第十章食品速冻机械与设备

第十一章食品速冻机械与设备第一节概述第二节机械制冷原理第三节制冷系统组成第四节食品速冻设备第一节概述一、制冷技术制冷技术是将被冷却物体中的热量移向周围介质(水或空气)，使物体温度降低，且低于周围介质的温度，并能保持一定的温度。热量常从高温物体传向低温物体，但制冷过程使热量从低温物体传向高温物体，这个过程要消耗能量。第一节概述二、制冷技术在食品工业中的应用–直接利用冷冻设备------速冻和冷却食品生产，贮藏冷库。–食品加工机械的关键设备-----如真空冷却、冷冻浓缩、冷冻干燥和冷冻粉碎等加工设备机组。–冷链的各个环节都离不开冷冻设备-----冷链所涉及的贮运和展示设备均需制冷机械设备。–食品生产环境需要制冷设备-----如车间空调、工艺用冷却水以及需要较低温度的冷却加工操作。第一节概述三、制冷技术分类制冷技术是指利用物体相变或状态变化产生冷效应的过程。现代食品工业中所应用的冷源都是人工制冷得到的。根据制冷剂状态变化，可以分为液化制冷、升华制冷和蒸发制冷三类。习惯上将利用压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等构成的蒸发式制冷称为机械制冷，而将其它的制冷方式称为非机械制冷。食品工业中应用最广的是机械制冷系统，但非机械制冷方式也有一定的应用。第一节概述三、制冷技术分类制冷技术是指利用物体相变或状态变化产生冷效应的过程。现代食品工业中所应用的冷源都是人工制冷得到的。根据制冷剂状态变化，可以分为液化制冷、升华制冷和蒸发制冷三类。习惯上将利用压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等构成的蒸发式制冷称为机械制冷，而将其它的制冷方式称为非机械制冷。食品工业中应用最广的是机械制冷系统，但非机械制冷方式也有一定的应用。第一节概述四、非机械制冷技术1、溶解和融化制冷固体融解和溶解都可以利用来制造冷量。例如，1kg冰融解吸热334.94kJ。冰盐混合物称为起寒剂。食盐:碎冰=3:1时，最低温度可降到-21℃左右。如果需要更低温度，可使用其它盐类，如氯化钙、氯化氨、硝酸钠等与食盐混合成复式混合物。2、固体升华制冷固体吸热后直接变成气体叫升华，“干冰”(固态CO2)在0.1MPa下的升华温度为-78.5℃，升华潜热:573.59kJ/kg。吸收升华潜热及升华后的低温CO2(显热)均可用来冷冻食品。3、液化气体制冷液化气体制冷：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，而自身气化成气体。液氮在大气压下，蒸发温度为-196℃，气化潜热：119.3kJ/kg。氮气的比热容为1.0kJ/（kg·K）。每千克液氮蒸发后温度升到0℃，共可吸收396kJ/kg的热量，可使约1kg水分冻结成冰。第二节机械制冷原理一、压缩式制冷循环是一种以制冷剂为工质，通过压缩机对制冷剂压缩做功为补偿，利用制冷剂状态变化产生的吸热和放热效应达到制冷目的的循环过程。基本的机械压缩制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四部分组成。一、压缩式制冷循环制冷剂在机械压缩制冷系统中的循环过程为：等熵过程：1→2。经过蒸发器后，低压低温蒸气被压缩机吸入，经压缩提高压力以及温度，成为高压高温的过热蒸气。等压过程：2→3。过热蒸气的温度高于环境介质（水或空气）的温度，此时的制冷剂蒸气能在常温下冷凝成液体状态。因而，当经过冷凝器后，冷却、冷凝成高压的液态制冷剂（低温高压液体）。等焓过程：3→4。高压液体通过膨胀阀时，因节流作用而降压，制冷剂液本身温度下降（低温低压液体）。等温过程：4→1。把这种低压低温的制冷剂引入蒸发器蒸发吸热，使周围空气及物料温度下降（制冷剂变为低温低压气体）。第二节机械制冷原理二、单级压缩制冷1、制冷循环的问题制冷循环是一种理论循环，实现起来有许多实际问题。