Текст
В. А. БОБКОВ
ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ЛЬДА
В.А.БОБКОВ
ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ЛЬДА
МОСКВА
Пищевая промышленность
1977
УДК 663.67:664.8.037.1
ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ЛЬДА. БОБКОВ В. А. 1977.
Предлагаемая книга является первым опытом комплексного рассмотрения научно-технических основ холодильной льдотехники. В ней освещаются физические, технологические и экономические стороны вопроса. В частности, изложены теоретические положения, математические зависимости, определяющие методы расчетов и рационального применения холодильной льдотехники как в пищевой, так и в других отраслях промышленности и сельском хозяйстве.
Представляют интерес рассмотренные автором современные технические возможности и экономическая целесообразность использования ресурсов природного холода в практических интересах народного хозяйства и в связи с этим климатология естественного холода и льда.
В книге подробно сообщается о советской и зарубежной практике получения, переработки и применения естественного и искусственного льда и механизации этих процессов.
Приведены расчеты и данные испытаний и эксплуатации льдоза-водов и льдогенераторов, а также рекомендации по актуальным вопросам льдотехники.
Таблиц 36. Иллюстраций 118. Список литературы —161 название.
Рецензенты: С. Н. Аршанский, Г. П. Попов, Фролова Н. И.
© Издательство «Пищевая промышленность», 1977 г.
30316—060 Ь------------
044(01)—77
ВВЕДЕНИЕ
Из общего количества воды на земле, составляющего около 2000 млн. км3, примерно 25 млн. км3 (1,25%) приходится на долю природного льда, в котором заключены наибольшие запасы дефицитной пресной воды [109]. Лед участвует в круговороте воды на земле и является важным геологическим фактором. Естественный лед в криосфере земли, т. е. в зонах с температурой ниже 0° С, обычно присутствует временно или постоянно в виде снега, водоемного льда и льдомерзлотного грунта.
Лед (снег) служит аккумулятором пресной воды, обеспечивающим питание рек и увлажнение почвы, является теплоизолятором, предохраняющим их от промерзания.
У нас лед широко применяется для аккумуляции воды при искусственном снегозадержании (60 млрд.т/год) в сельском хозяйстве, а также в строительстве зимних дорог и переправ, плотин, складов, спортивных естественных льдокатков, лыжных трасс и трамплинов Естественное замораживание воды используется при заготовке льда и снега в целях охлаждения, при опреснении и кристаллизации водо» соляных раствооов и для упрочнения грунтов. Кристаллизация -воды связанная с эффективным переносом массы и тепла, имеет место, в частности, при применении холодильных машин в случаях опреснения и концентрирования водных растворов, замораживания и сублимационной сушки пищевых продуктов. Искусственное льдообразование используется для упрочнения грунтов, устройства льдокатков и теплонасосного отопления на Севере. Искусственный водный лед применяется для увлажнения воздуха на холодильниках и в качестве глазури. намораживаемой на пищевых продуктах.
Холодильная льдотехника, т. е. техника получения и использования льда специально в целях охлаждения, является стаоейшей производственной отраслью холодильного дела [29; 89; 148; 159 и др.1.
Использование льда в качестве высокотеплоемкого хладоносите-ля со стабильной температурой и изменяющимся агрегатным состоянием наиболее экономично в случае неравномерности потребления холода при околонулевых температурах. Например, ледяные холодо-аккумуляторы и гидромеханизированные льдобунты — холодогенера-топы для воздушных кондиционеров и молокоохладителей — могут обеспечивать суточную и сезонную равномерность нагрузки холодильных машин.
Измельченный лед и льдоводяная пульпа, которые при необходимости можно подавать по трубам, обеспечивают особо эффективное охлаждение (и увлажнение) при постоянной температуре, что используется в пищевой, химической и строительной технологии. Особо чистый водный лед находит применение в метрологии и в медицине, употпебляется в пищу, например с охлаждаемыми им напитками.
В Советском Союзе для нужд холодильного транспорта, пищевой и химической промышленности, сельского хозяйства и торговли 1* 3
ежегодно производится посредством обычных и автоматизированных льдогенераторов более 1 млн. т искусственного технического и пищевого1 водного льда [90].
Естественного льда заготовляется обычным и механизированным способом около 15—20 млн. т, что оправдывается, в частности, экономической целесообразностью использования природных ресурсов холода на бдлыпей части нашей страны: современная оптовая цена 1 т искусственного водного льда в РСФСР в 2,5 раза выше цены 1 т естественного льда.
Растущий выпуск компактных автоматизированных холодильных машин, сухого льда и ожиженных газов, а также другие причины приводят к постепенному вытеснению в некоторых областях не только естественного, но и искусственного водного льда. Однако в ряде других областей возможности использования искусственного и естественного водного льда далеко не исчерпаны.
Внедрение льда из морской и антисептированной воды и ледяного гидроохлаждения, в частности в связи с хранением продовольствия при близкриоскопических температурах, а также все большее распространение ледяных холодоаккумуляторов и автоматического изготовления льда на месте потребления обеспечивают применение искусственного водного льда и в будущем.
В соответствии с имеющимся принципиальным планом по научно-техническому прогрессу развития холодильной техники в СССР до 1990 г., разработанным научным холодильным советом Государственного комитета по науке и технике (ГКНТ), представляется необходимой полная автоматизация изготовления искусственного водного льда, например на базе крупных и средних роторных льдогенераторов непрерывного действия и возможно на основе автономных льдогенераторов с термоэлектрическим охлаждением (для мелких потребителей). Указанный план, в частности, предусматривает улучшение применения естественного холода в сельском хозяйстве. Можно полагать, что при дальнейшем внедрении гидромеханизации в эксплуатации льдобунтов и рациональных конструкций ледяных и льдогрунтовых холодильников естественный холод и лед в обозримом будущем также будут применяться наряду и совместно с холодильными машинами, особенно на северо-востоке страны (районы БАМа и др.) при его дальнейшем освоении.
«Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 годы» в области холодильной техники предусматривают наряду с дальнейшим развитием холодильного машиностроения увеличение емкости холодильников, в частности в пищевой, мясной и молочной промышленности в 1,3 раза. В целях круглогодового обеспечения населения овощами и фруктами намечается расширение строительства хранилищ в колхозах и совхозах.
Наряду с запланированным широким применением непосредственного машинного охлаждения получит дальнейшее развитие использование искусственного и естественного льда. Рациональному применению льда должна способствовать эта книга, в значительной части представляющая собой итог 40-летней работы автора по льдотехни-ке в коллективе ВНИИ холодильной промышленности (ВНИХИ).
ГЛАВА I
ФИЗИЧЕСКИЕ основы холодильной ЛЬДОТЕХНИКИ
Строение воды и льда и их взаимные превращения
Вода является структурно-сложным соединением водорода (11,9%) и кислорода (88,1%) с важными для льдотехники свойствами, во многом обусловливаемыми водородными молекулярными связями. Кроме обычной воды и ее модификаций при высоких давлениях известны так называемая «тяжелая вода» (вода из изотопов водорода и кислорода, содержащаяся в обычной воде в малых количествах) и особо плотная поливода (предположительно полимер обычной воды).
Исследования на основе рентгеновского и нейтронного анализов позволили выяснить примерную атомно-молекулярную структуру воды и льда. В современных моделях молекула воды (НгО) представляется как бы изогнутой, при этом водород и кислород образуют условный треугольник Н — О — Н с двумя ядрами (протонами) атомов водорода в основании и кислородом в вершине его. Известны, в частности, двух- и многоструктурные, ассоциатные и льдоподобные модели воды. По Самойлову, например, льдоподобный каркас воды заполнен свободными молекулами.
В молекуле водяного пара расстояние О — Н равно 0,096 нм, а угол при вершине 104,5°, в молекуле льда соответствующее расстояние составляет 1,015 нм, а угол 109,5°.
Каждая молекула вб льду окружена четырьмя соседними молекулами (рис. 1). Тетраэдрическая форма кристаллов льда отражает его атомно-молекулярную структуру. Несимметричное расположение атомов водорода делает молекулу воды электрическим диполем, момент которого у льда в 1,4 раза больше такового для воды.
Чистая вода слабодиссоциирована, концентрация водородных ионов (pH) в ней равна 7. Большие амплитуды колебаний атомов молекул воды обусловливают повышенную деформируемость последних.
Лед по основным свойствам можно считать молекулярным кристаллом с еще меньшими ионными связями, чем у воды.
При превращении воды в лед, являющийся полупроводником протонного типа, электропроводимость и диэлектрическая проницаемость резко падают, что может быть использовано в льдотехнике для контроля процесса льдообразования. Подвижность протонов в кристаллической решетке льда больше, чем в воде, имеющей тормозящую их, хаотичную в целом структуру, что обусловливает некоторые каталитические свойства льда.
5
Структура воды при околонулевой температуре несколько похожа на структуру льда, размытую тепловым движением.
По исследованиям Бернала [132], Полинга и других ученых, физические особенности воды в различных фазовых состояниях и при разных температурах обусловливаются структурой и состоянием молекул и их средним расположением. В неплотных структурах воды и особенно льда имеются межмолекулярные полости, в которые могут внедряться отдельные молекулы самой воды или некоторые жидкие и газообразные инородные примеси и изменять физические свойства воды и льда. С этим
Кислород
Q Водород
" Химические связи
—— Водородные связи
Рис. 1. Схема атомно-молекуляр-ной структуры льда.
явлением связывают некоторые особенности воды и образование при положительной температуре твердых клатратов (газовых гидратов), иногда ошибочно принимаемых за лед.
Благодаря своей структуре вода и прозрачный лед относительно хорошо пропускают видимый свет. Это свойство может быть использовано для оттаивания льда лампами дневного света от металлической поверхности льдообразования. Лед в противоположность воде довольно свободно пропускает электрические колебания высокой частоты (сантиметровые радиоволны), что также может быть использовано для указанной цели.
Существенно то обстоя-
тельство, что вода является замедлителем нейтронов и может служить защитой от радиации, например, продовольствия.
Атомы в молекуле воды связаны прочными химическими (ковалентными) связями. Молекулы же воды между собой в основном объединены относительно менее сильными водородными связями, в значительной степени определяющими, например, механическую прочность льда. Водородные связи (см. рис. 1) обусловливаются притяжением атома водорода одной молекулы к атому кислорода другой (соседней) молекулы, таким образом, атом водорода притягивается к атому кислорода как своей, так и соседней молекулы. При плавлении льда, а также в случае нахождения воды в микрокапиллярах водородные связи частично нарушаются, поэтому молекулы воды могут размещаться плотнее.
Структура воды, обусловливающая ее малую сжимаемость и большую текучесть, позволяет посредством звука и ультразвука интенсифицировать конвекцию воды (в частности, при продвижении ее в капиллярах), что может быть использовано в льдотехнике. При импульсном силовом воздействии малосжимаемая вода проявляет уп
ругость твердого тела, что применимо для дробления льда струей воды. Достаточная упругость и малая температуропроводность льда обусловливают возможность направленного разрушения его тепловым импульсом (метод «термоклина). При этом не исключено и разложение пленки воды на водород и кислород и взрывание их.
Физическое действие на воду электрического, магнитного и ультразвукового полей усиливается при наличии в ней некоторых примесей. Характер кристаллизации льда и солей при этом может изменяться. Магнитное поле влияет на льдообразование и процесс гидратации в водных растворах. Свежепрокипяченная вода больше переохлаждается, чем сырая вода; омагниченная жесткая вода не дает твердой накипи.
Кристаллизация и плавление льда в дальнейшем анализируются в трех аспектах: молекулярной структуры, термодинамики фазовых превращений и процессов теплопередачи.
Кристаллизации льда всегда предшествует переохлаждение воды, поэтому предварительно рассмотрим этот процесс.
Переохлаждение воды. По Френкелю [112], состояние вещества, например воды, согласно статистической теории характеризуется средним временем т пребывания молекул его в положении равновесия, зависящим от абсолютной температуры Т и потенциального барьера—энергии активации Е скачка молекулы. Приближенно
т — То® »
где То — время одного колебания молекулы;
В—постоянная Больцмана;
е — основание натуральных логарифмов.
С временем т связано изменение координационных чисел молекул, характеризующих молекулярную структуру вещества; для воды при 25° С значение т« 1,7* 10-9 с.
Для соленой воды и воды в капиллярах наблюдается понижение температуры кристаллизации, объясняемое Самойловым [97] влиянием на энергию активации Е ионов раствора или поверхности капилляра. Таким образом, криоскопические свойства водных растворов солей в принципе обусловливаются тем, что период пребывания молекул воды в положении равновесия около ионов соли, например Na+ и С1~, отличается от времени «оседлой жизни» молекул чистой воды.
Упорядочение расположения (ориентирование и связывание) полярных молекул воды, возникающее при соприкосновении со льдом или инородными веществами, в основном обусловливаете^ ближней и дальней гидратацией. Ориентирование молекул воды электрическим полем примеси сопровождается ослаблением водородных связей и некоторым изменением молекулярной структуры воды.
При гидратации растворимых примесей, активных поверхностей капилляров и коллоидных частиц выделяется тепло. Связанная с увеличением и уменьшением вязкости воды положительная и отрицательная гидратация равно вызывает понижение температуры начала кристаллизации воды.
Характер поверхности и свойств вещества твердой примеси, в частности степень ее гидрофильности, влияют на ориентирование молекул воды. На переохлаждаемость воды ниже температуры начала кристаллизации кроме внутренних молекулярных полей соприкасаю
7
щихся структур частично влияют и внешние электрические, магнитные и ультразвуковые поля.
Возможность метастабильного (Относительно устойчивого) переохлаждения маловязкой свободной воды, по-видимому, связана с временной ассоциацией молекул воды.
Обычная свободная вода при переохлаждении находится по температуре не в своем фазовом состоянии и потому термодинамически недостаточно устойчива. Такая вода легко теряет переохлаждение, особенно при контакте с ледяной или изоморфной льду затравкой кристаллизации. Активность твердой затравки зависит от ее структуры, размера и формы, а также от свойств вещества, в частности от степени гидрофильности. В общем случае толчком для нарушения переохлаждения воды могут служить различные твердые, жидкие и газообразные примеси и даже сотрясение неподвижной воды.
Наблюдения, проведенные при исследовании обычного оросительного льдогенератора [10], показывают, что на 1—1,5°С кратковременно переохлаждается и движущаяся свободная вода. При этом в случае нарушения переохлаждения кристаллизация может начинаться не на охлаждающей поверхности, а в месте нарушения переохлаждения.
Переохлажденное состояние обычной свободной воды устойчиво только относительно, и поэтому даже малые воздействия на него приводят к началу термодинамически естественного при температуре ниже 0°С процесса объединения свободных молекул в кристаллическую решетку льда.
При небольшом количестве примесей наблюдается такая ориентация части молекул воды, при которой концы образовавшихся цепочек дополнительных молекул остаются свободными (разомкнутыми), что является одной из причин нарушения состояния переохлаждения примесями-затравками. В случае достаточно большого количества в той или иной степени гидратирующих примесей или в капиллярах переохлаждаемость воды повышается и нарушение переохлаждения затрудняется по причине сильной ориентации и замкнутой связанности большинства молекул воды. При этом снижение температуры начала кристаллизации воды может служить критерием степени связанности ее.
По закону Рауля для малоконцентрированных водных растворов всех слабых электролитов и особенно неэлектролитов при растворении 1 моля вещества происходит снижение температуры замерзания на 1,86° С ниже 0°. Снижение температуры замерзания водных растворов сильных электролитов различно и определяется посредством фазовых диаграмм или таблиц для растворов.
По Чижову [118], при переохлаждении образца свободной воды в сосуде обычно сначала достигается характерная для образца мета-стабильная температура t', а потом предельная лабильная (неустойчивая) температура I", при которой начинается кристаллизация.
При переохлаждении связанной воды (например, в капилляре) / па \
метастабильная температура |/'j = /------ (здесь «1 обозначает
\ «1 /
число свободных молекул, а П2— число связанных молекул). Следует иметь в виду, что только для достаточно прочно связанной воды, т. е. в случае минимума свободных молекул, при температуре t' неопределенно длительное время не начинается кристаллизация.
8
При этом связанная вода находится в термодинамическом равновесии с соприкасающимися структурами.
Упругость пара переохлажденной связанной воды в отличие от свободной воды близка к упругости пара льда и, находясь с ним практически в равновесии, обеспечивает жидкое состояние воды. Однако при очень сильном и длительном переохлаждении даже прочно связанная вода может превратиться в лед или затвердеть в аморфном виде.
Состояние покоя способствует переохлаждению свободной и связанной воды. Но и движущаяся в капилляре за пределами неподвижного молекулярного подслоя частично ориентированная вода может
Рис. 2. Зависимость предела переохлаждения ta движущейся воды от ширины 6 щели между охлаждаемыми панелями.
быть переохлаждена. На рис. 2 приведена полученная автором при исследовании предложенного им капиллярного льдогенератора [12] гиперболическая зависимость переохлаждаемости движущейся со скоростью 5 м/с воды от ширины капиллярной щели между двумя охлаждаемыми панелями из алюминиевого сплава АМК22-5.
Механизм ориентирования и связывания молекул воды пока изучен недостаточно полно. Обычно считают, что связанная вода, например в капилляре, формируется на границе раздела структур и состоит из электрически ориентированных дипольных молекул. При этом вследствие переходов электронов и ионов между контактирующими поверхностями возникает двойной электрический слой, имеющий значение как при переохлаждении, так и при кристаллизации воды.
Молекулярная структура ориентированной воды имеет измененные водородные связи и напоминает структуру льда, но не адекватна ей.
Физические параметры связанной воды, в частности плотность, вязкость, теплоемкость и теплопроводность, температура и теплота фазовых превращений, значительно отличаются от значений их для свободной воды. Считают, что переохлаждаемость связанной воды вызывается, например, превосходством сил ориентирования молекул над обычными силами кристаллизации и обусловливается повышенным молекулярным сжатием, достигающим 2100 МПа. По Доста-валову [48], снижение температуры начала кристаллизации вызывается возникновением в зоне растягивающих сил (между структурами связанной и свободной воды) тонкой прослойки «растянутой» воды с плотностью меныце единицы.
9
Кристаллизация льда. Льдообразование всегда связано с возникновением поверхности раздела фаз. Затрачиваемая при этом работа Лк расходуется в основном на преодоление межфазового поверхностного натяжения первичного зародыша кристалла льда, вероятность т возникновения которого определяется законами статисти-«еской физики. В частности, вероятность т связана с величиной
ВТ
где D — коэффициент зависимости вязкости от тем
пературы, В— постоянная Больцмана, Т — температура, Лк — работа.
ностная энергия, f—поверхность кристалла). С другой стороны, в зависимости от температур равновесия фаз Tq и данного состояния системы Т работа
Работой Лк может определяться степень устойчивости переохлаждения воды перед льдообразованием.
Кристаллизуемость воды обычно характеризуется связанными с ее переохлаждением основными двумя факторами: скоростью зарождения центров кристаллизации оц и линейной скоростью кристаллизации W2.
Вязкие жидкости с минимальными значениями Wi и w2 даже при относительно небольшой скорости охлаждения могут быть, минуя кристаллизацию, переведены в твердое аморфное (стеклообразное) состояние. Маловязкая вода с высокими значениями tvi и w2 для такого перехода требует очень большой скорости охлаждения (>4000°С/с), чтобы «проскочить» температурную зону максимальной коисталлизации.
По Френкелю [112], даже в абсолютно чистой свободной жидкости, в случае ее достаточного переохлаждения могут возникать благодаря флюктуациям зародыши кристаллов критического размера, которые при благоприятных условиях и становятся центрами кристаллизации. Для развития кристаллизации необходимо, чтобы количество возникающих кристаллов превосходило количество разрушающихся. Предположение о том, что вода в предкристаллизационном состоянии содержит множество зародышей твердой фазы, в известной мере подтверждается, например, аномальным увеличением скорости звука в воде при температуре около 0° С.
Практически затравками кристаллизации воды являются всегда присутствующие в ней незначительные твердые примеси, которые дополнительно уменьшают межфазное поверхностное натяжение и работу кристаллизации Ак. Для возбуждения кристаллизации в переохлажденной воде (и водяном паре) наиболее эффективны микрозатравки из льда или из вещества, практически изоморфного льду, например из йодида серебра (Agl).
При кристаллизации (и плавлении) льда всегда на границе раздела фаз в результате частичной поляризации возникает разность
10
электрических потенциалов, причем сйла Тока устанавливается Пропорциональной скорости фазового превращения. Кристаллизация воды, связанной, например, капилляром, требует предварительного восстановления соответствующей структуры воды, в том числе нарушен--ных капилляром водородных связей.
В обычном случае образовавшиеся в зонах достаточно переохлажденной воды кристаллы внутриводного льда при симметрии среды и теплоотдачи растут в направлениях их оптических осей. При этом рост кристаллов происходит скачками и наиболее энергично у вершин и ребер, т. е. там, где больше ненасыщенных связей.
При кристаллизации воды, требующей переохлаждения ее, температура возникающей фазы — зародыша кристалла внутриводного льда в принципе равна температуре фазового превращения 0°С. Вокруг образующихся зародышей кристаллов льда из-за выделения теплоты кристаллизации возникает скачок температуры, местное переохлаждение воды ликвидуется и отдельные возникшие зародыши льда могут расплавиться. Поэтому для поддержания процесса льдообразования необходимо непрерывное отнятие теплоты кристаллизации. При 0° С может иметь место динамическое равновесие льда и воды.
Процесс кристаллизации поверхностного льда локализуется в пограничном слое переохлажденной воды. По данным Коста [143], переохлаждение воды при образовании поверхностного льда является функцией линейной скорости кристаллизации воды на охлаждаемой поверхности и составляет от —0,02° до —0,11° С при скоростях от 2 до 30 мм/мин. При этом температура смоченной поверхности льда должна быть ниже 0° С.
При кристаллизации вода превращается в лед — новую, термодинамически более устойчивую фазу. Частично происходит и обратное превращение вещества, однако преобладает переход молекул в твердую фазу. Возникающее в случае кристаллизации восстановление (по Поплу — выпрямление) водородных связей и другие явления изменяют кварцеобразную структуру жидкой воды на менее плотную структуру льда.
Так как при обычной тридимитообразной структуре льда каждая его молекула связана с тремя молекулами ее структурного слоя и одной молекулой соседнего слоя, то координационное число молекул у льда равно четырем. Изменения ряда физических свойств воды при охлаждении и замораживании наглядно отражают превращения ее структуры.
Так, в случае охлаждения воды при нормальном давлении 0,101325 МПа с температуры ?=4°С (277,15 К) до /==0°С (273,15 К) плотность ее рв падает с 1000 до 999,9 кг/м3, а при превращении в лед дополнительно снижается до 916,8 кг/м3 (рл« «917(1—0,00015 t). По расчету отношение масс 1 моля воды и льда составляет 18,02 : 19,66«0,916.
При кристаллизации воды, требующей отнятия удельной теплоты Гл=334 кДж/кг, теплоемкость изменяется с св=4,23 до сл= = 2,12 кДж/(кг-К), а теплопроводность с %в=0,55 до %л= = 2,22 Вт/(м-К). По сравнению с водой у льда средняя диэлектрическая проницаемость меньше в 30 раз, а электропроводность в 500 и более раз.
Аномальное падение плотности воды вызывается в основном уменьшением компактности среднего расположения молекул. Особенности воды и льда, в частности, объясняются изменениями в соотно-
11
Шейиях количеств молекул с временно фиксированным положением и молекул, перемещающихся, а также влиянием водородных связей, полостей в структурах и полимеризацией молекул.
Возникающие при кристаллизации воды монокристаллы льда не имеют идеальной кристаллической решетки из-за неизбежных дефектов структуры, в частности типа дислокаций (сдвигов), вызываемых нарушением упаковки молекул и чередования атомных плоскостей.
Тепловое движение вызывает дислокационный выход отдельных микрочастиц в междуузлия кристаллических решеток и образование вакансий («дырок») в структуре кристалла, подобных вакансиям, имеющимся в жидкостях, в частности в воде. Считается, что дефекты дислокаций являются одной из причин большой пластичности льда, от которой зависит долговременная прочность ледяных холодильников. Обычно лед кристаллизуется в тридимитообразной гексагональной системе. Однако при температуре ниже —120° С лед из пара имеет алмазообразную кубическую структуру. При температуре ниже —160° С и большой скорости охлаждения пар в вакууме превращается в стеклообразный, практически аморфный лед с плотностью 1300—2470 кг/м3. Монокристаллы внутриводного и поверхностного льда возникают при переохлаждении из молекул воды с минимальной энергией.
По Альтбергу [2], природный внутриводный (донный) лед образуется в реке за счет конвективного заноса переохлажденной поверхностной воды внутрь потока и последующей кристаллизации ее преимущественно на песчинках и других твердых предметах.
В случае образования поверхностного льда в водоеме возникающие при температуре атмосферы обычно ниже 0° С отдельные монокристаллы льда объединяются, в частности, в игловидные горизонтальные кристаллы, которые по мере роста пересекаются и создают решетку. Промежутки ледяной решетки заполняются монокристаллами, также объединенными в кристаллиты, которые и завершают допле-ночную стадию образования сплошной корки поликристаллического льда в основном с хаотическим расположением кристаллов. При сильном ночном излучении тепла поверхностью спокойной воды корка льда может образоваться даже при положительной температуре.
На дальнейший рост кристаллов первоначальной корки льда влияют соседние кристаллы. При этом в связи с анизотропией роста имеет место преимущественное развитие кристаллов двух видов: а) с вертикальными оптическими осями, перпендикулярными поверхности льдообразования,— при спокойной воде с относительно большим градиентом температур и б) с горизонтальными осями, параллельными поверхности льдообразования,— при движущейся воде и примерной изотермии ее.
Обеспеченные питанием растущие кристаллы проявляют так называемую кристаллизационную силу, отталкивающую препятствия. При медленной кристаллизации и хорошей циркуляции пресной воды большинство примесей воды оттесняется и образуется прозрачный лед зеленовато-голубого оттенка. Лед образуется в основном с правильно ориентированными крупными кристаллитами в виде призмы с поперечником порядка нескольких миллиметров и с относительно небольшим количеством примесей. При быстрой кристаллизации и слабой циркуляции воды лед получается непрозрачным, белого цвета (матовый лед) и представляет собой в этом случае тело с хаотическим расположением сростков мелких кристаллов обычно с попе-12
речником менее 1 мм, перемежающихся с твердыми, жидкими и газообразными (воздух) примесями. При быстрой кристаллизации воды с повышенным количеством примесей они иногда располагаются не только между кристаллами, но и на базисных плоскостях внутри их. Прослойки между кристаллитами всегда содержат гораздо больше примесей, чем прослойки между монокристаллами. Межкристаллические прослойки имеют в частном случае речного льда толщину порядка 3 мкм при температуре замораживания —2° С й 0,3 мкм при температуре около —20° С. Отмечается, что размеры кристаллов льда из воды с примесью водорастворимых солей обратно пропорциональны скорости замораживания и концентрации солей.
Если лед образуется не на плоской поверхности воды, а в очень мелких водяных каплях, присутствующих, например, в облаках, где может иметь место значительное переохлаждение воды (до —40° С и ниже), то начало кристаллизации ее возможно не снаружи, а изнутри капель, где образуется внутриводный лед. Крупные же капли воды после переохлаждения обычно начинают замерзать снаружи.
При кристаллизации пресной воды растущий ледяной фронт бывает почти гладким. При этом вода, содержащая при 0° С около 40 г воздуха в тонне (при 30°С — только 20 г), во время кристаллизации при движении фронта выделяет воздух во вне- или в межкристаллитное пространство.
При кристаллизации соленой воды (начинается при температуре, определяемой составом и концентрацией солей) растущий ледяной фронт бывает шероховатым, с выступами, вершины которых находятся в зонах наименьшей концентрации солей. В первую очередь кристаллизуется вода, менее связанная гидратацией с ионами солей. В дальнейшем ионы солей могут в той или иной степени дегидратироваться и соли выпадут из раствора в соответствии с их растворимостью. При этом могут образовываться и соответствующие температуре кристаллогидраты. Во льду с водорастворимыми примесями последние в основном размещаются в ячейках из кристаллов, что важно, например, при производстве рассольного льда.
При образовании льда среди других структур обычно происходит их деформация, в частности в случае замерзания влажного грунта или воды в пористом зероторе. Наименьшая деформация обеспечивается при быстром и равномерном отвердевании воды в биологических средах с криопротекторами (глицерин и др.). В этом случае одна часть воды «остекловывается», а другая связывается или образует микрокристаллы, располагающиеся преимущественно вне биологических клеток. Особым является процесс кристаллизации льда сублимацией из пара (и обратное явление возгонки при испарении льда).
Для эксплуатации ледяных холодильников имеет значение как испарение ограждений из льда, так и образование сублимационного льда в виде «снежной шубы». При достаточно низких температурах сублимированный лед образуется в виде снежинок, например в высоких облаках. Кристаллизация атмосферного льда в виде снега начинается на затравках, в данном случае — пылинках. Образование и рост кристаллических снежинок, состоящих из обычного или сублимированного льда, связаны с температурой, давлением и влажностью атмосферы. Только кристаллически оформившиеся и достигшие критической массы крупные снежинки спускаются на землю.
Следует заметить, что рост крупных снежинок за счет мелких кристаллов и капель связан с повышенной упругостью водяного пара
13
для малых кристаллов и капель. Упругость же пара зависит от кривизны и поверхностного натяжения водяных капель или ледяных кристаллов. Искусственное внесение затравок льдообразования в облака уже практически применялось в Приднепровье для снегования озимых посевов при малоснежной зиме.
Плавление льда. Льдообразованию предшествует то или иное переохлаждение воды, а плавлению — процесс предплавления, не связанный практически с перегревом твердой фазы, так как с поверхности лед при нормальном давлении начинает плавиться при температуре 0° С (273,15 К).-При плавлении в отличие от кристаллизации не преодолевается значительная сила поверхностного натяжения воды. Дальний порядок размещения молекул, присущий льду, изменяется при плавлении на ближний порядок, свойственный воде.
Внутренняя энергия в случае плавления льда возрастает. Исходя из удельной теплоты плавления льда 334 кДж/кг и теплоты возгонки 2840 кДж/кг, характеризующей разрыв всех молекулярных связей, можно степень ослабления молекулярных связей при плавлении принять равной 12%. Из них примерно 9% приходится на водородные связи и только 3% на связи ван дер Ваальса.
В случае плавления льда длительность пребывания молекул в положении равновесия резко меняется. Энергия активации (потенциальный барьер) Е уменьшается, так как Е воды меньше Е льда. Всегда имеющиеся дефекты структуры кристаллической решетки и примеси дополнительно уменьшают энергию активации. Плавление льда обычно начинается с поверхности его, на гранях и ребрах кристаллов, а также в местах расположения примесей, являющихся затравками плавления. Поверхность плавящегося льда всегда микрошероховата.
Наиболее сложен процесс плавления льда в составе других структур, например в случае льдистого грунта. Водорастворимые соли во льду способствуют плавлению его как снаружи, так и внутри.
Необходимо подчеркнуть, что в свежем расплаве льда временно сохраняются некоторые физические особенности, более близкие ко льду, чем к воде околонулевой температуры. Присущие льду молекулярные свойства временно передаются талой воде, чем, видимо, и обусловливают ее повышенную биологическую активность. Электрические процессы при плавлении льда, а также особая активность льда и свежеталой воды могут влиять, например, на охлаждаемые тающим льдом пищевые продукты. Технологически также важно, что тающий лед хорошо поглощает многие газы, а следовательно, и запахи.
Более подробно физика и химия воды и льда рассматриваются в монографиях Фрицмана [113], Дорси [138] и Флетчера [141], специально процесс плавления — в работе Уббелоде [107], структура воды и льда —в трудах Шумского [129], Зацепиной [51], Эйзенберга и Кауцмана [131].
Теплофизика льда
Термодинамика кристаллизации и плавления льда. С теплофизической стороны кристаллизация и плавление льда связаны с процессами термодинамики и теплопередачи.
Плавление льда происходит в случае увеличения его внутренней энергии при такой постоянной температуре, при которой колебательные смещения молекул из положения равновесия соизмеримы со средними расстояниями между частицами в кристаллической решетке льда.
14
При плавлении энтропия увеличивается, так как система переходит из кристаллического состояния в менее упорядоченное жидкое состояние. В соответствии с первым законом термодинамики удельная теплота плавления — фазового превращения первого рода составляет:
г = «ж — «т + Р (Рж — Ут),
где иж, Ут и иж> ит — удельные объемы и внутренние энергии единицы массы в жидкой и твердой фазах,
р — постоянное давление фазового превращения.
Для двухфазной равновесной системы жидкая вода — лед давление р плавления льда связано с температурой Т уравнением Клапейрона — Клаузиуса
dp г
dT Т (иж ут)
При нормальном давлении р= 101325 Н/м2 температура превращения 7=0° С (273,15 К).
Так как для воды плотность жидкой фазы больше, чем твердой. Уж—Ут<0, то температура плавления льда понижается при увеличении давления, и наоборот.
По данным Бриджмена и Таммайа, в случае умеренных давлений
— « 12,7 МПа/К. dT
При температуре даже на 1° С ниже 0° давление плавления льда повышается на 12,7 МПа, что имеет значение, например, для процесса брикетирования снежного льда, которое поэтому ведется только при околонулевой температуре.
Согласно характеристическому уравнению состояния вещества, связывающему давление р, температуру Т и удельный объем v, достаточно знать два параметра, так как третий параметр производный.
Для воды, являющейся однокомпонентной системой, при максимально возможном числе фаз, равном трем, число термодинамических степеней свободы равно нулю. Таким образом, равновесное сосуществование жидкой воды, льда и водяного пара возможно только в состеянии так называемой тройной точки, имеющей место при давлении р«0,611 кПа (соответствует вакууму 99,4%) и температуре «0,01° С = 273,16 К.
Интересно отметить, что за единицу температуры Кельвин (К) принимается _ ~ ~ часть термодинамической температуры трой-А / о 110
ной точки воды (с изотопным составом воды океанов).
В верхних слоях атмосферы или при искусственном вакууме образование льда возможно даже при положительной температуре вблизи тройноц тонки воды.
15
В случае образования снега в верхних слоях атмосферы, в частности путем сублимации водяного пара в лед, должно быть отнято примерно 3174 кДж/кг тепла (сумма удельных теплот конденсации 2840 кДж/кг и кристаллизации 334 кДж/кг).
Наглядная схема фазовой диаграммы для воды в области тройной точки Лед (Лед I)-Вода-Пар» в которой все три фазы равно-
Рис. 3. Схема фазовой диаграммы для воды вблизи тройной точки Лед-Вода-Пар.
весно сосуществуют, приведена на рис. 3. На диаграмме пунктиром показана граница термодинамически возможного переохлаждения воды и рядом граница возгонки — сублимации льда. Область вблизи тройной точки воды важна, в частности, для вакуумных льдогенераторов, в которых вода за счет отсасывания водяного пара охлаждается до такого состояния вблизи тройной точки, при котором наряду с испарением (кипением) происходит и льдообразование.
Термодинамические данные для воды и льда при низких
давлениях приведены в табл. 1. Необходимо указать, что полная фазовая диаграмма для воды, кроме указанной выше обычной тройной точки при вакууме Лед (Лед 1)-Вода-Пар, имеет при высоких давлениях еще ряд тройных точек для более плотных, чем вода, модификаций, в частности льды II—VII, при параметрах, приведенных в табл. 2. (Кроме указанных модификаций, известны также льды VIII—XIII).
Таблица 1
Фаза Температура, °C Давление, кПа Удельный объем пара, м3/кг Энтальпия, кДж/кг
жидкости пара
Вода 0 0,611 206,3 0,0 2500
Лед 0 0,611 206,3 —334 2500
Вода —1 0,570 227,0 —3,8 2498
—2 0,526 244,0 —8,0 2496
—3 0,490 262,0 — 11 2494
» —4 0,454 282,0 —15,1 2492
» —5 0,422 307,0, —19,7 2491
Лед —5 0,401 308,2 —344 2490
Как показывает табл. 2, предельное давление, возникающее при замораживании воды в замкнутом пространстве, составляет при —22° С приблизительно 207 МПа (тройная точка I). При давлении, превышающем указанное, Лед I превращается в Лед III с меньшим
Таблица 2
Порядковый номер тройной точки Фазы Давление, МПа Температура, °C
1 Лед I-Вода-Лед III 207 —22
2 Лед 1-Лед П-Лед III 213 —34,7
3 Лед П-Лед Ш-Лед V 344 —24,3
4 Лед Ш-Вода-Лед V 346 — 17
5 Лед V-Вода-Лед VI 626 0,16
6 Лед VI-Вода-Лед VII 2200 81,6
удельным объемом. При указанном давлении температура —22° С является пределом устойчивого переохлаждения воды.
Температура и теплота плавления льда связаны не только с давлением, но и с содержанием во льду, например, водорастворимых солей.
Удельная теплота плавления льда г при нормальном давлении и температуре ниже 0° С, в принципе обусловливаемая разностью энтальпии до и после фазового превращения, может быть определена аналитически или по фазовой диаграмме для воды.
Для случая плавления льда в составе охлаждающей льдосоляной смеси с начальной температурой льда 0° С, если условно принять, что лед плавится при 0° С, а вода с теплоемкостью св переохлаждается до t° С, то r=ro + cBt. Если же исходная температура льда равна t° С, как это имеет место при плавлении льда, например, под давлением или в составе замороженного рассола, то г=г0+(св—сл)Л Так как св~2сл, то приближенно можно принять, что г=г0+слЛ Холодопроизводительность q килограмма замороженного рассола или соответствующей ему охлажденной двухкомпонентной льдосоляной смеси с концентрацией соли относительно смеси | кг/кг и теплоемкостью сс может быть вычислена [23] по формуле для практических расчетов
Я = (1 — I) (го + cnt) +1 (sc — cct).
При этом величина q представлена как сумма удельных энтальпий льда и соли (относительно 0° С) и отрицательной теплоты sc растворения соли (при льде с рассолом принимается теплота разбавления) .
Если для обычной льдосоляной смеси с поваренной солью (ГОСТ 13830—68) принять в среднем sc =41,2 кДж/кг и сс=0,86 кДж/(кг X ХК), то холодопроизводительность ее
Я = (1 — |) (334 + 2,120 + | (41,2 — 0,860.
