Способы и оборудование безмашинного охлаждения

Охлаждение водным льдом.Этот способ охлаждения наиболее простой. Используют как естественный лед, получаемый при низ­кой температуре воздуха, так и искусственный водный лед, изго­тавливаемый с помощью холодильных машин. Достоинствами уст­ройств ледяного охлаждения являются простота конструкции, низкая стоимость и отсутствие затрат на электроэнергию.

При температуре таяния льда 0°С температура воздуха в охлаж­даемых устройствах поддерживается обычно около 6°С. Такая тем­пература достаточна для охлаждения и кратковременного хране­ния пива, вод, соков и прочих напитков, хранения некоторых овощей и зелени.

Охлаждение водным льдом осуществляется тремя способами: непосредственное охлаждение, с использованием воды в каче­стве промежуточного теплоносителя и с использованием воздуха в качестве промежуточного теплоносителя.

При непосредственном охлаждении водным льдом охлаждаемый объект находится с ним в прямом контакте. Используют обычно дробленый мелкокусковой лед, который помещают вокруг охлаж­даемого объекта. Можно также пересыпать объект льдом (при хранении некоторых овощей и зелени).

При охлаждении с использованием воды в качестве промежу­точного теплоносителя лед служит для получения ледяной воды, которая подается в теплообменник для охлаждения объекта. Вода, циркулируя от охлаждаемого объекта ко льду и обратно, может непосредственно контактировать со льдом или через стен­ки теплообменника змеевикового либо пластинчатого типа. Последний способ охлаждения применяют в молочной промыш ленности.

Охлаждение с использованием воздуха в качестве промежуточно­го теплоносителя может осуществляться с естественным и меха­ническим перемещением воздуха. В этом случае теплота от охлаж­даемого объекта отводится воздухом, который передает ее при контакте со льдом. При естественной циркуляции воздуха лед мо­жет располагаться в емкостях-карманах, имеющих щели или гоф­рированные ограждения для увеличения поверхности теплообмена. При механической циркуляции воздуха, создаваемой вентилятором, воздух прогоняется через слой дробленого льда, что уве­личивает коэффициент теплоотдачи по сравнению с естествен­ной циркуляцией. Этот способ используют, когда при высокой относительной влажности воздуха (95 %) необходимо получить температуру от 5 °С и выше.

Естественный лед получают из водоемов, где он намерзает в зимний период, а также путем послойного намораживания на горизонтальных площадках во время морозов, используя для это­го специальные установки с форсунками для мелкокапельного разбрызгивания воды.

Искусственный водный лед получают с помощью льдогенера­торов трубчатого типа, где лед образуется внутри труб вертикаль­ного кожухотрубного испарителя, в межтрубном пространстве которого кипит жидкий аммиак. Вода поступает в трубы испари­теля сверху через водораспределительное устройство, в которое она подается насосом из бака, смонтированного под кожухом аппарата. В отверстия труб вставляют насадки, благодаря которым вода, поступающая в трубы, закручивается и пленкой стекает по их внутренней поверхности, частично замерзая. Незамерзшая вода собирается в бак, откуда опять подается в водораспределительное устройство. Благодаря непрерывной циркуляции из воды удаляет­ся воздух, поэтому лед получается прозрачным. Когда стенки ледяных цилиндриков достигают толщины 4 — 5 мм, наморажива­ние прекращают, насос останавливают, испаритель отключают от всасывающей стороны машины и соединяют с ее нагнета­тельной стороной, в результате чего в испаритель поступают го­рячие пары аммиака при давлении конденсации. Эти пары вы­тесняют из испарителя жидкий аммиак в ресивер (сборник ам­миака), прогревают стенки труб, намороженный лед отделяется от стенок и под действием силы тяжести сползает вниз. При вы­ходе из труб ледяные цилиндрики попадают под вращающийся нож, который разрезает их на части определенной высоты. Гото­вый лед падает в бункер и дальше по льдоскату выводится из льдогенератора.

