ОСНОВЫ ТЕОРИИ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
Физические основы получения искусственного холода
Тепловая энергия в естественных условиях всегда переходит от тела более нагретого (охлаждаемого) к менее нагретому (охлаждающему). Понижение температуры охлаждаемого тела до температуры окружающей среды не требует специальных условий и происходит самопроизвольно. Понижение температуры тела ниже температуры окружающей среды требует применения искусственных способов.
Искусственное охлаждение основано на различных физических процессах: фазовых превращениях веществ, адиабатном расширении, дросселировании, термоэлектрическом охлаждении и др.
Фазовые превращения. Сущность охлаждения при фазовых превращениях заключается в том, что кипение жидкостей, плавление твердых тел и сублимация твердых тел (переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое) могут происходить только при подводе к этим телам тепловой энергии. Если температура кипения жидкости, плавления или сублимации твердого тела ниже температуры окружающей среды, то тело будет переходить из одного агрегатного состояния в другое, отбирая необходимую для фазового превращения тепловую энергию от окружающей среды, температура ее при этом понижается. Среда, от которой отводится теплота, называется охлаждаемой средой.
В практике для целей искусственного охлаждения используют испарение и кипение жидкостей, плавление водного льда и льдосоляных смесей, сублимацию твердой углекислоты, называемой сухим льдом.
Кипением называется парообразование во всем объеме жидкости. В отличие от испарения, которое происходит только с поверхности жидкости при любом давлении и любой температуре, кипение жидкости протекает при определенной температуре, зависящей от давления. Жидкости, имеющие при атмосферном давлении низкие температуры кипения и используемые в качестве рабочих тел в паровых холодильных машинах, называются холодильными агентами .
Плавление представляет собой переход из кристаллического состояния в жидкое. Температура плавления водного льда 0°С, теплота плавления 334,88 кДж/кг.
С помощью льда нельзя получить низкие температуры. Для получения отрицательных температур используют смесь льда и поваренной соли. С повышением концентрациисоли до 23,1% температура плавления льдосоляной смеси понижается до определенной (криогидратной) температуры (-21,2°С), при этом теплота плавления уменьшается до 197,6 кДж/кг. Дальнейшее увеличение концентрации соли приводит к повышению температуры плавления смеси.
Ледяное и льдосоляное охлаждение имеют существеннее недостатки: необходимость заготовки, транспортировки льда, невозможность получения достаточно низких температур, в связи с чем их применение ограниченно.
Сублимация. твердой углекислоты СО 2 протекает при температуре -78,9° С, при этом килограмм сухого льда, переходя в газообразное состояние, отбирает от окружающей среды скрытую теплоту, равную 117 кДж/кг. Применение сухого льда позволяет получить низкие температуры, однако его высокая стоимостьи связанные с доставкой транспортные расходы ограничивают его использование.
Адиабатное расширение газа . Оно протекает только за счет его внутренней энергии без подвода внешней. Уменьшение внутренней энергии сопровождается понижением температуры газа. Этот процесс использован в воздушных холодильных машинах.
Дросселирование. Так называют расширение газа жидкости при проходе ими суженного отверстия. В процессе дросселирования наряду с расширением происходит понижение давления рабочего тела, при этом внешней работы оно не совершает.
Дросселирование жидкостей сопровождается их частичным парообразованием и понижением температуры. При дросселировании наблюдается большое парообразование жидкости, чем при адиабатном расширении, так как работа сил трения при движении жидкости через узкое сечение превращается в теплоту и передается дросселируемой жидкости. Дросселирование используется для глубокого охлаждения и сжигания газов.
Термоэлектрическое охлаждение . Оно основано на использовании эффекта Пельтье. При пропускании электрического тока от источника питания 4 (рисунок 1.1) через термоэлемент, состоящий из двух полупроводников, соединенных последовательно: электрического 1 (-) и дырочного 2 (+), спаянных медными пластинами 3, один спай охлаждается до температуры Т х , другой нагревается до температуры Т т.
В системах КВ воздух нагревается в секциях подогрева, выполняемых в виде многоходовых калориферов из горизонтальных стальных труб, оребренных стальной лентой. Типовые секции собираются из одно- двух и трехрядных базовых теплообменников.
