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1、第三章第三章 食品冷冻技术食品冷冻技术本章的学习目的与要求n初步掌握食品工业中的制冷技术原理，掌握必要的相关热力学知识；n掌握食品冷冻冷藏装备和工艺设计；n熟悉食品冷藏链的构成和冷库冷量的计算方法。3-1制冷技术基本原理制冷技术基本原理q制冷的基本方法制冷的基本方法 1 使制冷工质降温的方法：使制冷工质降温的方法：绝热节流；绝热膨胀；半导体的热电效应；绝热节流；绝热膨胀；半导体的热电效应；涡流管；涡流管；绝热去磁绝热去磁；He3稀释等稀释等 2“吸热吸热”的方式：的方式：以以“潜热潜热”或或“显热显热”方式方式q制冷的基本循环制冷的基本循环-蒸汽压缩式蒸汽压缩式蒸汽压缩式制冷循环蒸汽压缩式制冷
2、循环 condenserevaporatorExpansionvalvecompressorPV图图n逆卡诺循环lnP-h图3-2 制冷工质的命名法制冷工质的命名法一、饱和碳氢化合物及其衍生物一、饱和碳氢化合物及其衍生物 R(a-1)(b+1)d二、非饱和碳氢化合物及其衍生物二、非饱和碳氢化合物及其衍生物 用4位数字，最左边的数字是1，其余同饱和碳氢化合物。三、环状化合物三、环状化合物 RCXXX RC(a-1)(b+1)d四、无机化合物四、无机化合物 R7XX 右边两位是该化合物的分子量五、共沸混合物五、共沸混合物 R5XX 如R500表示R12/R152a(73.8wt%,26.2wt%)
3、六、非共沸混合物六、非共沸混合物 R4XX 如R400为R12/R114七、其他有机混合物七、其他有机混合物 R6XX 如丁烷为R60制冷工质的命名法制冷工质的命名法一、氨的热力学性质一、氨的热力学性质 沸点：C 凝固点：C 临界温度和压力：133C,11417kPa 特点：单位体积制冷量大，热导率大，粘度小，流动阻力小。二、氨的化学性质：二、氨的化学性质：能以任意比例与水相溶解 在润滑油中的溶解度很小氨氨举例举例三、毒性、易爆性三、毒性、易爆性n具有强烈的刺激性气味n达到一定浓度时，将损伤人的眼睛、呼吸器官n在空气中氨的含量达到11-14%时，即可燃 表表4-5 饱和状态下氨的主要饱和状态下
4、氨的主要热物理性质热物理性质一、制冷工质的发展一、制冷工质的发展乙醚（1850）二氧化碳（1886）氨（1870）二氧化硫（1874）1930，CCl2F2(Freon12,F12)氟、氯、氢类制冷工质的分类：1）CFCS：Chlorofluorocarbons 2）HCFCS:HydroChlorofluorocarbons 3）HFCS:Hydrofluorocarbons二、评价物质对环境影响的二个重要指标二、评价物质对环境影响的二个重要指标：1 臭氧层消耗的潜能值(ODP Ozone Depletion Potential)2 全球变暖的潜能值 (GWP Global Warming
5、Potential)载冷剂的性质载冷剂的性质常用载冷剂：水、盐水、溶液和有机物溶常用载冷剂：水、盐水、溶液和有机物溶液液一、盐水的性质一、盐水的性质二、有机载冷剂的物理性质二、有机载冷剂的物理性质食品的冻结时间食品的冻结时间普朗克公式（普朗克公式（Plank Equation）：）：假设：假设：1）冻前温度均匀，且等于其初始冻结温）冻前温度均匀，且等于其初始冻结温度度 2）冻结过程中初始冻结温度不变；）冻结过程中初始冻结温度不变；3）导热系数冻结前后不变；）导热系数冻结前后不变；4）只计算水的相变潜热量，忽略冻结前）只计算水的相变潜热量，忽略冻结前后放出的显热量；后放出的显热量；5）冷却介质与
