製冷機械與裝置

2022-10-31 16:03:04 字數 5343 閱讀 9172

冷凍在食品工業中的應用是相當廣泛的,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,能延長食品儲存期限,減少食品損耗,以及加工冷凍食品等。

一、製冷技術在食品工業中的應用

1.冷凍製品速凍製品的加工和低溫加工

eg 冰淇淋、速凍水餃、速凍蔬菜。

低溫加工:啤灑低溫發酵(2~3℃),碳酸飲料在充氣前冷卻3~5℃(此時,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18-20℃。)

2.食品的貯藏(冰櫃、冷庫)

3.食品加工的特殊手段

冷凍濃縮、冷凍乾燥。

4.食品生產車間的空氣調節

二、食品冷凍技術

製冷技術是利用某種裝置,以消耗機械功或其他能量來維持某一物料的溫度低於周圍自然環境的溫度。這種技術是建立在熱力學的基礎上的,是現代食品工程的重要基礎技術之一。

人們通常把冷凍分為兩種:一般冷凍和深度冷凍。

一般冷凍:冷凍溫度範圍在-100℃以內,

深度冷凍:冷凍溫度範圍低於-100℃

食品工業多採用一般冷凍溫度範圍多在-18℃以上。多採用壓縮式單級冷凍機製冷系統。

冰箱的冷藏室:3~5℃,凍藏室-18℃。

深度冷凍多用於化工/醫藥。

三、一般製冷方法

一般的製冷方法有如下幾種:

1、空氣壓縮製冷

這種製冷方法是利用大氣中的空氣作製冷劑。空氣首先在壓縮機中絕熱壓縮至0.5~0.

6mpa,然後在等壓下以冷水冷卻至可能的溫度;冷卻後的空氣於膨脹閥中絕熱膨脹,空氣溫度繼續降低;然後溫度降低的空氣再通過製冷器,在等壓下吸取熱量,使之回公升至原來的溫度,再回到壓縮機中,進行另一迴圈。

它的製冷迴圈是以兩等壓過程代替逆卡諾迴圈中的兩等溫過程。

其特點是製冷係數較小,故經濟性較差;由於在製冷過程中物質不發生集態變化,無潛熱可利用。故單位製冷量也較小;為了獲得足夠的製冷量,則需用要比較龐大的裝置,必造成動力消耗大,成本高;同時當冷卻溫度降到0℃時,由於冰霜生成,致使操作用難,故在現代工業中基本上被淘汰。

2、蒸汽壓縮式製冷

這種方法是用常溫及普通低溫下可以汽化的物質作為工質(氨、氟利昂及某些碳氫化合物),工質在迴圈過程不斷發生集態變化(即液態→氣態,氣態→液態),這是食品工業中使用廣泛的製冷方法。

製冷迴圈為:

在蒸發器中產生的低壓製冷劑蒸發(狀態1),在壓縮機中被壓縮到冷凝壓力,消耗了機械功w,此時為絕熱壓縮過程,同時溫度不斷公升高;然後壓縮後的蒸汽在過飽和狀態下(點2)進入冷凝器中,因受到冷卻介質(水或空氣)的冷卻而凝結成飽和液體(點3),並放出熱量,其冷凝結成飽和液體,並放出熱量,其冷凝過程為一等溫等壓過程;由冷凝器出來的製冷劑液體,經膨脹閥進行絕熱膨脹到蒸發壓力,溫度降到與之相應的飽和溫度。此時已成為兩相狀態的汽液混合物;然後進入蒸發器a,進行等溫等壓的蒸發過程,以製冷量q。並回覆到起始狀態,完成乙個迴圈。

(可見,蒸汽壓縮式製冷迴圈由壓縮機,冷凝器,膨脹機和蒸發器等四個主要部分組成。)

由此可見,蒸汽壓縮式製冷迴圈的蒸發過程和冷卻過程是在等溫度情況下進行的,不可逆性小,故迴圈的製冷係數大。它是利用液體的蒸發過程來製冷,故單位製冷量大;同時,在蒸發器和冷凝器中都是有集態改變的傳熱過程,傳熱系數較大,因而裝置不是很龐大。

3、吸收式製冷

吸收式製冷方法與壓縮式不同,它是利用熱能以代替機械能而工作的。吸收式製冷系統使用了兩種工質,一種是產生冷效應的製冷劑;另一種是吸收製冷劑而生成溶液的吸收劑。對製冷劑的要求與壓縮式的相同,而對吸收劑則必須是吸收能力強,同是在相同壓力下,其沸點要遠高於製冷劑的沸點。

因而,當溶液受熱時,蒸發出來的蒸汽中,含製冷劑多,而含吸收劑很少。

蒸汽壓縮式製冷所採用的製冷劑為一遠較0℃為低的溫度下即能轉變為蒸汽狀態的物質,且此蒸汽經壓縮復可轉變液態。例如:nh3在大氣壓下的沸點為-33.

