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