6、食品表面的对流传热系数）冷却介质与食品表面的对流传热系数不变不变 经过经过t后，每侧冻结层厚度后，每侧冻结层厚度为为x，在在dt内推进内推进dx，则则 dQ先通过先通过x厚的冻结层，厚的冻结层，再在表面以对流换热再在表面以对流换热 方式传给冷却介质：方式传给冷却介质：食品的冻结时间食品的冻结时间解得：解得：dxx 对直径为对直径为D的长圆柱和球状食品：的长圆柱和球状食品：食品的冻结时间食品的冻结时间通式通式食品的冻结时间食品的冻结时间P、R为形状系数为形状系数v大平板：大平板：P=1/2,R=1/8；v长圆柱：长圆柱：P=1/4,R=1/16；v球：球：P=1/6,R=1/24对方形或长方形食
7、品，设对方形或长方形食品，设abc,定义定义L=c,1=b/c,2=a/c,根据根据 1,2值，由图或表查值，由图或表查P,Rn若带有包装材料，则：若带有包装材料，则：食品的冻结时间食品的冻结时间3-3 食品冻结食品冻结空气冻结法空气冻结法 在冻结过程中，冷空气以自然对流或强制对在冻结过程中，冷空气以自然对流或强制对流的方式与食品换热。由于空气的导热性差，流的方式与食品换热。由于空气的导热性差，与食品间的换热系数小，故所需的冻结时间与食品间的换热系数小，故所需的冻结时间较长。但是，空气资源丰富，无任何毒副作较长。但是，空气资源丰富，无任何毒副作用，其热力性质早已为人们熟知，所以，用用，其热力性
8、质早已为人们熟知，所以，用空气作介质进行冻结仍是目前应用最广泛的空气作介质进行冻结仍是目前应用最广泛的一种冻结方法。一种冻结方法。空气冻结法空气冻结法送风式空气送风式空气冻结法冻结法半送风式空半送风式空气冻结法气冻结法静止空气冻静止空气冻结法结法静止空气冻结搁架排管静止空气冻结搁架排管特点：特点：结构简单，结构简单，功耗小功耗小劳动强度大，劳动强度大，环境差环境差融霜处理时融霜处理时间长，且麻间长，且麻烦烦半送风式冻结装置半送风式冻结装置冷藏库送风式冻结装置冷藏库送风式冻结装置送风式送风式冻结装置冻结装置往复振往复振动动斜槽式斜槽式吊蓝式吊蓝式连续冻连续冻结结推盘推盘式连式连续冻续冻结结传送传
9、送带式带式冻结冻结隧道隧道流态化流态化螺旋式螺旋式隧道式隧道式两段带两段带式式一段带一段带式式 隧道式冻结装置共同的特点是：冷空气在隧道隧道式冻结装置共同的特点是：冷空气在隧道中循环，食品通过隧道时被冻结。根据食品通中循环，食品通过隧道时被冻结。根据食品通过隧道的方式，可分为传送带式、吊篮式、推过隧道的方式，可分为传送带式、吊篮式、推盘式冻结隧道等几种。盘式冻结隧道等几种。传送带式冻结隧道传送带式冻结隧道(Conveyor Freezing Tunnel)吊篮式连续冻结隧道吊篮式连续冻结隧道 (continuous hanger Freezing Tunnel)推盘式连续冻结隧道推盘式连续冻结
10、隧道 (continuous pushing-tray Freezing Tunnel)隧道式冻结装置隧道式冻结装置特点特点:投资费用较低，通用性强；自动化程投资费用较低，通用性强；自动化程度较高度较高n吊篮式连续冻结隧道的特点是：机械吊篮式连续冻结隧道的特点是：机械化程度高，减轻了劳动强度，提高了化程度高，减轻了劳动强度，提高了生产效率；冻结速度快、冻品各部位生产效率；冻结速度快、冻品各部位降温均匀，色泽好，质量高。降温均匀，色泽好，质量高。n这种装置的主要缺点是结构不紧凑、这种装置的主要缺点是结构不紧凑、占地面积较大，风机耗能高，经济指占地面积较大，风机耗能高，经济指标差。标差。n吊篮式连
