食品速冻机械与设备

第十二章食品速冻机械与设备第一节食品冷冻技术及原理第二节冷冻机系统构成第三节制冷系统的主要设备第四节食品冻结装置第一节食品冷冻技术及原理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。在低温下，无论是酶或微生物引起的变质，都只是一种延缓或减弱的作用，并不能完全抑制它们的作用，故不能认为冷冻食品是无菌的。一、制冷技术在食品工业中的应用1．食品的冻结、冻藏和冻结运输主要是畜产品、水产品的冻结和冻藏，还有速冻蔬菜、速冻面食品、冰、雪糕等产品的冻结和冻藏。2．农产品、食品的冷却、冷藏和冷却运输主要是果品、蔬菜、蛋及油脂、冷饮等产品的冷却和冷藏。3．食品加工的特殊手段冷冻浓缩、冷冻干燥和食品物料的冷却等。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。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。第二节冷冻机系统构成食品冷冻机械包括制冷机、冷却冻结机、冷却储藏机、冷却运输机和解冻机等。冷冻设备包括冷源制作（制冷）、物料的冻结、冷却三个组成部分。制冷机有活塞式、螺杆式、离心式制冷压缩机组、吸收式制冷机组、蒸汽喷射式制冷机组，活塞压缩式制冷机组是国内主要的冷源制作装置。物料进行冻结的方式有风冷式、浸渍式和冷剂通过金属管、壁和物料接触传热降温的装置。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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。并回复到起始状态，完成一个循环。氨气吸收式制冷机工作原理在线观看-酷6视频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。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。3、吸收式制冷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。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。wQ0压缩制冷循环以下介绍在工业上应用最为广泛的蒸汽压缩式制冷循环。一、单级压缩制冷实际循环二、双级压缩制冷循环一、单级压缩制冷实际循环系统氨的低压蒸汽，在压缩机内压缩成高压的过热蒸汽。经油分离器，进入冷凝器冷却，冷凝成液氨，把热量传递给水。高压液氨进贮氨器，经调节站，通过调节阀节流降压-------→氨液分离器→液体→蒸发器；气体进压缩机（作用）单级压缩制冷循环的优点是设备结构相对简单，在中温下（-20~-40℃）蒸发温度，要求压缩机压缩比大。但压缩比大会出现一些问题：冷却系数下降；压缩机的排气温度很高，使润滑油变稀，润滑条件变坏；液态制冷剂节流时的损失增加，单位制冷量大为下降。故单级压缩制冷循环所能达到的蒸发温度有限，一般来说，单级氨制冷压缩机的最大压缩比不超过8，氟利昂制冷机不超过10。二、双级压缩制冷循环为什么采用双级压缩制冷循环？通常的单级压缩式制冷循环，蒸发温度只能达到-25℃左右，当生产上需要更低的蒸发温度时，单级制冷循环便不适应了（欲获得更低的制冷温度，则蒸发压力就变得更低）。如果依靠单级压缩机压缩，则压缩比过大，制冷量小，功耗不经济。另外，压缩比过大，压缩终了时蒸汽的温度很高，须采用高着火点的润滑油压缩机，且温度高使润滑油的粘度下降，被高温氨气带走的润滑油也较多（即润滑油混入氨气中的多），同时温度上升，使润滑油和氨会分解；气缸易变形；这些对安全运行都是不利的，此时，若采用双级压缩制冷，能改善这些不利困难。双级压缩制冷循环，是指来自蒸发器的氨蒸汽要经过两次压缩后，才进入冷凝器，在两次压缩中间过程设置中间冷却器，用中压氨液的蒸发吸热来冷却第一次压缩的过热蒸汽。双级压缩制冷循环较单级压缩制冷循环的优点：1.排气温度低，气缸吸气系数高，且压缩机润滑工作良好。2.制冷效率高（功耗减少，或省功）但所需设备投资较单级大，操作较复杂，所以一般压缩比8时，采用双级压缩较为经济合理。对于氨压缩机来说，当蒸发温度在-25℃以下或冷凝压力大于1.2MPa时，宜采用双级压缩制冷。叠式制冷循环（自学）制冷剂及载冷剂制冷剂——在制冷系统中循环，通过其本身的状态变化，来传递热量的工质称为制冷剂（冷冻剂）。如氨、氟利昂等。载冷剂——在间接蒸发式制冷系统中起传递冷效应的介质称为载冷剂（冷媒）。载冷剂在蒸发器中被制冷剂冷却，然后再去冷却物料或冷藏库。如盐水（氯化钠）、氯化钙盐水、水等。