Характеристика технологии производства водного льда и основные сферы его применения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Водный лед позволяет эффективно аккумулировать при температуре ниже 0°С как естественный, так и искусственный холод. При охлаждении водным льдом достигаются температуры около 0°С и ниже (в смесях с солями и в замороженных рассолах). Измельченный лед и льдоводяная смесь обеспечивают в качестве хладоносителей интенсивное охлаждение (и увлажнение) разнообразных объектов при постоянной температуре.

В России для нужд холодильного транспорта, пищевой и химической промышленности, сельского хозяйства и торговли ежегодно потребляется более 4 млн. т искусственного льда и около 45--20 млн. т естественного. Современное централизованное и автоматизированное производство льда, а также использование ледяных аккумуляторов холода и особенно изготовление льда на месте потребления перспективны для применения и в будущем.

1. Производство водного льда

По составу исходного сырья -- воды -- искусственный лед может быть подразделен на следующие виды: лед из пресной воды (сырой, кипяченой, дистиллированной); лед из морской воды и рассолов (водных растворов солей); лед из воды с антисептиками и антибиотиками. Требования, предъявляемые в России к источникам воды для хозяйственно-бытовых целей, в общем виде регламентируются ГОСТ 2761--57 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения». Нормы качества водопроводной воды определяются ГОСТ 2874--73 «Вода питьевая».

Прозрачность льда может являться отличительным признаком пищевого искусственного льда, если талая вода от него соответствует ГОСТ 2874--73. Желательно использовать прозрачный лед при употреблении в пищу, в медицине и химии, а также в рыбной промышленности и колбасном производстве, так как он мало смерзается в куски и после таяния не дает солевого остатка. Лед из питьевой водопроводной воды изготовляют матовым плотностью 890--900 кг/м3 и прозрачным плотностью 910--917 кг/м3 при температурах от --8 до -- 25°С. Матовый непрозрачный лед имеет белый цвет. Для получения из обычной водопроводной воды прозрачного льда воду необходимо перемешивать, например, продувая через нее воздух.

При рН>7 и преобладании в воде углекислых солей кальция и магния и особенно натрия блочный лед получается хрупким, и потому его желательно намораживать при --8°С й оттаивать при 20°С вместо обычных температур --10 и 35°С. При использовании жесткой воды с повышенным содержанием примесей, в частности железа, массовая доля которого более 0,04 мг/л, и окисляемостью более 3 мг 02/л непрерывную водоцодготовку можно осуществлять посредством ионообменных установок или песочных фильтров с бачками для квасцевания, умягчающего воду и обеспечивающего коагуляцию органических примесей и обезжелезивание.

Разрешенный Госсанинспекцией России для применения со льдом в рыбной промышленности антибиотик биомицин (хлортетрациклин) добавляется в воду с расчетом содержания 5 г биомицина на 1 т льда, что удлиняет срок хранения рыбы во льду. Применяют иногда также лед с антисептиками, в частности из воды, обработанной хлором и серебряным песком. Во избежание концентрирования вводимых примесей и по другим причинам эт/виды льда и особенно соленый (морской и рассольный) лед целесообразно изготовлять в интенсивных (скребковых) льдогенераторах с тонкослойным намораживанием.

Льдогенераторы блочного и плитного льда. Льдогенераторы блочного льда могут быть рассольными либо непосредственного охлаждения.

Расоольные льдогенераторы блочного льда находят широкое применение (однако в последнее время частично вытесняются льдогенераторами непосредственного охлаждения). Рассольные льдогенераторы практически обеспечивают производство матового и прозрачного блочного льда плотностью около 900 и 917 кг/м3, удобного для транспортировки и длительного хранения. Блочный лед может храниться в любых льдохранилищах и камерах холодильников, что бывает особенно экономично при коротком сезоне потребления льда в районах с холодным климатом. Кратковременное хранение блочного льда возможно и в самих льдогенераторах. Такой лед при необходимости может быть раздроблен или тонко измельчен до насыпной массы 500-- 600 кг/м3. Блочный льдогенератор с холодильной машиной (рис. 1) о бычно производящий технический матовый лед в подвижных льдоформах, состоит в основном из теплоизолированного стального бака с 20%-ным рассолом (H20-f-NaCl), охлаждаемым до -- 10°С (--8-1--12°С) посредством вертикальнотрубных, кожухотрубных или листотрубных испарителей, температура кипения аммиака или R22 в которых составляет около --15°С. Бак оснащен мешалкой, обеспечивающей движение рассола со скоростью 0,1--0,2 м/с, толкателем и опрокидывателем льдоформ. Крин (или тельфер) подводит к дозирующему водо- наполнителю группу оцинкованных льдоформ в рамах и после их заполнения водой опускает в бак с рассолом (желательная кислотность рассола pH 7).

