第7章 冷冻

（1 + H） kg湿空气具有的热量（kJ/kg）。 湿空气的比热（kJ/kg· K）： C C HC 1.01 1.88H
H d v
湿空气的焓：
h CdT (v h CvT ) H (1.01 1.88H )T 2500H
h f (H ,T )
二、湿空气状态参数的确定 由上知，
1、单位制冷量 Qm =h1 －h4 2、制冷剂循环量qm Φ0 = Qm qm 3、 制冷剂放热量
Qv =Qm/v0 qm = Φ0 / Qm 冷却水量
C qm (h2 h4' )
4、压缩机功率P
5、制冷因数
（例7—1）
C qvC CP (T2 T1 )
P= Pt/η
' '' '' C C C C' qm (h2 h3 ) qm (h3 h4 ) qm (h4 h4' )
因此实际制冷循环过程：压缩1’→ 2‘ ；冷却冷凝2’→3 → 4→ 4‘；节流膨胀4’→5 ‘；蒸发过程为5’ → 1‘。
二、蒸汽压缩式制冷过程的计算
已知条件：制冷量Φ0 （kW），冷凝温度或过热温度TC，蒸发温度Te 。 计算内容：制冷剂量qm（kg/s）、qv（m3/s），压缩机功率P，冷却水量qvC。 计算方法：在 ln p～h图上确定循环过程和各点，然后查相应参数计算。
wt = h2 － h1
Pt = qm wt
实际
理论
Qm h1 h4 t wt h2 h1
0 P
三、蒸汽压缩式制冷设备和系统
1、压缩机 2、冷凝器 3、膨胀阀 4、蒸发器 5、蒸汽压缩式制冷系统
第三节 食品冷冻
T
一、食品冷冻的理论基础
1、水冻结的温度曲线
随温度下降：①降到冰点0℃ ； ②过冷形成冰晶；③相变回复到冰点； ④在冰点下冻结；⑤全部冻结后温度下降
二、一般的制冷方法（机械制冷方法） 蒸汽压缩式制冷；吸收式制冷；蒸汽喷射式制冷。
第二节
蒸汽压缩式制冷
lnp
T K v S x
一、蒸汽压缩式制冷循环
1、压焓图（ln p～h图，Mollier图） 点表示物系的一个状态，线代表某参数保 持恒定的过程。 （1）饱和曲线 由饱和液体曲线（左支） 和饱和蒸汽曲线 （右支）构成，中间区域为 气液两相共存区（湿蒸汽状态）；K为临界点，
2、浸渍冻结法和液化气冻结法
浸渍冻结法是将食品用传送带输送，浸在低温不冻液（冷冻盐水、乙二 醇50%水溶液、丙二醇50%水溶液）中冻结。对流传热系数大，时间短。 液化气冻结法是用液化气（液氮、液态二氧化碳）作冷冻介质，一般在 -73 ℃以下。直接将液化气喷向食品，设备简单，冻结速度快，成本高。
3、非接触式冻结法 食品与冷冻介质被隔开不接触，冻结设备有：
易测定，但 H 难以直接测定需采用间接方法，故定义了另外几个温度。
1、干球温度T 用普通温度计直接测得的温度，为湿空气的真实温度。 2、湿球温度TW 将湿球温度计（感温球保持润湿时的普通温度计）置
于湿空气中测得的温度，为湿空气的湿球温度 TW 。 由于达到稳定时， A(T T ) k H A( H S H )v h W
W
Q1 Q2
T1 T2
2、制冷剂（利用聚集态的改变转移热量的物质）
（1）基本要求： ①汽化热大；②蒸汽密度大；③蒸汽压适中；④Tc高，
Tf低；⑤μ低，λ大；⑥化学稳定性好，安全价廉。
（2）常用的制冷剂： ①氟利昂（Freon）
是饱和碳氢化合物的卤族元素衍生物总称，按 其组成分为含氯的氟化碳（CFC）、含氢和氯的氟化碳（HCFC）、含氢 无氯的氟化碳（HFC）。广泛使用，但某些对臭氧层有破坏禁用。
第七章
冷冻
定义：使物质（体系）温度降到环境温度以下的操作过程称为冷冻。 原理：利用制冷剂物理状态改变时，从低温吸热并将热转移到环境介质中。 分类：一般制冷（＞120K）和深度制冷（≤120K）。 应用：冷冻食品的加工、储藏和运输。
第一节 制冷技术的理论基础
一、制冷的基本概念
热量不能自动地由低温传向高温，若使热量从低温体传向高温体，须 向系统作功或加入能量。人工制冷方法就是以消耗机械能为代价，通过向 制冷剂作净功将热量从低温体送到高温体需的热量。 1、卡诺循环和逆卡诺循环 卡诺循环过程为: ①等温可逆膨胀； ②绝热可逆膨胀； ③等温可逆压缩； ④绝热可逆压缩。
分子通式： Cm Hn Clx Fy Brz 编号： R + （m－1）（n+1）（y）B（z） ②氨（NH3） 汽化热大，沸点低，常用，但有毒易燃安全性差。
按GB7778—1987规定，无机化合物制冷剂的编号为700+分子量， 氨为R717。
3、载冷剂
制冷循环中，制冷剂与被冷物在蒸发器中进行热交换为直接制冷。若 需低温的车间多，采用间接制冷（即在制冷装置中把一种价值低的物质冷 冻，然后送到需低温的车间，在制冷系统的蒸发器和冷排间进行循环，载 冷剂）。
