第六章冷冻-ppt课件.ppt
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1、第一节第一节 冷冷冻冻原理原理 第二节第二节 食品的冷冻食品的冷冻第三节第三节 食品气调保鲜食品气调保鲜第四节第四节 制冷及气调保鲜原理在食品制冷及气调保鲜原理在食品 工业中的应用工业中的应用1第一节第一节 冷冻原理冷冻原理一、制冷的基本原理一、制冷的基本原理二、常用制冷剂和载冷剂二、常用制冷剂和载冷剂三、食品工业中常用的制冷方法三、食品工业中常用的制冷方法2q制冷的基本原理制冷的基本原理 制冷是指从低于环境温度的空间或物制冷是指从低于环境温度的空间或物体中吸取热量,并将其转移给环境介质的体中吸取热量,并将其转移给环境介质的过程。实现制冷所必需的机器称为制冷机。过程。实现制冷所必需的机器称为制
2、冷机。利用制冷技术产生的低温源使产品从常温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称为冷冻,冷却降温,进而冻结的操作过程称为冷冻,它包括制冷和食品冷冻两个部分。它包括制冷和食品冷冻两个部分。3(一)制冷的基本原理(一)制冷的基本原理图图6-1 6-1 制冷过程制冷过程 高温高高温高压气体压气体在被冷在被冷凝成高凝成高压常温压常温液体液体 冷凝器中的冷凝器中的高压常温液体;高压常温液体;经膨胀阀节流膨经膨胀阀节流膨胀,又变成低温胀,又变成低温低压液体低压液体 压缩机做功压缩机做功低温低压气低温低压气体压缩为高体压缩为高温高压气体温高压气体 液态制冷液态制冷剂在低温剂在低温
3、低压状态低压状态下,吸收下,吸收被冷却物被冷却物体热量汽体热量汽化为低温化为低温低压气体低压气体4(二)理想制冷循环(二)理想制冷循环图6-2a 逆卡诺循环压容图图6-2b 逆卡诺循环温熵图1-21-2过程:过程:制冷剂首先沿等熵线1-2作绝热压缩,压缩过程中消耗了功,而使制冷剂的温度从TC增加到Th;2-32-3过程:过程:制冷剂沿等温线2-3等温压缩,向周围介质等温放热,其熵值减少,压力从P 2升至P 3;3-43-4过程:过程:制冷剂沿等熵线3-4作绝热膨胀,压力从P 3降至P 4,此过程中产生膨胀功,温度从Th降回到TC,这是膨胀终了状态;4-14-1过程:过程:制冷剂沿等温线4-1作
4、等温膨胀,其熵值增加,此过程中制冷剂从被冷却物质中等温吸热,制取冷量后,压力从P 4降至P 1,制冷剂又回复到开始状 5 定义:定义:制冷剂是在制冷装置中,通过相态变化,不断循环产生冷效应的物质。习惯上又称制习惯上又称制冷剂为工质。冷剂为工质。 原理:原理:在制冷机系统中循环流动,在蒸发器中汽化时吸热,在冷凝器中凝结时放热,通过自身热力状态的变化与外界发生能量交换,达到制冷的目的。 重要性:重要性:制冷剂的性质直接关系到制冷装置的制冷效果、经济性、安全性及运行管理,因此合适的制冷剂的选择非常重要。q常用制冷剂和载冷剂常用制冷剂和载冷剂(一)制冷剂的要求和选用原则(一)制冷剂的要求和选用原则6制
5、冷剂的选用原则制冷剂的选用原则 1.临界温度要高; 2.沸点要适当; 3.蒸发压力要适中; 4.冷凝压力不宜过高; 6.导热系数高; 7.粘度和密度小; 8.凝固点低; 9.安全适用; 10.价格便宜,易于购得,具有一定的吸水性。7(二)常用制冷剂(二)常用制冷剂氟利昂:氟利昂:一类透明、无味、爆炸、化学稳定性好、基本无毒又不易燃烧的制冷剂。可适用于高温、中温和低温制冷机。 优点:优点:无毒、不燃烧、对金属不腐蚀,绝热指数小,无毒、不燃烧、对金属不腐蚀,绝热指数小,排气温度低,具有较大的相对分子质量,适用于离心式制冷压缩机。 缺点:缺点:部分制冷剂的单位容积制冷量较小,因而制冷剂的循环量大;密