11、续冻结隧道目前主要用于冻吊篮式连续冻结隧道目前主要用于冻结家禽等食品。结家禽等食品。这种装置的主要由隔热隧道室、冷风这种装置的主要由隔热隧道室、冷风机、液压传动机构、货盘推进和提升设备机、液压传动机构、货盘推进和提升设备构成。构成。推盘式连续冻结隧道推盘式连续冻结隧道主要用于冻结果主要用于冻结果蔬、虾、肉类副食品和小包装食品等。蔬、虾、肉类副食品和小包装食品等。这种装置的特点是：连续生产，冻结这种装置的特点是：连续生产，冻结速度较快；构造简单、造价低；设备紧凑，速度较快；构造简单、造价低；设备紧凑，隧道空间利用较充分。隧道空间利用较充分。为了克服传送带式隧道冻结装置占地面积为了克服传送带式隧道
12、冻结装置占地面积大的缺点，可将传送带做成多层，由此出大的缺点，可将传送带做成多层，由此出现了螺旋式冻结装置。现了螺旋式冻结装置。这种装置由转筒、蒸发器、风机、传这种装置由转筒、蒸发器、风机、传送带及一些附属设备等组成。送带及一些附属设备等组成。螺旋式冻结装置也有多种型式，近几螺旋式冻结装置也有多种型式，近几年来，人们对传送带的结构、吹风方式等年来，人们对传送带的结构、吹风方式等进行了许多改进，进行了许多改进，1994年，美国约克公司年，美国约克公司改进吹风方式，并取得专利，如图所示。改进吹风方式，并取得专利，如图所示。螺旋式冻结装置螺旋式冻结装置1 1平平带带张张紧紧装装置置 2 2出出料料口
13、口 3 3转转筒筒 4 4翅翅片片蒸蒸发发器器 5 5分分隔隔气气流流通通道道的的顶顶板板6 6风风扇扇7 7控控制制板板 8 8液液压压装装置置 9 9进进料料口口1 10 0干干燥燥传传送送带带的的风风扇扇 1 11 1传传送送带带清清洗洗系系统统 图图 螺螺旋旋式式冻冻结结装装置置流态化冻结装置流态化冻结装置1.流态化基本原理流态化基本原理 及流化床的工作参数及流化床的工作参数2.流态化冻结装置的结构形式流态化冻结装置的结构形式 床层阻力是床层阻力是指气体流过床层的指气体流过床层的压力降压力降 p p。当气体当气体通过布风板向上吹通过布风板向上吹时，随着气流速度时，随着气流速度的增大，床
14、层将发的增大，床层将发生如图生如图9-109-10所示的所示的变化，相应的气流变化，相应的气流速度与速度与 p p的关系如的关系如图图9-119-11所示。所示。(1)固定床阶段：固定床阶段：A(2)流态化阶段：流态化阶段：B-D(3)输送阶段：输送阶段：E临界流化速度和操作速度临界流化速度和操作速度n根据根据A A G G 费根的研究，果蔬食品流化床的临界速度费根的研究，果蔬食品流化床的临界速度V Vk k与食品颗粒的质量呈抛物线关系，即与食品颗粒的质量呈抛物线关系，即而正常的操作速度为：而正常的操作速度为：式中式中 gp 为冻品单体的质量，单位为为冻品单体的质量，单位为g/个。个。不同食品
15、颗粒的单体质量不同，由操作速度的计不同食品颗粒的单体质量不同，由操作速度的计算式知，它们应在不同的风速下进行冻结。因此，要算式知，它们应在不同的风速下进行冻结。因此，要求风机应带有变速装置，以适应不同产品的要求；其求风机应带有变速装置，以适应不同产品的要求；其次，在冻结过程的不同阶段，应采用不同的风速。次，在冻结过程的不同阶段，应采用不同的风速。n 1212倍，换热强度比其他冻结装置的提高了倍，换热强度比其他冻结装置的提高了3030 4040倍，从而大大缩短了冻结时间。这种冻结方法已倍，从而大大缩短了冻结时间。这种冻结方法已被食品冷加工行业广泛采用。被食品冷加工行业广泛采用。n流态化冻结装置的