Существуют также льдогенераторы блочного, чешуйчатого и снежного льда. Лед в них намерзает в формочках, на поверхности барабанов или в полости, за стенками которых кипит аммиак.

Льдосоляное охлаждение.Льдосоляное охлаждение позволяет получить более низкие температуры по сравнению с охлаждением чистым льдом. Этот способ основан на использовании льда в сме­си с солями. При этом одновременно происходят процессы ра­створения соли с образованием рассола и плавления льда с обра­зованием воды и дальнейшим растворением соли. На плавление льда и растворение соли затрачивается теплота смеси, вследствие чего температура ее понижается.

Наиболее низкая температура смеси достигается в криогидратной точке, в которой находятся в термодинамическом равнове­сии все три фазы: рассол (раствор), соль и лед.

Криогидратной точке соответствует эвтектическая концентра­ция соли. Такая смесь называется эвтектикой. При льдосоляном охлаждении чаще всего используют смесь дробленого льда и хло­рида натрия. Криогидратной точке такой смеси соответствует температура -21,2⁰С при концентрации соли в растворе 23,1 %. При использовании хлорида кальция с содержанием соли в растворе 29,9 % можно получить температуру плавления -55 °С.

Льдосоляной смесью можно охлаждать путем непосредствен­ного контакта и используя в качестве промежуточного теплоно­сителя воздух, как и при охлаждении водным льдом. Кроме того, применяют охлаждение рассолом, образующимся при таянии смеси и циркулирующим через охлаждающую батарею.

В установке рассольного охлаждения с насосной циркуляцией лед периодически загружают в генератор холода. Сверху лед оро­шают рассолом, прошедшим охлаждающую батарею, где его тем­пература повысилась на 2 — 3°С. В нижнюю часть генератора холо­да стекает охлажденный рассол с более низкой из-за таяния льда концентрацией соли. Для поддержания необходимой концентра­ции часть теплого рассола после охлаждающей батареи подается в бачок с солью — концентратор, из которого более насыщенный рассол перетекает в генератор холода. Концентратор периодичес­ки пополняют солью.

В нижней части генератора холода расположен вентиль, через который удаляется использованный (теплый) раствор перед но­вой загрузкой установки льдом и солью.

Разность температур рассола в охлаждающей батарее и воздуха в охлаждаемом объеме составляет 6 —8°С.

Существуют и установки без насоса, где циркуляция возника­ет самопроизвольно из-за разности объемных масс рассола вслед­ствие изменения его концентрации при таянии льда.

Охлаждение холодоаккумуляторами с эвтектикой. В качестве холодоаккумуляторов используют металлические емкости различной формы. Эти формы заполняют эвтектикой на 90 —94 % объема.

Эвтектика представляет собой однородную смесь льда и соли, обладающую достаточно большой теплотой плавления. В качестве соли используют хлориды калия, натрия, кальция или сульфаты натрия и цинка. Эвтектический лед получают также из водного раствора пропиленгликоля. Температура плавления такого льда зависит от концентрации пропиленгликоля и может составлять от -3 до-50°С.

Холодоаккумуляторы после замораживания раствора при тем­пературе ниже температуры плавления эвтектики размещают в охлаждаемом объеме. Поглощая теплоту, отводимую от охлаждаемого объекта, эвтектика тает при постоянной температуре. Холодоаккумуляторы используют многократно. Для этого после отеп­ления их снова замораживают.

Холодоаккумуляторы широко применяют для охлаждения теп­лоизолированных контейнеров, кузовов автомобилей, а также в сочетании с машинным охлаждением в качестве дополнительно­го источника холода в период максимальной нагрузки на холодильное оборудование.

Охлаждение сухим льдом. Сухой лед — это диоксид углерода в твердом состоянии. Если при атмосферном давлении к сухому льду подвести теплоту, то он переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Охлаждение сухим льдом основано на теплоотдаче охлаждаемой среды сухому льду. Удельная холодопроизводитель­ность сухого льда при 0 °С составляет 637 кДж/кг. По сравнению с водным льдом сухой лед при 0°С обладает почти вдвое большей массовой холодопроизводительностью. Еще эффективнее соотно­шение при сравнении не массовой, а объемной холодопроизводительности. Объемная холодопроизводительность сухого льда при 0°С больше, чем водного, почти в три раза. Обильно выделяю­щийся при сублимации сухого льда газообразный диоксид угле­рода оказывает на большинство скоропортящихся продуктов кон­сервирующее действие. В смеси с эфиром можно получить темпе­ратуру до -100°С.

