21t 第3章 食品系列数材 食品冷冻技术 本章的学习目的与要求 学习本章内容，学生初步掌握食品工业中的制冷技术原理 和食品冷冻冷藏相关知识，可完成食品冷冻冷藏工艺设计和管 理工作。要求学生掌握必要的相关热力学基础知识；掌握卡诺 循环、逆卡诺循环、制冷量及制冷系数的基本概念；掌握一般 制冷原理和制冷方法；熟悉食品冷冻加工中的各种技术原理和 相关计算方法；熟悉食品冷藏链的构成和冷库冷量的计算方 法
第3章食品冷冻技术189 制冷技术基本原理 1.1制冷技术在食品工业中的应用 冷冻是利用制冷技术产生的低温源使产品从常温冷却降温，进而冻结的操作 过程，因此它包括了制冷和食品冷冻两个部分。 从低于环境温度的物体中吸取热量，并将其转移给环境介质的过程称为制 冷。实现制冷所必需的机器称为制冷机。制冷技术就是利用制冷机，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 在热力学的基础之上的，是现代食品工程的重要基础技术之一。 一般而言，冷冻温度范围在一100℃以内的称为一般冷冻，而在一100℃以 下的称为深度冷冻或低温冷冻。食品工业上冷冻应用的温度范围通常在一1O0℃ 以上，属于一般冷冻的范围。 冷冻技术在食品工业中的应用相当广泛，归纳起来主要表现为以下4个方 面：①用于冷冻制品、速冻制品的加工；②用于食品的储藏；③用做食品加工的 特殊方法，如冷冻浓缩、冷冻干燥等；④用于生产车间的空气调节等。罐头厂 乳品厂、蛋品厂、糖果冷饮厂等食品工厂，几乎都设有冷冻机房及冷裁 库。 作为食品加工手段，冷冻储藏可较好地保持食品原有的色、香、味，防止食 品腐败，延长食品的保存期限，从而减少消耗。由于保存时间较长，能很好地解 决淡旺季时食品供求之间的矛盾，使产、销、加地区之间能有机地联系起 来。 目前，我国食品冷冻加工和速冻已形成一个独立的工业部门，正在迅速发 展。在食品发酵工业中广泛应用。如啤酒厂的前发酵、后发酵、糖化液降温、啤 酒的过滤、味精厂发酵、等电点池降温、酵母厂高活性酵母发酵降温、果酒车间 降温。肉类、水产的速冻，早已具有相当规模，果蔬的速冻在很多工厂已大批生 产，正在逐步形成独立完整的工业企业
190食品工程原理 1.2制冷基本概念、原理与方法 1.2.1制冷技术的热力学基础及基本概念 (1)卡诺循环及逆卡诺循环进行卡诺循环除了要有热机外，还应有一个温 度恒定为Tc的高温热源和一个温度恒定为TN的低温热源。卡诺循环由两个可 逆定温过程和两个绝热过程所组成，即定温膨胀过程、定熵膨胀过程、定温压缩 过程、定熵压缩过程。卡诺循环是一种理想的可逆循环，在热力学中具有重要的 理论意义，对提高各种热力发动机的热效率指明了方向。 逆卡诺循环，又称制冷循环，是制冷技术的物理基础。它也是由两个等温过 程和两个绝热过程所组成，但这个循环在压容图或温熵图上的方向与卡诺循环相 反，如图3-1所示：①工质首先沿等熵线做绝热压缩，此时压力由p1升至p2 温度从T、升至Tc;②绝热压缩后的工质，再沿等温线2一3做等温压缩，此时 嫡值减少，压力再次从p2升至3；③等温压缩后的工质再沿等熵线3一4做绝 热膨胀，此时压力下降至p4,温度降至绝热压缩前的温度T、；④最后沿等温线 4一1做等温膨胀，此时，其熵值又复增加，压力下降至1，恢复原状，完成 个逆卡诺循环。这4个过程均为可逆，所以它是一个理想的循环，但在工业生产 上是不可能实现的。因为在实际的制冷循环中，不仅压缩和膨胀不可能是绝热过 程（即不可能实现没有摩擦损失的定熵过程），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（实际上无法实现没有温差的等温传热过程）。但理想循环可 作为实际制冷循环完善程度的比较标准。 +V (1)pV图 (2)TS图 图3-1逆卡诺循环压容图和温熵图
