一、前言
　　
　　空氣制冷機主要應用于低溫領(lǐng)域，可是隨著(zhù)氟利昂對環(huán)境破壞題目的提出，空氣制冷機的應用范圍開(kāi)始拓寬。在食品冷凍領(lǐng)域的應用，雖在上世紀7O年代進(jìn)行過(guò)嘗試，可是由于某些關(guān)鍵題目沒(méi)能得到解決，因此沒(méi)能實(shí)際應用。隨著(zhù)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(fā)展。目前常用的蒸汽壓縮式制冷機，為了滿(mǎn)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(lái)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(gè)方面卻具有獨特的上風(fēng)，這里敘述為裝置小巧、簡(jiǎn)單、控制輕易和效率較高 本文從食品冷凍的特點(diǎn)出發(fā)，對空氣制冷機在該領(lǐng)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(guò)其z*大結晶區域，當食品均勻溫度低至一18℃時(shí)而迅速凍結的方法。食品在凍結過(guò)程中會(huì )發(fā)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(xué)變化（蛋白質(zhì)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(diǎn)是z*大限度地保持食品原有的營(yíng)養價(jià)值和色香味，也就是說(shuō)，在凍結過(guò)程中必須保持食品所發(fā)生的上述各種變化達到z*大的可逆性。凍結過(guò)程中天生冰結晶的數目和大小對于凍結過(guò)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(diǎn)時(shí)，s*先是自由水凍結。隨著(zhù)溫度的下降，非飽和的有機溶液繼續濃縮，z*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(yíng)養價(jià)值和色香味等優(yōu)點(diǎn)。
　　
　　2.2 凍結裝置
　　
　　由于食品的規格、外形不規整，凍結過(guò)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(fēng)式凍結裝置的應用z*為廣泛。常用的吹風(fēng)式凍結裝置多采用R 717或氟利昂制冷系統。
　　
　　吹風(fēng)式凍結是被凍結食品與冷風(fēng)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(fēng)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(guò)蒸發(fā)器冷卻降溫并由軸流風(fēng)機推動(dòng)循環(huán)活動(dòng)，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(huán)空氣與制冷系統蒸發(fā)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(huán)境。
　　
　　2.3 食品的凍結干耗
　　
　　吹風(fēng)式凍結是z*易引起凍品干耗的凍結方式。食品暴露在空氣中，重量就會(huì )減輕，光彩、外觀(guān)都會(huì )惡化。水分由食品表面蒸發(fā)或升華到空氣中被稱(chēng)為干耗。在單位時(shí)間內從食品的表面蒸發(fā)或升華到空氣中的水分量可用下式計算：
　　
　　三、開(kāi)式回冷低壓直接吸熱循環(huán)制冷原理
　　
　　應用于食品冷凍上的開(kāi)式回冷低壓直接吸熱循環(huán)空氣制冷機原理如圖3所示 工作過(guò)程是，離心風(fēng)機由大氣中吸進(jìn)空氣，過(guò)濾器可除往其中的灰塵和雜質(zhì)。具有一定壓力的熱空氣，通過(guò)三通電磁閥進(jìn)進(jìn)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(jìn)進(jìn)凍結間。在凍結間中被加熱的冷空氣，通過(guò)渦輪冷卻器降溫后進(jìn)進(jìn)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(guò)真空泵排往大氣，至此一個(gè)循環(huán)周期結束。接下來(lái)，四個(gè)三通電磁閥開(kāi)、閉切換，使蓄冷器A．B的蓄放冷作用交換。熱空氣通過(guò)蓄冷器B被蓄冷填料中蓄積的冷量冷卻；冷空氣在通過(guò)蓄冷器A時(shí)把冷量蓄存在蓄冷填料中，為下一個(gè)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(lèi)、二氧化碳和氨）中空氣為s*。對照制冷劑選擇要求，空氣具有以下特點(diǎn)：
　　
　?。?） 無(wú)毒無(wú)味、不燃燒、不爆炸和對環(huán)境沒(méi)有不良影響。
　　
　?。?） 具有很好的化學(xué)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(huì )變質(zhì)及與潤滑油相容。在空氣制冷機的制冷范圍內，不會(huì )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(yōu)于大多數的氟利昂制冷劑氣體換熱器。
　　
　?。?） 空氣的粘度無(wú)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(huán)效率可用COP值進(jìn)行比較，當制冷溫度低于一65℃ 時(shí)，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(fā)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(zhì)量如營(yíng)養成分、水分、光彩以及外觀(guān)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(huán)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(lái)說(shuō)意味著(zhù)系統復雜、設備龐大、投資增加和效率降低。這一點(diǎn)可用以下幾個(gè)方面加以證實(shí)。
　　