压缩机
冷凝器
蒸发器
冷库
膨胀阀
载冷剂
载冷剂要求： ①比热大；②凝固点低；③具有化学稳定性，安全价廉。 常用的载冷剂： （1）水 比热大，但冰点高，仅用于制取0℃以上时采用； （2）空气 比热小，仅用于直接冷却时采用； （3）冷冻盐水 NaCl 和 CaCl2的水溶液，价廉无毒，传热性能好，用于制
取 -20℃以下时使用，对金属有腐蚀性； （4）有机物 乙醇、乙二醇、丙二醇等，无毒，传热性能好，用于制取 -35℃以下时使用，对金属无腐蚀性，但价格较贵。
x=0 x
左侧为液相区，各点呈过冷液体状态； h 右侧为气相区，各点呈过热蒸汽状态（共5种状态）。 x=1 （2）等温线群 表示同一温度但压强、比容等不同的 各状态点连成的折线（为垂线——水平线——近似垂线）。 （3）等熵线群 熵相等的各点连成的曲线。 （4）等比容线群 比容相等的各点连成的曲线 （5）等干度线群 干度（x=蒸汽质量/混合物质量）相等的点连成的曲线。
2、相对湿度
mv pv 18 H md 29 P pv
pv H 0.622 P pv
pv 总压一定湿空气中水蒸气分压与 100% 同温度下饱和蒸汽压之比。 ps 用于衡量湿空气偏离饱和的程度， 反映其吸湿能力大小。对干空气 =0；饱和空气 =100%

由此可得：
过程分析：循环过程制冷剂从环境中取走热量，转移到冷却水中 过程的关键①进入冷凝器前，制冷剂经压缩温度超过冷却水的温 度，热量从制冷剂传给了冷却水；②进入蒸发器前，制冷剂 经膨胀温度低于环境温度，热量从环境传给了制冷剂。 过程遵循热量自动从高温传给低温原则。循环时蒸汽压缩 需功＞蒸汽膨胀功，要由外部向制冷剂作净功。 在逆卡诺循环图上， 1→2为绝热可逆压缩，过程等熵，温度由T2→T1 ； 2→3为等温可逆压缩，过程熵减少，向T1 的热源放热Q1 ； 3→4为绝热可逆膨胀，过程等熵，温度由T1→T2 ； 4→1为等温可逆膨胀，过程熵增加，从T2 的热源吸热Q2 。 评价其经济性的 Q2 Q2 T2 i 指标用制冷因数：
3、冰晶的形成和共晶温度
食品的冰点是其中很小部分水刚开始结冰且和周围水处于平衡态的温 度。水结成冰晶，首先形成晶核，然后随水量减少溶质晶体和冰晶一起析 出，称为共晶温度现象，对应温度为共晶温度。
4、冻结对食品的影响
（1）物性变化 ①密度减小；②内压增加；③比热降低；④导热系数增大。 （2）质构变化 冻结时细胞中的水向冰晶体迁移，组织结构破坏。
ps H 0.622 P ps
f (T , H )
3、湿空气的比容vH 单位质量干空气（1+H ）对应湿空气体积（m3/kg）
1 H RT 1 H RT vH ( ) ( ) Md Mv P 29 18 P
1 H 湿空气的密度： vH
4、湿空气的焓h
(vH ) f ( H , T )
冷凝器
蒸发器
3
膨胀阀
4
理想制冷循环过程为： （1）绝热可逆压缩过程1→2：将蒸发器送出的制冷剂 湿蒸汽压缩为饱和蒸汽，压缩机作功W。目的使低压 低温的蒸汽提高温度和压强，便于冷凝。 （2）等温可逆压缩过程2→3：将饱和蒸汽在冷凝器中 冷凝为饱和液体，过程放热Q1。目的使制冷剂发生相 变，将来能够吸热。 （3）绝热可逆膨胀过程3→4：将饱和液体减压为汽液 混合物，过程不作功。目的使饱和液体温度降低，利 于吸热。 （4）等温可逆膨胀过程4→1：将汽液混合物在蒸发器 中进行等温等压蒸发，过程向环境吸热Q2。目的制冷。
7、冻结食品的储藏
一般以-18℃为宜，并且防止温度波动。
二、食品冷冻方法与装置
1、空气冻结法
以空气为载冷剂接受冷量，传给与它接触的食品。 ①静止空气冻结法 靠空气自然对流冻结，速度慢，如冰箱、冷库； ②送风空气冻结法 冷风在-35 ～-40℃，靠空气强制对流冻结，流向与食 品可并逆向、垂直流过，速度快，如传送带式、螺旋带式、隧道式； ③流化床速冻法 速冻效果好，用于小单体产品，如青豌豆、肉丁等。
2、食品冻结的温度曲线
t
随温度下降：①降到冰点Tf＜0℃以下过冷到TB形成冰晶（A→B）， （TB－Tf）称为过冷度；③相变放热回复到冰点Tf （B→C） ；④随水量 减少温度下降（C→D）；⑤溶质开始析出晶体释放结晶热温度稍有回升 （D→E）；⑥食品冻结温度下降，至F 点全部冻结（E→F）；⑦冻结食 品降温 （F→G）。
5、冻结时间 tf 指产生冰晶到形成共晶点的时间（C→F），
用Planck方程式进行估算：
tf
6、食品冻结速率
（1）冻结速率rf ： （K/s）
f h
T f TC
(
aL