6、度大,流动阻力较大;吸水性能差,要要求系统必须保持干燥求系统必须保持干燥;极易渗漏又不易被发现,要求制冷系统有足够的密封性。 注:由于氟利昂中的卤代烃类的氯原子会破坏大气臭氧层,国际规定到2010年将完全停止使用氯氟烃类(CFCs)氟利昂。8氨:氨:目前使用最为广泛的一种低凝固点的中压中温制冷目前使用最为广泛的一种低凝固点的中压中温制冷剂。剂。 优点:优点:比重和粘度小,价格便宜,易于获得,导热系数高,压缩机对其做功所需压力适中,单位制冷量大,几乎不溶解于油,流动阻力小,泄漏时易发现,具有较理想的制冷性质。 缺点:缺点:有刺激性臭味、有毒、可以燃烧和爆炸有刺激性臭味、有毒、可以燃烧和爆炸,对铜
7、及铜合金有腐蚀作用。二氧化碳:二氧化碳:一种天然制冷剂。一种天然制冷剂。 优点:优点: CO2CO2无毒,安全,无毒,安全,所以曾在船用冷藏装置中使用,曾经被氟利昂取代。对大气臭氧层无破坏作用,同时具有良好的传热性能,又重新得到广泛的研究。 缺点:缺点:使用温度范围内压力特别高使用温度范围内压力特别高,常温下冷凝压力高达80 MPa,使得机器极为笨重。9(三)常用载冷剂(三)常用载冷剂 用途:用途: 可使制冷系统集中在较小的场所,因而可以减少制冷系统的容积和制冷剂的充灌量减少制冷系统的容积和制冷剂的充灌量; 载冷剂的热容量大,可利用载冷剂进行蓄冷蓄冷。 常用载冷剂有:常用载冷剂有: 水、氯化钠
8、水溶液、氯化钙水溶液和有机载水、氯化钠水溶液、氯化钙水溶液和有机载冷剂冷剂,食品工业中使用最广泛的是氯化钠水溶液。表6-1为常用载冷剂的冰点温度。10 表表6-1 6-1 常用载冷剂溶液的冰点温度常用载冷剂溶液的冰点温度 载冷剂载冷剂水溶液水溶液质量分数质量分数()冰点温度冰点温度()载冷剂载冷剂水溶液水溶液质量分数质量分数()冰点温度冰点温度()氯化钠氯化钠溶液溶液22.421.2乙二醇乙二醇60.0 46.0氯化钙氯化钙溶液溶液29.955丙二醇丙二醇60.060.0氯化镁氯化镁溶液溶液20.633.6甘油甘油66.744.4甲醇甲醇78.26139.6蔗糖蔗糖62.413.9乙二醇乙二醇
9、93.5118.3转化糖转化糖58.016.611q食品工业中常用的制冷方法食品工业中常用的制冷方法蒸气压缩制冷蒸气压缩制冷气体绝热膨胀制冷气体绝热膨胀制冷涡流管制冷涡流管制冷电热制冷电热制冷食品工业常用食品工业常用普通制冷温普通制冷温度范围的制度范围的制冷冷低温制冷低温制冷常用的制冷方常用的制冷方法法12(一)单级压缩制冷循环的基本组成(一)单级压缩制冷循环的基本组成 图6-3 氨单级循环制冷流程图13(二)单级压缩制冷机的工作过程(二)单级压缩制冷机的工作过程 来自蒸发器内的低温低压蒸气低温低压蒸气,经汽液分离器后,被压缩机吸入气缸内压缩成高压高温的过热蒸高压高温的过热蒸气气。 然后,经分
10、油器使其中所携带的润滑油分离出来,再进入冷凝器与冷却水进行热交换后凝结成高压中温的高压中温的液态制冷剂液态制冷剂并流入贮液器。 该高压液体通过调节站,经膨胀阀节流降压降温后,再次进入汽液分离器。 从汽液分离器出来的低压低温液体低压低温液体,进入蒸发器吸热蒸发产生冷效应,使冷冻室内的空气及物料的温度下降,从而完成一个制冷循环。14(三)理想单级压缩制冷循环的计算(三)理想单级压缩制冷循环的计算理想单级压缩制冷循环假设理想单级压缩制冷循环假设特点:热机效率最大特点:热机效率最大 建立在以下的假设基础上的:建立在以下的假设基础上的: 1、压缩过程为等熵过程,且制冷剂在流经各个设备时没有不可逆损失。压
