第7章 冷冻.ppt

1、,第七章 冷冻 定义：使物质（体系）温度降到环境温度以下的操作过程称为冷冻。 原理：利用制冷剂物理状态改变时，从低温吸热并将热转移到环境介质中。 分类：一般制冷（120K）和深度制冷（120K）。 应用：冷冻食品的加工、储藏和运输。 第一节 制冷技术的理论基础 一、制冷的基本概念 热量不能自动地由低温传向高温，若使热量从低温体传向高温体，须向系统作功或加入能量。人工制冷方法就是以消耗机械能为代价，通过向制冷剂作净功将热量从低温体送到高温体需的热量。 1、卡诺循环和逆卡诺循环 卡诺循环过程为: 等温可逆膨胀； 绝热可逆膨胀； 等温可逆压缩； 绝热可逆压缩。,循环过程吸热Q1=T1（S2S1），

2、放热Q2=T2（S2S1），对外作功 W=Q1Q2 ，其卡诺循环 效率： 将循环过程沿逆时针方向进行称逆卡诺循环（理想制冷循环过程） 装置包括四个设备：压缩机、冷凝器、膨胀机（阀）、蒸发器。 压缩机 2 1 冷凝器 蒸发器 3 膨胀阀 4,理想制冷循环过程为： （1）绝热可逆压缩过程12：将蒸发器送出的制冷剂湿蒸汽压缩为饱和蒸汽，压缩机作功W。目的使低压低温的蒸汽提高温度和压强，便于冷凝。 （2）等温可逆压缩过程23：将饱和蒸汽在冷凝器中冷凝为饱和液体，过程放热Q1。目的使制冷剂发生相变，将来能够吸热。 （3）绝热可逆膨胀过程34：将饱和液体减压为汽液混合物，过程不作功。目的使饱和液体温度降低

3、，利于吸热。 （4）等温可逆膨胀过程41：将汽液混合物在蒸发器中进行等温等压蒸发，过程向环境吸热Q2。目的制冷。,过程分析：循环过程制冷剂从环境中取走热量，转移到冷却水中 过程的关键进入冷凝器前，制冷剂经压缩温度超过冷却水的温度，热量从制冷剂传给了冷却水；进入蒸发器前，制冷剂经膨胀温度低于环境温度，热量从环境传给了制冷剂。 过程遵循热量自动从高温传给低温原则。循环时蒸汽压缩需功蒸汽膨胀功，要由外部向制冷剂作净功。 在逆卡诺循环图上， 12为绝热可逆压缩，过程等熵，温度由T2T1 ； 23为等温可逆压缩，过程熵减少，向T1 的热源放热Q1 ； 34为绝热可逆膨胀，过程等熵，温度由T1T2 ； 4

4、1为等温可逆膨胀，过程熵增加，从T2 的热源吸热Q2 。 评价其经济性的 指标用制冷因数：,2、制冷剂（利用聚集态的改变转移热量的物质） （1）基本要求： 汽化热大；蒸汽密度大；蒸汽压适中；Tc高，Tf低；低，大；化学稳定性好，安全价廉。 （2）常用的制冷剂： 氟利昂（Freon） 是饱和碳氢化合物的卤族元素衍生物总称，按其组成分为含氯的氟化碳（CFC）、含氢和氯的氟化碳（HCFC）、含氢无氯的氟化碳（HFC）。广泛使用，但某些对臭氧层有破坏禁用。 分子通式： Cm Hn Clx Fy Brz 编号： R + （m1）（n+1）（y）B（z） 氨（NH3） 汽化热大，沸点低，常用，但有毒易燃安

5、全性差。 按GB77781987规定，无机化合物制冷剂的编号为700+分子量， 氨为R717。 3、载冷剂 制冷循环中，制冷剂与被冷物在蒸发器中进行热交换为直接制冷。若需低温的车间多，采用间接制冷（即在制冷装置中把一种价值低的物质冷冻，然后送到需低温的车间，在制冷系统的蒸发器和冷排间进行循环，载冷剂）。,压缩机 冷凝器 蒸发器 冷库 膨胀阀 载冷剂 载冷剂要求： 比热大；凝固点低；具有化学稳定性，安全价廉。 常用的载冷剂： （1）水 比热大，但冰点高，仅用于制取0以上时采用； （2）空气 比热小，仅用于直接冷却时采用； （3）冷冻盐水 NaCl 和 CaCl2的水溶液，价廉无毒，传热性能好，用

