БИНАРНЫЙ ЛЁД. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИНАРНОГО ЛЬДА

Санкт-Петербургский национальный исследовательский униУниверситет информационных технологий, механики и оптики  (ИТМО)

РЕФЕРАТ на тему

БИНАРНЫЙ ЛЁД. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИНАРНОГО ЛЬДА

Кафедра: Теоретических основ тепло и- хладотехники.

Группа: маг. W 4120.

Работу выполнили: Цупиков Д.В.

Работу принял: Цветков О.Б.

Санкт-Петербург. 2016 г

Содержание реферата

1. Литературный обзор и постановка задачи                                2

2. Производство “бинарного льда” по технологии «iStorm»[5].  8

3. Применение вакуума для производства “бинарного льда”                10

4. Актуальность курсовой работы                                                 12

5. Список используемой литературы                                             13

6. Приложение, схемы, рисунки                                                     14

1.Литературный обзор и постановка задачи

Холодильные установки непосредственного охлаждения с раз­ветвленной сетью потребителей холода содержат в себе значитель­ное количество хладагента. Такие установки широко используются при централизованном холодоснабжении супермаркетов, для ох­лаждения молока, в различных технологических процессах в пище­вой и перерабатывающей промышленности. Если в качестве хлада­гента применяются гидрофторуглеродные или гидрохлорфторуглеродные соединения, то разгерметизация такой системы наносит ущерб окружающей среде.

Холодильные установки с промежуточным хладоносителем заправляются значительно меньшим количеством хладагента, одна­ко они требуют дополнительных затрат на создание промежуточно­го циркулирующего контура с теплообменниками. Это в свою оче­редь ведет к увеличению потребления энергии и вложению больших финансовых средств. Однако затраты можно снизить за счет опти­мального выбора промежуточного хладоносителя. Но и в этом случае, разумеется, не исчезли  проблемы, связанные с использованием хладоносителей. И дело не только в коррозии, эксплуатацион­ных затратах, стоимости хладоно­сителей, воздействии их на мате­риалы, пенообразовании и т.д. Дело в том, что резко возросли эко­логические и токсикологические требования к промежуточным сре­дам. Между тем существуют случаи проте­чек хладоносителей в окружающую среду и, что особенно тревожно, в напитки и пищевые продукты.

Вода, как известно, является естественным и наи­более доступным веществом на Земле [1]. Человече­ство широко применяет воду и в быту, и в технике, в частности в качестве  хладоносителя.

Охлаждение большого спектра пищевых продук­тов требует использования в качестве хладоносителя воды. Для достижения требуемой температуры охлаж­даемого продукта и реализации номинальной произ­водительности теплообменного аппарата (например, охладителя молока) вода должна иметь максимально низкую температуру, близкую к температуре замер­зания. Но с технической точки зрения получение воды с температурой 0,5°С...1°С (так называемой ледяной воды) довольно сложная задача. Широко используе­мые для охлаждения жидкостей проточные герметич­ные кожухотрубные или пластинчатые теплообменни­ки подвержены опасности разрушения при замерза­нии воды внутри контура теплообменника.

Наиболее простой тип открытого теплообменника — испаритель, выполненный в виде трубы, погружен­ной в бак с водой. Кипящий внутри трубы хладагент охлаждает находящуюся в баке воду. Для интенсифи­кации теплообмена воду в баке принудительно пере­мешивают. Но из-за малой площади теплообмена и высокой степени обмерзания поверхности труб про­цесс малопроизводителен и требует пониженных дав­лений кипения хладагента, что приводит к снижению эффективности использования компрессоров.

Более эффективным способом получения ледяной воды является использование погруженных в воду панельных испарителей [2]. Подобные испарители име­ют более высокие параметры, обуславливающие эф­фективность теплообмена. Такой способ получения ледяной воды позволяет также накапливать опреде­ленное количество «холода» в виде льда, который намерзает на поверхности испарителя. «Аккумулиро­ванный холод» используется в часы пиковых нагру­зок. Таким образом, холодопроизводительность уста­новки может быть существенно ниже максимальной тепловой нагрузки, обусловленной технологическими процессами. Кроме этого, запасы холода могут быть сделаны при работе в ночное время, когда стоимость электроэнергии определяется льготными тарифами.