4℃,所以可在低溫下蒸發而吸熱,達到製冷目的,蒸發後的低壓蒸汽又可經壓縮機和冷卻水冷卻使之冷凝為液態nh3。液氨經過膨脹閥以降低壓力,又開始其蒸發過程。

通常採用的工質為氨和水的二元溶液,其中nh3為製冷劑,水為吸收劑。

低溫、低壓的氨蒸汽,從蒸發器出來後進入吸收器。在吸收器中,氨蒸汽被低壓的稀溶液吸收,吸收所產生的吸收熱由冷卻水帶走。吸收後的氨溶液由幫浦公升壓經換熱器加熱後進

入發生器,在發生器中,因加熱而將高溫、高壓的氨蒸發出來,然後進入精餾塔;同時發生器內變稀的溶液經換熱器和節流閥再回到吸收器中。進入精餾器的蒸汽被冷卻水冷卻後,含製冷劑多的蒸汽進入冷凝器,而含製冷劑極少的稀溶液回到發生器。由冷卻水帶走熱量,使蒸汽冷凝。

冷凝後製冷劑經過節流閥進入蒸發器,並向被冷卻物質吸取熱量。

以上部分的系統實際上起了將低壓、低溫製冷劑蒸汽變成高壓、高溫蒸汽機的作用。即執行了壓縮式製冷系統中的壓縮機的任務。

其特點:無運動不見,無噪音,運轉平穩,裝置緊湊,適宜於電能缺乏而熱能充足的地方。

4、蒸汽噴射式製冷

蒸發噴射式製冷機與吸收式製冷機一樣,以消耗熱能來完成製冷機的補償過程。

它是利用高壓水蒸汽通過噴射器造成低壓,並使水在此低壓蒸發吸熱的原理進行製冷的。

製冷劑是水。

工作原理:

鍋爐的高壓蒸汽進入噴射器中,工作蒸汽在噴嘴中膨脹,獲得很大的汽流速度(800-10000m/s)。由於這時壓力能變為動能,產生真空,使蒸發器中的水蒸發成蒸汽。當蒸發器中的水蒸發時,就從周圍的水中及取熱量,使其成為低溫水,供降溫使用。

工作蒸汽與低壓蒸汽在噴射器的混合室內混合後即進入擴壓器,在擴壓器中速度下降,動能又變為位能,壓力公升高,然後混合蒸汽就進入冷凝器中冷凝成水,一部分送回鍋爐,另一部分送入蒸發器,提供所須的冷量。

圖蒸汽噴射式製冷機工作原理圖

四、製冷技術理論基礎(冷凍原理)

製冷過程是將熱能從低溫物體取出,並將其放到高溫物體中的物理過程。根據熱力學第二定律,這種過程(熱能夠自動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,即借助於冷凍機的外加功才行。熱力第一定律:

△u=q-w,△u---物係狀態變化時內能的差值△u,q---物係吸熱,w—物體對環境作的功。

1、熱力迴圈的概念

在實際應用上,需要的是連續不斷的熱與功轉換,為此,應要使工質經過若干個過程後,回覆原來的狀態,而又完成了熱與功的轉換。在這種轉換過程中,工質狀態發生週期性變化,稱為熱力迴圈。

因為工質經過乙個迴圈後,回覆到原來的狀態,所以對乙個熱力迴圈來說,工質的內能沒有變化,經過乙個迴圈,體系對外的熱交換和功交換的關係是:[}', 'altimg': '', 'w':

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體系完成乙個迴圈對外界的熱交換是,從熱源吸收的熱量q1和對冷源放出的熱量q2 代數和,稱為「淨熱」。所以 q= q1+q2。同理,功交換也是「淨功」,也是體系對外界和外界對體系所作功的代數和。