16、型式虽然多种多样，但在设计流态化冻结装置的型式虽然多种多样，但在设计和操作时，应主要考虑以下几个方面：冻品与布和操作时，应主要考虑以下几个方面：冻品与布风板、冻品与冻品之间不粘连结块；气流分布均风板、冻品与冻品之间不粘连结块；气流分布均匀，保证料层充分流化；风道阻力小，能耗低。匀，保证料层充分流化；风道阻力小，能耗低。另外，对风机的选择、冷风温度的确定、蒸发器另外，对风机的选择、冷风温度的确定、蒸发器的设计等也应以节能高效，操作方便为前提。的设计等也应以节能高效，操作方便为前提。间接接触冻结法间接接触冻结法间接冻结法指的是把食品放在由制冷剂间接冻结法指的是把食品放在由制冷剂(或载冷剂或载冷剂)
17、冷却的板、盘、带或其他冷壁冷却的板、盘、带或其他冷壁上，与冷壁直接接触，但与制冷剂上，与冷壁直接接触，但与制冷剂(或载冷或载冷剂剂)间接接触。对于固态食品，可将食品加间接接触。对于固态食品，可将食品加工为具有平坦表面的形状，使冷壁与食品工为具有平坦表面的形状，使冷壁与食品的一个或二个平面接触；对于液态食品，的一个或二个平面接触；对于液态食品，则用泵送方法使食品通过冷壁热交换器，则用泵送方法使食品通过冷壁热交换器，冻成半融状态。冻成半融状态。平板式冻结装置的特点平板式冻结装置的特点o对厚度小于对厚度小于50mm的食品来说，冻结快、干的食品来说，冻结快、干耗小，冻品质量高；耗小，冻品质量高；o在相
18、同的冻结温度下，它的蒸发温度可比吹在相同的冻结温度下，它的蒸发温度可比吹风式冻结装置提高风式冻结装置提高5 8，而且不用配置风，而且不用配置风机，电耗比吹风式减少机，电耗比吹风式减少30 50；o可在常温下工作，改善了劳动条件；可在常温下工作，改善了劳动条件；o占地少，节约了土建费用，建设周期也短。占地少，节约了土建费用，建设周期也短。o平板式冻结装置的缺点：厚度超过平板式冻结装置的缺点：厚度超过90mm以以上的食品不能使用；未实现自动化装卸的装上的食品不能使用；未实现自动化装卸的装置仍需较大的劳动强度。置仍需较大的劳动强度。使用平板冻结装置时，应注意使食品或使用平板冻结装置时，应注意使食品或
19、货盘都必须与平板接触良好，并控制好货盘都必须与平板接触良好，并控制好二者之间的接触压力。压力越大，平板二者之间的接触压力。压力越大，平板与食品的接触越好，传热系数越大。平与食品的接触越好，传热系数越大。平板与食品之间若接触不良，会产生很大板与食品之间若接触不良，会产生很大的接触热阻，冻结速度大为降低。的接触热阻，冻结速度大为降低。平板冻结装置应注意的问题平板冻结装置应注意的问题直接接触冻结法直接接触冻结法对冻结剂的要求对冻结剂的要求 直接接触冻结法由于要求食品与冻结剂直接接触冻结法由于要求食品与冻结剂直接接触，所以对冻结剂有一定的限制，特直接接触，所以对冻结剂有一定的限制，特别是与未包装的食品
20、接触时尤其如此。这些别是与未包装的食品接触时尤其如此。这些限制包括要求无毒、纯净、无异味和异样气限制包括要求无毒、纯净、无异味和异样气体、无外来色泽或漂白剂、不易燃、不易爆体、无外来色泽或漂白剂、不易燃、不易爆等。另外，冻结剂与食品接触后，不应改变等。另外，冻结剂与食品接触后，不应改变食品原有的成分和性质。食品原有的成分和性质。二二、载载冷冷剂剂接接触触冻冻结结载载冷冷剂剂经经制制冷冷系系统统降降温温后后与与食食品品接接触触，使使食食品品降降温温冻冻结结。常常用用的的载载冷冷剂剂有有盐盐水水、糖糖溶溶液液和和丙丙三三醇醇等等。低温液体冻结装置低温液体冻结装置v液氮冻结装置液氮冻结装置(Liqu
