Вторинні холодоносії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вторинні холодоносії

У цій статті розглядаються проблеми використання вторинних холодоносіїв в охолоджувальних системах.

Термінологія і загальний опис охолоджувальних систем

Термін «холодоносій» у вітчизняній літературі визначає все, що традиційно належить йому за змістом, відрізняючись суттєво від «холодоагенту». Холодоагенти, на відміну від холодоносіїв, є робочими тілами холодильного циклу, в якому зазнають фазових перетворень, змін концентрацій тощо. Не завжди припустимо, щоб холодоагент безпосередньо (за рахунок свого кипіння чи інших процесів) охолоджував об'єкт холодильної обробки (харчову сировину, наприклад). У таких випадках краще скористатись іншим середовищем (газом, рідиною, твердим тілом), яке попередньо охолоджується холодоагентом. Щоб підкреслити відмінність холодоносія від холодоагенту використовують прикметники «вторинний», «проміжний», що доречно і в англійській холодильній термінології [1]. Крім того, одна і та ж речовина може виступати і в ролі холодоагенту, і в ролі холодоносія, наприклад, діоксид вуглецю, рідкі аміак та фреони. Найчастіше системами з проміжним холодоносієм називають охолоджувальні системи, у яких як холодоносії використовують льодяну воду, водні розчини солей, спиртів (розсоли, розсільні системи), гетерогенну суміш води чи розсолу з лускатим льодом (ice slurry). Але найбільш поширені у світі системи з проміжним холодоносієм - це повітряні охолоджувальні системи.

Екологічна, медико-біологічна небезпека, яку спричиняє експлуатація різних фреонових, аміачних холодильних систем, примушує суттєво зменшувати ємність холодоагенту у таких системах за рахунок використання вторинних холодоносіїв. Це дещо зменшує енергетичну ефективність таких охолоджувальних систем, але надає і ряд технічних, технологічних та екологічних переваг. Тут, як завжди, можливість уникнути вирішення одних проблем компенсується необхідністю вирішення інших і часто не менш складних. Серед них - зменшення високої корозійної активності ефективних холодоносіїв, аспекти їх токсичності, пожежної небезпеки, суттєво високі значення в'язкості при низьких температурах, взаємодія з матеріалами ущільнень, гумою, пластмасовими деталями.

У системах із проміжним холодоносієм (їх іще називають розсільними системами) теплота від охолоджуваного об'єкта передається проміжному середовищу - холодоносію. Нагрітий при цьому холодоносій спрямовують у випарник, де він охолоджується безпосередньо киплячим холодоагентом. Після випарника холодоносій насосом знову спрямовується в теплообмінник з охолоджуваним об'єктом. Схеми систем із проміжним холодоносієм є дещо простішими, ніж схеми безпосереднього охолодження, але в них необхідно створювати нижчі температури кипіння холодоагенту. Застосування систем із проміжним холодоносієм має бути обґрунтованим за технологічними, технічними, екологічними та іншими показниками. Наприклад, аміачні холодильні установки промислових холодильників, які часто вміщують десятки тонн аміаку, є небезпечними, особливо коли навколо холодильника розташовані житлові квартали. Перехід (модернізація) до систем із проміжним холодоносієм з використанням потужних, але малоаміакоємних компресорно-конденсаторних агрегатів, малоаміакоємних пластинчастих теплообмінників дозволяє зменшити аміакоємність охолоджувальних систем на один-два порядки, задовольнити тут суто екологічну вимогу, яка в цьому прикладі стає пріоритетною.

Системи з проміжним холодоносієм широко використовуються у харчовій (охолодження пива, соків, вина, молока та продуктів із них) промисловості, у хімічній, металургійній та інших галузях, історично розрізняють закриті та відкриті системи. У перших усе теплообмінне обладнання трубчастого, пластинчастого типу, включаючи випарники. Набули поширення закриті системи із стельовими, пристінними батареями та повітроохолоджувачами.