Теплофизические характеристики обычных замороженных рассолов (водных растворов солей) или соответствующих охлажденных льдосоляных смесей эвтектической концентрации приведены в табл. 3.
2 В. А. Бобко^ J?
Таблица 3
Соль (в рассоле или в смеси) Эвтектическая концентрация соли (относительно рассола или смеси), % Температура плавления (или кристаллизации) , °C Удельная теплота плав -леиия (или кристаллизации) кДж/кг
Хлористый калий (КС1) 19,3 —11,1 298
натрий (NaCl) 23,1 —21,2 236
(CaCh) кальций 29,9 —54,9 159
Расчет по вышеприведенной формуле в случае эвтектической смеси льда и NaCl дает q = 235,7 кДж/кг, что почти соответствует табл. 3.
Подробные теплофизические данные для водных растворов NaCl содержатся в приложениях.
При концентрации соли меньше эвтектической за температуру плавления t приближенно принимают криоскопическую температуру начала кристаллизации льда в рассоле. Практически, однако, переменная температура неэвтектической смеси (или замороженного рассола), зависящая частично от теплопритока, может иногда даже в среднем отличаться от криоскопической температуры.
Холодопроизводительность в распространенном случае самоох-лаждения льда и соли в составе льдосоляной смеси до конечной температуры t наиболее просто определяется при использовании в смеси поваренной соли, теплота растворения которой примерно компенсируется ее обычной энтальпией при температуре ^>20° С. Для практических расчетов удельная холодопроизводительность q такой, не охлажденной заранее льдосоляной смеси может быть определена по приближенной формуле автора [20]
Я = (1 -1) (г0 + ^t) = (1 - g) (334 + 4,23/).
При этом в случае отсутствия расчетной таблицы или диаграммы можно ориентировочно принимать /«—0,7В', где В'^30%—концентрация соли относительно льда.
Например, в случае эвтектической концентрации соли относительно смеси (в долях единицы) £=0,231 и £'«30%, значение t——0,7Х Х30 =—21° С и соответственно q= (1—0,231) (334—4,23-21) = = 188 кДж/кг. При нагреве рассола с теплоемкостью с на Д/ величина q увеличивается на сД/.
Случай плавления льда в рассоле рассматривается, в частности, Шаталиной [123]. Температура /л поверхности льда, тающего в практически неподвижном рассоле, только при минимальном температурном напоре Д/ может быть принята близкой к криоскопической. Согласно расчетам и опытам Шаталиной для рассола NaCl, например при концентрациях 5,4 и 15,6%, Для Д/=3,3°С температура /л будет соответственно равна —2,5 и —5° С.
Подробные графические расчеты разных случаев плавления льдосоляных смесей и замороженных рассолов можно выполнять пр
13
фазовым Диаграммам Бардаха и Гейиса [4] для смеси HaO-J-NaClH Бошняковича [133] для смеси НгО + СаОг- По фазовой диаграмме i—| (рис. 4), в которой авторами [4] принята эвтектическая концентрация соли 22,4%» определяется, в частности, холодопроизводительность и температура льдосоляной смеси или замороженного раствора NaCl, который тоже представляет собой льдосоляную смесь, но монолитную и с микроскопически мелкими частицами льда и соли.
' Например, лед с энтальпией 334 кДж/кг при 0° С (точка 1) и соль при 20° С (точка 2) для эвтектической концентрации смеси 0,224 (точка 3) дают удельную холодопроизводительность 194 кДж/кг как разность энтальпий, в точке 4 (254 кДж/кг) и в точке 5 (60 кДж/кг). Температура льдосоляной смеси при этом равна —21,2° С. Другой случай: удельная теплота плавления замороженного рассола эвтектической концентрации определяется на диаграмме разностью этальпий в точке 6 (296 кДж/кг) и в точке 5 (60 кДж/кг) и равна 236 кДж/кг. Температура таяния, как и в предыдущем примере, равна —21,2° С. z
Рассмотрим детально некоторые практически важные явления в охлаждающих льдосоляных смесях.
Процессы таяния льдосоляных смесей и замороженных рассолов в основном обусловливаются законами термодинамики, а также растворимости и диффузии (закон Фика). При этом Имеют место эндотермические процессы плавления льда и растворения соли (с отрицательной теплотой растворения).
Система Н2О—NaCl инвариантна, т. е. находится в равновесии только при наинизшей стабильной эвтектической температуре —21,2° С. Замерзание рассолов и таяние льдосоляных смесей при концентрации соли ниже эвтектической происходит при переменной температуре. При этом в соответствии с кривой льда на диаграмме (см. рис. 4) при охлаждении слабого рассола до криоскопической температуры начинает выделяться лед.
Разности конечной iK и начальной iH энтальпий системы Д£= = iK—in, отсчитываемые от изотерм —21,2° С вверх до кривых льда и соли, показывают, что удельные холодопроизводительности смесей с концентрациями меньше эвтектической при равных температурах превышают таковые для случаев более высоких концентраций соли, соответствующих меньшему содержанию льда.
При медленном таянии малоравномерной обычной льдосоляной смеси в местах скопления соли, а также в больших солеконцентрато-рах льдосоляных фригаторов может наблюдаться при температуре ниже 0,15° С гидратация галлита NaCl в гидрогаллит NaCl-2H2O (бигидрат с 38% воды). При этом происходит выделение теплоты гидратации.
При концентрациях NaCl больших эвтектической даже в равномерной льдосоляной смеси в случае медленного таяния происходит существенная гидратация соли. Такие смеси малопроизводительны, что видно из диаграммы (см. рис. 4). Практически нежелательно применение для льдосоляной смеси соли, если она была гидратирована (например, в случае зимнего хранения при температуре ниже 0,15° С), так как при этом пришлось бы охлаждать связанную в соли воду до температуры процесса.
Льдосоляную смесь обычно приготовляют Из льда плотностью 900—917 кг/м3 (удельная насыпная масса ледяных кусков около 500 кг/м3) и поваренной соли плотностью 1600 кг/м3 (удельная насыпная масса 1100 кг/м3).
2* 19
Энтальпия, кДж/кг
Концентрация NaCLt
Рис. 4. Диаграмма (i—£) (энтальпия — концентрация) системы H2O~NaCl.
Энтальпия L, кДж/кг
Ё льдосоляной смеси с относительно крупными кусками л!ьда большая часть их контактирует не с солью, а с образовавшимся при растворении соли рассолом. При этом частично соль спекается, а куски льда смерзаются. По Рютову [93], даже при свободном стекании рассол адсорбируется льдом в количестве примерно от 10 до 30%.
В месте контакта льда и соли рассол имеет эвтектическую концентрацию и при малом теплопритоке его температура близка к эвтектической. По мере разжижения рассола его температура повышается примерно в соответствии с криоскопической кривой. При значительном теплопритоке даже эвтектическая концентрация соли в льдосоляной смеси практически не всегда обеспечивает эвтектическую температуру —21,2° С, тогда как при отсутствии внешнего теп-лопритока теоретически достаточна концентрация 4%, чтобы получить эвтектическую температуру.
При умеренном теплопритоке практически температура в равномерной льдосоляной смеси с концентрацией меньше эвтектической в случае частого пополнения смеси ее компонентами в среднем приближается к криоскопической температуре при плавлении льда в рассоле с постоянной концентрацией соли.
В последнее время для охлаждения начинают применять искусственно получаемый морской лед и иногда дешевую льдосоляную смесь с сильвинитом (NaCl + KCl). В связи со сложным составом морской воды замерзание ее и таяние морского льда отличаются от этих процессов в рассмотренных выше бинарных льдосоляных смесях. Так, замерзание морской воды с соленостью 35%о начинается при —1,9° С, при этом выделяется в основном чистый лед, затем примерно при —8,4° С наряду со льдом начинает выпадать сернокислый натрий, при —21° С хлористый натрий, а при —36° С хлористый магний, после чего наступает полное затвердевание. В связи с этим фазовые диаграммы для морской воды носят сложный характер.
Из-за переменных температур процессов замерзания и таяния понятия теплоемкости и теплоты плавления морского льда носят условный характер. Ориентировочные данные о некоторых теплофизических свойствах для пресного и типичного морского льда различной солености приведены в табл. 4.
Свойства морского льда значительно отличаются от свойств пресного. Соленость льда обычно неодинакова по его толщине, она зависит от солености морской воды и от условий ее замерзания, в частности от скорости льдообразования и интенсивности циркуляции воды. Естественный морской лед имеет среднюю соленость, меньшую чем соленость исходной морской воды. Искусственный лед из морской воды при большой скорости замораживания может иметь практически равномерную соленость, соответствующую солености исходной воды.
Теплопередача при кристаллизации и плавлении льда. Теплопередача при кристаллизации и плавлении льда, связанная с тепломассообменом в двухфазной системе, обусловливает интенсивность тепловых процессов холодильной льдотехники и может быть определена по изменению количества льда.
Процесс междуфазовой теплопередачи в случае кристаллизации, т. е. при переходе вещества в термодинамически более устойчивую фазу с меньшей кинетической энергией молекул, протекает интенсивнее, чем обратный процесс плавления. В первом случае молекулы воды приносят явное и скрытое тепло и отдают их другой фазе, вклю-
21
Таблица 4
Соленость льда, %» Теплоемкость льда (в числителе) в кДж/(кг-К) и энтальпия (в знаменателе) в кДж/кг при температуре, °C
—5 -10 —20
2,09 2,05 1,97
0 —348 —356 —376
6,15 2,93 2,18
5 —322 —348 —368
1 А 10,02 3,86 2,48
1U —301 —330 —360
чаясь в нее, что обусловливает высокую интенсивность теплового процесса при льдообразовании.
При медленном льдообразовании в теплой воде имеет значение и конвективная теплоотдача. Относительно теплая вода, соприкасаясь и смешиваясь с частично переохлажденной водой вымерзающе
го пограничного слоя, отдает ему свою теплоту.
При плавлении льда молекулы воды приносят только «явное» тепло и отдают его другой фазе, смешиваясь с талой водой.
По Ткачеву [104], теплопередача в .случае таяния льда из-за утолщения пограничного слоя (за счет образующейся талой воды) меньше обычной конвективной теплоотдачи. При льдообразовании пограничный слой, наоборот, утоньшается за счет его непрерывного вы
мораживания.
Льдообразование и теплофизически обратный процесс таяния льда иногда могут быть выражены структурно одинаковыми расчетными уравнениями. При этом, например, в случаях льда в грунте и тонкого льда с накапливающейся на нем талой водой лед при одинаковых температурных напорах намерзает быстрее, чем тает, так как коэффициент теплопередачи при льдообразовании больше, чем
при таянии, и удельная теплопроводность льда больше, чем у воды.
Для расчета процессов образования и таяния отдельных монолитов льда имеет значение их форма, характеризуемая коэффициентами
~ (для «объемной» задачи) и (для «плоской» двухмерной за-F S
дачи), где V—объем, F — теплопередающая поверхность, f—расчетное Сечение с периметром S, а также 6 — для одномерной задачи.
Льдообразование может быть внутриводным, когда кристаллы образуются внутри переохлажденной массы воды, допленочным, когда на охлаждаемой поверхности, образуется «щетка» или «сетка» из отдельных, еще не смерзшихся в пленку кристаллов, и пленочным,
когда происходит нарастание на охлаждаемой ледяной подложке сплошной пленки из кристаллов. Эти процессы льдообразования обычно сочетаются вместе. Для определения времени т образования (и плавления) внутриводного льда известно критериальное уравнение Кутателадзе [69], относящееся к случаю продолговатого кристалла льда и преобладания конвективной теплоотдачи
(dt_\V2 _
Т рва 2 Рг|/3 Re1/2 ’
где рв и рл— плотность воды и льда;
а — коэффициент температуропроводности;
di и d2 — начальный и конечный диаметры кристалла;
Рг и Re — критерии Прандтля и Рейнольдса;
Кл = Г°."—вариант критерия льдообразования Коссовича (Ко =
го Рв \
Cn^t рл /
По опытам Бибикова и Пеховича [28], для случая образования внутриводного льда объемная скорость v (в мм3/с) роста кристалла в зависимости от скорости движения воды w (в см/с) и ее переохлаждения будет
v = (14 + оЙ’62 ,
где tn°C — абсолютное значение температуры переохлаждения воды. Эффективность допленочного льдообразования, связанная, в частности, с сильно развитой теплопередающей поверхностью «щетки» еще не сросшихся в монолит кристаллов, детально пока не изучена, но, по-видимому, может быть существенна при очень тонком льде.
Расчет продолжительности типичного процесса кристаллизации воды при отводе тепла через нарастающую пленку льда связан с известной проблемой Стефана о распределении тепла в среде с изменяющимся фазовым состоянием.
Частная задача расчета продолжительности замерзания плоского слоя воды в простейшем случае выражается в соответствии с теорией теплопроводности Фурье уравнением теплового баланса
. dtn . dtB
гоРл , — »
ат дх дх
где Го — теплота льдообразования;
рл — плотность льда;
ол — толщина льда;
т — время льдообразования;
%лДв и Ал> —теплопроводности и температуры льда и воды; </стл .
—-— — скорость льдообразования; ат dtn dtB ----- и-- дх дх
— температурные градиенты ро льду и воде.
Нелинейное уравнение теплопроводности решается для соответствующих краевых условий. Решения с необходимой точностью некоторых принципиальных задач проблемы Стефана даны Рубинштейном [92].
Приближенные решения некоторых задач, важных для холодильной льдотехники, были осуществлены для разных начальных и граничных условий посредством математического моделирования и применения электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) Кудрявцевым и Меламедом [67] для льдообразования в грунте и Чуклиным и Парцхаладзе [120] для одностороннего намораживания плоских слоев льда.
Подобные задачи, связанные с тепломассопереносом при льдообразовании, успешно решаются также посредством аналоговых гидравлических и электрических интеграторов. Лихтенштейн [74], например, использовал метод электротепловой аналогии и электронную вычислительную машину для расчета и анализа работы искусственного ледяного катка.
Имеется ряд уравнений, предназначенных и для безмашинных расчетов намораживания льда. Например, из числа уравнений Планка [150] наиболее известна простая расчетная формула для случая одностороннего замораживания через стенку плоского слоя воды нулевой температуры, учитывающая теплопроводность Хс и толщину 6с стенки, а также коэффициент теплоотдачи ах от стенки к хладоно-сителю или хладагенту (коэффициент теплоотдачи от воды к образующемуся льду условно принят равным бесконечности):
Л)Рл6л f 1 ! 6С . 0,56л\ т = ———---------------1------ t
№ \ Хс Хл /
где А(—разность температур хладоносителя и воды (0°С);
го и Рл — теплота плавления и плотность льда.
Величина в скобках является суммой поймерно постоянного теплово-
[ 1 ,6с \
го сопротивления охладителя-------— I и переменного во време-
\ ах Хс /
0,56л
ни теплового сопротивления льда, в среднем равного —----. Вы-
Хл
шеприведенная формула была получена в результате интегрирования упрощенного уравнения теплового,баланса
т в
f dx = f f Al’+ A _j_ _L^.
•I .1 А/ \ Хл Xq / о о
Элементарный анализ приведенной формулы Планка показывает1 при малых значениях коэффициента теплоотдачи ах и толщины льда 6л зависимость между временем процесса т и толщиной льда 6л близка к линейной; при больших ах и 6Л время процесса т примерно пропорционально квадрату толщины льда 6Л;
увеличение температурного напора А/, т. е. снижение температуры намораживания льда, пропорционально уменьшению времени процесса т;
И
скорость намораживания увеличивается с уменьшением 6Л тем больше, чем больше коэффициент теплоотдачи а»: при малом ах рост его заметно увеличивает скорость намбраживания льда, особенно при небольших толщинах льда, при большем ах дальнейшее увеличение его малоэффективно, особенно при толстом льде.
На основании формулы Планка скорость намораживания льда для толщины льда 6Л будет:
dx
Тепловая нагрузка составляет
Для случаев замораживания кольцевых цилиндрических слоев (с существенной разницей диаметров) Планком [151] предложены упрощенные формулы, не учитывающие тепловое сопротивление стенки трубы. При намораживании льда внутри трубы
т =
Г°Рл
2Д/
(JR2 - г2)
1 21 R . — т— г2 in —; Лл Г
при намораживании снаружи трубы
т =
грРл
2Д*
(Я2-г2)
+ J_^21n А. Ал г
где R и г — большой и малый радиусы ледяного цилиндра.
Соответствующие уравнения, учитывающие и тепловое сопротивление трубы, приводятся в работе Чуклина [121].
В рассмотренных выше примерах температура замораживаемой воды принималась равной 0° С. Более сложно вычисление времени для случая замерзания воды с начальной температурой выше 0° С.
При процессе намораживания льда на охлаждаемой стенке достаточно большого сосуда вода обычно сначала несколько охлаждается, а потом начинает замерзать, одновременно доохлаждаясь примерно до 0° С. В случае малоинтенсивного охлаждения вода до начала замораживания может охлаждаться до 0°С и даже несколько ниже.
Ориентировочное время т0 охлаждения воды до начала льдообразования, определяемое из уравнения теплового баланса gnCbd(&tn) = kf&tKdx0, при регулярном тепловом режиме и постоянной температуре хладоносителя как известно составляет:
ёвСВ , Д^Н
то = “77~1п ТГ ’
л/ Д/к
25
при этом
Д^н — -----tx.
— /п — /х»
где ёв — масса воды;
св — теплоемкость воды;
К—условный средний коэффициент теплопередачи;
f — охлаждающая поверхность;
/н и tK — начальная и конечная температуры воды;
tx—температура хл а доносителя;
tn—промежуточная температура воды (при начале льдообразования).
Так как замерзание воды температурой в основной массе выше 0° С возможно при тепловом потоке от воды несколько меньшем теплосъема через стенку, то температура ta, определяемая из урав
нения
ал (tn 0) — (0 ,
1/0&х “Г Ос/Лс
составляет в предельном случае
Их/
п ал (1/0x4-6сАс) ’
где ал и ах—коэффициенты теплоотдачи от воды ко льду и к хла-• доносителю;
6С и А,с — толщина и теплопроводность охлаждающей стенки. Продолжительность т намораживания льда с одновременным доохлаждением воды от ta до 0° С при постоянной температуре хладо-носителя может быть определена из соответствующего уравнения теплового баланса
ал/ (^п 0) с/т 4- гоД/6л — j Т - -f (0 — /х)с/т.
oCj Дс Хл
Исходя из этого принципиального уравнения, Чуклин и Парцхаладзе [120] выполнили на ЭЦВМ решения конкретных задач охлаждения и замораживания плоского слоя воды при постоянной температуре хладоносителя и постоянной разности температур воды и хла-доносителя. Чуклиным и Парцхаладзе также предложены решения соответствующих задач в обычном виде.
Для наиболее простого случая постоянной разности температур воды и хладоносителя (/в—/х=const) толщина намерзающего слоя льда составляет
6 = уХл (1 [Аг 4- (е~Лт — 1)] 4- т2 [(е~2Лт _ 1) 4- 2Лте~Лт] >
1 I 6с л &nf 2 (/н /х)
где У =-----Нт—; а =------; /Hi = —-—— ;
ах Sb Аг0Хлу
(/н-/х)-(/п-0).
mi Аг^лу"
26
при этом
______________________ п~ 1+ал(1/ах+6сАс) ’
Известен ряд других в основном также довольно сложных решений отдельных задач определения продолжительности замерзания воды с положительной температурой, например решения Коноплева [61], Лейбензона [73], Ткачева и Бучко [105].
Уравнение Ткачева и Бучко для случая одностороннего намораживания пластины льда учитывает температуру воды, теплоемкость льда, теплоотдачу воды за счет конвекции и продвижения границы льда. Уравнение выражается в критериях подобия в виде:
1
г о । свРв^в сл 1^х| слРл 1^х|
+ ln (в! — + t'j \ о /
где Fo и Bi — критерии Фурье и Био;
tB и tx — температуры воды и хладоносителя (хладагента);
св,рвисл, рл — удельные теплоемкости и плотности воды и льда; 6' и 6" — толщина льда, задаваемая и предельно возможная при данных условиях теплообмена (определяется из соответствующего теплового баланса).
Это уравнение предпочтительно при сильном влиянии конвективной теплоотдачи воды.
Из элементарного теплового баланса для одномерной задачи при намерзании льда на 1 м2 слоем толщиной 6л количество отнимаемого тепла 6лДг=&Д/т. В соответствии с зависимостью Пекле k = ~ по-2/? лучаем для общего случая
что составляет для расчетного сечения льда (двухмерная задача)
где т — время, с;
Дг=гл— энтальпия 1 м3 льда;
Д/=/х— средняя температура хладоносителя (хладагента);
s —охлаждаемый периметр расчетного сечения f льда;
4=f/s — коэффициент формы (для двухмерной задачи); 2/? — сумма средних термических сопротивлений.
27
В этом случае нестационарный процесс теплопередачи при льдообразовании нами условно рассматривается как совокупность кратковременных стационарных состояний.
Автором предложена [9] довольно универсальная формула, пригодная для вычисления продолжительности образования льда в водоемах и на льдобунтах, в больших сужающихся льдоформах и зероторах, на плитах в трубах и особенно при интенсивном намораживании льда в кольцевых слоях с малой разницей диаметров
Т — Рл I 4“ Л)
\ f ( 1 । 6с । О>56м 1
2 у —— txs \ осх %с о^л
где рл — фактическая плотность льда (900—920 кг/м3);
tB — температура воды (с учетом теплопритоков);
ах—коэффициент теплоотдачи к хладагенту или хладоносителю; .
6С и %с — толщина и удельная теплопроводность стенки для льдообразования (не учитывается, например, в случае отсутствия снега на льду водоема или льдобунта);
6М — минимальная толщина намораживания льда с одной стороны (в расчетном сечении);
ал — средний коэффициент теплоотдачи от воды к намерзающему льду, в основном обычно определяющийся не конвективной и радиационной теплоотдачей, а переносом тепла с массой при фазовом превращении.
Приближенно (в Вт/(м2-К)
Рл'о^ л~ Д/с ’
где Д^с — средняя разность температур смоченной поверхности льда и воды за пределами влияния пограничного слоя (в расчетах принимается Zc~O°C, хотя в принципе tc всегда несколько ниже 0° С);
w— средняя линейная скорость (в м/с) льдообразования (принимается из опыта и рассчитывается методом последовательного приближения).
Обычно в среднем коэффициент ал>10 тыс. Вт/(м2-К) при
Д/с<ГС, но его следует учитывать в слагаемом — , например, ал
при расчете льдообразования в интенсивных роторных льдогенераторах с циркуляцией воды, с большими а» и малыми отношениями 0,56м 6с
и -— . При этом ориентировочно можно принимать Ле
Д^с
1 в
2
tB и tB — температура воды на входе и выходе.
где
Следует заметить, что неучитываемая шероховатость поверхности и другие особенности допленочной стадии тонкослойного льдообразо
28
вания, по-видимому, могут несколько увеличивать практическую производительность роторных льдогенераторов по сравнению е расчетом (см. далее). Интересно отметить, что, по расчету Бучко [31], в частном случае для замерзания воды температурой 1,4° С со скоростью 0,12 м/ч коэффициент теплоотдачи от воды ко льду конвекцией и за счет продвижения границы льда равняется 230 Вт/(м2-К), соответствующий же коэффициент, учитывающий теплоотдачу за счет льдообразования, исчисляемый по формуле автора (в Вт/(м2-К)
917.334-0,12
ГУ — ...
л 1,4-3600
= 7300,
Для расчетов одностороннего намораживания ледяных пластин или пленок с толщиной 6Л следует в результате преобразования в универсальной формуле принимать коэффициент формы f/s = 8a и бм=6л (одномерная задача). Двустороннее намораживание при этом
рассчитывают для половины толщины льда.
В случае большой разницы между продолжительностью охлаждения и замораживания при теплой воде и медленном процессе мож-
но время охлаждения воды до температуры начала кристаллизации вычислять отдельно или вводить в формулу эмпирическую поправку. При шаре, кубе и близких к ним по форме объемах следует при-
v
нимать по Рютову [94] объемный коэффициент формы (отноше-F
ние объема к теплопередающей поверхности) вместо — .
s
Несмотря на упрощения процессов при выводе универсальная формула времени замерзания воды практически пригодна для многих расчетов. Наилучшие результаты получаются для случаев при умеренных температурах воды и принятых сейчас скоростях ее замораживания. При наличии опорных опытных данных для дополнительного уточнения расчетов по формуле, особенно в случаях сложной теплопередачи, в нее следует вводить соответствующие поправочные коэффициенты.
Более точные безмашинные расчеты относительно сложных случаев льдообразования, например в углах и торцах малых льдоформ и зероторов, можно выполнять по специальным формулам, приводимым, в частности, Коноплевым [61] и Ратчженом и Джиджи [153].
При расчете замораживания зероторов с водой и рассолом и пористым наполнителем возможно применение метода элементарных тепловых балансов в интерпретации Школьниковой [128].
Для прикидочных расчетов можно ориентировочно принимать при очень тонком или толстом водоемном льде (без снега)
т =
iЛ^Л . 1л ®л
--------и т =---------— .
^хах — ^х2^л
В расчетных формулах в необходимых случаях следует принимать во внимание влияние наличия электролитов и связанной воды на температуру начала льдообразования. При замораживании рассолов и отдельных объемов влажного грунта учитывают их плотность и энтальпию, а также удельные теплопроводности и теплоемкости.
29
Обычные уравнения времени замерзания воды в принципе действительны только при постоянной температуре хладоносителя. Кроме того, следует учитывать, что при нестационарном процессе примерное время, необходимое для передачи изменения температуры наружной поверхности льда (или грунта) на некоторую глубину, увеличивается пропорционально квадрату толщины слоя. В связи с этим и по другим причинам особо сложными являются, например, расчеты времени замерзания воды в составе неограниченного массива грунта, связанного с распространением температурных волн в грунте в условиях периодического колебания температуры поверхности. Подобные задачи, в частности для случая промораживания грунта с помощью охлаждаемых труб, в настоящее время решают преимущественно посредством аналоговых интеграторов и электронных вычислительных машин.
Для обычных расчетов входящего в уравнения времени льдообразования коэффициента теплоотдачи ах к хладоносителю принимаются общеизвестные формулы. В сложных случаях, например при образовании льда под открытым небом, можно применить методику с исходным уравнением
ах= ± «к ± аф ± Ор.
гдеак, (ХфИИр—коэффициенты теплообмена: конвективный — при отдаче «+» или поглощении «—» тепла; фазовых превращений при испарении и возгонке «+» или конденсации и сублимации «—»; радиации — при «темном» излучении «4-» или прямой и рассеянной инсоляции «—». При этом для льда ориентировочно принимается: степень черноты 8=0,97, а отражательная способность (альбедо) Д=0,50 (для снега соответственно 8=0,99 и Д=0,85).
Для вычисления условного суммарного коэффициента теплоотдачи ах при этом могут быть использованы следующие расчетные формулы. Конвективный коэффициент ак определяется, в частности, при обычном ветре по формулам
Nu = 0,032Re0’8 (при Re > 105 ) и Nu = 0,66 Re0’5 (при Re < 105).
Фазовый коэффициент, в частности,
( At A аф-аккО,24Д# /’
где At — разность энтальпий воздуха;
А/ — температурный напор.
Радиационный коэффициент в общем случае
fcfCnff гт у / тху.
М [\ 100 ) \ 100 / J ’
где сп — приведенный коэффициент излучения;
b — доля облученности;
f — расчетная поверхность облучения;
Тт и Тх — температуры (в К) теплой и холодной поверхностей.
30
В частных случаях, а именно: а) при Инсоляции условное <%' — . р =-----—----(где — метеорологический показатель удельной инсо-
ляции); б) при темном излучении тепла в атмосферу условное ар= <7эе
=—— (где Оэ — удельный метеорологический показатель эффектив-
пого обратного излучения).
Расчет по аналогичной методике процесса естественного льдообразования в водоеме приводится в работе автора [14].
Для определений коэффициента теплоотдачи к воздуху при льдо-памораживании за счет естественного холода применимы и эмпирические формулы. На основе стендовых испытаний Кудряшов [68] рекомендует для случая намораживания льдобунтов средних размеров при обычных температурах и влажностях воздуха формулу «х=10,7+7,7лу (где w — скорость ветра в м/с). По опытам Степанова [100], ак= 11,9+9,2w. При более точных определениях требуется учитывать, в частности, влияние на значение коэффициента ах размеров льдобунта. Ориентировочно удельная теплоотдача протяженной горизонтальной поверхности с шириной b при отсутствии фазовых
превращений соответствует cl — 3,5 + 5,8- ——— Вт/(м2-К).
6°,2
Обычно коэффициент а» условно относят к поверхности льдо-и даже замораживание воды при подаче
площадки, хотя охлаждение ее распылителем начинается в воздухе и заканчивается на льдоплощадке частично при двустороннем отнятии тепла.
По опытам Адамса с соавторами [1], в частном случае льдообразования-в воздухе при —20° С и распылении воды до капель диаметром <30 мкм в оптимальном плоском факеле с внешней поверхностью около 10 м2 коэффициент ах~50 Вт/(м2-К). В связи с этим следует отметить, что для замораживания в воздухе капель воды в принципе достаточно, например, испарить 12% их массы. П<
Рис. 5. Коэффициент теплоотдачи при таянии льда в воде.
данным вышеуказанных опытов, удельное льдообразование при распылении воды можно принять равным -0,5 кг/(м2.ч-°C).
Коэффициент теплоотдачи при обратном кристаллизации процессе таяния льда (ат), не связанный, в частности, с переносом массой теплоты плавления, примерно на два порядка меньше, чем при намораживании льда (ал), так как удельная теплоемкость воды в 80 раз меньше удельной теплоты льдообразования.
В случае таяния льда в расплаве (рис. 5) при естественной конвекции, по Ткачеву [104], для температуры ZB>10°С значение ат
31
определяется уравнением Nu=0,45(Gr-Pr) при ледяных цилиндрах и Nu=0,54(Gr-Pr)ly,‘ при шарах для 103<Gr-Pr< 107. Меньшие значения ат по сравнению с обычным при конвекции Ткачев объясняет действием утолщения пограничного слоя за счет талой воды, а минимум ат=116,3 Вт/(м2-К) при =6° С — влиянием изменения плотности воды на ее циркуляцию. По Соколову [99], коэффициент ат близок к обычному конвективному.
При побудительном движении коэффициент теплоотдачи к пластине льда, тающей в воде, ат = 105/7*4-4400/7ц&7б—по Соколову и ат= 190-|-4920ш — по Дерюгину и Козицкому [124], где t и w — температура и скорость (в м/с) воды, а по опытам Пеховича и Шаталиной [124, 125], коэффициент ат определяется уравнением Nu = = 0,0138 (Re-Pr)0-8! причем для рассола специально учитывается температура льда. При «определяющем размере» в виде отношения объема льда к его поверхности v/f последнее уравнение становится более универсальным.
В случае таяния льда на воздухе, в частности под открытым небом, кроме ат для расплава в принципе должны учитываться конвективный, фазовый и радиационный теплообмены с атмосферой и тепловое сопротивление пленки конденсата и талой воды.
По опытным исследованиям таяния льда, проведенным автором [19, 24], в случае открытого северного торца льдобунта днем при слабом ветре (<1 м/с), относительной влажности воздуха около 80% и температуре / от 15 до 25° С коэффициент теплоотдачи от воздуха ко льду в Вт/(м2-К) будет ат=?= 16,34-0,23/. В случае таяния льда в охлаждающих устройствах с влажностью воздуха 85% и Д/ от 4 до 16° С были получены следующие зависимости для коэффициентов теплоотдачи при естественной конвекции:
для вертикальной ледяной пластины (600X400 мм) значение ат = 6,34-0,41Д/, что соответствует за вычетом тепла влаговыпадения и радиации Nu=0,15Gr7»;
для льда в кусках до 100 мм (поверхность не менее 30 м2/м3) в обычном решетчатом льдокармане (2000X1400X500 мм) с расчетной поверхностью 9 м2 коэффициент ат= 13,74-0,26Д/; при заполнении пустот между кусками льда поваренной солью в эвтектической концентрации (£=0,231) коэффициент ат = 4,44-0,26Д/.
По мере уменьшения концентрации соли в смеси величина ат стремится к его значению при таянии льда без соли. При орошении льда рассолом величина коэффициента «сухой» теплоотдачи приближается к таковой для льда без соли.
Физико-механические свойства льда
Физико-механические свойства льда, в частности особенно важные для холодильной льдотехники прочность, скользкость и пример-заемость льда к другим телам, в основном обусловливаются как атомно-молекулярными, в частности водородными связями, так и надмолекулярной структурой и характером деформации. Однако значение микроструктуры и дислокационных дефектов льда часто подавляется хаотичностью и дефектами его макроструктуры и примесями.
Особенностью льда является его пластичность, связанная, в частности, с перекристаллизацией и проявляющаяся, например, в медленном оседании сводов холодильников из льда. Для расчета пла-32
стической деформации (ползучести) сводов ледяных складов Войт-ковским [37, 38] разработана методика, позволяющая судить о долговременной деформативной прочности льда в данной конструкции.
При быстрой деформации, например при разработке льдобунтов взрывами, пластичность льда не успевает проявиться. Лед не следует в точности ни закону упругости, ни закону вязкости. По этой и другим причинам прочность льда, иначе говоря, предел его прочности или разрушающее напряжение является в известной мере величиной условной.
В качестве простейшей механической модели льда обычно принимают условное тело Максвелла, описываемое в интерпретации Паун-дера [152] уравнением
о о
ел = — sin сот-]—— (1—coscot), п (00
где 8Д— общая деформация льда;
ст — напряжение;
п — упругая деформация;
со — циклическая частота воздействия;
т — время;
0 — коэффициент вязкости.
Слагаемые уравнения отражают частные деформации: первое — упругую, второе — пластическую. По расчетам Паундера, одни упругие деформации возникают только при воздействии силы с периодом менее 1 с.
При большой нагрузке сопротивляемость льда даже в случае постоянной деформации уменьшается (релаксация).
Пластическая деформация льда с присущим ей разрывом части водородных связей происходит при сдвиге, а при всестороннем сжатии в основном проявляется упругость льда. При деформациях льда часто имеет место его режеляция и релаксация.
Режеляция льда (повторное замерзание при деформации) обусловливается плавлением кристаллов льда в зоне повышенного давления, вытеснением талой воды и ее замерзанием в зоне нормального давления. При режеляции наблюдается частичная сублимация льда.
При нагрузках выше предела упругости возникает релаксация (расслабление) льда, связанная с дислокационным механизмом пластической деформации и представляющая собой убывание по времени силы сопротивления при постоянстве нагрузки. По Максвеллу, время релаксации тр, т. е. время перехода замкнутой системы в равновесное состояние, составляет
где 0 — коэффициент вязкости;
G — модуль сдвига.
Ползучесть льда отражает растущую под действием постоянной силы деформацию. При этом деформация приближенно рассматривается как вязкое течение. Необходимо, однако, иметь в виду, что лед не удовлетворяет полностью закону вязкости, так как для него за-
3 В. А. Бобков
33
вйсимосФь между напряжением- и скоростью деформации нелинейна. Вязкость льда для установившейся стадии ползучести не является константой, так как, в частности, зависит от структуры льда и напряжения и должна рассматриваться в каждом конкретном- случае как отношение напряженности к скорости ползучести в данный момент времени.
Стадия установившейся ползучести продолжительна только при малой нагрузке, при большой нагрузке она кратковременна, так как быстро переходит в стадию резко ускоряющейся ползучести, обычно принимаемой за предел ползучести. Зависимость скорости ползучести льда от нагрузки (предел длительной ползучести) примерно квадратичная.
Описанные пластические свойства льда в значительной степени определяют его умеренную долговременную прочность, в частности в конструкциях холодильников из льда. Для льда, кроме мгновенной упругой и необратимой пластической деформации, характерна, также обратимая деформация последействия.
В случае армирования льда волокнами (или прутками) длиной, равной длине испытываемого образца, расчетная прочность при растяжении армированного льда примерно составляет
Ев — °л^в ~ >
Ел
где Од — прочность чистого льда;
VB — объем волокон;
Ев и Ел — модули упругости для волокон и льда.
Расчет для льда, армированного 6% (по объему) стекловолокна, дал четырехкратное упрочнение образца, а соответствующий опыт показал упрочнение в 4,5 раза. При армировании льда волокнами или частицами более короткими, чем испытываемый образец, кратковременная прочность при растяжении, в частности со скоростью 0,5 мм/мин и в случае добавок порошка крахмала или древесных опилок в количестве 5% по массе, при температуре—20° С увеличивается вдвое.
Упрочнение льда армированием или посредством наполнителей зависит от смерзаемости льда с упрочнителем и до некоторого предела пропорционально количеству и прочности упрочнителя. Такой лед не только прочнее, но и менее пластичен, чем обычный.
Случай, когда наполнителем становится сам лед, является наиболее сложным. Кратковременная прочность при сжатии влажных грунтов в замороженном виде, например при температурах —0,4° и —4° С, составляет для песчаного грунта соответственно 0,6 и 1,4 МПа, для глинистого грунта — 0,25 и 0,6 МПа, при —10° С для песков 9— 12, для суглинков 3—5 МПа. Меньшая прочность глинистых грунтов в мерзлом состоянии объясняется, кроме свойств глины, наличием в них капиллярно связанной воды, замерзающей только при очень низких температурах. При замораживании воды в порах грунтов возникает связанная с изменением структуры деформация, называемая пучением. Относительное пучение (отношение высоты подъема грунта к глубине промерзания) при изолированном объеме, промораживаемом со всех сторон, составляет для песка (влажностью 19%) около 1,6, а для глины (влажностью 32%) —около 5,2.
34
В случае неизолированного объема глинистого грунта и возможности подтока воды извне пучение значительно увеличивается. Пучение же данного объема песчаных грунтов при свободном оттоке волы незначительно.
Естественный морской лед и искусственный лед из морской воды или рассола с выпавшими при криоскопических температурах солями прочнее, а с рассолом, не замерзшим в капиллярах, — слабее пресного льда. Прочность льда, кроме других факторов, также связана с его плотностью, определяемой, в частности, содержанием солей и воздуха. Зависимость нормальной плотности льда от солености и объемного содержания воздуха приведена в табл. 5.