Для первого подогрева по ходу воздуха устанавливается обычно не менее 2-х секций. Теплоносителем может быть вода с температурой до 150 0 С и пар с давлением не более 0,6 МПа.
Если теплоноситель – вода, то для увеличения скорости ее движения в трубках теплообменников и коэффициента теплопередачи секции подогрева соединяются последовательно.
Параллельное соединение применяется только в случаях недостаточного напора в тепловой сети для преодоления увеличения гидравлических сопротивлений теплообменников, соединенных последовательно.
Если теплоноситель – пар, то секции подогрева присоединяются к пароконденсатопроводам параллельно. Максимально допустимое давление пара по условиям прочности теплообменников 0, 6 МПа.
Для секций второго подогрева местных или зональных подогревателей воздуха в качестве теплоносителя применяют воду с постоянной температурой в подающей линии (обычно 60-70 0 С). Расчетный перепад температур воды принимают 15-25 0 С.
Присоединять их к тепловым сетям непосредственно не следует, т.к. требуемая теплоотдача подогревателей, как правило, не зависит от температуры наружного воздуха, т.е. не связана с температурных графиком, по которому изменяется температура сетевой воды. Питание водой переменной температуры значительно ухудшило бы работу системы автоматического регулирования.
Теплоотдача калориферов второго подогрева регулируется автоматическим клапаном, изменяющим количество воды постоянной температуры, подаваемой в калорифер.
Для получения воды с постоянной температурой по закрытой схеме применяют смесительные установки с промежуточными теплообменниками.
33.2 Холодоснабжение кондиционеров.
Холодоносителем для СКВ, как правило, является вода, получаемая от холодильных установок, а в отдельных случаях – от естественных источников. Выбор системы холодоснабжения зависит от способа получения холодной воды, расстояния потребителей от источника холода, типа испарителя, а также от способа присоединения воздухоохладителя к холодоносителю.
33.3. Источники холода для систем кондиционирования воздуха.
При проектировании СКВ в районах с сухим и жарким климатом следует принимать прямое, косвенное или комбинированное (двухступенчатое) испарительное охлаждение воздуха, если эти способы обеспечивают заданные параметры воздуха.
В большинстве случаев для работы СКВ необходимы естественные или искусственные источники холода. К числу естественных источников относятся холодная вода из артезианских скважин или горных рек. Использование этих источников экономически целесообразно в тех случаях, когда температура воды, служащей холодоносителем, позволяет получить необходимы параметры воздуха при нагреве воды не менее, чем на 3 0 С.
В отдельных случаях для небольших систем КВ, расходующих до 180 тыс. Вт холода, можно использовать лед, заготовленный путем намораживания воды в бунтах или получаемый из водоемов. Прямой контакт межу льдом из бунтов или водоемов и воздухом, подаваемым в помещение, не допускается по санитарно-гигиеническим соображениям. Поэтому необходимо льдом охлаждать воду, циркулирующую в поверхностном водовоздушном теплообменнике.
Наиболее распространено получение холода от искусственных источников – холодильных машин. Машинное охлаждение – это способ получения холода за счет изменения агрегатного состояния холодильного агента (кипения его при низких температурах с отводом от охлаждающей среды, необходимой для этого теплоты парообразования).
Для последующей конденсации паров холодильного агента требуется предварительно повышать их давление и температуру. По способу повышения температуры паров и давления перед их конденсацией различают такие типы холодильных машин:
компрессионные – со сжатием паров компрессором с затратой механической энергии;
абсорбционные – с поглощение паров соответствующим абсорбентом и выделением их выпариванием раствора с затратой тепловой энергии;
эжекторные – в которых одновременно осуществляется два цикла: прямой – с превращением подводимой тепловой энергии в механическую и обратный – с использованием механической энергии для производства холода.
Это отвод тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду. При этом способе температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Это самый простой способ охлаждения без затраты энергии.
Искусственное охлаждение - это охлаждение тела ниже температуры окружающей среды. Для искусственного охлаждения применяют холодильныр машины или холодильные установки. При этом способе охлаждения необходимо затратить энергию.
Существует несколько способов получения искусственного холода . Самый простой - охлаждение с помощью льда или снега. Ледяное охлаждение имеет существенный недостаток - температура охлаждения ограничена температурой таяния льда. В качестве охладителей используют водный лед, льдосоляные смеси, сухой лед и жидкие холодильные агенты (хладоны и аммиак).
Льдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Из-за добавления соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается. Охлаждение сухим льдом основано на действии твердого диоксида углерода - при поглощении тепла сухой лед переходит из твердого состояния в газообразное. С помощью сухого льда можно получить более низкую температуру, чем при использовании водного льда: охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда, при охлаждении не возникает сырости, выделяемый газообразный диоксид углерода обладает консервирующими свойствами, способствует лучшему сохранению продуктов. Сухой лед применяется при перевозках замороженных продуктов, охлаждении фасованного мороженого, хранении замороженных фруктов и овощей.
Наиболее распространенным и удобным при эксплуатации является машинное охлаждение. По сравнению с другими машинное охлаждение обладает следующими преимуществами:
- возможностью создания низкой температуры в широких пределах;
- автоматизацией процесса охлаждения;
- доступностью эксплуатации и технического обслуживания и др.
В основу машинного охлаждения положено свойство некоторых веществ кипеть при низкой температуре, поглощая при этом большое количество теплоты из окружающей среды. Такие вещества называют холодильными агентами ().
Хладагенты - это рабочие вещества паровых холодильных машин, с помощью которых обеспечивается получение низких температур. Хладагенты должны иметь высокую теплоту парообразования, низкую температуру кипения, высокую теплопроводность. Вместе с тем хладагенты не должны быть взрывоопасными, легко воспламеняющимися, ядовитыми. Важное значение имеет стоимость хладагентов. Наиболее отвечающим этим требованиям являются хладон 12, хладон 22 и аммиак. Хладон поступает в торговые предприятия в металлических баллонах, окрашенных в алюминиевый цвет и имеющих условную маркировку R12 или R22.
Долго люди пользовались только естественным охлаждением. Лишь в начале XIX в., когда ученые открыли новые свойства жидкостей и газов, удалось получить холод искусственно. Сначала искусственный холод применялся только для лучшего сохранения продуктов, но сейчас он стал помощником человека и на производстве. В жаркие дни он охлаждает воздух в заводских цехах, позволяет осуществлять в промышленных масштабах химические реакции, протекающие только при пониженной температуре. Холод применяют для замораживания грунтов при проходке шахт и тоннелей. Замерзший грунт служит хорошей преградой от проникновения воды. На многих заводах холодом обрабатывают сталь. После закалки ее охлаждают до -70° С и выдерживают при такой температуре несколько часов. Металл приобретает мелкозернистую структуру, становится более твердым и не таким хрупким. Теперь трудно назвать область техники, где искусственный холод не нашел бы применения. Прирученный холод стал нашим настоящим помощником и другом и на производстве, и в быту.
Как работают холодильные машины
Каждая жидкость кипит при определенной
температуре. Однако температура кипения зависит от давления пара над жидкостью.
Понижая давление лара, можно достигнуть понижения температуры кипения.
При кипении жидкость - ее называют холодильным
агентом -
отнимает тепло у охлаждаемого
тела. Эффект охлаждения за счет кипения жидкости используется в паровых
холодильных машинах.
Наибольшее распространение получили компрессионные паровые холодильные машины. Машины эти состоят из 4 основных узлов: испарителя, компрессора, конденсатора и регулирующего вентиля, Узлы соединены трубками и представляют собой единую герметичную систему, заполненную легкокипящим холодильным агентом.
Испаритель - это змеевиковая, обычно ребристая снаружи медная трубка. Он расположен непосредственно в шкафу или в камере. Благодаря непрерывному отводу пара в испарителе поддерживается низкое давление. Теплый жидкий холодильный агент, попадая в испаритель, начинает кипеть. Часть жидкости превращается в пар за счет тепла, которое она отбирает у остальной части жидкости. Поэтому температура оставшейся жидкости резко снижается. Оставшаяся жидкость продолжает уже кипеть при низкой температуре (-15° С и ниже), отбирая тепло из воздуха в камере. В результате воздух в камере охлаждается (примерно до 0° С).
