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第七章:制冷第一节:概述一、制冷指从低温物体吸热并将其转移到环境介质中的过程，使物体降温并保持比环境介质温度更低的低温条件。二、分类（一）按制冷温度分：1、普通制冷：－150℃以上2、低温制冷：－150℃以下（二）按获得低温的方法不同，分为：1、蒸汽压缩式制冷2、吸收式制冷3、蒸汽喷射式制冷4、半导体制冷5、化学反应式制冷以下主要介绍蒸汽压缩式制冷三、制冷在食品加工中的应用1、冷冻保藏2、速冻食品的生产3、冷饮食品的生产4、冷冻干燥技术5、酒类低温发酵等等第二节：制冷技术的理论基本一、制冷操作的实质借助制冷剂把低温物体中的热量送到温度较高的环境中去。必须消耗一定的外界能量。二、蒸汽压缩制冷指在消耗外功的条件下，借助制冷剂，通过压缩、冷凝、膨胀、蒸发等过程的交替循环来实现制冷目的。三、卡诺循环与逆卡诺循环卡诺循环，即将热量转化成机械功的循环是正循环。逆卡诺循环是一种消耗功的循环。在温－熵图或压－焓图上，循环的各个过程都是依此按逆时针方向变化的。逆卡诺循环是压缩制冷的物理基础，由两个可逆的等温过程和两个绝热等熵过程组成，是评价实际循环效率高低的标准。但工业上不能实现。理想压缩制冷循环特点四个基本设备：压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器12绝热压缩pT23等温压缩向环境放热，S34绝热膨胀TT1（膨胀阀）41等温膨胀TT1理想化处理：①无阻；②绝热;③可逆；四、单级蒸气实际压缩制冷循环①制冷剂经压缩机压缩后成为高压高温过热气体（1→2）；②进入冷凝器被冷却、冷凝、过冷为过冷液体（2→3）,向环境放热；③然后进入节流装置如膨胀阀后降温降压为液体（3→4）；④部分液体闪蒸成蒸气，这些气液两相的混合物进入蒸发器，从冷物体吸热蒸发成饱和蒸气（4→1）后回到压缩机重新被压缩。从而完成一个循环。膨胀阀3冷凝器水2压缩机等熵等压、等温等焓4蒸发器冷媒1空气五、多级压缩蒸气制冷循环（一）采用多级压缩蒸气制冷循环的原因对于更低温度的要求，单级压缩将会遇到很大困难。在冷凝温度一定的条件下，蒸发温度越低，其循环的压缩比越大，压缩比的增大会给制冷循环的运行带来一系列的问题。具体如下：1、循环的压缩比越大，压缩机制冷因数越小，压缩机的制冷量也越小；2、循环的压缩比越大，则会使实际压缩过程更偏离等熵压缩过程，不可逆损失增大；3、循环的压缩比越大，引起压缩机排温升高、效率降低、功耗增大；4、循环的压缩比越大，甚至会造成系统内制冷剂和润滑油分解，运转条件恶化，危害压缩机的正常工作。单级压缩蒸气制冷循环压缩比一般不超过8～10。氨因为绝热指数比氟利昂要大，我国规定氨的单级压缩比最大不允许超过8，而氟利昂不允许超过10。因此，不同冷凝温度下，在允许压缩比范围的最大值时，常用的中温制冷剂一般只能获得-20～-40℃的低温。（二）两级压缩制冷循环的组成一次节流：一次节流循环是将冷凝压力pk下的制冷剂液体，直接节流到蒸发压力p0，由于压差较大，易实现远距离和向高处供液，而且调节也很方便，故应用较广。两次节流：两次节流循环则是先将pk下的制冷剂液体节流到中间压力pm，然后再次节流到P0，实际工程应用并不多。两级压缩一次节流中间不完全冷却循环两级压缩一次节流中间不完全冷却循环由低压级压缩机、高压级压缩机、冷凝器、中间冷却器、节流阀、蒸发器和回热器组成。图4两级压缩一次节流中间不完全冷却循环A—高压级压缩机B—低压级压缩机C—冷凝器D—蒸发器E—中间冷却器F—回热器第三节:制冷剂与载冷剂一、制冷剂（冷冻剂）（一）概念：是在制冷系统中循环流动，通过其状态变化来传递能量，从而实现制冷循环的工作物质。（二）制冷剂的发展史乙醚1834年查尔斯·泰勒（CharlesTellier)二甲基乙醚拉乌尔·皮克特（RaulPictel）SO21874年混合制冷剂二十世纪五六十年代卡特·林德（CarlLinde)NH31870年威德豪森（Windhausen）CO21866年汤姆斯·米杰里（ThomasMidgley）卤代烃1929-1930年（三）对制冷剂的要求1、汽化热大；2、冷凝压力不应过高；3、沸点适当；4、凝固点低，临界温度高；5、比体积小，黏度小，密度小。