Сухой лед широко применяют при перевозках и продаже моро­женого и для охлаждения транспортных средств. Охлаждение сухим льдом происходит при непосредственном контакте с охлаждаемым объектом или с использованием промежуточного теплоносителя, чаще воздуха. В последнем случае сухой лед дробят и размещают в металлических емкостях — карманах, через которые циркулирует воздух. Циркуляция воздуха может быть усилена вентилятором.

Сухой лед производят в виде блоков на предприятиях, техно­логические процессы которых связаны с выделением диоксида углерода. На первой стадии обеспечивают получение чистого газо­образного диоксида углерода, затем его сжижают и из жидкого диоксида углерода получают твердый.

Испарительное охлаждение. Испарительное охлаждение осно­вано на явлении парообразования над поверхностью жидкости при температуре ниже ее температуры кипения и нормальном атмос­ферном давлении. На превращение жидкости в пар затрачивается определенное количество тепловой энергии — теплоты парообра­зования (испарения). Теплота парообразования воды при 20°С равна 2455 кДж/кг. Вода может испаряться в результате отвода теплоты от нее, а также подвода теплоты к ней извне, что зависит от соот­ношения температуры воды и окружающей среды.

В зависимости от внешних условий теплообмена теплоту паро­образования можно использовать для снижения температуры влажной поверхности и устранения (уменьшения) влияния внешних теплопритоков, вызывающих повышение температуры объекта.

Для охлаждения продуктов и грузов холодильного транспорта можно использовать также эффект испарительного охлаждения, возникающий при распылении жидкостей с помощью форсунок (например, жидких диоксида углерода и азота), с температурами кипения более низкими, чем требуется для охлаждения продук­тов или воздуха.

Термоэлектрическое охлаждение. Термоэлектрический эффект проявляется в большей степени в цепях, составленных из полу­проводников с электронной и дырочной проводимостью.

Во время движения дырок и электронов в разные стороны от контакта между разнородными полупроводниками происходит поглощение теплоты. Электроны дырочного полупроводника пе­реходят в свободную зону электронного проводника, образуя пары электрон — дырка, на что затрачивается определенное количе­ство теплоты, отнимаемое от контакта.

При движении электронов и дырок навстречу друг другу про­исходит их рекомбинация в месте контакта, сопровождающаяся выделением теплоты. Следовательно, если направление тока от дырочного полупроводника к электронному, выделяется тепло­та; если направление обратное, тепловая энергия в спае погло­щается.

Величина выделяемой или поглощаемой теплоты Q в единицу времени пропорциональна силе тока I:

Q = ПI, (29)

где П — коэффициент Пельтье.

Рассмотренное явление обратимо. Если в той же самой цепи создать в месте спаев различные температуры, то между контакта­ми образуется разность потенциалов и возникает ток.

Величина термоэлектродвижущей силы (термоэдс) определя­ется формулой

Е = α (Т_г -Т_х), (30)

где α — коэффициент термоэдс, В/К; Т_г, Т_х — абсолютные темпе­ратуры соответственно горячего и холодного спаев, К.

Исходным конструктивным модулем термоэлектрических ох­лаждающих устройств (ТОУ) служит термоэлемент (ТЭЛ).

В энергетическом отношении ТОУ существенно уступают комп­рессионным машинам, и только при малой холодопроизводительности (около 20 Вт) холодильный коэффициент ТОУ может быть выше.

Термоэлектрическое охлаждение используют в термостатах, охладителях жидкостей и газов, осушителях воздуха, бытовых и транспортных холодильниках, кондиционерах.

РАЗДЕЛ II