Компрессор отсасывает пары из испарителя, поддерживая в нем низкое давление порядка 0,1-0,2 МПа, сжимает их и, направляет в конденсатор, давление в котором примерно 0,6-1 МПа (0,1 МПа = = 10 5 Па = 1 кгс/см 2). На сжатие паров затрачивается работа, и они нагреваются выше температуры окружающей среды. В конденсаторе пары охлаждаются воздухом (или водой) и снова превращаются в жидкость (конденсируются). Затем жидкий холодильный агент проходит через маленькое отверстие регулирующего вентиля. Давление жидкости при этом падает, и она снова поступает в испаритель, где в результате кипения охлаждает воздух в шкафу или камере.
В качестве холодильных агентов используют аммиак, фреон-12 и др.
Фреон-12 применяется в небольших машинах, которые охлаждают шкафы, прилавки и камеры в магазинах, столовых и ресторанах. Аммиак же используют для крупных промышленных холодильных машин.
Наряду с компрессионными существуют и другие типы паровых холодильных машин: эжекторные и абсорбционные (см. рис. на стр. 360 и 361).
В эжекторных машинах для отвода паров из испарителя используется подсасывающий эффект струи пара, которая с большой скоростью проходит через узкое отверстие сопла эжектора. Поскольку сумма кинетической энергии пара (пропорциональная квадрату его скорости) и статического давления пара величина постоянная (уравнение Бернулли), то около струи пара, движущейся с большой скоростью, создается вакуум. Поэтому пары из испарителя по трубке поступают в камеру эжектора. При расширении в диффузоре скорость пара падает и давление его снова растет. При охлаждении в конденсаторе сжатый пар конденсируется. Часть его через вентиль подается снова в испаритель, а часть насосом - в паровой котел, где при кипении создается пар высокого давления (рабочий пар), который поступает в сопло эжектора, и цикл повторяется.
В абсорбционных машинах пары отводятся из испарителя путем поглощения и растворения их жидкостью в специальном аппарате - абсорбере. Насыщенный раствор насосом направляется в генератор, где его подогревают. Пары из раствора при этом выделяются. Слабый раствор через регулирующий вентиль 1 возвращается в абсорбер, а пары поступают в конденсатор. Там, охлаждаясь, они превращаются в жидкость, которая, проходя через регулирующий вентиль 2, снова поступает в испаритель.
В последние годы в холодильной технике внедряется термоэлектрическое охлаждение. На рисунке показана термобатарея, составленная из полупроводниковых элементов - А и В, соединенных медными пластинами М. При прохождении постоянного тока нижний спай пластины М с элементом А нагревается, а верхний охлаждается. У элемента Б холодный спай расположен на входе тока, а не на выходе, но также сверху. Таким образом, одна сторона термобатареи холодная, другая - теплая. Такая термобатарея вставляется в заднюю стенку домашнего холодильника и, отводя тепло от шкафа, через теплую сторону передает его наружу в окружающую среду. Элементы А делают, например, из свинца и теллура, а элементы Б - из сурьмы и теллура.
Термоэлектрические холодильники несколько менее экономичны, чем компрессионные, но зато они бесшумны и более надежны.
Как используют искусственный холод
Для хранения продуктов строят крупные холодильники. Производственный холодильник - это большое здание без окон, со стенами, облицованными изнутри теплоизоляционными материалами с низкой теплопроводностью. Здание разбито на отдельные камеры. В каждой из них хранятся определенные продукты и поддерживается нужная температура. Опыт показал, что для каждого продукта есть вполне определенные границы температуры, позволяющие дольше всего сохранять его вкусовые и питательные качества. Сама холодильная машина расположена в отдельном помещении, а холодильный агент направляется в охлаждающие батареи, расположенные в камерах.
Схема устройства компрессионного холодильника.
Домашний компрессионный холодильник "ЗИЛ".
Принципиальная схема работы пароводяного эжекторного холодильника.
Для хранения и перевозки рыбы используют сударефрижераторы - плавучие холодильники. По железным дорогам скоропортящиеся продукты долгое время перевозили только в вагонах-ледниках. В специальные "карманы" этих вагонов загружали лед. Теперь появились целые поезда-рефрижераторы. В одном вагоне располагаются холодильная машина и двигатель, который приводит ее в действие, другие вагоны - это холодильные камеры. Часто на улицах города можно видеть автомобиль с длинным закрытым серебристым кузовом. Это авторефрижератор. В передней части кузова помещается холодильная машина. Компрессор ее приводится в движение двухтактным мотоциклетным двигателем. Испаритель расположен в холодильной камере, занимающей остальную часть кузова. Для более равномерного охлаждения продуктов в камере помещен вентилятор, создающий циркуляцию воздуха. В таких авторефрижераторах поддерживается температура -16° С.