Батареї виготовляють із шовних труб, які з'єднують між собою за допомогою «калачів» і фланців. Батареї з'єднують паралельно або послідовно. Паралельне з'єднання батарей надає можливість зменшити гідравлічний опір системи, збільшити перепади температур між повітрям та розсолом, який циркулює в батареях. Якщо камери, що охолоджуються розсолом, мають різні температурні рівні повітря, то батареї з'єднують послідовно. На виході з батарей температура розсолу на 9-Ю °С нижча, ніж температура повітря. Якщо ця умова не виконується, то частину батарей підключають послідовно. Компонування батарей, вибір їх теплообмінної поверхні здійснюють, виходячи з того, що загальне підігрівання розсолу становить 2,0-2,5 °С.

У розсолах розчиняються атмосферні гази, через нещільності системи циркуляції розсолу в саму систему потрапляє повітря. Наявність повітря у системі порушує циркуляцію розсолу, різко інтенсифікує процеси корозії металу труб тощо, ускладнює регулювання витрат холодоносія, погіршує характеристики процесів теплообміну у випарниках та батареях. Для видалення повітря з охолоджувальних систем у верхніх точках батарей, магістралей установлюють відповідні вентилі. Рух холодоносія у системі (випарниках, батареях, магістральних трубопроводах) організовується знизу догори, щоб не допустити утворення «мішків» та повітряних пробок. Для безперервного видалення повітря з розсолу у верхній точці системи встановлюють відкритий розширювальний бачок, що виконує додаткове призначення - ємності, у яку надходить розсіл при збільшенні об'єму за рахунок підвищення його середньої температури. На поверхню розсолу в розширювальному бачку наливають трохи мастила, щоб уникнути контакту розсолу з повітрям, зменшити розчинення повітря в розсолі. Крім того, у системах з великою кількістю проміжного холодоносія, що циркулює, доцільно збільшити місткість випарника установленням допоміжної місткості з двох відсіків - малого та більшого. Розсіл, що надходить із камер (батарей, теплообмінників), зливається не безпосередньо у випарник, а в зазначену меншу допоміжну місткість, яка з'єднується трубою з випарником. Таким чином, рівень розсолу у випарнику та в меншій допоміжній місткості підтримується однаковим. У разі зупинки насоса рівень розсолу в меншому відсіку підвищується і при досягненні верхнього краю перегородки допоміжної місткості розсіл переливається в її більший відсік.

Системи з проміжним холодоносієм закритого типу встановлюють у невеликих холодильниках для зберігання фруктів та овочів, супермаркетах, часто і в багатоповерхових холодильниках. Подачу холодоносія в батареї регулюють засувками, встановленими на кожному поверсі після батарей. Перевагами такої системи є ефективне видалення повітря, просте регулювання витрат холодоносія в батареї камер, менші витрати електроенергії.

У холодильниках іноді застосовують і відкриті системи з контактними приладами охолодження, у яких холодний розсіл взаємодіє безпосередньо з повітрям камер, яке охолоджується та осушується. У таких приладах охолоджений холодоносій інтенсивно поглинає вологу з повітря, бо його температура є нижчою за точку роси охолоджуваного повітря. Осушення повітря тим значніше, чим вищою є концентрація розсолу. В результаті цього розсіл, що циркулює, поглинає вологу повітря, деконцентрується та збільшується в об'ємі. Для подальшого підтримування необхідної постійної концентрації розсолу в нього додають сіль або випарюють (виморожують) зайву воду.

Аміак, як натуральний і термодинамічне найбільш ефективний серед багатьох інших холодоагентів, поступово завойовує і область малої холодильної техніки, недалекі ті часи, коли буде створено і аміачний домашній компресійний холодильник. Сьогодні ж аміак уже ефективно «працює» в охолоджувальних системах продовольчих супермаркетів завдяки використанню вторинних холодоносіїв. Такі системи мають суттєво малу аміакоємність, екологічно малонебезпечні.

