食品加工中的冷却、冷冻与空调制冷技术

食品工厂的用冷部门大致有如下几个方面：为延长生产期，保持原辅料及成品新鲜的果蔬高温冷藏库及肉禽鱼类的低温冷藏库。食品在加工过程中的冷却、冷冻、速冻工艺，车间空气调节或降温需要的冷量等。

一、冷库容量及面积的确定

（一）冷库容量

食品厂各类冷库不同于商业冷库，均属生产性冷库，其容量须按生产周转、原料供应、运输条件等情况而定。一般可按年生产量的10%～20%考虑，各种冷库大小确定可参考表5-12。

（二）冷库建筑面积的估算

冷库建筑面积可根据计划任务书规定的冷藏量，按下列公式估算：

式中　A——冷库建筑面积（不包括川堂，电梯间等辅助建筑），m2；

m——计划任务书规定的冷藏量，t；

a——平面系数（有效堆货面积/建筑面积），多库房的小型冷库（稻壳隔热）取0.68～0.72，大库房的冷库（软木，泡沫塑料隔热）取0.76～0.78；

h——冷冻食品的有效堆货高度，m；

n——冷库层数；

ρ——冷冻食品的单位平均体积质量，kg/m3。

表5-12　各种冷库的储备量

二、冷库设计要求

（一）冷库建筑的特点

（1）作为食品冷加工场所，其建筑要受生产工艺流程和运输条件的制约。

（2）冷库内既要堆放货物，又要通行各种装卸运输设备，故要求结构坚固，具有较大承载力。

（3）合理设置保温隔热层和隔汽防潮层。

（4）采用的建筑材料和构件要有足够的强度和抗冻能力。

（二）冷库平面布置的基本原则

（1）根据资源量及商品的不同要求确定合理的冷藏间和间隔面积。

（2）冷库冷间的平面几何形状最好接近正方形，以减少外部围护结构。

（3）合理安排同温库房，以减少绝热层厚度。

（4）宜采用常温川堂，而不宜设室内川堂。

（三）保温隔热设计

保温隔热材料应选择导热系数小、体积质量小、吸湿性小、不易燃烧、不生虫腐烂的材料。常见隔热材料及主要物理性质见附表所示。

目前，冷库墙体隔热层的施工方式，大致可分为以下三种：分别是①采用夹层墙；②采用预制隔热嵌板；③墙体上现场喷涂聚氨酯。三种方式各有优缺点，要根据实际情况合理选择。

（四）隔汽防潮设计

（1）隔汽防潮层必须设在绝热层的高温侧。

（2）对于低温侧比较潮湿的地方，其外墙和内墙隔热层两侧均应设防潮层。

（3）相同温度的库内隔墙可不用隔汽层。

（4）常用隔汽防潮材料主要有石油沥青油毡和塑料薄膜防潮材料两大类。

三、冷库耗冷量计算

耗冷量是制冷工艺设计的基础资料，无论是库房制冷设备的设计或是机房制冷压缩机的配置，都要以耗冷量作为依据。冷库的耗冷量受冷加工食品的种类、数量、温度、冷库温度、大气温度、冷库结构等多方面因素的影响。冷库耗冷量计算比较烦琐，下面对耗冷量的经验数据和估算数值简要介绍如下：

（一）冷库总耗冷量的计算

Q0=Q1+Q2+Q3+Q4

式中　Q1——冷库围护结构的耗冷量，kJ/h；

Q2——物料冷却、冻结耗冷量，kJ/h；

Q3——库房换气通风耗冷量，kJ/h；

Q4——冷库运行管理耗冷量，kJ/h。

（二）冷库围护结构耗冷量Q1

冷库围护结构的耗冷量由库内外温差传热耗冷量Q1a和太阳辐射热引起的耗冷量Q1b两部分组成。

1.库内外温差传热的耗冷量

Q1a=K·A/（tw-tn）

式中　K——冷库围护结构的传热系数，kJ/（m2·h·℃）；

A——冷库围护结构的传热面积，m2；

tw——库外计算温度，℃；

t n——库内计算温度，℃。

其中库外计算温度tw可按下式计算：

tw=0.4tp+0.6tm

式中　t p——当地最热月的日平均温度，℃；

tm——当地极端最高温度，℃。

2.太阳辐射热引起的耗冷量

Q1b=K·A·td

式中　K——外墙和屋顶的传热系数，kJ/（m2·h·℃）；

A——受太阳辐射围护结构的面积，m2；

td——受太阳辐射影响的昼夜平均当量温度，℃。

（三）物料冷却、冻结耗冷量Q2

式中　m——冷库进货量，kg；(www.xing528.com)

