Содержание
Для искусственного охлаждения применяют водный, эвтектический и сухой лед. Водный лед как источник холода используют в рыбной промышленности для охлаждения и перевозки свежевыловленной рыбы, а также для предварительного охлаждения рыбы-сырца перед заморозкой. Потребителем льда является и наземный транспорт (железнодорожный и автомобильный), где применяют водный, эвтектический и сухой лед для перевозки охлажденных и мороженых продуктов.
Водный лед
Водный лед - это вода, имеющая твердую кристаллическую структура. При атмосферном давлении переход из жидкого состояния воды в твердое происходит при 0 °C и ниже. Различают лед естественный и искусственный. Их физические свойства одинаковы.
Основные характеристики водного льда при атмосферном давлении следующие:
Плотность льда при 0 °С ниже, чем плотность воды (1000 кг/м3), поэтому превращение воды в лед сопровождается увеличением объема на 9 %.
Естественный лед получается при замерзании воды зимой в водоемах. Промышленную заготовку естественного льда производят, вырезая его из ледяного покрова рек, озер и морей, послойным намораживанием на специальных площадках, а также намораживанием сосулек в градирнях.
Искусственный лед получают, замораживая воду с помощью холодильных машин, а также в льдогенераторах. В зависимости от качества воды различают пищевой лед, получаемый из питьевой воды, антисептический лед, образующийся из воды с добавлением в нее антисептиков и антибиотиков, а также лед, полученный из морской воды и рассолов.
Отличительный признак пищевого искусственного льда - его прозрачность. Из питьевой водопроводной воды можно получить прозрачный и непрозрачный (матовый) лед. Плотность непрозрачного льда из-за наличия в нем пузырьков воздуха меньше, чем прозрачного. При температуре от - 8 до - 25 °C плотность непрозрачного льда рл = 890 ÷ 900 кг/м3, а прозрачного льда рл = 910 ÷ 917 кг/ м3. Непрозрачный лед имеет белый цвет благодаря наличию в нем примесей в виде воздуха, солей, песка, ила. Прозрачный лед получают из обыкновенной воды, освобожденной от примесей и воздуха. После очистки воды от механических примесей и избытка солей через нее продувают сжатый воздух.
Лед, изготовляемый льдогенераторами, по внешнему виду делят на блочный, плиточный, цилиндрический, чешуйчатый, снежный и т. д.
Конструкция льдогенератора предопределяет состав и назначение вырабатываемого им льда. Льдогенераторы бывают неавтономными (с централизованным охлаждением рассолами и непосредственным охлаждением хладагентами) и автономными автоматизированными с холодильными машинами (компрессионными, тепловыми, термоэлектрическими). Кроме того, льдогенераторы могут быть периодического и непрерывного действия.
Льдогенераторы делят на большие производительностью 1000 кг/ч и более, средние - производительностью 100-1000 кг/ч, малые, производительность которых менее 100 кг/ч, и мелкие производительностью менее 10 кг/ч.
На судах флота рыбной промышленности для охлаждения рыбы и ее хранения используют антисептический лед из пресной и морской воды, а также блочный и чешуйчатый лед, получаемый в льдогенераторах.
Льдогенераторы для производства блочного льда могут быть с рассольным охлаждением или с непосредственным кипением хладагента. Наиболее распространены льдогенераторы рассольного охлаждения, имеющие температуру рассола от - 10 до - 20 °С.
Такой льдогенератор (рис. 4.6) состоит из сварного изолированного прямоугольного бака 5. В баке размещены вертикальнотрубный испаритель 1, мешалки 2, секции льдоформ 4. Бак льдогенератора заполнен рассолом, который циркулирует под действием мешалок со скоростью 0,5- 0,7 м/с. Испаритель отделен от основной части бака промежуточной стенкой, образующей отделение, в которое поступает отепленный льдоформами рассол.
Формы для льда изготовляют из листовой оцинкованной стали толщиной 1,5-2 мм. Для облегчения выемки блоков льда из форм их выполняют в виде усеченной пирамиды с обращенной вниз вершиной конусностью от 2 до 4 %. Сечение льдоформ квадратное или прямоугольное. Наиболее распространены формы рассольных льдогенераторов для изготовления блоков льда массой 12,5; 25 и 50 кг.