6、安全性高；7、价廉易得。（四）常用的制冷剂1、氟利昂饱和烃的卤素取代物的总称。（1）特点优点：无臭、无味、不易燃、不易爆。缺点：有些种类破坏臭氧层，产生温室效应；与水和氧气混合会产生光气，对人体有害。1974年，美国加利福尼亚大学的罗兰教授和他的博士后莫利纳在“自然”杂志上发表文章，指出：卤代烃在紫外线作用下会释放出氯离子，而氯离子会消耗地球周围热成层中的臭氧（Ozone,O3），而使过量的太阳紫外线照射到地面，给地球上的生物和人类带来一系列的危害。为此，瑞典皇家科学院将1995年的诺贝尔化学奖授予这两位化学家。（2）主要类型①CFC（CFCs）：含氯，常用于冰箱制冷，对臭氧层破坏最大；②HCFC（HCFCs）：含氢和氯，常用于空调、冷库制冷，对臭氧层破坏次之；③HFC（HFCs）：含氢无氯，对臭氧层无破坏，“绿色”环保。附表1：氟利昂制冷剂的命名《蒙特利尔议定书》1、对CFCs，包括CFC11、CFCl2，CFCll3、CFCll4、CFCll5等氯氟烃物质：（1）对发达国家，规定从1996年1月1日起完全停止生产与消费；（2）对发展中国家（CFCs人均消耗量小于0.3kg/年），最后停用的日期是2010年。2、对HCFCs，包括HCHC22、HCFCl42b、HCFCl23等：（1）对发达国家，从1996年起冻结生产量，2004年开始削减，至2020年完全停用；（2）对发展中国家，从2016年开始冻结生产量，2040年完全停用。2、氨（1）特点优点：具良好的热力学性质和热物理性质，价格低廉，易于获得。缺点：具刺激性气味和腐蚀性，易燃、易爆，对人体有毒性。（2）应用领域示例乳制品企业鲜乳冷却、汽水低温混合、食品工业冷库等。二、载冷剂（冷媒）（一）概念：是用于将制冷系统产生的热量传递给被冷却物体的中间介质。用于“间接制冷”直接制冷：利用制冷剂的蒸发直接吸收被冷却物体的热量，使其冷却到所需温度。间接制冷：当蒸发器距冷冻机较远时，利用载冷剂将制冷剂在制冷系统产生的冷量传递给被冷却物体。（二）主要类型1、水：用于蒸发温度为0℃以上的制冷装置。2、盐水：常用氯化钠水溶液和氯化钙水溶液。其中氯化钠水溶液因无毒，在食品行业应用广泛。3、有机物载冷剂：常用乙醇、乙二醇和丙二醇水溶液，性能良好，但价格相对较高。丙二醇水溶液无毒，常用于啤酒发酵罐的制冷。啤酒发酵罐基本组成：压缩机、冷凝器、膨胀阀和冷却器，另有：油分离器、贮液器等。第四节:蒸汽压缩制冷设备和系统一、压缩机（一）作用：将制冷剂压缩为高温高压过热蒸汽。（二）类型：主要有活塞式、离心式和旋转式压缩机，其中活塞式压缩机使用较广。（三）活塞式压缩机1、原理：类似于活塞泵，依靠活塞往复运动，完成吸气、压缩、排气，可采用多缸压缩。其工作过程见附件2、构造：见附图1附图：往复式压缩机3、压缩机型号的意义：如4FV10表示四缸、氟利昂制冷剂、V型、汽缸直径为10厘米的压缩机。（三）离心式压缩机：原理与离心鼓风机相同，低压大流量，一般采用多级压缩。（四）旋转制冷式压缩机：中压小流量，常用于小型制冷机，螺杆式、转子式居多，如冰箱中的转子压缩机。二、冷凝器（一）作用：在冷凝器中，制冷剂放热冷却冷凝为液体，并将热量经间壁交换给空气或水等冷流体。（二）类型：分为水冷式、空冷式、蒸发式三类。1、水冷式：常用卧式或立式壳管式冷凝器。其原理图见附件2、空冷式：一般是蛇管式，制冷剂蒸汽在管内冷凝，空气在风机作用下横向流过管外。主要用于中小型氟利昂制冷机。3、蒸发式：一般是蛇管式冷凝器是一种换热器。三、膨胀阀（一）作用：又名节流阀，可以使制冷剂降压和控制其流量。（二）原理：高压液态制冷剂被迫通过节流小孔，冷凝压力骤降至蒸发压力，液体制冷剂沸腾吸热气化进入湿气状态，同时温度降低。（三）类型：分为人工调节阀和自动膨胀阀。生产中常用自动膨胀阀。四、蒸发器（一）作用：使低温低压的制冷剂沸腾，以吸收被冷却物体的热量，进行制冷。（二）类型：分为直接冷却式和间接冷却式。1、直接冷却式蒸发器：主要有盘管式、翅片管式和板式蒸发器。2、间接冷却式蒸发器：主要有立管式和卧式壳管式蒸发器。（见附件）冷凝器也是一种换热器。第五节：食品冷冻一、食品冷冻基本理论略二、食品冷冻设备1、非直接接触式2、直接接触式附图1：单体速冻机结构图附图2：SSD系列LN2／LCO2速冻装置