【正文】 第 十章 制冷機(jī)械與設(shè)備第一節(jié) 食品冷凍技術(shù)第二節(jié) 壓縮制冷循環(huán)第三節(jié) 制冷劑及載冷劑第四節(jié) 制冷系統(tǒng)的主要設(shè)備第一節(jié) 食品冷凍技術(shù)n 冷凍在食品工業(yè)中的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的，它的作用是作為食品加工的手段和防止食品腐敗。冷凍貯藏食品，能延長(zhǎng)食品保存期限，減少食品損耗，以及加工冷凍食品等。n 一、制冷技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用n 二、食品冷凍技術(shù)n 三、一般制冷方法n 四、制冷技術(shù)理論基礎(chǔ)（冷凍原理）一、制冷技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用n 1．冷凍制品速凍制品的加工和低溫加工neg 冰淇淋、速凍水餃、速凍蔬菜。n 低溫加工：啤灑低溫發(fā)酵（ 2~3℃ ），碳酸飲料在充氣前冷卻 3~5℃ （此時(shí)，二氧化碳溶解量大，充氣最大。地下水溫度為 7℃ ，夏天江河水溫 1820℃ 。）n 2．食品的貯藏（冰柜、冷庫(kù)）n 3．食品加工的特殊手段?冷凍濃縮、冷凍干燥。n 4．食品生產(chǎn)車(chē)間的空氣調(diào)節(jié)二、食品冷凍技術(shù)n 制冷技術(shù)是利用某種裝置，以消耗機(jī)械功或其他能量來(lái)維持某一物料的溫度低于周?chē)匀画h(huán)境的溫度。這種技術(shù)是建立在熱力學(xué)的基礎(chǔ)上的，是現(xiàn)代食品工程的重要基礎(chǔ)技術(shù)之一。 n 人們通常把冷凍分為兩種：一般冷凍和深度冷凍。n 一般冷凍：冷凍溫度范圍在 100℃ 以?xún)?nèi)，n 深度冷凍：冷凍溫度范圍低于 100℃n 食品工業(yè)多采用一般冷凍溫度范圍多在18℃ 以上。多采用壓縮式單級(jí)冷凍機(jī)制冷系統(tǒng)。n 冰箱的冷藏室： 3~5℃ ，凍藏室 18℃ 。n 深度冷凍多用于化工、醫(yī)藥。三、一般制冷方法n 空氣壓縮制冷n 蒸汽壓縮式制冷n 吸收式制冷n 蒸汽噴射式制冷空氣壓縮制冷 n 這種制冷方法是利用大氣中的空氣作制冷劑?？諝馐紫仍趬嚎s機(jī)中絕熱壓縮 .5~，然后在等壓下以冷水冷卻至可能的溫度；冷卻后的空氣于膨脹閥中絕熱膨脹，空氣溫度繼續(xù)降低；然后溫度降低的空氣再通過(guò)制冷器，在等壓下吸取熱量，使之回升至原來(lái)的溫度，再回到壓縮機(jī)中，進(jìn)行另一循環(huán)。n 它的制冷循環(huán)是以?xún)傻葔哼^(guò)程代替逆卡諾循環(huán)中的兩等溫過(guò)程。n 這種制冷方法是利用大氣中的空氣作制冷劑。n 空氣首先在壓縮機(jī)中絕熱壓縮 ~，然后在等壓下以冷水冷卻至可能的溫度；冷卻后的空氣于膨脹閥中絕熱膨脹，空氣溫度繼續(xù)降低；然后溫度降低的空氣再通過(guò)制冷器，在等壓下吸取熱量，使之回升至原來(lái)的溫度，再回到壓縮機(jī)中，進(jìn)行另一循環(huán)。n 它的制冷循環(huán)是以?xún)傻葔哼^(guò)程代替逆卡諾循環(huán)中的兩等溫過(guò)程。n 其特點(diǎn)是制冷系數(shù)較小，故經(jīng)濟(jì)性較差；由于在制冷過(guò)程中物質(zhì)不發(fā)生集態(tài)變化，無(wú)潛熱可利用。故單位制冷量也較?。籲 為了獲得足夠的制冷量，則需用比較龐大的設(shè)備，必造成動(dòng)力消耗大，成本高；n 同時(shí)當(dāng)冷卻溫度降到 0℃ 時(shí)，由于冰霜生成，致使操作用難，故在現(xiàn)代工業(yè)中基本上被淘汰。蒸汽壓縮式制冷 n 這種方法是用常溫及普通低溫下可以汽化的物質(zhì)作為工質(zhì)（氨、氟利昂及某些碳?xì)浠衔铮べ|(zhì)在循環(huán)過(guò)程不斷發(fā)生集態(tài)變化（即液態(tài) → 氣態(tài)，氣態(tài) → 液態(tài)），這是食品工業(yè)中使用廣泛的制冷方法。