食品技术原理课程讲稿－第二章 干藏 第 1 页 ，共 33 页 第十章制冷机械与设备 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 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 一般的制冷方法有如下几种： 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 缩至 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，则需用要
食品技术原理课程讲稿－第二章 干藏 第 1 页 ，共 33 页 第十章制冷机械与设备 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 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 一般的制冷方法有如下几种： 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 缩至 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，则需用要
食品技术原理课程讲稿－第二章 干藏 第 2 页 ，共 33 页 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 A，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。 （可见，蒸汽压缩式制冷循环由压缩机，冷凝器，膨胀机和蒸发器等四个主 要部分组成。） 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。 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。 低温、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
食品技术原理课程讲稿－第二章 干藏 第 2 页 ，共 33 页 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 A，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。 （可见，蒸汽压缩式制冷循环由压缩机，冷凝器，膨胀机和蒸发器等四个主 要部分组成。） 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。 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。 低温、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
食品技术原理课程讲稿－第二章 干藏 第 3 页 ，共 33 页 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，运转平稳，设备紧凑，适宜于电能缺乏而 热能充足的地方。 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
食品技术原理课程讲稿－第二章 干藏 第 3 页 ，共 33 页 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，运转平稳，设备紧凑，适宜于电能缺乏而 热能充足的地方。 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
食品技术原理课程讲稿－第二章 干藏 第 4 页 ，共 33 页 图 蒸汽喷射式制冷机工作原理图 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。 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： q = (du + dw) = dW = W 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。所以可以谘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 1 2 1 1 2 1 1 q q q q q q W = − − = = 。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。 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 1 2 1 2 1 1 T T q q = − = −
食品技术原理课程讲稿－第二章 干藏 第 4 页 ，共 33 页 图 蒸汽喷射式制冷机工作原理图 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。 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： q = (du + dw) = dW = W 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。所以可以谘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 1 2 1 1 2 1 1 q q q q q q W = − − = = 。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。 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 1 2 1 2 1 1 T T q q = − = −
食品技术原理课程讲稿－第二章 干藏 第 5 页 ，共 33 页 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） 2、制冷的基本概念。 （1）逆卡诺循环 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 q0 = TC ( ) ( ) 2 3 1 4 s s T s s − = c − 。可见理想 制冷量与冷源温度 Tc有关，而与热源的 Th 无关。冷源温度愈高，则制冷量愈大
食品技术原理课程讲稿－第二章 干藏 第 5 页 ，共 33 页 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） 2、制冷的基本概念。 （1）逆卡诺循环 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 q0 = TC ( ) ( ) 2 3 1 4 s s T s s − = c − 。可见理想 制冷量与冷源温度 Tc有关，而与热源的 Th 无关。冷源温度愈高，则制冷量愈大