食品工程原理課件第三章制冷第1頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)理論基礎(chǔ)及基本概念

在食品工業(yè)上的應(yīng)用：①產(chǎn)生冷凍、速凍食品；②貯藏；③加工手段（冷凍濃縮、干燥）；④空氣調(diào)節(jié)等。制冷:消耗機(jī)械功或其它能量獲得低溫（相對(duì)環(huán)境）的單元操作。工業(yè)上，一般是采用機(jī)械壓縮、蒸汽噴射和吸收劑吸收等實(shí)現(xiàn)制冷的。

分類(lèi)：深度冷凍（-100℃以下）和一般冷凍（-100℃以上）。一、概述第2頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、熱力循環(huán)：體系經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)程的變化，熱和功有一定的轉(zhuǎn)換，如果從初始狀態(tài)經(jīng)過(guò)若干過(guò)程后，回復(fù)到原狀態(tài)，又完成了熱與功的轉(zhuǎn)換，而物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生周期性變化。該循環(huán)過(guò)程稱為熱力循環(huán)。二、基礎(chǔ)理論與方法（一）封閉體系熱力過(guò)程1、封閉體系:與外界無(wú)物質(zhì)交換，但可以有熱、功交換的熱力學(xué)體系，即只有能量傳遞，沒(méi)有物質(zhì)傳遞。

熱力學(xué)第一定律恰好描述了熱力學(xué)體系中熱與功轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系。第3頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、熱力學(xué)第一定律：dq=de+pdV（J/kg）因此，對(duì)于理想的封閉體系（熱力循環(huán)），熱交換量等于功交換量。

以熱和功的形式傳遞的能量必定對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的內(nèi)能確定的變化。

規(guī)定：de↑為+,內(nèi)能增加為正;dq↑為+,吸熱,q為正;dV↑為+,膨脹,即對(duì)外做功,w為正。工質(zhì)循環(huán)后，內(nèi)能無(wú)變化，回復(fù)到原狀態(tài)。第4頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)TTCTNP12342341q1q2TCTNS1S2

卡諾循環(huán)——

熱機(jī)循環(huán)VS1→2等溫膨脹過(guò)程2→3等熵膨脹過(guò)程3→4等溫壓縮過(guò)程4→1等熵壓縮過(guò)程P-V圖T-S圖（二）制冷循環(huán)第5頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

逆卡諾循環(huán)——制冷循環(huán)TTCTNP12342341q1q2TCTNS1S2VSP-V圖T-S圖1→2等熵（絕熱）壓縮過(guò)程2→3等溫壓縮過(guò)程3→4等熵（絕熱）膨脹過(guò)程4→1等溫膨脹過(guò)程第6頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、實(shí)際制冷過(guò)程蒸發(fā)器等溫等壓等壓冷凝器膨脹閥（節(jié)流閥）等焓等熵壓縮機(jī)制冷過(guò)程簡(jiǎn)圖四個(gè)階段：壓縮、冷凝膨脹、蒸發(fā)第7頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）制冷劑的壓焓圖與溫熵圖

等壓線群：水平線等焓線群：垂直線等比容υ線群：虛線等干度x線群:

等溫t線群:

等熵S線群:飽和蒸汽飽和液體臨界點(diǎn)過(guò)冷液體過(guò)熱蒸汽1、壓焓圖第8頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、溫熵圖K點(diǎn)：臨界點(diǎn)；

K點(diǎn)左支曲線:飽和液體曲線；

K點(diǎn)右支曲線:飽和蒸汽曲線；等壓線群:ABCD；等焓線群:EF；等比容υ線群:GHJ（虛線）；等溫t線群（水平線）等熵S線群（垂線）過(guò)冷液體過(guò)熱蒸汽第9頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P89第10頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月F-12壓焓圖P90第11頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（四）理想制冷循環(huán)與實(shí)際制冷循環(huán)的比較1、理想制冷循環(huán)第12頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第13頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、實(shí)際制冷循環(huán)1.絕熱可逆壓縮(等熵)過(guò)程:1-2線2.等壓冷卻、冷凝及過(guò)冷過(guò)程：2-2’-3’-3線3.節(jié)流膨脹(等焓)過(guò)程:3-4線(不可逆,無(wú)外功,絕熱)4.等溫等壓蒸發(fā):4-1線第14頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月h1h2h3=h4h1、絕熱可逆壓縮(等熵)線1-2。2、等壓冷卻、冷凝及過(guò)冷過(guò)程：2-2’