В охолоджувальні системи із вторинним холодоносієм легко включити акумулятори холоду, що дозволять використовувати для виробництва холоду пільгові нічні тарифи на електроенергію, ефективно знімати протягом дня пікові теплові навантаження на охолоджувальну систему. «Зарядження» акумуляторів холоду може здійснюватись і льодяною (2-3 °С) водою, і розсолом необхідної температури, і лускатим льодом із середньомасовою температурою, дещо нижчою -6-7 °С, щоб запобігти змерзанню льодинок. Створення суміші (потоку) лускатого льоду та розсолу (води) дає холодоносій із суттєво високими значеннями теплофізичних характеристик.

Характеристика холодоносіїв

Перелік холодоносіїв, що застосовуються у різних галузях техніки, нараховує декілька десятків найменувань, важко охопити їх в одній оглядовій статті. Одним із них, що широко використовується в холодильній техніці і технології, е повітря. Цей холодоносій екологічно безпечний, може бути охолодженим практично до будь-якої низької температури, не спричиняє (відносно) корозії матеріалів повітроохолоджувачів тощо. Але, з іншого боку, повітря як холодоносій має малу теплоємність, характеризується низькими значеннями коефіцієнтів тепловіддачі, відповідно, потребує великих значень поверхонь теплообміну, енерговитрат на привід вентиляторів. У цьому плані рідка (льодяна) вода, водні розчини солей, спиртів - холодоносії, що характеризуються значною об'ємною теплоємністю, забезпечують компактність систем холодопостачання, мають відносно малу в'язкість, що дозволяє уникнути великих енерговитрат на привід насосів. Ці холодоносії легко транспортуються на великі відстані, їх можна накопичувати (акумулювати) заздалегідь за вигідних умов виробництва холоду. Оптимальним є виробництво та використання льодяної води як холодоносія з температурою 3-8 °С. Отримання ж льодяної води з температурою 0-2 °С супроводжується утворенням шару льоду на охолоджувальних поверхнях випарників, що призводить, відповідно, до зростання термічного опору та зменшення коефіцієнта теплопередачі, зростання витрат електроенергії на виробництво холоду (льодяної води). Вода є середовищем для інтенсивного розвитку мікробіологічних популяцій, тому при використанні її як холодоносія необхідно вживати додаткові заходи для очищення води та системи її циркуляції, знешкодження мікроорганізмів.

Недоліком води та водних розчинів є їхня досить висока корозійна активність. У корозійному процесі, що виникає у водному середовищі, велику роль відіграють розчинені кисень та діоксид вуглецю. Суттєве посилення корозійних процесів виникає на границі «розсіл-повітря-теплообмінна поверхня». Навіть аустенітні хромонікелеві сталі можуть розтріскуватись, розвивається точкова та виразкова корозія. Швидкість корозії металевих поверхонь може досягати 1,5 мм/рік, причому має місце і нерівномірність корозії трубопроводів, теплообмінного обладнання, особливо при виразковій корозії. Великої шкоди завдає електрохімічна корозія, зокрема за наявності електропровідного контакту системи циркуляції рідкого холодоносія з ґрунтами під підприємством, де утворюються сильні, нерівномірні електричні поля та блукаючі електричні струми. В результаті дії різних видів корозії термін експлуатації окремих елементів холодильної установки може зменшитись до декількох років.

У багатьох харчових, хімічних технологіях необхідно мати холодоносії з температурою, нижчою за 0 °С чи близькою до неї. Звичайно, льодяна вода в такому випадку не відповідає цій вимозі. Саме водні розчини різних солей (розсоли) залишаються рідкими при температурах нижче нуля (відомий ефект кріоскопічної різниці температур між температурою замерзання чистого розчинника і температури початку замерзання, утворення перших кристалів у розчині при заданій концентрації). Для кожного з розсолів залежність температури початку кристалізації води від концентрації можна показати графічно (рис. 1).