Таблица 5
Содержание воздуха во льду, % Плотность льда (в кг/м3) при солености, %0
о '1 10 1 20
0 917 925 934
3 890 898 906
6 863 871 879
По Паундеру [152], может быть принято, что при температурах немного ниже 0°С прочность морского льда на растяжение <гм пропорциональна уменьшению поперечной площади пресного льда fn прочностью (Тп и с учетом концентрации напряжения у капилляров с рассолом составляет
ам — 0,33 <уп (1 — fn),
где 0,33 — эмпирический коэффициент.
Уже при температуре —8,4° С, когда выпадает из морской воды декагидрат сульфата натрия, прочность морского льда несколько увеличивается. При температуре —21° С, когда выпадает хлористый натрий, прочность морского льда заметно возрастает. Максимальной прочности по сравнению с пресным льдом морской лед практически достигает при —36° С, когда выпадает хлористый магний. Указанные соли отлагаются в основном на стенках капилляров морского льда.
Для льда менее всего исследованы ударные нагрузки и явления «усталости». Сложным и не вполне разработанным является вопрос о пределе кратковременной прочности льда, так как он, в частности, в большой степени зависит от размеров нагружаемого образца.
В случае относительно быстрой деформации (порядка 5 мм/мин) перпендикулярно поверхности льдообразования кратковременная прочность или разрушающее напряжение ст (в МПа), находящееся за пределами упругости, по данным Пинегина [59], Витмана и Шан-дрикова [72], для малых образцов прозрачного речного льда с температурой t отО°С до —25° С составляет: при сжатии 1,2—0,08 Л при растяжении 0.5—0,015 t и срезе 0,7—0.01 t. По исследованиям автора [20], для намороженного мелкокристаллического матового льда (1 дм3) с плотностью около 900 кг/м3 при 0°С разрушающее напряжение при сжатии со скоростью 10 мм/мин составило 1,5 МПа; твер
3*
35
дость льда по шкале Мооса была равна ~ 1,5, а твердость по Бринеллю '-'0,035 МПа (для пуансона диаметром 30 мм при выдержке 1 с). Ударная же прочность льда сгу (работа, затраченная на копре при раскалывании ударом, Дж/см2) для ледяных брусков сечением 1 дм2 при температуре до —20° С составила по опытам 0,45—0,01 t. Исследования автора также показали, что при разработке льда скалыванием энергия удара эффективнее, чем частота ударов (рис. 6).
Рис. 6. Ударная прочность льда.
Наиболее общими характеристиками прочности льда являются модуль Юнга и модуль сдвига, определяемые, в частности, резонансным методом и составляющие при 0°С около 9,4 и 3,4 тыс. МПа, а при —30° С примерно 10 и 3,7 тыс. МПа.
Из-за "неоднородности и трещиноватости льда расчеты прочности следует делать с запасом в 1,5—2 раза и более.
Показатели скользкости и примерзаемости льда ко льду и к другим телам важны для расчетов и эксплуатации льдорезных пил на санях, льдохранилищ, склизов для транспортировки льда, а также устройств для отделения льда от испарителей льдогенераторов.
При адгезии (прилипании) льда к подложке, кроме простых молекулярных сил притяжения, обычно имеют место связи двойного электрического слоя, а при соответствующих подложках — и водородные связи с пленкой молекулярно ориентированной воды. С адгезией связана не только примерзаемость льда, но и его скользкость, характеризуемая коэффициентом трения. В случае трения металла о лед, являющийся полупроводником, могут возникать значительные заряды трибоэлектричества, несколько уменьшающие скользкость льда и врёдящие, например, скребковым льдогенераторам.
36
Коэффициент внешнего трения скольжения в соответствии с законом Амонтона, примерно действительным для льда в сравнительно узком диапазоне нагрузок и температур, выражается отношением силы трения к нормальному давлению. Статический • (при страгивании с места) коэффициент трения стали по льду цс при 0°С в среднем составляет 0,2; при —60° С, по Будневичу [30], он равен 0,4. По производственным определениям автора [20], статический и кинетический Цк коэффициенты трения стали по льду при 0° С составляют соответственно 0,35 и 0,035 (при скорости 0,05 м/с).
Угол трения (угол начала скольжения) ip = arctg|ic для блочного льда по стали равен примерно 25°.
Кинетический коэффициент трения при равномерном движении стали по льду со скоростью 0,14 м/с (опыты Будневича [30]) при 0°С составляет 0,03, при —5° С значение Цк равно 0,075, а при —15° С достигает 0,1. При очень низких температурах и сухом трении цк=0,3 4-0,4.
Относительно большая скользкость льда при движении в основном обусловливается парожидкостной смазкой, образующейся в результате плавления льда от трения (и иногда от давления, особенно при околонулевой температуре).
При сухом трении в случае низких температур скользкость уменьшается, так как лед не плавится, а срезается. Фрикционные особенности и практическая скользкость льда, кроме указанных причин, зависят еще от химического состава и характера поверхности льда и скользящих полозьев, а также от скорости движения.
Примерзаемость льда к подложке связана, в частности, со скоростью деформации и температурами намораживания и отрывания льда и зависит от поверхностного натяжения квазижидкого слоя на границе лед—подложка (при умеренно низких температурах) и площади контактов отдельных кристаллов и прослоек между ними. Например, в опытах Савельева с сотрудниками [96] при скорости деформации 2 мм/мин сила примерзания льда к плексигласу при —10° С, площади сечения отдельных кристаллов f=0,17 см2, в случае температуры намораживания —5° С составляла при отрыве 0,063 МПа. Сила Же примерзания кристаллов с.f—0,03 см2 для намораживания при —20° С равнялась 0,017 МПа.
Плоскостная адгезия уменьшается с понижением температуры намораживания и увеличивается с понижением температуры отрыва. Объемная адгезия к шероховатой пористой подложке связана с прониканием кристаллов льда в поры подложки. Объемная адгезия больше, чем плоскостная, в основном по причинам большей активности и развитой поверхности контактов. Объемная адгезия обычно лимитируется прочностью приконтактного слоя (20—30 мм) льда особой структуры. Измеряемые силы примерзания обычно увеличиваются в некоторых пределах при снижении температуры и уменьшаются при снижении скорости деформации.
Примерзаемость (когезия) зародышей ледяных кристаллов к пол. костью смачиваемой ледяной поверхности охлаждения соответствует прочности льда. При замерзании воды даже на гидрофобной подложке с неполярной атомно-молекулярной структурой отталкивающая сила поверхностного натяжения воды исчезает, и всегда устанавливается некоторая связь льда с подложкой, что указывает на отсутствие полностью льдофобных тел.
37
Сила примерзания льда, например к гидрофильному стеклу, определенная при отрыве нормально к поверхности, по Кобеко и Марею [56], при —3°С составляет 1,9 МПа, то же для гидрофобной стали — 2 МПа, для гидрофобного полистирола — 0,22 МПа. По другим данным, примерзаемость льда к стали при —14—20° С составляет только 0,1—0,5 МПа [3].
В случае смачивания полистирола водой с поверхностно-активной добавкой примерзаемость к нему льда остается малой. Необходимо также заметить, что при многократном намораживании и отделении льда, в частности для такого гидрофобного полимера, как полиэтил-гидросилоксан, примерзаемость возрастает до предела прочности льда.
Практически примерзаемость льда, кроме температуры, сильно зависит от характера и скорости деформации, материала, шероховатости и чистоты подложки (в том числе на молекулярном уровне). Только путем использования периодически заменяемого непрочного покрытия, применения незамерзающей смазки или смазки, плавящей лед, можно предотвратить примерзание льда к холодной поверхности.
Дополнительные практические сведения о физико-механических свойствах льда, в частности связанных с его «разрабатываемостью», например с «распиливаемостью», приводятся далее при описании льдоразделочных машин.
Основные физические свойства льда сведены в табл. 6.
Таблица 6
Параметры льда Значения при нормальном давлении Р=0,101325 и температурах
/=0°С (273,15 К) t
Плотность, кг/м3 ро=916,8 р;=916,8(1—0,00015 0
Удельная теплота плавления, кДж/кг го=334 /7=334+2,12/
Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К) с0=2,12 ct=2,12+0,008 t
Удельная теплопроводность, Вт/(м-К) Разрушающее напряжение при сжатии, МПа Хо=2,22 X/=2,22(l—0,0015/)
<70=1,2 =1,2—0,08 t (для t до —25°C)
То же, при растяжении, МПа (То=0,5 07=0,5—0,015 t (для t до —25°C)
То же, при срезе, МПа сго=0,7 (yz=0,7—0,011 (для t до —25eC)
Модуль Юнга, МПа £о=9400 (при—30°C около 10 000)
Модуль сдвига, МПа Коэффициенты трения (по стали) (?о=3400 (при—30°C около 3700)
статический Цо=0,2т?- 0,35
кинетический Ро=0,03- -0,035
38
ГЛАВА II
ЗАГОТОВКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ЕСТЕСТВЕННОГО ЛЬДА
Климатология естественного холода и льда
Под естественным охлаждением подразумевается непосредственное или аккумуляционное охлаждение природной средой, не требующее в отличие от искусственного охлаждения затраты энергии на получение холода. Холод природной среды применяется при разных температурах для теплоэнергетических и холодильных целей, в част-1г°ти используется при охлаждении естественным льдом.
Теплоотдача земли и все возрастающие промышленные тепловыделения (в том числе от конденсаторов холодильных машин) в конечном счете передаются атмосфере и далее космическому пространству. Установлено, что Земля с атмосферой в среднем получает около 350 Вт/м2 солнечного тепла и соответственно отдает космосу отражением 140 и излучением 210 Вт/м2 Движения Земли вызывают периодические изменения теплового баланса и температуры. Возникающий при этом дефицит тепла относительно сезонных или суточных режимов используется при естественном охлаждении.
Летом граница положительного теплового баланса обычно располагается не выше 70° с. ш., но даже в Заполярье некоторое время температура воздуха держится не ниже 15—20° С. Разность летних ночных и дневных температур составляет в Сибири 15—20° С, в Средней Азии 20—30° С (необходимая для испарительного охлаждения психрометрическая разность дневных температур достигает 10° С и более).
Зимой в СССР преобладает отрицательный тепловой баланс, большая часть территории покрывается снегом. При малом притоке солнечной энергии, большом альбедо (для снега 0,85) и компенсации конвективного и фазового теплообменов теплоотдача грунта за холодный сезон обусловливается, в частности, для средних и северных широт Советского Союза примерным равенством радиации с поверхности земли и теплопритока от грунта. По имеющимся данным, например для Москвы, средняя за холодный сезон удельная радиация поверхности составляет около 40 Вт/м2 (ГОСТ 16350—70).
Относительно низкая средняя температура Земли (около 14° С) объясняется, кроме излучения, испарением воды океанов и действием полярных ледников, занимающих около 10% суши, а также снегами, покрывающими зимой до 40% суши.
Так называемая вечная мерзлота грунта имеется почти на 25% суши со среднегодовой температурой ниже 0° С. При известных условиях местная круглогодовая мерзлота может возникать и в южных районах (например, в горе у г. Железноводска на Кавказе и др.). Сезонная или кратковременная мерзлота грунта наблюдается на уровне моря почти повсеместно, за исключением тропиков. Обычно температура грунта и соответственно грунтовой воды в слое постоянной температуры на глубине 10—20 м несколько выше среднегодовой температуры атмосферы.
39
Естественно поддерживаемые запасы холода содержатся Также в гидросфере и в атмосфере [43] земного шара. Даже в тропиках средняя температура воды океанов относительно низкая, а в глубинных слоях она обычно менее 5° С. В средних широтах ряда стран с континентальным климатом температура придонной воды некоторых соленых водоемов ниже 0°С (например, —8° С в озере Развал на Урале). Аналогичный эффект может быть получен и при искусственном засолении водоема.
Температура атмосферы на экваторе уже на высоте 5—6 км ниже 0°С, что используется, например, при авиационных перевозках продовольствия. Обычно малая относительная влажность атмосферы над протяженной сушей, в особенности в районах сухих субтропиков и многих пустынь, обеспечивает неисчерпаемые ресурсы естественного испарительного (и радиационного) охлаждения.
Циркуляция атмосферы (ветры) и гидросферы (течения) только частично выравнивает температуру, вследствие чего сезонная и суточная разница ее значений остается обычно большой.
Локальные изменения теплового баланса земли во времени и пространстве и фазовый круговорот воды обеспечивают возможность естественного охлаждения при наличии относительно малой энтальпии атмосферы^ гидросферы и литосферы (твердая оболочка земли).
- Относительно холодная природная среда уменьшает потребность в искусственном охлаждении камер холодильников зимой, увеличивает энергетическую эффективность тепловых двигателей и холодиль
ных машин и применяется в отопительных тепловых насосах и воздушных кондиционерах [80]. Температура среды сильно влияет на теплоэнергетические коэффициенты.
Например, в идеальных процессах коэффициент полезного дейст
Т*-Т*
——-----,а специаль-
но
То —----— И ОТОПЕ-
Тк-Тф
тельного теплового насоса Ит = ~—,где То температура (в К) Тк То
вия составляет для теплового двигателя т]д=
ные коэффициенты для холодильной машины 8Х— Тк
кипения рабочего тела (в тепловом насосе соответствует температуре используемой природной.среды); Тк— температура (в К) конденсации рабочего тела (в двигателе и холодильной машине соответствует температуре используемой природной среды).
Принципиально интересны зарубежные (Канада и Франция) опыты по теплонасосному отоплению жилых домов на Севере с искусственным замораживанием подледной воды и по производству льда в тропиках (на судне) в льдогенераторе с энергоприводом холодильной машины, действующим за счет разности температур поверхностной и глубинной вод океана. В Советском Союзе, по предложению Громана [44], Теплоэлектропроектом разработана и должна быть осуществлена и проверена у нас опытная система дополнитель
ного летнего охлаждения конденсаторов пара на теплоэлектростанциях посредством талой воды от гидромеханизированных льдобунтов. В принципе аналогичные предложения имеются и для сухоледных за-
водов.
Природный холод используется для опреснения воды, кристал лизации солей, в промышленной вентиляции и для других целей.
40
Естественный холод достаточно постоянен во времени и пространстве и экономично аккумулируется во льду при его образовании, а также в воде и грунте.
Естественный лед, подразделяемый на атмосферный, гидросфер-ный и литосферный (лед в грунте), образуется в криосфере Земли.
Охлаждение за счет естественного холода бывает непосредственным и аккумуляционным, т. е. производимым при контакте с хладо-носителем, заранее охлажденным природной средой. Непосредственное охлаждение можно подразделить на единовременное воздушное
Рис. 7. Схематическая карта условий использования естественного холода в СССР.
(радиационное и конвективное), водяное и водоиспарительное, а аккумуляционное — на водяное, грунтовое, водогрунтовое, ледяное и льдогрунтовое (льдомерзлотное).
При естественном намораживании льда за счет холода атмосферы совместно могут иметь место воздушное и водоиспарительное охлаждение. Те же виды охлаждения сочетаются в промышленных во-доградирнях и охлаждающих прудах тепловых электростанций.
Природные ресурсы водогрунтового, экономящего воду оборотного и водоиспарительного, а также весьма перспективного воздушного охлаждения широко используются для отвода тепла при температурах выше и ниже 0° С в сельскохозяйственном и промышленном производстве, складском деле и кондиционировании воздуха, а также в энергетике, в том числе атомной.
Имеет народнохозяйственное значение и аккумулируемый зимой во льду и в грунте естественный холод.
Климатология льда тесно связана с геофизикой естественного холода. По исследованиям автора [21], на территории СССР (рис. 7) может быть выделена холодная зона с морозными зимами, эффективно обеспечивающими непосредственное естественное охлаждение,
41
аккумуляцию холода в грунте и получение необходимых запасов естественного льда как путем намораживания, так и из водоемов.
Холодная зона (за исключением некоторых приморских и южных горных районов) располагается северо-восточнее линии Ленинград — Волгоград —Талды-Курган, тяготеющей примерно к изолинии морозного периода с —800 град-сут (—26,6 град-мес). В этой зоне за отдельными исключениями не бывает частых длительных оттепелей. Связанная, в частности, с зимним промерзанием постоянная температура грунта и грунтовой воды на изотермической глубине порядка 10—20 м составляет у границы зоны в основном около 8—10° С (при бесконтактном охлаждении грунтовой водой ее следует возвращать обратно в грунт).
Изотермы среднегодовой температуры атмосферы 0°С и отчасти средней январской температуры —20° С тяготеют к линии Архангельск— Новосибирск — Чита и далее через Сахалин к югу Камчатки. Указанная линия условно отграничивает около половины нашей страны с суровыми зимами- и со средней годовой температурой от 0 до —16° С. Эта особенно холодная (зимой) область отличается преобладанием частично оставшейся от ледникового периода вечной мерзлоты грунта с постоянной температурой от 0° до —12° С и в основном коротким, но довольно теплым летом, вызывающим необходимость холодильного хранения продовольствия.
В этих районах криолитозоны с площадью около 10 млн. км2 запас холода в грунте существенно зависит от содержания льда в нем. Льдистость грунта связана со сложным теплообменом в криолитозоне, подробно рассматриваемом в монографии Иванова [53]. На Чукотке около 8 мес держится температура воздуха ниже 0°С, а средняя температура за 5 зимних месяцев составляет примерно —20° С. В Якутске число дней с температурами ниже —30°, —15° и 0°С достигает соответственно 102, 154 и 211, средняя температура 4 зимних месяцев —37° С.
Так как даже вблизи полярного круга средняя температура июля достигает 15°С (в Москве 18,6°С), то на севере холодной зоны есть потребность в продовольственных, в частности, ледяных и льдомерзлотных холодильниках с околонулевой и более низкой температурой. Большая сезонная разность температур на северо-востоке, могущая достигать в континентальной части Якутии 100° С (зимой —70° С, летом 30°С), вызывает необходимость также в изотермическом хранении, например, свежих- и квашеных овощей летом и зимой при температуре несколько выше 0° С.
Практическим южным пределом заготовки и хранения естественного льда является линия Кишинев — Грозный — Фрунзе, частично тяготеющая к январской изотерме —3° С, являющейся условной температурной границей зимой между умеренно теплым и умеренно холодным (бореальным) климатом. Южная предельная граница льдо-заготовок близка к изолиниям — 200 град-сут (—6,7 град-мес) в морозный период и 4000 град-сут (133,2 град-мес) в безморозный период, что фактически уже не обеспечивает льдозаготовки для полносезонного охлаждения. Постоянная температура грунта и грунтовой воды вблизи указанной границы теплдй зоны в основном около 12— 14° С.
Переходная (промежуточная) зона с умеренно холодными зимами, расположенная между теплой зоной с предельной границей льдо-заготовок и холодной зоной, характеризуется частыми и длительными 43
оттепелями, поэтому не всегда обеспечена возможность заготовки на лето достаточных запасов льда, особенно в южных и западных районах.
би
Коэффициент использования естественного льда т]л = —т—(отно-Ga
шение используемого льда Ои к массе заготовленного зимой льда G3) в типичном случае, например для больших относительно плоских
6Н — бт льдобунтов, может быть выражен ^уравнением т]л = —:-----(соответ-
ствующие потери льда равны 100(1—т]л)%; 6Н и 6Т — сезонные толщины в см намороженного и растаявшего в бунте льда). По данным автора [20], при суммах сезонных среднемесячных отрицательных (20м) и положительных (20б) температур морозного и безморозного периодов и соответствующих коэффициентах теплопередачи kB и кг величина 6Н~ 0,86 &Н2/0М/, а 6т~0,86 &т2/0б/.
Например, в случае обычных коэффициентов теплопередачи при намораживании &н = 17,5 Вт/(м2-К) и хранении kT = 0,7 Вт/(м2*К) льда в бунте в районе Москвы для 2/0м/==35 град-мес (при —6,8° С) и 2/0б/=83,4 град-мес (при 12° С), высота бунта составит 6н~400 см, что соответствует съему холода 1,2 ГДж/м2 (при использовании 0,75 2/0м/), а таяние 6т«50 см (при равенстве потерь через теплоизоляцию и прочих), что соответствует т]л = 0,88 (т. е. потери равны 12%). Для малых льдобунтов потери льда могут превосходить 50%. Следует заметить, что климатическая обеспеченность средних величин 20м и 20б редко отклоняется более чем наполовину.
Практически при неблагоприятных метеорологических прогнозах следует увеличивать как льдозаготовки, так и теплоизоляцию льдобунтов; целесообразно создание переходящих постоянных запасов льда.
В своих климатических границах естественный лед наиболее экономичен в случае большой сезонной неравномерности потребления холода при околонулевых температурах. Однако естественное ледяное и льдомерзлотное аккумуляционное охлаждение климатически ограничено наличием достаточно устойчивых морозов зимой, а также связано с известными техническими трудностями получения низких температур. Кроме того, естественное аккумуляционное охлаждение требует сохранения сезонного запаса холода в ледяном или льдомерзлотном массиве.
Представляет интерес принципиальное сравнение теплоэнергетических затрат на получение естественного и искусственного водного льда.
Внешней природной среде необходимо отдать зимой при намораживании естественного льда количество теплоты Q = Qh+Qii, где Qh — холод используемого летом льда, Qn — потери холода при летнем хранении льда. Летом при производстве искусственного льда (в случае идеального процесса) Q = Qo4*L, где Qo — холод, расходуемый на получение льда (холодопроизводительность машины); L — работа холодильной машины. z
При получении естественного льда не требуется энергии для замораживания воды, но в небольшом количестве энергия необходима для механизации работ; обязательно и наличие земельной площади, достаточной для летнего хранения сезонного запаса льда. При этом получение естественного льда на месте потребления его ограничено.
43
Производство искусственного льда летом вызывает значительную затрату энергии на замораживание воды, но не связано с необходимостью хранения сезонного запаса льда, что резко уменьшает занимаемую площадь.
Следует заметить, что экономически при холодном климате естественный лед, несмотря на большую трудоемкость, часто бывает выгоднее, чем искусственный лед (непищевой). При умеренно же холодном климате, наоборот, искусственный лед обычно становится экономичнее естественного льда.
Заготовка и хранение льда
В СССР ежегодные заготовки естественного льда достигают 15— 20 млн. т. Естественный лед применяют в виде водоемного льда, намороженного льда; используют также получаемый путем механической переработки уплотненный снег, дробленый (крупно- и мёлкокус-ковой) и гранулированный (снежный) лед. В РСФСР оптовая цена 1 т льда 4 руб.
Рыхлый снег (50—100 кг/м3) обычно уплотняют до насыпной массы 400—600 кг/м3. Плотность водоемного льда составляет 900— 917, а намороженного льда — примерно 890—900 кг/м3,
Льдозаготовки проводятся с учетом метеорологических прогнозов и в соответствии с требованиями техники безопасности. На пользование снегом с данного участка, водоемным или намороженным льдом должно быть получено разрешение от местных санитарных органов. Необходимо соблюдение законов об охране земли и воды.
Снег собирать в бунт лучше в оттепель бульдозером с последующей трамбовкой гусеницами. Сухой снег надо обрызгивать водой. Снежный бунт (или снежное укрытие) промораживается, а затем его покрывают простейшей теплоизоляцией слоем не менее 50 см.
Водоемный лед после удаления с него снега в конце зимы при средних и крупных заготовках выпиливают механическими пилами в виде блоков массой 50—200 кг. Ориентировочная сезонная толщина льда в водоеме при S0M морозных градусосуток по формуле Быдина (в см) 6«2рл2/0м/. По Корунову, минимальная толщина водоемного льда, необходимая для работы на_ нем, например автомашин с массой g т, обычно составляет б—ЮУ4g см.
При заготовках водоемного льда используют специальные электропилы на санях различного типа и другие механизмы. Например, конструкторское бюро управления пути Министерства путей сообщения сконструировало на основе исследований ВНИХИ передвижную дисковую пилу (диаметр 900 мм, число оборотов 1100 в минуту) с электродвигателем 7 кВт, смонтированную на санях (рис. 8). При средней толщине льда 300 мм скорость подачи составляет 25 м/мин; удельная работа пиления льда равна примерно 6 Дж/см3.
Эффективны также передвижные цепные пилы ЭЛМ Астраханского механического завода. Пила ЭЛМ состоит из смонтированных на санях электродвигателя 10 кВт с редуктором и двух цепных пил с барами от врубовой машины длиной 1200 мм и толщиной 40 мм. Производительность пилы 2 м2 в минуту, потребление электроэнергии 0,044 кВт-ч/м2.
На передвижных пилах могут быть поставлены бензиновые мотоциклетные двигатели соответствующей мощности. В СССР Лименд-
44
Рис. 8. Льдорезная электропила на санях:
1 — пила; 2 — ограждение; 3 — двигатель; 4 — сани.
Уклон Уклон
0,02 0,02
Рис. 9. Теплоизолированный бунт водоемного льда:
1 — древесные опилки со стружками (50—60 см); 2 — соломенные маты (5— 10 см); 3 — подпорный щиток; 4 — слой хвороста толщиной 10 см; 5 —шлак, гравий, песок (минимальная толщина 15 см).
ский завод Министерства речного флота производит мощные льдорезные машины с фрезным баром и с бензиновым двигателем 50 кВт. Эти машины можно использовать и для заготовки льда.
На Астраханском рыбохолодильном комбинате при помощи механических пил и цепных транспортеров ежегодно заготовляют около
45
20 тыс. м3 водоемного льда себестоимостью около 6 руб./м3. Выемку из водоема выпиленных ледяных плит по 100—200 кг и их погрузку на автомашины иногда производят с помощью электролебедок. Наилучшие результаты дает, однако, применение трех- и пятитонных автопогрузчиков, вилочный захват которых позволяет поднимать из воды и грузить в автомашину ледяные плиты весом в несколько тонн. При наличии такого автопогрузчика загрузка четырехтонной автомашины льдом и выгрузка его на месте складирования занимают не более 5—10 мин.
При расположении водоема вблизи места складирования льда с успехом применяют для выемки и транспортировки льда электротранспортеры с бесконечными цепями, движущимися под желобами для подачи льда в хранилища. Выбирают из воды и транспортируют блоки льда при помощи имеющихся на цепях специальных крючьев.
Блоки водоемного льда автопогрузчиком можно укладывать с перевязкой швов для хранения на дренированной площадке в виде бунта (рис. 9), укрываемого теплоизоляцией.
В холодной и отчасти в переходной климатических зонах наиболее выгодна заготовка льда путем тонкослойного намораживания его в бунте на месте последующего хранения. На юге и западе переходной зоны намораживаемые льдобунты иногда дополняют льдом из водоемов.
Послойное намораживание льда заключается в периодическом набрызгивании распылителями воды слоями до 0,5 см на спланированную и дренированную песком или шлаком площадку. За сутки можно наморозить [20] слой льда толщиной (в см):
где t—температура, °C;
Ш — скорость ветра, м/с.
При обычной скорости ветра около 1 м/с понижение температуры на каждый градус ниже 0° С дает возможность намораживать на горизонтальной поверхности льдобунта примерно 0,5 см льда в сутки.
Часовая интенсивность льдонамораживания (в мм):
6 = — 0,14 / (1 +0,5 ю).
По Степанову [100], намораживание льда ускоряется для вертикальной поверхности более чем в 2 раза, для нее же при распылении воды и частичном льдообразовании в воздухе — более чем в 4 раза.
Для придания льдобунту в процессе намораживания формы усеченной пирамиды или сегмента в сечении растекание воды иногда ограничивают небольшими бортами из насыпной теплоизоляции (опилки), что после промораживания способствует уменьшению таяния льда летом.
Типоразмеры малых льдобунтов в виде усеченной пирамиды с наклоном граней 45—60°, пригодные как для водоемного, так и для намораживаемого льда, приведены в т'абл. 7.
Площади оснований и высоту льдобунтов можно корректировать в зависимости от температуры и скорости ветра. Льдобунты (боль-
46
Таблица 7
Объем льдобунта, м3 Размеры, м
длина ширина высота
100 8 6 2,8
250 15 8 2,6
500 18 12 2,7
шие) часто намораживают и без помощи бортов, при этом им придают в сечении форму сегмента.
Для намораживания льдобунтов на 100—500 м3, кроме брандспойтов, применяют съемные короткоструйные дождевальные установки (КДУ) сельскохозяйственного типа. Для льдобунтов на 500 м3 и более целесообразны стационарные брызгальные льдонамораживающие установки, разработанные во ВНИХИ Кудряшовым [68], с подземной подачей воды к стоякам с форсунками. Как показывает широкий производственный опыт, эти установки облегчают труд, ускоряют и удешевляют намораживание льда на 20—30%.
Получившая распространение малая льдонамораживающая установка, запроектированная автором [25], устроена следующим образом (рис. 10). По длинной оси площадки для бунта (ориентируемого
Рис. 10. Брызгальная установка для намораживания ледяных бунтов:
1 — фильтр; 2 — насос; 3 — сливная труба; 4 — трехходовой кран; 5 — магистраль; 6 — вентиль; 7 — удлинители к крану и вентилю; 8 — форсунка; 9 — стояк; 10 — коллектор; 11 — контур льдобунта.
47
в господствующем направлении ветра зимой) на глубине 0,3 м укладывают водопроводный коллектор длиной 6 м, диаметром 50 мм, на концах которого приварены отводы. Отводы располагаются в кирпичных колодцах с деревянными крышками и имеют в верхней части переходные муфты для соединения с составными стояками из двух труб диаметром 38 мм, длиной 2 м каждая. Нижняя (первая) труба внизу имеет наружную резьбу, а сверху приварной нипель, вторая труба — приварной нипель в верхней части и внутреннюю резьбу в нижней. По мере роста ледяного бунта трубки навинчивают одну на другую. Дефлекторные форсунки для разбрызгивания воды также последовательно навинчивают сверху на трубки стояков. К середине коллектора присоединяют магистральную трубу того же диаметра, что и коллектор. Часть ее, находящуюся за пределами площадки бунта, укладывают в земле на глубине 0,6 м и подводят к колодцу, расположенному в отапливаемом помещении.
Магистральную трубу посредством соединительных частей и водомера присоединяют к электронасосу с сеткой. В начальной части этой трубы, проходящей через колодец, имеется трехходовой пробковый кран, предназначенный для подачи воды, а также для спуска ее из системы во время перерывов в работе. Для контроля давления воды у насоса к магистральной трубе присоединен манометр.
Трехходовой кран и вентиль открывают и закрывают при помощи тяг, выведенных в верхнюю часть колодца. Для бунтов от 500 до 1000 м3 льда устраивают один коллектор и одну магистральную трубу, для бунтов больших размеров — два удлиненных коллектора и две магистральные трубы. При больших льдобунтах и в случае удаленности источника воды ее следует спускать только из стояков. В этом случае трубы за пределами бунта должны быть заглублены на 1,6 м (для Московской области).
Вода периодически подается в форсунки, которые разбрызгивают ее в виде дождя. Если давление в насосе не менеее 0,2 МПа, специального расчета потерь напора в системе не делают. При меньших давлениях производят расчет, причем давление перед форсунками должно быть 0,1 МПа. Расход воды для установки с одной форсункой равен 0,7 л/с.
Набрызгивают слой воды в 2 мм, что соответствует расходу 2 л на 1 м2 поверхности бунта. При общем расходе воды 84 л/мин или 5 м3/ч продолжительность орошения составит:
18-12’2 „ , 22-16-2
——— =5 мин для бунта 500 м3 и-------—— =8 мин для бунта в
1000 м3. Необходимый для подачи воды напор в соответствии с расчетными коэффициентами равен 0,2 МПа. Для обеспечения необходимого давления и расхода воды применяют вихревой насос производительностью 5 м3/ч воды при напоре 0,2 МПа с электродвигателем мощностью 3,2 кВт при 1450 об/мин.
Технические показатели малых (с двумя стояками) установок ВНИХИ для бунтов от 500 до 1000 м3 льда приведены в табл. 8.
Для пуска намораживающей установки открывают трехходовой кран и включают насос; задвижка (вентиль), расположенная до насоса, должна быть открыта, а задвижки (вентили), расположенные после насоса, закрыты. Продолжительность подачи воды определяют путем наблюдения за растеканием ее по площадке (льдобунту). Как
48
Таблица 8
Объем льда в бунте, мэ Размеры бунта, м
длина ширина высота
500 18 12 2,7
750 20 14 3,3
1000 22 16 3,5
только вода дойдет до краев шкйцадки, подачу ее прекращают. По
мере роста ледяного бунта наращивают стояки, а подачу воды снижают, чтобы уменьшить намораживание льда по краям бунта и тем
самым придать ему необходимую форму. Подачу воды в начале намораживания регулируют по времени при полностью открытой подающей задвижке. В конце намораживания подающую задвижку частично прикрывают, благодаря чему уменьшается площадь орошения.
Прекращают орошение выключением электронасоса, трехходовой кран закрывают и вода сливается из системы.
В проектах более крупных типовых льдонамораживающих установок, разработанных во ВНИХИ Кудряшовым для льдобунтов от 1 до 30 тыс. м3 (рис. 11),
Рис. 11. Типовые льдонамораживающие установки — поперечные разрезы (размеры в м) с однорядным (а), двухрядным (б) и трехрядным расположением стояков (в).
стояки располагают на расстоянии 10 м, принимают форсунки с диаметрами сечений 10 и 16 мм и расходом воды 1,4 л/с.
Типоразмеры таких установок приведены в табл. 9.
Эти установки могут быть автоматизированы (рис.
12) посредством электродатчиков за-
мерзания воды или датчиков температуры и реле времени.
Предложенное Степановым [100] распыление воды (вместо разбрызгивания) в принципе позволяет осуществить не только интенсивное и непрерывное намораживание льда в бунтах, но и получение снега [1; 49], например, при величине капель воды 30—50 мкм.
В ФРГ фирма «Линде» производит [161] снеговальные гидропульты (рис. 13) с распылительными форсунками (насос производительностью 6 м3/ч при напоре 1 МПа; воздушный компрессор 3 кВт;
4 В. А. Бобков
49
Таблица 9
Льдонамораживающие установки
Объем льдобунтов, м3 однорядные двухрядные трехрядные
размеры площадок, м ЧИСЛО форсунок размеры площадок, м число форсунок размеры площадок, м число форсунок
1 000 22X16 2 . -
2 000 36x18 4 — ——. — —
3 000 52X18 6 36X26 6 —
4 000 60X20 7 46X26 8
5 000 76X20 9 55X28 10 40x36 9
6 000 92X20 11 65X28 12 50X36 12
8 000 116X22 14 • 86X30 14 70X38 18
10 000 148X22 18 106X30 18 80X38 21
15 000 212X22 26 156X32 28 110X40 30
20 000 276X24 34 196X32 36 140X40 39
25 000 332X24 42 246X34 46 170X42 48
30 000 404X24 50 296X34 56 200X42 57
осевой вентилятор 10 кВт). Гидропульты выдают до 25 м3/ч снега (240 кг/м3) на расстояние до 30 м при температуре атмосферы ниже 0°С. Расход энергии на 1 м3 воды составляет 3 кВт. По Кору [136] и другим источникам, дальнеструйное тонкое распыление воды (3 м3/ч) воздухом (660 кг/ч) от ротационного компрессора с холо-
Рис. 12. Схема автоматизированной установки для намораживания льдобунтов:
1 — температурные датчики; 2 — реле; 3 — командный электропневматический прибор; 4 — переключатель; 5 — исполнительный механизм; 6 — регулирующий орган.
50
Дильником-дегидратором и маслоотделителем (давление перед распылительным соплом 0,7 МПа) позволяет получать снег на площади 1 га при околонулевой температуре и относительной влажности атмосферы меньше 70%. Процесс осуществляется в основном за счет охлаждения и замораживания микрокапель воды конвекцией и испарением и незначительно за счет расширения воздуха (2—3° С/МПа). Особо дальнеструйное (50—100 м) распыление воды в атмосферу непосредственно газовой турбиной (или турбовоздуходувкой с редуктором) возможно до капель диаметром 50—200 мкм. В США подоб-
Рис. 13. Схема снеговального гидропульта (воздушный сне-гогенератор):
1 — насосный блок; 2 — компрессорный блок; 3 — форсунки по периметру трубы; 4 — электровентилятор.
ные снегогенераторы обеспечивают получение до 850 м3/ч искусственного снега простейшей структуры.
Элементарный расчет действия малой снегообразующей форсунки при абсолютном давлении Р=0,8МПа и расходе воды 100 кг/ч, воздуха 20 кг/ч (7’=263К) показывает:
1) удельное охлаждение (эффект Джоуля-Томпсона) за счет дросселирования воздуха составляет 2,9° С/МПа, общее охлаждение равно 40 кДж/ч, что условно соответствует получению 0,12 кг снега в час;
2) при коэффициенте теплоотдачи к атмосфере (—20° С) от факела распыляемой воды 50 Вт/(м2-К) для превращения в снег 100 кг воды в час понадобится относительно небольшая поверхность факела 9,3 м2.
Описанные процессы получения искусственного снега за счет естественного холода при температуре ниже 0°С используют при устройстве лыжных трасс, но они могут найти применение и в холодильной технологии.
Для интенсификации процесса и увеличения съема льда с 1 м2 площади в южных районах льдозаготовок иногда прибегают к дополнительному намораживанию льда на градирнях, располагаемых на площадке для льдобунта или рядом с ней.
Трехъярусная льдоградирня представляет собой каркасное сооружение (например 7,5 мХ7,5 м), в котором решетки каждого яруса (2 м) перекрещиваются с соседними. В верхней огражденной части льдоградирни расположены форсунки для разбрызгивания воды. Вода непрерывно подается к форсункам по трубопроводу из тепляка. В последнем имеется оборудование для подачи воды к форсункам, рециркуляции и спуска ее из системы в периоды съема льда, производимого, в частности, электромолотками. Значительно проще устройство одно- и двухъярусных льдоградирен.
4*
51
Когда льдоградирню располагают над ледяным бунтом, то рециркуляцию воды не применяют. При температуре воздуха от —2 до —3° С градирня, орошаемая водой, в течение 3—4 сут заполняется ледяными сосульками на 50% объема.
Представляет интерес автоматизированная льдоградирня, предложенная Клейменовым [62], в которой сосульки намораживаются при помощи форсунок на специальных трубчатых электронагревателях, служащих для последующего оттаивания льда.
