冻分为两种：一般冷冻和深度冷冻。一般冷冻：冷冻温度范围在-100℃以内，深度冷冻：冷冻温度范围低于-100℃食品工业多采用一般冷冻温度范围多在-18℃以上。多采用压缩式单级冷冻机制冷系统。冰箱的冷藏室：3~5℃，冻藏室-18℃。深度冷冻多用于化工、医药。三、一般制冷方法1、空气压缩制冷2、蒸汽压缩式制冷3、吸收式制冷4、蒸汽喷射式制冷1、空气压缩制冷这种制冷方法是利用大气中的空气作制冷剂。空气首先在压缩机中绝热压缩.5~0.6Mpa，然后在等压下以冷水冷却至可能的温度；冷却后的空气于膨胀阀中绝热膨胀，空气温度继续降低；然后温度降低的空气再通过制冷器，在等压下吸取热量，使之回升至原来的温度，再回到压缩机中，进行另一循环。它的制冷循环是以两等压过程代替逆卡诺循环中的两等温过程。这种制冷方法是利用大气中的空气作制冷剂。空气首先在压缩机中绝热压缩0.5~0.6Mpa，然后在等压下以冷水冷却至可能的温度；冷却后的空气于膨胀阀中绝热膨胀，空气温度继续降低；然后温度降低的空气再通过制冷器，在等压下吸取热量，使之回升至原来的温度，再回到压缩机中，进行另一循环。它的制冷循环是以两等压过程代替逆卡诺循环中的两等温过程。其特点是制冷系数较小，故经济性较差；由于在制冷过程中物质不发生集态变化，无潜热可利用。故单位制冷量也较小；为了获得足够的制冷量，则需用比较庞大的设备，必造成动力消耗大，成本高；同时当冷却温度降到0℃时，由于冰霜生成，致使操作用难，故在现代工业中基本上被淘汰。2、蒸汽压缩式制冷这种方法是用常温及普通低温下可以汽化的物质作为工质（氨、氟利昂及某些碳氢化合物），工质在循环过程不断发生集态变化（即液态→气态，气态→液态），这是食品工业中使用广泛的制冷方法。制冷循环为：在蒸发器中产生的低压制冷剂蒸发（状态1），在压缩机中被压缩到冷凝压力，消耗了机械功W，此时为绝热压缩过程，同时温度不断升高；然后压缩后的蒸汽在过饱和状态下（点2）进入冷凝器中，因受到冷却介质（水或空气）的冷却而凝结成饱和液体（点3），并放出热量，其冷凝结成饱和液体，并放出热量，其冷凝过程为一等温等压过程；由冷凝器出来的制冷剂液体，经膨胀阀进行绝热膨胀到蒸发压力，温度降到与之相应的饱和温度。此时已成为两相状态的汽液混合物；然后进入蒸发器，进行等温等压的蒸发过程，以制冷量Q。并回复到起始状态，完成一个循环。由此可见，蒸汽压缩式制冷循环的蒸发过程和冷却过程是在等温度情况下进行的，不可逆性小，故循环的制冷系数大。它是利用液体的蒸发过程来制冷，故单位制冷量大；同时，在蒸发器和冷凝器中都是有集态改变的传热过程，传热系数较大，因而设备不是很庞大。3、吸收式制冷吸收式制冷方法与压缩式不同，它是利用热能以代替机械能而工作的。吸收式制冷系统使用了两种工质，一种是产生冷效应的制冷剂；另一种是吸收制冷剂而生成溶液的吸收剂。对制冷剂的要求与压缩式的相同，而对吸收剂则必须是吸收能力强，同是在相同压力下，其沸点要远高于制冷剂的沸点。因而，当溶液受热时，蒸发出来的蒸汽中，含制冷剂多，而含吸收剂很少。吸收式制冷方法与压缩式不同，它是利用热能以代替机械能而工作的。吸收式制冷系统使用了两种工质，一种是产生冷效应的制冷剂；另一种是吸收制冷剂而生成溶液的吸收剂。对制冷剂的要求与压缩式的相同，而对吸收剂则必须是吸收能力强，同是在相同压力下，其沸点要远高于制冷剂的沸点。因而，当溶液受热时，蒸发出来的蒸汽中，含制冷剂多，而含吸收剂很少。蒸汽压缩式制冷所采用的制冷剂为一远较0℃为低的温度下即能转变为蒸汽状态的物质，且此蒸汽经压缩复可转变液态。