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空氣制冷機在低溫冷凍行業應用

發布時間:2016-11-21      點擊次數:1239

空氣制冷機主要應用于低溫領域,可是隨著氟利昂對環境破壞題目的提出,空氣制冷機的應用范圍開始拓寬。在食品冷凍領域的應用,雖在上世紀7O年代進行過嘗試,可是由于某些關鍵題目沒能得到解決,因此沒能實際應用。隨著食品快速凍結要求的日益迫切,使得凍結裝置的冷源正朝低溫化發展。目前常用的蒸汽壓縮式制冷機,為了滿足快速凍結裝置的低溫要求,也已由雙級壓縮制冷機向復疊式制冷機方向轉移。所帶來的題目則是裝置龐大、結構復雜、投資增大、控制困難和效率降低??墒强諝庵评錂C在以上各個方面卻具有*的上風,這里敘述為裝置小巧、簡單、控制輕易和效率較高 本文從食品冷凍的特點出發,對空氣制冷機在該領域的應用遠景給予分析。
  二、食品冷凍
  2.1 食品的快速凍結
  食品快速凍結是指食品迅速通過其zui大結晶區域,當食品均勻溫度低至一18℃時而迅速凍結的方法。食品在凍結過程中會發生各種各樣的變化,如物理變化(體積、導熱性、比熱、干耗等),化學變化(蛋白質變性、色變等),細胞組織變化以及生物和微生物的變化等??焖賰鼋Y食品的特點是zui大限度地保持食品原有的營養價值和色香味,也就是說,在凍結過程中必須保持食品所發生的上述各種變化達到zui大的可逆性。凍結過程中天生冰結晶的數目和大小對于凍結過程的可逆性程度具有很大的意義。凍結速度越快,形成的冰結晶越細小、均勻,而不致于刺傷細胞造成機械損傷。由于有機體內汁液都是非飽和的有機溶液,在低于冰點時,首先是自由水凍結。隨著溫度的下降,非飽和的有機溶液繼續濃縮,zui后剩余的部分以低共溶混合物的形式均勻凍結。由于食品細胞組織未被破壞,所以具有保持原有食品營養價值和色香味等優點。
  2.2 凍結裝置
  由于食品的規格、外形不規整,凍結過程中不??词称放c冷表面或液體載冷劑相接觸,防止造成食品污染。吹風式凍結裝置的應用。常用的吹風式凍結裝置多采用R 717或氟利昂制冷系統。
  吹風式凍結是被凍結食品與冷風相接觸使食品溫度降低,直至內部水分凍結的凍結方式,其典型凍結裝置如圖1所示。凍結裝置由保溫體、食品傳送機械、送風機和制冷系統組成。食品擺放在傳送機械上,保溫體內的空氣由制冷系統通過蒸發器冷卻降溫并由軸流風機推動循環活動,不斷與食品表面接觸,帶走食品熱量,使食品被冷卻和凍結。食品熱量等熱負荷被循環空氣與制冷系統蒸發器表面接觸,并將熱量轉遞至制冷系統,由制冷系統輸送至環境。
  2.3 食品的凍結干耗
  吹風式凍結是zui易引起凍品干耗的凍結方式。食品暴露在空氣中,重量就會減輕,光彩、外觀都會惡化。水分由食品表面蒸發或升華到空氣中被稱為干耗。在單位時間內從食品的表面蒸發或升華到空氣中的水分量可用下式計算:
  三、開式回冷低壓直接吸熱循環制冷原理