Большие льдобунты укрывают при помощи машин торфом или древесными опилками слоем в среднем 50 см (&т=0,7 Вт/(м2-К). С боков льдобунта теплоизоляцию выгодно укладывать еще зимой и промораживать. Теплоизоляцию целесообразно размещать с постепенным утолщением слоя к концу льдобунта и снова использовать при ее освобождении летом. Толщину укрытия льдобунтов можно уточнить по отношению стоимостей теплоизоляции и потерь льда от таяния.
Применяя ранее приведенные уравнения, можно рассчитать намораживание и таяние льда для разных льдобунтов в различных климатических условиях. Для больших льдобунтов, например в Московской области, вероятно в среднем намораживание 400 см льда и таяние 50 см льда (12%). Общие потери льда могут достигать 15% и более [13].
Естественный лед можно содержать и в хранилищах типа погребов, предназначенных для холодного- посола рыбы («выхода») и огурцов (ферментационные ледники).
Переработка льда
В настоящее время на больших льдопунктах для откалывания кусков льда от льдобунтов применяют отбойные молотки, ледокольные машины, взрывчатку. Удельные затраты энергии при этом составляют (в Дж/см2): при раскалывании 0,45, обычном распиливании 4 и расплавлении 300. В будущем не исключено применение раскалывания льда посредством термических (термоклин) и гидравлических импульсов, резания льда струей воды и даже лазерным лучом.
Трудоемкое выкалывание льда ломами дает только 20-—30 т кускового льда в смену на одного рабочего. Электрические отбойные молотки типа бетоноломов мощностью ~ 1 кВт с колющей пикой длиной 400 мм обеспечивают выработку льда на одного рабочего в количестве до 60 т в смену и больше [15]. Отбойные молотки и цепные электропилы, установленные на подвижной каретке автопогруз-' чика, могут обеспечить выработку около 100 т льда в смену. Эти конструкции, а также обычные пневматические молотки производительностью ~10 т/ч, применяемые на железнодорожных льдопунктах, подходят для разработки льдобунтов средних размеров.
Навесная ледокольная машина к пятитонному автопогрузчику 4045 разработана во ВНИИ железнодорожного транспорта и СКЬ МПС под руководством Когана [64] на основании, в частности, исследований ВЙИХИ [63]. Машина (рис. 14) состоит из двух (или трех) бойков нд'йопре, лебедки и двигателя. Ее работа основана на принципе редких (15 раз в минуту), но сильных (2,7 кДж) ударов бойков по льду.
52
Рис. 14. Навесной ледокольный агрегат (1) к пятитонному автопогрузчику (2).
Производительность машины до 35 т кускового льда в час. Ледокольную машину можно заменить за 45 мин ковшом емкостью 1 м3 для погрузки льда.
Техническая характеристика ледокольной машины к автопогрузчику. 4045
Число бойков
Масса одного бойка, кг
Высота падения бойка, м
Энергия удара бойка, кДж Общее число ударов в минуту Высота разрабатываемого бунта, м Производительность, м3/ч
Масса устройства без автопогрузчика Привод
Гидродвигатель
крутящий момент, Дж рабочее давление, МПа питание
3 (или 2)
180
1,5
2,7
45
-4
30—35
1950 кг
Электродвигатель мощностью 7 кВт или гидравлический двигатель
100
7,0
От гидросистемы автопогрузчика или от электросети
53
Перспективно применение для разработки льдобунтов гидропушки Войцеховского. В ней воздух разгоняет массивный поршень, удар которого передается воде, выбрасываемой через сопло. Испытания гидропушки на ледяном массиве показали, что при 30 выстрелах в минуту она дает 350 м3/ч мелкого льда; расход энергии на 1 м3 ледяного массива около 0,25 кВт-ч.
Наиболее производительный метод разделки больших льдобунтов— взрывной [20]. В массиве льда бурят электро- или гидробуром
Рис. 15. Зависимость производительности гидробура и удельного расхода воды от подачи воды и ее температуры.
шпуры, закладывают в них взрывчатку и взрывают. Гидробур, представляющий собой двух- или четырехметровый отрезок газовой трубы диаметром 12 мм, при подаче воды, например температурой 15° С в количестве 30 л/мин (рис. 15), вытаивает в льдобунте шпур диаметром 100 мм со скоростью 0,2 м/мин. Взрывные работы, как правило, должны выполнять местные отделение Союзвзрывпрома по договору, заключенному с предприятиями и согласованному с горной инспекцией и органами милиции.
По специальному разрешению взрывные работы могут производить работники льдопунктов, прошедшие соответствующее обучение (при этом желательно применять вместо аммонита
электропатроны «Кардоке» с жидкой углекислотой). Подготовительные работы и бурение шпуров во льду обычно выполняют работники
льдопунктов.
Первый ряд шпуров размещают на расстоянии 1 м от переднего края бунта, остальные ряды — на расстоянии 2 м один от другого. Первый и последний шпур располагают в 3—4 м от боковых краев бунта, второй и последующий ряды шпуров — на расстоянии 1 м один от другого. Шпуры располагают в шахматном порядке.
Бурят шпуры при помощи гидробура в два приема: сначала — с двухметровой трубой, потом — с четырехметровой или более длинной в зависимости от высоты льдобунта. Водопроводную или дешевую оборотную воду подают в количестве 30—40 л/мин. Шпуры бурят до глубины 0,5 м от основания бунта. Для взрывания льда применяют обычно аммонит № 6 (или № 7), упакованный по 0,3 кг в парафинированные бумажные патроны.
При проведении взрывных работ строго соблюдаются специальные правила техники безопасности.
В результате взрывов первый ряд шпуров дает лед в кусках от 10 до 50 кг, второй — до 100 кг и более, которые частично остаются
54
на бунте, их приходится сталкивать вниз (вручную или при последующем взрыве). Если первый ряд шпуров расположить на расстоянии 1,5 м от края бунта, то величина кусков льда будет такой же, как и во втором ряду.
За один взрыв можно получить 50—500 т льда. Небольшие куски его во избежание излишних потерь следует быстро отгрузить по назначению, крупные куски можно некоторое время хранить на площадке или на самом бунте.
В табл. 10 приводятся результаты некоторых из исследованных ВНИХИ буровзрывных работ на льдобунтах высотой 4—5 м. Шпуры диаметром 50 мм бурили на глубину около 3 м обычным электробуром мощностью 1,2 кВт.
Таблица 10
Количество полученного за один взрыв льда, т Величина кусков основной массы полученного льда, кг Количество обрушившегося льда, % от общего количества льда Шпуры Расход аммонита, кг на 1 т льда Расход энергии на бурение шпуров, кВт-ч на 1 т льда Затрата рабочей силы на буровзрывные работы, чел-ч на 1 т льда
общее число число рядов
87 10—100 80 16 1 0,087 0,0023 0,115
141,5 10—200 и 60 23 2 0,068 0,0014 0,061
более
89,5 10—100 90 13 1 0,063 0,0040 0,105
109 10—200 75 15 2 0,060 0,0032 0,110
89 10—100 90 13 1 0,058 0,0028 0,052
212 10—200 60 36 3 0,064 0,0054 0,063
88,7 10—200 60 20 2 0,045 — 0,085
В среднем... —— — — 0,07 0,003 0,08
Для льдопунктов с ежедневной выдачей 100—200 м3 льда могут быть приняты следующие затраты на 1 м3 льда: рабочей силы — 0,07 чел.-ч, аммонита — 0,06 кг, воды,для гидробура — 70 л.
Взрывной способ разработки ледяных бунтов, впервые внедренный (наряду с ледокольными машинами) в системе железнодорожного транспорта, может быть экономично использован на всех больших льдопунктах, а также при получении льда в целях охлаждения бетонной смеси для плотин.
Перевозят кусковой лед в автомашинах. Для погрузки применимы одноковшовые трехтонные и пятитонные автопогрузчики Львовского завода (типы 4003 и 4045), а также конвейерные снегопогрузчики типа Т.
Автопогрузчик с ковшом 1 м3 за час работы обеспечивал погрузку в автомашины 20 т кускового льда или 25 м3 опилок. На льдозаготовительных пунктах подобный автопогрузчик можно применять для всех видов грузовых работ с колотым льдом, опилками и шлаком. Автопогрузчик может быть использован и на группе мелких
55
льдопунктов (при поочередном их обслуживании) или для других грузовых работ. На льдопункте погружаемый материал должен быть заранее подготовлен — собран в штабель на достаточно ровном основании. Удобны сборные железобетонные площадки 4X15 м из плит типа БП.
Производительность конвейерных снегопогрузчиков около 200 т/ч. Оии менее универсальны, чем ковшовые погрузчики, но их высокая производительность гарантирует автотранспорт от простоя даже в часы пик. В условиях льдопунктов конвейерные и ковшовые погрузчики могут быть эффективно применены для всех видов грузовых работ.
Кроме вышеуказанных, на льдопунктах могут быть применены и другие погрузочные машины.
Ленточный транспортер производительностью 50—100 т в смену используется для льдопунктов с бунтом до 1000 м3; на льдопунктах больших размеров устанавливают несколько таких транспортеров.
Скиповый и скреперный погрузчики производительностью 50— 100 т используются для льдопунктов на 10 тыс. м3.
Скреперные погрузчики не нуждаются в ручной загрузке ковша, но применение их в основном ограничивается льдопунктами с шириной бунтов не более 15—20 м, к тому же имеющих плотные основания. При более широких бунтах необходима установка двух скреперных погрузчиков.
Для льдопунктов с ежедневной средней выдачей от 100 до 200 т льда (сезонный запас льда 15—30 тыс. м3) рекомендуется использовать самоходные и самозагружающиеся машины — автолопаты, конвейерные и тракторные погрузчики.
Наиболее полно льдопункты механизированы на железнодорожном хладотранспорте [65]. Кроме описанных ранее ледокольных машин и погрузчиков здесь применяются для безэстакаДного льдоснаб-жения вагонов специальные самоходные скиповые льдосолеэкипиров. щики периодического действия (рис. 16) и конвейерные комбайны непрерывного действия для дозированного снабжения естественным или искусственным льдом и солью вагонов-ледников. Например, комбайн, имеющий конвейеры, льдодробилку и дозатор соли, при установочной мощности 30 кВт достигает производительности 50 т/ч и может обслуживать состав до 26 вагонов-ледников.
Техническая характеристика скипового льдосолеэкипировщика Средняя производительность скиповой машины (по 25
льду), т/ч
Масса скиповой машины, т 26
Емкость бункера, м3
для льда 14
для соли 1,5
Скорость передвижения машины, м/мин 40
Мощность электродвигателя, кВт 16
Конвейер скребковый для льда
скорость перемещения цепи, м/с 1
мощность электродвигателя, кВт 7,5
Льдоподающие питатели
частота вращения барабанов, об/мин 25
мощность электродвигателя, кВт 2X7,5
Конвейер ленточный для соли
скорость движения ленты, м/мин 0,54
56
79SO
Рис. 16. Скиповый льдосолеэкипировщик вагонов-ледников:
I — автопогрузчик; 2 — льдосолеэкипировщик; 3 — вагон-ледник.
Вид J?
мощность электродвигателя, кЁт
Вспомогательный питатель соляного бункера привод
частота вращения гидродвигателя, об/мин
Скиповый подъемник
емкость скипа, м3
скорость подъема и опускания скипа, м/мин
мощность электродвигателя, кВт
Комплексная механизация льдопунктов
(рис. 17) повышает производительность труда за счет использования льдонамораживающих установок в 3 раза, разработки бунтов льда взрывным способом в 6 раз, применения погрузчиков для льда в 8 раз.
1
От гидродвигателя
От 0 до 1500
1,25
30 18
по схеме ВНИХИ
Рис. 17. Схема комплексной механизации льдопункта:
1 — намораживание льдобунта брызгальной установкой; 2 — гидробурение бунта льдобуром; 3 — взрывание льда аммонитом; 4 — погрузка льда и опилок ковшевым автопогрузчиком.
Дробление крупных кусков льда, получаемых при разработке льдобунтов, производится как на льдопунктах, так и вне их.
Нежинский механический завод изготовляет льдодробилки ЛП-1 с номинальной производительностью 10 т/ч. Льдодробилка смонтирована на тележке с бункером и состоит из вращающегося барабана (160 об/мин) с шипами для дробления льда, соединенного ременной передачей с электродвигателем 2 кВт. При измельчении кускового льда диаметром 200—300 мм получают около 55% кусков размером 30—60 мм, 20% кусков 10—30 мм и 25% кусков <10 мм. Насыпная масса крупнодробленого льда 0,5—0,6 т/м3.
В зависимости от режима работы производительность льдодробилки составляет 10—15 т/ч. Мощность, потребляемая электродвигателем при дроблении, — 2 кВт, при холостом ходе — 0,7 кВт, расход электроэнергии на дробление льда —0,2 кВт-ч/т.
Специальные многовалковые льдодробилки ЛР-2 судоремонтного завода в Петропавловске-Камчатском при мощности 7 кВт перерабатывают до 50 т/ч.
Помимо льдодробилок применяют снеговальные агрегаты льдоизмельчающего типа.
Снегование — пересыпку пищевых продуктов тонкоизмельчен-ным естественным (или искусственным) льдом — можно широко при
58
менять при охлаждении, перевозке и продаже рыбы, битой птицы, молока (в бутылках), зеленых овощей и других подобных продуктов, допускающих увлажнение или имеющих водозащитную упаковку. За рубежом снегование производят при помощи льдодробилок производительностью 10—50 т/ч, снабженных метательными вентиляторами для окончательного измельчения льда в снег и подачи его по резиновому шлангу. Снегование гранулированным льдом (0,6—
Рис. 18. Зависимость производительности и потребления энергии от усилия подачи и степени дробления льда для дробилки типа 622-Х.
0,7 т/м3) с кусочками 2—4 мм не повреждает поверхности продукта и ускоряет охлаждение по сравнению с охлаждением обычным кусковым льдом в 2—3 раза. Потери льда от наружного теплопри-тока также уменьшаются. Исследования ВНИХИ [20] показали (рис. 18), что для малой дробилки типа 622-Х расход электроэнергии N на гранулирование льда обратно пропорционален диаметру d кусков — гиперболическая зависимость типа N=f(d~°’9).
Гранулированный естественный лед целесообразно применять для охлаждения, хранения и транспортировки битой птицы, рыбы и овощей, а также взамен части воды при изготовлении бетона.
59
Измельченный естественный лед, содержащий 80% частиц диаметром <10 мм, при подаче в бетономешалки заменяет воду, обеспечивает охлаждение бетонной смеси практически на 8—10° С и удешевляет процесс в 3—4 раза по сравнению с системами искусствен, ного охлаждения. Дешевый естественный лед в гранулированном виде предполагается и в дальнейшем применять на строительствах плотин северных ГЭС [119].
Работы ВНИХИ по снегованию салата, лука, редиса и огурцов для доставки в овощные магазины показали, что наряду со специ-
Рис. 19. Снеговальный агрегат СА-10:
1 — корпус льдодробилки ЛП-1; 2 — льдодробильный барабан; 3 — калибровочная доска; 4 — электродвигатель; 5 — леникс; 6 — измельчающий «бросковый» вентилятор ПМП-320.
альными снеговальными машинами можно применять обычные плодоовощные барабанные дробилки (типа КДП-ЗМ и др.), соединенные с вентиляторрм-зернометом, например типа ПАШ-320, для измельчения естественного льда и подачи его в виде снега (гранул) по шлангу. При окружных скоростях барабана дробилки 3 м/с и вентилятора ~40 м/с обеспечивается переработка от 2 до 5'т/ч и более крупнокускового льда в снег и подача его по резиновому шлангу диаметром 0,1 м и длиной 1,5 м и далее свободной струей на расстояние до 6 м. Расход электроэнергии составляет около 1 кВт-ч на 1 т снега. По данным Шеланутина и Высоцкой [27], при подаче 0,3—0,4 кг снега на 1 кг овощей достигается их охлаждение с 20 до 5° С и суточное хранение в свежем виде без потерь массы и витаминов.
Испытания снеговального льдоизмельчающего агрегата на базе дробилки КДП-ЗМ производились в запроектированном ВНИХИ це
60
хе, построенном в подмосковном совхозе «Марфино». Снеговальный цех с расчетной производительностью 10—20 т в смену был размещен в складе реализации овощей совхоза и представлял собой помещение 12X3,8 м, к которому с одной стороны прилегала открытая площадка склада, откуда доставляли лед, а с другой стороны — коридор, по которому подвозили на автокарах овощи. Производственная эксплуатация снеговального цеха подтвердила техническую и экономическую целесообразность предложенного ВНИХИ метода сне-гования ранних овощей на месте их сбора.
Для получения снеговального агрегата большей производительности вентилятор-зерномет ПМП-320 был смонтирован на типовой льдодробилке ЛП-1.
Ниже приводится техническая характеристика агрегата СА-10 (рис. 19), сконструированного автором [22] во ВНИХИ на базе льдодробилки ЛП-1 и принятого к производству.
Техническая характеристика снеговального агрегата СА-10
Производительность (выдача снега —- гра- 5—10
нулированного льда с частицами 2—4 мм и насыпной массой 650 кг/м3), т/ч
Максимальная масса загружаемых кусков 25
(или блоков) льда, кг
Максимальная дальность пневмомеханиче- 6
ской подачи снега, м
Масса агрегата, кг 650
Габариты, мм . 1520Х860Х1400
Потребление энергии на 1 т переработанно- 1
го льда, кВт«ч
Основные узлы снеговального агрегата СА-10:
льдодробилка ЛП-1—для предварительного дробления льда; метательный вентилятор ПМП-320 конструкции Всесоюзного научно-исследовательского института зерна — для окончательного измельчения льда в снег и пневмомеханической подачи его; вентилятор смонтирован на раме льдодробилки и приводится в движение от электродвигателя общего с льдодробилкой;
армированный резиновый шланг со снегоотбойником, присоединенный к вентилятору.
Сама льдодробилка ЛП-1 состоит из корпуса, барабана с шипами, упорной плиты и электродвигателя, смонтированных на трехколесной тележке. Привод барабана осуществляется посредством плоскоременной передачи с лениксом. На поверхности барабана имеется 16 гнезд с колющими шипами, расположенными в шахматном порядке в четыре ряда по спирали. Крупные куски естественного или блоки искусственного льда загружаются в бункер, имеющий проходное сечение 420X450 мм. Барабан, вращающийся со скоростью 5 м/с, откалывает куски льда, которые, проходя далее между гребнями упорной плиты, раздробляются до размеров 30—60 мм и меньше.
Для применения льдодробилки в качестве снеговального агрегата электродвигатель мощностью 2 кВт (950 об/мин) заменяют электродвигателем мощностью 4,5 или 7 кВт (1440 об/мин) и спа.
61
ривают шкив электродвигателя с дополнительным шкивом диаметром 250 мм для клиноременной передачи к вентилятору метательного типа. Метательный вентилятор ПМП-320, состоящий из круглого кожуха и консольной крыльчатки диаметром 320 мм с десятью лопастями серпообразной формы, встраивают в нижнюю часть льдодробилки. В вентиляторе переносят привод на левую сторону и присоединяют выходной конический патрубок и резиновый шланг диаметром 100 мм и длиной 1500 мм со снегоотбойником. Первый из двух имеющихся у вентилятора предохранительных клапанов заглушают, а в оставшемся клапане противовес заменяют пружиной. На вал крыльчатки крепится шкив 140 мм, соединенный огражденной щитом клиноременной передачей со шкивом диаметром 250 мм электродвигателя дробилки.
Поступающие из льдодробилки в бункер куски льда падают на лопасти крыльчатки вентилятора, вращающейся с окружной скоростью 42 м/с (2600 об/мин), окончательно измельчаются и выбрасываются потоком воздуха по шлангу.
Расход воздуха 850 м3/ч, скорость его 30 м/с. На дробление льда расходуется 27% электроэнергии, на измельчение и выбрасывание 73%.
По опытам Шелапутина и Высоцкой [126], снегование тушек кур агрегатом СА-10 на Братцевской птицефабрике обеспечивало охлаждение без потерь с 37 до 4° С за 6 ч при расходе естественного льда 40% от массы кур, что было' экономически выгодно по сравнению с обычным способом охлаждения.
Холодильники и установки ледяного охлаждения
В районах, где возможна экономичная заготовка естественного льда, наряду с искусственным машинным охлаждением используют также холодильники и установки естественного ледяного охлаждения. Методы использования естественного ледяного охлаждения, выбор типа холодильников и установок определяются их назначением.
Естественный лед находит применение в сельском хозяйстве и заготовительной сети кооперации и торговли для сохранения преимущественно овощей и фруктов, а также молока и рыбы.
При изотермическом хранении пищевых продуктов в охлажденном состоянии необходимо, особенно в условиях континентального климата северо-востока СССР, как летнее охлаждение, так и зимнее отопление, что можно осуществить за счет аккумуляции естественного холода и тепла в воде и грунте и посредством холодильных машин, работающих в цикле теплового насоса.
Замораживание и хранение в замороженном состоянии продуктов на Севере практически осуществимо также путем совместного применения естественного и искусственного охлаждения.
Зимой во многих случаях непосредственно могут быть использованы холод воздуха и теплота подледной и грунтовой воды. Летом можно применить холод грунта и воды, в частности из глубоких водоемов. Специальное намораживание и растаивание пресного иди соленого льда в бассейне, водоеме или непосредственно в грунте, является примерами аккумуляционного использования естественного холода.
62
Хладо- и теплозарядка массива грунта осуществимы путем циркуляции воздуха и промежуточного жидкого тепло- и хладоносителя по каналам в грунте или непосредственной подачей их в разрыхленный взрывом грунт. Хладоноситель (рассол) может быть охлажден в водоеме или на градирне и закачан в грунт.
В герметичных трубчатых охлаждающих системах типа термосвай («тепловых труб») в качестве конденсирующегося и испаряющегося хладоносителя могут быть эффективно применены пропан и аммиак. Для увели< чшя холодоаккумулирующей способности грунта его целесообразно тропитывать эвтектическими рассолами КС1 и NaCl с температурой замерзания соответственно около —11 и —21° С и’ теплотой замерзания 298 и 236 кДж/кг.
Рис. 20. Льдопруд-холодоаккумулятор:
I — лед; 2 — торф; 3 — гравийный фильтр; 4 — водяной насос; 5 — холодильный компрессорный агрегат; 6, 7 — скребковые льдогенераторы (испарители); 8 — отопительный конденсатор (для зимы); 9 — водяной воздухоохладитель (вариант для лета); 10 — хранилище с околонулевой температурой.
Изотермическое хранение продуктов подо льдом санитарно-чистых водоемов является практикуемым способом простейшего использования естественного льда, позволяющим предохранять, например, соленые огурцы в бочках как от зимнего промораживания, так и от весеннего прогревания. Подледное хранение возможно в гидростатах и пластиковых оболочках. Путем дополнительного намораживания льда сверху водоемного льда можно существенно продлить подледное хранение. При этом предельная толщина намораживаемого льда может быть во много раз больше естественной толщины льда в водоеме. Если таким путем [9, 21] выморозить большую часть воды пруда и при возможности укрыть лед торфяной пульпой, то, создавая циркуляцию подледной воды льдопруда-холодоаккумулято-ра (рис. 20), летом ее можно использовать для охлаждения как пищевых продуктов, так и конденсаторов холодильныд и теплоэнергетических установок (в месяц пик).
При рециркуляции подледной воды пруда зимой часть ее можно заморозить в виде пульпы посредством роторного (скребкового) льдогенератора с теплонасосной (термотрансформаторной) установкой для зимнего отопления, например, группы овощехранилищ, а летом использовать ледяную воду для охлаждения овощехранилищ непосредственно или через теплонасосную установку.
63
По Мартыновскому и Мельцеру [79], для компрессорной тепло-насосной установки коэффициент преобразования, отражающий экономию энергии,
Нп = 0,74. (о,032 То + 0,765. +0,э) .
'К — •'ох •'к /
Для случая намораживания льда посредством льдогенератора при —10° С (263 К) и отопления конденсатором при 30° С (303 К) значение цп=3,5.
Особенно интересен для северо-востока страны абсорбционный вариант термотрансформатора, так как при нем эффективно используется теплота конденсации и абсорбции, в сумме примерно в 2 раза превышая теплоту, отводимую в конденсаторе установки с обычным компрессором.
Холодильники ледяного охлаждения. Используемые в СССР холодильники ледяного охлаждения в зависимости от их конструкции и запаса льда можно разделить на следующие виды: ледяные хранилища с сезонным запасом льда, в частности, хранилища из снега; склады-холодильники из льда и мерзлого грунта; капитальные ледники с сезонным запасом льда; ледники с кратковременным запасом льда — льдокарманные холодильники; вагоны-ледники и изотермические автомашины, охлаждаемые естественным и искусственным льдом.
Основными характеристиками этих холодильников являются эксплуатационная стоимость 1 м3 емкости и удельный расход льда в течение суток на поддержание в 1 м3 полезного объема разницы температур хранения н наружного воздуха в 1°С.
К ледяным хранилищам пищевых продуктов относятся снежные и ледяные бурты, а также ледяные площадки, являющиеся временными холодильными сооружениями, для которых не требуются специальные строительные материалы и дополнительный лед в течение сезона.
Сооружения из льда обеспечивают температуру хранения обычно от 0 до 5° С при относительной влажности воздуха 95—100% и предназначаются:
бурты и площадки — для овощей, хранение которых в машинных холодильниках пока малодоступно, а в обычных хранилищах не всегда качественно;
ледяные склады — для хранения разных продуктов преимущественно при околонулевой температуре.
На северо-востоке ледяные и ль до мерзлотные склады-холодильники обеспечивают температуру —10° С и ниже и могут использоваться как временные сооружения при хозяйственном освоении, в частности, районов БАМа.
Бурты из уплотненного снега (450 кг/м8), применяемые для хранения овощей [127], наиболее эффективны в районах с обильными снегопадами.
В конце зимы, когда начинает таять снег, на подготовленную заранее площадку укладывают бульдозером снег слоем 0,4 м и утрамбовывают до плотности 0,4—0,5 т/м3. Используя переносные щиты, делают снежные борта высотой 1 м, толщиной внизу 1,5—2 м и вверху 1 м. Между бортами оставляют для овощей два котлована длиной 10—12 м, шириной 2 м, разделенные стенкой из снега тол-
64
шиной 1 м. На дно котлованов насыпают древесные опилки слоем 5 см, а стенки выкладывают крафт-бумагой. Затем в котлованы при температуре наружного воздуха не ниже 0° С загружают до 25 т овощей слоем 1,25 м, накрывают их крафт-бумагой и заваливают снегом слоем 1 м. После этого енежный бурт накрывают опилками или торфом слоем не менее 50—60 см. В таком виде картофель, а также и некоторые виды овощей и плодов успешно хранят при температуре 2—3° С до нового урожая.
При наличии снега в начале или конце зимы им можно укрыть овощи, хранящиеся в обычных буртах, и тем превратить их в снежные бурты. Весной снежные бурты дополнительно укрывают теплоизоляцией. Стоимость 1 м3 емкости обычного снежного бурта составляет по сметным данным Союзгипроторга около 0,6 руб.
Продольный разрез
Рис. 21. Льдоплощадка для хранения 250 т овощей с установкой для намораживания льда:
1 — брызгальная установка; 2 — ледяной массив; 3 — подстилка; 4 — бурты овощей; 5 — теплоизоляция; 6 — крафт-бумага.
Предложенные автором [27] ледяные площадки и укрытия, намораживаемые зимой, позволяют всюду, где возможна заготовка льда, хранить овощи в буртах при 4—5° С с осени, что невозможно при снежных буртах. Целесообразно намораживать лед на месте его использования и укрывать овощи и лед одной и той же изоляцией. Возможно устройство льдоплощадок и из уплотненного снега или промороженного влажного грунта.
Размещение овощей сверху льдоплощадки позволяет легко механизировать загрузку и выгрузку и создает удобства для осуществления контроля за их сохранностью.
Типовая льдоплощадка на 250 т овощей представляет собой (рис. 21) ледяной массив 1X18X50 м, намороженный посредством брызгальной установки с пятью водокольцевыми форсунками диаметром 5 и 9 мм. Источником воды может служить водопровод, местный водоем или колодец, оборудованный насосом производительностью 6 м3/ч с электродвигателем мощностью 3,5 кВт. Для устройства льдонамораживающей установки необходимо около 75 м водопроводных труб диаметром 50 мм.
Установка подает воду в форсунки в течение 20 мин, после чего следует перерыв на 1—2 ч, необходимый для замерзания воды на льдоплощадке. Во время перерыва вода из стояков с форсунка-
5 В. А. Бобков
65
ми спускается в колодец. После перерыва процессы орошения и намораживания повторяются.
Необходимый слой льда толщиной 1 м может быть наморожен при температуре —10° за один месяц. При избытке воды целесообразно увеличить проходное сечение форсунки в два раза (до 8 и 13 мм) и сократить период орошения. При малом дебите колодца намораживать лед можно всю зиму. Описанная установка дойус-кает автоматизацию намораживания льда посредством применения реле времени и электроприводных вентилей.
Если предполагается хранить овощи с осени, -го в конце зимы намороженный-лед укрывают изоляцией (опилки, торф и т. п.) слоем 50—60 см. Осенью крайнюю часть льдоплощадки площадью 5X14 м освобождают от изоляции, в ней протаивают два канала для стока талой воды и укладывают маты или слой стружек толщиной 3—4 см. На площадку насыпают овощи слоем 60 см и покрывают их слоем изоляции толщиной также до 60 см. Для вентилирования овощей’ в каждый бурт закладывают продольный решетчатый короб со съемной вытяжной трубой.
На расстоянии 20 см от получившегося таким образом первого бурта устраивают второй бурт и так далее до десятого бурта. Так как каждый бурт размером 5X14 м вмещает 25 т, то в 10 буртах размещается 250 т овощей. Путем расширения и удлинения льдоплощадки можно увеличить вместимость ее или же получить запасную площадь для второго сезона.
Для дополнительного снижения температуры овощей (при длительном хранении их) следует применять зимнее укрытие буртов уплотненным естественным снегом или намороживание на них льда в смеси со снегом, опилками или торфом. В этом случае сверху буртов укладывают два слоя плотной бумаги и по ней слой опилок в 10—15 см. При первых снегопадах укладывают 50—60 см уплотненного снега и такой же слой опилок.
В случае недостатка снега и наступления сильных морозов на бурте намораживают 40 см льда с добавлением к слоям его опилок или торфа. Дополнительное снегование буртов целесообразно применять и при укладке овощей на льдоплощадку в конце зимы. Рекомендуется. как и в предыдущем случае, посредине каждого бурта закладывать продольный деревянный короб треугольного сечения размерами 35X35X65 см для вентилирования буртов.
По данным Союзгипроторга, стоимость хранения овощей на льдоплощадках на 30% ниже, чем при обычном хранении в буртах с последующим снегованием. По опытным данным [27, 50], льдоплощадки обеспечивают хранение овощей в течение 3—9 мес (см. рис. 22).
Для устройства льдоплощадки на 250 т овощей (10 буртов по 25 т) требуется 930 м3 льда и 810 м3 опилок. Стоимость 1 м3 емкости составляет 4,8 руб. и менее. Удельный расход льда равен 0,5 кг/(м3-сут-°С).
Для хранения в буртах свежих овощей и картофеля без подмораживания их следует дополнительно укрывать сверху мокрым торфом или снегом. В малоснежных районах можно применять искусственный снег, получаемый измельчением льда в снеговальных агрегатах типа СА-10 или путем распыления на морозе воды воздухом под давлением (см. выше). Такой снег применим и для засыпки овощей перед их теплоизолированием в буртах и на овощных льдо-
66
площадках. Для предохранения от подмораживания овощей в буртах со стороны грунта возможна укладка дополнительной теплоизоляции по периметру бурта и летняя теплозарядка грунта посредством вентилируемых шанцев. Пропитка сухого грунта водой, которая будет замерзать зимой и выделять тепло (336 тыс. кДж/м3), также является возможным средством борьбы с подмораживанием овощей со стороны грунта. При больших буртах, рекомендуемых для Севера, иногда бывает необходимо применение импульсной вентиляции внутренней части массива овощей.
Рис. 22. Температурный режим в бурте с картофелем на ледяной площадке:
] — в нижней части бурта; 2 — в верхней части бурта; 3 — среднесуточная температура наружного воздуха.
Разработанный Хелемским и Кудряшовым [116] способ хранения сахарной свеклы в производственных буртах высотой 4 м под ледяной оболочкой (толщина 0,5 м) и камышитовой изоляцией удлиняет сезон заводского сахароварения на 1—2 мес.
На получивших распространение ледяных площадках, в снежных и ледяных буртах при необходимости можно хранить кроме свежих овощей и саженцев также квашеные овощи, солонину и топленое масло в бочках, устанавливаемых и в одноярусные штабеля с пересыпкой снегом или дробленым льдом. Нашло применение и сезонное хранение бочек с сельдями в больших снежных буртах.
Применение ледяных складов основано на комбинированном использовании льда как строительного материала и аккумулятора холода.
67
5*
Ледяные склады, предложенные Крыловым [66] и исследованные автором [18], Казанским и Щелоковым [130], служат преимущественно для хранения плодов и овощей. В условиях сельского хозяйства они могут быть использованы для кратковременного хранения и других продуктов при температурах от —0,5 до —1° С и ниже
Рис. 23. Ледяная камера в бунте:
I — лей; 2 — теплоизоляция; 3, 4 — карманы для льда с солью.
и относительной влажности воздуха 95%. Ледяные склады целесообразно сооружать и эксплуатировать в основном в холодной климатической зоне.
В северо-восточных районах страны ледяные склады можно за счет зимней хладозарядки и усиленного охлаждения использовать для хранения при —104—20° С замороженных пищевых продуктов. Расчеты и практика показывают, что строительство и эксплуатация ледяных складов обходятся дешевле машинных и льдосоляных хо
68
лодильников, охлаждаемых льдокарманами, затраты стройматериалов также значительно меньшие. При нормальной эксплуатации таяние поверхности ледяного склада компенсирует свыше 90% притока тепла, в то время как в льдосоляном холодильнике весь теп-лоприток покрывается за счет расхода льдосоляной смеси.
Достоинством ледяных складов является также исключительное постоянство влажности воздуха (95—98%) и температуры хранения в летнее и зимнее время. Это особенно важно для хранения таких продуктов, как овощи и фрукты. Опыт показал, что при правильном строительстве и эксплуатации ледяные склады могут быть достаточно долговечными, но они требуют для своей сохранности строгого соблюдения правил эксплуатации. При хранении овощей ледяные склады на Севере необходимо утеплять зимой снегом или пенольдом с эмульгатором «Волгонат» [101].
Для низовой заготовительной сети и сельского хозяйства могут быть рекомендованы получившие распространение [18] ледяные камеры емкостью 5—10 т в льдобунтах (рис. 23). Толщина ледяного полуцилиндрического свода камер не менее 2 м и толщина ледяных стен у основания 3 м. В камере устанавливают деревянные решетчатые карманы (размеры 4X1,5X0,5 м и 5,5X1,5X0,5 м), заполняемые льдом и солью для дополнительного охлаждения помещения и продуктов. К камере примыкает двойной деревянный тамбур с двумя охлаждающими льдокарманами и с тремя изолированными дверями. В верхней части тамбура устраивают гидроизоляцию в виде двух слоев толя на битуме, в передней части или по всему тамбуру делают двойную обшивку из теса, заполненную опилками (слой теплоизоляции 20 см). Дренажный кювет в полу камеры и тамбура служит для отвода талой воды из камеры и карманов, которые соединены с ней посредством труб. Кювет обкладывают досками и заполняют гравием. Если в камере не производится охлаждение продуктов, то воду из карманов следует удалять по трубам. Вместо льдосоляного охлаждения камера может иметь, машинное охлаждение. Типоразмеры распространенных ледяных складов-холодильйиков обычного типа, запроектированных Союзгипроторгом, приведены в табл. 11.
Т аблица 11
Емкость ледяных складов, т Число камер Плошадь складская, включая проходы, м1 Объем льда, . м3 Объем теплоизоляции укрытия, м3
20 1 30 360 160
60 4 145 1910 1022
100 6 198 2367 1351
135 8 317 2868 1517
250 12 572 4368 1598
500 21 1068 6883 2620
Типовой ледяной склад емкостью 250 т (рис. 24) представляет собой теплоизолированный опилками ледяной массив площадью 21x49 м и высотой от поверхности земли 5,2 м. Внутри массива
69
Рис. 24. Ледяной склад-холодильник емкостью 250 т:
1 — ледяной массив; 2 — теплоизоляция; 3—земляная насыпь; 4 —льдосоляные карманы; 5 — деревянное ограждение; 6 — тамбур; 7 — двери.
имеется продольный рабочий коридор шириной 3 м и высотой 3,5 м со сводчатым перекрытием и 12 сводчатых камер площадью от 25 до 35 м2 для хранения продуктов. В одном конце ледяного склада устроен двойной деревянный тамбур для приема и выдачи продуктов. Склад охлаждается изнутри посредством льдосоляных охладителей в виде решетчатых карманов и бочек или путем посыпания заранее утолщенного ледяного пола солью. Так как основной теплоприток покрывается за счет таяния ледяного склада снаружи, то он нуждается в периодическом домораживании конструкции.
Гипроторгом и Гипропромсельстроем разработаны конструкции ледяных складов с машинным охлаждением. В частности, ле
70
дяные холодильники с холодильным компрессором мощностью 52 тыс. Вт на 500 т яблок при сметной стоимости 35 тыс. руб. практически окупали себя в совхозах Саратовской области за один-два сезона.
На Севере много лет с успехом эксплуатируются машинные ледяные холодильники с зимней хладозарядкой, емкость их до 1000 т мороженых продуктов Промораживаемая в этом случае теплоизоляция полностью предотвращает летнее таяние льда. Сооружают склады обычно путем намораживания льда по временной деревянной опалубке. При их проектировании надо строго учитывать особенности льда как строительного материала.
При добавлении в лед опилок прочность его повышается в 1,5—2 раза. Однако пластичность льда при медленных деформациях не позволяет использовать полностью довольно высокую кратковременную прочность льда. При температуре льда — 1°С долговременные расчетные напряжения в ледяных складах не следует принимать больше 0,1—0,2 МПа. Однако и при таком малом напряжении наблюдается текучесть льда, достигающая в перекрытии складов величины 5—10 см в год, что вынуждает периодически вырубать лед в сводах.