Рис. 1. Криві виділення льоду (температур початку кристалізації) і насичення водних розчинів: 1', 1'', 1''' - криві виділення кристалів льоду; 2', 2", 2'" - криві виділення солі; 1', 2' - для розчину NаСl; 1", 2" - для розчину МgСl2; 1"', 2"' - для розчину СаСl2

небезпека охолоджувальний екологічний

На осі абсцис відкладені значення концентрації розсолу (відношення масових частин солі до маси розчину); на осі ординат - ta значення температур розчину. На кривих (виморожування, виділення льоду) можна визначити значення температури ta, до якої можливо охолоджувати розсіл такої концентрації о без виділення з нього льоду. Зниження температури розсолу нижче ta супроводжуватиметься кристалоутворенням (виділенням льоду), що призведе до підвищення концентрації розсолу до значення о"а. Це продовжуватиметься доти, поки температура розсолу не досягне кріогідратної (евтектичної) точки, коли розчин кристалізується як чиста рідина. Для найбільш розповсюджених розсолів ця точка становить: для розчинів NaCl - -21,2 °С, СаСl2 - -55°С, МgСl3 - -33,6 °С при концентраціях, що, відповідно, дорівнюють 28,9, 42,5 та 27,6 масових частин на кожні 100 частин розсолу. Крива 2, що характеризує насичення розчину, визначає його властивості при концентраціях, вищих за концентрації в евтектичній точці. У цих розчинів охолодження до температури нижче лінії насичення при такій концентрації о'b (наприклад, від значення температури t"b до t"a) призводить до зміни концентрації розсолу о"b, що відповідає температурі t"b. При подальшому охолодженні розсіл досягає такого стану в евтектичній (кріогідратній) точці, в якому він повністю заморожується. Таким чином, стан розсолу на лінії випадіння солі змінюється внаслідок того, що при охолодженні з нього виділяється надмірна кількість солі. В результаті частина рідкого розсолу, що залишилася, матиме нижчу концентрацію, яка визначається для кожного значення температури за кривою насичення. Так, у точці b" температурі t"b відповідає рівноважна концентрація її розсолу о"b.

Враховуючи те, що виділення льоду з розчину зумовлює підвищення його концентрації й запобігає (до певних температур) замерзанню, робочі концентрації розсолів вибирають за кривою виділення льоду (кривою залежності температур початку кристалізації від концентрації розсолу).

У корозійному відношенні водні розчини солей (розсоли) є ще більш активними, ніж льодяна вода. При цьому меншою корозійною активністю характеризуються розчини, що приготовлені на основі дистильованої води, ніж на основі водопровідної (у декілька разів). Наявність аніонів хлору в присутності катіонів заліза, міді надає холодоносіям-розсолам корозійних властивостей, при яких псуються деталі, виготовлені з міді, латуні і навіть із нержавіючої сталі. Місця зварювання металів піддаються корозійному розтріскуванню. Тому в розсоли крім основної солі додають антикорозійні речовини -інгібітори, концентрація яких сягає декількох відсотків, а швидкість корозії зменшується до значень близько 0,1 мм/рік і менше.

Саме розсоли та антикорозійні добавки в них можуть бути токсичними чи небезпечними для навколишнього середовища. Більшість розсолів є рідинами безбарвними, що мало відрізняються від води. Тому для контролю їх витікання в навколишнє середовище в них додають різні барвники, частіше синтетичного походження. Потребує уваги чистота матеріалу, що закуповується для приготування розчину-холодоносія. Наприклад, якщо такий матеріал містить 98% основної солі та 2% домішок, часто може статись, що ці домішки є надто отруйними речовинами і це замовчує фірма-постачальник.

