Естественный лед получают охлаждением

Ледяное и льдосоляное охлаждение. Физические свойства льдосоляных смесей.

Охлаждение водным льдом — наиболее простой способ охлаждения. 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 конструкций 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 воздух 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 промышленности.

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 её 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 это специальные установки с форсунками / Форсунка — это устройство с одним или несколькими отверстиями для распыления жидкости./ для мелкокапельного разбрызгивания воды. Его заготавливают путем вырезания или выпиливания крупных блоков изо льда, образовавшегося на естественных водоемах, послойного намораживания воды на горизонтальных площадках. (Особым спросом для пищевых целей пользуется гренландский и антарктический лед как наиболее чистый. Возраст гренландского льда более 100 000 лет.) Лед хранят на площадках в буртах, укрытых насыпной изоляцией, и в льдохранилищах с постоянной и временной теплоизоляцией.

Физические свойства естественного льда:

1. кристаллическая структура;

2. плотность 0,917 кг/дм 3 ;

3. при переходе воды в лёд её объём увеличивается на 9%;

4. при очень высоких давлениях лёд становится тяжелее воды;

5. температура плавления льда изменяется в зависимости от давления (600 атм — -5°С);

6. теплоёмкость льда зависит от его температуры (0-25°С – 0,5 ккал/кг, а воды – 1 ккал/кг);

7. теплопроводность льда от 0 до 25°С равна 2 ккал/(м•ч•°С);

8. сопротивление сжатию у льда зависит от температуры (0°С — 15 кг/см2; -10 — 30 кг/см 2 ; -20 — 50 кг/см 2 ).

Искусственный лед получают путем замораживания чистой пресной или морской воды в льдогенераторах. Качество льда, eго форма, размер и способ получения, хранения и доставки потребителю обусловлены назначением и спецификой применения.

Матовый лед изготавливают из питьевой воды без какой-либо ее обработки в процессе замораживания. В отличие от естественного он имеет молочный цвет, обусловленный наличием большого количества пузырьков воздуха, которые образуются в процессе превращения воды в лед. Пузырьки уменьшают проницаемость льда для световых лучей, и он становится непрозрачным.

Прозрачный лед по виду напоминает стекло. Для его получения в форму наливают воду и при помощи форсунок продувают через нее сжатый воздух. Проходя через замораживаемую воду, oн захватывает и увлекает за собой пузырьки воздуха. Прозрачный лед изготавливают в виде кусков небольших размеров и ис-пользуют для охлаждения напитков.

Лед с бактерицидными добавками предназначен для охлаждения рыбы, мяса, птицы и некоторых видов овощей путем непосредственного соприкосновения с ними. Бактерицидные добавки снижают обсеменённость продуктов микроорганизмами.

В зависимости от формы и массы искусственный лед бывает блочный (5-250 кг), чешуйчатый, прессованный, трубчатый, снежный.

Блочный лед дробят на крупный, средний и мелкий.

Чешуйчатый лед получают путем напыления воды на вращающийся барабан, плиту или цилиндр, являющиеся испарителями хладагента. Вода на поверхности барабана быстро замерзает, а образовавшийся лед при его вращении срезается фрезами или ножом. Льдогенераторы производят от 60 до 5000 кг/сут такого льда. Чешуйчатый лед эффективен при охлаждении рыбы, мясных изделий, зеленых овощей, некоторых плодов. Наибольший коэффициент теплоотдачи достигается, когда при охлаждении продукты плотно соприкасаются со льдом.

В результате смешивания дробленого водного льда с различными солями помимо теплоты таяния льда поглощается теплота растворения соли в воде, что позволяет существенно понизить температуру смеси. Раствор может быть охлажден до криогидратной точки.

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 paвновесии 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 тем-пература -21,2°С 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 охлаждаю-щей батареи подается и 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.

Льдосоляное охлаждение осуществляют как контактным, так и бесконтактным способом.

Недостатком контактного льдосоляного охлаждения является просаливание продукта, которое при длительном хранении стимулирует окисление жира, вызывает снижение товарного вида и потребительских достоинств. Бесконтактное льдосоляное охлаждение в виде полых плит с эвтектическими растворами позволяет избежать этих недостатков.