11、缩过程中不存在任何不可逆损失,压力做功全部转变为热能。 2、蒸发器与冷凝器中的制冷剂与管外介质没有热交换。 3、制冷剂在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间没有传热温差,即制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度,蒸发温度等于被冷却介质的温度。 4、膨胀机输出的功为压缩机所完全利用。 5、制冷剂通过膨胀阀节流时前后的焓值不变,在各设备的连接管道中,制冷剂不发生状态变化。15单级压缩制冷循压焓图单级压缩制冷循压焓图图6-4制冷剂压焓图(1 1)等压线:等压线:图中与横坐标轴平行的细实水平线均是等压线。(2 2)等焓线:等焓线:图中与横坐标轴垂直的细实线为等焓线。(3 3)等温线:等温线:图中用点划线表示的为
12、等温线。(4 4)等熵线:等熵线:图中自左向右上方弯曲的细实线为等熵线。在lgp-h图上等熵线以饱和蒸气线作为起点。(5 5)等容线:等容线:图中自左向右稍向上弯曲的虚线为等比容线。与等熵线比较,等比容线要平坦些。(6 6)等干度线:等干度线:从临界点K出发,把湿蒸气区各相同的干度点连接而成的线为等干度线。它只存在与湿蒸气区。16图6-5 单级压缩制冷循环在压焓图上的表示方法点点1 1 表示制冷剂进入压缩机的状态,它是蒸发温度为t0压力为p0的饱和蒸汽。它位于p0= f(t0) 的等压线与饱和蒸汽线的交点上。点点2 2 表示制冷剂在出压缩机时的状态,也就是进入冷凝器的状态,为通过点1的等熵线与
13、冷凝压力pk的等压线的交点。点点3 3 表示制冷剂出冷凝器时的状态,它是在冷凝压力pk,冷凝温度tk的饱和液体。通过压力pk的等压力线和饱和液体线的交点即为点3的状态。点点4 4 由点3做等焓线与p0等压线的交点即为点4。17理想单级压缩制冷循环的计算理想单级压缩制冷循环的计算 制冷量:制冷量:以以 表示,单位为表示,单位为 kwkw 或或 kJ/hkJ/h。 单位制冷量单位制冷量: (6-16-1) 按压缩机吸入状态计算单位容积制冷量:按压缩机吸入状态计算单位容积制冷量: (6-26-2) 式中:式中: 为单位质量制冷剂在蒸发器中所吸收的热量,kJ/kg; 为单位容积制冷剂在蒸发器中所吸收的
14、热量,KJ/m3; h1、h2、h3 分别为点1、3、4的焓值,kJ/kg; 为制冷剂在吸入压力下的比容,m3/ kJ ;31410hhhhq0Q03104100hhvhhvqqVvq0q18 理论比功理论比功: : (6-36-3) 式中: 为理论比功,kJ/kg; 为点2的焓值,kJ/kg。 冷凝器中的单位质量制冷剂放热量冷凝器中的单位质量制冷剂放热量: : (6-46-4) 式中: 为冷凝器中的单位质量制冷剂放热量,kJ/kg。32hhqk0w2hkq120hhw19 制冷系数制冷系数: : (6-56-5) 逆卡诺循环的制冷系数为理想制冷系数,为: (6-66-6) 式中: 为制冷系数
15、,无因次量; 为理想制冷系数,无因次量; 为冷源温度,; 为热源温度,。124100hhhhwqchcTTT00cTkT20 热力完善度热力完善度: : (6-7) (6-7) 式中: 为热力完善度,%。 热力完善度越大,说明该循环接近可逆循环的热力完善度越大,说明该循环接近可逆循环的程度越大。程度越大。 制冷系数和热力完善程度的同异:制冷系数和热力完善程度的同异: 相同点:相同点:都是用来评价循环经济指标的 不同点不同点: : 制冷系数是随循环的工作温度变化的,只能用来评价相同温度下的循环的经济性; 不同温度下的工作制冷循环,可以用热力完善程度接近1的程度,来评价循环的经济性。cchTTTh