Схема устройства абсорбционного холодильника.
Термобатарея - основной агрегат термоэлектрических холодильников (а) и схема одного термоэлемента (б).
Свежие продукты, доставленные в города, попадают в магазины, столовые. Там тоже имеются холодильные камеры, шкафы. Они полностью автоматизированы. Для хранения молока, например, требуется температура от 2° до 4° С. При достижении температуры 2° С компрессор автоматически выключается. Когда температура в шкафу из-за притока тепла поднимется до 4° С, давление паров фреона-12 в испарителе возрастет и реле давления снова включит компрессор.
Так же работают и наиболее распространенные домашние компрессионные холодильники: "ЗИЛ", "Минск", "Полюс". Между двойными стенками холодильника проложена изоляция, препятствующая проникновению тепла внутрь. Внутри холодильника в верхней части расположен испаритель. Основные узлы холодильной машины - компрессор с электродвигателем в герметическом кожухе и змеевиковый конденсатор - расположены на задней стенке шкафа. Автоматическое включение и выключение компрессора в тот момент, когда в шкафу достигнута необходимая температура, производит специальное реле температуры. Установив ручку реле температуры на определенном делении шкалы, вы получите нужную температуру в шкафу.
В настоящее время применяются новые методы хранения продуктов. Оказывается, если их заморозить очень быстро, то они гораздо дольше и лучше сохраняют свои вкусовые свойства. Например, свежеиспеченные булочки, став от резкого воздействия холода твердыми, как камень, могут в таком состоянии храниться до 2 месяцев. Если их прогреть 10 мин в духовке, булочки снова станут мягкими и ароматными. Таким же образом можно долго сохранять фрукты, овощи, даже готовые обеды.
Быстрое охлаждение производят в специальных скороморозильных аппаратах. Чтобы ускорить охлаждение, вентилятор гонит в этих аппаратах холодный воздух с очень большой скоростью.
А знаете ли вы, как делают мороженое?
Молоко или сливки смешивают с сахаром и водой, нагревают до 75° С и выдерживают в течение получаса. При этом погибают все микроорганизмы. Затем смесь фильтруют, и с помощью специального насоса давление повышается до 15 МПа. Под таким большим давлением ее с громадной скоростью пропускают через маленькое отверстие, причем на пути помещают твердую преграду. Жировые частички, ударяясь о нее, разбиваются на мельчайшие брызги (до одного микрометра), и смесь становится совершенно однородной.
Схема получения глубокого холода - температур ниже - 120° С.
Теплая масса выливается на трубки охладителя. В верхних трубках протекает холодная вода, а в нижних - холодильный агент с температурой от -5 до -6° С. Смесь охлаждают до +4° С и направляют в холодильный аппарат - фразер. Это горизонтально расположенный цилиндр с двойными стенками, между которыми под низким давлением кипит аммиак. Он охлаждает поступающую смесь до температуры -4°С; одновременно ее взбивают и насыщают воздухом. Вращающиеся ножи снимают с внутренней стенки загустевшую, как сметана, массу. Мороженое разливают в формочки и замораживают при -20 или -25° С. Готовые порции мороженого кладут между двумя вафлями или. обливают шоколадом, после чего остается только завернуть их в бумагу.
Глубокий холод
До сих пор мы говорили об искусственном холоде, применяемом в пищевой промышленности для хранения и транспортировки продуктов питания, где обычно не требуются температуры ниже -40° С. Однако статья об искусственном холоде была бы неполной без рассказа о "глубоком" холоде (температура ниже -120° С).
Получать температуры ниже -120° С с помощью компрессионных установок сложно и невыгодно. Для этой цели применяют другие методы.