6、于制取 -20以下时使用，对金属有腐蚀性； （4）有机物 乙醇、乙二醇、丙二醇等，无毒，传热性能好，用于制取 -35以下时使用，对金属无腐蚀性，但价格较贵。,二、一般的制冷方法（机械制冷方法） 蒸汽压缩式制冷；吸收式制冷；蒸汽喷射式制冷。 第二节 蒸汽压缩式制冷 一、蒸汽压缩式制冷循环 lnp 1、压焓图（ln ph图，Mollier图） T K v 点表示物系的一个状态，线代表某参数保 持恒定的过程。 S （1）饱和曲线 由饱和液体曲线（左支） 和饱和蒸汽曲线 （右支）构成，中间区域为 x 气液两相共存区（湿蒸汽状态）；K为临界点， x=0 x 左侧为液相区，各点呈过冷液体状态； h 右侧为

7、气相区，各点呈过热蒸汽状态（共5种状态）。 x=1 （2）等温线群 表示同一温度但压强、比容等不同的 各状态点连成的折线（为垂线水平线近似垂线）。 （3）等熵线群 熵相等的各点连成的曲线。 （4）等比容线群 比容相等的各点连成的曲线 （5）等干度线群 干度（x=蒸汽质量/混合物质量）相等的点连成的曲线。,2、蒸汽压缩式制冷循环过程（在ln ph图） （1）蒸汽压缩式理想制冷循环过程 ln p 绝热可逆压缩12：将蒸发器送出的制冷剂 湿蒸汽压缩为饱和蒸汽，过程S=0沿等熵线； 4 4 3 2 2 等温可逆压缩23 4：将饱和蒸汽在冷凝器 中先冷却为饱和液体（过程沿等压线进行），然 后冷凝为饱和液

8、体，过程沿等温线进行。 5 5 1 1 绝热膨胀45：在膨胀阀中绝热节流，制冷剂 h 温度降低，进入两相区，过程沿等焓线进行。 等温可逆膨胀51：在蒸发器中进行等温等压蒸发，过程沿等压线进行。 （2）蒸汽压缩式实际制冷循环过程 压缩时采用干法操作 进入压缩机的气体为过热蒸汽（不带液），过程为511，即蒸发器出口为过热蒸汽，压缩过程1 2 。 冷凝后稍过冷操作 过热蒸汽冷却冷凝后，将凝液过冷58，防止制冷剂在进入节流阀之前就变为蒸汽。过程为44 ， 蒸发过程为5 1。 以节流阀代替膨胀机（构造简单，操作方便）。 因此实际制冷循环过程：压缩1 2 ；冷却冷凝23 4 4；节流膨胀45 ；蒸发过程为

9、5 1。,二、蒸汽压缩式制冷过程的计算 已知条件：制冷量0 （kW），冷凝温度或过热温度TC，蒸发温度Te 。 计算内容：制冷剂量qm（kg/s）、qv（m3/s），压缩机功率P，冷却水量qvC。 计算方法：在 ln ph图上确定循环过程和各点，然后查相应参数计算。 1、单位制冷量 Qm =h1 h4 Qv =Qm/v0 2、制冷剂循环量qm 0 = Qm qm qm = 0 / Qm 3、 制冷剂放热量 冷却水量 4、压缩机功率P wt = h2 h1 Pt = qm wt P= Pt/ 5、制冷因数 理论 实际 （例71）,三、蒸汽压缩式制冷设备和系统 1、压缩机 2、冷凝器 3、膨胀阀

10、4、蒸发器 5、蒸汽压缩式制冷系统,第三节 食品冷冻 T 一、食品冷冻的理论基础 1、水冻结的温度曲线 随温度下降：降到冰点0 ； 过冷形成冰晶；相变回复到冰点； 在冰点下冻结；全部冻结后温度下降 2、食品冻结的温度曲线 t 随温度下降：降到冰点Tf0以下过冷到TB形成冰晶（AB），（TBTf）称为过冷度；相变放热回复到冰点Tf （BC） ；随水量减少温度下降（CD）；溶质开始析出晶体释放结晶热温度稍有回升（DE）；食品冻结温度下降，至F 点全部冻结（EF）；冻结食品降温 （FG）。 3、冰晶的形成和共晶温度 食品的冰点是其中很小部分水刚开始结冰且和周围水处于平衡态的温度。水结成冰晶，首先形成

