空气制冷机在冷冻中的应用
摘要：食品冷冻正朝着快速冻结的方向发展。传统的蒸汽压缩式制冷机受到制冷剂替代和制冷温度降低所带来的效率下降等方面约束，使得在低温下具有较高效率的空气制冷机有了生机。文中首先阐述了保证冻结食品质量的关键因素，介绍了可用于食品快速冻结的开式回冷低压直接吸热循环空气制冷机原理，进而分析了空气制冷机在食品快速冻结领域应用所具有的优势。
1 前言
空气制冷机主要应用于低温领域，可是随着氟利昂对环境破坏问题的提出，空气制冷机的应用范围开始拓宽。在食品冷冻领域的应用，虽在上世纪7O年代进行过尝试，可是由于某些关键问题没能得到解决，因此没能实际应用。随着食品快速冻结要求的日益迫切，使得冻结装置的冷源正朝低温化发展。目前常用的蒸汽压缩式制冷机，为了满足快速冻结装置的低温要求，也已由双级压缩制冷机向复叠式制冷机方向转移。所带来的问题则是装置庞大、结构复杂、投资增大、控制困难和效率降低。可是空气制冷机在以上各个方面却具有独特的优势，这里叙述为装置小巧、简单、控制容易和效率较高 本文从食品冷冻的特点出发，对空气制冷机在该领域的应用前景给予分析。
2 食品冷冻
2．1 食品的快速冻结
食品快速冻结是指食品迅速通过其最大结晶区域，当食品平均温度低至一18℃时而迅速冻结的方法。食品在冻结过程中会发生各种各样的变化，如物理变化(体积、导热性、比热、干耗等)，化学变化(蛋白质变性、色变等)，细胞组织变化以及生物和微生物的变化等。快速冻结食品的特点是最大限度地保持食品原有的营养价值和色香味，也就是说，在冻结过程中必须保持食品所发生的上述各种变化达到最大的可逆性。冻结过程中生成冰结晶的数量和大小对于冻结过程的可逆性程度具有很大的意义。冻结速度越快，形成的冰结晶越细小、均匀，而不致于刺伤细胞造成机械损伤。因为有机体内汁液都是非饱和的有机溶液，在低于冰点时，首先是自由水冻结。随着温度的下降，非饱和的有机溶液继续浓缩，最后剩余的部分以低共溶混合物的形式均匀冻结。因为食品细胞组织未被破坏，所以具有保持原有食品营养价值和色香味等优点。
2．2 冻结装置
由于食品的规格、形状不规整，冻结过程中不希望食品与冷表面或液体载冷剂相接触，防止造成食品污染。吹风式冻结装置的应用最为广泛。常用的吹风式冻结装置多采用R 717或氟利昂制冷系统。
吹风式冻结是被冻结食品与冷风相接触使食品温度降低，直至内部水分冻结的冻结方式，其典型冻结装置如图1所示。冻结装置由保温体、食品传送机械、送风机和制冷系统组成。食品摆放在传送机械上，保温体内的空气由制冷系统通过蒸发器冷却降温并由轴流风机推动循环流动，不断与食品表面接触，带走食品热量，使食品被冷却和冻结。食品热量等热负荷被循环空气与制冷系统蒸发器表面接触，并将热量转递至制冷系统，由制冷系统输送至环境。
2．3 食品的冻结干耗
吹风式冻结是最易引起冻品干耗的冻结方式。食品暴露在空气中，重量就会减轻，色泽、外观都会恶化。水分由食品表面蒸发或升华到空气中被称为干耗。在单位时间内从食品的表面蒸发或升华到空气中的水分量可用下式计算：
3 开式回冷低压直接吸热循环制冷原理
应用于食品冷冻上的开式回冷低压直接吸热循环空气制冷机原理如图3所示 工作过程是，离心风机由大气中吸入空气，过滤器可除去其中的灰尘和杂质。具有一定压力的热空气，通过三通电磁阀进入蓄冷器A，热空气与蓄冷填料热交换，热空气被冷却，金属填料被加热，之后由出口排出进入冻结间。在冻结间中被加热的冷空气，通过涡轮冷却器降温后进入蓄冷器B，与蓄冷填料热交换，冷空气被加热，蓄冷填料被冷却，被加热的冷空气通过真空泵排往大气，至此一个循环周期结束。接下来，四个三通电磁阀开、闭切换，使蓄冷器A、B的蓄放冷作用交换。热空气通过蓄冷器B被蓄冷填料中蓄积的冷量冷却；冷空气在通过蓄冷器A时把冷量蓄存在蓄冷填料中，为下一个工作周期做好准备。
4 空气制冷机在食品冷冻上的应用分析
4．1 空气与氟利昂制冷剂的比较
在5种安全制冷剂(空气、水蒸气、烃类、二氧化碳和氨)中空气为首。对照制冷剂选择要求，空气具有以下特点：
(1)无毒无味、不燃烧、不爆炸和对环境没有不良影响。
(2)具有很好的化学稳定性，纯净的空气不具有对金属材料或非金属材料的腐蚀性，不会变质及与润滑油相容。在空气制冷机的制冷范围内，不会出现高温分解现象。
(3)空气的导热系数约是R22汽体的2倍，稍小于氨蒸汽，其换热器的性能优于大多数的氟利昂制冷剂气体换热器。
(4) 空气的粘度无论在低温还是高温下约大于R22蒸汽的粘度10倍，密度比R22蒸汽小约8倍，在设备和管道内的阻力相差不大。
(5)循环效率可用COP值进行比较，当制冷温度低于一65℃ 时，空气制冷剂的COP大于蒸汽压缩式制冷机，且制冷温度越低，两者相差越悬殊。
