食品机械 13第十三章 制冷与冷库.doc

第十三章 制冷和冷库第一节 制冷概述一、制冷的意义人工机械制冷发明以来，不过百年，但发展迅速，已为各方面所采用初期主要是制冰逐渐推广至冷藏，冷藏运输及食品速冻、冻藏等目前我国冷库的总容量比解放初期增加了几百倍在制冷机制造方面发展也很快如活塞式制冷压缩机，不但能在全国各主要城市普遍制造，而且向着多气缸、短行程、高转速、高效率方面发展 冷冻在食品工业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 食品保藏方法主要有罐藏、冷藏、干藏、化学保藏等其中冷冻保藏具有以下几种优点： (1)较好地保持食品原有的色、香、味，营养价值冷冻保藏较长时间后，食品无显著的坐化 (2)增加易腐食品的供应时间，解决季节性生产与常年消费之间的矛盾特别是速冻方便食品，深受消费者的欢迎 (3)使用冷藏运输，长途输送易腐食品，保证质量良好使产区和销区或加工工厂有机地联系起来 (4)利用冷藏运输和冷藏库，可延长食品厂(如罐头厂等)的加工季节，解决淡、旺季之间的矛盾 我国肉类、水产的速冻，早已成为一个工业门类，如肉类、水产联合加工厂等。

果蔬的速冻在很多工厂已大批生产，正在逐步形成工业 罐头厂，乳品厂，蛋品厂，糖果冷饮厂等食品工厂，几乎都有冷冻机房及冷藏库的设置二、人工制冷的方法人工制冷技术系采用下列物理过程实现的 1、融解固体吸热后变为液体，如1Kg冰变成水，可吸收334.94KJ热量 2、升华固体吸热后直接变为气体叫升华如固体二氧化碳即“干冰”在一个大气压下的升华温度为－78.5℃　，每Kg干冰变为气体时，约需吸收573.59KJ热量 3、沸腾(蒸发)液体受热达到沸点之后，即沸腾蒸发吸热，这时液体逐渐变成气体制冷中应用最广的是氨和氟利昂—12 氨在1大气压下，沸点为－33.4℃　，此时，每1公斤氨液沸腾，完全变成气体，需要吸收1368.46KJ热量 氟利昂—l2在1大气压下，沸点为－29.8℃　，此时，每1公斤液态氟利昂—12沸腾，完全变成气体，需要吸收167.35KJ热量三、压缩制冷原理热量总是从高温物体传向低温物体要迫使热量由低温物体(即被冷却物体)传向温度较高的周围介质，必须在中间有一个耗能的补偿过程才能实现压缩式制冷是通过电动机和压缩机做功来补偿；吸收式制冷是通过热能为动力，利用溶液的某些特性进行工作循环完成的；蒸汽喷射式制冷是利用具有一定压力的蒸汽的喷射吸引和扩散实现对工质进行做功补偿的；热电式制冷是利用直流电流通过半导体时产生热电效应补偿的。

生产应用最多的是压缩式制冷系统 压缩式制冷的工作过程主要有压缩、冷凝、膨胀和蒸发四个阶段，如图所示 系统中循环的介质为制冷剂压缩机吸收蒸发器中的饱和蒸汽压缩成高温高压的过热蒸汽，在冷凝器中被吸出热量，冷凝成高压液体，液态制冷剂经膨胀阀后压力和温度降低，低温低压的液态制冷剂进入蒸发器后，吸收被冷却物体或周围介质的热量汽化为低压气体低压制冷剂气体又进入压缩机，形成一个反复循环过程在此循环过程中，制冷剂从气态变为液态，向周围介质放出热量，又从液体变成气态，从被冷却物体吸收热量，达到制冷的目的目前国内多采用氨压缩制冷循环按压缩次数可分为 单级压缩制冷循环 和 双级压缩制冷循环两种1、氨压缩制冷循环原理 氨液在1大气压下，吸热气化后，其低压低温蒸汽必须设法回复到液体状态，才能继续进行制冷这就需要通过压缩机和冷凝器来完成氨制冷循环原理见图 氨的低压低温蒸汽，在压缩机内压缩成高压高温的过热蒸汽为等熵过程如图中1——>2所示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，其压力使氨蒸汽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，如图中2——>3所示。