  應用于食品冷凍上的開式回冷低壓直接吸熱循環空氣制冷機原理如圖3所示 工作過程是,離心風機由大氣中吸進空氣,過濾器可除往其中的灰塵和雜質。具有一定壓力的熱空氣,通過三通電磁閥進進蓄冷器A,熱空氣與蓄冷填料熱交換,熱空氣被冷卻,金屬填料被加熱,之后由出口排出進進凍結間。在凍結間中被加熱的冷空氣,通過渦輪冷卻器降溫后進進蓄冷器B,與蓄冷填料熱交換,冷空氣被加熱,蓄冷填料被冷卻,被加熱的冷空氣通過真空泵排往大氣,至此一個循環周期結束。接下來,四個三通電磁閥開、閉切換,使蓄冷器A.B的蓄放冷作用交換。熱空氣通過蓄冷器B被蓄冷填料中蓄積的冷量冷卻;冷空氣在通過蓄冷器A時把冷量蓄存在蓄冷填料中,為下一個工作周期做好預備。
  四、空氣制冷機在食品冷凍上的應用分析
  4.1 空氣與氟利昂制冷劑的比較
  在5種安全制冷劑(空氣、水蒸氣、烴類、二氧化碳和氨)中空氣為首。對照制冷劑選擇要求,空氣具有以下特點:
 ?。?) 無毒無味、不燃燒、不爆炸和對環境沒有不良影響。
 ?。?) 具有很好的化學穩定性,純凈的空氣不具有對金屬材料或非金屬材料的腐蝕性,不會變質及與潤滑油相容。在空氣制冷機的制冷范圍內,不會出現高溫分解現象。
 ?。?) 空氣的導熱系數約是R22汽體的2倍,稍小于氨蒸汽,其換熱器的性能優于大多數的氟利昂制冷劑氣體換熱器。
 ?。?) 空氣的粘度無論在低溫還是高溫下約大于R22蒸汽的粘度10倍,密度比R22蒸汽小約8倍,在設備和管道內的阻力相差不大。
 ?。?) 循環效率可用COP值進行比較,當制冷溫度低于一65℃ 時,空氣制冷劑的COP大于蒸汽壓縮式制冷機,且制冷溫度越低,兩者相差越懸殊。
 ?。?) 空氣制冷方式屬于透平膨脹(節流降壓)制冷,與蒸汽壓縮式制冷的制冷劑蒸發制冷不同,制冷機的工作壓力保持正壓,空氣壓縮機的壓縮比也遠遠小于制冷壓縮機,因此安全性更高,系統中的管道和設備管材都可采用耐壓較低的材料。
  4.2 凍結裝置方面
  由食品冷凍原理可知,凍結食品質量如營養成分、水分、光彩以及外觀外形的保持等,對凍結裝置內的溫度提出了更加苛刻的要求,對循環空氣的濕度和流速也有限制。降低溫度對蒸汽壓縮式制冷機來說意味著系統復雜、設備龐大、投資增加和效率降低。這一點可用以下幾個方面加以證實。
 ?。?)蒸汽壓縮式制冷循環的雙級系統,zui低的蒸發溫度是一70℃ ,復疊式蒸汽壓縮式系統根據采用的復疊級數不同,蒸發溫度可低至一IO0~C以下。但系統是多個單級壓縮的串接,要復雜得多,同時也增加了運行難度和控制難度,投資亦會增加。而空氣制冷機當制冷溫度低于一100℃時仍可用單級系統,系統本身也較簡單。
 ?。?)蒸汽壓縮式制冷機的凍結裝置都是將蒸發器安放于凍結本體內,在保證低溫的條件下,為進步效率需要增大蒸發器的蒸發面積,有些凍結裝置的蒸發面積與凍結本體的底面積之比大于100:1,為了確保凍結速度又必須配置大功率的風機。其結果是,冷風機金屬耗量大,占據凍結本體空間大,風機消耗功率大,圍護結構傳熱量和電機熱量增加。開式回冷低壓直接吸收循環空氣制冷機,通過風道直接向凍結本體內輸送低溫空氣,凍結本體內部沒有冷卻設備和驅動空氣活動的風機。因此,凍結本體體積和傳熱表面都小,其圍護結構熱負荷和電機運轉熱量相應減少。