Для уменьшения летнего таяния льда имеет значение как зимняя хладозарядка, так и промораживание теплоизоляции. Например, по данным расчета, за 500 ч хладозарядки при —10° С рабочая температура в складе средней величины (со снятой теплоизоляцией) достигнет —4° С, а при —20° С и —30° С соответственно —8° и —12° С.
В северо-восточных районах страны (например, в Якутске) таким путем удается зарядить ледяной склад холодом, достаточным для поддержания летней температуры не выше — 8-i—10° С.
В более теплых районах, например в Московской области, где предельной является зарядка до —8° С, происходит быстрое повышение температуры и эффект хладозарядки теряется уже через 1000 ч (1,5 мес). В этих районах необходимо проводить зимнее промораживание влажной изоляции.
В случаях, когда атмосферный теплоприток в ледяных холодильниках в основном компенсируется таянием ледяного ограждения сверху, его необходимо периодически домораживать на 20— 30 см в год. Однако при увлажненной и достаточно толстой теплоизоляции, полностью промораживаемой в холодных районах зимой и не полностью протаивающей летом, таяние ледяного ограждения предотвращается.
По ориентировочной формуле Казанского [55J, искомая глубина h протаивания за безморозный период года (S0fi град.-ч) теплоизоляции из влажных замороженных опилок с насыпной массой 800 кг/м3 (из них 600 кг/м3 льда) при температуре tx в ледяном холодильнике будет /г = 47 + 0,0013 S0fi + 3 /х.
Например, для района Свердловска при S06=48500 град-ч и /Х=1°С глубина протаивания /г = 107 см, что соответствует требуемой толщине теплоизоляции.
Льдосоляное охлаждение, особенно в больших холодильниках, следует по возможности заменять машинным. При этом холодильники даже вблизи холодной зоны можно использовать
71
Рис. 25. Ледяной наземный холодильник емкостью 250 т:
1 — холодильный компрессор; 2 — конденсатор и аппараты; 3 — испарители: а) подвесные воздухоохладители или б) пучковые батареи; 4 — льдоопилочное ограждение; 5 — теплоизоляция (торф).
как для охлажденных, так и для замороженных продуктов (при холодильной машине достаточной мощности).
Ниже описан новый тип ледяного склада-холодильника с машинным охлаждением [21], предназначенный преимущественно для северо-восточных районов страны.
Ледяной продовольственный склад-холодильник с машинным охлаждением (рис. 25) емкостью 250 т представляет собой наземное искусственно охлаждаемое здание из льда; теплоизолированное торфом. Основные отличия его:
относительно тонкое, равнопрочное' строительное льдоопилочное ограждение арочного типа, несущее теплоизоляцию и уменьшающее усушку хранящихся продуктов;
72
система непосредственного искусственного охлаждения с подвесными на арках пучковыми батареями или - воздухоохла
дителями;
возможность хладозарядки грунта под холодильником с помощью воздухоподающих скважин наклонного бурения,
Ледяной холодильник состоит из камеры размером 1000Х Х3000 см, высотой 500 см, входного тамбура с теплоизолированными дверями и машинного отделения с автоматизированной холодильной установкой, допускающей оттаивание охлаждающих приборов в камере (см. рис. 25). Камера охлаждается пучковыми оребренными батареями или воздухоохладителями, подвешенными на трубча
тых арках.
Холодильное оборудование обеспечивает не только хранение, но при необходимости и замораживание пищевых продуктов в условиях трехсуточного процесса. При этом большая камера холодильника для удобства может быть разделена льдоармированными перегородками толщиной 30— 40 см на три части — две камеры и дополнительный внутренний тамбур. Для камеры принят простейший полуциркульный свод.
Ледяное сводчатое ог-
Рис. 26. Схема артезианского охлаждения с возвратом воды в грунт.
раждение камеры толщиной
100 см намораживается зи-
мой (с добавлением в воду 5—10% древесных опилок или торфа) на надувной или обычной опалубке, укрепляемой на трубчатых арках для подвешивания охлаждающих приборов. Опалубка состоит из простейшего деревянного каркаса, обтянутого проволокой и накрытого прочной рулонной бумагой. Всего намораживается около 450 м3 льда, что почти в 10 раз меньше, чем для ледяных складов системы Крылова [66], и в 5 раз меньше, чем для складов Казанского [54], имеющих круглую форму.
Льдо-опилочный пол холодильника толщиной 20 см намора
живают обычным путем. При ремонтах пола толщина его может быть доведена до 50—60 см. Ледяное ограждение укрывают древесными опилками или торфом слоем около 100 см. Потребность в такой термоизоляции не превышает 900 м3, что примерно в два раза меньше обычного.
Ледяной холодильник следует сооружать на вечномерзлотном
промороженном или не подверженном морозному пучению грунте. При хорошо промороженном грунте ледяной холодильник может быть заглублен в него дополнительно на 100—150 см.
В качестве примера приводим некоторые данные из выполненного во ВНИХИ расчета холодильника. При общей площади ледяного холодильника 280 м2 и удельной нагрузке 1 т на 1 м2 его фактическая емкость составит 280 т, а номинальная с дополнитель
74
ным запасом — 250 т, При уменьшении высоты штабелировки продуктов с 4 до 2 м емкость холодильника составит 125 т.
По расчету толщина ледяного свода в ключе 1 м. Таким образом, отношение толщины несущего свода в ширине пролета в нашем случае составляет 1:10. Для ледяных складов системы Крылова с температурой около 0°С указанное отношение принимают равным 1:5, для кирпичных сводов равным 1:30. Для 'учета неизбежной осадки ледяного свода принимаем ее в пределах срока амортизации 0,5 м, что превосходит расчетную величину по Войтковскому [37, 38]. Сублимация льда свода при охлаждении камеры уменьшит осадку изнутри, но потребует последующего домораживания сверху.
Тепловой расчет холодильника проводился для температуры атмосферы около 30° С, примерно одинаковой как для климатического района Якутска, так и для района Москвы. Средняя июльская температура районов Якутска и Москвы также близка и составляет около 20° С.
При перепаде температур снаружи и внутри холодильника Д/н=30—(—20) =50° С теплоприток через наружное ограждение толщиной 2 м со средней поверхностью /=606 м2 при коэффициенте теплопроводности льда Хл=2,33 и опилок Хо = =0,35 Вт/(м-К) составит для коэффициента теплопередачи Кн — 3 Вт/(м2-К) примерно <?н=9200 Вт. Теплоприток qa от пола составит около 2200 Вт. Общий теплоприток для холодильника с учетом 40% прочих потерь будет Q = 1,4(9200+2200) = 16000 Вт.
Холодильный компрессор типа АУ-45 при температурах кипения хладагента t0=—30° С и конденсации /к=30° С дает около 21000 Вт, следовательно, установка его в холодильнике, кроме покрытия Q, обеспечит замораживание около 1,5 т/сут мяса (расход холода ~3500 Вт).
В случае необходимости ежесуточного замораживания до 7,5 т мяса, а также для большей гарантии безаварийности работы понадобится установка второго компрессора АУ-45. Этй аммиачные компрессоры (и аналогичные им фреоновые компрессоры) обычно применяются в агрегатах АКАУ-45 с конденсаторами.
Для покрытия расхода холода в 16000 Вт ребристыми пучковыми испарительными батареями с температурой около —30° С при тепловом напоре Af=—30—(—20) =10° С потребуется труб диаметром 57X3,5 мм не менее 350 м. При длине трубы пучковой батареи 7 м этот метраж труб будет соответствовать 50 трубам; их можно разделить на две пучковые батареи. Во всех случаях замораживания мяса пучковые батареи должны быть оборудованы электровентиляторами, интенсифицирующими их работу. Вместо двух пучковых батарей могут быть установлены два подвесных воздухоохладителя типа ВОП-ЮО. При работе с двумя компрессорами необходима установка воздухоохладителей типа ВОП-150.
Для холодильной установки в случае использования дешевой воды целесообразно применение компрессоров в агрегате с водяными кожухотрубными конденсаторами. При наличии «подмерзлотной» воды температурой около 0° С производительность компрессорно-конденсаторного агрегата благодаря снижению температуры конденсации с 30 до 10° С возрастает более чем на 50%. В случае высокой стоимости воды необходимо применение градирен для охлаждения оборотной воды или воздуходувных испари?
74
тельных и оросительных конденсаторов, Эти типы конденсаторов летом работают с малым расходом воды, а зимой при достаточных морозах вообще не нуждаются в воде, что особо ценно для Севера.
При отказе от применения стандартных компрессорно-конденсаторных агрегатов, рассчитанных для более высоких температур, имеется возможность уменьшить номинальные установочные мощности электродвигателей компрессоров и поверхности конденсаторов.
Необходимо отметить, что в холодильниках на северо-востоке страны зимой холодильные машины не будут работать около пяти месяцев в году, в течение которых температура воздуха держится ниже — 20° С. Для осуществления улучшенной естественной зимней хладоразрядки грунтового основания ледяного холодильника в нем могут быть устроены вентиляционные скважины наклонного бурения. Грунт вокруг нижней части скважин можно пропитать рассолом КС1 или NaCl.
Сравнительная стоимость строительных конструкций ледяных холодильников емкостью 250 т системы Крылова и нового типа (по данным Щелокова [130] и практики) приведены в табл. 12.
Таблица 12
Расходы Стоимость, руб. (%)
холодильника Крылова , холодильника нового типа
Устройство тамбура и опалубки Намораживание льда (0,5 руб./м3) Укрытие опилками (2 руб./м3) Прочие 2000 (20) 2500 (25) 3500 (35) 2000 (20) 2000 (40) 250 (5) 1750 (35) 1000 (20)
Итого 10 000 5000
Таким образом, строительство холодильника нового типа обходится в 2 раза дешевле. Холодильное оборудование, в простейшем случае состоящее из компрессорно-конденсаторного агрегата на 50 тыс. Вт и двух воздухоохладителей, с учетом стоимости материалов, приборов и монтажа обойдется в 10000 руб. Общая стоимость холодильника ВНИХИ 15000 руб., что только на 50% превышает стоимость холодильника Крылова без искусственного охлаждения.
Необходимо отметить, что в условиях Севера строительство любого холодильника удорожается в 2—3 раза.
В районах северо-востока страны наряду с ледяными холодильниками получили значительное распространение подземные и полу-подземные машинные и безмашинные льдогрунтовые склады-холодильники в вечной мерзлоте. Емкость их от 50 до 4000 т (холодильник в Новом Порту). Для таких холодильников обязательно соблюдение законов об охране недр. При сезонной мерзлоте холод грунта часто используется посредством артезианской воды, которую потом можно возвращать [21] обратно в грунт (рис. 26).
75
------ Температура'Воздуха
'ZZT ^2м ] TeMnePamypalodtJ и грунгГЛ
Рис. 27. Среднемесячные температуры атмосферы и грунта в Подмосковье.
Обычный сезонный ход температур грунта на глубине 4—6 м примерно обратен ходу температур воздуха (рис. 27). Эта закономерность используется вне районов постоянной мерзлоты грунта при хранении продовольствия в погребах и заземленных овощехранилищах.
Изотермичность (практическая независимость от колебаний температуры атмосферы) глубин грунта 10— 20 м и несколько более используется в виноподвалах, а также в подземных холодильниках с машинным ох-
лаждением, внедряемых у нас и за рубежом даже в южных районах. Из теории периодических функций в приложении к геофизике известно, что
hr he
19,
где hr,hc—глубины грунта, на которые проникают годовые и суточные колебания температуры атмосферы;
тг и тс—соответствующие периоды времени (365 сут и 1 сут).
Так как суточные колебания температуры проникают в глубину слоя торфа примерно на 0,25 м, а слоя песка — на 1 м, то в принципе глубина зоны постоянной температуры составляет для торфяного грунта 0,25X19—4,75 м и для песчаного грунта 1X19=19 м. Практически, однако, на расположение''зоны постоянной температуры влияют многие факторы, в частности глубина зимнего промерзания грунта. По Кудрявцеву [49] в простейшем частном случае, когда для средних широт нашей страны приближенно принимается, что в холодный период года турбулентный теплообмен с атмосфе» рой примерно компенсируется обратной радиацией, глубина промерзания грунта
где R — удельное радиационное охлаждение (отрицательный радиационный баланс) за год;
t—средняя температура атмосферы;
с иХ — удельные теплоемкость и теплопроводность замороженного грунта;
т — время;
76
Лс—средняя для замерзшего слоя грунта годовая амплитуда температур;
г—удельная теплота льдообразования в грунте.
Подобные задачи- более точно решаются посредством аналоговых интеграторов [49].
Охлаждение грунта с замораживанием содержащейся в нем воды или водных растворов солей позволяет аккумулировать большое количество холода. Эффективность зимней хладозарядки грунта, в общем виде определяемая разностью энтальпий грунта до и после зарядки, находится в сложной зависимости от климата, условий хладозарядки и теплофизических особенностей грунта. При естественном промораживании грунта и уборке снега можно в первом приближении принять следующее элементарное условие образования и сохранения круглогодовой мерзлоты во влажном грунте
S16м] > 2 0б,
где S0M и S06 — суммы градусо-часов морозного и безморозного периодов года;
Хм и Лб — удельные теплопроводности грунта для тех же периодов.
В частности, даже в Московской области в условиях 20м= =25 600 град.-ч и 206=56 500 град.-ч для влажного торфяного грунта с Лм=1,75 и Хб=0,7 Вт/(м-К) при благоприятных условиях" может иметь место образование круглогодовой мерзлоты (1,75Х Х25 600 >0,7-56 500). При теплоизоляции летом мерзлота грунта может быть использована для сохранения продовольствия.
В подземном холодильнике целесообразно используется холод, накопленный зимой'в грунте. В отличие от наземного холодильника, холод которого иногда даже в зимний период безвозвратно теряется через Относительно тонкую и малотеплоемкую теплоизоляцию, в подземном холодильнике холод частично аккумулируется в окружающем грунте, что в дальнейшем-снижает общие холодопотери'. Аккумуляция холода в грунте, окружающем подземный холодильник, находится в сложной зависимости, в частности от коэффициентов температуропроводности и теплоусвоения грунта и температур воздуха атмосферы и камер хранения.
Для точного расчета подземных холодильников требуется применение аналоговых вычислительных машин. Очень приближенно теплоприток qr из грунта с теплопроводностью X и с естественной постоянной температурой tr для 1 м2 поверхности продолговатой подземной холодильной камеры глубокого заложения с температурой tK и условным гидравлическим радиусом /?к можно определить по приведенной Мироновым [81] формуле
2л (/р — /ц)
<7г= 1/Х 1п7?о/^к ’
где 7?о—радиус охлаждения (радиус влияния), вычисляемый по специальным уравнениям для случаев без промораживания и с промораживанием грунта.
Для промораживания грунта известна примерная связь между радиусами влияния и промораживания.
77
По данным Миронова, для центральной Чукотки при продолжительности зимы 150 сут со средней температурой —22° С вокруг вентилируемого холодильника в мерзлоте с температурой —8° С образуется четырехметровый слой, охлажденный в части, прилегающей к камере, до —20° С, а снаружи до —10° С.
Как показывает опыт эксплуатации Игарского подземного холодильника емкостью 400 т с естественным охлаждением, в климатических районах вечной мерзлоты грунтовое охлаждение может
Рис. 28. Льдомерзлотный подземный холодильник коридорного типа: 1 — камеры; 2 — тамбуры; 3 — вентиляционный стояк; 4 — гидроизоляция; 5 — люки; 6 — сезонноталый грунт; 7 — вечномерзлый грунт.
и без холодильной машины обеспечить среднюю температуру хранения порядка —20° С, т. е. ниже среднегодовой температуры атмосферы и грунта в естественном состоянии. При этом максимальная температура в холодильнике даже осенью не превышает —10° С или —15° С (при условии правильной эксплуатации).
Простейший безмашинный льдомерзлотный подземный холодильник типа штольни со складской площадью 400 м2 (рис. 28), рекомендуемый Мироновым [81], может обеспечить через несколько лет хладозарядки температуру летом от —10° до —15° С. Для уве
78
личения эффективности хладозарядки маловлажный грунт можно в некоторых случаях [21] разрыхлять взрывами и пропитывать водой или рассолами.
По определенным на аналоговом гидроинтеграторе данным Зиль-берборда (ВСЕГИНГЕО), в Якутске уже за 1—2 года эксплуатации подземного машинного холодильника с температурой —18° С при электровентиляторной хладозарядке обеспечивается средний удельный теплоприток от грунта порядка 0,47 против 3,7 Вт/м2 для обычного наземного холодильника. Кроме того, и расчетный максимальный летний температурный напор будет примерно в два раза меньше обычного.
Быстрая самоокупаемость, минимальная потребность в стройматериалах и оборудовании, возможность экономичного комбинирования с холодильными машинами являются большими достоинствами распространенных на северо-востоке страны ледяных и льдомерзлотных холодильников, наиболее рентабельных в условиях короткого северного лета и дороговизны снабжения. Эти холодильники, однако, не должны противопоставляться специальным сборно-панельным машинным холодильникам и крупным городским холодильникам обычного типа.
Небольшой подземный холодильник в мерзлоте (как и ледяной холодильник) даже при наличии машинного охлаждения обходится в несколько раз дешевле обычного наземного холодильника с искусственным охлаждением.
В принципе подземные холодильники можно комбинировать с наземными одноэтажными холодильниками с машинным охлаждением. Для одноэтажных наземных холодильников машинного охлаждения в условиях Севера также представляется целесообразной вентиляторная зарядка холодом грунта под ними, что одновременно исключает необходимость термоизоляции пола и возможность деформации основания холодильника.
Для сокращения усушки хранящихся продуктов стены камер можно покрывать пористым льдом или дешевой полимерной пено-изоляцией, что одновременно сократит наружный теплоприток или компенсирует возможное уменьшение толщины основной теплоизоляции.
На Севере перспективны малые и средние подземные холодильники с наземными машинными отделениями.
При планировках обычных подземных холодильников с несколькими коридорами располагать последние лучше веерообразно или вообще на достаточном расстоянии один от другого, чтобы обеспечить хладозарядку надлежащего объема грунта. В случае прочных грунтов перекрытие холодильника с пролетами 5—10 м, может поддерживаться «целиками» в виде квадратных колонн 5X5 или 10X10 м. В слабых грунтах обычны пролеты 3—5 м (иногда с дополнительным креплением), а «целики» — в виде продолговатых колонн или стен толщиной 3—10 м. В качестве перегородок и внутренней облицовки в подземных холодильниках с температурой ниже 0° С кроме строительных материалов возможно применение льда соответствующей прочности и плотности (армированный и пористый лед).
Подземные холодильники сообщаются с поверхностью земли посредством специальных штолен или шахт, оборудованных механизмами для спускных и подъемных работ. Большие холодильники
79
должны иметь аварийную вентиляцию и запасные выходы для -людей. Льдогрунтовые холодильники осуществимы и в районах вблизи вечной мерзлоты.
Низкотемпературные подземные продовольственные холодильники из льда и мерзлого грунта емкостью 60 т (тип I) и 500 т (тип II) [21], оборудованные небольшими холодильными машинами, в несколько раз дешевле обычных машинных холодильников соответствующей емкости. Они предназначаются для хранения при температурах от —10° до —20° летом и от —30° до —40° С зимой
Рис. 29. Льд о мерзлотный полуподземный холодильник емкостью 60 т:
1 — компрессорно-конденсаторный агрегат АК.ФВБС-6; 2 — воздухоохладители ВОФ-ЗО; 3 — автономный воздухоохладитель—вариант (2 шт.); 4 — вентиляционные трубы для хладозарядки; 5 — грузовая электролебедка; 6 — вытяжка (вариант); 7 — щит (вариант); 8 — армированный лед (100 см); 9 — торф (100 см).
замороженных пищевых продуктов в северо-восточных районах страны с преобладанием вечной мерзлоты грунта. Такие холодильники можно устраивать и в более теплых, пограничных с мерзлотными районах при условии, что холодильники и грунт вокруг них будут освобождаться зимой от снега.
Тип I—льдомерзлотный полуподземный продовольственный холодильник емкостью 60 т с естественной хладозарядкой и дополнительным искусственным охлаждением (рис. 29) пригоден для небольших хозяйств и предприятий. Он представляет собой полуза-глубленное в мерзлый грунт охлаждаемое здание с ледяным перекрытием, теплоизолированным торфом. Основные особенности его:
60
армированное льдоопилочное ограждение (замороженная водоопи-лочная пульпа), несущее теплоизоляцию и уменьшающее усушку продуктов; наличие в грунтовых стенах частых вентиляционных скважин с общей вытяжной трубой для хладозарядки, возможность применения при прочном грунте частичного пропитывания его эвтектическим рассолом КС1 или NaCl для увеличения холодоемкости и стабилизации температуры хранения, дополнительная система непосредственного искусственного охлаждения с подвесными пучковыми батареями или воздухоохладителями, в частности автономного типа, предназначенными для замораживания продуктов летом.
Холодильник сочетает некоторые достоинства ледяных наземных и мерзлотных подземных холодильников: не требуется проведения закрытых подземных строительных работ, возможна высокоэффективная хладозарядка, позволяющая при необходимости обойтись и без искусственного охлаждения.
В мерзлотном грунте открытым буровзрывным способом устраивают округленный по углам котлован 500X1500X300 см со стенами, перфорированными 20 вентиляционными скважинами с трубами длиной не менее 1000 см каждая и диаметром 10—20 см для хладозарядки зимой. Котлован облицовывают льдом и перекрывают сводом высотой 550 см из льда с торфом или древесными опилками или из льда, армированного прутьями. Ледяное перекрытие толщиной 100 см в замке свода может быть наморожено на изогнутом плетне из прутьев, что увеличит его антисейсмические свойства, что важно для ряда районов северо-востока страны. Сверху ледяной свод укрывают теплоизоляцией (торф, опилки) слоем 100—150 см. Вокруг свода размещают грунт из котлована. С боков смежного с камерой теплоизолированного тамбура располагают устройства для искусственного охлаждения: компрессорно-конденсаторные агрегаты (с подвесными воздухоохладителями в камере) или автономные воздухоохладители совместно с холодильйыми машинами.
Для интенсификации хладозарядки через скважины в грунте над тамбуром могут быть установлены электровентилятор или высокая вытяжная труба, а перед тамбуром—съемный щит для предотвращения поступления воздуха со стороны лестницы и трапа. При необходимости камера может быть разделена на две части посред* ством перегородки из армированного льда и дверных проемов с брезентовыми занавесами. По расчету при условной емкости для мороженого мябй 0,35 т/м3 и рабочей высоте камеры 4 м удельная нагрузка полезной площади составит 1,4 т/м2, а общей площади (с учетом проходов) — около 1 т/м2. Таким образом, при общей площади камеры холодильника 70 м2 номинальная емкость его с некоторым запасом будет примерно 60 т мороженого мяса.
Конструктивная толщина ледяного свода в замке 1 м; отношение толщины свода к ширине пролета около 1 : 5, что примерно соответствует отношению для обычных ледяных холодильников системы Крылова с околонулевой температурой. Неизбежная осадка ледяного свода принята в пределах срока амортизации в 0,5 м, что превосходит расчетную величину по Войтковскому [37, 38]. Необходимо отметить, что сублимация льда свода при охлаждении камеры практически сильно уменьшит осадку изнутри, но потребует последующего домораживания сверху.
При вентилировании скважин в грунте вокруг холодильника, в частности посредством общей вытяжной трубы, может быть до-6 В. А. Бобкор 8)
стигнута достаточно высокая теплоотдача стенок скважин. Если принять среднюю разность энтальпий 1 м3 грунта с 25% эвтектического рассола КС1 до и после промораживания до —11° С около 84000 кДж, то время первоначальной хладозарядки до момента соприкосновения зон промораживания (/? «2,5 м) отдельных скважин между собой составит по расчету 10500 ч, или ~15 мес, для скважин длиной 10 м со средним шагом 5 м и при разности средних зимних температур воздуха и грунта 15° С.
Первоначальная хладозарядка грунта без эвтектического рассола КС1, также обеспечивающая летнюю температуру хранения —10° С, осуществима на Чукотке примерно за три сезона, вместо многих лет, необходимых по практическим данным в случае отсутствия частых скважин. При более длительной хладозарядке в условиях Крайнего Севера могут быть достигнуты и температуры порядка —20° С, однако в случае засоления грунта вместо рассола КС1 следует применить .рассол NaCl. После первоначальной хладозарядки ежегодно потребуется дозаряжать грунт холодом для покрытия летнего теплопритока. Необходимо заметить, что приведенные выше данные по хладозарядке носят предварительный характер.
Автоматизированная холодильная установка (см. рис. 29), в основном предназначенная для летнего замораживания до 2 т/сут мяса, в свободное от термической обработки продуктов время используется для компенсации внутренних теплопритоков и дополнительной постепенной хладозарядки грунта вокруг холодильника до температуры —15° и —20° С.
При интенсивной циркуляции воздуха температурой —15° и —20° С может быть обеспечен четырех- и трехсуточный цикл замораживания. Фреоновый компрессор, например ФУБС-12, или два компрессора ФВБС-8, имеющие при температуре кипения хладоаген-та —25° С и температуре конденсации 30° С суммарную холодопроизводительность 7000 Вт, обеспечивают замораживание 2 т/сут мяса. Предполагается, что в период замораживания все остальные внутренние теплопритоки компенсированы предыдущей хладозаряд-кой грунта. В качестве охлаждающего камеру испарителя может быть применен подвесной воздухоохладитель типа ВОФ-65 (65 м2). В случае разделения камеры на две части в каждой из них должен быть установлен воздухоохладитель с охлаждающей поверхностью ~30 м2. Воздухоохладители могут быть заменены подвесными пучковыми батареями с оребрением.
Вместо обычных воздухоохладителей с централизованным охлаждением применимы автономные воздухоохладители, располагаемые вместе с компрессорно-конденсаторными агрегатами в тамбуре и соединенные с камерой трубами. Такие агрегаты не требуют квалифицированного монтажа и эксплуатации, при поломке их заменяют новыми; зарядка агрегатов холодильным агентом производится на месте их изготовления или ремонта.
Постройка льдомерзлотного холодильника ВНИХИ емкостью 60 т при объеме земляных работ 250 м3, потребности во льде 270 м3 и расходе опилок 250 м3 с учетом стоимости тамбура и прочих затрат в итоге составит 2600 руб. Холодильное оборудование, состоящее из компрессорно-конденсаторного агрегата АКФУБС-12 и воздухоохладителя ВОФ-65, с учетом стоимости материалов, приборов и монтажа обойдется примерно в 5400 руб.
8?
испарители-3
Рис. 30. Льдомерзлотный подземный холодильник емкостью 500 т:
1 — холодильный агрегат с компрессором ФВ-100/3; 2 — электровентилятор № 8 Ц4-70 (или № 6); За — воздухоохладители; Зб — пучковые батареи; 4 — камера хранения (одна или три); 5 — опорные целики; 6 — вентиляционные скважины.
6*
Таким образом, общая стоимость холодильника ориентировочно составит 8000 руб., а с учетом удорожания в условиях Севера — около 20000 руб. По данным Гипрохолода, стоимость универсального машинного холодильника емкостью 50 т для средней климатической полосы 25300 руб.
Тип II — льдомерзлотный подземный холодильник емкостью 500 т с вентиляторной хладозарядкой и дополнительным искусственным охлаждением (рис. 30) представляет собой подземное охлаждаемое сооружение, в основном отличающееся от известных: наличием в грунтовом перекрытии частых вентиляционных скважин или термосвай, предназначенных для увеличения эффективности хладозарядки; возможностью применения при прочном грунте пропитывания его эвтектическим рассолом КС1 или NaCl для стабилизации температуры хранения; дополнительной системой электровенти-ляторной хладозарядки и непосредственного искусственного охлаждения с подвесными пучковыми батареями или воздухоохладителями (в основном для замораживания продуктов летом). При отсутствии электроэнергии и замораживании продуктов в основном зимой холодильник можно эксплуатировать и без искусственного охлаждения.
Холодильник устраивают в склоне горы буровзрывным способом. Он состоит из облицованного, например, бетоном коридора-штольни ЗООХЮОО (2000) см, высотой 300 см и камеры хранения 2500X2500 см, высотой 450 см с двумя продолговатыми колоннами-целиками 500X1500 см. Объем удаляемого грунта 2200 м3 (4,4 м3 на 1 т емкости). При необходимости большая камера холодильника может быть разделена льдоармированными перегородками толщиной 30—40 см на четыре части — дополнительный тамбур и три малых камеры. У входа, слева от коридора, имеющего три теплоизолированные двери, размещают автоматизированный электровентиля-торный агрегат для подачи наружного воздуха в целях хладозарядки грунта зимой, циркуляции воздуха летом и аварийной вентиляции.
В случае необходимости летнего замораживания продуктов и ускорения хладозарядки у входа справа от коридора размещают холодильный компрессорно-конденсаторный агрегат, например, с воздушным конденсатором и вентилятором, используемый зимой для хладозарядки.
В камере подвешивают воздухоохладители или пучковые батареи.
В перекрытии камеры могут быть пробурены скважины, предназначенные для ускоренного зимнего промораживания грунта путем продувания воздуха. В скважины вставляют трубы, закрываемые на лето деревянными пробками. Скважины применимы как при вентиляторной, так и при естественной тяге воздуха. Для промораживания скважины при отсутствии электроэнергии их можно оснастить испарительно-конденсационными термосифонами типа парожидкостных термосвай Лонга в виде тепловых труб, оребренных на конце и частично заполненных соответствующим холодильным агентом (пропан, аммиак).
По Курылеву, Оносовскому и Соколову [71], эффективность идеальной парожидкостной термосваи характеризуется минимальной разностью температур грунта Tv (или кипения хладагента То) и атмосферы Та (или конденсации хладагента Тк), обусловливающей
84
работу А циркуляции хладагента за счет осуШествлёнйя прямогд АТ
термодинамического цикла. Величина (Тг—Га)Мин =------— ,гдеЯ-
R
теплота парообразования хладагента. Практическая степень эффекту — То
тивности термосваи составляет Т]т =-------,
Тг — Та
Зимой следует убирать снег с перекрытия холодильника, а летом — укрывать перекрытие торфом. Если
грунт вокруг скважин
Рис. 31. Льдоглазуратор АЭЛ-1 Московского хладокомбината № 3:
1 — основание; 2 — бак для воды; 3 — магнитный пускатель; 4 — распределитель; 5 — шланг; 6 — трубка; 7 — форсунка; 8 — насос 1.5К.-6 с электродвигателем 1,6 кВт.
прочный, его целесообразно пропитывать эвтектическим расколом КС1 или NaCl.
По санитарным соображениям и для уменьшения усушки продуктов камеры изнутри глазуруют льдом посредством льдоглазура-тора типа АЭЛ-1 (рис. 31). При облицовке пола льдом (слоем 10 см) в воду добавляют опилки. При грунте пониженной прочности в подземном холодильнике должны быть предусмотрены дополнительные аварийные выходы для людей.
В случае глубокого заложения холодильника вместо частых скважин в перекрытии следует ограничиться устройством на стороне входа двух каналов для циркуляции воздуха, могущих одновременно служить аварийными лазами. При невозможности устройства холодильника в склоне горы вместо горизонтальной штольни-коридора устраивают наклонную штольню или вертикальную шахту, оборудуемую подъемниками.
При общей площади подземного холодильника 475 м2 и удельной нагрузке на 1 м2 общей площади 1 т номинальная емкость его составит около 500 т мороженого мяса.
Для плоского перекрытия толщиной 10 м, работающего на растяжение при Ор = 1 МПа и на сжатие при ос=0,5 МПа, для онре«
85
деления допустимого пролета в первом приближении можно применить расчетную методику Войтковского и Зильберборда [39], что дает величину пролета 8,6 м.
Нами принята камера 25X25 м с двумя поддерживающими продолговатыми целиками 5X15 м, создающими пролеты в 5 м, против допустимых по расчету 8,6 м, что дает запас прочности, достаточный для компенсации ослабления перекрытия у концов целиков и в перфорациях перекрытия.
Диаметр вентиляционных скважин в перекрытии (/=0,2 (или 0,1 м), число их 36 (или 61) при длине (глубине) 2=10 (или 20 м); скорость воздуха ш = 5 м/с (расход 565 или 140 м3/ч). Для первого варианта параметров принят по расчету [21] центробежный вентилятор, например Ц4-70 № 8, обеспечивающий при числе оборотов 1100 в минуту необходимую подачу воздуха — 20000 м3/ч. Соответствующая мощность электродвигателя к вентилятору — 8 кВт.
При недостатке электроэнергии может быть поставлен вентилятор № 6 с электродвигателем 4,5 кВт, что, однако, уменьшит подачу воздуха до 10000 м3/ч, снизит его скорость с 5 до 2,5 м/с и уменьшит коэффициент теплоотдачи при хладозарядке примерно на 30—40%.
Хладозарядка возможна и за счет естественной тяги, которая при среднем ветре или в случае присоединения скважин к высокой вытяжной трубе обеспечит необходимое охлаждение. Так, на Чукотке, где около 5 мес держится средняя температура —21° С, первоначальная хладозарядка, обеспечивающая температуру в камере подземного холодильника —10° С и ниже, по расчету может быть осуществлена примерно за 2—3 сезона вместо многих лет, необходимых в случае отсутствия вентиляционных скважин.
Автоматизированная холодильная установка (см. рис. 30) при интенсивной циркуляции воздуха температурой —15° и —20° С обеспечивает четырех- и трехсуточный цикл замораживания. Холодильный компрессор типа ФВ-100/3 или два компрессора ФУ-40, имеющие при температуре кипения —30° С и конденсации 30° С холодопроизводительность около 35000 Вт, обеспечат замораживание 10 т мяса в сутки (остальные теплопритоки будут покрываться предыдущей хладозарядкой грунта).
Холодильные компрессоры аммиачные или, что лучше для подземных сооружений, фреоновые могут быть в агрегатах с конденсаторами или отдельными. В последнем случае можно уменьшить установочную мощность электродвигателей компрессоров и поверхности конденсаторов.
Подвесные воздухоохладители типа ВОШОО (100 м2) обеспечивают при принятом режиме холодопроизводительность около 11600 Вт каждый. Вместо воздухоохладителей возможно применение подвесных пучковых батарей с оребрением труб и вентиляторами для побудительного движения воздуха (при замораживании пищевых продуктов).
По данным ВНИХИ, полные капитальные затраты на 1 т емкости подземного холодильника составляют не более 200 руб., тогда как, по данным Гипрохолода, для универсального наземного холодильника емкостью 400 т на севере они равны 1250 руб. Эксплуатационная стоимость для современных ледяных и льдогрунтовых холодильников в своей области применения значительно ниже, чем для обычных машинных холодильников.
86
Льдогрунтовые холодильники, так же как и ледяные холодильники, после специального дооборудования можно использовать для холодильного хранения продовольствия в атмосфере инертных газов и для защиты его от вредной радиации.
Искусственный холод и современные ледяные и льдогрунтовые холодильники и устройства в значительной степени вытеснили традиционные типы ледников и льдокарманных холодильников. Наряду со специальными ледниками для холодного посола рыбы и огурцов практическое значение сохранили приусадебные сельские погреба-ледники с сезонным запасом льда, льдофригаторы, а также вагоны-
Рис. 32. Вагон-ледник с потолочными баками для льда.
ледники с кратковременным запасом естественного (или искусственного) льда. Кроме того, на периферии естественный лед частично применяется на малых судах, в авторефрижераторах и в простых устройствах для охлаждения молока, рыбы и газированной воды, а иногда также и в мелком производстве и торговле мороженым.
На молочных фермах и низовых молочных предприятиях наряду с холодильными машинами для охлаждения молока применяют безрассольные льдофригаторы и отчасти льдобунты, дающие «ледяную» воду температурой 0,5—Г С.
Вагоны-ледники (30% изотермического парка) охлаждаются естественным и искусственным льдом. В будущем вагоны-ледники, преимущественно оборудованные потолочными баками (танками) для льда, предполагается использовать на северных железнодорожных линиях, где целесообразно охлаждение естественным льдом.
Вагоны-ледники [78; 45] с пристенными льдокарманами и с более современными потолочными баками для льда (рис. 32) имеют показатели, приведенные в т$бл. 13-
37
Таблица 13
Показатели Вагоны-ледники
с пристенными льдокарманами с потолочными баками для льда, объемом 10,4 м3 и поверхностью 74,5 м2
Грузоподъемность, т 32 45
Масса загружаемого льда, т 6,4 5,5
Полезный объем, м3 59 82
Средняя температура в вагоне (при температуре атмосферы 30° С и 30% соли от массы льда), °C —6 —7
Периоды между загрузками льда и соли, сут 1 3
Коэффициент теплопередачи для кузова вагона, Вт/(м2-К) 0,7 0,36
Установки ледяного охлаждения. Льдофригатор Гипромолпрома (рис. 33), предназначаемый для получения воды температурой около 1°С, представляет собой полузаглубленный железобетонный бак с отделениями для льда (общий объем 5,7 м3), для гравийного
Рис. 33. Льдофригатор:
1 — бак; 2 — насос; 3 — водоороситель.
фильтра с сетками и насоса производительностью 10 м3/ч с электродвигателем 1 кВт. Дробленый лед в баке орошается водой через перфорированную трубу, изогнутую по периметру бака. Для большей надежности работы перфорированная труба может быть заменена на продольную перегородку с окном для циркуляции воды. В этом случае при среднем рабочем объеме р 4 м3 (70%) р бак
вмещается 2 т кускового Льда со средней поверхностью 120 м2. При минимальном коэффициенте теплоотдачи от воды ко льду 116 Вт/(м2-К) и охлаждении воды на 5° С, например с 6 до 1°С, холодопроизводительность льдофригатора при достаточно частом пополнении льдом ориентировочно составит 50 тыс. Вт.
В простейшем случае для получения отрицательных температур до —15н—20° С поваренную соль можно добавлять в льдофри-гатор вместе со льдом. При необходимости можно использовать безнасосный льдофригатор Клейменова [111], работающий за счет самоциркуляции рассола через лед и охлаждающие батареи при высоком расположении' герметичного бака для растворения соли. Рабочий напор Р, создаваемый рассолом после концентратора рассо-
Рис. 34. Схема устройства льдобунта-холодогенератора:
1 — ледяной бунт; 2 — бетонный поддон и бак; 3 — насос; 4 — фильтр из гравия; 5 — сетка; 6 — трубчатые охладители; 7 — перфорированная труба.