После замораживания воды в нескольких или во всех группах льдоформ они переносятся в нагреваемый (например, теплообменником компрессора) водяной оттаиватель льда с температурой обычно не выше 30--40°С (во избежание растрескивания льда). Далее льдофор - мы посредством крана и опрокидывателя освобождаются ото льда.

У нас и за рубежом часто используют рассольные блочные льдогенераторы для льдоформ, рассчитанных на 12,5 и 25 кг.

Удельный отвод теплоты практически может изменяться от 525 до 585 кДж/кг.

Высота баков льдогенераторов ЛГ-1,5-- Л Г-20 составляет от 2295 до 2445 мм.

Большие льдогенераторы (производительностью 90 т/сут н более), широко применяемые на железных дорогах, в химической и рыбной промышленности России, обычно снабжаются льдоформами, рассчитанными на 25 и 50 кг льда. Подобные льдогенераторы, но с водой, барботируемой в крупных льдоформах, используются наряду с льдогенераторами других типов в Европе и особенно в США для массового производства прозрачного льда. В России обычно применяют стальные оцинкованные льдоформы длиной 1100 мм и имеющие наклон граней 1,5%: для 12,5 кг льда -- с верхним сечением размерами 110X190 мм (продолжительность льдообразования при --8 -г- --10°С составляет около 8 ч); для 25 кг льда -- с верхним сечением раз мерами 130X260 мм (продолжительность льдообразования 12 ч). За рубежом обычно применяют льдоформы с сечением размерами 190X190 мм (продолжительность льдообразования 14 ч); для 50 кг льда -- с верхним сечением размерами 190X380 мм (продолжительность льдообразования 16 ч). Длина льдоблоков,соответствующих льдоформам, около 1000 мм, а длина льдоформ 1120 мм. Недостатками описанных льдогенераторов являются применение промежуточного хладоносителя и наличие вынимаемых льдоформ.За рубежом в рыбной промышленности применяют также безрассольные плитные льдогенераторы погружного типа с оборудованием для барботажа воды. В них прозрачные ледяные плиты массой 4-- 5 т и толщиной 20--30 см намерзают в железобетонном баке с водой в течение 2--3 сут на листотрубных панелях, охлаждаемых непосредственно холодильным агентом. После оттаивания горячим паром холодильного агента плиты вынимают (за заранее вмороженные в плиты штанги) из бака и подают в льдораз делочную машину. У нас известны плитные льдогенераторы оросительного типа и погружные панельно-плитные ледяные холодоак- кумуляторы. Продолжительность намораживания сплошных ледяных блоков и плит может быть вычислена по приведенной ранее (см. с. 100) универсальной формуле или приблизительно определена по номограмме.

Значительно эффективнее применение безрассольных льдогенераторов трубчато-блочного и трубчато-плитного льда. Ледяные блоки намораживаются на пучках труб в 4--5 раз быстрее обычного. При этом лед удешевляется примерно на 20--30%. Для получения прозрачного льда применяют барботирование воды. В таких льдогенераторах не требуется использования льдоформ.

Автоматизированный льдогенератор трубчато-блочного льда ТБЛ-100 (рис. 3) производительностью 100 кг/ч (2,4 т/сут) состоит из водяного бака и испарителя с 96 двойными трубами диаметром 20 мм (площадь поверхности 6,2 м2), объединеннными в 6 пучков (групп) по 16 труб в каждом. На каждом пучке за 2 ч 45 мин намораживается при --15°С матовый трубчатый льдоблок размерами 260X260X1040 мм массой 50 кг. Ускоренное образование трубчатых льдоблоков обусловлено относительно малой толщиной слоев замораживаемой воды. По сигналу реле времени льдоблоки оттаиваются горячими парами холодильного агента (R22) и вынимаются из бака посредством электротали с грейфером. При слабом смерзании шести льдоблоков вместе в один грузовой пакет он может быть вынут из бака льдогенератора автопогрузчиком с боковыми захватами. Льдогенератор охлаждается от компрессорно-конденсаторного агрегата холодопроизводительностью при стандартных условиях около 25 кВт.

