03 第三章 食品冷冻技术.ppt

第1页：第三章食品冷冻技术封面

第三章食品冷冻技术

第2页：本章学习目的与要求

本章的学习目的与要求

• 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；
• 掌握食品冷冻冷藏装备和工艺设计；
• 熟悉食品冷藏链的构成和冷库冷量的计算方法。

第3页：制冷技术基本原理

3-1制冷技术基本原理

• 制冷的基本方法1 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；涡流管；绝热去磁；He3稀释等2 “吸热”的方式：以“潜热”或“显热”方式
• 制冷的基本循环-----蒸汽压缩式

第4页：蒸汽压缩式制冷循环

蒸汽压缩式制冷循环

• compressor 压缩机
• condenser 冷凝器
• Expansion valve 膨胀阀
• evaporator 蒸发器

第5页：P－V图与逆卡诺循环

P－V图

• 逆卡诺循环

第6页：lnP-h 图

lnP-h图

第7页：制冷工质的命名法（上）

3-2 制冷工质的命名法一、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RCXXX RC(a-1)(b+1)d四、无机化合物R7XX右边两位是该化合物的分子量

第8页：制冷工质的命名法（下）

五、共沸混合物R5XX如R500表示R12/R152a(73.8wt%, 26.2wt%)六、非共沸混合物R4XX如R400为R12/R114七、其他有机混合物R6XX如丁烷为R60制冷工质的命名法

第9页：氨的热力学与化学性质

氨的性质

• 一、氨的热力学性质
  • 沸点：-33.4℃
  • 凝固点：-77.7℃
  • 临界温度和压力：133℃，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
  • 能以任意比例与水相溶解
  • 在润滑油中的溶解度很小

第10页：氨的毒性与易爆性

三、毒性、易爆性

• 具有强烈的刺激性气味
• 达到一定浓度时，将损伤人的眼睛、呼吸器官
• 在空气中氨的含量达到11-14%时，即可燃

第11页：表4-5 饱和状态下氨的主要热物理性质

表4-5 饱和状态下氨的主要热物理性质

第12页：饱和状态下氨的热物性数据

第13页：制冷工质的发展与CFCs替代

制冷工质的发展与CFCS的替代一、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：Chlorofluorocarbons2）HCFCS: HydroChlorofluorocarbons3）HFCS: Hydrofluorocarbons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 Potential)

第14页：制冷工质的环保评价指标

第15页：载冷剂的性质

载冷剂的性质常用载冷剂：水、盐水、溶液和有机物溶液一、盐水的性质二、有机载冷剂的物理性质

第16页：普朗克公式及其假设

食品的冻结时间普朗克公式（Plank Equation）：假设：1）冻前温度均匀，且等于其初始冻结温度2）冻结过程中初始冻结温度不变；3）导热系数冻结前后不变；4）只计算水的相变潜热量，忽略冻结前后放出的显热量；5）冷却介质与食品表面的对流传热系数不变

第17页：冻结层推进的热量传递

经过t后，每侧冻结层厚度为x，在dt内推进dx，则dQ先通过x厚的冻结层，再在表面以对流换热方式传给冷却介质：食品的冻结时间解得：dxxδ

第18页：长圆柱与球状食品的冻结时间通式

对直径为D的长圆柱和球状食品：食品的冻结时间通式

第19页：冻结时间的形状系数

食品的冻结时间P、R为形状系数

• 大平板：P=1/2,R=1/8；
• 长圆柱：P=1/4,R=1/16；
• 球：P=1/6,R=1/24对方形或长方形食品，设a>b>c, 定义L=c, β1=b/c, β2=a/c, 根据β1, β2值，由图或表查P,R

第20页：带包装材料的冻结时间修正

• 若带有包装材料，则：食品的冻结时间

第21页：食品冻结章节标题页

3-3 食品冻结

第22页：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。

第23页：空气冻结法的三种方式

空气冻结法送风式空气冻结法半送风式空气冻结法静止空气冻结法

第24页：静止空气冻结的搁架排管

静止空气冻结－搁架排管特点：结构简单，功耗小劳动强度大，环境差融霜处理时间长，且麻烦

第25页：搁架排管冻结装置

第26页：半送风式冻结方式

半送风式冻结装置

第27页：冷藏库送风式冻结间

冷藏库送风式冻结装置

第28页：送风式冻结装置的类型

送风式冻结装置

• 往复振动斜槽式
• 吊篮式连续冻结
• 推盘式连续冻结
• 传送带式冻结隧道
  • 流态化
  • 螺旋式
  • 隧道式：两段带式、一段带式

第29页：隧道式冻结装置

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。传送带式冻结隧道(Conveyor Freezing Tunnel)吊篮式连续冻结隧道(continuous hanger Freezing Tunnel)推盘式连续冻结隧道(continuous pushing-tray Freezing Tunnel)隧道式冻结装置