n 制冷循環(huán)為：n 在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的低壓制冷劑蒸發(fā)（狀態(tài) 1），在壓縮機(jī)中被壓縮到冷凝壓力，消耗了機(jī)械功 W，此時(shí)為絕熱壓縮過(guò)程，同時(shí)溫度不斷升高；然后壓縮后的蒸汽在過(guò)飽和狀態(tài)下（點(diǎn) 2）進(jìn)入冷凝器中，因受到冷卻介質(zhì)（水或空氣）的冷卻而凝結(jié)成飽和液體（點(diǎn) 3），并放出熱量，其冷凝結(jié)成飽和液體，并放出熱量，其冷凝過(guò)程為一等溫等壓過(guò)程；n 由冷凝器出來(lái)的制冷劑液體，經(jīng)膨脹閥進(jìn)行絕熱膨脹到蒸發(fā)壓力，溫度降到與之相應(yīng)的飽和溫度。此時(shí)已成為兩相狀態(tài)的汽液混合物；然后進(jìn)入蒸發(fā)器，進(jìn)行等溫等壓的蒸發(fā)過(guò)程，以制冷量 Q。并回復(fù)到起始狀態(tài)，完成一個(gè)循環(huán)。n 由此可見(jiàn)，蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的蒸發(fā)過(guò)程和冷卻過(guò)程是在等溫度情況下進(jìn)行的，不可逆性小，故循環(huán)的制冷系數(shù)大。n 它是利用液體的蒸發(fā)過(guò)程來(lái)制冷，故單位制冷量大；n 同時(shí)，在蒸發(fā)器和冷凝器中都是有集態(tài)改變的傳熱過(guò)程，傳熱系數(shù)較大，因而設(shè)備不是很龐大。吸收式制冷n 吸收式制冷方法與壓縮式不同，它是利用熱能以代替機(jī)械能而工作的。吸收式制冷系統(tǒng)使用了兩種工質(zhì)，一種是產(chǎn)生冷效應(yīng)的制冷劑；另一種是吸收制冷劑而生成溶液的吸收劑。對(duì)制冷劑的要求與壓縮式的相同，而對(duì)吸收劑則必須是吸收能力強(qiáng)，同是在相同壓力下，其沸點(diǎn)要遠(yuǎn)高于制冷劑的沸點(diǎn)。因而，當(dāng)溶液受熱時(shí)，蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽中，含制冷劑多，而含吸收劑很少。n 吸收式制冷方法與壓縮式不同，它是利用熱能以代替機(jī)械能而工作的。吸收式制冷系統(tǒng)使用了兩種工質(zhì)，一種是產(chǎn)生冷效應(yīng)的制冷劑；另一種是吸收制冷劑而生成溶液的吸收劑。n 對(duì)制冷劑的要求與壓縮式的相同，而對(duì)吸收劑則必須是吸收能力強(qiáng)，同是在相同壓力下，其沸點(diǎn)要遠(yuǎn)高于制冷劑的沸點(diǎn)。因而，當(dāng)溶液受熱時(shí)，蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽中，含制冷劑多，而含吸收劑很少。n 蒸汽壓縮式制冷所采用的制冷劑為一遠(yuǎn)較 0℃為低的溫度下即能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝麪顟B(tài)的物質(zhì)，且此蒸汽經(jīng)壓縮復(fù)可轉(zhuǎn)變液態(tài)。例如： NH3在大氣壓下的沸點(diǎn)為 ℃ ,所以可在低溫下蒸發(fā)而吸熱，達(dá)到制冷目的，蒸發(fā)后的低壓蒸汽又可經(jīng)壓縮機(jī)和冷卻水冷卻使之冷凝為液態(tài) NH3。液氨經(jīng)過(guò)膨脹閥以降低壓力，又開(kāi)始其蒸發(fā)過(guò)程。n 通常采用的工質(zhì)為氨和水的二元溶液，其中NH3 為制冷劑，水為吸收劑。工作過(guò)程：溫、低壓的氨蒸汽，從蒸發(fā)器出來(lái)后進(jìn)入吸收器。在吸收 器中，氨蒸汽被低壓的稀溶液吸收，吸收所產(chǎn)生的吸收熱由冷卻水帶走。吸收后的氨溶液由泵升壓經(jīng)換熱器加熱后進(jìn)入發(fā)生器。 在發(fā)生器中，因加熱而將高溫、高壓的氨蒸發(fā)出來(lái)，然后進(jìn)入精餾塔；同時(shí)發(fā)生器內(nèi)變稀的溶液經(jīng)換熱器和節(jié)流閥再回到吸收器中。進(jìn)入精餾器的蒸汽被冷卻水冷卻后，含制冷劑多的蒸汽進(jìn)入冷凝器，而含制冷劑極少的稀溶液回到發(fā)生器。由冷卻水帶走熱量，使蒸汽冷凝。 冷凝后制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器，并向被冷卻物質(zhì)吸取熱量。以上部分的系統(tǒng)實(shí)際上起了將低壓、低溫制冷劑蒸汽變成高壓、高溫蒸汽機(jī)的作用。