第七章 制冷与食品冷冻

临界点 K
S=c v=c
x=0 x=c
x=1
T=c h
典型区域：过冷液体区、 湿蒸汽区
湿蒸汽区、过热蒸汽区
过热蒸汽区
氨的压焓图
理论循环的假设
绝热工作(除蒸发器和膨胀器外) 饱和状态(压缩机吸入的是饱和气体, 进入膨胀阀的是饱
和液体，蒸发和冷凝过程温度是稳定的)
可逆过程(压缩机气缸没有摩擦、节流等损耗，气缸阀与
100.0 34.6 -0.5 -10.0 -33.3 -78.4 -26.16 -161.5
-195.8
临界压力 kPa
22103 3603 3794 7875 11417 7372 4067 4638
3396
0 -116.3 -138.5 -75.5 -77.7 -56.6 -96.6 -182.2


常用的制冷剂 NH3，SO2，CO2，Freon-11(CFCl3)，Freon12(CFCl2)，Freon-21(CHF2Cl)，…
一些常用制冷工质的物性
代号
R718 R610 R600 R764 R717 R744
名称
水 乙醚 丁烷 二氧化硫 氨 二氧化碳
正常沸点 冰点 临界温度 ℃ ℃ ℃
K 3 x=0
冷凝温度
2
4
蒸发温度
1 x=1 h
3 计算 (1) 单位制冷量(q)
单位质量(或容积)的制冷剂在蒸发器中吸收的热量，J/kg。
q h1 h4
(2) 制冷剂循环量(G)
lg p 3
k 2 1 x=1 h
单位时间内循环的制冷剂的流量。 x=0
Q Q G q h1 h4 kg / s
S
温熵图(T-S图)
卡诺循环：由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热
过程所组成的循环。
对外作功W：1-2-3-4-1所围面积 W = Q1 - Q2
W Q1 Q2 Q2 T2 热效率： Q Q 1 Q 1 T 1 1 1 1
p
1
Q1 T 1
2
4
Q2
T2
3 V
Q1(T1)越大，Q2 (T2)越小，热效率越高，它表明了热量的利用程度； 较理想的情况下热效率也只有60％。内燃机的效率最多为40％。
2—T=30 ℃和S=5.8(过1点的等熵线)的交点
30℃
3
2
-15℃
4
1
氨的压焓图
lg p
(2) 计算 ① 单位制冷量
q h1 h4 1740 640 1100 （ kJ / kg ）
x=0
3 qv q / v1 1100 / 0.51 2.16 10（ kJ / m3）
(4) 压缩机的功率(W)
压缩机的理论压缩功： W = h2－h1 = 1975-1740= 235 (kJ/kg) 压缩机的理论压缩功率：
P GW G ( h2 h1 ) 0.106 235 24 .91 （ kW ）
P实际 24.91 35.59 （kW） 0.7 P
80 60 40 20 0 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 温度 /℃
表面
中间
中心
时间/t
冻结率与温度的关系(青豌豆)
冰晶尺寸对食品品质的影响
降温速度 冰晶特性 组织结构 快速降温 细小 保持原有结构 缓慢降温 粗大 松散多孔结构
冻结过程的控制
保持原有结构
快速降温。果蔬、肉制品等速冻食品、……
食品冷冻设备
一、食品冷冻的过程
1 冻结曲线
温度/℃
三点
A：初始冻结点Tc(<0) B：冰点Tf(=0) C：完全冻结点Tg(=0) C
B
四区
液态区 固液共存区
1区:液固相转变,T↑ 2区:液固相转变,恒温
过冷度
0
A
冻结时间/t
固态区 固态 冻结：相转变 冰晶的形成与成长 成核：杂质、振动… 成长：温度、浓度… 冻结平台
k 3
30℃
2
4 -15℃ 1 x=1 h
② 制冷剂循环量
Q 116.3 G 0.106(kg/s ) q 1100
G v qv 1 1100 0.51 0.054(m /s)
3
(3) 制冷剂的放热量(Q放)
Q放 G ( h2 h3 ) 0.106 (1975 640 ) 141 .（ 5 W）
栽冷剂 制冷剂
三、蒸汽压缩式制冷的热力学计算
1 压焓图(莫里哀mollier图)
横坐标：比焓h，纵坐标：lgp (对数坐标) 各点均代表制冷剂的一种热力学状态。
典型线条