Важливими характеристиками розсолів, інших холодоносіїв є їхня в'язкість, теплопровідність, коефіцієнт тепловіддачі в режимах турбулентної чи ламінарної течій. Тому до розсолів часто додають речовини, що покращують ці їхні характеристики. Наприклад, добавки високомолекулярних сполук полімерів лінійної структури (поліокс, поліакриламід) сприяють зниженню витрат енергії на тертя, підвищенню продуктивності насосів, пропускної здатності трубопроводів. При збільшенні концентрації поверхневоактивних речовин, концентрації солей та при зниженні температури спостерігається зменшення порогового значення чисел Rе, починаючи з яких має місце зменшення гідравлічних опорів. Зі збільшенням числа Rе та концентрації добавок полімерів ефект зниження опору тертя зростає. Зі зниженням температури розсолу ефективність добавок полімерів також значно зростає. Але коефіцієнти тепловіддачі розсолів із поверхневоактивними, полімерними добавками до поверхні теплообміну зменшуються на 20%, що є значним впливом на теплообмін у випарниках, менш значним - у повітроохолоджувачах.

Таким чином, ідеальних холодоносіїв не існує, а їх вибір для холодильних установок, що реалізують ті чи інші холодильні технології, є не менш відповідальним, ніж вибір холодоагенту. Очевидна зміна складу (концентрацій різних компонентів) холодоносія, а отже, і його теплофізичних властивостей, у процесі експлуатації холодильної установки - ще одна деталь, що ускладнює вибір холодоносія.

Зазначені вище проблеми, якщо не приділяти їм необхідної уваги, призводять до скорочення термінів роботи холодильного обладнання, збільшення витрат на виконання профілактичних та ремонтних робіт, аж до припинення роботи холодильної установки в цілому. Найбільш вагомим тут стає погіршення якості чи псування продукції, що охолоджується, наприклад, за рахунок потрапляння в продукцію самого холодоносія чи його токсичних домішок. Особливо нетривіально слід вирішувати такі проблеми у харчовій промисловості, галузі переробки та зберігання сільськогосподарської сировини.

У харчових виробництвах найбільш широке застосування як холодоносії одержали розчини СаСl2, NаСl, МgСl2, К2СО3, які достатньо економічні за прямими витратами. У малих концентраціях СаСl2; використовують як харчову добавку (Е509), хлориди натрію і магнію також не токсичні. Розчину К2СО3 властиві високі значення рН. Але ці розчини дуже агресивні стосовно конструкційних матеріалів, харчових продуктів (при високих концентраціях), тому втрати, пов'язані з погіршенням якості продуктів, можуть у багато разів перевищити прямі витрати. У цьому плані має місце тенденція заміни цих холодоносіїв на інші, що забезпечують і більш надійну роботу холодильного обладнання, і вигідно відрізняються за санітарно-гігієнічними, токсикологічними властивостями. У першу чергу до них відносять водні розчини багатоатомних спиртів, таких як пропіленгліколь (пропандіоль), етиленгліколь, гліцерин. Мають свої переваги і водні розчини метилового та етилового спиртів, аміаку. Але ряд цих переваг поєднується з їхнім новим недоліком - пожежною та вибухонебезпечністю холодоносіїв.

Регресійні співвідношення для залежностей теплофізичних властивостей ряду розсолів від їхньої температури та концентрації розроблено в роботі [1]. За цими співвідношеннями автором цієї статті розроблено комп'ютерні процедури, що дозволяють одержувати значення теп-лофізичних характеристик розсолів при довільних значеннях температури та концентрації розчину (див. ілюстрацію вікна на рис. 2 на прикладі розчину етилового спирту). Тут уможливлено два шляхи розрахунків - або за заданою температурою початку кристалізації розраховується відповідна концентрація розчину, або навпаки. Теплофізичні властивості при декількох значеннях температур та концентрацій (бінарних розчинів) деяких холодоносіїв наведено в табл. 1. Звичайно, наявність антикорозійних добавок, барвників тощо може дещо змінити наведені тут кількісні характеристики, але табл. 1 все ж надає можливість першого зіставлення різних властивостей холодоносіїв при заданій мінімальній температурі розсолу. Наведемо деякі інші характеристики компонентів розсолів, указаних в табл. 1 холодоносіїв.