21、id Nitrogen Freezer)液氮冻结装置大致有浸渍式、喷淋式和液氮冻结装置大致有浸渍式、喷淋式和冷气循环式三种。冷气循环式三种。液氮喷淋冻结装置液氮喷淋冻结装置(Liquid Nitrogen Spraying Freezer)液氮浸渍冻结装置液氮浸渍冻结装置(Liquid Nitrogen Immersion Freezer)主 要 内 容食品冷藏链的组成食品冷藏链的组成我国食品冷藏链概况我国食品冷藏链概况食品冷藏库食品冷藏库冷藏运输冷藏运输冷藏柜和冰箱冷藏柜和冰箱食品冷藏链的组成食品冷藏链食品冷藏链(Cold Chain)Cold Chain)是指易腐食品在是指易腐食品在生产、
22、贮藏、运输、销售、直至消费前的生产、贮藏、运输、销售、直至消费前的各个环节中始终处于规定的低温环境下，各个环节中始终处于规定的低温环境下，以保证食品质量，减少食品损耗的一项系以保证食品质量，减少食品损耗的一项系统工程。统工程。食品冷藏链的分类食品冷藏链的分类 冷冻加工、冷冻贮藏、冷藏运输和冷冻冷冻加工、冷冻贮藏、冷藏运输和冷冻销售四个方面构成。销售四个方面构成。可分为固定的装置和流动的装置。可分为固定的装置和流动的装置。食品冷藏链的结构食品冷藏链的结构 食品冷藏链的结构食品冷藏链的结构食食品品原原料料冷冷冻冻加加工工冷冷冻冻贮贮藏藏冷冷冻冻运运输输冷冷冻冻贮贮藏藏冷冷冻冻运运货货冷冷冻冻贮贮藏
23、藏冷冷冻冻销销售售冷冷冻冻贮贮藏藏食食用用我国食品冷藏链概况T食品的冷冻加工食品的冷冻加工T冷冻冷藏运输冷冻冷藏运输T销售环节销售环节食品冷藏库o概述概述o冷藏库的组成与布置冷藏库的组成与布置o冷藏库的隔热与防潮冷藏库的隔热与防潮o冷藏库容量的计算冷藏库容量的计算o冷藏库冷负荷的计算冷藏库冷负荷的计算o冷负荷的估算方法冷负荷的估算方法o冷藏库库房的制冷工艺设计冷藏库库房的制冷工艺设计o装配式冷藏库装配式冷藏库概 述冷藏库的类型冷藏库的类型m按冷藏库容量分类按冷藏库容量分类m按冷藏库设计温度分类按冷藏库设计温度分类:高温高温 2 2C;C;低温低温 15 15C Cm按使用性质分类按使用性质分类
24、(1)(1)生产性冷藏库生产性冷藏库(2)(2)分配性冷藏库分配性冷藏库(3)(3)零售性冷藏库零售性冷藏库冷藏库的组成与布置 冷藏库的组成冷藏库的组成 冷藏库是一建筑群，主要由主体建冷藏库是一建筑群，主要由主体建筑和辅助建筑两大部分组成。按照筑和辅助建筑两大部分组成。按照构成建筑物的用途不同，主要分为构成建筑物的用途不同，主要分为冷加工间及冷藏间、生产辅助用房、冷加工间及冷藏间、生产辅助用房、生活辅助用房和生产附属用房四大生活辅助用房和生产附属用房四大部分。部分。冷加工间及冷藏间n冷却间冷却间n冻结间冻结间n冷却物冷藏间冷却物冷藏间n冻结物冷藏间冻结物冷藏间n冰库冰库附：冷间的使用温度和相对
25、湿度附：冷间的使用温度和相对湿度冷藏库的布置冷藏库库房的平面布置n低温冷藏间和冻结间n冻结物冷藏间和冷却物冷藏间冷藏库的垂直布置n单层冷藏库和多层冷藏库n小型冷藏库一般采用单层建筑，大、中型冷藏库则采用多层建筑。多层冷藏库的层数一般为46层冷藏库的层高5m；多层冷藏库的冷藏间层高应m。穿穿堂堂站站 台台平面布置示意平面布置示意图冷藏库的绝热和防潮冷藏库的绝热和防潮冷库隔热防潮的意义冷库隔热防潮的意义 为了减少外界热量侵入冷藏库，保证库为了减少外界热量侵入冷藏库，保证库内温度均衡，减少冷量损失，冷藏库外围的内温度均衡，减少冷量损失，冷藏库外围的建筑结构必须敷设一定厚度的隔热材料。建筑结构必须敷设