 ?。?)從降低食品干耗的角度考慮,開式回冷低壓直接吸熱循環空氣制冷機有*的優點。首先,開式循環使用的總是新鮮空氣可避免不斷循環使用庫內空氣所帶來的微生物對食品的腐蝕;其次,由蓄冷器處理過的新鮮空氣可達飽和狀態,使得凍結本體內的空氣處于低溫高濕狀態,降低了ZXP值,從而大大減少了凍品的水分散失量。
 ?。?)由外部風管送風,易于公道化組織氣流??筛鶕銎返耐庑?、擺放形式公道地組織氣流,確保凍品與冷空氣有充分的接觸,zui大限度地縮短凍結時間,同時可想法避免氣流的短路浪費。
  4.3 除霜
  在低溫下工作的制冷機其換熱表面不可避免地會結霜,在凍結過程中由于被凍結物溫度高,表面濕潤也會加速水分向冷卻設備表面移動。在蒸汽壓縮式制冷機中,為了確保裝置的效率和冷量的足夠輸出,經過一定的時間間隔必須對冷卻設備進行除霜。除霜的方法在大型裝置中以熱氣一水聯合除霜為主,這種除霜方式具有省能、快速和*的特點。在中小型裝置中,則以電熱除霜為主,這種除霜方式雖具有良好的效果,但能耗很大。無論是熱氣一水聯合除霜還是電熱除霜都屬于間歇式,需要中止制冷過程,影響凍結裝置的連續使用,而且在除霜的整個過程中,有大量的水蒸氣和熱量散布于凍結本體內,造成濕、熱負荷增加。由于凍結本體內溫度很低,其排水管道輕易凍結,排水管道與保溫管道的連接處也會產生冷量損失。
  開式空氣制冷機,直接引進環境的濕空氣,在低溫的條件下濕空氣中的水分析出并結冰會造成渦輪冷卻器損壞,制冷機的運行噪音也會增大。通常在環境空氣的引進管道上裝設空氣干燥過濾裝置,以除往被引進空氣的雜質和水分,此裝置體積龐大,耗能也較大。而開式回冷低壓直接吸熱循環空氣制冷機,用不斷切換的兩個蓄冷器完成回冷過程的同時也具有干燥空氣的作用。圖3所示的系統,在熱吹階段,蓄冷器的蓄冷填料溫度遠低于濕空氣的露點溫度,通過的熱、濕空氣被冷卻的過程中水分凝聚在蓄冷填料表面,且大部分結冰,使得離開的空氣被干燥。在冷吹期,飽和的低溫空氣經過蓄冷填料加熱,成為干燥空氣又可使填料表面的凝聚水和冰晶蒸發和升華并排至大氣,從而使蓄冷器保持干燥空氣的能力。這種回冷和自清除的結合方式大大簡化了系統,同時進步了運行效率。自清除的作用,使得凍結裝置具備了連續運行的能力,而且避免了熱、濕負荷的增加和冷量的損失,并延長了保溫體的保溫壽命。
  五 結論
 ?。?) 食品快速凍結的日益迫切,和自然制冷劑的興起,為空氣制冷機在食品冷凍領域的應用展平了道路。
 ?。?) 開式回冷低壓直接吸熱循環空氣制冷機應用于食品的快速凍結,雖存在有待解決的關鍵技術,但究竟有過試驗樣機,其制冷原理是清楚的,從而奠定了它的應用基礎。
 ?。?) 在食品冷凍領域,空氣制冷機在食品安全、運行安全和環境安全方面存在上風。同時在效率、裝置簡單和體積小巧等方面優于蒸汽壓縮式制冷機。
 ?。?) 空氣制冷機應用于吹風式凍結裝置中,凍結本體體積小、維護結構傳熱量和電機熱量遠小于蒸汽壓縮式制冷機。
 ?。?) 進進凍結本體的空氣為低溫高濕空氣,可zui大限度地降低凍結食品的干耗。