例如：NH3在大气压下的沸点为-33.4℃,所以可在低温下蒸发而吸热，达到制冷目的，蒸发后的低压蒸汽又可经压缩机和冷却水冷却使之冷凝为液态NH3。液氨经过膨胀阀以降低压力，又开始其蒸发过程。通常采用的工质为氨和水的二元溶液，其中NH3为制冷剂，水为吸收剂。工作过程：温、低压的氨蒸汽，从蒸发器出来后进入吸收器。在吸收器中，氨蒸汽被低压的稀溶液吸收，吸收所产生的吸收热由冷却水带走。吸收后的氨溶液由泵升压经换热器加热后进入发生器。在发生器中，因加热而将高温、高压的氨蒸发出来，然后进入精馏塔；同时发生器内变稀的溶液经换热器和节流阀再回到吸收器中。进入精馏器的蒸汽被冷却水冷却后，含制冷剂多的蒸汽进入冷凝器，而含制冷剂极少的稀溶液回到发生器。由冷却水带走热量，使蒸汽冷凝。冷凝后制冷剂经过节流阀进入蒸发器，并向被冷却物质吸取热量。以上部分的系统实际上起了将低压、低温制冷剂蒸汽变成高压、高温蒸汽机的作用。即执行了压缩式制冷系统中的压缩机的任务。其特点：无运动不见，无噪音，运转4、蒸汽喷射式制冷蒸发喷射式制冷机与吸收式制冷机一样，以消耗热能来完成制冷机的补偿过程。它是利用高压水蒸汽通过喷射器造成低压，并使水在此低压蒸发吸热的原理进行制冷的。制冷剂是水。工作原理：锅炉的高压蒸汽进入喷射器中，工作蒸汽在喷嘴中膨胀，获得很大的汽流速度（800-10000m/s）。由于这时压力能变为动能，产生真空，使蒸发器中的水蒸发成蒸汽。当蒸发器中的水蒸发时，就从周围的水中及取热量，使其成为低温水，供降温使用。工作蒸汽与低压蒸汽在喷射器的混合室内混合后即进入扩压器，在扩压器中速度下降，动能又变为位能，压力升高，然后混合蒸汽就进入冷凝器中冷凝成水，一部分送回锅炉，另一部分送入蒸发器，提供所须的冷量。四、制冷技术理论基础（冷冻原理）制冷过程是将热能从低温物体取出，并将其放到高温物体中的物理过程。根据热力学第二定律，这种过程（热能够自动地从高温物体传递给低温物体）只有在加入外功的情况下才有可能，即借助于冷冻机的外加功才行。热力第一定律：△U=Q-W，△U---物系状态变化时内能的差值△U，Q---物系吸热，W—物体对环境作的功。1、热力循环的概念在实际应用上，需要的是连续不断的热与功转换，为此，应要使工质经过若干个过程后，回复原来的状态，而又完成了热与功的转换。在这种转换过程中，工质状态发生周期性变化，称为热力循环。根据热力第一定律：△U=Q-W，△U---物系状态变化时内能的差值△U，Q---物系吸热，W—物体对环境作的功因为工质经过一个循环后，回复到原来的状态，所以对一个热力循环来说，工质的内能没有变化，经过一个循环，体系对外的热交换和功交换的关系是：WdWdwduq)(WdWdwduq)(体系完成一个循环对外界的热交换是，从热源吸收的热量q1和对冷源放出的热量q2代数和，称为“净热”。所以q=q1+q2。同理，功交换也是“净功”，也是体系对外界和外界对体系所作功的代数和。所以可以说体系循环的净热等于净功。体系从外界吸收的热量q1并没有完全变成功，而是一部变成功，其余部分又放给外界。工质从温度较高的热源吸热，并向温度较低的冷源放热q2（冷源损失）。对于热机来说，总希望它所吸收之热q1变成功的部分愈多愈好，冷源损失愈少愈好，衡量这种热能利用效果的指标叫循环热效率，定义为1212111qqqqqqW热效率就是循环中加入热量转变为有用功的百分数。热力学第二定律表明，循环热效率不能达到100%。其最大极限是多大？卡诺循环。