Если сжатый газ направить в цилиндр, то он расширится и переместит поршень, совершив при атом работу. Теряя свою энергию, газ сильно охлаждается. Такая машина называется детандером. Если сжатый газ направить на лопатки вращающегося колеса- турбодетандера, то и в этом случае, вращая ротор, он резко снизит свою температуру. Так, при падении давления с 0,6 до 0,1 МПа воздух охлаждается с 20° до -90° С.
В установке для получения жидкого воздуха сжатый в компрессоре до 0,6-0,6 МПа воздух, прежде чем попасть в турбодетандер, охлаждается в теплообменнике. Из турбодетандера еще более охлажденный воздух поступает в конденсатор. Там он охлаждает и превращает в жидкость другую часть воздуха, которая под давлением 0,5-0,6 МПа поступает из теплообменника в межтрубное пространство конденсатора. Через вентиль жидкий воздух направляется в нижнюю часть конденсатора, где давление уже 0,1 МПа. Оттуда его можно слить в специальный сосуд Дьюара, где благодаря изоляции, создаваемой безвоздушным пространством между двойными стенками, жидкий воздух можно сохранять долгое время.
Получение сверхнизких температур позволило открыть интересные свойства различных веществ. Так, резина в жидком воздухе становится хрупкой, некоторые металлы начинают очень хорошо проводить электрический ток, а свинцовый колокольчик приобретает звучание чистого серебра.
Важнейшее применение глубокого холода - сжижение газов. Каждый газ имеет свою критическую температуру. Пока температура его выше критической, никаким давлением нельзя превратить его в жидкость. При современном развитии холодильной техники стало возможным охлаждать газы намного ниже их критической температуры и превращать их в жидкость при невысоких давлениях. Это позволило дешевым способом получать многие нужные нам газы. Так, если постепенно подогревать жидкий воздух, то сначала из него выделяется азот, имеющий более низкую температуру кипения, а жидкий кислород остается в сосуде. Этот способ получения кислорода широко применяется в промышленности.
Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состоит только в скорости движения молекул и атомов. В более нагретом теле скорость движения больше, чем в менее нагретом. При подводе к телу тепла движение возрастаем, при отнятии тепла уменьшается. Таким образом, тепловая энергии есть внутренняя энергия движения молекул и атомов.
Охлаждение тела – это отвод от него тепла, сопровождаемый понижением температуры. Самый простой способ охлаждения – теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой – наружным воздухом, водой, почвой. Но этим способом, даже при самом совершенном теплообмене, температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Такое охлаждение называется естественным. Охлаждение тела ниже температуры окружающей среды называется искусственным. Для него используется скрытая теплота, поглощаемая телами при изменении их агрегатного состояния.
Существует несколько способов получения искусственного холода. Самый простой из них – охлаждение при помощи льда, таяние которого сопровождается поглощением довольно большого количества тепла. Если теплопритоки извне малы, а теплопередающая поверхность льда относительно велика, то температуру в помещении можно понизить почти до 0˚С. Практически в помещении, охлаждаемом льдом, температуру воздуха удается поддерживать лишь на уровне 5 -8 ˚С.
При охлаждении водным льдом происходит изменение его агрегатного состояния – плавление. Холодопроизводительность, или охлаждающая способность чистого водного льда, называется удельной теплотой плавления. Она равна 335 кДж/кг·градус.
Водный лед применяется для охлаждения и сезонного хранения продовольственных товаров, овощей, фруктов в климатических зонах с продолжительным холодным периодом, где в естественных условиях в зимний период его легко можно заготовить.
Водный лед в качестве охлаждающего средства применяется в специальных ледниках и на ледяных складах. Ледники бывают с нижней загрузкой льда (ледник – погреб) и с боковой – карманного типа.
Ледяное охлаждение имеет существенные недостатки: температура хранения ограничена температурой таяния льда (обычно температура воздуха на ледяных складах 5-8 ºС), в ледник необходимо закладывать количество льда достаточное на весь период хранения и добавлять по мере необходимости, значительные затраты труда на заготовку и хранение водного льда; большие размеры помещения для льда, превышающие примерно в 3 раза размеры помещения для продуктов; значительные затраты труда на соблюдение необходимых требований, предъявляемых к хранению пищевых продуктов и отводу талой воды.