　?。?）蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的雙級系統，z*低的蒸發(fā)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(fā)溫度可低至一IO0~C以下。但系統是多個(gè)單級壓縮的串接，要復雜得多，同時(shí)也增加了運行難度和控制難度，投資亦會(huì )增加。而空氣制冷機當制冷溫度低于一100℃時(shí)仍可用單級系統，系統本身也較簡(jiǎn)單。
　　
　?。?）蒸汽壓縮式制冷機的凍結裝置都是將蒸發(fā)器安放于凍結本體內，在保證低溫的條件下，為進(jìn)步效率需要增大蒸發(fā)器的蒸發(fā)面積，有些凍結裝置的蒸發(fā)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(fēng)機。其結果是，冷風(fēng)機金屬耗量大，占據凍結本體空間大，風(fēng)機消耗功率大，圍護結構傳熱量和電機熱量增加。開(kāi)式回冷低壓直接吸收循環(huán)空氣制冷機，通過(guò)風(fēng)道直接向凍結本體內輸送低溫空氣，凍結本體內部沒(méi)有冷卻設備和驅動(dòng)空氣活動(dòng)的風(fēng)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(kāi)式回冷低壓直接吸熱循環(huán)空氣制冷機有獨特的優(yōu)點(diǎn)。s*先，開(kāi)式循環(huán)使用的總是新鮮空氣可避免不斷循環(huán)使用庫內空氣所帶來(lái)的微生物對食品的腐蝕；其次，由蓄冷器處理過(guò)的新鮮空氣可達飽和狀態(tài)，使得凍結本體內的空氣處于低溫高濕狀態(tài)，降低了ZXP值，從而大大減少了凍品的水分散失量。
　　
　?。?）由外部風(fēng)管送風(fēng)，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，z*大限度地縮短凍結時(shí)間，同時(shí)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(huì )結霜，在凍結過(guò)程中由于被凍結物溫度高，表面濕潤也會(huì )加速水分向冷卻設備表面移動(dòng)。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(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔必須對冷卻設備進(jìn)行除霜。除霜的方法在大型裝置中以熱氣一水聯(lián)合除霜為主，這種除霜方式具有省能、快速和徹底的特點(diǎn)。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(wú)論是熱氣一水聯(lián)合除霜還是電熱除霜都屬于間歇式，需要中止制冷過(guò)程，影響凍結裝置的連續使用，而且在除霜的整個(gè)過(guò)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(huì )產(chǎn)生冷量損失。
　　
　　開(kāi)式空氣制冷機，直接引進(jìn)環(huán)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(huì )造成渦輪冷卻器損壞，制冷機的運行噪音也會(huì )增大。通常在環(huán)境空氣的引進(jìn)管道上裝設空氣干燥過(guò)濾裝置，以除往被引進(jìn)空氣的雜質(zhì)和水分，此裝置體積龐大，耗能也較大。而開(kāi)式回冷低壓直接吸熱循環(huán)空氣制冷機，用不斷切換的兩個(gè)蓄冷器完成回冷過(guò)程的同時(shí)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(diǎn)溫度，通過(guò)的熱、濕空氣被冷卻的過(guò)程中水分凝聚在蓄冷填料表面，且大部分結冰，使得離開(kāi)的空氣被干燥。在冷吹期，飽和的低溫空氣經(jīng)過(guò)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(fā)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(jiǎn)化了系統，同時(shí)進(jìn)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(cháng)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(lǐng)域的應用展平了道路。
　　
　?。?） 開(kāi)式回冷低壓直接吸熱循環(huán)空氣制冷機應用于食品的快速凍結，雖存在有待解決的關(guān)鍵技術(shù)，但究竟有過(guò)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(lǐng)域，空氣制冷機在食品安全、運行安全和環(huán)境安全方面存在上風(fēng)。同時(shí)在效率、裝置簡(jiǎn)單和體積小巧等方面優(yōu)于蒸汽壓縮式制冷機。
　　
　?。?） 空氣制冷機應用于吹風(fēng)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(jìn)進(jìn)凍結本體的空氣為低溫高濕空氣，可z*大限度地降低凍結食品的干耗。
　　
　?。?） 凍結本體外部送風(fēng)，可根據凍結食品的外形，公道地組織氣流，進(jìn)步凍結效率。
　　
　?。?） 自清除能力，可實(shí)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(lèi)、二氧化碳和氨）中空氣為s*。對照制冷劑選擇要求，空氣具有以下特點(diǎn)：
　　
　?。?） 無(wú)毒無(wú)味、不燃燒、不爆炸和對環(huán)境沒(méi)有不良影響。
　　
　?。?） 具有很好的化學(xué)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(huì )變質(zhì)及與潤滑油相容。在空氣制冷機的制冷范圍內，不會(huì )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(yōu)于大多數的氟利昂制冷劑氣體換熱器。
　　