ла, пропорционален высоте h концентратора рассола над баком для льда и разности плотностей рассола (Yi и у2) до и после концентратора рассола: P=/i(y2—Yi)-
Для уменьшения трудоемкости подачи льда в льдофригатор его устанавливают ближе к льдобунту. Однако только при наличии льдобунта-холодогенератора или описанного выше льдопруда-холодо-аккумулятора можно избавиться от трудоемких работ и автоматизировать процесс получения ледяной воды с околонулевой температурой.
Льдобунт-холодогенератор объемом 1000 м3 (рис. 34) и производительностью до 100 тыс. Вт [8; 42] для низовых молокоприемных пунктов на Ют молока в сутки намораживают зимой на бетонной площадке с бортами 14X20 м. Площадку оснащают системой трубопроводов, гравийным фильтром от опилок и приямком для воды. Насос, создающий летом циркуляцию воды между основанием теплоизолированного льдобунта и молокоохладителями, размещается с ними рядом.
89
Талая вода от ледяного массива, стекая по поддону, проходит через гравийный фильтр, насыпаемый по ширине бунта, сливается в приямок через порожек, сделанный в борту поддона, из приямка подается насосом в охладитель молока, после чего возвращается в поддон. Порожек сделан из пластин, изменением числа их можно регулировать уровень воды в поддоне. При строительстве льдобун-та-холодогенератора особо тщательно устраивают бетонный поддон, так как появление в нем трещин может вывести бунт-холодогене-ратор из строя. Поддон и приямок обязательно испытывают на водонепроницаемость.
Рис. 35. Льдобунт-конденсатор с молокоохладителем:
1 — конденсатор; 2 — песок; 3 — лед; 4 — опилки или торф; 5 — молокоохла-дитель; 6 — насос.
Для образования на первый период работы проходов воды по периметру бунта прорубают канавку шириной 20 см. Бунт укрывают опилочной теплоизоляцией толщиной 50—75 см. Приямок для воды бетонный 250X100X150 см с водонепроницаемой цементной штукатуркой, покрывается крышкой из досок толщиной 5 см. В приямке располагают приемную трубу, идущую к насосу, и переливную трубу. При пуске установки в эксплуатацию приямок заполняют водой, так как вначале талой воды будет недостаточно для ее циркуляции.
Коэффициент теплоотдачи от воды температурой 2—3° С к льдо-бунту-холодогенератору составляет около 120 Вт/(м2-К) [20].
Льдобунты-холодогенераторы пригодны для охлаждения на небольших предприятиях молока, а также битой птицы, рыбы, фруктов и овощей и кондиционирования воздуха на фермах. Талая вода от льдобунтов-холодогенераторов может быть использована для охлаждения конденсаторов малых холодильных установок в период сезонной перегрузки.
Льдобунт-конденсатор для небольших холодопроизводительно-стей [21] отличается размещением трубчатого конденсатора непосредственно под ледяным бунтом на глинобитном основании, покрытом песком. В результате снижения температуры конденсации в пиковый период с обычных 30° примерно до 5° С холодопроизводительность установки увеличится приблизительно на 30%, а расход элек-роэнергии уменьшится на 40%.
Целесообразно использование льдобунта-конденсатора с охладителем для молока (рис. 35). Если конденсатор под льдобунтом за-
90
полнить холодильным агентом и соединить с герметичным насосом и испарителем молокоохладителя, то молоко будет охлаждаться до 6—8° С без холодильной машины за счет циркуляции парожидкостной смеси частично испаряющегося и конденсирующегося холодильного агента.
Рис. 36. Схема комплексной гидромеханизации заготовки и использования' льда в бунте:
1 — ледяной бунт; 2 — форсунки для намораживания льда; 3 — водонепроницаемая площадка; 4 — приямок с фильтром из гравия; 5 — колодец; б — насос с электродвигателем; 7 — потребитель холода.
При использовании насосного испарительноконденсационного теплообменника вместо обычного жидкостного теплообменника значительно повышается коэффициент теплопередачи и уменьшается требуемая мощность насоса, так как теплота испарения (конденсации) холодильного агента во много раз больше возможной холодоотд ачи за счет теплоемкости хладоносителя.
Коэффициент использования холода т]л для льдобунта-холодогенера-тора с гидромеханизиро-ванным намораживанием и растаиванием льда (рис. 36) может быть выражен в соответствии с тепловым балансом как отношение полезно использованного количества холода QH к количе
Кондиционированный ' воздух
Рис. 37. Рудничный ледяной возду-хокондиционер круглогодичного действия.
91
ству холода, запасенному ^во льду бунта зимой Q3. Общие потери холода Q3—Qa состоят из частных потерь с отходящей талой водой, потерь на теплопередачу через теплоизоляцию и гидравлических теп-лопотерь в насосе и трубопроводах. При обычном хранении льда в бунте и охлаждении льдом, выколотым из бунта, т|л=0,4, а при охлаждении от льдобунта-холодогенератора т]л=0,8.
Как показывает зарубежный опыт, холодогенераторы с сезонным запасом льда могут быть иногда применены для летнего охлаждения воздуха в шахтах и рудниках. На никелевом руднике Стоби в Онтарио (Канада) успешно использовалось зимнее намораживание льда для нагревания воздуха и летнее растаивание льда для охлаждения его. Устройство для круглогодичного кондиционирования воздуха в руднике (рис. 37) осуществлено было путем применения двух старых выработок рудника для намораживания в зимний период до 140000 м3 льда. Воду подают в выработки посредством шахтных насосов для откачки грунтовой воды.
Наружный воздух с температурой около —30° С продувается шахтным вентилятором (25000 м3/мин) мимо форсунок, разбрызгивающих воду, отчего он увлажняется и нагревается почти до 0° С. Разбрызгиваемая форсунками вода замерзает в виде ледяного покрова на стенках и на дне выработок. Летом наружный воздух, продуваемый через обледеневшие выработки, осушается и охлаждается.
Устройства с использованием льда для кондиционирования воздуха применяют и на некоторых других рудниках Канады.
Гидромеханизированное получение и холодильное использование естественного льда нетрудоемко и связано с потреблением на каждые 100 тыс. кДж холода примерно 330 л воды н 1500 кДж электроэнергии, что меньше, чем для обычной холодильной машины.
Несмотря на увеличенную потребность в земельной площади (за исключением подземных льдогрунтовых холодильников и льдопру-дов-холодоаккумуляторов), рациональное охлаждение естественным льдом дешевле энергоемкого искусственного охлаждения, но не должно ему противопоставляться, а должно с ним сочетаться.
ГЛАВА III
ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ
ИСКУССТВЕННОГО ЛЬДА
Энергетика искусственного льда
Искусственный водный лед получают в льдогенераторах за счет искусственного холода в результате соответствующей затраты в холодильном цикле работы
где Ел — эксергия льда (минимальная работа для получения льда посредством холодильной машины);
ZN — сумма потерь-процесса.
92
Эксергетический коэффициент полезного действия при этом будет
Ед
Если принять, что температура природной теплоотводящей среды Тс ниже температуры конденсации хладагента на ДТК, а температура в льдогенераторе Тл выше температуры кипения хладагента на ДТо, то холодильный коэффициент применительно к льдогенератору с холодильной машиной приближенно составит:
__________Тд-ДТо
' 8х^(Тс + ДТк)-(Тл-ДТ0) '•
Отрицательное влияние внешней необратимости процесса в целом еще более возрастает при учете внутренней необратимости холодильного цикла.
Для обычного автономного льдогенератора эксергетический баланс в простейшем случае выражается уравнением
L = Ел + £)и + DK DK 4- DT ,
где L—работа;
DW,DK и DK — потери при теплообмене в испарителе льдогенератора, конденсаторе и холодильном компрессо-ре;
DT — потери через теплоизоляцию;
SDB — сумма внутренних потерь процесса.
Эксергетический анализ дает возможность наиболее полно сравнить эффективность льдогенераторов путем выявления затраты работы, например, в случае:
1) с изменяющимися суточно и сезонно внешними условиями теплообмена;
2) с разнопеременными температурами при охлаждении и замораживании воды;
3) с раздельными процессами охлаждения и замораживания воды, когда расход холода на охлаждение воды достигает 25—30% от теплоты льдообразования; в этом случае теперь применяют два холодильных компрессора, ранее же использовался один специальный компрессор, работающий по циклу Ворхиса на две температуры: высокую — для охлаждения воды и более низкую, но более дорогую— для намораживания льда;
4) с совместным использованием холода и тепла, что имеет место в периоды оттаивания части льда в многосекционных льдогенераторах непосредственного охлаждения;
5) с оттаиванием льда по методу теплового насоса при работе конденсатора в качестве испарителя.
Тепловая эффективность такого холодильно-отопительного процесса в идеальном случае составляет
93
где Qo и QK— теплоты кипения и конденсации хладагента;
L — затрачиваемая работа.
При производстве льда применяют следующие холодильные циклы;
а) обычный замкнутый обратный холодильный цикл, иногда в сочетании с холодильно-отопительным циклом при оттаивании льда;
б) разомкнутый цикл, при котором круговой холодильный процесс временно прерывается;
в) соединенные вместе в вакуумном льдогенераторе с пароструйной эжекторной холодильной машиной прямой и обратный циклы с водой в качестве хладагента и сырья для получения льда.
В идеальном случае искусственный лед из воды по ГОСТ 2874—73 при Тв==273 К (0° С) по сравнению с сухим углекислотным льдом (ГОСТ 12162—66) для Тс = 195 К (—78° С), при одинаковой температуре конденсации хладагента в холодильной машине Тк=298 К (25° С) и соответствующих холодильных коэффициентах машин ев и ес будет энергетически экономичнее в 5,6 раза:
ев Тв Тс
О О V р* Л
— ::----------------= 0,0.
ес Тк Тв Тк Тс
В настоящее время иногда на хладотранспорте, даже при око-лонулевых температурах, наряду с холодильными машинами применяют не только водный и сухой лед, но и жидкий азот. Сравнительные физические свойства этих хладоносителей приведены в табл. 14.
Таблица 14
Хладоноситель Плотность при атмосферном давлении и температуре охлаждения, кг/м3 Температура фазового превращения при охлаждении, °C Весовая холодо-емкость при 0°С кДж/кг
Водный лед 917 0 334
Сухой лед 1400 —78 636
Жидкий азот 810 —196 402
Большая энергопотребность (300—350 Вт-ч/кг), сложность производства и хранения сухого льда делают его примерно в 10 раз дороже водного льда (энергопотребность 40—60 Вт-ч/кг). При производстве жидкого азота расход энергии будет еще больше, чем для сухого льда. В связи с этим жидкий азот считается рентабельным, только если он является побочным продуктом при производстве кислорода. Из перспективных, менее энергоемких, чем азот, ожиженных газов следует указать на закись азота.
В принципе льдогенератор является льдоделательной холодильной машиной, работающей в режиме термогидравлических колебаний. Льдогенераторы охлаждаются непосредственно хладагента
94
ми (рабочими телами в холодильных процессах) и промежуточными хладоносителям и.
Обычный автономный льдогенератор с непосредственным бесконтактным охлаждением представляет собой замораживающий воду или рассол теплообменный аппарат (с устройствами для .подачи воды, отделения и выдачи льда), связанный через регулирующую автоматику с холодильным компрессорно-конденсаторным агрегатом. Льдогенераторы с циркуляцией воды, но без приспособлений для выдачи льда являются типичными ледяными холодоаккумуля-торами. К холодоаккумуляторам также относятся льдогенераторы с фригаторами и зероторы.
Не имеющие собственного источника холода неавтономные льдогенераторы нуждаются в централизованном холодоснабжении. При этом целесообразно применение насосной подачи эффективных хладагентов, таких, как аммиак и фреон-22.
Для производственной характеристики льдогенераторов, в частности автономного типа, могут быть применены следующие технические показатели:
1) общцр коэффициент полезного действия
I л
где /л — энтальпия полученного льда (по поступающей воде); 7VK и N& — работа компрессора и дополнительного оборудования, а также частный коэффициент
л
2) удельная затрата энергии на получение 1 кг льда (в кДж/кг):
А'к + А'я п О, ’
где бл — масса полученного льда, а также
для производственных льдогенераторов при средней температуре воды 15° С и стандартном режиме значение пк в зависимости от системы и производительности льдогенератора от 145 до 290 кДж/кг;
3) удельный расход холода на получение 1 кг льда (в кДж/кг):
Ял = 1'л +
где 1л — энтальпия 1 кг полученного льда (относительно поступающей воды);
Sgn— удельные потери холода:
а) при отделении льда (включая таяние льда и охлаждение льдообразующей системы); б) во внешнюю среду и в) на компенсацию тепловыделений, например от насоса для циркуляции воды.
Для производственных льдогенераторов qn =460 4- 840 кДж/кг,
95
что при типичной энтальпии льда 1*л=415 кДж/кг соответствует ко-1Л
эффнциенту использования — = 0,9 ?-0,5;
4) удельная производительность льдогенератора, отнесенная к площади поверхности f испарителя [в кг/(м2«ч«°С)]:
Gn
ёл frM ’
где т — время;
Д/— температурный напор.
Величина бл или ее тепловой эквивалент могут быть кроме поверхности f отнесены к массе или объему льдогенератора.
В качестве сравнимых номинальных стандартных производительностей льдогенераторов, особенно неавтономных роторных, обычно работающих при температуре кипения хладагента .от —10 до —25° С, можно принять льдопроизводительность при стандартном режиме холодильной машины. В этом случае для типичных температур воды /в=15° и воздуха 20° С стандартная льдопроизводительность определяется при температурах кипения —15°, конденсации /к=30° и переохлаждения хладагента /п=25° в холодильной установке. Предлагаемый пересчет льдогенераторов на стандартную льдопроизводительность основывается на ее примерно прямой и обратной пропорциональности температурам t0 и энтальпиям льда относительно воды (с t 4-г —с — (J 1 HULU 1 wibHU ВОДЫ I Ь'Л 2 I
Исследование работы автономного трубчатого льдогенератора с наружным намораживанием льда показало {10], что снижение температуры воды, идущей на изготовление льда и охлаждение конденсатора, например с 25 до 10° С, в данном случае увеличивает льдопроизводительность на 30% и снижает потребление электроэнергии на 15%. Расчеты и опыт убеждают, что при дорогих льдогенераторах и теплой воде, используемой для получения льда (например, на южных льдозаводах), экономично предварительное охлаждение воды в водоохладительных устройствах при повышенной против льдогенераторов температуре кипения хладагента. Для этого применимы водоохлаждающие машины типа ФМ.-60 и др.
Практическое постоянство тепловой нагрузки qo наиболее прогрессивных роторных льдогенераторов с тонкослойным намораживанием льда связано с малым влиянием изменения толщины льда и с автоматически быстро устанавливающимся тепловым балансом между компрессорно-конденсаторным агрегатом с терморегулирующим вентилем (ТРВ) и испарителем, соответствующим qo=knflO—to).
Коэффициент теплопередачи [в Вт/(м2«К)] для испарителей большинства льдогенераторов kn = - в принципе принимается
условно осредненным, так как тепловая нагрузка —— изменяется ат
с толщиной льда. Однако в роторных льдогенераторах с непрерыв-
ним тонкослойным намораживанием и съемом льда значения
и kB практически постоянны, так как при тонком льде примерно
постоянным является основное тепловое сопротивление, определяемое теплопроводностью стенки испарителя и теплоотдачей к хладагенту.
В связи с этим следует подчеркнуть, что производительность роторных льдогенераторов может быть значительно повышена путем уменьшения указанного основного теплового сопротивления.
Так как производительности роторных льдогенераторов ^ли ёл при тонком льде примерно прямо пропорциональны температурам намораживания tx и txn обратно пропорциональны энтальпиям получаемого льда относительно поступающей воды гл и 1Л. то
ёл ^х
ё'л *х *л
При толстом льде, получаемом в льдогенераторах плитного льда, соответствующая зависимость становится степенной. Связь льдооб
разования с изменением холодопроизводительности машины 7о = /(^О, и t-o) ДЛЯ этого случая рассмотрена в работе Вильке и Хавла [160].
Для приближенного сравнения производительностей роторных льдогенераторов, в частности, может быть применена их приведенная производительность [в кг/(ч-°C)]:
Рис. 38. Совмещенные характеристики роторного льдогенератора с испарителем 1 м2 и холодильных компрессоров 2ФУБС-9 и 22ФВ-22.
где го — удельная теплота льдообразования.
Стабильный режим роторных льдогенераторов позволяет осуществить простой графический выбор необходимого для льдогенератора компрессорно-конденсаторного агрегата. На рис. 38 приводится графическое совмещение тепловых характеристик скребкового льдо-
генератора роторного типа
с испарителем поверхностью 1 м2 при околонулевой температуре воды и холодильных агрегатах с компрессорами типа 22ФВ-22 с номинальной стандартной холодопроизводительностью 27000 Вт и тина 2ФУБС-9 с соответствующей холодопроизводительностью 16300 Вт (при фреоне-22).
7 В. А. Бобков
97
Льдогенератор в первом случае производит лед в количестве не менее g=180 кг/ч при холодопроизводительности q0—19300 Вт, температуре to ——21° С и затрате работы в соответствии с энергетической характеристикой холодильного агрегата 160 кДж/кг. Во втором случае ^=140 кг/ч, ?о=153ОО Вт, t0=—16,5° С и затрата работы 135 кДж/кг, что энергетически предпочтительнее.
Температура t0——16,5° С близка к обычно энергетически оправданной температуре льдопроизводства t0=—15° С при оптимальных
параметрах испарителя, ком-
Рис. 39. Зависимость расхода электроэнергии N на 1 т производимого льда от рабочей темпе'-ратуры t0 для роторного льдогенератора.
прессора и конденсатора что подтверждается данными Лорентцена и Иогансена [75], приведенными на рис. 39.
Существенно зависящее от температурного режима удельное потребление электроэнергии при получении льда из воды или рассола в значительной степени вли -яет на эксплуатационную стоимость льдопроизводства.
При обычном температурном напоре Д^=10-~15°С в случае, например, льда с содержанием 30% NaCl (замерзание при —21° С) приходится работать с энергетически относительно мало экономичной температурой
—30° С -и ниже. Поэто
му использование для охлаждения льдосоляной смеси энергетически выгодней, чем использование рассольного эвтектического льда.
На транспорте, где экономически бывает нередко важна большая энтальпия хладоносителя, водный и рассольный лед заменяют более дорогим и термодинамически более энергоемким жидким азотом или сухим льдом. Например, в ГДР вагоны-ледники охлажда-
ются даже при околонулевых температурах в них не водным, а сухим углекислотным льдом, энтальпия которого при 0° С составляет 636 кДж/кг, против 334 кДж/кг для обычного, в 10 раз более де
шевого и менее энергоемкого водного льда.
Для современного автоматизированного льдогенератора отношение потребления электроэнергии N к производительности G ориентировочно характеризует эксплуатационную стоимость Э, а отношение массы льдогенератора /И к величине G примерно характеризует капиталовложения К. Поэтому экономичность льдогенераторов может быть в первом приближении оценена сравнением отношений N М
-—и-—. В принципе экономически оптимальный льдогенератор G G
о , должен соответствовать минимуму величины + — , где m — tn
число лет окупаемости, а величина Э относится к одному году.
98
Экономическая эффективность Ея новом, более совершенного льдогенератора с годовой производительностью GH по сравнению со старым льдогенератором определяется разностью соответствующих сумм приведенных годовых затрат и выражается уравнением
^h = GhI(Cc+0,15Kc)-(Ch + 0,15Kh)],
где Сс, Сн иКС) Кн — себестоимости и капиталовложения на 1 т льда для старого и нового льдогенераторов.
Себестоимости Сс и Ся определяются суммой соответствующих стоимостей электроэнергии, воды, амортизации, ремонта и зарплаты. Кроме экономической эффективности обычно еще определяют и срок окупаемости льдогенератора.
Рентабельность производства льда в общем случае обусловливается отношением получаемой прибыли к производственным затратам, включающим необходимую долю стоимости, производственный фондов. Расчет рентабельности осуществляется по общепринятой методике.
Подробно вопросы теплоэнергетики и экономики искусственного льда рассмотрены далее при описаниях льдогенераторов.
Технология производства льда
По составу исходного сырья искусственный водный лед разделяют на лед из пресной воды (сырой, кипяченой, дистиллированной), лед из морской воды и рассолов, лед из воды с антисептиками и антибиотиками.
В технологии изготовления искусственного льда из пресной воды предъявляются специальные, в частности гигиенические (санитарные), требования к сырью (вода), продукту (лед), а также к оборудованию и процессу производства.
Лед из питьевой водопроводной воды изготовляют матовым с плотностью ро=89О4-9ОО кг/м3 и прозрачным с ро=91О-т-917 кг/м3 при температурах от —8 до —25° С (иногда для чешуйчатого льда). Матовый непрозрачный лед имеет белый цвет в основном благодаря наличию в нем пузырьков воздуха и солей; последние иногда требуется удалять. Известно, что в 1 см3 льда, полученного при скорости кристаллизации 0,5 мм/мин, содержится примерно 6 пузырьков воздуха, а при скорости 5 мм/мин число их достигает 300. Прозрачный лед в толстом слое имеет голубовато-зеленый оттенок, он мало смерзается и не дает осадка при растаивании.
Деаэрированная вода при нормальном давлении самонасыщает-ся воздухом, но в отличие от него содержит на 1 часть кислорода не 3,75, а около 2 частей азота (при 10° С в 1 л воды содержится 7,87 см3 кислорода и 15,47 см8 азота). Обогащение воды кислородом имеет место при таянии льда.
Требования, предъявляемые к источникам воды для хозяйственно-бытовых целей, в общем виде регламентирует ГОСТ 2761—57 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения». Нормы качества водопроводной воды определяет ГОСТ 2874—73 «Вода питьевая». Эти ГОСТы предусматривают, что общее нисло бактерий в воде не должно превышать 100 при посеве в 1 мл, 7* 99
количество кишечных палочек — не более 3 в 1 л воды. Допустимый сухой остаток — до 1 г/л. Общая жесткость воды — не более 7 мг-экв/л, а мутность по содержанию взвешенных частиц — не свыше 1,5 мг/л. Вода не должна содержать железа более 0,3 мг/л; допустимая концентрация водородных ионов в пределах 6,5—9,5.
Указанные стандарты распространяются’ на воду, используемую и для технических целей, но не относятся к воде, забираемой из местных водоисточников, иногда используемых в производстве технического льда.
Если лед предназначается для употребления с напитками или для непосредственного охлаждения пищевых продуктов, не подлежащих горячей кулинарной обработке, то он должен быть пищевым. При его изготовлении и сбыте необходимо соблюдать санитарно-гигиенические правила, принятые для продуктов, непосредственно употребляемых в пищу. Вода, полученная при растаивании пищевого льда, должна быть питьевой. При производстве непищевого, технического льда, особенно если он продается на сторону, также соблюдаются основные санитарные условия.
Получать прозрачный лед можно в тех же льдоформах что и матовый лед. Если, например, в случае замораживания при —8° С московской водопроводной воды в льдоформах на 25 и 50 кг ее перемешивать, подавая 8 и 12 л/мин воздуха при давлении 0,015 МПа [17], то выделяющийся из воды воздух не успевает вмерзать в лед, а соли в основном концентрируются в 4-литровой незамерзшей сердцевине прозрачных льдоблоков, откуда их легко удалить, и лед получается прозрачным. Барботаж воды также ускоряет ее охлаждение.
Для получения из московской водопроводной воды (содержание солей 100—150 мг/л) прозрачного льда в оросительных льдогенераторах без льдоформ, но с насосной циркуляцией воды и с удалением маточного раствора требуемая кратность циркуляции воды 30—40 [Ю] при температуре намораживания не ниже —15° С. По Коноплеву [61], из ленинградской водопроводной воды с содержанием солей 60 мг/л, железа 0,7 мг/л и окисляемостью 8 мг/л (по кислороду) до обработки квасцами и с содержанием железа 0,12 мг/л и окисляемостью 2,7 мг/л после такой обработки получался при —10° С качественный лед в 136-килограммовых льдоформах в случае подачи 5—6 л/мин воздуха с давлением 0,1 МПа. Данные Эрен-фельда и Джибса [139] и других исследователей о влиянии примесей на качество льда указаны в табл. 15.
Предельно допустимое содержание примесей в воде для прозрачного льда, получаемого при температуре около —10° С:
Примеси Максимально допус-
тимое содержание в воде
Общее содержание солей, мг/л 250
Сульфатов+0,75 хлоридов+1,25 уг- 170
лекислого натрия, мг/л
Соли временной жесткости, мг/л 70
Железо, мг/л 0,04
Окисляемость, Ог мг/л 3
Концентрация водородных ионов 7
(pH)
100
Таблица 15
Примеси в воде Влияние на качество льда Результат обработки воды
Углекислый кальций Углекислый магний Окись железа Окись алюминия и кремний Взвешенные вещества Сернокислый натрий, хлористый натрий и сернокислый кальций Образует грязный осадок обычно в нижней части и центре блока. Вызывает растрескивание при низких температурах Образует грязный осадок и пузырьки. Вызывает растрескивание При низких температурах Дает желтые или коричневые осадки и окрашивает кальциевый и магниевый осадки Дают грязный осадок Дают грязный осадок Создают белые пятна, концентрируются в сердцевине. Дают большие непрозрачные сердцевины и задерживают замерзание. Не дают осадков Практически удаляется То же Удаляется Практически удаляется Устраняются Не изменяются
Хлористый кальций и сернокислый магний Дают зеленоватый или сероватый налет; концентрируются в сердце-вине; задерживают замерзание и дают большие непрозрачные сердцевины Изменяются в сернокислый кальций
Хлористый магний Часто проявляется в виде белых пятен. Не дает осадка Изменяется в хлористый кальций
Двууглекислый натрий (углекислый натрий) Даже в небольших количествах при температурах ниже —9° С часто вызывает растрескивание. Создает белые пятна, концентрируется в сердцевине, задерживает замерзание. Дает большую непрозрачную сердцевину. Осадка не образуется Изменяется в углекислый натрий. Вид льда улучшается немного
101
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° и оттаивать при 20° С вместо обычных —10° и 35° С.
Для получения качественного льда, из воды с большим содержанием примесей целесообразно усилить интенсивность движения воды в 2—3 раза против обычной; повысить температуру намораживания льда до —6-.—8° С (еще лучше очищает-лед медленная кристаллизация при —2--—4°С); чаще удалять осадок из маточного раствора в середине замораживаемого объема воды.
Если эти меры недостаточны или нежелательны, то прибегают к умягчению воды ионообменными смолами в ионитовых фильтрах, очищающих воду с содержанием солей до 30 г/л. Обычное удаление из воды известью углекислого кальция и магния, железа и алюминия является простым химическим процессом, соответствующим для кальция реакции: Са(ОН)2+Са(СНО3)2=2СаСО3+2Н2О; органические вещества при этом осаждаются вместе с углекислыми соединениями. Далее воду, обработанную известью в сатураторе, пропускают через фильтр с кварцевым песком. В воду с хорошими общими показателями, но содержащую железо, достаточно добавить перед фильтрацией немного извести; при аэрации воды железо, обычно соединённое с СО2, выпадает в виде осадка, легко задерживаемого фильтром.
Очень удобна обработка воды квасцами или сернокислым алюминием, обеспечивающая не только некоторое умягчение и коагуляцию органических веществ и взвесей, но и перевод бикарбонатов в сульфаты. Это уменьшает хрупкость льда и потому позволяет снижать температуру наморажйЬания льда в льдоформах с —84—10° до —124—14° С. При этом необходимо поддерживать в воде pH на уровне 7, что уменьшает хрупкость льда. Во избежание появления трещин следует оттаивать лед от льдоформ при 20° С вместо обычных 35—40° С. Возможно оттаивание льда при температуре и выше 40° С.
Простейшим оборудованием для водоподготовки служат спаренные песочные фильтры с бачками для обработки воды квасцами. Фильтрование производится через слой гравия и кварцевого песка, скорость'фильтрации 1—1,5 л/м2 в минуту. Падение давления в чистом фильтре обычно составляет 0,015—0,035 МПа, в засоренном фильтре падение давления увеличивается в 2—3 раза. При попеременной промывке фильтров обратным током воды слой песка перемешивается и выпавшие из воды в результате квасцевания и фильтрации осадки удаляются. Скорость промывки принимают такой, чтобы с промывной водой удалялись осадки без песка.
Обработка воды квасцами часто бывает связана с необходимостью подщелачивания ее до оптимального значения pH 7. С этой целью применимы легкое известкование воды или фильтрование ее через доломитовую крошку. Особого подхода требует вода с большим содержанием водорастворимых солей: по зарубежным данным, при температурах замораживания воды —10°, —8° и —7° С предельно допустимые концентрации водорастворимых солей при получении прозрачного льда необходимого качества соответственно будут 100, 200 и 400 мг/л.
В ряде случаев промышленного производства льда возможно применение для обработки воды обычного цеолита (алюминиево-на-
102
триевый силикат). Реакция с ним идет следующим образом (Ze-цео-лит): ‘NaZe-f-MgCl2=MgZe-|-2NaCl, в результате жесткость воды понижается практически до нуля.
При обработке воды водородным цеолитом (H2Ze) протекает следующая реакция:
2NaHCO3 + HaZe = NaaZe + 2НаСО3
(удаляется путем аэрации). При содержании в воде NaCl и Na2SO4 будем иметь следующие реакции:
2NaCl + HaZe = NaaZe + 2НС1;
NaaSO4 + HaZe = NaaZe + HaSO4.
Для нейтрализации свободных кислот можно употреблять Na2CO3, тогда получаем:
NaaCO3 + 2НС1 = 2NaCl + НаСО3.
В некоторых случаях содержащегося в воде бикарбоната натрия и карбоната натрия бывает достаточно для нейтрализации кислотности.
Восстановление цеолита производится посредством обработки серной кислотой
NaaZe HaSO4 = -J- NaaSO4,
Установки с цеолитом в принципе просты. Цеолит закладывают в бак на слой гравия, под которым находится фильтр. Система трубопроводов обеспечивает пропуск соответствующего количества обрабатываемой воды и серной кислоты для периодической регенерации цеолита.
Так, на одном льдозаводе через цеолит проходило воды 26,4 л/мин и мимо него 7,5 л/мин; после реакции оба потока соединялись, происходила нейтрализация'кислоты; Далее вода направлялась через аэратор в сборный резервуар. Состав воды до и после обработки приведен в табл. 16.
Таблица 16
Примеси Содержание в воде, мг/л
до обработки после обработки HaZe
NaHCO3 705 0
Na2CO3 42 0
NaCl 90 90
Na2SO4 62 62
Общее количество солей 899 152
Специальная технология применяется при изготовлении матового льда с антибиотиками, предназначаемого в основном для более длительного хранения рыбы.
103
Главное требование к антибиотикам, добавляемым в замораживаемую воду или в лед, — их разрушение при тепловой кулинарной обработке пищевых продуктов, сохранявшихся в этом льду.
Разрешенный Госсанинспекцией СССР для применения со льдом в рыбной промышленности антибиотик биомицин (хлортетрациклин) добавляют в воду из расчета 5 г на 1 т льда. Если вода содержит 0,8 мг/л и более активного хлора, то ее предварительно дехлорируют гипосульфитом. Для лучшего сохранения биомицина во льду воду подкисляют до pH 4 лимонной кислотой (не менее 25 г на 1 т льда).
Рис. 40. Установка для изготовления блочного биомицинового льда:
1, 2, 3 — баки; 4, 5, 6, 7, 8 — вентили; 9 — наполнительное устройство; 10 — льдоформы; 11 — трубопровод; 12 — льдогенератор.
Равномерность распределения биомицина в случае изготовления блочного льда обеспечивается желированием воды смесью из 100 г карбоксиметилцеллюлозы и 400 г поваренной соли на 1 т льда. Для промышленного производства блочного биомицинового льда Хузиной с группой сотрудников [115] предложена смесительная установка производительностью 4,5 м3 раствора в час, изображенная на рис. 40.
Известен также лед с антисептиками из воды, обработанной хлором и серебряным песком.
Во избежание концентрирования примесей и по другим причинам все эти виды льда, а также соленый (морской и рассольный), целесообразно изготовлять в интенсивных роторных льдогенераторах с тонкослойным намораживанием. Производство соленого льда ведут при температуре на 10—15° С ниже криоскопической. Хранить
104
такой лед следует также при температуре ниже криоскопической. Однако только при эвтектической температуре во льду не будет рассола.
В некоторых случаях необходимые технологические примеси можно добавлять непосредственно в рассыпной снежный чешуйчатый или мелкодробленый лед. При этом следует иметь в виду, что рассыпной лед может адсорбировать 15—25% воды.
Лед от льдогенераторов хранят при —5° С в льдохранилищах, иногда дополнительно перерабатывают (разрезают, дробят или прессуют посредством соответствующих машин) и упаковывают.
Классификация льдогенераторов
Льдогенераторы изготовляют в основном следующие виды технического и пищевого льда:
блочный, трубчато-блочный и снежноблочный лед;
плитный и трубчато-плитный лед;
малогабаритный лед — дробленый кусковой и пластинчатый, трубчатый и скорлупный, брикетный, кубиковый;
рассыпной лед — мелкодробленый (измельченный до снегообразной массы или гранул), чешуйчатый, снежный (путем прессования может быть превращен в брикетный и снежноблочный лед).
Льдогенераторы могут быть классифицированы как по видам, составу и назначению вырабатываемого льда, так и по способам и источникам охлаждения и по конструктивным особенностям. Льдогенераторы бывают периодического и непрерывного действия, с оттаиванием и механическим отделением льда.
Кроме того различают: неавтономные льдогенераторы — с централизованным охлаждением рассолами и непосредственно хладагентами, обычно бесконтактно;
автономные (в частности агрегатные) автоматизированные льдогенераторы непосредственного охлаждения с компрессорными, абсорбционными, водяными пароэжекторными и термоэлектрическими холодильными машинами; в них используется механическая, тепловая и электрическая энергия.
Льдогенераторы с автоматизированным и ручным управлением по своей конструкции могут быть: 1) с подвижными и стационарными льдоформами; 2) панельные погружные и оросительные, в частности пакетнопанельные; 3) то же, трубчатые с наружным и внутренним намораживанием льда, в частности кожухотрубные; 4) роторные непрерывного действия — скребкового, шнекового и фрезерного типов; 5) с плунжерным и гидравлическим отрывом льда от.поверхностей льдообразования.
Ледяные холодоаккумуляторы (автономные и неавтономные) делятся на три вида: без отделения льда, с отделением льда (фрига-торные), а также зероторного типа.
По производительности льдогенераторы подразделяют на большие— 1000 кг/ч и более, средние — менее 1000, но более 100 кг/ч, малые — менее 100, но более 10 кг/ч и мелкие — менее 10 кг/ч, в том числе льдогенераторы со встроенными льдохранилищами и- минильдогенераторы (<1 кг/ч), обычно в составе домашних холодильников.
105
Льдогенераторы блочного и плитного льда
Блочный и плитный лед плотностью 900 кг/м3 (матовый) -и 917 кг/м3 (прозрачный) может долго храниться в льдохранилищах и камерах холодильников, что бывает экономически выгодно при коротком сезоне потребления льда в районах с холодным климатом. Кратковременное хранение блочного и плитного льда возможно и в самих льдогенераторах. Такой лед при необходимости измельчают до насыпной массы 500—700 кг/м3.
Рассольные льдогенераторы блочного льда. Давно известные рассольные льдогенераторы блочного льда, несмотря на частичное вытеснение их безрассольными льдогенераторами, до сих пор находят широкое применение.
Блочный льдогенератор с холодильной машиной (см. принципиальную схему — рис. 41) производит технический матовый лед в подвижных льдоформах. Находящийся в теплоизолированном стальном баке обычный рассол (H2O-|-NaCl) охлаждается до —10° С (от —8 до —12° С) посредством вертикально-трубных, кожухотрубных или листотрубных испарителей с температурой кипения аммиака или фреона-22 около —15°С. В описываемой конструкции льдогенератор (рис. 42) оснащен мешалкой, обеспечивающей скорость циркуляции рассола 0,1—0,2 м/с, механическим толкателем и опрокидывателем льдоформ. Краном или тельфером подводят к дозирующему водонаполнителю (рис. 43) группу стальных оцинкованных льдоформ в рамах и после заполнения водой опускают их в бак с рассолом, имеющим pH 7 (при рН>7 барботируют СО2, в случае рН<7 добавляют гашеную известь).
После замораживания воды в нескольких или во всех группах льдоформ их переносят в нагреваемый водяной оттаиватель льда (рис. 44) с температурой обычно не выше 30—40° С (во избежание растрескивания льда). Далее при помощи крана и опрокидывателя освобождают льдоформы от льда.
В ГДР используют рассольные блочные льдогенераторы для стальных льдоформ на 12,5 и 25 кг льда. Технические показатели этих льдогенераторов приведены в табл. 17.
Таблица 17
Производительность льдогенератора, т/сут Номинальная (стандартная) холо-допроизводитель-ность, тыс. Вт Потребная мощность привода, кВт Масса установки, т
4 26 15 9
10 62 33 19
25 151 67 36
40 240 103 59
Расход холода на 1 кг льда колеблется от 525 до 585 кДж.
Типоразмеры отечественных блочных льдогенераторов с льдоформ ами на 12,5 и 25 кг льда приведены в табл. 18.
106
Рис. 41. Холодильная схема рассольной лъдогенераторной установки для производства блочного льда:
1 — конденсатор; 2 — переохладитель; 3 — отделитель жидкости; 4 — рассольный бак; 5 — испарители; 6 — толкатель льдоформ с двигателем; 7 — рассольная мешалка с двигателем; 8 — водонаполнитель; 9 — рама с льдоформами; 10 — опрокидыватель льдоформ; 11—оттаиватель льдоформ; 12 — льдоскат; 13 — тележка подъемного крана с двигателями; 14 — холодильный компрессор с двигателем.
Рис. 42. Льдогенератор с рассольным охлаждением для производи ства льда в блоках:
/ — бак; 2 — испарительные секции; 3 — мешалки; ~4 — льдоформы; 5 — толкающий механизм; 6 — подъемный механизм; 7 — водонаполнитель; 8 — оттаиватель льдоформ; 9 — опрокидыватель; 10 — льдоскат.