(6)空气制冷方式属于透平膨胀(节流降压)制冷，与蒸汽压缩式制冷的制冷剂蒸发制冷不同，制冷机的工作压力保持正压，空气压缩机的压缩比也远远小于制冷压缩机，因此安全性更高，系统中的管道和设备管材都可采用耐压较低的材料。
4．2 冻结装置方面
由食品冷冻原理可知，冻结食品质量如营养成分、水分、色泽以及外观形状的保持等，对冻结装置内的温度提出了更加苛刻的要求，对循环空气的湿度和流速也有限制。降低温度对蒸汽压缩式制冷机来说意味着系统复杂、设备庞大、投资增加和效率降低。这一点可用以下几个方面加以证明。
(1)蒸汽压缩式制冷循环的双级系统，最低的蒸发温度是一70℃ ，复叠式蒸汽压缩式系统根据采用的复叠级数不同，蒸发温度可低至一IO0~C以下。但系统是多个单级压缩的串接，要复杂得多，同时也增加了运行难度和控制难度，投资亦会增加。而空气制冷机当制冷温度低于一100℃时仍可用单级系统，系统本身也较简单。
(2)蒸汽压缩式制冷机的冻结装置都是将蒸发器安放于冻结本体内，在保证低温的前提下，为提高效率需要增大蒸发器的蒸发面积，有些冻结装置的蒸发面积与冻结本体的底面积之比大于100：1，为了确保冻结速度又必须配置大功率的风机。其结果是，冷风机金属耗量大，占据冻结本体空间大，风机消耗功率大，围护结构传热量和电机热量增加。开式回冷低压直接吸收循环空气制冷机，通过风道直接向冻结本体内输送低温空气，冻结本体内部没有冷却设备和驱动空气流动的风机。因此，冻结本体体积和传热表面都小，其围护结构热负荷和电机运转热量相应减少。
(3)从降低食品干耗的角度考虑，开式回冷低压直接吸热循环空气制冷机有独特的优点。首先，开式循环使用的总是新鲜空气可避免不断循环使用库内空气所带来的微生物对食品的侵蚀；其次，由蓄冷器处理过的新鲜空气可达饱和状态，使得冻结本体内的空气处于低温高湿状态，降低了ZXP值，从而大大减少了冻品的水分散失量。
(4)由外部风管送风，易于合理化组织气流。可根据冻品的形状、摆放形式合理地组织气流，确保冻品与冷空气有充分的接触，最大限度地缩短冻结时间，同时可设法避免气流的短路浪费。
4．3 除霜
在低温下工作的制冷机其换热表面不可避免地会结霜，在冻结过程中由于被冻结物温度高，表面湿润也会加速水分向冷却设备表面移动。在蒸汽压缩式制冷机中，为了确保装置的效率和冷量的足够输出，经过一定的时间间隔必须对冷却设备进行除霜。除霜的方法在大型装置中以热气一水联合除霜为主，这种除霜方式具有省能、快速和彻底的特点。在中小型装置中，则以电热除霜为主，这种除霜方式虽具有良好的效果，但能耗很大。无论是热气一水联合除霜还是电热除霜都属于间歇式，需要中止制冷过程，影响冻结装置的连续使用，而且在除霜的整个过程中，有大量的水蒸气和热量散布于冻结本体内，造成湿、热负荷增加。由于冻结本体内温度很低，其排水管道容易冻结，排水管道与保温管道的连接处也会产生冷量损失。
开式空气制冷机，直接引入环境的湿空气，在低温的条件下湿空气中的水分析出并结冰会造成涡轮冷却器损坏，制冷机的运行噪音也会增大。通常在环境空气的引入管道上装设空气干燥过滤装置，以除去被引入空气的杂质和水分，此装置体积庞大，耗能也较大。而开式回冷低压直接吸热循环空气制冷机，用不断切换的两个蓄冷器完成回冷过程的同时也具有干燥空气的作用。图3所示的系统，在热吹阶段，蓄冷器的蓄冷填料温度远低于湿空气的露点温度，通过的热、湿空气被冷却的过程中水分凝结在蓄冷填料表面，且大部分结冰，使得离开的空气被干燥。在冷吹期，饱和的低温空气经过蓄冷填料加热，成为干燥空气又可使填料表面的凝结水和冰晶蒸发和升华并排至大气，从而使蓄冷器保持干燥空气的能力。这种回冷和自清除的结合方式大大简化了系统，同时提高了运行效率。自清除的作用，使得冻结装置具备了连续运行的能力，而且避免了热、湿负荷的增加和冷量的损失，并延长了保温体的保温寿命。
5 结论
(1)食品快速冻结的日益迫切，和天然制冷剂的兴起，为空气制冷机在食品冷冻领域的应用铺平了道路。
(2)开式回冷低压直接吸热循环空气制冷机应用于食品的快速冻结，虽存在有待解决的关键技术，但毕竟有过试验样机，其制冷原理是清晰的，从而奠定了它的应用基础。
(3)在食品冷冻领域，空气制冷机在食品安全、运行安全和环境安全方面存在优势。同时在效率、装置简单和体积小 巧等方面优于蒸汽压缩式制冷机。
(4)空气制冷机应用于吹风式冻结装置中，冻结本体体积小、维护结构传热量和电机热量远小于蒸汽压缩式制冷机。
(5)进入冻结本体的空气为低温高湿空气，可最大限度地降低冻结食品的干耗。
(6)冻结本体外部送风，可根据冻结食品的形状，合理地组织气流，提高冻结效率。
(7)自清除能力，可实现食品的连续冻结，减少湿、热负荷和冷量的损失。