卡诺循环由两个定温过程和两个绝热过程所组成。1-2线为定温吸热过程2-3线为绝热膨胀过程3-4线为定温放热过程4-1线为绝热压缩过程（PV、TS为一种顺时针进行的热力循环）设热源温度T1，冷源温度T2，在整个循环中保持恒温。在经过一个循环后，工质吸热q1=T1△S（为TS图上1-2-5-6-1所围之面积）。.放热q2=T2△S（为TS图上4-3-5-6-4所围之面积），△S=S2-S1，则卡诺循环效率121211TTqq2、制冷的基本概念（1）逆卡诺循环（2）制冷过程（氨制冷循环原理）（3）制冷量（4）制冷系数（1）逆卡诺循环1-2线工质作绝热压缩（等熵），2-3线工质作等温压缩（等熵）3-4线工质作绝热膨胀（等熵），4-1线工质作等温膨胀（等熵）与卡诺循环相反，逆时针循环。这4个过程均为可逆，所以它是一个理论的循环，在工业生产上是不能实现的，但可作为实际制冷循环完善程度的比较标准。在实际的制冷循环中，不仅压缩和膨胀不可能是绝热过程，而且在两个等温过程中，放热侧工质温度必高于热源（冷却介质）的温度。吸热侧的工质温度必低于冷源（被冷却的物体）的温度（即非可逆过程）。（2）制冷过程（氨制冷循环原理）氨液在1atm以下，吸热气化后，其低压低温蒸汽必须设法回复到液体状态，才能继续进行制冷。系统中的制冷剂（氨）饱和蒸汽被压缩机吸入压缩，成高压高温的过热蒸汽，此过程为等熵过程。制冷剂（氨）的高压高温过热蒸汽，其温度高于环境介质（水或空气）的温度，其压力使制冷剂（氨蒸气）能在常温下冷凝成液体状态。因而排至冷凝器时，经冷却、冷凝成高压的氨液，把热量传给冷却水，为等压过程。高压液体通过膨胀阀时，因节流而降压，在压力降低的同时，氨液制冷剂因沸腾蒸发吸热，而使其本身的温度也相应下降（只要降压足够，应可使其温度降低到所需要的低温），为等焓过程。把这种低压低温的氨（制冷剂）引入蒸发器，蒸发吸热，发生冷效应，使周围空气及物料温度下降，为等压等温过程。从蒸发器出来的低压低温蒸汽重新进入压缩机，这样就完成了一次制冷循环。（3）制冷量任何制冷系统和制冷机产生的冷效应，即制冷剂从被冷却物体中所能取出的热量，称为制冷量Dr制冷能力。它可用单位质量制冷剂所吸热的热量q0来表示，其单位J/Kg。也可用单位容积制冷所吸收的热量vs.来表示。其单位为J/m3.对于理想的逆卡诺循环，其理想的制冷量)()(41320ssTcssTqC可见理想制冷量与冷源(被冷却介质)温度Tc有关，而与热源(冷却的物体)的温度Th无关。冷源温度愈高，则制冷量愈大。)()(41320ssTcssTqC（4）制冷系数制冷系数定评价某具体制冷循环经济性的一项指标。它是衡量制冷机工作的重要指标。它表示制冷循环中的制冷量q0与该循环消耗的外功W之比，即：换言之，制冷循环的制冷系数ε是表示消耗单位外功所能获得的制冷量。wq对于逆卡诺循环的理想制冷系数εi应有：可见，逆诺循环的制冷系数仅取决于热源温度Th和冷源温度下Tc，而与工质（制冷剂）的性质无关。而热源温度Th愈多，冷源温度Tc愈低，则制冷系数愈小。这个结论在制冷技术上有着十分重要的指导意义。chcchchiTTTSSTSSTssTqqqwq)()()(414141000实际制冷循环的制冷系数要低于上述的理想制冷数值。即逆卡循环的制冷系数最高，制冷最为经济。实际上，为了提高制冷系数，要适当地使制冷机在较小温度范围内工作，因此，就必须尽可能地在放热侧采用较冷的冷却剂来冷却制冷剂，同时在吸热侧也不希望制冷剂达到不必要的过低温度。第二节压