16、hhh1241021 制冷剂循环量制冷剂循环量 体积循环量:体积循环量: (6-86-8) 体积循环量:体积循环量: (6-96-9) 式中:G 为单位时间内在制冷机中的制冷剂质量流量,kg/s; V 为单位时间内在制冷机中的制冷剂体积流量,m3/s; 为制冷量,kJ/s。41000hhQqQGvqQqvQGvG000000Q22 压缩机所需理论功率压缩机所需理论功率: : (6-106-10) 式中: 为压缩机理论功率,kW。)(1200hhGwGN0N23实际单级压缩制冷循环的计算实际单级压缩制冷循环的计算 压缩机额定功率压缩机额定功率: :考虑各种损失和影响,单级压缩制考虑各种损失和影响
17、,单级压缩制冷循实际工作中压缩机的额定功率为冷循实际工作中压缩机的额定功率为 (6-116-11)式中:N 为实际工作中压缩机的额定功率,kW; 为压缩机指示效率,%; 为压缩机的机械效率,%; 为传动效率,%; B 为安全系数.一般取值范围为 1.1 1.15。DmaihhGBN)(12aimD24 实际制冷系数实际制冷系数: : (6-126-12) 注:工程设计中,如果按实际循环,很难用手算法注:工程设计中,如果按实际循环,很难用手算法进行热力计算,常常对实际循环简化处理。即直接进行热力计算,常常对实际循环简化处理。即直接按焓压图进行循环的性能指标的计算,由此产生的按焓压图进行循环的性能
18、指标的计算,由此产生的误差也不会很大。误差也不会很大。 PQ025第二节第二节 食品的冷冻食品的冷冻一、食品的冷冻过程一、食品的冷冻过程二、冻结对食品热物理性质与品质的影响二、冻结对食品热物理性质与品质的影响三、食品冻藏中的其它变化三、食品冻藏中的其它变化四、食品冻结的速度与时间四、食品冻结的速度与时间26q食品的冷冻过程食品的冷冻过程(一)水的冻结曲线(一)水的冻结曲线图6-6 纯水的降温曲线图中:虚线表示降温槽降温曲线图中:虚线表示降温槽降温曲线 实线表示水的温度变化曲线实线表示水的温度变化曲线 b b点温度为零度,点温度为零度, e e点水完全结成冰点水完全结成冰 c c点的温度叫过冷温
19、度指降点的温度叫过冷温度指降温过程中水中开始形成稳定晶核时温过程中水中开始形成稳定晶核时的温度或温度开始回升的最低温度。的温度或温度开始回升的最低温度。27图图6-7 6-7 水与食品的冻结曲线水与食品的冻结曲线(二)食品的冻结曲线(二)食品的冻结曲线冻结三阶段冻结三阶段冷却阶段:冷却阶段:食品从初温冷却到冰点的阶段,特点:冷却速度快,曲线比较陡;相变阶段:相变阶段:水分从液态变为固态;终温阶段:终温阶段:食品进一步降低温度,同时伴有少量水转化为冰。原因:原因:食品的水分中溶有无机盐、糖分、有机酸等物质,是作为溶液中的溶剂存在,随着冰晶体从溶液中不断析出,溶液的浓度逐渐增加,导致了残留溶液冰点
20、的不断下降。28表表6-2 6-2 一些水果、蔬菜和果汁的冰点一些水果、蔬菜和果汁的冰点 食品名称食品名称含水量含水量(wt%)初始冻结初始冻结温度(温度()食品名食品名称称含水量含水量(wt%)初始冻结初始冻结温度(温度()苹果汁苹果汁 87.2 1.44草莓草莓 89.3 0.89浓缩苹果汁浓缩苹果汁 49.8 11.33草莓汁草莓汁 91.7 0.89胡萝卜胡萝卜 87.5 1.11甜樱桃甜樱桃 77.0 2.61橘汁橘汁 89.0 1.17苹果酱苹果酱 92.9 0.72菠菜菠菜 90.2 0.5629 结冰率:结冰率:冻结过程中,食品中已结成冰的水分量与食品中全部水分的比值。 食品的