Рис. 2. Ілюстрація вікна результатів розрахунку теплофізичних властивостей холодоносіїв

Таблиця 1. Теплофізичні властивості холодоносіїв

Етиленгліколь є отруйною рідиною (ГОСТ 19710-83), тому його використання у харчовій промисловості є небажаним, до того ж він вважається небезпечним і для навколишнього середовища.

Розчин гліцерину має завеликі значення динамічної в'язкості (рн) при низьких температурах, при його використанні посилюються вимоги до вибору матеріалів ущільнень, гуми та пластмасових деталей. Гліцерин ефективно відмиває в контурі циркуляції іржу та інші відкладення на поверхні трубопроводів та випарників.

Етиловий спирт пожежонебезпечний, має низьке значення температури кипіння при атмосферному тиску. Висока здатність етилового спирту до випаровування з водного розчину, зменшення за рахунок цього концентрації розчину в охолоджувальній системі спонукає до застосування цього холодоносія тільки у закритих системах. При цьому розширювальний бачок проектується з еластичною мембраною, що герметизує систему циркуляції холодоносія. Пожежний аспект важливо враховувати при періодичному виконанні робіт з дозаправлення етилового спирту у систему його циркуляції.

Метиловий спирт не тільки пожежонебезпечний, але й отруйний, дуже небезпечний для здоров'я людей, тварин. Тут також мають місце проблеми, характерні для водних розчинів етилового спирту.

Пропіленгліколь - безбарвна густа рідина із слабким характерним запахом, змішується з водою та етиловим спиртом, має гігроскопічні властивості, використовується як харчова добавка (Е1520). Температурний діапазон використання водних розчинів пропіленгліколю як тепло-холодоносія - від -50 до 107 °С. У харчових виробництвах цей холодоносій виявився найбільш конкурентоспроможним (поряд із розчинами етилового спирту та гліцерину) в діапазоні температур від -20 до -1 °С. Необхідно відзначити, що Пропіленгліколь в процесі експлуатації може окислюватись до гліколової кислоти зі зниженням значень рН (до 5) та концентрації самого пропіленгліколю. Заправлення у систему циркуляції «свіжого» пропіленгліколю може призвести до прискорення окислювальних процесів та інтенсифікації корозійних процесів. Пропіленгліколь є поверхневоактивною речовиною, сприяє вимиванню відкладень на стінках обладнання в розчин.

Температура холодоносія в контурі його циркуляції значно змінюється, набирає значень як вищих, так і нижчих від температури початку кристалізації води в ньому. Залежно від характеристик теплообмінного обладнання може виникнути ситуація, коли транспортування холодоносія з кристалами льоду в трубопроводах, у каналах теплообмінників чи наморожування льоду на теплообмінних поверхнях випарників холодильної установки неприпустиме. У цьому разі концентрацію холодоносія вибирають такою, щоб відповідна до неї температура початку кристалізації була меншою за найнижчу температуру холодоносія в контурі його циркуляції. При цьому користуються залежностями, що, наприклад, наведені у табл. 2 для водного розчину пропіленгліколю.

Таблиця 2. Залежності температури кристалізації пропіленгліколю

небезпека охолоджувальний екологічний

Ацетат (СН3СО2К) та форміат (НСООК) калію за різними даними також не є небезпечними для здоров'я людей. Перший із них може навіть використовуватись як харчова добавка. Вони є речовинами,що піддаються біорозпаду в навколишньому середовищі, мають вигідні корозійні властивості відносно сталі, алюмінію, бронзи, але несумісні з цинком, гальванічними покриттями тощо.