11、晶核，然后随水量减少溶质晶体和冰晶一起析出，称为共晶温度现象，对应温度为共晶温度。,4、冻结对食品的影响 （1）物性变化 密度减小；内压增加；比热降低；导热系数增大。 （2）质构变化 冻结时细胞中的水向冰晶体迁移，组织结构破坏。 5、冻结时间 tf 指产生冰晶到形成共晶点的时间（CF）， 用Planck方程式进行估算： 6、食品冻结速率 （1）冻结速率rf ： （2）冻结速度vf ： （K/s） （cm/s） 按食品冷冻过程的快慢，将冷冻分为（食品从0降到5）： 慢速冻结 rf=0.252.5 （K/h）; tf =1201200 (min) ; vf =0.11（cm/h） 中速冻结 rf=

12、2.515 （K/h）; tf =20120 (min) ; vf =15（cm/h） 快速冻结 rf=15100 （K/h）; tf =320 (min) ; vf =510（cm/h） 7、冻结食品的储藏 一般以-18为宜，并且防止温度波动。,二、食品冷冻方法与装置 1、空气冻结法 以空气为载冷剂接受冷量，传给与它接触的食品。 静止空气冻结法 靠空气自然对流冻结，速度慢，如冰箱、冷库； 送风空气冻结法 冷风在-35 -40，靠空气强制对流冻结，流向与食品可并逆向、垂直流过，速度快，如传送带式、螺旋带式、隧道式； 流化床速冻法 速冻效果好，用于小单体产品，如青豌豆、肉丁等。 2、浸渍冻结法和

13、液化气冻结法 浸渍冻结法是将食品用传送带输送，浸在低温不冻液（冷冻盐水、乙二醇50%水溶液、丙二醇50%水溶液）中冻结。对流传热系数大，时间短。 液化气冻结法是用液化气（液氮、液态二氧化碳）作冷冻介质，一般在 -73 以下。直接将液化气喷向食品，设备简单，冻结速度快，成本高。 3、非接触式冻结法 食品与冷冻介质被隔开不接触，冻结设备有： 板式冻结机 被冻食品夹在金属板之间，载冷剂通过冷冻板与食品换热 鼓风冻结机 将食品包装后放在冷冻间，使冷气围绕食品袋流动冷冻； 刮板式冻结机 采用刮板式换热器作为冻结机，使流态食品在冻结腔内通过而冻结为稠糊浆状态，卸出包装后进一步冻结。,第四节 湿空气热力学

14、干空气和水蒸气的混合物称湿空气，以1kg干空气为基准，且按理气处理。 一、湿空气的状态参数 1、湿度H 单位质量干空气所含水蒸气的质量（kg/kg），或称湿含量。 2、相对湿度 总压一定湿空气中水蒸气分压与 同温度下饱和蒸汽压之比。 用于衡量湿空气偏离饱和的程度， 反映其吸湿能力大小。对干空气 =0；饱和空气 =100% 由此可得：,3、湿空气的比容vH 单位质量干空气（1+H ）对应湿空气体积（m3/kg） 湿空气的密度： 4、湿空气的焓h （1 + H） kg湿空气具有的热量（kJ/kg）。 湿空气的比热（kJ/kgK）： 湿空气的焓：,二、湿空气状态参数的确定 由上知，湿空气的 ，vH

15、，h与湿空气 H、T有关，而其中T易测定，但 H 难以直接测定需采用间接方法，故定义了另外几个温度。 1、干球温度T 用普通温度计直接测得的温度，为湿空气的真实温度。 2、湿球温度TW 将湿球温度计（感温球保持润湿时的普通温度计）置于湿空气中测得的温度，为湿空气的湿球温度 TW 。 由于达到稳定时， 即已知TW ，就可得H，因此通常用测定T、TW 的方法来求得H。 3、绝热饱和温度TS 在绝热条件下，使湿空气增湿降温达到饱和时的温度称TS 。该过程焓保持恒定，即：,过程令HSH，得： 在工程计算中，用比较容易测定TW 来代过程明确的TS ，进而得到H。 4、露点温度Td 将不饱和湿空气等湿降温