線—冷卻(到飽和蒸汽)(等壓)；2’-3’—冷凝(等壓,等溫)；3’-3—過(guò)冷(等壓),3’與3點(diǎn)的溫度不同；故2-2’-3’-3為等壓冷卻、冷凝及過(guò)冷過(guò)程線。3、節(jié)流膨脹(等焓)線3-4。4、蒸發(fā)(等壓,等溫)線4-1。第15頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第16頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際制冷循環(huán)與理想過(guò)程的區(qū)別

1.節(jié)流閥取代膨脹機(jī)：

節(jié)流膨脹：連續(xù)流動(dòng)流體經(jīng)到節(jié)流閥急劇膨脹,使其壓強(qiáng)p2下降至p1。由于過(guò)程太快,其情況不可逆，由于節(jié)流閥沒(méi)有作外功,w=0,又流體與周?chē)橘|(zhì)來(lái)不及作熱交換,故節(jié)流前后焓值不變。2.引入過(guò)冷凝線：加大冷凝器面積，增大吸熱量，即增加了制冷量。3.干法壓縮取代濕法壓縮：

制冷系數(shù)減少，但避免液擊事故，提高生產(chǎn)能力。

4.過(guò)程不可逆。實(shí)際制冷循環(huán)所消耗外功多。第17頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第18頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、一般制冷方法（一）機(jī)械壓縮制冷1、空氣壓縮制冷：用空氣作為制冷劑。制冷系數(shù)小，經(jīng)濟(jì)性差，單位制冷量?。o(wú)相變）。2、蒸汽壓縮制冷：用常溫下加壓可以液化的物質(zhì)作為制冷劑（工質(zhì)），工質(zhì)在循環(huán)過(guò)程中不斷發(fā)生相變（液態(tài)→氣態(tài)，氣態(tài)→液態(tài)）第19頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理圖冷凝器等溫過(guò)程等溫過(guò)程特點(diǎn)：制冷系數(shù)大，單位制冷量大，傳熱系數(shù)大，設(shè)備小。第20頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、吸收式制冷：消耗熱能。使用制冷劑和吸收劑兩種工質(zhì)。中央空調(diào)系統(tǒng)如溴化鋰吸收制冷。制冷劑吸熱蒸發(fā)制冷劑蒸汽冷凝減壓蒸發(fā)制冷混合吸收制冷劑吸收劑吸收式制冷原理圖4、蒸汽噴射式制冷：消耗熱能。第21頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）非機(jī)械壓縮制冷1、融解和溶解制冷：如冰融解制冷；鹽水低溫制冷（降低冰點(diǎn)）。2、固體升華和液體汽化制冷：如干冰制冷、液氮制冷。第22頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、低溫制冷方法為了獲得更低的溫度，可用以下幾種方法：1、多級(jí)制冷循環(huán)：多級(jí)壓縮（一種制冷劑）。2、串級(jí)制冷循環(huán)：多級(jí)壓縮（多種制冷劑）。3、節(jié)流膨脹和絕熱膨脹法：配合1、2方法使用。4、固體升華與液體汽化制冷：第23頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月兩級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)

第24頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、制冷量（制冷能力）：?jiǎn)挝粫r(shí)間制冷劑從被冷凍物中（在蒸發(fā)器中吸收）取出的熱量Q0，單位W或kW。冷凍噸(國(guó)外)，1冷噸(USA)=3.52kW=12660kJ/h1冷噸(JP)=3.86kW=13900kJ/h

單位制冷量：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位容積制冷劑在蒸發(fā)器中所吸收的熱量。（1）單位質(zhì)量制冷量q0；單位J/kg

（2）單位容積制冷量qv；單位J/m3

單位制冷量q0、qv可從蒸汽壓焓圖查取、計(jì)算。第二節(jié)食品冷凍常用的蒸汽壓縮式制冷的計(jì)算一、制冷計(jì)算第25頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月h4=h3h1h2hq0=h1-h4J/kgkJ/kgkJ/m3J/m3比容單位質(zhì)量制冷量q0單位容積制冷量qv式中υ0是1點(diǎn)的比容。第26頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、制冷劑循環(huán)量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)制冷機(jī)中循環(huán)的制冷劑流量。（1）單位時(shí)間質(zhì)量循環(huán)量G，單位kg/s