Водні розчини солей, рідин типу спиртів характеризуються високою корозійною активністю. Найбільш інтенсивна корозія спостерігається у відкритих системах, де досягається висока насиченість киснем. Алюміній піддається сильній корозії у слабких та концентрованих розчинах хлориду натрію. Але швидкість корозії міді, бронзи, алюмінієвих сплавів у цілому не дуже велика - приблизно 0,01 мм/рік. На швидкість корозії впливає рН розчину, у лужних розчинах швидкість корозії менша (рекомендуються розчини з рН не більше 8,5-10). Високі значення рН мають водні розчини ацетату та карбонату калію. Хлорид калію та солі магнію можуть зашкодити харчовим продуктам, а хлорид кальцію - пошкодити стравохід, шлунок людини. Як антикорозійні добавки у водних розчинах солей використовують бензотріазол, толілтріазол, буру, алкосилікати, хромати, фосфати, поліфосфати, карбонат натрію, мелясу тощо. Ці добавки часто є дорогими і здебільшого багато з них - токсичними. Але натуральні антикорозійні добавки мають очевидні переваги, особливо у системах охолодження харчової сировини. У цьому плані залишається актуальним застосування таких холодоносіїв, як «кальтонат» і «кальтозин».

Кальтонат - нетоксична, безбарвна, з жовтим відтінком рідина, що є водним розчином хлористого натрію, у який додані меляса (кормова патока, близько 0,81%) та оксид кальцію (0,15%). Зниження швидкості корозії тут досягається за рахунок хімічної взаємодії цукру, що є у мелясі, з оксидом кальцію. Кальтонат використовують як холодоносій у розсільних системах охолодження, де на виході з випарника необхідно мати температури не нижче -12 °С.

Кальтозин - нетоксична, безбарвна рідина, що одержує жовтувате забарвлення від продуктів корозії сталі. Цей холодоносій є водним розчином хлористого кальцію з добавками меляси (близько 0,72%, можливо, рафінадної патоки, цукру-піску чи цукру-рафінаду), оксиду кальцію (близько 0,18%). Швидкість корозії сталі становить приблизно 0,06 мм за рік, що у 5-6 разів менше, ніж при використанні чистого розчину хлористого кальцію. Кальтозин використовують як холодоносій у низькотемпературних розсільних системах охолодження, де на виході з випарника необхідно мати температури, не нижче -50 °С.

У табл. 1 також наведено характеристики двох безводних холодоносіїв - РМS2 та діоксиду вуглецю. Перший характеризується відносною корозійною пасивністю, низькими значеннями в'язкості, можливістю досягати турбулентних режимів руху холодоносія в теплообмінниках. Діоксид вуглецю - один із кращих та відносно екологічно безпечніших холодоносіїв в області низьких температур. Його відрізняють низькі значення в'язкості, малі гідравлічні втрати, високі значення коефіцієнтів тепловіддачі. Але при цьому необхідно забезпечувати відносно великі значення тиску у контурі його циркуляції (цей недолік раніше був перепоною). Тепер у малих аміачних установках супермаркетів, у системах з невеликим вмістом аміаку використовують діоксид вуглецю як проміжний холодоносій.

Слід ще раз звернути увагу і на такий холодоносій, як льодяна вода. У потік води з температурою, наприклад, 4 °С можна підсипати лускоподібний лід (ice slurry). Такий лід виготовляють за допомогою льодогенераторів заздалегідь (акумулювання холоду) чи виморожують з потоку води (розсолу) та сколюють лід назад у потік. На шляху до теплообмінного апарата льодяна вода (розсіл) буде охолоджена до необхідних температур за рахунок танення льоду. Таким холодоносієм можливо ефективно досягти технологічних цілей: охолодження молока, пива, соків тощо до температур близько 2-3 °С і нижчих. Суттєвих переваг можливо досягти, якщо через канал теплообмінного апарата рухається двофазна суміш «вода (розсіл) - луско-подібний лід».

При цьому з боку такого холодоносія забезпечуються коефіцієнти тепловіддачі 2000-4000 Вт/(м2К) - значення, характерні для процесів безпосереднього кипіння холодоагентів. Крім того, за рахунок танення льоду температура самого холодоносія в теплообміннику залишається сталою.

При охолодженні водних розчинів нижче від температури початку кристалізації води в них утворюються мікроскопічні кристали льоду. Ці кристали не заважають транспортуванню двофазної суспензії вздовж трубопроводу, хоча сама течія не є ньютонівською.

