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中大奖|家用半导体制冷冰淇淋机的开发研究


【上海超承】食品机械专业制造,信赖保证 / 2017-04-29
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冰淇淋逐渐被国人接受,尤其是深受少年儿童的喜欢。但一般商业上制作的冰淇淋为了控制成本,大量使用了增稠剂、人工香料等添加剂。过多食用商业冰淇淋对人身体没有好处。而家庭自制的冰淇淋使用的是真材实料,食用安全卫士。因而家庭自制冰淇淋成为一种新的需求。为满足这种需求,本文进行了相关的研发。

1 冰淇淋成型工艺与主要原理

(1)冰淇淋的定义:冰淇淋是饮用水、乳品(蛋白含量为原料的2%以上)、蛋品、甜味剂、香味料、食用油脂等为主要原料,加入适量的香料、稳定剂、着色剂、乳化剂等食品添加剂,经混合、凝冻等工艺制成的体积膨胀的冷冻饮料。

(2)冰淇淋的结构:冰淇淋的物理构造很复杂。由液相(60%~70%)、气相(50% )、固相(30%~40%)三相构成。

三相的构成形式主要是,气泡包围着冰的结晶连续向液相中分散,在液相中含有固态的脂肪、蛋白质、不溶性盐类、乳糖结晶、稳定剂、溶液状的蔗糖、乳糖、盐类等。

(3)一般冰淇淋的加工工艺流程:原料混合-> 杀菌-> 均质->冷却与老化->凝冻->成型与硬化。

(4)市面上的冰淇淋机主要原理。市面上的一些主要的家用冰淇淋机,都是围绕冰淇淋成型工艺中凝冻这个工序来做文章的。凝冻的过程也是冰淇淋成型膨化的过程,其让人能直观的感受到冰淇淋的成型的整个过程。一般家用冰淇淋机的原理结构如表1所示。

2 半导体制冷简介

(1)半导体制冷原理。半导体致冷又称为温差电致冷或热电致冷。具有热电能量转换特性的材料,在通过直流电时有致冷功能,因此而得名热电致冷。总的热电效应由 同时发生的五种不同的效应组成,它们是:赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。其中帕尔贴效应是主要的制冷效应。

(2)半导体致冷组件的结构。我们知道半导体按导电类型分N型材料和P型材料,将N型元件和P型元件大规模串联成回路,使每个元件相连接的都是不同导电类型的元件,这样就形成了半导体致冷组件。致冷组件的上下面是陶瓷片,它的主要成分是95%氣化铝,起电绝缘、导热和支撑作用。在它的表面烧结有金属化图形。与陶瓷片连接的是导流片,它的成分是无氣铜。它起导电和导热作用。通过锡焊接在陶瓷片的金属化图形上。上下导流片之间是半导体致冷元件,它的主要成分是碲化鉍。它是致冷组件的主功能部件,分N型元件和P型元件,通过锡焊 接在导流片上。

(3)半导体致冷组件最高使用电压和最大温差电流。常温下每对半导体致冷元件最高所允许施加的是0.12V。每种致冷组件最高所允许施加的电压是:元件对数xO.12。 每片致冷组件的最大温差电流可以粗略的计算为:元件对数x0.12x0.77/R。半导体致冷的特性曲线如图1所示。

以TEC1-12705为例。从图中看出:半导体致冷组件的工作电流和产 冷功率的关系呈抛物线形状。电流达到最大温差电流时和略低的电流时 (比如电流从5A降至4A)的产冷功率相差不大,但是输入的电功率相差却很大。以该制冷片性能来看,额定使用状况的电流值最好不要在其最大值5A,而在其经济功率4?4.5A左右为宜。

3 冰淇淋机现有相关专利调查研究

根据对收集到的冰淇淋机专利进行分析,归纳如下:

(1)市面上主要的具有制冷功能的冰淇淋机以压缩机制冷为主,蒸发器产生的冷量传递给冷桶,经冷桶再把冷量传递给冰淇淋原液,整机有一个搅拌电机产生搅拌动作。

(2)冰淇淋机的相关专利有各种细部结构的申请,主要是搅拌杆和保温盖等。

(3)冰淇淋机的相关专利主要围绕着市面上的几种原理冰淇淋机来进行展开申请的。其中也有人申请了半导体制冷的冰淇淋机,但从申请的专利来看应该还没有商品化,或者这种半导体制冷设计的并不完善。

4 半导体冰淇淋机结构设计

图2为半导体制冷冰淇淋机的设计构想剖视图。根据冰淇淋的成型主要工艺凝冻的原理,构想设计半导体冰淇淋机。使用热电半导体产生冷量,对冰淇淋原液进行冷冻,同时对冰淇淋原液进行搅拌,实现冰淇淋凝冻的两个条件,并以此使得冰淇淋原液形成冰淇淋。

半导体制冷芯片热端通过散热铝进行散热,冷端通过导冷块把冷量传递给冰淇淋机铝桶,再通过铝桶把冷量传递给冰淇淋原液。整机顶部的搅拌电机,通过搅拌系统对铝桶内的冰淇淋原液进行搅拌。冰淇淋原液在搅拌和不断制冷的作用下逐步形成冰淇淋。

5 半导体冰淇淋机规划设计计算

根据半导体冰淇淋机构想设计,初步设定的计算条件:环境温度及冰淇淋原液温度为25°; 冰淇淋机一次制作冰淇淋原液300ml;冰淇淋原液密度1.1kg/L;计划制作时间1个小时;冰淇淋制冷桶直径和深度都为10cm;冰淇淋 制冷桶保温层厚度为3cm,暂忽略冰淇淋机制冷桶体对降 温的需求。

(1)冰淇淋机的耗冷量计算:Qd=Qi+Q2+Q3。式中:Qd— 冰淇淋机需要的耗冷量(W);Q! —冰淇淋产品的耗冷量 (W);Q2—冷冻搅拌桶围护层的散冷损失量(W);Q3—搅 拌器的热当量功率(W)。

冰淇淋产品的耗冷量Qi(W),Qi=Qu+Qi.2,其中Qi.i— 冰淇淋混合料由进入冰淇淋机的初温,将至凝冻点t2 时 的耗冷量(W);Qi.2—冰淇淋潜热耗冷量(W)。

其中^1.1=&7弋办-12) 1000/3600,设G—冰淇淋产量 (kg/h),本例中为0.30x1.1=0.33kg/h,Ci—冰淇淋原液的比 热(kJ/kg,IK)本例中参考软冰淇淋选3.3kJ/kg,IK。ti—冰淇 淋原液初温(°) 本例中初温为 25°。t2— 凝冻时的温度 (°)一般冰淇淋凝冻温度在-2~-3°之间,本例选-2.7°。

QL1=0.33x3.3[25-(-2.7)]x1000/3600=8.380(W)

Q1.2=Gy11000/3600

Y1一冰淇淋的潜热(一般硬冰淇淋y=217.7kJ/kg)。软冰淇淋冰晶部分占比约30%~40%,所以y1取217.7x40% =87.08 kJ/kg。

Qi.2=0.33x87.08x1000/3600(W)=8.048(W)

Qi=Qi.i+Qi.2=8.380+8.048=16.428(W)

冰淇淋制冷桶保温层的散冷损失量Q2 (W)和搅拌器 的热当量功率Q3(W),计算(略)。本例半导体冰淇淋机需 求耗冷量计算:

Qd=Qi+Q2+Q3=16.428+1.068+1.0=18.496(W)