По результатам испытаний удельное потребление холода льдогенератором составляет около 860 кДж/кг, а электроэнергии -- 340 кДж/кг (из них 290 кДж/кг в компрессоре при температуре воды 20°С). Конструктивно простой льдогенератор ТБЛ-100 может быть использован и в качестве ледяного аккумулятора холода для низовых блочных предприя Модификации льдогенератора ТБЛ-100 (одна из которых рассчитана на производство льда в количестве 450 кг/ч) отличаются в основном поочередным оттаиврнием, одних групп льдоблоков за счет теплоты льдообразования других групп льдоблоков, а также конвейерной выемкой льдоблоков, всплывающих после оттаивания. Кроме того, льдогенератор ТБ Л-450 имеет насос для циркуляции холодильного агента.

Все льдогенераторы с разветвленной системой труб испарителей особенно нуждаются в насосной циркуляции холодильного агента; при этом требуется наличие дроссельных шайб или регулирующих вентилей для равномерного распределения холодильного агента. Для улучшения оттаивания льда желательно применение холодильных агентов с большой теплотой конденсации, в частности аммиака и R22.

Кроме описанных безрассольных блочных льдогенераторов, не нуждающихся в льдоформах, известны довольно металлоемкие льдогенераторы итальянских фирм «Самифи» и неподвижными льдоформами, снабженными кроме рубашек ребрами или испарительными трубками и охлаждаемыми непосредственно холодильным агентом.

Льдогенераторы трубчатого и пластинчатого льда. Различают трубчатые (в частности, кожухотрубные и подвесные) и пакетно-панельные льдогенераторы для получения трубчатого и пластинчатого льда. Такие льдогенераторы обычно выполняют автоматизированными, безпассольными, оросительными, иногда погружными.

Преимуществом льдогенераторов трубчатого и пластинчатого льда является высокая гигиеничность производства готового к употреблению пищевого прозрачного льда в мелких кусках насыпной массой от 400 до 600 кг/м3. По сравнению с рассольными льдогенераторами блочного льда у оросительных льдогенераторов трубчатого и пластинчатого льда меньше металлоемкость, общий расход энергии и занимаемая площадь. Интенсивность льдообразования у них почти в 10 раз больше, а себестоимость вырабатываемого льда примерно на 30--40% меньше. Оросительные льдогенераторы трубчатого и пластинчатого льда характеризуются довольно большим расходом холода (670--840 кДж/кг) в связи с периодическим нагреванием испарителей. Из-за сравнительно большой поверхности и малой толщины образующегося льда (обычно 5--25 мм) оросительные льдогенераторы пластинчатого и трубчатого (в частности, скорлупного) льда более ин ижными льдоформами, снабженными кроме рубашек ребрами или испарительными трубками и охлаждаемыми непосредственно холодильным агентом.

Льдогенераторы трубчатого и пластинчатого льда. Различают трубчатые (в частности, кожухотрубные и подвесные) и пакетно-панельные льдогенераторы для получения трубчатого и пластинчатого льда. Такие льдогенераторы обычно выполняют автоматизированными, безпассольными, оросительными, иногда погружными.

Преимуществом льдогенераторов трубчатого и пластинчатого льда является высокая гигиеничность производства готового к употреблению пищевого прозрачного льда в мелких кусках насыпной массой от 400 до 600 кг/м3. По сравнению с рассольными льдогенераторами блочного льда у оросительных льдогенераторов трубчатого и пластинчатого льда меньше металлоемкость, общий расход энергии и занимаемая площадь. Интенсивность льдообразования у них почти в 10 раз больше, а себестоимость вырабатываемого льда примерно на 30--40% меньше. Оросительные льдогенераторы трубчатого и пластинчатого льда характеризуются довольно большим расходом холода (670--840 кДж/кг) в связи с периодическим нагреванием испарителей. Из-за сравнительно большой поверхности и малой толщины образующегося льда (обычно 5--25 мм) оросительные льдогенераторы пластинчатого и трубчатого (в частности, скорлупного) льда более ин тенсивны, чем льдогенераторы трубчато-блочного льда (толщина льда между трубами 30-- 40 мм). Кратность циркуляции воды в оросительных льдогенераторах составляет 30--40.