Еще более эффективным методом получения ле­дяной воды является способ, при котором использу­ется льдогенератор. Льдогенератор (обычно выполненный в виде нескольких батарей панельных испа­рителей) располагается над емкостью (баком-аккуму­лятором), в котором хранится лед и ледяная вода. В процессе работы льдогенератора вода, возвращаясь от потребителя холода, попадает на панельный испа­ритель. Стекая по поверхности испарителя, темпера­тура кипения хладагента в котором обычно составля­ет -8°С...-10°С, вода замерзает и образует ледяную корку. Через определенные интервалы времени, обыч­но, когда толщина ледяной корки достигает 6...8 мм, в испаритель подается горячий газ. При этом ледяная корка отрывается от поверхности испарителя и пада­ет в бак. В часы максимума нагрузок вода доохлаждается, проходя через бак с осколками льда. Кроме того, присутствие осколков льда позволяет избежать неже­лательного нагрева воды в период хранения в нако­пителе.

Пленочные испарители также являются панельны­ми испарителями, в которых охлаждение воды до тем­ператур, близких к нулевым, достигается в процессе стекания тонкого слоя воды по поверхности испари­теля. Конструктивно пленочный испаритель представ­ляет собой набор пластин, расположенных с опре­деленным интервалом в силовом каркасе, внутри ко­торых кипит хладагент при отрицательной температу­ре. Вода из верхнего бака стекает вниз по ребрис­тым поверхностям пластин и охлаждается. Преимуществами таких испарителей являются:

-  в пленочных испарителях можно получить воду с температурой до 0,5 °С;

- благодаря существенному воздушному зазору между пластинами пленочного испарителя исклю­чается возможность выхода его из строя в случае замерзания. При этом не нужны дорогостоящие электронные приборы, защищающие установку от поломки. Установка с пленочным испарителем проста и надежна и даже в нештатных ситуациях остается работоспособной;

- применение пленочного испари­теля позволяет наи­более эффективно использовать комп­рессор. Как извест­но, чем выше темпе­ратура кипения, тем выше холодопроизводительность ком­прессора. В системе с пленочным испа­рителем мы можем достичь температу­ры воды на выходе из испарителя +0,5°С при температуре кипения -3...-4 °С, а также более низкое, по сравнению с описанными выше методами, потребление электро­энергии;

- в конструкции испарителя предус­мотрены легкосъемные торцевые крышки для контроля воды, а также его обслуживания и очистки.

Поиск новых рабочих веществ для современных парокомпрессионных машин в настоящее время становится всё более острой проблемой из-за возрастаю­щих экологических требова­ний, предъявляемых к ним. Так, разработка новых эко­логически безопасных хлад­агентов связана с большими финансовыми затратами и не всегда может гарантировать успех. Поэтому такие факторы, как экологическая чистота, доступность, термо­динамическое совершенство, дешевизна, пожаровзрывобезопасность, создают условия для поиска рабочих веществ природного происхождения – в том числе, воды, диоксида углерода, водных растворов солей и спиртов.

Наиболее простым, деше­вым,  совершенным  по теплофизическим свойствам ве­ществом является вода. Вода обладает высокой скрытой теплотой парообразования и теплоемкостью. Однако ра­бочий цикл с применением воды в качестве хладагента проходит при давлении ниже атмосферного.