Такий двофазний холодоносій «розсіл-лід» називають бінарним льодом, айссларрі (ice slurry, pumpable ice). із вище визначених причин випливає, що використання такого холодоносія дозволяє за енергетичними характеристиками наближатись до систем безпосереднього охолодження (кипіння). Айссларрі одержують з морської води, водних розчинів солей, гліколів, спиртів. Рідка фаза розділяє кристали льоду, що дозволяє уникнути утворення сніжних грудок, перекачувати суспензії, що містять до 60% (за масою) льоду. Розміри кристалів льоду невеликі - від однієї-двох часток мікрометра до 450 мкм. Частка льоду та розмір кристалів залежать від багатьох факторів, насамперед від конструкції льодогенератора, швидкості течії розчину, концентрації розчинених речовин, тривалості перебування кристалів у розчині, умов теплообміну тощо. Зі збільшенням швидкості руху холодоносія коефіцієнт тепловіддачі збільшується. За розрахунками теплопровідність і в'язкість айссларрі вищі від значень тих самих властивостей для однофазного розчину, наприклад, на 50% при частці льоду близько 15%.

При використанні айссларрі можна забезпечити у 3...5 разів більші енергетичні можливості, ніж при використанні традиційних холодоносіїв, до 50% зменшити діаметри відповідних трубопроводів, зменшити кількість холодоносія у холодильній системі, створити більш стабільні температурні режими холодопостачання.

Суттєві перспективи застосування має давно відомий (див. деклараційний патент України (11) 44536 А від 15.02.2002, Бюл. № 2) вторинний холодоносій - антифриз «БІШОФРИЗ», що є природним мінералом, розчином ряду мінеральних солей (оксид магнію та інші). Він має жовтий колір, густину 1150-1185 кг/м3, температуру початку утворення кристалів льоду -35-25 °С, температуру кипіння 105-115 °С, динамічну в'язкість 2,6 - 3,6 мПа*с, робочий температурний діапазон від -35 до 110 °С. Корозійна активність низька (для сталей, Аl, Сu при Т < 20 °С), водневий показник 7,5-8,5. Холодоносій пожежобезпечний, має властивість відмивати теплообмінні поверхні від накипу та продуктів корозії.

Порівняння систем охолодження з проміжним холодоносієм та систем безпосереднього охолодження киплячим холодоагентом не є коректним, бо вони не е альтернативними, використовуються часто для реалізації суттєво різних технологічних та екологічних цілей. Але в суто технічному плані переваги систем із проміжним холодоносієм такі: менша витрата суцільнотягнених труб, тому що розсільні батареї виготовляються із шовних труб; такі системи мають значно більшу акумулювальну здатність, вони простіші для вирішення за дач регулювання з використанням більш простої та повної автоматизації охолоджувальної системи. Такі системи більш надійні в експлуатації, менш небезпечні у разі аварії, бо мають відносно меншу місткість холодоагенту; відсутність можливості витікання холодоагенту безпосередньо в камерах. Серед недоліків систем із проміжним холодоносієм найчастіше відзначають такі: підвищена корозію трубопроводів, апаратури, арматури, теплообмінного обладнання (особливо у відкритих системах); необхідність реалізації більш низьких температур кипіння холодоагенту у випарниках, де охолоджується холодоносій; великі значення температурних напорів у випарниках; додаткові витрати електроенергії на роботу насосів; необхідність деякого додаткового обладнання (насоси, концентратори розсолу тощо); підвищення металоємності охолоджувальної системи, збільшення площі машинного відділення.

Вирішення гострих екологічних проблем, проблем зниження собівартості продукції за рахунок енергоефективності виробництва, результати конкурентної боротьби різних фірм на ринку холодоагентів та відповідної холодильної техніки мають сприяти розвитку цивілізації в цілому. Свою вагому частку в розв'язання цих проблем внесуть і вторинні холодоагенти.

Размещено на Allbest.ru