　?。?） 空氣的粘度無(wú)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(huán)效率可用COP值進(jìn)行比較，當制冷溫度低于一65℃ 時(shí)，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(fā)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(zhì)量如營(yíng)養成分、水分、光彩以及外觀(guān)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(huán)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(lái)說(shuō)意味著(zhù)系統復雜、設備龐大、投資增加和效率降低。這一點(diǎn)可用以下幾個(gè)方面加以證實(shí)。
　　
　?。?）蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的雙級系統，z*低的蒸發(fā)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(fā)溫度可低至一IO0~C以下。但系統是多個(gè)單級壓縮的串接，要復雜得多，同時(shí)也增加了運行難度和控制難度，投資亦會(huì )增加。而空氣制冷機當制冷溫度低于一100℃時(shí)仍可用單級系統，系統本身也較簡(jiǎn)單。
　　
　?。?）蒸汽壓縮式制冷機的凍結裝置都是將蒸發(fā)器安放于凍結本體內，在保證低溫的條件下，為進(jìn)步效率需要增大蒸發(fā)器的蒸發(fā)面積，有些凍結裝置的蒸發(fā)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(fēng)機。其結果是，冷風(fēng)機金屬耗量大，占據凍結本體空間大，風(fēng)機消耗功率大，圍護結構傳熱量和電機熱量增加。開(kāi)式回冷低壓直接吸收循環(huán)空氣制冷機，通過(guò)風(fēng)道直接向凍結本體內輸送低溫空氣，凍結本體內部沒(méi)有冷卻設備和驅動(dòng)空氣活動(dòng)的風(fēng)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(kāi)式回冷低壓直接吸熱循環(huán)空氣制冷機有獨特的優(yōu)點(diǎn)。s*先，開(kāi)式循環(huán)使用的總是新鮮空氣可避免不斷循環(huán)使用庫內空氣所帶來(lái)的微生物對食品的腐蝕；其次，由蓄冷器處理過(guò)的新鮮空氣可達飽和狀態(tài)，使得凍結本體內的空氣處于低溫高濕狀態(tài)，降低了ZXP值，從而大大減少了凍品的水分散失量。
　　
　?。?）由外部風(fēng)管送風(fēng)，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，z*大限度地縮短凍結時(shí)間，同時(shí)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(huì )結霜，在凍結過(guò)程中由于被凍結物溫度高，表面濕潤也會(huì )加速水分向冷卻設備表面移動(dòng)。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(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔必須對冷卻設備進(jìn)行除霜。除霜的方法在大型裝置中以熱氣一水聯(lián)合除霜為主，這種除霜方式具有省能、快速和徹底的特點(diǎn)。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(wú)論是熱氣一水聯(lián)合除霜還是電熱除霜都屬于間歇式，需要中止制冷過(guò)程，影響凍結裝置的連續使用，而且在除霜的整個(gè)過(guò)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(huì )產(chǎn)生冷量損失。
　　
　　開(kāi)式空氣制冷機，直接引進(jìn)環(huán)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(huì )造成渦輪冷卻器損壞，制冷機的運行噪音也會(huì )增大。通常在環(huán)境空氣的引進(jìn)管道上裝設空氣干燥過(guò)濾裝置，以除往被引進(jìn)空氣的雜質(zhì)和水分，此裝置體積龐大，耗能也較大。而開(kāi)式回冷低壓直接吸熱循環(huán)空氣制冷機，用不斷切換的兩個(gè)蓄冷器完成回冷過(guò)程的同時(shí)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(diǎn)溫度，通過(guò)的熱、濕空氣被冷卻的過(guò)程中水分凝聚在蓄冷填料表面，且大部分結冰，使得離開(kāi)的空氣被干燥。在冷吹期，飽和的低溫空氣經(jīng)過(guò)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(fā)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(jiǎn)化了系統，同時(shí)進(jìn)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(cháng)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(lǐng)域的應用展平了道路。
　　
　?。?） 開(kāi)式回冷低壓直接吸熱循環(huán)空氣制冷機應用于食品的快速凍結，雖存在有待解決的關(guān)鍵技術(shù)，但究竟有過(guò)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(lǐng)域，空氣制冷機在食品安全、運行安全和環(huán)境安全方面存在上風(fēng)。同時(shí)在效率、裝置簡(jiǎn)單和體積小巧等方面優(yōu)于蒸汽壓縮式制冷機。
　　
　?。?） 空氣制冷機應用于吹風(fēng)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(jìn)進(jìn)凍結本體的空氣為低溫高濕空氣，可z*大限度地降低凍結食品的干耗。
　　
　?。?） 凍結本體外部送風(fēng)，可根據凍結食品的外形，公道地組織氣流，進(jìn)步凍結效率。
　　
　?。?） 自清除能力，可實(shí)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(xué)員實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題整理而成，供參考，如有問(wèn)題請及時(shí)溝通、指正。