26、一定厚度的隔热材料。隔热防潮的方法隔热防潮的方法 1.1.合理布置围护结构的各层材料。合理布置围护结构的各层材料。2.2.合理布置隔汽层合理布置隔汽层(Vapor Barrier)Vapor Barrier)。3.3.要保持隔汽层的完整性，处理好接头。要保持隔汽层的完整性，处理好接头。4.4.做好相应的防水处理。做好相应的防水处理。外外内内冷库一般维护结构的做法冷库一般维护结构的做法常用的绝热材料与防潮材料n通常对低温绝热材料有以下要求：导通常对低温绝热材料有以下要求：导热系数小；吸湿性和含湿量少；比重热系数小；吸湿性和含湿量少；比重小，且含有均匀的微小气泡；不易腐小，且含有均匀的微小气泡；不
27、易腐烂变质；耐火性、耐冻性好；无臭、烂变质；耐火性、耐冻性好；无臭、无毒；在一定的温度范围内具有良好无毒；在一定的温度范围内具有良好的热稳定性；价格低廉，资源丰富。的热稳定性；价格低廉，资源丰富。n常见低温隔热材料的物性常见低温隔热材料的物性冷藏库容量计算q冷藏库生产能力冷藏库生产能力决定冷间容量的因素决定冷间容量的因素冷却间、冻结间生产能力计算冷却间、冻结间生产能力计算 (1)(1)设有吊轨的冷却间和冻结间设有吊轨的冷却间和冻结间 (2)(2)设有搁架的冷却间、冻结间设有搁架的冷却间、冻结间n冷藏库的贮藏吨位冷藏库的贮藏吨位储冰间容积利用系数储冰间容积利用系数 冷藏间、冻藏间容积利用系数冷藏
28、间、冻藏间容积利用系数 冷藏库冷负荷计算 根据热量进入冷间的不同途径，可将耗冷量分为四个部分：通过围护结构散失的冷量；食品冷加工或冷藏的耗冷量；库房内通风、换气耗冷量；操作耗冷量，包括库内照明用电、电动机、操作设备(叉式堆垛机等)，操作工人等所散发的热量以及开门损失。1.围护结构传热量(The Wall Gain Load)n通过围护结构的传热量包括两部分：通过墙壁、楼板、屋顶及地坪的热量；太阳辐射引起的热量。因此(1)墙壁、楼板及屋顶的传热量(2)太阳辐射引起的耗冷量2.货物热量(The Product Load)n 3.库房内通风换气的热量(Air Change Load)n(1)照明热量
29、照明热量(2)电动机运转热量电动机运转热量n电动机安装在库房内时电动机安装在库房内时n电动机设置在库房外面的高温、低温电动机设置在库房外面的高温、低温穿堂时穿堂时(3)(3)库门开启热量库门开启热量(4)(4)操作人员热量操作人员热量冷藏库库房的制冷工艺设计一、冷却间 冷却间的温度一般采用0，相对湿度为90二、冻结间 冻结间温度采用2330，空气流速采用24m/s根据冻结方式的不同，冻结间可以分为以下几种不同的形式。1.空气自然对流冻结间2.强制空气循环冻结间(1)纵向吹风冻结间(2)横向吹风冻结间(3)吊顶式冷风机冻结间 3.搁架式冻结间车首式制冷机组。车首式制冷机组。制冷机组与动力装置分开
30、。制冷机组与动力装置分开。压缩机组独立。压缩机组独立。机械制冷冷藏汽车的蒸发器通机械制冷冷藏汽车的蒸发器通常安装在车厢的前端，采用强制常安装在车厢的前端，采用强制通风方式。通风方式。冷藏运输1 1冰冰箱箱盖盖 2 2冰冰箱箱 3 3防防水水板板4 4通通风风槽槽 5 5离离水水格格栅栅(A A)端端装装式式 (B B)顶顶装装式式 用用冰冰制制冷冷的的铁铁路路冷冷藏藏车车示示意意图图用冰制冷的铁路冷藏车示意图用冰制冷的铁路冷藏车示意图1荧荧光光灯灯 2蒸蒸发发器器 3通通风风机机组组 4排排水水口口图图11-13 立立式式多多层层敞敞开开式式冷冷藏藏陈陈列列柜柜示示意意图图性能比较性能比较再见！