Трубчатый лед -- изготовляют в льдогенераторах с трубчатыми испарителями (в частности, кожухотрубного типа), например в льдогенераторах производства предприятия «Нема» в германиии фирмы «Стал» в Швеции.

Кожухотрубный льдогенератор ЗТЛ-10 (рис. 4) номинальной производительностью 10 т/сут состоит из трех вертикальных теплоизолированных кожухотрубных испарителей (в каждрм по 53 трубы диаметром 51 мм и длиной 2000 мм). Лёд, образующийся в орошаемых водой трубах, оттаивают теплонасосным методом в каждом испарителе поочеред-. но, используя теплоту льдообразования от двух других испарителей. Испарители работают со сдвигом во времени на одну треть цикла, продолжительность которого 45 мин. Оттаявшие ледяные трубы внутренним диаметром 10 мм и наружным 48 мм опускаются на специальный стол, где раскалываются вращающимися ножами на куски в виде трубок или скорлуп длиной около 100 мм и насыпной массой примерно 500 кг/м3. Намораживание и оттаивание льда осуществляется по команде реле времени аммиачным холодильным компрессором холодопроизводительностью при стандартных условиях около 87 кВт. По результатам испытаний при температурах кипения и конденсации аммиака около --15 и 20°С и температуре воды 10°С производя* тельность льдогенератора составляет 420 кг/ч, потребление холода -- 780 кДж/кг, а расход электроэнергии -- 230 кДж/кг.

Кожухотрубные льдогенераторы, применяемые в США и Европе, имеют испарители из труб длиной до 6--7 м; производительность их достигает 60 т/сут и более на один испаритель. Для уменьшения аммиакоемкости кожухотрубных испарителей в них размещают вытеснители, в целях снижения потерь при оттаивании длинных цилиндров льда трубы калибруют. В южных странах высокие кожухотрубные льдогенераторы располагаются под открытым небом.

В отличие от кожухотрубных в подвесных (иногда открытых) трубчатых льдогенераторах трубчатый (скорлупный) лед намораживается снаружи или внутри двойных висящих труб -- в односторонних вариантах или снаружи и внутри двойных труб -- в двустороннем варианте. В России трубчатые льдогенераторы одностороннего наружного льдонамораживания применяют в виде малых агрегатных льдогенераторов со встроенными холодильными машинами.

Двусторонние трубчатые льдогенераторы эффективно используют для получения больших производительностей. Отечественный автоматизированный двусторонний трубчатый льдогенератор (рис. V--10) состоит [9] из четырех батарей, висящих испарительных двойных труб (труба диаметром 94 мм в трубе диаметром 159 мм) длиной по 2300 мм. Трубы посредством насоса орошают водой снаружи и изнутри. После намерзания лед оттаивается горячими парами холодильного агента, падает на скребки транспортера и подается в сдвоенную льдодробилку типа ЛП-1, выпускающую дробленые скорлупы насыпной массой около 600 кг/м3. При работе холодильной установки холодопроизводительностью 700 кВт льдогенератор обеспечивал в стандартном режиме получение около 3000 кг льда в час. Себестоимость скорлупного льда была в среднем на 35% меньше себестоимости блочного льда, получаемого в льдогенераторе с рассольным охлаждением. Льдогенераторы типа ЛГТ, подобные описанному, имеют производительность 10, 50 и 100 т льда в сутки.

Технические показатели льдогенераторов производительностью 50 и 100 т/с приведены ниже.

Трубчатые подвесные льдогенераторы по сравнению с кожухотрубными льдогенераторами имеют упрощенную технологию изготовления, но занимают больше места.