Рис. 45. Вертикальная мешалка с электродвигателем.
Рис. 43. Водонаполнитель для автоматизированного наполнения льдоформ водой:
1 — противовес; 2 — электродвигатель; 3 — муфта; 4 — редуктор; 5 — звездочка; 6 — втулочно-роликовая цепь; 7 — коромысло; 8 — рычаг противовеса; 9— трубка для заполнения водой льдоформ; 10 — водораспределительный бак; 11 — льдо-форма.
Ю0-60й
—---V
Рис 44. Оттаиватель льдоформ (размеры в мм).
Таблица 18
Тип льдогенератора с обозначением единовременной загрузки воды, т Число льдоформ Поверхность испарителя, м’ Длина бака, мм Ширина бака, мм Масса льдогенератора (без холодильной машины), кг
ЛГ-1,5 120 10 5 160 2592 5 435
ЛГ-3 240 По 12,5 20 6 023 3540 8 935
ЛГ-6 480 кг воды 40 9 433 3540 14 603
ЛГ-10 800 60 12 605 4080 21 248
ЛГ-20 800 По 25 кг воды 80 13 250 5534 33 433
Высота баков льдогенераторов Л Г-1,5—20 от 2295 до 2445 мм.
Типовые железнодорожные льдозаводы на 180 т/сут оборудованы крупными льдогенераторами Полтавского завода МПС производительностью до 90 т/сут. Крупные льдогенераторы, используемые также в химической и рыбной промышленности СССР, обычно снабжаются льдоформами на 25 и 50 кг льда. Подобные льдогенераторы, но с вертикальными мешалками (рис. 45) и барботированием воды в больших льдоформах используются в промышленности Западной Европы и особенно США для массового производства прозрачного льда.
В Советском Союзе обычно применяют следующие нормали на стальные оцинкованные льдоформы с наклоном граней 1,5—2%: на 12,5 кг льда — с верхним сечением 110X190 мм, длительность замораживания воды при —10° С примерно 8 ч; на 25 кг льда — с верхним сечением 130X260 мм, длительность замораживания 12 ч; на 50 кг льда — с верхним сечением 190X380 мм, длительность замораживания 16 ч. Длина указанных льдоформ 1120 мм, длина льдо-блоков около 1000 мм.
V международный холодильный конгресс в Риме рекомендовал следующую градацию льдоблоков по массе: 5; 7; 12,5; 25; 50; 100; 150 и 200 кг.
При оттаивании льдоформ погружением в теплую воду потери льда обычно составляют 1—2 мм на сторону. В случае оттаивания льдоформ методом орошения в наклонном положении (30—40°) на льдоскате потери льда уменьшаются до 0,5—1 мм на сторону. Длительность оттаивания может быть при этом уменьшена с 2—4 мин до 5—10 с за счет повышения температуры воды до 75° С.
В небольших льдогенераторах лед обычно оттаивают водопроводной водой, что удлиняет процесс. Для более крупных установок используют теплую воду после конденсатора или ее подогревают в теплообменнике за счет теплоты сжатия газообразного хладагента. При наличии производственного водяного пара его используют для нагрева воды.
Льдогенераторы обычно заполняют водным раствором поваренной соли. Основные физические свойства рассола приведены в приложениях.
109
При использовании рассола слабой концентрации в случае относительно низкой температуры на испарителе образуется лед, ухудшающий условия передачи тепла. При использовании рассола повышенной концентрации образование льда не наблюдается, но такой рассол обладает увеличенной вязкостью. Поэтому поддерживают концентрацию рассола, соответствующую температуре на 3—5° С ниже, чем температура кипения хладагента, т. е. около —10° С. Экономически оптимальную температуру рассола в рассматриваемых льдогенераторах можно поддерживать автоматически.
Минимально допустимые (при больших скоростях рассола и интенсивных испарителях) перепады температур между рассолом и хладагентом позволяют применять повышенную температуру кипения и использовать рассел пониженной концентрации.
Рассол в льдогенераторе разжижается водой с льдоформ и конденсирующейся влагой воздуха, поэтому следует периодически доводить его концентрацию до нормы.
Для получения блочного прозрачного льда за рубежом широко применяют барботажные льдогенераторы.
В простейшей системе. получения прозрачного блочного льда методом перемешивания воды воздухом низкого давления последний при помощи воздуходувки сжимается до давления 0,015—0,035 МПа и вдувается в льдоформы с водой. Сами льдоформы расположены в обычном льдогенераторе, охлаждаемом рассолом.
Воздух можно подавать по сплошной металлической трубке, погруженной в форму по центру до определенной глубины. Если воздушную трубку вынимают до окончания замораживания, то получающийся ледяной блок имеет большую непрозрачную сердцевину. При повышенном давлении воздуха (0,07 МПа) он даже после частичного обмерзания трубки на конце (по окончании ее вытаивают паром) будет перемешивать воду и непрозрачная сердцевина в этом случае имеет сравнительно небольшие размеры. Используют также перфорированную металлическую трубку, вытаиваемую паром по окончании замораживания ледяного блока; получающийся ледяной блок имеет при этом лишь небольшую полупрозрачную сердцевину.
В льдогенераторах, работающих по методу высокого давления (от 0,17 до 0,25 МПа) и имеющих осушители, воздух в льдоформы подается по внешней трубке снизу формы. Дроссели (диаметром 1—3 мм), всегда необходимые для равномерного распределения воздуха, размещают, как и при системе низкого давления, в трубке каждой льдоформы.
Основные преимущества систем высокого давления:
интенсивное перемешивание воды во время замораживания поступающим снизу льдоформы воздухом, в результате чего выделяющиеся соли не оседают на дно и лед получается лучшего качества: упрощение операций по обслуживанию льдогенератора (выемка и вставление трубок, оттаивание вмерзших трубок).
В системах подводки воздуха высокого давления он соприкасается с поверхностями трубок, охлажденными рассолом ниже 0°С, поэтому во избежание закупоривания трубок замерзающей влагой воздуха последний высушивают. Степень влажности воздуха в части воздушной трубки, соприкасающейся с холодным рассолом льдогенератора, должна быть такой, чтобы точка росы его была несколько ниже температуры рассола.
110
Чтобы уменьшить охлаждающую поверхность рассольного осушителя, воздух сжимают до давления 0,17—0,25 МПа, а перегрев его снимают охлаждением водопроводной водой, при этом из воздуха выпадает часть влаги. Затем воздух дополнительно охлаждается и т;см самым осушается в рассольном осушителе (дегидраторе).
После рассольного осушителя давление воздуха посредством ре-। улирующего вентиля снижается до рабочего давления перед дросселями.
В простейшей системе низкого давления воздух, сжимаемый ротационным компрессором, вдувается в льдоформы по съемным перфорированным трубкам. Для отечественных 25-килограммовых льдоформ применимы трубки диаметром 8 мм, длиной 1000 мм, с четырьмя боковыми отверстиями по 0,2 мм. При подаче воздуха в количестве 8—10 л/мин и смене 15% воды в сердцевине льдоблока из московской водопроводной воды получают прозрачный лед при температуре рассола около —8° С.
Первый отечественный льдогенератор прозрачного льда (рис. 46) системы низкого давления обеспечивал производительность око-чо 20 т/сут [26]. Для подачи воздуха при низком давлении был применен ротационный водокольцевой вакуум-насос РМК-200 Сумского насосного завода с электродвигателем мощностью 7 кВт, производительностью 300 м3/ч при давлении 0,015 МПа. Для отсоса воды из сердцевины льдоблоков был использован вакуум-насос того же завода «Эльмо» производительностью по воде 1—1,5 м3/ч при расходе электроэнергии около 1 кВт*ч. Оттаивали вмерзавшие в лед трубки паром температурой 120° С. При производстве льда по системе высокого давления вмерзание и оттаивание воздухоподающих трубок исключено.
Американский льдогенератор прозрачного льда фирмы «Иорк» производительностью 20 т/сут (рис. 47), эксплуатировавшийся в Ленинграде, по данным Коноплева [60], имел для кондиционирования вдуваемого в воду воздуха барботажно-форсуночный возду-хопромыватель, поршневой компрессор, повышающий давление воздуха до 0,17 МПа, и сдвоенный кожухозмеевиковый воздухоосуши-тель с рассольным охлаждением при —10° С. Осушенный воздух редуцируется до давления 0,1 МПа и вдувается по наружным трубкам в нижнюю часть льдоформ по 136 кг каждая. Благодаря осушке и высокому давлению воздух проходит беспрепятственно по трубкам (6 л/мин), находящимся в рассоле, прорывается через лед и перемешивает воду в течение всего времени замораживания. .
Принятая система кондиционирования ленинградской воды заключалась в коагуляции алюминиевыми квасцами органических соединений железа и в последующей фильтрации через песочный фильтр, что при удалении небольшой недомороженной сердцевины обеспечивало получение качественного прозрачного льда при температуре рассола до —10° С.
Принципиальные недостатки всех вышеописанных рассольных льдогенераторов блочного льда — применение промежуточного хладоносителя (рассола) и выемных льдоформ.
Безрассольные льдогенераторы плитного и блочного льда. Льдогенератором без рассола и подвижных льдоформ является погружной плитный льдогенератор. В послевоенные годы такие, довольно давно известные льдогенераторы с непосредственным амиач-
111
Рис. 46. Схема рассольного льдогенератора для производства блочного прозрачного льда методом «низкого давления»:
/ — льдогенератор; 2 — ротационный воздушный насос РМК-200; 3 — резервуар к насосу РМК; 4 — ротационный вакуум-насос «Эльмо»; 5 — воздухораспределительный коллектор льдогенератора; 6 — воздухораспределительный коллектор рамы с льдоформами; 7 — трубопровод для отсоса воды из сердцевины льдоблоков; 8 — паропроеод; 9 — водопровод для доливки льдоформ; 10 — всасывающий трубопровод к насосу РМК; 11 — нагнетательный трубопровод; 12 — подвод воды к сальникам РМК; 13— пусковой вентиль; 14 — водоотделительный фильтр; 15 — подводы к насосу.
ным охлаждением получили распространение на ряде льдозаводов ГДР производительностью до 100 т/сут Г135].
В плитном льдогенераторе (рис. 48 и 49) с железобетонным баком, заполненным водой, периодическое намораживание и оттаивание плит льда массой от 3 до 5 т осуществляется при кипении и конденсации аммиака, циркулирующего в змеевиках, заключенных в металлические чехлы, перегораживающие бак льдогенератора в поперечном направлении. Вода, подаваемая в пространство между чехлами, замораживается в течение 3 суток в лед в виде плит толщиной 25 см. Для получения прозрачного льда замерзающую воду перемешивают вдуваемым воздухом.
После оттаивания горячими парами аммиака поднимают краном ледяные плиты за заранее вмороженные в них крючья и подают на льдоскат, где распиливают дисковыми пилами на блоки и машиной дробят на куски. В отдельных случаях плиты льда доставляют краном в льдохранилище, непосредственно примыкающее к льдогенератору.
Недостаток льдогенератора — довольно большая длительность процесса замораживания воды.
В рыбной промышленности Японии применяются безрассольные плитные льдогенераторы погружного типа с оборудованием для барботажа воды. В них прозрачные ледяные плиты массой до 4—5 т и толщиной 20—30 см намерзают в баке с водой в течение 2 суток на листотрубных панелях, охлаждаемых непосредственно хладагентом с температурой около —10° С. После оттаивания горячим хладагентом плиты за вмороженные в них штанги вынимают из бака и подают в льдоразделочную машину.
В СССР известны плитные льдогенераторы оросительного типа из оребренных труб (рис. 50) конструкции Ткачева [102] и погружные панельно-плитные ледяные холодоаккумуляторы завода «Компрессор».
Время намораживания сплошных ледяных блоков и плит может быть вычислено по приведенной ранее универсальной формуле или примерно определено по номограмме (рис. 51).
В случае замораживания слоя воды в большом сосуде (в панельном холодоаккумуляторе или льдогенераторе погружного типа) следует для большей точности предварительно рассчитать время охлаждения воды до температуры начала льдообразования, а потом время замораживания совместно с доохлаждением воды до 0° С. При малоинтенсивном процессе (слабая конвекция воды и умеренное охлаждение) может иметь место охлаждение воды до 0° С и даже до —14—1,5° С без начала льдообразования. В последнем случае
8 В. А. Бобков
ИЗ
Рис. 47. Схема рассольного льдогенератора для производства блочного прозрачного льда методом «высокого давления»:
1 — воздушный компрессор; 2 — воздухопромыватель; 3 — воздухоочиститель; 4 — главный воздушный коллектор; 5 — рассольный насос; 6 — водяной насос; 7 — фильтр с квасцовым гнездом; 8 — водоохладитель; 9 — водонаполнительный сосуд; /6 — поплавковый регулирующий вентиль; 11 — отделитель жидкости; 12 — льдогенератор; 13 — оттаивательный сосуд; 14 — опрокидывательное устройство; 15 — подъемный кран; 15 — льдоскат.
Рис. 48. Общий вид льдогенератора плитного льда погружного типа.
Рис. 49. Секция льдогенератора плитного льда погружного типа: 1 — бак; 2 — испарительные батареи; 3 — стальные ' листы; 4 — башмак; 5 — стержни; 6 — крышка.
при начале льдообразования температура воды скачком повышается до 0° С.
При замораживании воды в оросительных льдогенераторах с циркуляцией водопроводная вода поступает в смесительный бак, где очень быстро охлаждается до околонулевой температуры, далее попадает на поверхность льдообразования и доохлаждается до 0° С и ниже.
Оттаивание льда в плитных льдогенераторах, как и в других безрассольных льдогенераторах периодического действия, обычно 8* 115
Рис. 50. Испаритель плитного льдогенератора оросительного типа: 1 — балка: 2 — связь; 3 — донышко; 4 — верхний коллектор; 5 — труба; 6 — ребро; 7 — внутреннее ребро; 8 — нижний коллектор; 9 — донышко; 10 — нижнее ребро.
Рис. 51. Номограмма для расчета продолжительности намораживания ледяных блоков и плит (примеры расчетов показаны пунктиром).
осуществляется за счет теплонасосного отнятия тепла от воды в конденсаторе и оттаивания им льда на испарителе или же за счет несколько более эффективной энергетически поочередной теплонасосной передачи тепла от секций испарителя с намерзающим льдом к секциям испарителя с оттаиваемым льдом, что, однако, требует наличия самостоятельных секций испарителя с отдельной автоматикой. В обоих случаях оттаиваемый испаритель временно не намораживает лед, а затем требуется дополнительное охлаждение его до рабочей температуры.
Значительно эффективнее применение трубчато-блочных и трубчато-плитных безрассольных льдогенераторов, в которых трубчатые ледяные блоки и плиты намораживаются в 4—6 раз быстрее, чем в плитных. При этом стоимость льда снижается примерно на 20—30%.
Интенсивными и гигиеничными являются скороморозильные аммиачные и фреоновые льдогенераторы, в частности, с неподвижными льдоформами, имеющими испарительные рубашки и внутренние ребра (система Рикелли, рис. 52) или трубки (система Вильбушеви-ча) для замораживания воды.
В Австрии и в Италии по системе Вильбушевича изготовляют льдогенераторы производительностью до 100 т/сут пищевого непрозрачного льда в блоках. По данным Шмидта [157], удельный расход электроэнергии для таких льдогенераторов меньше, чем для обычных рассольных льдогенераторов.
Льдогенератор Вильбушевича является одним из немногих промышленных типов блочного льдогенератора непосредственного охлаждения. При температуре кипения хладагента —15° С продолжительность намораживания льдоблоков массой 25 кг составляет около 2 ч против 12 ч в рассольных льдогенераторах. Потери при оттаивании составляют соответственно 2—3% против 4—6%. На Ялтинском и Потийском рыбокомбинатах и на Московском холодильнике № 9 эксплуатировались льдогенераторы Вильбушевича фирмы «Барбьери» (Италия).
Московская установка системы Вильбушевича (рис. 53) производительностью 3,6 т льда в сутки включала аммиачный вертикальный прямоточный двухцилиндровый компрессор производительностью 34 тыс. Вт с электродвигателем 13 кВт, горизонтальный кожухотрубный конденсатор с ресивером, льдогенератор непосредственного испарения с водоохладителем-дозатором, четырьмя батареями по три 25-килограммовых льдоформы в каждой, дренажный ресивер и отделитель жидкости. Для выдачи льда служит специальный передвижной приемник с противовесами для спуска трех ледяных блоков.
В подобных установках намораживание и оттаивание льда, периодически чередующиеся путем переключения холодильной машины многоходовыми кранами, производятся в льдоформах с наружными рубашками и пятью внутренними испарительными трубками (рис. 54). Для выпуска льда льдоформы имеют у дна откидные крышки на пружинах. Перед заливкой льдоформ водой откидные крышки должны быть приморожены путем кратковременного пуска воды в заранее охлажденные льдоформы. В конце процесса намораживания крышки льдоформ под давлением льда приоткрываются, и после оттаивания ледяные блоки выпадают в приемник с противовесом, который и опускает их почти до уровня пола. Переключают
117
52. Льдогенератор «Фриблок.» (систе-
Рис.
ма Рикелли):
1 — нижний, бак; 2 — верхний бак; 3 — льдоформы с ребрами; 4 — поплавковый регулятор; 5 —труба для подачи воды; 6 — отверстие для выхода блоков льда.
Рис. 53. Схема скороморозильной льдогенераторной установки с комбинированным намораживанием трубчатых льдоблоков (система Вильбушевича):
1 — водоохладитель-дозатор; 2 — отделитель жидкости; 3 — компрессор; 4 — конденсатор; 5 — ресивер; 6 — маслоотделитель; 7 — дренажный ресивер; 8 — льдоформа (с испарительной рубашкой); 9 —трубы испарителя.
Рис. 54. Льдоформа с рубашкой и трубками:
а — общая схема (1 — рубашка, 2 — внутренняя и наружная трубки, 3 — откидная крышка, 4 — противовес); б — схема расположения трубок.
установку на наполнение водой, намораживание и оттаивание льда вручную с помощью вентилей и многоходовых кранов.
Недостатками льдогенератора являются отсутствие автоматизации обслуживания и повышенная металлоемкость [20].
Из известных других конструкций льдогенераторов трубчатоблочного льда с непосредственным охлаждением должны быть отмечены льдогенераторы (рис. 55) фирмы «Грассо» (Голландия) с намораживанием блоков на отдельных группах вертикальных или слегка наклонных труб, размещенных в баке с водой. В отличие от льдогенераторов Вильбушевича этот льдогенератор автоматизирован и дает возможность получать прозрачный лед при продувке воды воздухом. Металлоемкость его сравнительно невелика, так как нет испарительных рубашек и льдоформ.
Рис. 55. Автоматизированный льдогенератор фирмы «Грассо» со всплывающими трубчатыми блоками.
Представляет интерес льдогенератор трубчато-блочного льда со всплывающими трубчатыми льдоблоками, выполненный в виде глубокого (2,7 м) бака, заполняемого водой. В нижней части его смонтированы теплоизолированные коллекторы с наклонными пучками испарительных труб, на которых намерзают 25—50-килограммовые ледяные трубчатые блоки за 2—3 ч (вместо обычных 12—16 ч). По окончании намораживания производится автоматическое оттаивание льдоблоков горячим паром хладагента, они всплывают, проталкиваются цепным конвейером к торцу бака льдогенератора и автоматически передаются на ленточный транспортер.
По данным фирмы «Грассо», стоимость производства трубчатоблочного льда на 30% меньше стоимости изготовления блочного льда в обычных неавтоматизированных льдогенераторах с рассольным охлаждением.
Трубчато-плитные льдогенераторы фирмы «Лидс» (Англия) в принципе аналогичны льдогенераторам фирмы «Грассо», но лед из них вынимают тельфером. Трубчато-блочный льдогенератор ТБЛ-100 ВНИХИ [7] представлен на рис. 56.
120
Льдогенератор (габариты его, включая компрессорно-конденсаторный агрегат, 1870X1290X3750 мм, масса 1900 кг) состоит из следующих основных частей.
1. Фреоновый компрессорно-конденсаторный агрегат АК-2ФВ-30/15 с конденсатором 25 м2 3, имеющий на фреоне-22 производительность 23 000 Вт при 800 об/мин и электродвигателе 10 кВт. Холодильная установка снабжена двумя теплообменниками, фильтром-осушителем и охлаждаемым водой маслоотделителем МОВ-32.
Рис. 56. Схема трубчатоблочного льдогенератора ТБЛ-100 ВНИХИ с од но секционным испарителем:
1 — испаритель; 2 — ресивер; 3 — водяной бак; 4 — терморегулирующий вентиль; 5 — компрессорно-конденсаторный агрегат; СВ-6 — СВ-12 — соленоидные вентили; 13 — электроталь; 14 — электронагреватель.
2. Вертикальный односекционный испаритель с поверхностью 6,2 м2 из 96 двойных труб нержавеющей стали с наружным диаметром 20 мм и длиной льдонамораживающей части 1020 мм, объединенных 4 коллекторами в 6 групп по 16 трубок.
3. Водяной бак, изолированный минеральной пробкой (70 мм) на битуме с каркасом из углового железа или деревянных брусьев, в котором смонтирован испаритель. Бак из стали декопир толщиной 2 мм покрыт изнутри слоем (2 мм) водостойкой пластмассы (полиизобутилен) и снабжен поплавковым вентилем для наполнения водой. К нижней стороне дна бака припаяны две петли электронагревателя (0,6 кВт), предназначенного для предупреждения сморажи-вания рядов ледяных блоков. К боковой стенке бака подвешен на петлях откидной щит с электрическими приборами автоматики и контроля: реле времени (МКП-12), магнитные пускатели и выключатели, световое табло (на 7 электроламп). Кроме того, над щитом
121
укреплены два пружинных манометра, Измеряющих давление нагне-тания и всасывания у компрессора.
4. Каркас из углового железа, несущий монорельс с электро-талью ТЭ-0,25 (грузоподъемность 0,25 т) и грейфером для одновременной выемки трех льдоблоков по 50 кг, образующихся на трех группах льдонамораживающих трубок. Кроме того, на каркасе закреплены ресивер емкостью 160 л (с предохранительным клапаном), фильтр, теплообменник и фильтр-осушитель. Там же размещен щит с соленоидными вентилями и терморегулирующим вентилем.
Льдогенератор ТБЛ-100 ВНИХИ в период намораживания льда работает как холодильная машина, а в период оттаивания льда — как тепловой насос. Он автоматически управляется заранее настроенным электрическим реле времени МКП-12 посредством семи соленоидных вентилей типа СВ или СВМ (мембранные). Питание испарителя фреоном-22 обеспечивается терморегулирующим вентилем ТРВ-20.
Электронагреватель дна бака включен постоянно. При начале намораживания льда автоматически открываются вентили СВ-6, СВ-7, СВ 8, СВ-10 и СВ-12 (см. рис. 56), остальные соленоидные вентили при этом закрыты.
За 10—15 мин до конца намораживания льда вентиль СВ-6 закрывается, что приводит к частичному затоплению конденсатора фреоном-22, необходимому для последующей работы конденсатора в качестве испарителя во время оттаивания. После полного намораживания 6 ледяных блоков, во время которого отдельные ледяные трубки смораживаются в трубчатые, блоки, соленоидные вентили автоматически переключаются на процесс выдавливания фреона из испарителя и оттаивание льда. При этом закрывается соленоидный вентиль СВ-8, открывается соленоидный вентиль СВ-9 и закрывается соленоидный вентиль СВ-10. Через 3—4 с открывается соленоидный вентиль СВ-И. Через одну минуту после начала оттаивания закрывается соленоидный вентиль СВ-7. Для предупреждения залива компрессора во время оттаивания на ресивере поставлен соленоидный вентиль СВ-<12, который перед началом оттаивания закрывается, а открывается только при переходе на намораживание.
После оттаивания всплывшие ледяные блоки захватываются грейфером по 3 шт. и вынимаются электроталью. После выемки блоков процесс намораживания льда начинается снова. Согласно расчету (см. ниже)’ при температуре воды 20° С и температуре кипения —15° С продолжительность полного цикла получения льда 3 ч (2,8 ч — намораживание льда и 0,2 ч — выдавливание фреона, оттаивание и выемка льда).
Принятый процесс получения льда предусматривает возможность дальнейшей механизации выгрузки льда путем смораживания льдоблоков в грузовой пакет массой 300 кг и применения электропогрузчика типа 4004А с захватами для выемки, перевозки и укладки льда. В случае стационарного размещения льдогенератора бак для него может быть изготовлен из бетона и заглублен ниже уровня пола.
Из расчета производительности льдогенератора 100 кг льда (2,4 т/сут) при температуре кипения —15° С и общем расходе холода 840 кДж/кг для установки был принят холодильный агрегат АК-2ФВ 30/15 Одесского завода холодильных машин с конденсато
122
ром поверхностью 25 м2 производительностью наф фреоне-22 примерно 23 000 Вт (при 800 об/мин).
Геометрический расчет показывает, что для получения трубчатого льдоблока 260Х260ХЮ40 мм массой 50 кг при 16 льдонамораживающих трубках диаметром 20 мм и длиной 1020 мм в случае оттаивания на трубках 1 мм льда необходимо наморозить вокруг каждой трубки не менее 28 мм льда. Для намораживания ледяной трубки с внутренним радиусом /?В=Ю мм и наружным 2?н = 38 мм при температуре воды 20° С, температуре кипения —15° С, плотности льда 917 кг/м3 удельное потребление холода составит /Л = 396Х ХЮ8 Дж/м3. При коэффициенте теплопроводности льда %= =2,22 Вт/(м-К) и коэффициенте теплоотдачи для фреона а = =700 Вт/(м2-К) продолжительность льдонамораживания (в с) по модифицированной формуле Планка
т =
*'л
-2/0
1п— = 10000
2,8 ч.
Так как выдавливание фреона из испарителя в ресивер, оттаивание и выемка льда, а также возврат фреона в испаритель потребуют не более 0,2 ч, то расчетный цикл получения льда может быть принят примерно в 3 ч. Таким образом, каждые 3 ч будет получено 6 льдоблоков массой 300 кг, что соответствует расчетной производительности 100 кг/ч. Проведенные во ВНИХИ испытания льдогенератора показали примерное их соответствие расчетам (табл. 19).
Таблица 19
№ испытания Средняя температура намораживания льда (температура кипения фреона) to, °C Производительность льдогенератора ел> кг/ч Потребление электроэнергии Расход воды gB, м’/ч Расход холода на производство 1 кг льда <?л> кДж/кг
кВт-ч кВт’ч/т льда
1 — 15,4 103 8,1 78,6 5,59
2 —15,5 103,5 8,7 84 4,34 —
3 —15,8 105,5 8,44 80 4,88 —
4 —16,2 104,8 8,5 81,2 4,1 860
5 —16,4 103,5 8,4 81,2 4,78 860
6 —16,4 104,2 8,63 82,7 4,83 880
7 — 16,5 105,1 8,47 80,6 4,98 870
8 — 16,9 103,8 8,5 82 4,93 860
9 —16,9 103,4 8,43 84 5,22 —
Среднее —16,2 104,1 8,46 81,0 4,85 865
123
Дополнительные показатели режимов (пределы изменений средних величин)
температура наружного воздуха ^н.в = 214-22,2° С температура водопроводной воды tB= 19,44-19,9° С подогрев воды в конденсаторе А/в = 3,04-4,6° С; температура конденсации tK — 25,74-27,23° С; производительность цикла производства льда тл = = 180 мин.
В том числе замораживание воды т=165 мин, оттаивание и выемка льда т0 = 15 мин.
При рассмотрении данных табл. 19 и других материалов испытаний могут быть сделаны следующие выводы.
В испытаниях при температурах кипения от —15,4° до —16,9° С производительность составила от 103 до 105,5 кг/ч, что на 3—5,5 кг больше расчетной производительности (100 кг/ч при —15°С).
Масса полученных льдоблоков в среднем составила 52 кг, т. е. на 2 кг больше расчетной (при t0=—15°С). По данным выборочных измерений, потери льда при оттаивании льдоблоков составляли около 5—6% от их массы. Трубчатые ледяные блоки имели среднюю объемную массу 750 кг/м3, были внешне хорошего качества и обладали достаточной механической прочностью. Рассчитанный по опытным данным удельный расход холода на 1 кг льда составил в среднем 865 кДж, что можно считать допустимым для данного типа и размера льдогенератора. Рабочая холодопроизводительность компрессора агрегата 2ФВ-30/15 при 800 об/мин и работе на фреоне-22 составила 25 000 Вт (для t0——16,2° С и /К=26,4°С), расход электроэнергии 81 кВт-ч/т.
На основе льдогенератора ТБЛ-100 ВНИХИ одесское СКВ холодильного машиностроения совместно с ВНИХИ разработало автоматизированные трубчато-блочные льдогенераторы ТБЛ-100 (на 100 кг/ч) и ТБЛ-450 (на 450 кг/ч льда). От своего прототипа эти льдогенераторы матового блочного льда в основном отличаются поочередным оттаиванием одних групп льдоблоков за счет теплоты льдообразования других групп льдоблоков, а также конвейерной выемкой всплывающих после оттаивания льдоблоков. Кроме того, льдогенератор ТБЛ-450 имеет насос для циркуляции хладагента.
Важно заметить, что для всех льдогенераторов с разветвленной системой труб испарителей целесообразны принудительная циркуляция хладагента и наличие дроссельных шайб или регулирующих вентилей для равномерного его распределения. Для улучшения оттаивания льда всегда целесообразно применение хладагентов с большой теплотой конденсации, в частности аммиака и фреона-22.
Трубчато-блочный льдогенератор погружного типа ТБЛ-100 (рис. 57) предназначен для получения пищевого льда в виде трубчатых блоков по 25 кг (195Х195ХЮ20 мм). Он представляет собой автоматизированную льдоделательную установку, оснащенную трубчатым многосекционным испарителем со специальным оборудованием, приставным компрессорно-конденсаторным агрегатом с компрессором АВ-22 холодопроизводительностью 27 000 Вт, конденсатором КТГО-7 с поверхностью 7 м2 и электродвигателем мощностью 13 кВт при 1400 об/мин. В качестве холодильного агента используется фреон-22.
124
Испаритель типа «труба в трубе» имеет 96 труб диаметром 20 мм, состоит из 4 самостоятельных секций по 3 пучка из 8 труб в каждой секции; размещается он в теплоизолированном водяном баке. Габаритные размеры льдогенератора по баку 3670Х2070Х Х2890 мм.
На льдогенераторе установлена коллекторная станция с реле времени МКП12 и соленоидными вентилями СВМ, а также теплообменник, циркуляционный ресивер с отделителем жидкости и тремя реле уровня, два из которых — аварийные. Наверху водяного бака имеется транспортер для выдачи всплывших льдоблоков.
кг ’’’ I ; Секциц
I
Воды
в
ТруйопроВод жидкого фреона-W__ трубопровод газообразного фреона. —---- Трубопровод Водяной
-----Режим намораживания льда -----Режим оттаивания льда
Рис. 57. Схема льдогенератора ТБЛ-100 с четырехсекционным испарителем:
! — испаритель- 2 — компрессорный агрегат; 3 — конденсатор; 4 — электродвигатель; 5 — водяной бак; 6 — транспортер.
При получении льда секции испарителей работают циклично. Оттаивание секции производится автоматически со смещением во времени. Продолжительность цикла — 3 ч, из них подготовка и оттаивание— 15 мин.
При заводских и приемочных испытаниях в течение 570 ч одного из двух образцов льдогенератора ТБЛ-100 при режимах, близких к стандартному (t0=—15ч—18°С, /к=30°С), и температуре воды 20° С была достигнута производительность 104 кг/ч.
Льдогенератор ТБЛ-100 рекомендован междуведомственной комиссией к серийному производству.
Большой трубчато-блочный льдогенератор ТБЛ-450 погружного типа (изготовлен опытно-промышленный образец) предназначен для получения на пучках труб пищевого льда в виде трубчатых блоков по 50 кг (255X255X1020 мм). Расчетная производительность его 450 кг/ч, или около 10 Т льда в сутки (при t0=—15°, /к=30°, tB = -~20° С).
125
Основные узлы льдогенератора: водяной бак с трубчатым испарителем из 6 секций с трубами 20 мм и конвейером для выемки льда; компрессорно-конденсаторный агрегат АКАУУ-90/1 с ресивером 1,5 РДВ, аммиачным насосом ЦНГ70М и отдельным шкафом приборов автоматики. Габаритные размеры по баку: 3860Х2590Х Х3080 мм. По принципу действия льдогенератор ТБЛ-450 аналогичен льдогенератору ТБЛ-100, но циркуляция хладагента в нем усиливается специальным насосом.
В приложениях (табл. Б, В, Г) приведены технические характеристики некоторых приборов сигнализации, защиты и регулирования, применяемых в комплексных льдогенераторных установках, в частности типа ТБЛ и ему подобных.
Сопоставление целесообразных градаций производительности погружных трубчато-блочных льдогенераторов типа ТБЛ с производительностью других типов льдогенераторов трубчато-блочного льда, имеющих непосредственное охлаждение, дано в табл. 20.
Таблица 20
Как видно из сопоставления, градации производительности льдогенераторов типа ТБЛ примерно соответствуют известным градациям трубчато-блочных льдогенераторов фирмы «Грассо» (Голландия) и «Плерш» (Австрия — по лицензии Вильбушевича).
В таблице приведены производительности для льдогенераторов трубчато-блочных погружных типа ТБЛ с одним компрессором, соответствующим новой градации советских холодильных компрессоров по ОСТ 03-943—74.
Льдогенераторы типа ТБЛ производительностью примерно до 7 т/сут можно выпускать в агрегатах с компрессорами и конденсаторами на фреоне-22 при безнасосной циркуляции хладагента и подогреве дна бака испарителя непосредственно электронагревателем. Для этих градаций льдогенераторов возможен вариант с одним испарителем и с тельферной выемкой льда вместо конвейерной.
Льдогенераторы типа ТБЛ производительностью более 7 т/сут следует выпускать в расчете на компрессоры, работающие с фрео-ном-22 и аммиаком при насосной циркуляции хладагента и подогреве дна бака испарителей тёплой водой или горячим паром хладагента.
Конвейерная выемка льда должна предусматривать получение льда в трубчатых блоках по 25 и 50 кг и трубчатого дробленого льда. Для получения прозрачного льда применим барботаж воды, как и в случае малых льдогенераторов.
126
Рис. 58. Схема блочного льдогенератора с гидравлическим выталкиванием льда:
1 — льдоформа; 2 — рубашка; 3 — компрессор; 4 — конденсатор; 5 — регулирующий вентиль; б — пресс; 7, 8 — вентили; 9 — масляный насос; 10 — труба для подачи воды.
Рис. 59. Схема блочного льдогенератора с механическим выталкиванием льда:
I — льдоформа; 2 — рубашка; 3 — поршень; 4 — шток; 5 — шатун; б — коленчатый вал; 7 — водяная камера; 8 — труба для подачи жидкого аммиака; 9 — труба для отсоса паров аммиака; 10 — труба для подачи воды.
Рис. 60. Секция плунжерного льдогенератора с послойный намораживанием льдоблоков:
1 — ледяной блок {сечением 200Х Х200 мм); 2 — охлаждающая рубашка;
3 — плунжер; 4 — приводной вал.
Льдогенераторы послойного намораживания с выталкиванием льда также относятся к числу скороморозильных льдогенераторов блочного льда. Такие льдогенераторы разрабатывались в течение ряда лет в Японии как системы с гидравлическим выталкиванием льдоблоков (рис. 58), в США, в Австрии п в СССР как системы с механическим и гидравлическим выталкиванием
льда.
Плунжерный льдогенератор тонкослойного периодического намораживания (рис. 59 и 60) при четырех 25-килограммовых льдо-
Рис. 61. Прочность Оп примерзания льда к поверхности формы в зависимости от температуры льда la-
формах имеет производительность 1 т/сут [46], т. е. в 5 раз больше, чем рассольный льдогенератор.
Устройство и действие льдогенератора заключаются в следующем. Металлическая сужающаяся под углом 110° к одному концу прямоугольная (в верхнем сечении 20X20 см) луженая льдоформа имеет снаружи пирамидальной части рубашку, в которой происходит кипение хладагента. Внутрь льдоформы периодически подается вода. Плунжер в нижней части льдоформы совершает периодические возвратно-поступательные движения. После того как налитая в льдоформу вода замерзнет, плунжер несколько приподнимет образовавшуюся ледяную пирамиду. В образующийся зазор (3 мм) между льдом и формой подается вода, которая при —20° С замерзает за 3 с. После этого плунжер снова приподнимает ледяную пирамиду и процесс повторяется. Таким образом, из формы кверху практически непрерывно растет ледяной блок, периодически отрезаемый дисковой пилой. Вместо дисковой пилы на некото-
рой высоте над формой может быть расположена наклонная плоскость, дойдя до которой растущий ледяной столб будет ломаться у основания, образуя блок льда желаемой длины. Удельное усилие отрыва льда от формы по данным испытаний (рис. 61), составляет в зависимости от температуры льда от 0,5 до 2,0 МПа (обычный режим).
Преимущества такого льдогенератора по сравнению с рассоль-
ными льдогенераторами:
а) между средой, отдающей тепло (вода), и средой, воспринимающей его (хладагент), находится металлическая стенка и тонкий слой льда, в результате чего длительность замораживания значительно сокращается;
б) расход холода на производство льда оказывается уменьшенным вследствие частичного устранения потерь холода при отделении
128
льда; на протяжении всего времени работы льдогенератора расход холода остается постоянным;
в) благодаря непрерывности процесса упрощается автоматизация льдогенератора.
Льдогенераторы с механическим отрывом льда еще нуждаются в окончательной технической доводке и промышленном освоении.
До войны в Австрии фирма «Циманн» выпускала подобные льдогенераторы послойного намораживания в виде агрегатов на 10 льдоформ с габаритами установки 0,5X3,7X2,65 м и производительностью 10 льдоблоков (170X170X1000 мм) по 25 кг за 2 ч. Льдогенераторы эксплуатировались на ряде пивоваренных предприятий, однако после аварий некоторых из установок производство их было прекращено.