(2)半导体制冷性能计算。半导体制冷状态评估。由于环境温度为25°,冰淇淋成型温度为-2.7°,也即半导体制冷芯片冷热端至少有27.7°的温差。由于制冷芯片热 端需要散热铝通过风扇进行强制散热,初步试验半导体芯片热端通过散热铝与大气强制换热,芯片热端与环境温度差在 10°时,才能保证约100W的发热体通过散热铝有效散热,也即在发热功率约100W时,制冷芯片的热端至少在35°左右。而半导体芯片冷端传递到冰淇淋原液时已经至少产生了7°的温度梯度 (实验测得 )。所以如果要保证冰淇淋原液达到的-2.7°的温度,制冷芯片的冷端至少达到 -9.7°以下。按以上计算,也即半导体芯片工作状态时冷热端至少有44.7°的温度差。由于半导体芯片的制冷效率与 :芯片两端的温差成反比,当芯片的两端温差越大的时候制冷效率越低,见图3。在相同电流4.5A条件下,芯片冷热端温差为45°时的制冷量(Qc)就只有温差为0°时的30%左右。

按照半导体冰淇淋机结构的设想,对半导体制冷能力进行评估。主要参考半导体制冷行业的经验公式进行计算。半导体行业的主要经验公式如下:①最大制冷量Qcm^ 0.068X芯片电流X制冷芯片粒子对数;最大制冷量是芯 :片温差DT=0度时候的制冷量;②工作点选择在输入电功 率英最大制冷量,此时保证平均制冷效率会较高;③热电半导体的平均发热功率=输入功率+使用平均制冷量。

在本例中应保证在温差为45°时,半导体制冷量应该大于冰淇淋制作需要的耗冷量,即Qc&Qd。按上图表计DT= 45°时,制冷量只有 DT=0°时的30%。常用的经济型半导体制冷芯片都是6A片,其允许的最大电流为6A。6A的制冷芯片经济运行的电流在4.5~5A,设计取4.5A电流进行计算。按照以上分析,应该选择Q。,Qd/30%=18.496/30%(W) =61.65(W)。如果Qc=61.65(W)且芯片电流=4.5A,则粒子对数应该为201对。为方便芯片的制作,特制作粒子数是199对的芯片。

半导体制冷芯片输入的电功率应该在62W以上才能保证本例设计的冰淇淋机能按设计要求制作出冰淇淋来。 输入功率为62W的半导体芯片,半导体芯片的热度端发热功率约为80~100W。需要对此设计足够的散热以确保制冷芯片的工作,并产生足够的冷量。

6 半导体冰淇淋机结构构想制冷性能评估

按以上计算,是否能够产生足够的制冷量来制作冰淇淋,计算是否准确有待检验。由于制冷功率比较难以准确测定,计划通过设计制作一套功能模型样品,通过模型样品对一定量的盐水来进行制冷,分析盐水的温度变化状况,

来分析和评估模型的实际制冷功率。使用17%浓度盐水来进行测试,使用盐水的主要目的是:①17%浓度盐水在常温到-10°的范围内都不会相变 (结冰),不会因为测试介质的相变时的潜热产生对测试的影响;②17%浓度的盐水的比 热与冰淇淋原液的比热接近,容易反映实际状况。

制作半导体制冷模型如图4所示,并提供62~70W直流功率(稳定状态下)。模拟在25°环境下对600ml 25°17% 浓度盐水进行制冷测试,由于盐水内部有一定温度梯度,为减少盐水内部温度梯度导致热量在盐水内部传导的损耗和测量的不准确,对盐水进行搅拌测试,分析并评价制 冷性能。

从图 5 数据看出在25°环境温度下对 600ml 25°17% 浓度盐水进行制冷测试,在60分钟的时候,中心盐水温度约到-6.3°。17%的盐水比热约为 3.24(kJ/kg-K),17%的盐水比重是1.124g/ml。

按照以上测试结果来分析:模型的盐水实测制冷功率要略大于冰淇淋成型需要的制冷功率。故用制作的模型来制作冰淇淋应该可以满足冰淇淋凝冻成型的要求。

7 总结

1)通过制冷模型搭配一个建议搅拌测试头进行冰淇淋成型测试,基本满足凝冻工艺需要,在1小时左右制作出冰淇淋。

2)按原来规划设计制作一套冰淇淋机模型,通过模型样机进行冰淇淋成型测试,基本满足凝冻要求,在一个小时左右制作出冰淇淋来。

家用半导体制冷冰淇淋机的开发研究_黄翔.pdf



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