В пакетно-панельных льдогенераторах пластинчатого льда модели «Типпман» (США) лед намораживается на орошаемых водой близко расположенных испарительных панелях, собранных в пакет. Изготовляют компактные типовые модульные льдогенераторы с широким диапазоном производительности (от 1 до 100 т/сут). Для дробления до насыпной массы 600 кг/м3 намороженных и оттаявших пластин льда (обычно с толщиной от оптимальной 6 мм до максимальной 18 мм) используют скребковую конвейерную дробилку, расположенную под испарителями, или несколько шнековых дробилок. Льдогенераторы чешуйчатого и снежного льда. Наиболее прогрессивными устройствами для получения чешуйчатого и снежного льда во многих случаях являются роторные (ротационные) льдогенераторы.

Автоматические роторные льдогенераторы непосредственного охлаждения не нуждаются в оттаивании льда и являются единственными серийно выпускаемыми льдогенераторами непрерывного действия. Такие льдогенераторы, оснащенные простой системой автоматики и противоаварийной защиты,, изготовляют из пресной (и соленой) воды снежный и чешуйчатый лед насыпной массой примерно 300 и 400 кг/м3, а также льдоводяную пульпу. Эти виды льда пригодны для непосредственного употребления в современной пищевой, химической и строительной технологии. Роторные льдогенераторы применяют также для аккумуляторов холода и в качестве теплообменников при теплонасосном отоплении, использующем теплоту льдообразования.

Механическое отделение льда шнеками, скребками (ножами, резцами) и особенно специальными фрезами более экономично, чем его оттаивание, связанное с потерями льда и периодическим прогреванием испарителей или льдоформ. Поэтому роторные льдогенераторы потребляют минимум холода (460--500 кДж/кг) и электроэнергии (145--200 кДж/кг) и занимают мало места (0,1--6,3 м3/(т/сут)]. Обычная себестоимость чешуйчатого и снежного льда, по крайней мере, на 40--50% меньше стоимости льда, получаемого в блочных льдогенераторах рассольного охлаждения.

В скребковых льдогенераторах лед, намерзающий на цилиндрическом испарителе, обычно отделяется от него движущимся скребком в виде чешуек или крупинок, называемых снежным льдом. При замене скребков катящимися по льду фрезами получают только чешуйчатый лед. Иногда вместо скребков применяют и шнеки.

2. Применение искусственного водного льда

Водный лед, полученный из пресной и морской воды, используют для охлаждения, хранения и транспортирования продуктов питания.

Широкое применение льда в качестве охлаждающей среды объясняется прежде всего его физическими свойствами, а также экономическими факторами. Температура плавления водного льда при атмосферном давлении 0°С, удельная теплота плавления 334,4 Дж/кг, плотность 0,917 кг/м3, удельная теплоемкость 2,1 кДж/(кг*К), теплопроводность 2,3 Вт/(м*К). При переходе воды из жидкого состояния в твердое (лед) происходит увеличение объема на 9%.

Естественный лед заготавливают путем вырезания или выпиливания крупных блоков изо льда, образовавшегося на естественных водоемах, послойного намораживания воды на горизонтальных площадках, наращивания сталактитов в градирнях. (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.

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. Не замерзшая 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.

Искусственный лед получают путем замораживания чистой пресной или морской воды в льдогенераторах. Качество льда, его 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 используют 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 сопри-касаются 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.

Использование льда в технике.

Ледяная гидросмесь. В конце 1980-х годов лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (Ice Slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который в 5--7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды и не повреждают клетки. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10--15 до 30--45 минут.

Использование льда в качестве конструкционного материала широко распространено в приполярных регионах для строительства жилищ -- иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала Пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец. Использование льда для постройки искусственных островов описывается в фантастическом романе Ледяной остров.

Новые исследования формирования водяного льда на ровной поверхности меди при температурах от -173 °C до -133 °C показали, что сначала на поверхности возникают цепочки молекул шириной около 1 нм не гексагональной, а пентагональной структуры.

Литература

льдогенератор рассольный гидросмесь

1. Шавлов А.В. Лёд при структурных превращениях. Новосибирск: Наука, 1996.

2. Шавлов А.В., Рябцева А.А., Шавлова В.А. «Сверхскользкий лед для конькобежного спорта» (2007).

3. Быков А.В. - Различные области применения холода (Холодильная техника) - 1985.

Размещено на Allbest.ru