Льдоформы скомплектованы в батареи из 10-20 форм, которые одновременно заполняются с помощью водонаполнителя (дозатора) 8 водой на 90% их емкости. Загрузку батареи льдоформ с водой и выгрузку их со льдом осуществляют с помощью тельфера или мостового крана 7. По мере охлаждения воды и намораживания льда батареи с формами периодически перемещают толкающим механизмом 3.
По окончании перемещения льдоформ по баку процесс намораживания льда заканчивается. Батарею льдоформ вынимают из бака и погружают в оттаивательную емкость 10, заполненную водой температурой 35-40 °C. После выдержки в теплой воде 2-3 мин блоки льда при помощи опрокидывателя 6 попадают на льдоскат 9, а затем в льдохранилище.
Лед, изготовленный таким способом, непрозрачный (матовый). Подобные льдогенераторы с устройством для барботирования воздуха в льдоформах используют для изготовления прозрачного льда.
Основные недостатки рассольных генераторов блочного льда -медленное замораживание блоков, большая металлоемкость установки, ее значительные габариты, необходимость дробления льда перед его употреблением.
Применение льдогенераторов с непосредственным охлаждением значительно сокращает время замораживания блока. Кроме того, упрощается конструкция установки, уменьшаются ее габариты.
Льдогенератор непрерывного действия с послойным намораживанием для изготовления блочного льда представляет собой льдоформу с рубашкой, в которой кипит хладагент. Форма имеет вид четырехгранной усеченной пирамиды.
Принципиальная схема такого льдогенератора приведена на рис. 4.7. Жидкий хладагент подается по трубопроводу 10 в рубашку 3, где кипит, забирая теплоту из воды, находящейся в форме 1. Образующиеся пары отсасываются компрессором по трубопроводу 2. После замерзания воды в льдоформе поршень 4 с помощью кривошипношатунного механизма отрывает от формы полученный ледяной блок. В образовавшийся малый зазор между льдом и стенкой из водяной камеры 8 поступает вода. При вращении коленчатого вала 7 поршень 4, соединенный штоком 5 с шатуном 6, совершает возвратное движение, закрывая узкий конец льдоформы. Водяная камера соединяется с дозатором трубопроводом 9. После замерзания тонкого слоя воды происходит новое выталкивание, и процесс повторяется. В результате многократного ритмического повторения этого процесса из формы выходит сплошной ледяной блок, имеющий квадратное сечение.
Льдогенераторы для производства чешуйчатого льда широко используются на судах. Для охлаждения свежей рыбы и ускорения предварительного охлаждения перед заморозкой рыбы-сырца на рыбопромысловых судах используют чешуйчатый лед, который получают из морской воды в льдогенераторах непрерывного действия. Такой лед имеет хороший контакт с рыбой, не наносит ей механических повреждений, а засыпанный в бункер предварительного охлаждения рыбы быстрее охлаждает ее.
На судах используют льдогенераторы для производства чешуйчатого льда с одно- и двусторонним намораживанием его на вертикальных цилиндрических испарителях. Наиболее распространены льдогенераторы типа Л-250 с односторонним намораживанием льда, типа ИЛ-500 как с односторонним, так и с двусторонним намораживанием и др.
Льдогенератор для производства чешуйчатого льда с односторонним намораживанием (рис. 4.8, а) состоит из испарителя, выполненного из двух стальных цилиндров, наружного и внутреннего, закрытых по торцам крышками. В кольцевом пространстве кипит хладагент при температуре - 22 °C. Крышки имеют подшипники, в которых вращается полый вал. Вода подается по отверстию в валу к оросительному устройству и разбрызгивается по внутренней поверхности испарителя. Нож, закрепленный на валу, срезает пленку льда, образовавшуюся за один оборот вала.
Производительность льдогенератора Л-250 250 кг/ч льда из морской воды, потребная холодопроизводительность 40 600 Вт, частота вращения вала 10 мин-1.
В вертикальном льдогенераторе с двусторонним намораживанием (рис. 4.8, б) забортная вода через полый вал поступает к форсункам внутреннего и наружного оросителей, которые вращаются вместе с валом. Образовавшийся на поверхностях испарителя (внутренний и наружной) лед срезается внутренними и наружными ножами.
Техническая характеристика льдогенератора с двусторонним намораживанием ИЛ-500-22-П приведена ниже:
Эвтектический лед
При замораживании эвтектического водного раствора некоторых солей получают эвтектический лед, который имеет постоянную низкую температуру, соответствующую криогидратной точке.