等压线,等焓线 等温线(T = c) 等比容线(v = c) 等熵线(S = c) 等干度线(x = c)
lgp 过冷 液体 区
速冻
新鲜草莓 冷冻 冻结保存后的草莓
⑤ 影响水分冻结率的因素 一切影响冻结曲线的因素(成分组成、大分 子结构、温度等) 海斯(Heiss)公式： ——水分冻结率与温度的关系
1
Tf Te
Tf、Te — 冻结点、冻结终了温度，℃。
(2) 食品物性的变化 ① 密度ρ↓
1 1 1 1 ) wn
Principles of Food Engineering
华中农业大学食品工程教研室
赵思明，刘友明，熊善柏，刘茹
内容提要
1. 制冷的基本原理与方法 2. 食品冷冻
基本要求
了解制冷的基本原理 掌握食品冷冻的理论基础 了解食品冷冻设备
第一节 制冷
概念
从低温物体吸热并将其转移到环境介质中的单元操作。
(5) 制冷系数
理论制冷系数：
q 1100 4.68 W 235
Q 116.3 实际制冷系数： 3.27 实际 P实际 35.59
第二节 食品冷冻
食品冷冻是通过制冷系统产生的冷量使食品温 度降低的单元操作，分为冷藏和冻藏。 食品冷冻的理论基础 食品冻结过程 冻结时间 冻结速率 空气冻结设备 间接接触式冻结设备 直接接触式冻结设备
热机循环
一、制冷技术热力学基础
1 卡诺循环
熵(S):热能除以温度的商，
p,T,V 标志热量转化为功的程度。
循环过程
①1→2 恒温膨胀(吸热Q1) ②2→3 绝热膨胀 ③3→4 恒温压缩(放热Q2) ④4→1 绝热压缩
p
1 T1 4 T2 压容图(p-V图) 2
T T1
3T2 V
1
Q1
2
W
4
Q2 3
液态
Fra Baidu bibliotek
固液共存
水的冻结曲线 过冷度=Tf-Tc
食品的冻结曲线
温度/℃ 食品=水(水溶液)+ 固形物，结合水 Tc食<Tc水，Tf食<Tf水，Tg食<Tg水 有些食品的过冷度很小，Tc≈Tf 非等温结冰，平台不明显
水结冰→未结冰部分浓度↑→Tf↓
0 水 食品
很低的温度仍有自由水 冰温区(0~Tf)，冰温储藏
影响冻结曲线的因素 (1) 组成成分 (2) 大分子结构 (3) 环境
极性基团、空间结构、……
冻结时间
含水量、蛋白质、脂肪、糖、水溶性成份、……
温度、振动、……
2 冻结对食品的影响 (1) 组织结构的变化
① 细胞结构的变化
冻结时：胞外先结冰，
平衡破坏，由于渗透压，
冻结前：细胞内
外水分分布平衡
水分重新分配，…
冻结和解冻的不可逆过程→品质下降 (持水能力、黏弹性、体积↓……)
冰晶
水和冰的空间结构
② 大分子空间结构变化 分子链刚性增大，蛋白质变性，持水能力下降等 质构的变化：
新鲜豆腐
冻豆腐
③ 干耗 由于持水能力下降、水分蒸发造成的质量减 少。
qm A( p f pa )
qm —单位时间内的干耗量，(kg/h)
k
解：(1)确定状态点 在氨的lgp-h图中定出点： 1—T=-15 ℃和x=1的交点 3—T=30 ℃和x=0的交点 4—T=-15 ℃与过3点的等熵线的交点 读出 h1=1740kJ/kg、 h2=1975kJ/kg h3=h4=640kJ/kg、 v1=0.51m3/kg
x=0
3
30℃
2
4 -15℃ 1 x=1 h
应用
冷冻和速冻食品的加工 食品储藏 食品加工的手段，如冷冻浓缩、冷冻干燥等 空调
卡诺与卡诺循环 萨迪·卡诺(Sadi Carnot,1796—1832 )
法国物理学家，热力学的创始人。 提出了理想热机循环—卡诺循环。 热机：将热能转换为机械能的装置
热机循环表明： 外界向系统输入热量， 系统则对外界做功。
4
(3) 制冷剂的放热量(Q放)
Q放 Q冷却 Q冷凝 Q过冷 G (h2 h3 ) J/s
(4) 压缩机的功率(W)
压缩机的理论压缩功： W = h2－h1 ( kJ/kg制冷剂 )
lg p 3 4
k 2 1 x=1 h
压缩机的理论压缩功率：
x=0
P GW G (h2 h1 )
β —蒸发系数
A— 蒸发表面积，m2 Pf—食品表面的水蒸气分压 ( pa ) Pa —空气中的水蒸气分压 ( pa )
2 h Pa) Kg / ( m
④ 水分冻结率
mi mi muw
mi、 muw —冰、未冻水的质量
温度/℃
水分冻结率 /%
-1 -5
最大冰晶生成带： 水分冻结最多的温度区域(-1~100 5℃)。