（2）單位時(shí)間容積循環(huán)量V，單位m3/s（1）單位時(shí)間質(zhì)量循環(huán)量G單位kg/s（2）單位時(shí)間容積循環(huán)量V單位m3/s第27頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、制冷劑的放熱量Qk：包括冷卻、冷凝、過(guò)冷三階段的放熱量。h4=h3h1h2h冷卻段冷凝段過(guò)冷段單位均為：W或kW單位放熱量：qk=(h2-h3)第28頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、制冷壓縮機(jī)功率：對(duì)于單位質(zhì)量制冷劑，壓縮機(jī)的理論壓縮功稱為理論功wt，單位J/kg。h4=h3h1h2hJ/kg（1）理論功wt（2）理論功率Nt：對(duì)于制冷劑循環(huán)量為G（kg/s）的壓縮循環(huán),壓縮機(jī)所消耗的功率，單位W。單位：WJ/kg第29頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）實(shí)際功率N：實(shí)際功率大于理論功率。N

>Nt。如果壓縮機(jī)的總效率為η，則實(shí)際功率：其中ηai—指示效率，為理論功率Nt與指示功率Ni之比。是壓縮機(jī)余隙容積、壓縮比、汽缸、活塞和氣閥等結(jié)構(gòu)因素造成能量損失?？捎迷撌接?jì)算：蒸發(fā)溫度中、小型臥式壓縮機(jī)：大型臥式壓縮機(jī)：立式壓縮機(jī)：冷凝溫度排氣溫度預(yù)熱系數(shù)溫度℃臥式：

b=0.002立式：

b=0.001第30頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ηm—機(jī)械效率。指示功率Ni與軸功率Nz之比。機(jī)械摩擦損失。ηD—傳動(dòng)效率。軸功率Nz與實(shí)際功率N之比。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的完善程度。傳動(dòng)效率ηD的取值：三角皮帶：0.97~0.98平皮帶：0.96齒輪箱：0.96~0.99電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接：1.0第31頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

為了保證壓縮機(jī)工作可靠，取保險(xiǎn)系數(shù)B=1.1~1.15，則電機(jī)的額定功率N0為：?jiǎn)挝唬篧第32頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、制冷系數(shù)ε

：制冷循環(huán)中的制冷量Q0（W，或kW）與該循環(huán)所消耗的功率N（W，或kW）之比值ε。消耗單位外功所能獲得的制冷量。用于衡量制冷循環(huán)的效率，是評(píng)價(jià)某具體制冷循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)指標(biāo)。單位質(zhì)量的理論值理論功單位質(zhì)量制冷量第33頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于理想制冷循環(huán),ε僅與T0和Tk有關(guān)，與制冷劑的性質(zhì)無(wú)關(guān)。逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)ε最大,制冷最為經(jīng)濟(jì)，ε↑,制冷效率↑；(Tk-T0)↓,ε↑→但Tk↓受環(huán)境條件限制；T0↑不利于傳熱。對(duì)于理想制冷循環(huán)（逆卡諾循環(huán)）：蒸發(fā)溫度冷凝溫度第34頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例1.某制冷循環(huán)為逆向卡諾循環(huán)。在-25℃下每kg制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的吸熱量和在冷凝器內(nèi)的放熱量分別為200kJ/kg和240kJ/kg。求：

1.制冷系數(shù)；

2.冷凝溫度；

3.若制冷劑循環(huán)量為450kg/h，求所需理論功為若干kW。第35頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解：1.制冷系數(shù)ε

由題意知：

2.冷凝溫度Tk

因是逆向卡諾循環(huán)，故制冷系數(shù)：已知蒸發(fā)溫度T0=273-25=248K第36頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.理論功Nt第37頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例2、在氨蒸氣壓縮制冷循環(huán)中，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分別為-20℃和20℃，制冷量為20冷噸(日本)。氨在冷凝器中的放熱速率為100kJ/s，氨進(jìn)入壓縮機(jī)的狀態(tài)為干飽和蒸氣，并在其中進(jìn)行絕熱壓縮。求：

1.壓縮機(jī)的理論功率；

2.制冷系數(shù)；

3.氨的循環(huán)流量。第38頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解：1.壓縮機(jī)的理論功率Nt

氨在冷凝器中放熱速率為100kJ/s，即制冷量:凈功:理論功率:2.制冷系數(shù)第39頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.氨的循環(huán)流量G

根據(jù)題意知，蒸發(fā)溫度t0=-20℃，又因?yàn)閴嚎s機(jī)入口為干飽和蒸氣，并進(jìn)行絕熱壓縮，故可由附錄logp-h圖查出：h4h1h2h3-20℃20℃h,kJ/kgLogph1=1445kJ/kgh2=1640kJ/kgwt=h2-h1=195kJ/kgG=Wt/wt=420kg/h第40頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例3.某蒸氣壓縮制冷循環(huán)以氨為制冷劑，冷凝溫度為30℃，蒸發(fā)溫度為-10℃。制冷劑離開(kāi)蒸發(fā)器時(shí)為干飽和蒸氣，離開(kāi)冷凝器時(shí)為飽和液體。如制冷劑流量為100kg/h，求：