Наибольшее распространение имеет эвтектический лед из раствора поваренной соли (NaCl), температура плавления такого льда — 21,2 °С, а теплота плавления 236 кДж/кг.
Охлаждение эвтектическим льдом осуществляется с помощью зероторов - герметически закрытых металлических форм объемом 5-8 л. Зероторы заполняются эвтектическим раствором на 90-94 % их полного объема. Перед использованием зероторы помещают в специальные зарядные станции, где замораживают находящийся в них раствор. После расплавления льда в охлаждаемом объекте зероторы вновь замораживают на зарядной станции.
Зероторное охлаждение применяют для охлаждения кузовов изотермического автотранспорта, а также средне- и малотоннажных контейнеров.
Сухой лед
Сухой лед представляет собой твердый диоксид углерода С02 или твердую углекислоту (углекислый газ, хладагент R744).
При атмосферном давлении твердый С02 сублимирует, т. е. превращается в газ, минуя жидкое состояние. Температура тройной точки С02 t = - 56,6 °С соответствует давлению р = 0,52 МПа. При этих температуре и давлении углекислота может одновременно находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. При более низком давлении (ниже 0,52 МПа) С02 может находиться только в твердом или газообразном состоянии. При давлении 0,1 МПа температура сублимации твердого С02 равна - 78,9 °С.
В зависимости от способа получения плотность твердого С02 равна 1300-1600 кг/м3. Плотность газообразного С02 в нормальных условиях 1,877 кг/м3, что значительно превышает плотность воздуха.
Теплота сублимации С02 при давлении 0,1 МПа и температуре - 78,9 °С равна 574 кДж/кг, а с учетом повышения температуры образовавшихся при сублимации холодных паров до 0 °С удельная теплота сублимации С02 будет равна 633 кДж/кг, что значительно выше теплоты плавления водного льда (335 кДж/кг).
Сухой лед в виде блоков, мелкофасованный или снегообразный применяют в качестве источника холода при транспортировке охлажденных и замороженных продуктов и при реализации мороженого. В рыбной промышленности применение твердого С02 ограничено.
Сухой лед получают из жидкого С02, который, в свою очередь, получают из газообразного С02.
Чистый углекислый газ получают двумя способами: из С02, являющегося продуктом отходов химических, спиртовых и гидролизных производств, и при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлив с извлечением углекислого газа из продуктов сгорания.
Сухой лед из газообразного С02 получают в установках, использующих циклы высокого, среднего и низкого давлений. Практическое применение нашли только циклы высокого и среднего давления.
Схема установки, для получения сухого льда, использующая цикл среднего давления, приведена на рис. 4.9. Углекислый газ, сжатый в первой ступени углекислотного компрессора 1 до промежуточного избыточного давления 0,7- 0,9 МПа, направляется в промежуточный водяной холодильник 2, затем проходит маслоотделитель 3, осушительную колонку 4 и всасывается второй ступенью углекислотного компрессора 5. Во второй ступени пар С02 сжимается до избыточного давления 1,5-2 МПа, проходит промежуточный охладитель 6, маслоотделитель 7, силикагелевый фильтр 8, осушители 9 и поступает в конденсатор 12, который одновременно является испарителем аммиачной холодильной машины.
Полученная в конденсаторе жидкость собирается в ресивере 10, откуда она поступает через регулирующий клапан 11, где дросселируется до избыточного давления 0,68-0,78 МПа, в воздухоотделитель 13, затем парожидкостная смесь температурой (- 40)- (- 45) °C поступает в горизонтальный промежуточный сосуд 14, где пар отделяется от жидкости и отсасывается компрессором СВД 5, а жидкость сливается в льдогенераторы 15. При открытии диафрагм регулирующего клапана в корпусе льдогенератора жидкость дросселируется до атмосферного давления. В льдогенераторе образуется плотный блок льда. Появляющийся в льдогенераторе газ отсасывается компрессором СНД-1.
Для получения сухого льда в установках, работающих по циклу среднего давления, используется углекислотно-аммиачный компрессор 2УАП. Цилиндры углекислотного и аммиачного компрессоров объединены общим корпусом. Два углекислотных цилиндра с дифференциальным поршнем расположены вертикально, а цилиндры двухступенчатого сжатия аммиака - горизонтально. При производстве сухого льда по циклу среднего давления расход электроэнергии сокращается примерно на 10 % по сравнению с циклом высокого давления.
Литература
Судовые холодильные машины и установки (Петров Ю.С.) 1991 г.