例如，蒸发器中抽吸出来的制冷剂蒸气常带有雾滴，带有雾滴的制冷剂蒸气不能使压缩机正常工作。又如，压缩机中的润滑油会随温度升高而气化进入系统中，使得冷凝器和蒸发器的换热效率大大降低。再如，由于没有制冷剂的贮存设备，整个系统工作会变得不稳定。第二节机械制冷原理二、单级压缩制冷2、实际的单级压缩制冷循环有：氨液分离器、分油器、贮氨罐等。贮氨罐压缩机分油器氨液分离器膨胀阀总调节站冷凝器均压管冷排(蒸发器)冷排(蒸发器)水1水放空气放油放油423第二节机械制冷原理二、单级压缩制冷3、辅助设备的作用分油器：冷凝器之前的除油装置，使得压缩机润滑油不再进入系统，从而提高了冷凝器和蒸发器的换热效率；贮氨罐：冷凝器之后需安装一台（套）贮液罐起两方面的作用，一是保证系统运行平稳，二是可以方便地为多处用冷场所提供制冷剂。氨液分离器：氨蒸气中携带的雾滴由氨液分离器消除，保证了压缩机正常工作；第二节机械制冷原理三、双级压缩制冷1、压缩比与双级压缩制冷循环若以压缩机和膨胀阀为界，可粗略地分成高压、高温和低压、低温两个区。（1）压缩比高压端压强对低压端压强的比值称为压缩比。压缩比由高温端的冷凝温度和低温端蒸发温度确定。蒸发温度越低，压缩比越高。（2）双级压缩是指在制冷循环的蒸发器与冷凝器之间设两个压缩机，并在两压缩机间再设一个中间冷却器。一般而言，当压缩比大于8时，采用双级压缩较为经济合理。对氨压缩机来说，当蒸发温度在-25℃以下时，或冷蒸气压强大于1.2MPa时，宜采用双级压缩制冷。第二节机械制冷原理三、双级压缩制冷2、双级压缩制冷循环图冷凝器高压压缩机低压压缩机水蒸发器膨胀阀I膨胀阀II中间冷却器水液面123456789第二节机械制冷原理三、双级压缩制冷2、双级压缩制冷循环图第二节机械制冷原理三、双级压缩制冷2、双级压缩制冷循环图蒸发器中形成的低压、低温制冷剂蒸气（状态点1），被低压级压缩机吸入，经绝热压缩至中间压力的过热蒸气（状态点2）而排出，进入同一压力的中间冷却器，被冷却至干饱和蒸气（状态点3）。高压压缩段吸入如下干饱和蒸气：①来自低压压缩段的已被冷却的干饱和蒸气（即状态点3）；②来自高压段饱和液体制冷剂（状态点6）经膨胀阀节流（状态点6→9）降压后，在冷却低压段排出而尚未被冷凝的过热蒸气的过程中所形成的干饱和蒸气（状态点3）。中压干饱和蒸气在高压段压缩机中被压缩到冷凝压力的过热蒸气（状态点4），在冷凝器中等压冷却到干饱和蒸气（状态点5)，并进一步等压冷凝（过冷）成饱和液体（状态点6）。然后分成两路。一路便是上面所讲的，经膨胀阀节流降压后的制冷剂（状态点9），进入中间冷却器。一路先在中间冷却器的盘管内进行过冷，过冷后的制冷剂（状态点7）再经过膨胀阀节流降压，节流降压后的制冷剂（状态点8）进入蒸发器，蒸发吸热，产生冷效应。第二节机械制冷原理四、制冷量与制冷系数1、制冷量制冷量是指在一定的操作条件（即一定的制冷剂蒸发温度、冷凝温度，过冷温度）下，单位时间制冷剂从被冷冻物取出的热量，以Q表示之，单位为W。冷吨（RT）相当于24h内将1t0℃的水冷冻成同温度冰所放出的热量。制冷系统的制冷量Q0与单位制冷量（qm，J/kg）和制冷剂循环量G（kg）关系：•Q0=Gqm2、制冷系数制冷系数ε是制冷量与输入功率之比，是衡量制冷机（或制冷系统）的重要技术经济指标。如制冷系数为3，即是说每消耗1kW的能量可以获得3kW(2580kcal/h）的制冷量。第二节机械制冷原理PQ0五、直接制冷与间接制冷1、直接制冷与制冷剂直接制冷（或称直接蒸发制冷）：制冷循环中，制冷剂吸热的蒸发器直接与被冷物体或被冷物体周围环境进行换热。一般应用于单台供冷设备，如冰淇淋凝冻机等。制冷剂或制冷工质：制冷装置中不断循环流动以实现制冷的工作物质，制冷剂通过状态变化实现热量的传输，是人工制冷不可缺少的物质。制冷剂性质与制冷装置特性及操作条件有关。常见制冷剂有-氨、氟利昂等。氨一直是工业制冷中应用最广的制冷剂之一，它较为安全和对环境无影响。以氟利昂系列制冷剂也曾经是主要的制冷剂。但由于大部分产品被证实对外层空间的臭氧层有破坏作用。