1.制冷系數(shù)；

2.制冷裝置的制冷量；

3.所需的理論功率。第41頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解：該制冷循環(huán)的logp-i示意圖由本題附圖所示。由附錄logp-h圖查出制冷劑在各狀態(tài)點(diǎn)的焓值分別為：1.制冷系數(shù)εh4h1h2h3-10℃30℃h,kJ/kgLogp第42頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.制冷量Q01kg氨的制冷量為：

制冷裝置的制冷量為：3.所需理論功率Nt

壓縮機(jī)對(duì)1kg制冷劑所作的凈功為：所需理論功率為：第43頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、制冷循環(huán)工作參數(shù)的確定1、蒸發(fā)溫度（T0）：隨制冷劑的不同而不同。

空氣載冷:T0比冷庫(kù)空氣溫度低8～12℃;

鹽水載冷:T0比鹽水溫度低4～6℃。2、冷凝溫度（Tk）：由冷凝器型式、冷凝介質(zhì)的溫度決定。

水冷卻:Tk=t+(4～5℃)

(t為冷凝器排水溫度，進(jìn)出水的溫差取2～3℃)

空氣冷卻:Tk=t’+(8～12℃)(t’為冷凝器排氣溫度)

(立、臥式、淋激式冷凝器）第44頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、壓縮機(jī)的吸汽溫度（T1）：為控制過(guò)熱點(diǎn)溫度。

低壓蒸汽過(guò)熱有害，使壓縮機(jī)功耗↑，可通過(guò)控制冷凝溫度，回收一部分過(guò)熱能量。吸汽溫度取決于回汽的過(guò)熱度。若不考慮回汽的過(guò)熱,則T1≈T0,實(shí)際上,自蒸發(fā)器的低壓蒸汽進(jìn)壓縮機(jī)前將在吸汽管中吸收周?chē)諝獾臒崃?溫度升高,比容增大,叫蒸汽過(guò)熱。第45頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

制冷量q0沒(méi)有變化，但壓縮機(jī)的功耗卻增加了△W（圖中1-1’-0-2-1的面積），這在經(jīng)濟(jì)上是不利的，稱為有害過(guò)熱。蒸發(fā)溫度越低，吸入蒸汽與周?chē)諝忾g的溫差越大，此有害影響越大?？梢杂没?zé)嵫h(huán)減輕該危害。什么是回?zé)嵫h(huán)？回?zé)嵫h(huán)對(duì)制冷是否有利？

4、過(guò)冷溫度（Tu）：比冷凝溫度(預(yù)先確定的)低3～5℃,比冷卻水進(jìn)口溫度高3℃。第46頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月回?zé)嵫h(huán)：將蒸發(fā)器產(chǎn)生的低溫低壓蒸汽與節(jié)流前的液體工質(zhì)進(jìn)行熱交換。1、既可減輕或消除吸汽管道中的有害過(guò)熱，又能使液態(tài)制冷劑過(guò)冷。2、制冷劑過(guò)冷，將增加循環(huán)的制冷量△q0

，但功耗也增大△W，其制冷系數(shù)是否提高，視具體操作條件和制冷劑種類(lèi)而異。3、當(dāng)Tk=30℃，T0在普通制冷溫度范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)F-12采用回?zé)嵫h(huán)是有利的；對(duì)于氨是不利的；F-22介于兩者之間，即制冷無(wú)大的變化。第47頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、制冷劑：即制冷工質(zhì)，冷凍劑——傳遞熱能的媒介。第三節(jié)制冷劑與載冷劑第48頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、對(duì)制冷劑的要求：①常壓下，沸點(diǎn)低→蒸發(fā)溫度低；②單位容積制冷量大→制冷劑量小，壓縮機(jī)尺寸?。虎壑评鋭摕嵋蟆蓽p少制冷劑循環(huán)量；

④不燃燒、無(wú)毒、無(wú)刺激氣味（無(wú)爆炸、無(wú)腐蝕性）價(jià)低。第49頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.常用制冷劑（1）氨:單位容積制冷量大、價(jià)廉；但有味、有害且有腐蝕；（2）氟里昂（Freon）：飽和碳?xì)浠衔锏柠u素衍生物。常用的主要是甲烷、乙烷、丙烷的衍生物。但氟里昂破壞地球的臭氧層，已限制使用。（3）SO2