 ?。?) 凍結本體外部送風,可根據凍結食品的外形,公道地組織氣流,進步凍結效率。
 ?。?) 自清除能力,可實現食品的連續凍結,減少濕、熱負荷和冷量的損失。
  四、空氣制冷機在食品冷凍上的應用分析
  4.1 空氣與氟利昂制冷劑的比較
  在5種安全制冷劑(空氣、水蒸氣、烴類、二氧化碳和氨)中空氣為首。對照制冷劑選擇要求,空氣具有以下特點:
 ?。?) 無毒無味、不燃燒、不爆炸和對環境沒有不良影響。
 ?。?) 具有很好的化學穩定性,純凈的空氣不具有對金屬材料或非金屬材料的腐蝕性,不會變質及與潤滑油相容。在空氣制冷機的制冷范圍內,不會出現高溫分解現象。
 ?。?) 空氣的導熱系數約是R22汽體的2倍,稍小于氨蒸汽,其換熱器的性能優于大多數的氟利昂制冷劑氣體換熱器。
 ?。?) 空氣的粘度無論在低溫還是高溫下約大于R22蒸汽的粘度10倍,密度比R22蒸汽小約8倍,在設備和管道內的阻力相差不大。
 ?。?) 循環效率可用COP值進行比較,當制冷溫度低于一65℃ 時,空氣制冷劑的COP大于蒸汽壓縮式制冷機,且制冷溫度越低,兩者相差越懸殊。
 ?。?) 空氣制冷方式屬于透平膨脹(節流降壓)制冷,與蒸汽壓縮式制冷的制冷劑蒸發制冷不同,制冷機的工作壓力保持正壓,空氣壓縮機的壓縮比也遠遠小于制冷壓縮機,因此安全性更高,系統中的管道和設備管材都可采用耐壓較低的材料。
  4.2 凍結裝置方面
  由食品冷凍原理可知,凍結食品質量如營養成分、水分、光彩以及外觀外形的保持等,對凍結裝置內的溫度提出了更加苛刻的要求,對循環空氣的濕度和流速也有限制。降低溫度對蒸汽壓縮式制冷機來說意味著系統復雜、設備龐大、投資增加和效率降低。這一點可用以下幾個方面加以證實。
 ?。?)蒸汽壓縮式制冷循環的雙級系統,zui低的蒸發溫度是一70℃ ,復疊式蒸汽壓縮式系統根據采用的復疊級數不同,蒸發溫度可低至一IO0~C以下。但系統是多個單級壓縮的串接,要復雜得多,同時也增加了運行難度和控制難度,投資亦會增加。而空氣制冷機當制冷溫度低于一100℃時仍可用單級系統,系統本身也較簡單。
 ?。?)蒸汽壓縮式制冷機的凍結裝置都是將蒸發器安放于凍結本體內,在保證低溫的條件下,為進步效率需要增大蒸發器的蒸發面積,有些凍結裝置的蒸發面積與凍結本體的底面積之比大于100:1,為了確保凍結速度又必須配置大功率的風機。其結果是,冷風機金屬耗量大,占據凍結本體空間大,風機消耗功率大,圍護結構傳熱量和電機熱量增加。開式回冷低壓直接吸收循環空氣制冷機,通過風道直接向凍結本體內輸送低溫空氣,凍結本體內部沒有冷卻設備和驅動空氣活動的風機。因此,凍結本體體積和傳熱表面都小,其圍護結構熱負荷和電機運轉熱量相應減少。
 ?。?)從降低食品干耗的角度考慮,開式回冷低壓直接吸熱循環空氣制冷機有*的優點。首先,開式循環使用的總是新鮮空氣可避免不斷循環使用庫內空氣所帶來的微生物對食品的腐蝕;其次,由蓄冷器處理過的新鮮空氣可達飽和狀態,使得凍結本體內的空氣處于低溫高濕狀態,降低了ZXP值,從而大大減少了凍品的水分散失量。