Льдосоляное охлаждение производится с применением дробленного водного льда и соли. Благодаря добавлению соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается ниже. Это объясняется тем, что добавление соли вызывает ослабление молекулярного сцепления и разрушения кристаллических решеток льда. Таяние льдосоляной смеси протекает с отбором тепла от окружающей среды, в результате чего окружающий воздух охлаждается и температура его понижается. С повышением содержания соли в льдосоляной смеси температура плавления ее понижается. Раствор соли с самой низкой температурой таяния называется эвтектическим, а температура ее таяния – криогидратной точкой. Криогидратная точка для льдосоляной смеси с поваренной солью (Н 2 О – NaCl) – 21,2 ºС при концентрации соли в растворе 23,1 % по отношению к общему весу смеси, что примерно равно 30 кг соли на 100 кг льда. При дальнейшем повышении концентрации соли происходит не понижение, а повышение температуры таяния льдосоляной смеси (рис. 5.1).
Рисунок 5.1 - Зависимость температуры затвердевания раствора от концентрации соли в воде.
Эвтектический раствор применяют для зероторного охлаждения. Для этого в зероторы – наглухо запаянные формы заливают эвтектический раствор поваренной соли и замораживают их. Замороженные зероторы используют для охлаждения прилавков, шкафов, охлаждаемых переносных сумок – холодильников и т.д.
Охлаждение сухим льдом основано на свойстве твердой углекислоты сублимировать, т.е. при поглощении тепла переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Физические свойства сухого льда следующие: температура сублимации при атмосферном давлении – 78,9ºС, теплота сублимации 574,6 кДж/кг.
Сухой лед обладает следующими преимуществами по сравнению с водным:
Можно получать более низкую температуру;
Охлаждающее действие 1кг сухого льда почти в два раза больше, чем 1 кг водного льда;
При охлаждении не возникает сырости, кроме того при сублимации сухого льда образуется газообразная углекислота, которая является консервирующим средством, способствующим лучшему сохранению продуктов.
Сухой лед применяется для перевозки замороженных продуктов, охлаждения фасованного мороженого, замороженных фруктов и овощей. Получают сухой лед искусственным путем на углекислотных заводах, хранят его в специальных контейнерах с усиленной теплоизоляцией.
Получение искусственного холода с помощью льда, а также с помощью охлаждающих смесей имеет существенные недостатки: трудоемкость процессов заготовки льда, его доставки, трудность автоматического регулирования, ограниченные температурные возможности.
Термоэлектрическое охлаждение основано на эффекте Пельтье (открыт Жаном Пельтье в 1834 г.), сущность которого заключается в том, что под влиянием проходящего электрического тока по цепи из 2 разных проводников или полупроводников на спаях появляются разные температуры (рис. 5.2). Если температура холодного спая ниже температуры окружающей среды, то его можно использовать как охладитель. Значительную разность температур на спаях дают пары, составленные из полупроводников, изготовленных из соединений висмута, сурьмы, селена с добавлением небольшого количества присадок.
Рисунок 5.2 - Принципиальная схема термоэлектрического охлаждения.
Преимущество термоэлектрического охлаждения – отсутствие движущихся частей, рабочего тела, бесшумность, надежность и долговечность работы, недостаток – большой расход электроэнергии. Термоэлектрические охладительные устройства используются в некоторых типах холодильных шкафов и охлаждаемых баров.
Учитывая недостатки всех вышеизложенных способов охлаждения, наиболее распространенным и удобным в эксплуатационном отношении способом охлаждения является машинное охлаждение.
Машинное охлаждение – способ получения холода за счет изменения агрегатного состояния хладагента, кипения его при низких температурах с отводом от охлаждаемого тела или среды необходимой для этого теплоты парообразования. Для последующей конденсации паров хладагента требуется предварительное повышение их давления и температуры.
Широкое применение машинного охлаждения в торговле объясняется рядом его эксплуатационных свойств и экономических преимуществ: автоматическое поддержание постоянной температуры хранения в зависимости от вида продуктов, высокий удельный вес использования полезной емкости для охлаждения, незначительные затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт, удобство использования и санитарной обработки.
Комплекс механизмов и аппаратов, осуществляющих холодильный цикл, называется холодильной машиной. На предприятиях торговли используются компрессионные холодильные машины, в которых пары хладагента подвергаются сжатию в компрессоре с затратой механической энергии.
Загрузка...