即執(zhí)行了壓縮式制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)的任務(wù)。 其特點(diǎn)：無(wú)運(yùn)動(dòng)不見(jiàn)，無(wú)噪音，運(yùn)轉(zhuǎn)蒸汽噴射式制冷n 蒸發(fā)噴射式制冷機(jī)與吸收式制冷機(jī)一樣，以消耗熱能來(lái)完成制冷機(jī)的補(bǔ)償過(guò)程。n 它是利用高壓水蒸汽通過(guò)噴射器造成低壓，并使水在此低壓蒸發(fā)吸熱的原理進(jìn)行制冷的。n 制冷劑是水。n 工作原理：n 鍋爐的高壓蒸汽進(jìn)入噴射器中，工作蒸汽在噴嘴中膨脹，獲得很大的汽流速度（ 80010000m/s）。由于這時(shí)壓力能變?yōu)閯?dòng)能，產(chǎn)生真空，使蒸發(fā)器中的水蒸發(fā)成蒸汽。當(dāng)蒸發(fā)器中的水蒸發(fā)時(shí)，就從周?chē)乃屑叭崃浚蛊涑蔀榈蜏厮?，供降溫使用。n 工作蒸汽與低壓蒸汽在噴射器的混合室內(nèi)混合后即進(jìn)入擴(kuò)壓器，在擴(kuò)壓器中速度下降，動(dòng)能又變?yōu)槲荒?，壓力升高，然后混合蒸汽就進(jìn)入冷凝器中冷凝成水，一部分送回鍋爐，另一部分送入蒸發(fā)器，提供所須的冷量。四、制冷技術(shù)理論基礎(chǔ)（冷凍原理）n 制冷過(guò)程是將熱能從低溫物體取出，并將其放到高溫物體中的物理過(guò)程。n 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，這種過(guò)程（熱能夠自動(dòng)地從高溫物體傳遞給低溫物體）只有在加入外功的情況下才有可能，即借助于冷凍機(jī)的外加功才行。n 熱力第一定律： △ U=QW， △ U物系狀態(tài)變化時(shí)內(nèi)能的差值 △ U， Q物系吸熱， W—物體對(duì)環(huán)境作的功。熱力循環(huán)的概念 n 在實(shí)際應(yīng)用上，需要的是連續(xù)不斷的熱與功轉(zhuǎn)換，為此，應(yīng)要使工質(zhì)經(jīng)過(guò)若干個(gè)過(guò)程后，回復(fù)原來(lái)的狀態(tài)，而又完成了熱與功的轉(zhuǎn)換。在這種轉(zhuǎn)換過(guò)程中，工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生周期性變化，稱(chēng)為熱力循環(huán)。 根據(jù)熱力第一定律： △ U=QW， △ U物系狀態(tài)變化時(shí)內(nèi)能的差值 △ U， Q物系吸熱，W— 物體對(duì)環(huán)境作的功 因?yàn)楣べ|(zhì)經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)后，回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，所以對(duì)一個(gè)熱力循環(huán)來(lái)說(shuō)，工質(zhì)的內(nèi)能沒(méi)有變化，經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)，體系對(duì)外的熱交換和功交換的關(guān)系是：體系完成一個(gè)循環(huán)對(duì)外界的熱交換是，從熱源吸收的熱量 q1和對(duì)冷源放出的熱量 q2 代數(shù)和，稱(chēng)為 “凈熱 ”。所以 q= q1+q2。同理，功交換也是 “凈功 ”，也是體系對(duì)外界和外界對(duì)體系所作功的代數(shù)和。所以可以說(shuō)體系循環(huán)的凈熱等于凈功。 體系從外界吸收的熱量 q1并沒(méi)有完全變成功，而是一部變成功，其余部分又放給外界。工質(zhì)從溫度較高的熱源吸熱，并向溫度 較低的冷源放熱 q2（冷源損失）。對(duì)于熱機(jī)來(lái)說(shuō)，總希望它所吸 收之熱q1變成功的部分愈多愈好，冷源損失愈少愈好，衡量這種 熱能利用效果的指標(biāo)叫循環(huán)熱效率，定義為 熱效率就是循環(huán)中加入熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ陌俜謹(jǐn)?shù)。 熱力學(xué)第二定律表明，循環(huán)熱效率不能達(dá)到 100%。