 ?。?)由外部風管送風,易于公道化組織氣流??筛鶕銎返耐庑?、擺放形式公道地組織氣流,確保凍品與冷空氣有充分的接觸,zui大限度地縮短凍結時間,同時可想法避免氣流的短路浪費。
  4.3 除霜
  在低溫下工作的制冷機其換熱表面不可避免地會結霜,在凍結過程中由于被凍結物溫度高,表面濕潤也會加速水分向冷卻設備表面移動。在蒸汽壓縮式制冷機中,為了確保裝置的效率和冷量的足夠輸出,經過一定的時間間隔必須對冷卻設備進行除霜。除霜的方法在大型裝置中以熱氣一水聯合除霜為主,這種除霜方式具有省能、快速和*的特點。在中小型裝置中,則以電熱除霜為主,這種除霜方式雖具有良好的效果,但能耗很大。無論是熱氣一水聯合除霜還是電熱除霜都屬于間歇式,需要中止制冷過程,影響凍結裝置的連續使用,而且在除霜的整個過程中,有大量的水蒸氣和熱量散布于凍結本體內,造成濕、熱負荷增加。由于凍結本體內溫度很低,其排水管道輕易凍結,排水管道與保溫管道的連接處也會產生冷量損失。
  開式空氣制冷機,直接引進環境的濕空氣,在低溫的條件下濕空氣中的水分析出并結冰會造成渦輪冷卻器損壞,制冷機的運行噪音也會增大。通常在環境空氣的引進管道上裝設空氣干燥過濾裝置,以除往被引進空氣的雜質和水分,此裝置體積龐大,耗能也較大。而開式回冷低壓直接吸熱循環空氣制冷機,用不斷切換的兩個蓄冷器完成回冷過程的同時也具有干燥空氣的作用。圖3所示的系統,在熱吹階段,蓄冷器的蓄冷填料溫度遠低于濕空氣的露點溫度,通過的熱、濕空氣被冷卻的過程中水分凝聚在蓄冷填料表面,且大部分結冰,使得離開的空氣被干燥。在冷吹期,飽和的低溫空氣經過蓄冷填料加熱,成為干燥空氣又可使填料表面的凝聚水和冰晶蒸發和升華并排至大氣,從而使蓄冷器保持干燥空氣的能力。這種回冷和自清除的結合方式大大簡化了系統,同時進步了運行效率。自清除的作用,使得凍結裝置具備了連續運行的能力,而且避免了熱、濕負荷的增加和冷量的損失,并延長了保溫體的保溫壽命。
  五 結論
 ?。?) 食品快速凍結的日益迫切,和自然制冷劑的興起,為空氣制冷機在食品冷凍領域的應用展平了道路。
 ?。?) 開式回冷低壓直接吸熱循環空氣制冷機應用于食品的快速凍結,雖存在有待解決的關鍵技術,但究竟有過試驗樣機,其制冷原理是清楚的,從而奠定了它的應用基礎。
 ?。?) 在食品冷凍領域,空氣制冷機在食品安全、運行安全和環境安全方面存在上風。同時在效率、裝置簡單和體積小巧等方面優于蒸汽壓縮式制冷機。
 ?。?) 空氣制冷機應用于吹風式凍結裝置中,凍結本體體積小、維護結構傳熱量和電機熱量遠小于蒸汽壓縮式制冷機。
 ?。?) 進進凍結本體的空氣為低溫高濕空氣,可zui大限度地降低凍結食品的干耗。
 ?。?) 凍結本體外部送風,可根據凍結食品的外形,公道地組織氣流,進步凍結效率。
 ?。?) 自清除能力,可實現食品的連續凍結,減少濕、熱負荷和冷量的損失。
  以上內容均根據學員實際工作中遇到的問題整理而成,供參考,如有問題請及時溝通、指正。

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