主要从热力学、物理化学及经济性和对环境影响等方面考虑的选择。第二节机械制冷原理五、直接制冷与间接制冷2、间接制冷与载冷剂食品工业中，需要进行冷冻加工的场所往往较大或进行冷冻作业的机器台数较多，将制冷剂直接送往各处便不合算，因此专设制冷间，采用间接制冷过程以迎合这种需要。压缩机膨胀阀盐水泵冷库蒸发器冷凝器第二节机械制冷原理五、直接制冷与间接制冷2、间接制冷与载冷剂间接制冷（或间接蒸发制冷）-用廉价物质作媒介载体实现制冷装置与耗冷场所或机台之间的热交换。常用的载冷剂有空气、水和盐水及有机物水溶液等。载冷剂的要求：冰点低、比热容大、无金属腐蚀性、化学上稳定、价格低及容易获取等因素；作为食品工业用的载冷剂，往往还须具备无味、无臭、无色和无毒的条件。用空气作载冷剂虽然有较多优点，但由于它的比热容小，且对流换热效果差。水虽然有比热容大的优点，但是它的冰点高，所以仅能用作制取0℃以上冷量的载冷剂。如果要制取低于0℃的冷量，则可采用盐水或有机溶液作为载冷剂。氯化钠、氯化钙及氯化镁的水溶液，通常称为冷冻盐水。有机溶液载冷剂中，最有代表性的两种载冷剂是乙二醇和丙二醇的水溶液。第二节机械制冷原理第三节制冷系统组成蒸汽压缩制冷系统的主要设备包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。一、压缩机制冷装置中的核心设备，称为制冷主机。1、压缩机分类按活塞运动方式分为往复式压缩机（活塞在汽缸里作往复的直线运动、多用于食品加工厂和冷库制冷）和回转式压缩机（活塞在汽缸内作旋转运动、多用于电冰箱）；按一台压缩机中蒸汽被压缩的次数分为单级和双级。第三节制冷系统组成一、压缩机2、活塞式压缩机主要靠电机带动连杆，连杆带动活塞在气缸内作往复运动不断吸气、压缩、排气，完成压缩过程。按气缸数分类，有单缸、双缸和多缸压缩机。按压缩部分与驱动电动机组合形式分为全封闭式、半封闭式和开启式压缩机。按压缩级数又可分为单级（可制取-40℃以上温度）、双级（可制取-70℃以上温度）和三级压缩机（可制取-110℃以上温度）。第三节制冷系统组成一、压缩机2、活塞式压缩机（1）半封闭活塞式压缩机半封闭活塞式压缩机的电动机与压缩部件封闭在一个机壳内，机壳部分靠螺栓连接，可拆启。半封闭式制冷压缩的功率范围比全封闭活塞式压缩机大，多用于冷柜、冷库、冷水机组中。第三节制冷系统组成一、压缩机2、活塞式压缩机（2）开启活塞式压缩机压缩部分与电机部分分开，各自成一独立体，驱动电动机与压缩部分靠联轴器或皮带连接。这种压缩机运行时有振动、噪声较大。开启活塞式压缩机制取冷量范围广，大多用于大型冷库和食品厂等。第三节制冷系统组成一、压缩机3、螺杆式压缩机结构组成：阴、阳转子，机体，轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置等。原理是由阴、阳转子螺杆的啮合旋转产生容积变化，进行气体的压缩。阴转子的齿沟相当于活塞缸，阳转子相当于活塞。阳转子带动阴转子做回转运动，使阴阳转子间的容积不断变化，完成制冷剂蒸气的吸入、压缩、排出。螺杆式压缩机与活塞式制冷压缩机相比，具有多方面的优势，如结构简单、体积小、输气系数大、排温低、排气脉动小、易损件少、检修周期长、制冷量可调范围大等。在大冷量领域中已经显示出优越性，有取代活塞式制冷压缩机的趋势。第三节制冷系统组成一、压缩机4、并联式压缩机由若干台相同或不同型号的压缩机组成。共享吸排气集管、冷凝器及贮液器等部件。向整个制冷系统的各蒸发末端直接提供制冷剂，并由集中控制系统根据压力、温度参数控制各压缩机开停。特点：（1）具有在保持系统运行稳定前提下的灵活调节供冷量的功能。可以根据季节、生产冷负荷等决定压缩机开停的数量，从而使系统具有持续的高效运行状态。（2）可提高自动化程度，利用系统电控箱与电脑控制器相结合的方式，基本上可以作到无人操作或远程操作。（3）节能，可节能18%。（4）降低设备成本和安装工程量，缩短工期，减小机房面积。并联压缩机组适用于冷藏库群、超市岛柜、展示柜，以及用冷单机分散、生产负