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，就可使其温度降低到所需要的低温)为等焓过程，如图中3——>4所示把这种低压低温的氨液引入蒸发器，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，如图中4——>l所示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—次制冷循环2、单级压缩制冷循环原理氨的低压蒸汽，在气缸内压缩成高压的过热蒸汽 (等熵过程，图中1——2)经油分离器进入冷凝器冷却、冷凝成氨液，把热量传给水(等压过程2——3)高压氨液从贮氨器经调节站，通过膨胀阀节流降压(等焓过程3——4)在氨液分离器分离后，氨液进入冷排(蒸发器)，发生冷效应(等压等温过程4——1)使冷库内的空气及物料温度下降从蒸发器出来的低温低压蒸汽，经过氨液分离器分离后，再进入压缩机压缩制冷机——是实现反卡诺循环的机件，总称为制冷机(冷冻机)、实际上是指为实现制冷循环必需连在一起的许多机件制冷机是习惯用语，综合了压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等等机件为了提高制冷机效率以及保证制冷系统安全稳定等目的，一般还都设置了油分离器、空气分离器、贮氨器、氟液分离器等附属设备。

3、双级压缩制冷循环原理有时生产上要求压缩机要在高压端压力(冷凝压力)对低压端压力(蒸发压力)比值很高时工作单级压缩，压缩终温很高，会引起运行困难如须用高着火点的润滑油，且润滑油的粘度随着温度上升而降低，被高温氨气带出的润滑油也较多，同时高温下润滑油与氨都会引起慢性分解还会引起气缸热变形等若采用双级压缩制冷，能改善这些不利因素 双级氨压缩制冷循环，是指来自蒸发器的氨蒸汽要经两次压缩后，才进入冷凝器在两次压缩中间过程设置中间冷却器，用中压氨液的蒸发吸热来冷却第一次压缩的过热蒸汽双级压缩制冷循环有以下特点： (1)压缩机的压缩比和排气温度降低，气缸容积效率提高，且润滑良好 (2)消耗于压缩机的功减少如蒸发温度为 -30度，冷凝温度为30度，采用氨中间冷却的双级压缩，可较采用单级压缩制冷系统省功近l0% （3）设备投资较大，操作较复杂一般当压缩比 ＞8时，采用双级压缩较为经济合理四、制冷剂和载冷剂制冷剂——在直接蒸发式制冷系统中循环，通过其本身的状态变化，来传递热量的工质称为制冷剂(冷冻剂) 载冷剂——在间接蒸发式制冷系统中起传递冷效应的介质称为载冷剂(冷媒)。

载，冷剂在蒸发器中被制冷剂冷却，然后再去冷却物料或冷藏库 —般以氨、氟利昂—12等循环于制冷系统中担负传热使命的工质称为制冷剂以氯化钠盐水、氯化钙盐水、冰、冰盐等称为载冷剂 对制冷剂的要求： （一）热力学上的要求易于蒸发和液化，制冷剂的沸腾温度、凝固温度要低，冷凝压力不宜过高单位产冷量大，制冷剂的蒸发潜热大，蒸汽容积小导热系数和散热系数大，以提高热交换器的传热效率 （二）物理化学上的要求制冷剂对金属不应有腐蚀作用比重和粘度要小，使制冷剂在循环流动时阻力小化学性质稳定，不燃烧，在压缩机所产生的高压高温下不分解，制冷剂与润滑油应当不起化学作用 （三） 生理学上的要求制冷剂要无毒、无害四）经济上的要求制冷剂应易于购得，价格低廉1、常用制冷剂常用制冷剂主要有氨、氟利昂（12或22等）以及液态的氮、二氧化碳等 （1）氨(NH3) 具有良好的热力学性质，在工业中被广泛采用氨在l大气压下的蒸发温度为－33.4℃，液体的密度为681.8Kg/m3在通常的工作条件下，蒸发器中的压力高于l大气压，可防止空气渗入制冷系统中夏季水温较高时，其冷凝压力仍不致超过15大气压，通常在9～14大气压之间。