На сегодняшний день водоледяная суспензия (айс-сларри) и водный лёд находят все более широкое при­менение в разных отраслях промышленности, главным образом, в пищевой, в меди­цине, в производстве хими­ческих продуктов и сельском хозяйстве, что связано, пре­жде всего, с их экологической чистотой и отличными теплофизическими свойствами. Водный лёд и льдоводяные растворы могут успешно применяться при переработ­ке рыбы и морепродуктов – для их охлаждения с момента добычи до поступ­ления в продажу; в сельском хозяйстве – для охлаждения молока, фруктов и овощей; в хлебопекарной промыш­ленности – для охлаждения теста; на мясоперерабаты­вающих предприятиях –  для предотвращения нагрева фарша в процессе куттерования; в сфере кондициони­рования воздуха. Также свою нишу «бинарный лед» на­шел в строительном деле при производстве бетона, в хи­мической промышленности для отвода тепла в реакторах. Применение “бинарного льда” в холодильной тех­нике существенно сокращает габариты теплообменного оборудования, более интен­сивно протекают процессы тепломассообмена.

Таким образом, разработка и создание льдогенераторных установок для производства “бинарного льда” и пластинчатых массивов вод­ного льда является перспек­тивным направлением[6].

   В холодильной технике использу­ют десятки различных однофазных промежуточных хладоносителей как на водной основе, так и синте­тических. В последние годы появи­лись двухфазные хладоносители – “бинарный лед” (айс-сларри)[3].

Россия - исторически родина “бинарного льда”: диссертация В.А. Чижикова на эту тему была защищена в Ленинград­ском технологическом институте холодильной промышленности (ныне СПбГУНиПТ) в 1972 г. Осмыс­ление преимуществ подобной сис­темы охлаждения растянулось на десятилетия. Сегодня ее стали ак­тивно применять в Европе, Азии и Америке. В нашей стране развитие подобных технологий, и прежде всего машиностроения, для их ре­ализации только начинается.

“Бинарным (квазижидким) льдом” называют суспензию мелких ледяных кристалликов размером, как правило, между 0,01 и 0,2 мм в воде или водном растворе другого подобного хладоносителя. После признания технических и эко­номических преимуществ “бинарного льда” проблематика его использования в холодильной технике с температурным режимом около 0° стала одной из самых актуальных. Важнейшим доводом является то, что выгодность бинарного льда как хладоносителя меняет взгляд на косвенное охлаждение и дает возможность в большой мере использовать оборудование с существенно сниженными заправками хладагента, что предпочтительно с точки зрения экологии и бе­зопасности, а также достигнуть экономии в системах с аккумуляцией холода.

- «бинарный лед» имеет значительно большую теплоемкость, что обусловлено скрытой теплотой плавления части льда;

- при использовании «бинарного льда» в системе снижаются мас­совые и объемные расходы теплоносителя, что обеспе­чивает уменьшение потерь давления;

- значительно меньшие габариты и производитель­ность насосов, и, как следствие, снижение значения потребляемой энергии.

Процесс получения водо­ледяной суспензии класси­ческим способом является сложным с разных точек зре­ния. При этом необходимо применять двухконтурную систему, в состав которой входит хладоновая холодиль­ная установка с дорогостоя­щей теплообменной аппара­турой. Затем намороженный лёд необходимо удалять с теплообменной поверхности, осуществлять мелкое дроб­ление, смешивать с водой и применять различные пере­мешивающие и перекачива­ющие устройства для созда­ния однородной водоледяной массы и транспортировать её потребителю. Следует также считаться с существующим риском утечек рабочего ве­щества, что оказывает пагуб­ное влияние на окружающую среду (разрушение озонового слоя, потепление окружаю­щей среды). Другим мето­дом получения водоледяной смеси является сочетание водоохлаждающей установки (чиллера) и воздухоохладите­ля с последующим распыле­нием воды в поток холодного воздуха. Оба способа явля­ются дорогостоящими по ис­полнению и имеют высокий расход энергии на получение продукта - соответственно 0,003 и около 0,004 кВт/кг.

   Существует два основных подхода к приготовлению “бинарного льда”[4]:

а)соскабливание кристаллов льда, образующихся на теплообменной  поверхности (трубках, плитах), охлаждаемой непосредст­венно хладагентом, быстрее, чем образуется компактный слой льда. При этом образуется бинарная "каша", типичная для “бинарного льда”.