所以可以諮體系迴圈的淨熱等於淨功。

體系從外界吸收的熱量q1並沒有完全變成功,而是一部變成功,其餘部分又放給外界。工質從溫度較高的熱源吸熱,並向溫度較低的冷源放熱q2(冷源損失)。對於熱機來說,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叫迴圈熱效率,定義為

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'57'}]。熱效率就是迴圈中加入熱量轉變為有用功的百分數。

熱力學第二定律表明,迴圈熱效率不能達到100%。其最大極限是多大?卡諾迴圈。

卡諾迴圈由兩個定溫過程和兩個絕熱過程所組成。

設熱源溫度t1,冷源溫度t2,在整個迴圈中保持恆溫。在經過乙個迴圈後,工質吸熱q1=t1△s(為ts圖上1-2-5-6-1所圍之面積)。.放熱q2=t2△s(為ts圖上4-3-5-6-4所圍之面積),△s=s2-s1,則卡諾迴圈效率

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1-2線為定溫吸熱過程

2-3線為絕熱膨脹過程

3-4線為定溫放熱過程

4-1線為絕熱壓縮過程

(pv、ts為一種順時針進行的熱力迴圈)

2、製冷的基本概念。

(1)逆卡諾迴圈

與卡諾迴圈相反,逆時針迴圈。

這4個過程均為可逆,所以它是乙個理論的迴圈,在工業生產上是不能實現的,但可作為實際製冷迴圈完善程度的比較標準。

在實際的製冷迴圈中,不僅壓縮和膨脹不可能是絕熱過程,而且在兩個等溫過程中,放熱側工質溫度必高於熱源(冷卻介質)的溫度。吸熱側的工質溫度必低於冷源(被冷卻的物體)的溫度(即非可逆過程)。

(2)製冷過程(氨製冷迴圈原理)

氨液在1atm以下,吸熱氣化後,其低壓低溫蒸汽必須設法回覆到液體狀態,才能繼續進行製冷。

系統中的製冷劑(氨)飽和蒸汽被壓縮機吸入壓縮,成高壓高溫的過熱蒸汽,此過程

為等熵過程。製冷劑(氨)的高壓高溫過熱蒸汽,其溫度高於環境介質(水或空氣)的溫度,其壓力使製冷劑(氨蒸氣)能在常溫下冷凝成液體狀態。因而排至冷凝器時,經冷卻、冷凝成高壓的氨液,把熱量傳給冷卻水,為等壓過程。

高壓液體通過膨脹閥時,因節流而降壓,在壓力降低的同時,氨液製冷劑因沸騰蒸發吸熱,而使其本身的溫度也相應下降(只要降壓足夠,應可使其溫度降低到所需要的低溫),為等焓過程。把這種低壓低溫的氨(製冷劑)引入蒸發器,蒸發吸熱,發生冷效應,使周圍空氣及物料溫度下降,為等壓等溫過程。從蒸發器出來的低壓低溫蒸汽重新進入壓縮機,這樣就完成了一次製冷迴圈。

(3)製冷量

任何製冷系統和製冷機產生的冷效應,即製冷劑從被冷卻物體中所能取出的熱量,稱為製冷量dr製冷能力。它可用單位質量製冷劑所吸熱的熱量q0來表示,其單位j/kg。也可用單位容積製冷所吸收的熱量vs.

來表示。其單位為j/m3. 對於理想的逆卡諾迴圈,其理想的製冷量[=t_', 'altimg':

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可見理想製冷量與冷源溫度t c有關,而與熱源的th無關。冷源溫度愈高,則製冷量愈大。

1- 2線工質作絕熱壓縮(等熵)

2- 3線工質作等溫壓縮(等熵)

3- 4線工質作絕熱膨脹(等熵)

4- 1線工質作等溫膨脹(等熵)

(4)製冷係數

製冷係數定評價某具體製冷迴圈經濟性的一項指標。它是衡量製冷機工作的重要指標。

它表示製冷迴圈中的製冷量q 。與該迴圈消耗的外功w之比,即:

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換言之,製冷迴圈的製冷係數ε是表示消耗單位外功所能獲得的製冷量。

對於逆卡諾迴圈的理想製冷係數εi應有:

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可見,逆諾迴圈的製冷係數僅取決於熱源溫度th和冷源溫度下tc,而與工質(製冷劑)的性質無關。而熱源溫度th愈多,冷源溫度tc愈低,則製冷係數愈小。這個結論在製冷技術上有著十分重要的指導意義。

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