氨的气化潜热大，单位容积产冷量比较大，因而可以缩小压缩机和其他设备的尺寸 氨几乎不溶于油中，但其吸水性强，可以避免在系统中形成冰塞工业用氨所含的水分不得超过0.2% 氨对于黑色金属(钢铁)不腐蚀若氨中含有水分时，则对铜及铜合金具有强烈的氧化作用因此氨制冷机及其管道不能使用钢及铜合金但氨对青铜和磷铜腐蚀性较小，故压缩机的活塞环或轴瓦等部件，有时也有使用这些材料 氨有一种强烈的特殊臭气，对人体有害，空气中按容积含有1% 以上氨时，就可能发生中毒事故氨为可燃物，若空气中含有容积13.1～26.8% 的氨时，遇火焰即有爆炸的危险为减少氨对空气的污染，有些国家对氨已加以限制 由于氨易购、价低，目前在我国制冷业应用比较广泛 （2） 氟利昂—12(CF2CL2) 是一种对人体生理危害性最小的制冷剂无色、无臭、不燃烧、无爆炸性 在535℃下，尚不分解，唯与水或氧气混合时，再加热分解成对人有害的毒气——光气 氟利昂—12在没有水分时，对铜、钢、镀锌铁、铅、锡等金属无腐蚀性在1大气压下，氟利昂—12的沸点为－29.8℃，液体的密度为1486Kg/m3在一般工作条件下，冷凝器中的压力不会超过11大气压。

氟利昂—12极易溶解于油中，使油的粘度降低，为保证润滑可靠，必须用粘度较高的润滑油氟利昂—12与水不化合，故在氟利昂—12制冷机中，如有水存在会引起膨胀阀冰塞 氟利昂—12的含水量不得超过0.0025% 氟利昂—12的渗透能力很强，能透过极细的缝隙，因无臭味，渗漏不易发现氟利昂—12单位容积产冷量较小因此，氟利昂—12压缩机的尺寸较相同产量的氨压缩机为大氟利昂—12的比重大，循环时阻力大，要减小这种阻力，须降低制冷机中制冷剂的流动速度，通过加大其流通断面(如加大管径等)来达到 （3）氟利昂—22(CHF2CL) 在1大气压下，其蒸发温度为－40.8℃，具有蒸发温度低，冷凝压力低，操作安全(不会爆炸)，无臭、无毒、易于自动化等优点氟利昂—22的溶水性大于氟利昂—l2，工作时发生冰塞现象较少氟利昂—22，目前在我国应用于中、小型，自动化程度较高的制冷系统中，大型冷库(万吨库)也有采用2、载冷剂常用的载冷剂是氯化钠、氯化钙盐水，其冷却系统见图盐水在制冷机蒸发器中，将热量传送给制冷剂而被冷却，由盐水泵送到冷库中，吸收热量受热后的盐水返回蒸发器循环使用乳品厂冷却牛乳的冷排中，一般都用盐水，以防氨的渗漏而使牛乳有异味。

制冰及棒冰多用盐水冷却，将盛有水或棒冰料液的金属模桶，放在低温(-10℃ 以下)盐水中，很快就冻结成冰 食品上，有时用冷水、冰或冰盐来进行冷却或保藏食品用冰冷却只能达到零度，如果要将物料降低到0℃ 以下，则可采用冰盐混合物，冰中加盐后，其混合物的融点要降低 空气或水是最便宜和容易获得的载冷剂空气的缺点是热容量大小水的热容量虽大，但水的凝固点高，只能在0℃以上使用在0℃以下，都采用盐水作为载冷剂 工业上一般都采用氯化钠(NaCl)，氯化钙(CaCl2)，氯化镁 (MgCl2) 等调制盐水氯化钠盐水共晶点为－21.2℃，此时密度为1170 Kg/m3 氯化钙盐水共晶点为－55℃ ，此时密度为1286Kg/m3盐水作为载冷剂，其缺点是对金属有强烈的腐蚀作用，造成盐水系统的设备需要经常更换在盐水中加抗腐剂或减少盐水与空气的接触，可以减弱盐水的腐蚀作用第二节 制冷压缩机一、压缩机分类制冷压缩机有活塞式、离心式、螺杆式及吸附式等多种其中活塞式使用最多，是对制冷剂压缩作功，获得能量，然后经冷凝、膨胀，形成能吸热的冷源我国已有中小型活塞式制冷压缩机系列产品国外活塞式制冷压缩机的发展是提高效率和能量。