б) процесс, когда кристаллы льда возникают на кристаллизаци­онных ядрах в объеме, где созданы условия, близкие к тройной точ­ке ( 0°С и 5,6 мбар).

Производство “бинарного льда” по технологии «iStorm»[5].

На выставке IKK-2003 в Ганновере впервые была присуждена премия «За энергосберегающие решения» в размере 10000 евро. Лучшей была признана система «iStorm». Система льдогенератора «iStorm» состоит из резер­вуара с хладоносителем и другой жидкостью, назван­ной «iStorm», а также из нескольких насосов неболь­шой мощности.

Специальная жидкость «iStorm» обладает большей плотностью и имеет более низкую температуру замерза­ния , чем хладоноситель. «iStorm» инертна по отноше­нию к среде, то есть не смешивается с хладоносителем.

Жидкость «iStorm» охлаждается до температуры ниже необходимой температуры «бинарного льда» посредством обычного парокомпрессионного агрегата, работающего по традиционному циклу. Охлажденная жидкость «iStorm» возвращается в резервуар, проходя через уни­кальную форсунку, где смешивается с хладоносителем.

Вода, входящая в состав хладоносителя, заморажи­вается, образуя пластинки льда одинакового размера и консистенции. Пластинки льда всплывают к верхней части резервуара, в то время как жидкость «iStorm» опускается ко дну и поступает на последующее охлаж­дение. Образовавшаяся смесь из хладоносителя и плас­тинок льда может быть перекачана обычными насосами из резервуара в бункер на хранение.

Тепловая нагрузка, в том числе пиковая, снимается посредством теплообменников – потребителей, которые завися­т только от размеров трубопроводов и насосов. Это позволило избежать недопустимых потерь давления и неблагоприятных ре­жимов работы насосов.

В отличие от существующих методик производства “бинарного льда”, которые отличаются высоким износом механиз­мов, в технологии «iStorm» внутри льдогенератора нет движущихся механизмов. Следовательно, такая техно­логия позволяет не только снизить установленную холодопроизводительность, как в случае обычного акку­мулятора холода, но также существенно сократить капитальные и эксплуатационные затраты. Помимо этого, в технологии «iStorm» снижены расходы на обс­луживание установки. Таким образом, в системе «iStorm» сочетаются преимущества аккумуляторов холо­да и льдогенераторов.

Преимущества технологии «iStorm» по сравнению с традиционными системами, приведшие к сокращению энергопотребления и повышению эффективности сис­темы, обусловлены следующими решениями:

- применение испарительного конденсатора позво­лило снизить температуру конденсации и повысить холодильный коэффициент системы;

- в парокомпрессионном агрегате применен элек­тронный ТРВ, что обеспечило работу с меньшими тем­пературой и давлением конденсации. Подобраны плас­тинчатые     теплообменники     с     большей    теплопередающей площадью;

- применение технологии «iStorm» позволило произ­водить «бинарный лед» (льдожидкостную смесь) без износа оборудо­вания при незначительных затратах на обслуживание;

- «бинарный лед» в качестве теплоносителя требует меньших энергозатрат на работу насосов;

- с применением бункера для хранения «бинарного льда» стало возможным сместить производство льда на ночное вре­мя, что важно для выравнивая энергозатрат днем и но­чью;

- в концепции «iStorm» не наблюдается снижение эффективности вследствие применения систем регули­рования производительности;

- технология «iStorm» оказывает очень незначи­тельное влияние на окружающую среду;

Перечисленные преимущества концепции, заложен­ной в системе «iStorm», обусловили ее эффективное применение в различных областях холодоснабжения и кондиционирования:

- коммерческое холодоснабжение в пищевой про­мышленности, в том числе молочной;

- системы охлаждения, для которых характерно при­сутствие пиковых нагрузок, например, технологическое охлаждение;

- системы кондиционирования, где нагрузки также крайне неоднородны, применение такой системы мо­жет быть интересным.