1050 1030 1010 990 970 950 密 度 /(kg/m 3 )
解冻后：细胞
萎缩，持水能力 ↓，→汁液流失
细胞 细胞外水 细胞内水 冰晶
变质机理
冷胀热缩、冰晶体
积膨大、挤压
细胞破裂、变形
肌肉纤维束(细胞)
胞内水 胞外水
胞外水结冰； 渗透压失衡； 胞内水向外渗透
肌肉组织在冻结中 细胞外冰晶的成长 与细胞脱水过程
冰晶长大 冰晶长大 细胞脱水萎缩、破裂
卡诺循环定理：
热机必须工作在两个热源之间，且以可逆机效率最高 ； 热效率与工质无关，仅取决于热源的温度(温差越大，效率越高)。
否则将违反热力学第二定律。
2 逆卡诺循环
p
3 T1 4 2
T 3 T1
1
Q1 Q2
2
循环过程
T2
T2
4
1
W
S
压容图(p-V图) V
温熵图(T-S图)
① 1→2 绝热压缩，升温(T2 →T1) ② 2→3 恒温压缩，放热Q1 ③ 3→4 绝热膨胀，降温(T1 → T2) ④ 4→1 恒温膨胀，吸热Q2
P实际 P
J/s

为压缩机的效率
(5) 制冷系数（ε）
理论制冷系数：
q h1 h4 W h2 h1
lg p 3 4
k 2 1 x=1 h
实际制冷系数：
x=0
Q 实际 P实际
实际的制冷系数：制冷机的制冷量 与压缩机实际消耗的功率之比
例 . 某氨压缩制冷机，其制冷量为 116.3kW ，操作的 蒸 发 温 度 为 -15℃ ， 冷 凝 温 度 30℃ ， 压 缩 机 效 率 70%。试做制冷循环计算。 lg p
外界没有热交换，没有余隙容积)
管道无阻
2 确定状态点
由制冷量Q、冷凝温度、过冷温度、蒸发温度，在 lgp-h图上确定各状态点1、2、3、4参数。 lg p
在lgp-h图中定出点： 1—蒸发温度和x=1的交点 2—冷凝温度和过1点的等熵线的交点 3—冷凝温度和x=0的交点 4—蒸发温度与过3点的等熵的交点
工质从热源2吸热Q2，并和外功W一并向热源1放热Q1。
热效率： 制冷系数：

W T 1 2 Q1 T1 Q2 T2 W T1 T2
逆卡诺循环表明： 外界向系统做功，系统 则从外界吸收热量
p
3 T1 2
3 制冷过程
压缩机
4 T2 2
冷凝器
等熵
1 V
1
说明
红色:高温 绿色: 低温 单线: 液态 三线: 气态
Q1
等压 等熵
等压
Q2 蒸发器
3
4
膨胀器
制冷循环原理(机 械压缩制冷)
二、制冷剂和载冷剂
1 制冷剂

定义：在制冷装置中，通过相态变化，不断循环
产生冷效应的物质称为制冷剂，也叫制冷工质。 制冷剂应具备的性质
沸点低、凝固点(露点)低； 比热容小、气化潜热大、热导率和传热系数高； 黏度和相对密度小。
获得松散多孔结构
缓慢降温。真空油炸、冷冻干燥(复水速度快)、……
表
通过 0～ 5℃ 的时间 数秒 1.5 分 40 分 90 分
冻结速度与冰晶形状之间的关系
冰 位置 细胞内 细胞内 细胞内 细胞外 形状 针状 杆状 柱状 块粒状 晶 数量 极多 多数 少数 少数 大小 (直径 长度 ) m 1 5 5 10 20 20 50 100 100 50 200 200
-210
374.2 194.0 152.0 157.5 133.0 31.1 101.1 -82.5
-146.9
R134a 四氟乙烷 R50 甲烷
R728 氮
2 载冷剂 载冷剂又叫冷媒，是用于间接制冷系统中，将制 冷系统产生的冷量传给被冷却物体的中间介质。 常用载冷剂 空气 水 盐溶液 有机溶剂(乙醇等)