第3章食品冷冻技术193 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 膨胀阀 压缩机 济性较差；由于在制冷过程中物质不发生相变化，无潜热 吸热器 可利用，故单位制冷量也较小；为了获取足够的制冷量， 则需要比较庞大的设备，这必造成动力消耗大、成本高； 图34气体压缩制冷 同时当冷却温度降至0℃时，由于冰霜生成，致使操作困 难。故在现代工业中基本上被淘汰。 ②蒸汽压缩式制冷：目前，食品工业广泛应用的制冷方法是蒸汽压缩式制 冷。这种方法是用常温及普通低温下可以液化的物质作为工质（例如氨、氟利昂 及某些碳氢化合物)，工质在循环过程中将不断发生相变（即液态变气态，气态 经压缩再变液态)。 蒸汽压缩式制冷循环的原理如图3-5所示。在蒸发器中产生的低压制冷蒸 汽（状态1），在压缩机中被压缩至冷凝压力pc,消耗了机械功W,此时为绝热 压缩，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(2，又称节流阀)进行绝热膨胀至蒸发压力0，温度降到与之相对应的饱 和温度T。(状态点4)，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，以制取冷量Q,并回复到起始状态，完成一个循 环。 蒸发器 3-5 蒸汽压缩式制冷循环
194食品工程原理 由此可见，蒸汽压缩式制冷循环的蒸发过程和冷凝过程是在等温情况下进行 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相变的传热过程，传热系数较大， 因而设备不是很庞大。此外，理想的蒸汽压缩式制冷循环是一个与逆卡诺循环相 同的矩形封闭体。 ③吸收式制冷：吸收式制冷循环是由消耗热能 (蒸汽、热水等)来工作的。在吸收式制冷机中，使 用制冷剂与吸收剂两种工质，这是该机的主要特点。 工作原理如图3-6所示。 浓度高的制冷剂送入发生器1内，在发生器中用 蒸汽、热水或燃料燃烧的产物等加热，吸收热量后， 大部分低沸点组分的制冷剂蒸发，使发生器在高温高 图3-6吸收式制冷机工作 压下工作。 原理图 发生器中出来的制冷剂蒸汽进人冷凝器2，由冷 却水带走热量，使蒸汽冷凝。冷凝后的制冷剂经过节流阀进人蒸发器，并从被冷 却物质吸取热量。 制冷剂的蒸汽从蒸发器出来后，进入吸收器5。在发生器中经过发生过程后 剩余的溶液中，制冷剂的含量已大为降低，称之为吸收液。吸收液经节流阀7降 到蒸发压力进人吸收器中与从蒸发器来的低压制冷剂蒸汽混合，并吸收这些蒸 汽，于是又形成含制冷剂浓度高的溶液。吸收过程是一个放热过程，需用冷却水 来冷却。稀制冷剂又变成浓的制冷剂，经过溶液泵送入发生器，继续循环使用， 这样便完成了吸收式制冷机的基本循环。 ④蒸汽喷射式制冷：蒸汽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。喷射泵由喷嘴、混合室、扩压器组成，起着压缩机的 作用。 制冷机中的制冷剂是水，水的汽化潜热大，在0℃时约为氨的2倍。但要得 到低温蒸汽，必须维持非常低的压力，而且在低温下，水蒸气的比容很大；若要 获取+5℃的蒸发温度时，蒸汽压力po就要维持在约0.1MP,而这时饱和蒸 汽的比容达到147.2m3kg,显然要用压缩机来完成这个任务是不可能的。所以 喷射制冷机适用于空气调节工程。 蒸汽喷射式制冷机工作原理如图3-7所示。锅炉的高压蒸汽（称为工作蒸 汽)进入喷射器（由喷嘴、混合室及扩压管组成）中，工作蒸汽在喷嘴中膨胀， 获得很大的气流速度（可达800~1000m/s或更高些）。在蒸发器中由于制取冷
第3幸食品冷冻技术195 量Q而产生的蒸汽便被吸人喷射器的混合室中，与工作蒸汽混合，一同流入扩 压管中，并借助于工作蒸汽的动能被压缩到较高的压力。然后混合蒸汽进入冷凝 器中冷凝成水，并向环境介质放出热 量。由冷凝器引出的凝结水分为两路： 一路经节流阀6节流降压到蒸发压力 高 后进人蒸发器9中制取冷量，而另一 路则经水泵7被送人锅炉中，于是便 蒸发 完成了工作循环。 (2)非机械压缩制冷 ①融解和溶化制冷：固体吸热后 变为液体称为融解。固体溶于溶剂称 为溶解。这两种物理状态变化都可以 被用来制造冷量。例如：1kg冰融解 节流器 成水，可以吸收334.94kJ的热量。但 这种制冷方式有局限性，主要是冰的 图3-7 蒸汽喷射制冷机工作原理图 熔点（冰点）限定了用冰融化不能获 取低于零度的冷量，其次是冰也必须由另一种制冷操作才能做到。 水与食盐或其他无机盐类混合时，冰的熔点将随盐量增加而降低，并形成 0℃以下的低温，吸收大量潜热而造成特定低温，并使食品冻结。冷冻机发明以 前，人们早就利用这种方法来完成如冰激凌和鱼类的冻结作业。冰盐混合物所得 到的最终低温因盐与水的比例不同而异，参见表3-1。食盐与碎冰相混合后，起 先是冰吸收熔化热而融化成水，而后是食盐溶于水而吸收溶解热。由表3-1可 知，冰与食盐的比例为3：1时，最低温度可降到-21℃左右。如果需要更低温 度，可使用其他盐类，如氯化钙、氯化铵、硝酸钠等与食盐混合成复式混合物， 见表3-2。 表3-1食盐与冰混合比与最低温度 混合物的配比 最低温度/℃ 碎冰 食盐 100 0 0 95 5 -2.8