第30页：隧道式冻结装置的特点

特点:投资费用较低，通用性强；自动化程度较高

第31页：传送带式冻结隧道

第32页：吊篮式连续冻结隧道的优缺点

• 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，提高了生产效率；冻结速度快、冻品各部位降温均匀，色泽好，质量高。
• 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，经济指标差。
• 吊篮式连续冻结隧道目前主要用于冻结家禽等食品。

第33页：吊篮式连续冻结隧道

第34页：推盘式连续冻结隧道的特点

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构成。推盘式连续冻结隧道主要用于冻结果蔬、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，冻结速度较快；构造简单、造价低；设备紧凑，隧道空间利用较充分。

第35页：螺旋式冻结装置的由来

为了克服传送带式隧道冻结装置占地面积大的缺点，可将传送带做成多层，由此出现了螺旋式冻结装置。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。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、吹风方式等进行了许多改进，1994年，美国约克公司改进吹风方式，并取得专利，如图所示。螺旋式冻结装置

第36页：螺旋式冻结装置整体结构

第37页：螺旋式冻结装置部件图

螺旋式冻结装置部件图

• 1－平带张紧装置
• 2－出料口
• 3－转筒
• 4－翅片蒸发器
• 5－分隔气流通道的顶板
• 6－风扇
• 7－控制板
• 8－液压装置
• 9－进料口
• 10－干燥传送带的风扇
• 11－传送带清洗系统

第38页：螺旋式冻结装置的吹风方式

第39页：流态化冻结装置的两项内容

流态化冻结装置1. 流态化基本原理及流化床的工作参数2. 流态化冻结装置的结构形式

第40页：流化床的床层阻力

床层阻力是指气体流过床层的压力降Δp。当气体通过布风板向上吹时，随着气流速度的增大，床层将发生如图9-10所示的变化，相应的气流速度与Δp的关系如图9-11所示。

第41页：固定床流态化与输送阶段

(1) 固定床阶段：A(2) 流态化阶段：B-D(3) 输送阶段：E

第42页：临界流化速度和操作速度

临界流化速度和操作速度

• 根据A·G·费根的研究，果蔬食品流化床的临界速度Vk与食品颗粒的质量呈抛物线关系，即而正常的操作速度为：式中gp————为冻品单体的质量，单位为g/个。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。

第43页：流态化冻结装置的特点

• 用流态化冻结装置冻结食品时，由于高速冷气流的包围，强化了食品冷却、冻结的过程，有效传热面积较正常冻结状态大3.5～12倍，换热强度比其他冻结装置的提高了30～40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。
• 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。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。

第44页：流态化冻结装置结构

第45页：流化床的冷风循环

第46页：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(或载冷剂)冷却的板、盘、带或其他冷壁上，与冷壁直接接触，但与制冷剂(或载冷剂)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，冻成半融状态。

第47页：平板式冻结装置的特点

平板式冻结装置的特点

• 对厚度小于50mm的食品来说，冻结快、干耗小，冻品质量高；o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5～8℃，而且不用配置风机，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；o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90mm以上的食品不能使用；未实现自动化装卸的装置仍需较大的劳动强度。

第48页：平板冻结装置的接触压力问题

使用平板冻结装置时，应注意使食品或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

第49页：平板式冻结装置结构

第50页：直接接触冻结法对冻结剂的要求

直接接触冻结法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，所以对冻结剂有一定的限制，特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，不应改变食品原有的成分和性质。

第51页：载冷剂接触冻结

二、载冷剂接触冻结载冷剂经制冷系统降温后与食品接触，使食品降温冻结。常用的载冷剂有盐水、糖溶液和丙三醇等。

第52页：液氮冻结装置的型式

低温液体冻结装置

• 液氮冻结装置(Liquid Nitrogen Freezer)液氮冻结装置大致有浸渍式、喷淋式和冷气循环式三种。
• 液氮喷淋冻结装置(Liquid Nitrogen Spraying Freezer)
• 液氮浸渍冻结装置(Liquid Nitrogen Immersion Freezer)

第53页：液氮喷淋冻结设备

第54页：液氮浸渍冻结设备

第55页：冷藏链与冷藏设施的内容安排

主要内容食品冷藏链的组成我国食品冷藏链概况食品冷藏库冷藏运输冷藏柜和冰箱

第56页：食品冷藏链的组成与分类

食品冷藏链的组成食品冷藏链(Cold Chain)是指易腐食品在生产、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，以保证食品质量，减少食品损耗的一项系统工程。