一、对制冷剂的要求制冷剂在循环中，是在蒸发器中对外输出冷量（即在低温下吸收热量），在冷凝器中放出热量，起着热量传递的煤介作用。各种制冷剂的一个共同特征是它们的临界温度较高，在常温及普通低温下能够液化。由于制冷机的大小，构造和材料以在一定情况下的操作压力与制冷剂的性质有密切关系，所以在进行压缩制冷时，必须慎重选用适合于操作条件的制冷剂。特别是在食品加工中。对制冷剂有以下几方面的要求：1.热力学上的要求：在常压下，制冷剂的沸点要低，即易蒸发。制冷剂的临界温度要高，至少要高于一般冷却水的温度，即就可以在冷凝器内液化。制冷剂在蒸发器内的压力最好能与大气压力相近或稍高于大气压。制冷剂的汽化潜热应尽可能地大，蒸汽容积小，循环量减少，即单位制冷能力大。导热系数和散热系数大，以提高热交换器的传热效率。2.物理化学上的要求：制冷剂对金属不应有腐蚀作用。比重和粘度要小，使制冷剂循环流动阻力小。化学性质稳定，不燃烧，高温高压下不分解，不与润滑油发生反应。不爆炸。3.生理学上的要求：对人无毒、无害4.经济上的要求上：易于购得，价格低廉。二、常用的制冷剂工业上已采用的制冷剂很多，目前常用有以下几种，氨，氟利昂-12，氟利昂-22，氯甲烷，二氧化碳。1.氨（R717）具有良好的热力学性质，在工业上被广泛采用。氨在1标准大气压下的蒸发温度-33.35℃，液体密度681.8kg/m³。氨的气化潜热大(-15℃,1312.4kJ/kg)，所以氨的单位容积产冷量比较大，是一种易于购得，价格低廉得制冷剂。氨几乎不溶于油中，但吸水性强，可以避免在系统中形成冰塞。工业氨含水＜0.2％。氨不腐蚀钢铁，但若含水，则对铜及铜合金具有氧化作用，（故氨压缩机不能使用铜及铜合金），对青铜和磷铜腐蚀性小。氨具有一种强烈的特殊臭味，对人体器官有害。空气中含有1﹪（v/v）的氨时，可能发生中毒事故。氨可燃，如果空气中含有16～25﹪（v/v）氨时，遇火爆炸。由于氨易得，在我国仍有使用。2.氟利昂-12（CF2Cl2）是一种对人体生理危害性最小的制冷剂。无色、无臭、不燃烧、无爆炸性。在535℃下，尚不分解。但与水或氧气混合时，再加热可分解成有害的毒气－光气。在没有水分时，对铜、钢、镀锌铁、铅、锡等金属无腐蚀性。极易溶于油中，使油的粘度降低，为保证润滑可靠，必须用粘度较多的润滑油。氟利昂-12与水不化合，如有水存在会引起膨胀阀冰塞。因此含水量小于0.0025﹪。渗透能力强，能透过极细的缝隙，因无臭味，渗透不易发现。缺点:（1）氟利昂-12单位容积产冷量较小，因此，氟利昂-12压缩机的尺寸较相同产量压缩机为大。（2）氟利昂-12比重大，循环阻力大，因此须降低制冷机制冷剂的流动速度，通过加大其流通断面（如加大管径等）来达到。载冷剂一般制冷机中蒸发器所发生的冷效应有两种用法。直接膨胀式和间接膨胀式。直接膨胀式是将蒸发器直接用冷却装置以冷却物体，即将低压、低温的液体制冷剂通入冷库内或者其他冷加工设备上的冷却器一侧，使制冷剂直接蒸发而产生冷效应。这种使用冷效应的方法称为直接膨胀式。但在多数情况下，不是直接用制冷剂，而是间接用一种盐类的水溶液作为载冷剂。即制冷机的蒸发器为沉浸式换热器，容器内有NaCl、CaCl2及MgCl2等盐的水溶液或者糖的水溶液，液体制冷剂在蒸发器蒸发，吸收盐水溶液的热量，并使之冷却，然后再用泵将被冷却的水溶液送入冷库或者其他冷加工设备中，吸收被冷冻物料的热量，然后再回到蒸发器中，热量又被制冷剂吸收，如此循环而已。这种方法称为间接膨胀式。载冷剂必须具备的条件：冰点低、热容量大、对设备的腐蚀性小，价格低廉。空气或者水是最容易获得的冷媒，空气的缺点是热容量太小。水的热容量大，但水的凝固点（冰点）高，只能在0℃以上使用。在0℃以下的冷冻系统，都采用盐水为载冷剂，工业上常用的载冷剂一般为NaCl、CaCl2、MgCl2等调制盐水。盐作为载冷剂，其缺点是对金属有强烈的腐蚀作用，造成盐水系统的制备需要经常更换。在盐水中加防腐剂或者减少盐水与空气的接触，可以减弱盐水的腐蚀作用。盐水在工作过程中，会因吸收空气中的水分而降低浓度。因此，须定期地进行加盐。举例：乳品厂冷却牛乳的冷排（缸），一般用盐水，以防NH3渗漏使牛乳引入NH3异味。制冷系统也称制冷机，是由许多设备组成的，它包括了压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等主要而必要的设备，还包括油分离器、贮液桶、排液桶、气液分离器、空气分离器、中间冷却器、凉水设备等附属设备，这些附属设备都是为了提高制冷效率，保证制冷机安全和稳定设置的。一、活塞制冷机的主要设备(一)压缩机(二)冷凝器(三)膨胀阀(四)蒸发器第三节制冷系统的主要设备一、活塞制冷机的主要设备（一）制冷压缩机压缩机是制冷机的主要（设备）机器，它的主要功用是吸取蒸发器中的低