h1、h2——物料冷却、冻结前后的热焓，kJ/kg；

t——冷却时间，h；

m′——包装材料质量，kg；

t1、t2——进、出库时包装材料的温度，℃；

c——包装材料的比热容，kJ/（kg·℃）；

g1、g2——果蔬进、出库时相应的呼吸热，kJ/（kg·h）。

考虑到物料初次进入的热负荷较大，计算制冷设备制冷量时应按Q2的1.3倍计考虑。

（四）库房换气通风耗冷量Q3（需换气的冷风库才进行此项计算）

Q3=3·ρ·V·Δh/t

式中　ρ——库房内空气的体积质量，kg/m3；

V——库房的体积，m3；

Δh——库内外空气的焓差，kJ/kg；

t——通风机每天工作时间，h；

3——每天更换新鲜空气的次数，一般为1～3，此处取最大值。

（五）库房运行管理的耗冷量Q4

Q4=Q4a+Q4b+Q4c+Q4d

式中　Q4a——照明的耗冷量，kJ/h，每平方米耗冷量：冷藏间4.18kJ/h，操作间16.7kJ/h；

Q4b——电动机运转耗冷量，kJ/h，Q4b=3594 N；

N——电动机额定功率kW；

Q4c——开门耗冷量，kJ/h，Q4c=n·γ·V·Δi/Z；

n——每日因开门造成的换气次数，与冷藏体积有关，100～500m3时取3，500～1000m3时取2，＞1000m3时取1；

Q4d——库房操作人员耗冷量，kJ/h，Q4d=1256 n；

n——库内同时操作人数，一般n=2～4。

由于冷藏间使用条件变化较大，为简便计，可按下式估算Q4：

Q4=（0.1～0.4）Q1

对于大型冷库取0.1，中型冷库取0.2～0.3，小型冷库可取0.4。

四、制冷方法与制冷系统

制冷是通过利用外界能量使热量从温度较低的物质（或环境）转移到温度较高的物质（或环境）的技术。目前实现制冷的方法很多，如蒸汽压缩式、吸收式、蒸汽喷射式、吸附式、热电式、膨胀式等制冷方法。其中蒸汽压缩式制冷由于性能好，效率高，而成为一种使用最为广泛的制冷方法。根据制冷剂的不同，蒸汽压缩式制冷又可分为氟利昂系统和氨制冷系统。根据制冷剂蒸汽被压缩的次数，又可分为单级压缩、双级压缩和复叠式压缩制冷系统。

氟利昂系统由于系统简单、安装便捷，制冷剂无色、无味、无毒害，而被食品工厂广泛使用在中小型冷库上，氨制冷系统由于氨具有热力学性质良好、价格便宜等优点而被广泛地使用在大中型冷库上。

一般的单级压缩制冷机，在使用中温制冷工质时，根据冷凝温度和制冷工质的不同，蒸发温度只能达-35℃左右，如需获得更低的温度（-40～-70℃）可采用双级压缩制冷循环系统。

五、制冷压缩机的选择

（一）各种温度的确定

（1）冷凝温度tk：

（2）蒸发温度t0：以空气为冷媒时，t0比空气温度低5～10℃；以水或盐水为冷媒时，t0比介质低4～6℃。

（3）过冷温度：对于小型单级压缩制冷系统，过冷温度较tk低3～5℃；对于大型制冷设备，过冷温度可从膨胀阀前的液体管上的温度计测得。

（4）压缩机吸气温度：氨压缩机的吸气温度，一般允许较t0高5～8℃，对于氟利昂制冷系统可超过15℃。

（5）压缩机排气温度：对于单级压缩氨制冷系统，可根据下式估算：

tp=2.4（tk-t0）（℃）

（二）选择计算的一般原则

（1）在冷库设计库温为-4℃以上，蒸发温度为-15℃左右的系统都采用单级压缩机。

（2）当冷凝压力与蒸发压力之比pk/p0＜8时，采用单级压缩机；当pk/p0＞8时，采用双级压缩机。

（三）单级压缩氟利昂机组的选择

常见的氟利昂制冷压缩机的主要技术数据如表5-13所示，实际生产中可根据实际需要酌情选择。

（四）氨压缩机的选择

氨压缩机出厂时都有该设备的制冷能力曲线图，该图可按所设定的蒸发温度t0和冷凝温度tk，查出相应的每1 m3理论体积制冷量qvh，然后根据计算出的机械冷负荷Q0算出所需氨压缩机的理论体积Vh：

最后查阅氨压缩机技术性能表，选择合适者用之。常见中小型单级压缩氨制冷压缩机性能如表5-14所示。

表5-13　氟利昂制冷压缩机主要技术性能表

表5-14　中小型单级氨制冷压缩机技术性能表