• 食品冷藏链的分类
• 1.按食品从加工到消费所经过的时间顺序分类冷冻加工、冷冻贮藏、冷藏运输和冷冻销售四个方面构成。
• 2.按冷藏链中各环节的装置分类可分为固定的装置和流动的装置。
• 食品冷藏链的结构

第57页：食品冷藏链的流程结构

食品冷藏链的结构食品原料冷冻加工冷冻贮藏冷冻运输冷冻贮藏冷冻运货冷冻贮藏冷冻销售冷冻贮藏食用

第58页：我国食品冷藏链概况

我国食品冷藏链概况

• 食品的冷冻加工
• 冷冻冷藏运输
• 销售环节

第59页：食品冷藏库的内容框架

食品冷藏库

• 概述
• 冷藏库的组成与布置
• 冷藏库的隔热与防潮
• 冷藏库容量的计算
• 冷藏库冷负荷的计算
• 冷负荷的估算方法
• 冷藏库库房的制冷工艺设计
• 装配式冷藏库

第60页：冷藏库的类型

概述冷藏库的类型

• 按冷藏库容量分类
• 按冷藏库设计温度分类:高温>–2℃;低温< –15℃
• 按使用性质分类(1)生产性冷藏库(2)分配性冷藏库(3)零售性冷藏库

第61页：冷藏库的组成与布置

冷藏库的组成与布置冷藏库的组成冷藏库是一建筑群，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、生活辅助用房和生产附属用房四大部分。

第62页：冷加工间及冷藏间的分类

冷加工间及冷藏间

• 冷却间
• 冻结间
• 冷却物冷藏间
• 冻结物冷藏间
• 冰库附：冷间的使用温度和相对湿度

第63页：冷藏库的平面与垂直布置

冷藏库的布置冷藏库库房的平面布置

• 低温冷藏间和冻结间
• 冻结物冷藏间和冷却物冷藏间冷藏库的垂直布置
• 单层冷藏库和多层冷藏库
• 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4～6层冷藏库的层高单层冷藏库的净高一般为4.8～5m ；多层冷藏库的冷藏间层高应≥4.8m。

第64页：穿堂站台平面布置示意图

穿堂站台平面布置示意图

第65页：冷藏库的隔热与防潮方法

冷藏库的绝热和防潮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。隔热防潮的方法1. 合理布置围护结构的各层材料。2. 合理布置隔汽层(Vapor Barrier)。3. 要保持隔汽层的完整性，处理好接头。4. 做好相应的防水处理。

第66页：冷库围护结构的分层做法

外内冷库一般维护结构的做法

第67页：低温绝热材料的要求

常用的绝热材料与防潮材料

• 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；比重小，且含有均匀的微小气泡；不易腐烂变质；耐火性、耐冻性好；无臭、无毒；在一定的温度范围内具有良好的热稳定性；价格低廉，资源丰富。
• 常见低温隔热材料的物性

第68页：冷藏库生产能力计算

冷藏库容量计算

• 冷藏库生产能力
• 决定冷间容量的因素
• 冷却间、冻结间生产能力计算(1)设有吊轨的冷却间和冻结间(2)设有搁架的冷却间、冻结间

第69页：冷藏库的贮藏吨位

• 冷藏库的贮藏吨位

第70页：容积利用系数表题

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

第71页：冷藏库冷负荷的四个部分

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。

第72页：围护结构传热量

1.围护结构传热量(The Wall Gain Load)

• 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

第73页：货物热量

2.货物热量(The Product Load)

第74页：库房内通风换气热量

3.库房内通风换气的热量(Air Change Load)

第75页：操作热量：照明与电动机

4.操作热量

• (1)照明热量(2)电动机运转热量
• 电动机安装在库房内时
• 电动机设置在库房外面的高温、低温穿堂时

第76页：操作热量：库门与操作人员

(3)库门开启热量(4)操作人员热量

• 4.操作热量

第77页：冷却间与冻结间的工艺参数

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-23～-30℃，空气流速采用2～4m/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

第78页：机械制冷冷藏汽车

①车首式制冷机组。②制冷机组与动力装置分开。③压缩机组独立。机械制冷冷藏汽车的蒸发器通常安装在车厢的前端，采用强制通风方式。冷藏运输

第79页：机械制冷冷藏汽车

第80页：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－冰箱盖
• 2－冰箱
• 3－防水板
• 4－通风槽
• 5－离水格栅
• （A）端装式
• （B）顶装式

第81页：铁路冷藏运输车辆

第82页：立式多层敞开式冷藏陈列柜示意图

图11-13 立式多层敞开式冷藏陈列柜示意图

• 1－荧光灯
• 2－蒸发器
• 3－通风机组
• 4－排水口

第83页：冷藏陈列柜性能比较表题

性能比较

第84页：章末结束页

再见！