Применение вакуума для производства “бинарного льда”

Альтернативой при полу­чении водоледяной смеси и водного льда является при­менение вакуумных техно­логий, реализация которых возможна на вакуумно-испарительных и вакуумно-сублимационных установках, в которых вода является одно­временно и хладагентом, и хладоносителем. Это делает установку безупречной с эко­логической точки зрения.

Метод получения водоле­дяной смеси на вакуумной установке основан на непре­рывном распылении воды через форсунки в бак-испаритель, в котором под­держивается давление ниже тройной точки воды. В поле­те капля охлаждается, и часть её замерзает. Таким образом, в баке-испарителе образу­ется и накапливается льдоводяная смесь с диаметром гранул, размер которых мо­жет составлять до 500 мкм. В дальнейшем «бинарный лед» легко перекачивается обычными центробежными насосами по трубопроводу на большие расстояния.

Пластинчатые массивы вод­ного льда получают так же, как и мелкодисперсный лед, и особых конструктивных изменений в системе не тре­буется. Этот метод основан на послойном намораживании пластин водного льда с после­дующим их смораживанием в единый массив. Вода порци­ями подаётся в испаритель, где намерзает на предыдущий слой. Затем намороженный массив льда удаляется в льдосборник, где при падении дробится. Основное преиму­щество данного метода заклю­чается в том, что образование льда идёт практически на по­верхности раздела «вода-пар» и термосопротивление тонких слоев водного льда не оказы­вает заметного отрицательно­го влияния на интенсивность его образования. Также име­ется возможность получить лёд с оптимальной, с точки зрения расхода энергии, тем­пературой    0...-2°С, что трудно реализуемо в схемах на основе холодильных комп­рессоров и хладагентов. Ваку­умные установки для получения цилиндрического массива водного льда методом послой­ного намораживания и после­дующего смораживания слоев отличаются простотой конс­трукции и обслуживания. В ней используется доступный, дешевый и безопасный хлада­гент – вода, что обеспечивает снижение эксплуатационных расходов, связанных с утеч­ками, отсутствие необходи­мости регистрации сосудов в органах технического надзора и особых мер безопасности установки.

Используя вакуумно-испарительные и вакуумно-сублимационные установки в качестве холодоаккумуляторов в ночное время, можно существенно снизить элект­ропотребление в часы пико­вых нагрузок.

На сегодняшний день про­водятся эксперименты по получению ледяной смеси с использованием быстроход­ных безмасляных насос-ком­прессоров.

Таким образом, примене­ние вакуумно-испарительных и вакуумно-сублимационных установок для создания охлаждённой воды, водоледяной смеси, водного льда в данном секторе холодиль­ной техники составляет оп­ределённую конкуренцию существующим методам льдогенерации на основе парокомпрессионных хладоно­вых холодильных установок.

На сегодняшний день в нашей стране развитие систем охлаждения с помощью “бинарного льда” (айс-сларри) только начинается, наряду с тем в Европе и Америке системы подобного типа применяются с 2004 года. Учитывая перспективность применения холодильных установок с использованием воды в качестве промежуточного хладоносителя, высокую эффективность, теплофизические характеристики “бинарного льда”, существует потребность разработки холодильных установок для производства “бинарного льда”. В данной работе разработан проект холодильной установки с использованием воды в качестве промежуточного хладоносителя.

Актуальность курсовой работы

В настоящее  время в нашей стране для охлаждения пищевых продуктов в качестве теплоносителя широко применяется ледяная вода. Хотя целесообразно  применять “бинарный лед” (айс-сларри),так как он имеет значительно большую теплоемкость чем ледяная вода, что обусловлено скрытой теплотой плавления кристаллов льда, в результате чего снижается массовый и объемный расходы хладоносителя.

При всех очевидных преимуществах, получение водоледяной суспензии с температурой около 0°С довольно сложная задача. Существует два основных подхода к приготовлению «бинарного льда»: соскабливание кристаллов льда, образующихся на теплообменной поверхности и процесс, когда кристаллы льда возникают на кристаллизационных ядрах в объеме хладоносителя.