16、达到饱和时的温度称露点。 H可通过测定T、TW 、Td 而得到。 对不饱和湿空气： T（TS）TWTd 对饱和湿空气： T=（TS）TW =Td 三、湿空气的湿度图（Hh图） 1、湿空气的Hh图（在P=101.3kPa条件下绘制） 为方便将各参数间的关系绘成图线，查取简捷方便，常用为Hh图。 （1）等H线 垂线，线上各点的H、Td 、pv 相同，范围 00.20 kg/kg 。 （2）等h线 平行于斜轴的直线，线上各点的h、TS 、TW 相同， 范围 0680 kJ/kg 。 当H一定时h随T升高而增大，表明湿空气的载湿能力提高。,h T p H （3）等T线 为向上倾斜的直线，线上各点的T

17、相同，范围 0250 。 （4）等 线 由11条曲线组成（当T 100时为向上的垂线，图7-20未绘出） ，线上各点的 相同，范围 5%100% 。当H一定时， 随温度升高而降低，表明湿空气的吸湿能力增加； = 100% 的线为饱和湿空气线。 （5）水蒸气分压线 近似为直线（坐标在右），H一定时，pv 一定，范围 026kPa 。,2、湿空气Hh图的应用 （1）确定湿空气的状态点 （注意：Hpv ，HTd ，pvTd ，hTW 处于同一条等H或等h线上，不能确定湿空气的状态点 ），一般已知参数为： 已知T和TW；已知T和Td；已知T和 。 A =100% T TW Td,（2）由状态点确定湿空

18、气的参数 =100%,3、总压对湿空气Hh图的影响 一般Hh图在P=101.3kPa条件下绘制的，当P发生变化时，某些参数可能发生变化。在T、H相同时，若P变化为P1 ，则： 因而随压强增加，相对湿度增加，对吸湿不利。 四、湿空气的基本热力学过程 空气状态变化在Hh图上为连接始终点的一条曲线（或直线），其过程h与H之比称为焓湿比， 可表示过程变化的方向和特征。 1、等湿过程 用间壁式换热器加热或冷却空气时，其温度和焓变但H不变。 （1）等湿加热过程 加热湿空气时（AB）： 同时 （2）等湿冷却过程 冷却湿空气时（AC）： 同时,2、增湿和减湿过程 （1）等焓减湿过程 用固体吸湿剂吸附湿空气中的

19、水蒸气时，湿度降低，而水蒸气放出的吸附热又传给空气，保持焓不变（AD）： 同时 （2）等焓增湿过程 对空气加湿时，水吸收空气中的热量汽化为水蒸气，温度降低，但这些热量又带入空气，保持焓不变（AE）： 同时 （3）等温增湿过程 向空气喷入水蒸气加湿， 使湿空气温度不变湿度增加（AF）： h B D F 同时 E （4）冷却减湿过程 将空气冷却，部分水蒸气 C 冷凝，使湿空气温度降低湿度减小（AG）： C 同时 G,3、不同状态空气的混合 h hB 在空调、干燥等操作中，为节能、调湿 hC B 等原因，有时将用过的空气返回与新鲜空气 hA C 混合后使用，需确定不同状态空气的混合及 A 其参数的计

20、算问题。 设有状态不同的湿空气A（HA ，hA ）和 B（HB ，hB ），干空气质量mA ，mB ；混 合后C（HC ，hC ），根据物料、热量衡算： HA HC HB H 即混合后湿空气的状态点一定在AB的连线上，其它参数由图中查取或计算。 第五节 空气调节 空气调节（调节环境空气状态使T和H符合要求）在食品工业中的应用包括：原料、半成品、制品，在储藏、加工和包装过程的需要；生产工艺过程要求的必要条件；满足生产和生活的需要。,一、空气调节系统的基本原理和类型 1、空调过程 用空调机将室外空气处理，使室内空气T和H稳定在规定范围出。 2、空调原理 据室外空气状态和被调环境空气的要求，由空调机对空气进行加热或冷却、增湿或减湿的操作。 3、空调分类 局部空调和中央空调 二、直流式空气调节 采用室外新鲜空气进行调节，直流式空气调节机。 1、直流式空气调节机,2、直流式空调系统的操作原理 设一年四季室外空气的平均状态点沿气象线CC变化，被调室空气的T、H要求达到3点的状态。根据室外空气状态点1位于CC 线上点a的下方还是上方，直流式空调系统的操作方式分夏季工作制和冬季工作制。 （1）冬季工作制（点1位于CC 线上点a的下方） h C 第一阶段（一次加