第3章食品冷冻技术191 (2)制冷过程制冷的任务是将被冷却物体中的热量移向周围介质（水或空 气)，使物体温度降低，且低于周围介质的温度，并能保持一定的温度。通常热 量是常从高温物体传向低温物体，但制冷过程可使热量从低温物体传向高温物 体，这个过程需消耗能量。制冷剂在制冷机中循环，周期性地从被冷却物体中取 得热量，并传递给周围介质，同时制冷剂也完成了状态的循环，实现这个循环必 须消耗能量。 压缩式制冷机的制冷过程分为压 压缩机 缩、冷凝、膨胀、蒸发4个阶段，如图 3-2所示。 等熵 系统中的制冷剂在低温低压液体状 态时吸热达到沸点后蒸发成为低温低压 蒸汽，被压缩机吸入压缩成为高温高压 气体，此高温高压气体在冷凝器内冷凝 后成为高压液体，高压液体经过膨胀阀 膨胀阀 后变成低温低压液体，再度吸热蒸发构 成了制冷机的制冷循环，从而使周围介 图32制冷过程简图 质的温度降低，这就是制冷过程。制冷机主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀 阀等构成。压缩机是制冷系统的作功单元。 (3)制冷量与制冷系数 ①制冷量：制冷量也称制冷能力，是任何制冷系统和制冷机产生的冷效 应，即在一定的操作条件（一定的制冷剂蒸发温度，冷凝温度，过冷温度）下， 单位时间制冷剂从被冷冻物取出的热量，以Q表示之，单位为W。由于制冷量 用W作为单位表示时，其数值甚高，故常用kW为单位来表示。在国外，制冷 量经常有用冷冻吨（简称冷吨，refrigeration ton,缩写R.T.)来表示，1冷吨相 当于24h内将1t0℃的水冷冻成同温度冰所放出的热量，但必须注意其国别， 如1美国冷吨=12660kJh=3.52kW,1日本冷吨=13900kJh=3.86 kW。 ②制冷系数：制冷系数是评价某具体制冷循环的一项经济性指标。对制冷机 而言，它是衡量制冷机工作的重要指标。它表示制冷循环中的制冷量Q与该循 环所需消耗的功率P之比，也就是指加入单位功时能从被冷冻物料取出的热量 数。理论推导逆卡诺循环的制冷系数为 TN E=TC-TN
192度品工程原理 即制冷系数只取决于高温热源Tc和低温热源T、的温度，与工质的性质无关， e随热、冷源的温差的减小而提高。 (4)制冷剂的压焓图在对常用的蒸汽压缩式制冷循环进行热力计算时，使 用最方便的是压焓图，即gph图，如图33所示。 1g p =常数 常数 数 7 图3-3制冷剂gp-h图 gph图以制冷剂的焙作为横坐标，以压力为纵坐标，但为了缩小图面，压 力采用对数分格（需要注意，从图上读取的仍是压力值，而不是压力的对数值）。 图上共绘制出制冷剂的6种状态参数线簇，即定焓(h),定压力（p),定温度 (T),定比容()，定熵(S)及定干度（x)线，如图3-3所示。在gph图 上还绘制饱和液体（x=0)线和干饱和蒸汽(x=1)线，两者汇合于临界点C。 饱和液体线与饱和蒸汽线将图面划分成3个区域：下界线(x=0)以左为过冷 液体（或未饱和液体）区，下界线与上界线(x=1)之间是湿蒸汽区，上界线 右侧是过热蒸汽区。各种制冷剂都可绘制出类似的压焓图。 1.2.2一般制冷方法 现代食品工业普遍采用人工制冷方法。在人工制冷法中以机械压缩循环制冷 法最为常用，此外，低温液化气制冷等非机械压缩制冷法在食品冷冻中也有一定 的地位。 (1)机械压缩制冷法 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，如图34所 示。空气首先在压缩机中绝热压缩至0.5一0.6MP,然后在等压下用冷水冷却
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