196食品工程原理 续表 混合物的配比 最低温度/℃ 碎冰 食盐 90 10 -6.6 85 15 -11.6 80 20 -16.6 75 25 -21.1 表32各种盐类与冰复配混合后的温度 起寒剂的混合比例（质量分数） 最低温度/℃ CaCl2 NHCI NaNO3 NaCl 碎冰 58.8 41.2 -54.9 20 80.0 -15.4 20.5 21.8 57.7 -25.5 17.6 19.7 62.7 -25.0 ②固体升华和液体汽化制冷：固体吸热后直接变成气体叫升华，常压下低沸 点液体会发生汽化，这两种现象均发生了相的转变，通过吸收相变潜热实现冷量 输出。食品工业中常用干冰和液氮作为非机械压缩制冷剂，这在下一小节中将有 所介绍。 1.2.3低温制冷方法 由上述一般的制冷方法可知，制冷系统的制冷剂蒸汽的液化是在冷凝器中通 过冷却剂（周围环境的空气或冷却水）来进行的。由于冷却剂的温度有限度，且 冷凝温度和蒸发温度之差受制冷效率所限，所以一般制冷温度不可能很低，例如 对于氨压缩制冷，国产设备的极限工作条件是：冷凝温度不高于+40℃，蒸发 温度单级应在+5一一30℃范围内。为了获取更低的温度，可有下列几种方法实 现低温制冷。 (1)多级制冷循环多级制冷循环是依靠一种制冷剂实施多级压缩的制冷方 法。在制冷系统中，当冷凝温度较高而蒸发温度较低时（即压缩比高时），宜采
第3章食品冷冻技术197 用两级或多级压缩，同时在级与级之间可增置中间冷凝器，使最终压缩终了时的 温度不致太高。这样既避免了由于过高蒸汽温度可能引起的制冷剂本身的热分 解，又使压缩机的工作条件得到改善。 图3-8表示一种两级制冷循环。从低压蒸发器内生成的低压蒸汽被低压气缸 吸人，并压缩至中间压力。被压缩后的蒸汽先经冷却水冷却，而后进人中间冷却 器被部分制冷剂的蒸发吸热而冷却。此后，中间冷却器中的蒸汽被高压气缸吸入 并压缩，压缩后的过热蒸汽在冷凝器中冷却冷凝，变为液态制冷剂。以后此液态 制冷剂分两部分 一部分通过中间冷却器进行过冷后进入低压系统， 一部分则经 节流阀进行减压。减压后的制冷剂又分两部分， 一部分与通过中间冷却器的过冷 液汇合进入低压系统，一部分则进入中间冷却器内蒸发。 两级压缩机用于低温蒸发时，对于制冷剂氨和F-12,蒸发温度可达 -25-70℃. (2)串级制冷循环上述多级制冷循环是依靠一种制冷剂实施多级压缩的制 冷方法。但根据各种制冷剂的性质，它们均有其适宜的工作范围。沸点高的制冷 剂，其蒸发压力势必很低，反之，沸点低的制冷剂，其冷凝压力又势必过高。为 了获得更低的温度，可在制冷循环中应用两种或多种制冷剂串联操作，以一高温 制冷剂所产生的冷效应去液化沸点较低的制冷剂，而此液化后的制冷剂，在气化 时又去液化另一沸点更低的制冷剂，如此逐级液化以达到所要求的低温。这种方 法称为串级制冷循环或复叠式制冷循环。图39表示两种制冷剂的串级制冷循 环。图中中间热交换器对高温系统是蒸发器，对低温系统是冷凝器。在这种系统 中，高温部分制冷循环的作用是为低温部分提供低温冷却剂，从而降低了低温部 分制冷循环的冷凝温度，使其蒸发温度降得更低。串级制冷循环用于一70℃以 下的制冷，可获得一120一-80℃的低温。 串级制冷循环所用的制冷剂组合最常用的是以F-22为高温制冷剂，F-13为 低温制冷剂。也有采用以F-12为高温制冷剂，以F-22为低温制冷剂。 串级循环的缺点是消耗能量较大，这是因为中间热交换器内两种制冷剂必须 有一定的温度差，低温的冷凝温度必须高于高温的蒸发温度的缘故。 (3)节流膨胀和绝热膨胀法上面两种方法都是对气体而言，是以热力学定 律为依据而获得深度冷冻的方法。它们是工业上最广泛采用的两种制冷方法。若 这两种方法配合使用，先进行作外功的绝热膨胀，而后进行节流膨胀，可以获得 接近于1K的低温。 ①节流膨胀法：节流膨胀法是使天然气、空气、氧气、氨气、氢气、氢气及 其他稀有气体和某些混合气体等在低温下节流，而转变为液态，以获得液化气体