Альтернативой при получении шуги является применение вакуумных технологий, реализация которых возможна в вакуумно-кристаллизационных установках. В данном дипломном проекте представлена разработка холодильной установки для получения «бинарного льда», работающей по вышеуказанному принципу.

Список используемой литературы.

1)                 Коптелов К.А. Теплофизические и коррозионные свойства хладоносителей контуров промежуточного охлаждения для пищевой промышленности. // Холодильный бизнес. 2000. № 3.

2)                 Ахметзянов М. Ледяная вода. // Empire of cold. 2003. № 2.

3)                Цветков О.Б. Айс-сларри и однофазные хладоносители. // Холодильная техника. 2004. № 3.

4)                Дворжак З. Бинарный лед. // Холодильный бизнес. 2000. № 3.

5)                Борисенко Н. Производство ледяной шуги по технологии «iStorm». // Холодильный бизнес. 2004. № 4.

6)                Маринюк Б.Т., Сусликов Д.В., Ермолаев А.Е. Экологически чистые методы получения водного льда. // Холодильный бизнес. 2008. № 2.

7)                Иванов В.И. Безмаслянные вакуумные насосы. – Л.: Машиностроение, 1980. – 160с., ил.

8)                Каталог центробежных насосов фирмы “Grundfos”.

9)                Каталог  пластинчатых теплообменников фирмы “Alfa-Laval”.

10)           Каталог  вакуумных насосов фирмы “Гидромех”

11)           Программа для расчета термодинамических свойств веществ CoolPac.

12)           Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. – М.: Типография им. Котлякова издательства «Финансы», 1969. – 408 с.

13)           Кузнецов Г.Ф. Тепловая изоляция. – М.: Стройиздат, 1985. – 421 с., ил.

14)           Курганов А.М., Федоров Н.Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. – Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978. – 424 с., ил.

15)           Курылев Е.С., Оносовский В.В., Румянцев Ю.Д. Холодильные установки. – СПБ.: Политехника, 1999.

16)           Инструкция по монтажу компрессоров и насосов. – М. – 1979.

17)           Бараненко А.В., Калюнов В.С., Румянцев Ю.Д. Практикум по холодильным установкам. – М.: Учебная профессия, 2001.

18)           Бараненко А.В., Бухарин Н.Н., Пекарев В.И., Тимофеевский Л.С. Холодильные машины: Учебник для студентов втузов специальности «Техника и физика низких температур». – СПб.: Политехника, 2006. – 944 с.: ил.

19)           Богданов С.Н., Бурцев С.И., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ. – СПб.: СПбГАХПТ, 1999. – 320 с.

20)           Бурцев С.И., Цветков Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства. – СПб.: СПбГАХПТ, 1998. – 146 с.

21)           Розанов Л.Н. Вакуумные машины и установки. – Л., «Машиностроение» (Ленигр. отд-ние),1975. – 336 с., ил.

22)           Michael Kauffeld, Masahiro Kawaji, Peter W. Egolf. Handbook on Ice Slurries. – Paris, France.: International Institute Of  Refrigeration, 2005. – 362s.

23)           Богданов С.Н., Бучко Н.А., Гуйго Э.И. Теоретические основы хладотехники. Часть 2. Тепломассообмен. – М.: Колос, 1994. – 367 с.: ил.

24)           Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А., Захаренко В.В., Зиновкина Т.В., Таран А.Л., Костанян А.Е. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. – М.: Университетская книга; Лотос; Физматкнига, 2006. Кн. 2. – 872 с.:ил.

25)           Хамский Е.В. Кристаллизация в химической промышленности. – М.: Химия, 1979. – 344 с.

26)           Кузнецов В.И., Немилов Н.Ф., Шемякин В.Е. Эксплуатация вакуумного оборудования. – М.: Энергия, 1978. – 208 с., ил.