冷库制冷工艺方案设计选择

食品冷藏链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：

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

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 >–2ºC；低温<–15ºC。

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

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。

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4.85m ；多层冷藏库的冷藏间层高应4.8m。

一、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。

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。

二、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

G=L·g_L·n
(2)设有搁架的冷却间、冻结间

G=F·g·n

冷藏库的贮藏吨位

式中：G’——冷库贮藏吨位（t）

V——冷藏间、贮冰间的公称容积（t）

ρ——食品的计算密度（kg/m3）

η ——冷藏间、贮冰间的容积利用系数

三、容积利用系数

冷藏间、冻藏间容积利用系数

储冰间容积利用系数

四、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：

1）通过围护结构散失的冷量；

2）食品冷加工或冷藏的耗冷量；

3）库房内通风、换气耗冷量；

4）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。

1. 围护结构传热量

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

Q1=Qq+Qy

(1)墙壁、楼板及屋顶的传热量

Qq=A·K（Tw-Tn）·n

(2)太阳辐射引起的耗冷量

Qy=K·F·△Ty

2.货物热量

3.库房内通风换气的热量

Q₃=V·a·ρa(h_w-h_n)/m+V_r·n·ρa(h_w-h_n)

4.操作热量

Q₄=Q_4a+Q_4b+Q_4c+Q_4d

(1)照明热量

Q_4a=q_a·F

(2)电动机运转热量

电动机安装在库房内时

Q_4b=N

电动机设置在库房外面的高温、低温穿堂时

Q_4b=N·η

(3)库门开启热量

Q_4b=q_m·F

(4)操作人员热量

Q_4d=q_r·n

五、冷库制冷系统方案设计

1. 制冷方案设计的意义和内容

方案设计是根据设计任务书上的要求提出的初步设想。所以确定制冷方案阶段是一个关键的环节，如果确定的方案欠佳，不仅会给冷库建设造成不应有的经济损失，还会给冷库投产后的运行操作等留下难以克服的后患。在确定方案时，要通过分析对比，权衡利弊，选择出最佳设计方案。

制冷方案设计的内容主要包括：制冷剂的选择、压缩级数的确定、蒸发温度回路的划分、系统的供液方式和冷却方式以及蒸发器的冲霜方式等。

2.制冷工艺方案设计的基本原则

1）要满足食品冷加工要求，降低食品的干耗，保证食品的质量。

2）应尽量采用先进的制冷方法和制冷系统。

3）既要考虑冷库的建设造价，又要考虑冷库运行管理费用，同时还要考虑技术经济发展的趋势。

4）要充分利用制冷系统的各种能源，降低能耗，减少制冷成本。

3.制冷工艺设计的一般流程

基础资料和设计依据

基础资料主要包括：项目的地理位置、使用功能以及当地的气候条件、能源价格、用户发展规划等。

一）设计依据主要是指：

1）甲方提供的设计任务书。充分了解甲方委托设计的要求与任务。

2）地质勘测部门提供的相关地质、水文资料与地质报告。

3）制冷工艺设计应遵照执行的规范、规定和标准。

二）冷库库体的建筑设计

三）冷库冷库的耗冷量计算

四）制冷系统的设计

1）制冷系统的选定

考虑到制冷系统所能达到的温度范围、制冷量的大小、当地能源供应条件、环境保护要求、对振动强度的要求、对噪声高低的要求以及制冷机的适用范围，方可选出合适的制冷系统。

2）选择压缩机、冷凝器、膨胀阀、冷却设备以及各种辅件。

五）制冷站站房的布置

六）制冷管道的设计与敷设

载冷剂管道系统应当遵守的几项原则：

1）必须使制冷系统的所有管道，做到工艺系统流程合理，操作、维修、管理方便，运行安全可靠，确保生产顺利进行。

2）设备与设备、管道与设备、管道与管道之间，必须保持合理的位置关系。

3）必须保证供给蒸发器适量的制冷剂，并且能够顺利地在制冷系统内往复循环。

4）管道的尺寸合理，不允许有过大的压力降产生，以防止系统的效率和制冷能力不必要的降低。

5）根据制冷系统的不同特点和不同管段，必须设计有一定的坡度和坡向。

6）输送液体的管段，除特殊要求外，不允许设计成倒“U”字形管段，一免形成气囊，阻碍流体的流通。

7）输送气体的管段，除特殊要求外，不允许设计成倒“U”字形管段，一免形成液囊，阻碍流体的流通。

8）必须防止润滑油积集在制冷系统的其它无关部位。

9）制冷系统开始工作后，如遇有部分停机或全部停机时，必须防止液体进入压缩机。

10）必须按照制冷系统所用的制冷剂的特点，选用管材、阀门和仪表等。

制冷系统的管道敷设分为3种方式：架空敷设、地沟敷设和埋地敷设（又称直埋敷设）。

4.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至-30℃，空气流速采用24m/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。

六、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

制冷工质

载冷剂的性质

常用载冷剂：水、盐水、溶液和有机物溶液

1.盐水的性质

2.有机载冷剂的物理性质

七、食品的冻结

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。

食品的冻结时间

经过t后，每侧冻结层厚度为x，在dt内推进dx，则

dQ=hρAdx

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：

解得：

对直径为D的长圆柱和球状食品：

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, 1=b/c, 2=a/c,

根据B1, B2值，由图或表查P,R

若带有包装材料，则：

食品冻结方法

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。

静止空气冻结－搁架排管

半送风式冻结装置

冷藏库送风式冻结装置

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

吊篮式连续冻结隧道

推盘式连续冻结隧道

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。

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。

螺旋式冻结装置

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。

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

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。

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。

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；

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％；

可在常温下工作，改善了劳动条件；

占地少，节约了土建费用，建设周期也短。

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。

平板冻结装置应注意的问题

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。

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。

低温液体冻结装置

液氮冻结装置

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

液氮浸渍冻结装置

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