Источник

Ледяное и льдосоляное охлаждение. Ледники и ледяные склады

Охлаждение — это процесс отвода тепла от тела для понижения его температуры или изменения агрегатного состояния. При естественном охлаждении температура тела может понизиться лишь до температуры окружающей среды (воздуха, воды или почвы), зависящей от времени года. Снизить температуру тела ниже температуры окружающей среды можно только искусственным путем.
Существует много различных способов получения искусственного холода. Наиболее простой из них основан на применении естественного льда или смеси льда с солью. Охладителем может быть также так называемый сухой лед (твердая углекислота), получаемый на специальных заводах.
Естественный лед — дешевый и доступный источник холода в большинстве районов Советского Союза. Использование естественного льда в качестве холодоносителя объясняется его ценными физическими свойствами: низкой температурой таяния (0° С) и высокой теплотой плавления, равной в обычных условиях 335 кДж/кг. Следовательно, такое количество тепла поглощается из окружающей среды каждым килограммом тающего льда. В интервале температур от 0 до —20° С теплопроводность льда составляет всего 2,33 Вт/(м*°С), а теплоемкость — около 2,1 кДж/(кг*°С).
Зимой лед можно заготавливать различными способами. Выкалывание или вырезание крупных льдин («кабанов») из чистых водоёмов — широко известный, но очень трудоемкий способ, так как, помимо затрат труда на самое разработку льда (пешнями или бензомоторными пилами), требуется транспортировка его на место хранения. Такую заготовку льда ведут обычно в конце зимы, но до начала оттепелей, когда толщина льда наибольшая.
В районах с достаточно устойчивыми морозами и продолжительной зимой применяют послойное намораживание воды па горизонтальных площадках (непосредственно на месте хранения льда) прямоугольной формы с соотношением сторон от 1:3 до 1:5, ориентированных длинной стороной с севера на юг. Размеры площадки выбирают из такого расчета: на 1 м2 основания 3. 4 м3 льда. На спланированную площадку насыпают слой шлака, гравия или щебня толщиной 15. 20 см и покрывают его настилом из досок. По периметру площади устраивают опалубку из деревянных щитов высотой 1. 1,5 м. Вокруг площадки делают сточные канавы.
С наступлением морозов при помощи шланга площадку заливают тонким слоем воды (около 0,5 см) и, дав ему полностью замерзнуть, наливают новый слон. Толщина слоя льда, который можно наморозить за сутки, зависит от температуры воздуха. Так, при t=-5° С намораживается слой 15 мм, при -10° С — 30, при -15° С — 50 мм в сутки и т. Д. Причем во время сильного ветра интенсивность образования льда повышается в несколько раз.
После того как высота льда достигнет краев опалубки, бортовые доски устанавливают на его поверхности также в виде прямоугольника, но меньшего размера и продолжают намораживание. Эту операцию повторяют несколько раз, после чего ледяной бунт приобретает форму ступенчатой пирамиды высотой до 5 м. Уступы засыпают дробленым льдом, обливают водой промораживают для получения ровных боковых отсосов.
Для заготовки больших количеств льда применяют гидромеханизированный способ послойного намораживания. Вода по подземному водопроводу, проложенному вдоль продольной оси площадки, периодически поучается к стоякам из труб и через разбрызгивающие форсунки орошает площадку. По мере наращивания да увеличивают и высоту стояков, свинчивая их из нескольких звеньев.
Бунту, сложенному из льдин водоемов или намороженному послойным способом, придают форму, удобную для его укрытия: скалывают отдельные выступы, выравнивают боковые поверхности. После этого бунт укрывают соломенными или камышовыми матами, а затем теплоизоляционным материалом — древесными опилками, мелкой стружкой, торфом, шлаком или болотным мхом. Толщину изоляции в зависимости от климатической зоны выбирают от 0,5 до 1 м.
По мере надобности лед выкалывают из бунта большими кусками и используют в различных ледниках или системах льдосоляного охлаждения.
Простейшими холодильными устройствами служат ледники, представляющие собой деревянные, кирпичные или бетонные сооружения. Охлаждение пищевых продуктов в камерах ледника происходит за счет таяния льда, находящегося в смежном помещении — льдо-хранилище (рис. 114). Тяжелый холодный воздух через нижние отверстия 6 в стене поступает в камеру 1, воспринимает тепло от продуктов и возвращается в льдохранилище 3 через верхние отверстия 2, где вновь охлаждается. Чтобы усилить циркуляцию воздуха, помещение со льдом располагают несколько выше, чем камеры.

Источник

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 -21,2 0 С 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:

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

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.

Источник