21、结冰率与温度有关,食品的结冰率与温度有关,忽略冻结方法与冻结时间,以及食品组织液成分及其在食品中的分布情况对冻结率的影响,可用拉乌尔拉乌尔- -奇若夫公式奇若夫公式近似计算结冰率: (6-136-13) 式中: 为食品的冰点,; 为食品的实际温度,。 ttr1rttt(三)结冰率与最大冰晶域区(三)结冰率与最大冰晶域区30图6-8 青豌豆冻结过程中结冰率与温度的关系注:当青豌豆温度下降到冰点-1时开始冻结,温度降温度降到到 5 5 C C 时,约时,约80%80%的水已结冰,的水已结冰,只剩下少量水分。 31q冻结对食品热物理性质与品质的影响冻结对食品热物理性质与品质的影响(一)密度(一)密度
22、 食品冻结时体积膨胀,因而密度减小。食品冻结时体积膨胀,因而密度减小。(二)比热容(二)比热容 食品冻结前:食品冻结前: (6-146-14) 食品冻结后:食品冻结后: (6-156-15) 式中: 为冻结前食品的比热容,kJ/kg; 为冻结后食品的比热容,kJ/kg; 为食品中水分的质量分数,%。720. 2470. 1c256. 1837. 0iccic32图6-9 食品的比热容与含水量的关系图6-10 食品冻结前后比热容33(三)导热率(三)导热率 图6-11 食品冻结前后导热率34q食品冻藏中的其它变化食品冻藏中的其它变化(一)质构的变化(一)质构的变化 冻冻结速度缓慢,细胞内的水分有
23、足够的时间向细胞结速度缓慢,细胞内的水分有足够的时间向细胞外渗透,产生大量的汁液流失,会破坏食品组织,降低外渗透,产生大量的汁液流失,会破坏食品组织,降低冷冻食品复原的质量。冷冻食品复原的质量。 速冻原理:速冻原理:采采用瞬间快速冻结的方法,产生数量众多分用瞬间快速冻结的方法,产生数量众多分布均匀的小冰晶,这样的冷冻食品,解冻时能最大程度布均匀的小冰晶,这样的冷冻食品,解冻时能最大程度的保持未冻食品的组织状态,对保持食品质量是非常有的保持未冻食品的组织状态,对保持食品质量是非常有利的。利的。35(二)干耗(二)干耗 定义:定义:食品在冻结过程中,因食品中的水分从表面蒸发食品在冻结过程中,因食品
24、中的水分从表面蒸发造成食品质量减少或品质下降,俗称造成食品质量减少或品质下降,俗称“干耗干耗”。 主要原因:主要原因:食品表面的水蒸气分压常接近饱和蒸汽压,食品表面的水蒸气分压常接近饱和蒸汽压,与冻结室内被冷凝的空气中的水蒸气压形成蒸汽压差,与冻结室内被冷凝的空气中的水蒸气压形成蒸汽压差,导致食品表面的水分向空气中扩散形成。导致食品表面的水分向空气中扩散形成。 干耗速率:干耗速率: (6-166-16) 式中:式中:W W为单位时间内食品的干耗速率,为单位时间内食品的干耗速率,kg/skg/s; A A为食品表面积,为食品表面积,m m2 2; 食品表面的水蒸气分压,食品表面的水蒸气分压,Pa
25、Pa; 为空气的水蒸气分压,为空气的水蒸气分压,PaPa; 为压差为推动力的给质系数,为压差为推动力的给质系数,kg/(skg/(sm m2 2Pa)Pa)。)(afGppAkWfpapGk36(三)冻结膨胀(三)冻结膨胀水在形成冰晶的过程中体积膨胀:水在形成冰晶的过程中体积膨胀: 0 0的时候,水变成冰体积增加大约的时候,水变成冰体积增加大约9 9。体积膨胀。体积膨胀系数,系数,00时冰的值比水的要大,但随着温度的下降,冰时冰的值比水的要大,但随着温度的下降,冰的体积将收缩,值呈下降趋势,因此水在形成冰晶的过的体积将收缩,值呈下降趋势,因此水在形成冰晶的过程中体积膨胀仍是主要倾向。程中体积膨
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