其最大極限是多大？ 卡諾循環(huán)。 卡諾循環(huán)由兩個(gè)定溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程所組成。12線為定溫吸熱過(guò)程23線為絕熱膨脹過(guò)程34線為定溫放熱過(guò)程41線為絕熱壓縮過(guò)程（ PV、 TS為一種順時(shí)針進(jìn)行的熱力循環(huán)）設(shè)熱源溫度 T1，冷源溫度 T2，在整個(gè)循環(huán)中保持恒溫。在經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)后，工質(zhì)吸熱 q1=T1△ S（為 TS圖上 12561所圍之面積）。 .放熱 q2=T2△ S（為 TS圖上 43564所圍之面積）， △ S=S2S1，則卡諾循環(huán)效率制冷的基本概念n （ 1）逆卡諾循環(huán)n （ 2）制冷過(guò)程（氨制冷循環(huán)原理）n （ 3）制冷量n （ 4）制冷系數(shù)（ 1）逆卡諾循環(huán)12線工質(zhì)作絕熱壓縮（等熵）， 23線工質(zhì)作等溫壓縮（等熵）34線工質(zhì)作絕熱膨脹（等熵）， 41線工質(zhì)作等溫膨脹（等熵）? 與卡諾循環(huán)相反，逆時(shí)針循環(huán)。n 這 4個(gè)過(guò)程均為可逆，所以它是一個(gè)理論的循環(huán)，在工業(yè)生產(chǎn)上是不能實(shí)現(xiàn)的，但可作為實(shí)際制冷循環(huán)完善程度的比較標(biāo)準(zhǔn)。n 在實(shí)際的制冷循環(huán)中，不僅壓縮和膨脹不可能是絕熱過(guò)程，而且在兩個(gè)等溫過(guò)程中，放熱側(cè)工質(zhì)溫度必高于熱源（冷卻介質(zhì)）的溫度。吸熱側(cè)的工質(zhì)溫度必低于冷源（被冷卻的物體）的溫度（即非可逆過(guò)程）。（ 2）制冷過(guò)程（氨制冷循環(huán)原理）n 氨液在 1atm以下，吸熱氣化后，其低壓低溫蒸汽必須設(shè)法回復(fù)到液體狀態(tài)，才能繼續(xù)進(jìn)行制冷。n 系統(tǒng)中的制冷劑（氨）飽和蒸汽被壓縮機(jī)吸入壓縮，成高壓高溫的過(guò)熱蒸汽，此過(guò)程為等熵過(guò)程。制冷劑（氨）的高壓高溫過(guò)熱蒸汽，其溫度高于環(huán)境介質(zhì)（水或空氣）的溫度，其壓力使制冷劑（氨蒸氣）能在常溫下冷凝成液體狀態(tài)。因而排至冷凝器時(shí)，經(jīng)冷卻、冷凝成高壓的氨液，把熱量傳給冷卻水，為等壓過(guò)程。n 高壓液體通過(guò)膨脹閥時(shí)，因節(jié)流而降壓，在壓力降低的同時(shí)，氨液制冷劑因沸騰蒸發(fā)吸熱，而使其本身的溫度也相應(yīng)下降（只要降壓足夠，應(yīng)可使其溫度降低到所需要的低溫），為等焓過(guò)程。把這種低壓低溫的氨（制冷劑）引入蒸發(fā)器，蒸發(fā)吸熱，發(fā)生冷效應(yīng)，使周?chē)諝饧拔锪蠝囟认陆?，為等壓等溫過(guò)程。從蒸發(fā)器出來(lái)的低壓低溫蒸汽重新進(jìn)入壓縮機(jī)，這樣就完成了一次制冷循環(huán)。 （ 3）制冷量n 任何制冷系統(tǒng)和制冷機(jī)產(chǎn)生的冷效應(yīng)，即制冷劑從被冷卻物體中所能取出的熱量，稱(chēng)為制冷量 Dr制冷能力。n 它可用單位質(zhì)量制冷劑所吸熱的熱量 q0來(lái)表示，其單位 J/Kg。也可用單位容積制冷所吸收的熱量。其單位為 J/m3. n 對(duì)于理想的逆卡諾循環(huán)，其理想的制冷量n n 可見(jiàn)理想制冷量與冷源 (被冷卻介質(zhì) )溫度 T c有關(guān)，而與熱源 (冷卻的物體 )的溫度 Th無(wú)關(guān)。n 冷源溫度愈高，則制冷量愈大。（ 4）制冷系數(shù)n 制冷系數(shù)定評(píng)價(jià)某具體制冷循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)指標(biāo)。它是衡量制冷機(jī)工作的重要指標(biāo)。n 它表示制冷循環(huán)中的制冷量 q 0與該循環(huán)消耗的外功W之比，即：n 換言之，制冷循環(huán)的制冷系數(shù) ε是表示消耗單位外功所能獲得的制冷量。 對(duì)于逆卡諾循環(huán)的理想制冷系