Несомненный интерес представляет созданная Московченко [82] под руководством Чуклина модель льдогенератора с 4 льдоформами, из которых льдоблоки выталкиваются водой, подаваемой насосом-дозатором высокого давления. При испытании этой модели получены следующие технические показатели:
Теплопередающая поверхность льдоформ, м1 0,24
Температура кипения хладагента, °C —15
Температура замораживаемой воды, °C 3—5
Толщина намораживаемого за цикл льда, мм 0,5
Промежуток времени между подачами порций 30
воды, с
Производительность льдогенератора, кг/ч 14
Удельный съем льда, кг/(м2«ч) 58
Удельное потребление холода, кДж/кг 470
Проведенные в разных странах исследования тонкослойных блочных льдогенераторов с выталкиванием льда пока не привели к созданию надежных промышленных образцов.
Весьма перспективной является описываемая далее система непрерывного получения снежноблочного льда посредством шнекового пресса, агрегатированного с высокоэффективным безрассольным роторным льдогенератором снежного льда с тонкослойным льдообразованием и общей энергопотребностью около 175 кДж/кг.
Все безрассольные блочные льдогенераторы закрытого типа надежно обеспечивают выполнение санитарных требований, обязательных при производстве пищевого льда в блоках.
Льдогенераторы трубчатого и пластинчатого льда
Автоматизированные безрассольные оросительные и отчасти погружные льдогенераторы трубчатого и пластинчатого льда получили распространение, особенно в США и Западной Европе, после второй мировой войны.
Их достоинство — гигиенические условия производства, готового к употреблению пищевого прозрачного льда в мелких кусках с насыпной массой от 400 до 600 кг/м3.
По сравнению с наиболее распространенными рассольными льдогенераторами блочного льда у них меньше металлоемкость, общий расход энергии и занимаемая площадь, а интенсивность льдообразо-
9 В, А. Бобков
129
йания почти в 10 раз больше, себестоимость льда ни$ке примерно на 30—40%. В то же время расход холода довольно велик (670— 840 кДж/кг) в связи с периодическим нагреванием испарителей и большой поверхностью оттаивания льда.
Малая толщина слоя образующегося льда (5—25 мм) делает оросительные льдогенераторы пластинчатого и трубчатого, в частности скорлупного, льда более производительными, чем погружные льдогенераторы трубчато-блочного льда с толщиной льда между
Рис. 62. Схема кожухотрубного льдогенератора ЗТЛ-10 с тремя испарителями:
1 — холодильный компрессор; 2 — конденсатор; 3—линейный ресивер; 4 — дренажный ресивер; 5 — кожухотрубные испарители с льдорезными и другими устройствами (3 шт.); 6 —насос для циркуляции воды через испарители;
7 —насос (с электрогрелкой) для циркуляции воды, обогрева трубных решеток испарителей.
трубами 30—40 мм (см. выше). Все оросительные льдогенераторы имеют 30—50-кратную циркуляцию воды.
Трубчатый лед производится в льдогенераторах с трубчатыми испарителями, в частности кожухотрубного типа. В ГДР, например, применяются такие льдогенераторы производства предприятия «Нема», в Швеции — фирмы «Стал».
Принципиальная схема автоматического кожухотрубного льдогенератора ЗТЛ-10,’ разработанного ВНИИхолодмашем при участии ВНИХИ [88], приведена на рис. 62. Этот льдогенератор, эксплуатируемый на Московском холодильнике № 9, имеет производительность 10 т/сут и в основном состоит из трех вертикальных теплоизолированных кожухотрубных испарителей, в каждом по 53 трубы с внутренним диаметром 51 мм и длиной 2000 мм. Лед, образующийся в орошаемых водой трубах, оттаивается в каждом испарителе поочередно с использованием теплоты льдообразования из двух других испарителей. Испарители работают со сдвигом во времени на одну
130
треть цикла, длящегося 45 мин. Стаявшие на 2 мм ледяные трубы диаметром 10—15 мм и 48 мм опускаются на специальный стол, на котором вращающиеся ножи раскалывают их на куски в виде трубок или скорлуп длиной около 100 мм с насыпной массой примерно 500 кг/м3.
Намораживание и оттаивание льда производится по команде реде времени аммиачным холодильным компрессором со стандартной производительностью около 87 тыс. Вт. В испытаниях для температур кипения и конденсации аммиака около —15 и 20° С и температуры воды 10° С была достигнута производительность 420 кг/ч при потреблении холода 780 кДж/кг и расходе электроэнергии 230 кДж/кг.
Ниже приведен расчет льдогенератора ЗТЛ-10 (в основном по материалам СКБХМ — ВНИИхолодмаш).
Заданная производительность—10 т/сут; приняты три испарителя по 3,34 т/сут.
Для намораживания льда при t0=—15° С приняты стальные трубы 55/51 мм. С целью сокращения длительности процесса производится замораживание не всей внутренней части ледяной трубки, а только до диаметра 15 мм. Это при малой потере массы льда значительно сокращает время намораживания.
Съем льда с 1 м принятой в расчете трубы составит 1,53 кг. При этом принимается, что будет оттаивать по наружному диаметру ледяной трубки слой льда толщиной 1 мм (принятая величина превышает обычное отклонение от нормы для холоднотянутых труб из нержавеющей стали), а масса намораживаемого льда на 1 м трубы составит 1,67 кг.
Цикл работы льдогенератора состоит из трех фаз: заполнение испарителя аммиаком и намораживание льда; выдавливание аммиака из испарителя и оттаивание льда; выгрузка и резание льда.
На основании проведенных Ткачевым [103] испытаний предварительной модели принято общее время заполнения и намораживания льда при —15° С равным 33 мин, время на оттаивание льда — 10 мин и время на резание льда — 1 мин, а всего с округлением — 45 мин.
Часовая нагрузка трех испарителей 10 000:24=420 кг/ч. Все три испарителя за 1 ч проходят четыре цикла. Следовательно, нагрузка одного цикла 420:4 = 105 кг. Число циклов работы всех льдогенераторов за сутки 10 000: 105=95.
Приняты: диаметр кожухотрубного испарителя льдогенератора 600 мм, число труб в льдогенераторе 53; необходимая активная высота труб 1,6 м (с запасом). Соответствующая теплопередающая поверхность одного испарителя будет 14,7 м2.
Холодопроизводительность компрессора складывается из расчета затрат холода на изготовление выдаваемого льда, образование льда, подлежащего растаиванию, охлаждение испарителей после их подогрева в процессе оттаивания, потерь холода в окружающую среду и прочих потерь.
Количество холода, потребное для намораживания 1 кг льда
Я = Я1 + ^2 + Яз + Qt + Яъ + Яв >
где Я1 — холод на охлаждение воды (температуру воды принимаем 10° С) —42 кДж;
9*
131
— холод льдообразования — 334 кДж;
— холод на охлаждение льда (принимаем охлаждение на ДГ =7,5°) — 16 кДж;
qt — холод на намораживание льда, подлежащего расстаива-нию;
qs — холод на охлаждение металла системы;
qe—потери холода в окружающую среду и прочие потери. Холод на образование дополнительного количества льда, подлежащего растаиванию, составляет в данном случае 10% от fl'i+^+^s, т.е. 0,1 (42+334+16) «4 кДж.
Холод на охлаждение металла системы подсчитан следующим образом.
1. Охлаждение кожуха испарителя. Принимается нагрев кожуха до 15° С и охлаждение до —15° С. Диаметр кожуха 600 мм, толщина стенок 8 мм, высота 2000 мм; масса кожуха 234 кг. Количество холода, потребное на охлаждение кожуха составит 4300 кДж.
2. Охлаждение труб испарителя. Принимается подогрев труб до 15е С при оттаивании и охлаждении до —15°С при льдообразовании. Число труб 53, полная высота труб 2000 мм, их диаметры 55/51 мм (6=2 мм), масса 273 кг. Количество холода, потребное на охлаждение труб, будет 3760 кДж.
3. Охлаждение трубных решеток. В среднем трубные решетки нагреваются до 15° С и охлаждаются до —15° С. Количество холода на охлаждение решеток составит 1200 кДж.
Суммарные потери холода на охлаждение одного испарителя: 4300+3760+1200=9260 кДж. Так как за 1 ч три испарителя в сумме успевают провести четыре цикла, обшая затрата холода на охлаждение системы в час составит 37 000 кДж. В час льдогенератор выпускает 420 кг льда, следовательно, <75=37 000:420 = =88 кДж/кг. Приняв равными 30% внешние и прочие потери, получим общее <7=1,3 (392+4+88) =630 кДж/кг. что близко к лучшим зарубежным данным (670 кДж/кг), но на 20% меньше опытных данных для этого льдогенератора.
Потребная холодопроизводительность компрессора для расчета 630X420=265 000 кДж/ч, что соответствует 0,278X265 000 = =74 000 Вт.
Расчетный расход холода для льдогенератора ЗТЛ-10 вполне может быть достигнут на практике при уменьшении стаивания льда до нормы в 0,5—1 мм.
Необходимо заметить, что только при ориентировочных расчетах льдогенераторов с рециркуляцией воды можно исходить из температуры поступающей водопроводной воды, при более точных расчетах принимают во внимание тепловыделения насоса для циркуляции воды, а также охлаждение поступающей водопроводной воды при смешивании с рециркулирующей водой в баке и последующее доохлаждение ее до околонулевой температуры на поверхности образующегося на испарителе льда.
В одноиспарительном кожухотрубном льдогенераторе (рис. 63) периодическое намораживание и оттаивание льда происходят внутои труб вертикального кожухотрубного испарителя, работающего от холодильного компрессора и горизонтального кожухотрубного конденсатора с поплавковым регулирующим вентилем.
Принудительная циркуляция воды в трубах обеспечивает намораживание цельных или полых ледяных цилиндров, которые после 132
оттаивания разрубаются льдорезкой на куски или (при небольшой толщине цилиндров) измельчаются в скорлупный лед. На период оттаивания льда жидкий аммиак перепускается в ресивер, а в кожу* хотрубный испаритель подается горячий пар аммиака непосредственно из компрессора. Холодильная машина льдогенератора начинает работать как тепловой насос, при этом испаритель выполняет роль конденсатора, а конденсатор — испарителя. Автоматичность работы льдогенератора обеспечивается часовым реле, управляющим пятью соленоидными вентилями. При замораживании открыты только
Рис. 63. Схема кожухотрубной льдогенераторной установки с одним испарителем:
I — кожухотрубный испаритель; 2 — компрессор; 3 — Кожухотрубный конденсатор; 4 — поплавковый регулирующий вентиль; 5 — циркуляционный насос;
6 — льдорезка; 7 — ресивер.
соленоидные вентили СВХ и СВ2, а при оттаивании — вентили СВ3, СВ4 и СВ$.
Если подобный льдогенератор имеет несколько секций испарителей, то они должны работать одновременно.
Из числа импортных кожухотрубных льдогенераторов представляет интерес автоматизированный льдогенератор производительностью 12 т/сут (рис. 64), установленный итальянской фирмой «Термомеханика» на Новороссийском рыбозаводе. Как видно из схемы, намораживание и оттаивание трубчатого льда производится одновременно в трех испарителях, причем оттаивание осуществляется методом теплового насоса — за счет тепла водопроводной воды.
Исследования Шмитта [156] показывают достаточно высокую эффективность (рис. 65) лучших зарубежных кожухотрубных льдогенераторов. Съем льда с 1 м испарительной трубы диаметром 50 мм при толщине слоя льда 5 мм составляет (7,6 кг, при толщине
133
/J 16
Аммиачные трубопроводы Жидкостные линии
------Линия отсасывания паров ------Линия горячего газа ------ Водяные трубопроводы ------Линия электропитания
Электрощит
Рис. 64. Схема йожухотрубного льдогенератора фирмы «ТермоМеха-ника»:
/ _ компрессор; 2 — электродвигатель компрессора (70 кВт); 3 — реостат; 4 — конденсатор; 5 — маслоотделитель; 6 — соленоид оттаивания; 7 — соленоид намораживания; 8 — манометровый щит; 9 — поплавковый регулирующий вентиль (ПРВ) для аммиака; 10 — вертикальные испарители; 11 — аммиакопровод подачи жидкого аммиака к испарителю; 12 — отделитель жидкости; 13 — бачок для воды; 14 — электродвигатель для ножей; 15 — насос; 16 — соленоид; /7 — трубопровод, подачи воды для намораживания льда.
25 мм—1,7 кг. Потери льда при оттаивании соответственно 4,5 и 2%. Удельный расход холода равен 670—700 кДж/кг льда. При толщине льда 6—7 мм достигается максимум удельной льдопроиз-водительности и минимум расхода электроэнергии. Расход циркулирующей воды 50 м3 на 1 т льда. Средняя температура намораживания —15° С, а давление при оттаивании 1,0—1,2 МПа.
Большая высота применяемых в США и Западной Европе кожухотрубных льдогенераторов позволяет достигать производительности 60 т/сут и более на один испаритель из труб длиной 6—7 м и тем
экономить занимаемую площадь. Для уменьшения ам-миакоемкости кожухотрубных испарителей в них размещают вытеснители. В целях снижения потерь при оттаивании длинных цилиндров льда трубы калибруются, а нижнюю обогреваемую трубную решетку оснащают прокладками из красной меди. В южных странах высокие кожухотрубные льдогенераторы располагают под открытым небом.
Подвесные трубчатые льдогенераторы отличаются от кожухотрубных тем, что лед в них намораживается внутри или снаружи висящих двойных труб — в од-
Рис. 65. Лъдопроизводителъностъ и удельный расход энергии в зависимости от толщины слоя льда для кожухотрубной льдогенераторной установки.
постороннем варианте и снаружи и внутри двойных труб — в двустороннем варианте. Намораживание льда в висящих трубах используется в льдогенераторах типа «труба в трубе». Известны технологически простые двухтрубные льдогенераторы внутреннего намораживания фирмы «Нема» (ГДР) марок RE-16, RE-32 и RE-48 с часовой производительностью соответственно 160, 320 и 480 кг дробленого трубчатого льда.
Принцип оросительного намораживания льда на трубах испарителя, а не внутри их был осуществлен в СССР еще в 1950 г. Ткачевым [102] в трубчато-ребристом льдогенераторе — в варианте для производства льда в виде плит (см. выше). Следует заметить, что
135
съем^льда при намораживании йа трубе больше, чем в трубе, хотя линейная скорость льдообразования в последнем случае выше. Целесообразно в принципе и сочетание внешнего льдонамораживания с внутренним.
В СССР трубчатые льдогенераторы с односторонним наружным льдонамораживанием сейчас применяются в виде малых агрегатных
Рис. 66. Общий вид двустороннего трубчатого льдогенератора.
льдогенераторов ОЛ-25/35 (в кг/ч) со встроенными холодильными машинами (см. ниже). Двусторонние трубчатые льдогенераторы обычно имеют большую производительность, они мало металлоемки и не требуют много хладагента.
Автоматизированный двусторонний трубчатый льдогенератор конструкции Вайнера, Карелина и Реморова [33] представлен на рис. 66, 67, 68.
Льдогенератор состоит из четырех батарей висящих испарительных двойных труб (труба 44 мм в трубе 159 мм) длиной по 2300 мм. Трубы посредством насоса орошаются водой снаружи и
136
Г к- wait феру К ре гулирой/Срг^ J [, Я ’И C^^yS^^KjTyb *1С >-j; 3' J * 1 ууТ^И В 'х\ ". L/v^;z^ Аммиачные жидкостные ОтмиаюошИ^-^ .;'-^д> i тММ"Р°1°>“ , штм \? v4f ^,„Spm—Am“nl,>l‘ !аРА‘'‘ "W^-F ^^идкии^аммиак к компРесв°Рам аммиак от PC JPuc. 67. Холодильная схема двустороннего трубчатого льдогенератора. Коллекторы газоод'-разного аммиака r4x^7/w'?/f/77z7X7Z'/ горл-^хЛ у<?г<7 аммиака Д[ ^^коллектор В;1Я' < >Язр № (...4L.^., Аммиачный треххододой запарный т де нт иль с предохранительными клапанами Трудопро&од горячего аммиака Дренажный трудопройод —/—Тр у5опро6дд от предохран, клаааноб —оо—Аммиачный запорный фланцедый Бентиль -си— Аммиачный соленоидный бенталь с ' фильтром -ы—Аммиачный регулирующий вентиль
РП1 ~1Г"
Р/7/ “1Г~
РП1 1Г РЛ2 ПГ" РП1 “If РП2 ~)Г~ РПЗ ~1Г~
РПЗ ~)Г"
Питание 220 В 1
Питание цепей, программного репе 2
Программное реле секции льдогенератора 3
Реле времени. Задержка импульса. на включение автомат, управления k
Наморозка Автоматич. управление 5_ 6
Отсос
Оттай на • 7
Наморозка Ручное управления 8
Отсос 9
Оттайка. 10
Отключение соленоидов при подготовке У П2 к следующему циклу 11
Гр а нсформатор 220/36166 12
Контроль напряжения 13
Цепи соленоидов наморозка /4 15
Контроль включения С В на пульте управления 16
Контроль включения Св но щщре КИПа 17
Цепи соленоидов номорозки и отсоса 1в_ 1В
Контроль включения СВ на пульте управления 20
Контроль включения СВ на щите К И Ра 21
цепи соленоидоб оттайки 22_ 23
Контроль Включения СВ на пульте управления 2k
Контроль включения СВ на щите КИПа 25
Рис. 68. Схема электроавтоматики двустороннего трубчатого льдогенератора,
изнутри. После намерзания (рис. 69 и 70) лед оттаивается горячим паром аммиака и падает на скребки транспортера, подающего его в сдвоенную льдодробилку типа ЛП-1, выпускающую дробленые скорлупы с насыпной массой около 600 кг/м3. При холодильной компрессорно-конденсаторной установке на 700 тыс. Вт производительность льдогенератора в стандартном режиме 3000 кг/ч льда, себестоимость его в среднем на 35% меньше, чем
для блочного льдогенератора с рассольным охлаждением.
Подобные описанному льдогенераторы типа ЛГТ имеют проектную производительность 50, 100, 150 и 200 т льда в сутки и технические характеристики, приведенные в табл. 21.
Рис. 69. Труба испарителя с двусторонним льдообразованием:
1 — жидкостная (и дренажная) труба;
2 — труба подачи горячего аммиака; 3 — газовый патрубок; 4— водораспылительное кольцо; 5 — водяная форсунка; 6 — дренажное кольцо; 7 — лед.
Рис. 70. Изменение толщины льда (8л) внутри (1) и снаружи (2) трубы испарителя.
Трубчатые подвесные льдогенераторы по сравнению с более высокими кожухотрубными льдогенераторами проще в изготовлении, но требуют большие площади.
На рис. 71 представлен распространенный итальянский погружной панельный льдогенератор дробленого пластинчатого льда типа «Фриплет».
Известны также оросительные пакетно-панельные льдогенераторы пластинчатого льда модели «Типпман» (США).
В них лед намораживается на орошаемых водой, близко расположенных испарительных панелях, собранных в пакет, развитый в высоту. Это позволяет изготовлять экономичные, компактные одномодульные льдогенераторы с широким диапазоном производительности.
139
Таблица 21
Показатели льдогенераторов и единица измерения Значения показателей при производительности льдогенераторов, т/сут (кг/ч)
50 (2100) 100 (4200) 150 6300 200 (8400)
Установленная мощность электродвигателей, кВт 32 49 66 82
Удельный расход электроэнергии, кВт>ч/т 7,9 5,9 5,06 4,58
Число секций испарителя 2 4 6 8
Продолжительность намораживания льда (продолжительность цикла), мин 45 45 45 / 45
Продолжительность оттаивания льда в одной секции, мин 5 5 5 5
Толщина намораживаемого льда (средняя), мм 25 25 25 25
Средняя температура кипения хладагента /б, °с —15 —15 — 15 —15
Поверхность испарителя, м2 78 157 235 314
Съем льда с 1 м2 поверхности испарителя, т/м2 0,64 0,64 0,64 0,64
Аммиакоемкость, кг 650 1300 1950 2600
Потребная холодопроизводительность установки, тыс. Вт 490 980 1460 1950
Масса, т 13 25 35 ' 45
Занимаемая площадь (полезная), м2 100 141 193 240
Занимаемый объем, м3 760 1100 1450 1800
Габариты, м
длина 11 16 21 26
ширина 9,2 9,2 9,2 9,2
высота 7,5 7,5 7,5 7,5
140
Для дробления получаемых пластин льда толщиной от 6 до 18 мм используют располагаемую под испарителями скребковую конвейерную дробилку или несколько шнековых дробилок. По данным исследований [10, 156], оптимальная толщина льда и в случае производства скорлупного льда равна в среднем 6 мм. Насыпная масса пластинчатого льда составляет примерно 600 кг/м3 против 500 для обычного скорлупного льда и 400—600 кг/м3 для трубчатого льда с разной толщиной ледяной стенки.
Рис. 71. Погружной панельный льдогенератор пластинчатого льда типа «Фриплет»:
1 — водяной бак; 2 — лед на испарителе; 3 — льдодробилка; 4 — люк выдачи льда.
Применяемые за рубежом пакетно-панельные льдогенераторы пластинчатого льда обычно рассчитаны на производительность о<т 1 до 100 т/сут. Подобные льдогенераторы на 30 т/сут имеют габариты 2,4X2,7)<2,4 м, что соответствует занимаемому удельному объему только 0,5 м3/(т-сут).
Целесообразная градация производительностей оросительных (трубчатых и панельных) льдогенераторов приведена в табл. 22.
Эта таблица составлена в соответствии с градациями по ОСТ 03-943—74 нового осваиваемого ряда советских холодильных компрессоров для стандартных условий холодопроизводительности: тем-
141
Таблица 22
Типоразмеры льдогенераторов Производительность Типы холодильных компрессоров Холодопроизводительность, тыс. Вт
кг/ч т/сут j
1 25 0,6 ПГ-51 5,8
2 50 1,2 ПГ-10 11,6
3 80 1,9 ПБ-14 17
4 160 3,8 ПБ-28 34
5 300 7,2 ПБ-60 64
6 700 17 ПБ-110 128
7 1400 34 ПБ-220 256
8 2200 52 5ВХ-350 405
9 4400 105 6ВХ-700 810
пература кипения хладагента (фреона-22) —15° С, конденсации 30° С и переохлаждения 25° С, температура воды и воздуха 15—20° С. Как правило, каждый льдогенератор обслуживается одним компрессором, но в отдельных случаях мог.ут быть использованы и два компрессора.
В качестве холодильного агента для оросительных льдогенераторов рекомендуется фреон-22, а при большой производительности их также и аммиак.
За рубежом используются оросительные льдогенераторы автоматизированного типа производительностью от 0,5 до 100 т/сут.
Практика показывает, что производительность 4200—4400 кг/ч (100—105 т/сут) сейчас должна быть предельной для серийно выпускаемых оросительных льдогенераторов разных типов. На средних и больших льдозаводах может быть установлено несколько льдогенераторов. В отдельных случаях целесообразно изготовлять льдогенераторы производительностью и более 100 т/сут.
Льдогенераторы типоразмеров 1, 2 и 3 (см. табл. 23) производительностью от 25 до 80 кг/ч удобно выпускать в виде шкафных агрегатов со встроенными компрессорно-конденсаторными установками и одним испарителем для фреона-22 (или 12). Остальные льдогенераторы должны иметь отдельные компрессорно-конденсаторные установки и 3—4 испарителя для фреона-22 (или аммиака).
Льдогенераторы чешуйчатого и снежного льда
Роторные (ротационные) льдогенераторы со съемом чешуйчатого и снежного льда скребками были предложены Холденом (США) еще в 1869 г. Однако только в 1930 г. скребковые льдогенераторы были конструктивно надежно оформлены для непосредственного охлаждения и их стали выпускать серийно, в частности в агрегатах с прессами. В 1943 г. по предложению Ровера (США) началось производство льдогенераторов роторного типа со съемом льда вращающейся фрезой. В настоящее время роторные льдогенераторы производятся во многих странах, в том числе в СССР и ГДР. По данным Мессершмидта [146], в Западной Европе 70% выпускаемых
142
роторных льдогенераторов используется в пищевой промышленности (в том числе в рыбной — 46%) и 30% в химической.
Роторные льдогенераторы используются сейчас для промышленного получения рассыпного и брикетированного льда и льдоводяной пульпы, а также для концентрирования и замораживания жидких и пастообразных пищевых продуктов; они применимы в особо интенсивных устройствах для охлаждения воды и ледяного аккумулирования холода, а также в качестве кристаллизаторов в различных отраслях промышленности и теплообменников при теплонасосном отоплении, использующем теплоту льдообразования.
В современной мясо-молочной промышленности подобные роторные устройства применяются в виде фризеров для изготовления мороженого, для получения чешуйчатого и снежного льда, используемого в целях охлаждения колбасного фарша и гидроохлаждения в льдоводяной пульпе битой птицы, а также для пересыпки молочных продуктов во флягах и бутылках.
Роторные льдогенераторы чешуйчатого и снежного льда благодаря современным усовершенствованиям и новой технологии- применения являются во многих случаях наиболее прогрессивными устройствами. Автоматические роторные льдогенераторы непосредственного охлаждения не нуждаются в оттаивании льда и являются единственными серийными льдогенераторами непрерывного действия. Они изготовляют из пресной и соленой воды снежный и чешуйчатый лед с насыпной массой примерно 300 и 500 кг/м3, а также льдоводяную пульпу, пригодные для непосредственного употребления в пищевой, химической и строительной технологии.
Механическое отделение льда шнеком, 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), имеют минимальный удельный объем (0,1— 0,3 м3/(т-сут). Себестоимость чешуйчатого и снежного льда на 40— 50% меньше стоимости льда из блочных льдогенераторов с рассольным охлаждением.
В широко распространенных скребковых льдогенераторах лед, намерзающий на цилиндрическом испарителе, отделяется от него движущимся скребком в виде чешуек или крупинок, называемых снежным льдом. При замене скребков на катящиеся по льду фрезы получается только чешуйчатый лед. Значительно реже для отделения льда применяется (например, фирмой «Цигра» в ФРГ) вращающийся шнек.
Роторные льдогенераторы с непрерывно снимаемым льдом особо интенсивны [£>1000 Вт/(м2-К)] в основном благодаря тонкослойному (0,5—2,5 мм) намораживанию.
Для современного роторного льдогенератора при энтальпии льда 1л = 326-106 Дж/м3 (?В=1,5°С; % = 0,5° С) и коэффициентах
/ 1,54-0,5 \
ал=10000 Вт/(м2-К) I Afc = - = l°Cl и ах= 1500 Вт/(м2-К)
намораживание при /х=—15° С слоя 6л=0,0015 м с 1Л = =2,22 Вт/(м-К) на стальной стенке [Хс=58 Вт/(м-К)] толщиной 0,008 м требует согласно ранее приведенной универсальной формуле времен^
143
. 5Л ...... 0,00157 1 , 0,008
—S/? = 326.10e.— (— + —
, 0,5-0,0015 , 1 \
Н------------[--------) = 40 5 с.
2,22 10000/ ’ •
Это время соответствует скорости льдообразования w= ....... , 917-334-103-0,000037 = 0,000037 м/с и коэффициенту ал а ---------j----------—
=* 11000 Вт/(м2-К), что близко к принятому в расчете. При отсутствии специального охлаждения воды в смесительном баке до 1—2° С точный расчет должен учитывать кратность циркуляции воды, тепловыделение насоса и теплообмен в баке. Время льдообразования для роторных льдогенераторов в среднем может составлять по сравнению с обычным расчетным по Лондону и Себану [145] около 0,7, а по исследованиям Фомина с сотрудниками [91] около 0,6. Других подтверждений этой особенности не имеется [146].
При образовании очень тонкого льда в связи с возросшим влиянием микрошероховатостей и допленочной кристаллизации (внутриводной и на пограничной поверхности) может увеличиваться коэффициент-теплопередачи по сравнению с обычным расчетным для 1 м2 гладкой поверхности. Если условно принять, что улучшение теплоотвода полностью компенсирует обычное влияние расчет-/0,5 6Л\
ного среднего теплового сопротивления пленки льда —----I, то вре-
\ л-л /
мя льдообразования составит, как и в допленочной стадии,
Для приведенного примера т'=29,5 с. Соответствующий этому коэффициент уменьшения времени льдообразования будет равен 29 5
=0,73, что приближается к приведенным выше данным.
40,5
Скребковые льдогенераторы работают как при циркуляции воды, так и при ограниченной подаче воды без ее рециркуляции и изготовляют при t0——15-^—25° С сухой чешуйчатый лед.
При избытке воды или повышенной температуре хладагента в случае соответствующей настройки скребков (ножей) эти льдогенераторы могут производить снежный лед с влажностью до 20—25% или же льдоводяную пульпу, пригодную для перекачивания насосом.
Скребковые льдогенераторы в режиме получения льдоводяной пульпы (снежный лед с водой) могут быть использованы, в частности, как интенсивные водоохладители, так как тепломассообмен при льдообразовании обычно значительно превосходит конвективный теплообмен,'больше обычного и температурный напор.
Скребковые льдогенераторы (рис. 72) типов ИЛ-300 (габариты 1310X1070X1412 мм) и ИЛ-500 (1575X1360X1725 мм) обеспечивают при температуре воды /В=28°С и хладагента (аммиак, фреон) t0——22° С производительность 300 и 500 кг/ч. Эти льдогенера-
144
Рис. 72. Двусторонний скребковый льдогенератор серии ИЛ-500: 1 — наружный цилиндр испарителя; 2 — внутренний цилиндр испарителя; 3 — внутренний нож (скребок) с кронштейном; 4 — трубка водяная внутренняя; 5 — наружный нож (скребок) с кронштейном; 6 — трубка водяная наружная; 7 — вал; 8 — электродвигатель; 9 — редуктор; 10 — трубка подачи хладагента; 11 — сухопарник; 12 — водосборник; 13 — бачок избыточной воды; 14 — льдоскат; 15 — водяной насос.
торы, разработанные и испытанные в НИКИ механизации рыбной промышленности (НИКИ МРП) Конокотиным [57] и Фоминым [91], имеют вертикальные водооросители и испарители из нержавеющей стали Х18Н10Т с двусторонним намораживанием и съемом льда вращающимися скребками (ножами). При массе льдогенераторов 630 и 1600 кг они обеспечивают при t0=—22°С съем 137 и 168 кг льда в час с 1 м2 поверхности охлаждения.'Так как производитель-
|0 В. А. Бобкор
14?
Таблица 23
Показатели Льдогенераторы Минлегпищемаша
ФИЛ-50/100 । Л-200 «Амур» ИЛ-300 «Пингвин» Л-400 005-1ГИ
Производительность при /0 = 150 '200 300 400 500
=—22°Ч—25° С, кг/ч (100 при 4
— =— 15° С)
Поверхность льдообразования, м2 1,0 1,6 2,55 4,0 4,75
Расход холода при /0=—25° С, Вт 20000 23000 35000 46500 58000
Размеры испарителя, мм
диаметр наружного ци- 450 608 700 820 900
линдра диаметр внутреннего ци- 370 500 600 700 780
линдра высота цилиндра 475 550 700 920 910
Объем внутренней полости испарителя, л 15 35 45 80 85
Габариты льдогенератора, мм
длина 748 985 1310 1310 1360
ширина 920 1160 1070 1310 1575
высота 900 1200 1412 1300 1725
Частота вращения режущего устройства, об/мин 8 9 9 12 7
Масса льдогенератора, кг 250 520 630 1560 1600
Мощность электродвигателя для скребков, кВт 0,45 1,5 2,2 4,5 2,0
ности таких льдогенераторов примерно пропорциональны отношениям температур кипения хладагента и энтальпий воды относительно льда, то их стандартная производительность при t0=—15° С и = = 15° С составит около 235 и 390 кг/ч.
Наряду с выпускаемыми льдогенераторами ИЛ-300 и ИЛ-500 осваивается производство подобных льдогенераторов НИКИ МРП на 100—150кг/ч (марки ФИЛ50/100) и 1000кг/ч (марки Н1-ИЛ25А). Эти льдогенераторы предполагается оснащать испарителями из хромированной стали или из алюминиевых спларов, а р дальнейщрм и фрезами (вместо скребков).
№
Краткие характеристики некоторых льдогенераторов НИКЙ МРП даны в табл. 23.
Осваиваемый в настоящее время новый льдогенератор Н1-ИЛ25 имеет массу 1600 кг и испаритель с поверхностью 4,75 м2. При температуре воды 15° С и хладагента —22° С производительность льдогенератора 18 т/сут в случае испарителя из стали 30 (толщина 8 мм) и 25 т/сут при испарителе из алюминиевого сплава АД31 (толщина 12 мм). Этот льдогенератор конструктивно и по габаритам сходен с льдогенератором ИЛ-500 (см. рис. 72 и табл. 23), который при той же поверхности испарителя из нержавеющей стали Х18Н10Т и температуре хладагента —25° С изготовляет 12 т/сут льда при толщине стали 12 мм и 18 т/сут при толщине 8 мм.
Льдогенератор автономный, роторный, скребкового типа ФИЛ-50/100 со стандартной производительностью 100 и 50 кг/ч предназначается для производства на мясных предприятиях пищевого чешуйчатого льда. Выбранная производительность льдогенератора обусловливалась тем, что при расходе-обычно применяемого в колбасном и сосисочном производстве влажного (25%) снежного льда в количестве 15% от массы фарша и производительности типичных куттеров (емкостью 120 и 250 л) 430 и 860 кг/ч необходимая производительность льдогенератора по сухому чешуйчатому льду должна составлять: в первом случае 430-0,15-0,75 = 50 кг/ч, во втором случае 860-0,15-0,75= 100 кг/ч. За основу была принята производительность льдогенератора 100 кг/ч.
Льдогенератор предназначен для работы на фреонах-22 и -12, но возможно применение и аммиака — в случае централизованного холодоснабжения и использования только льдогенераторного блока в пределах предусмотренных разъемов.
Особенности льдогенератора: применение рециркуляции воды; наличие горизонтального отделителя жидкого хладагента (с паровыми патрубками по концам); использование терморегулятора уровня хладагента типа «Данфос» (вариант, разработанный НИКИ МРП). Вместо терморегулятора уровня (ТРУ) может быть применен серийный поплавковый регулятор уровня (ПРУД).
Для получения двух производительностей от одного льдогенератора (100 и 50 кг/ч) предусматривается применение двух хладагентов (фреон-22 и фреон-12).
Автономный вариант льдогенератора с навесным испарителем (поверхность ~1 м2), предназначаемый для мясных предприятий, представляет собой холодильную установку в каркасном шкафу, включающую компрессор типа 2ФУБС-9 на фреоне-22 с электродвигателем 5 кВт, конденсатор (6 м2) типа КТР, маслоотделитель типа МОВ-32М, теплообменник типа МТФ-40, отделитель жидкости, циркуляционный насос типа 1СЦВ-1,5 с электродвигателем 0,4 кВт, водяной бак и блок автоматики с магнитными пускателями П314 и П214 и другими приборами управления и защиты.
Спереди шкафа с перечисленным оборудованием подвешивается льдогенераторный блок в виде цилиндрического испарителя с вращающимися от электродвигателя внутренними и наружными водо-оросителями и скребками (ножами) конструкции НИКИ МРП.
Непрерывно намораживаемый на неподвижном испарителе лед срезается движущимися скребками (ножами) и выпускается через льдоскат. При этом излишек воды, орошающей испаритель, с помощью насоса возвращается обратно в циркуляционную систему.
10*
147
2558
Рис. 73. Скребковый льдогенератор типа АИЛ-200:
1 — испаритель; 2 — трубопровод для подачи жидкого аммиака; 3 — трубопро ака; 4 — электродвигатель; 5 — редуктор; 6 — муфта; 1 — водяная ванна;
Льдогенератор с навесным испарителем устанавливают на постаменте или фундаменте (с амортизаторами вибрации) — низком при подаче льда к куттеру ковшовой тележкой и высоком при подаче льда в куттер посредством бункера-дозатора, например с термодатчиком уровня льда.
В последнем случае льдогенератор при его оснащении двумя льдогенераторными блоками, работающими в режиме одностороннего орошения водой, может одновременно обслужить два малых куттера, потребляющих по 50 кг/ч льда. При необходимости шкаф с компрессорно-конденсаторным агрегатом устанавливают вдали от куттеров, льдогенераторные блоки в комбинации с бункерами-дозаторами подвешивают над куттерами, а отделители жидкости монтируют непосредственно на льдогенераторных блоках.
Автономный вариант льдогенератора можно устанавливать на высоком постаменте сбоку или между двумя куттерами.
При наличии нескольких куттеров периодического действия целесообразна система централизованного льдоснабжения путем применения мощных скребковых льдогенераторов НИКИ МРП на 500 или 1000 Кг/ч, работающих в режиме получения льдоводяной пульпы. Льдоводяная пульпа от скребкового льдогенератора подается из накопителя насосом по трубам к автоматическим дозаторам-отстойникам над куттерами, а отделившаяся вода возвращается самотеком обратно к льдогенератору (предложение ВНИХИ).
По исследованиям Фомина с сотрудниками [91], замена обычных у нас испарителей из нержавеющей стали Х18Н10Т толщиной 8—12 мм на испарители из хромированной стали 30 увеличивает съем льда толщиной 0,5—1 мм примерно в 1,5—2 раза, а при испарителях из алюминиевых сплавов (АМГ5 и АД31) —еще более.
По данным Конокотина [57], производительность скребковых льдогенераторов может быть увеличена на 15—20% при насосной
148
циркуляций хладагента и на 25% в случае охлаждения воды перед замораживанием с 25 до 2° С.
- Кроме описанных двусторонних скребковых льдогенераторов у нас применяются односторонние льдогенераторы АИЛ-200 и Л-250 бийского завода «Молмашстрой».
В льдогенераторе АИЛ-200 (рис. ' 73) в баке, заполненном наполовину водой, вращается цилиндрический испаритель. Внутри цилиндра происходит кипение хладагента, подводимого с одного конца и отсасываемого с другого. Образующийся на наружной поверхности цилиндра лед толщиной 1—3 мм скалывается неподвижным
вод для отсоса паров амми-8 — вал.
резцом.
Испарительный цилиндр длиной 900 мм с наружным диаметром 700 мм имеет с торцов специальные днища. К цилиндру посредством
сальников и полого вала подведены жидкостный и всасывающий аммиачные трубопроводы. С боков цилиндра находятся цапфы, через одну из которых он приводится во вращение от редуктора электродвигателя мощностью 2,8 кВт.
Льдогенератор производит при t0=—22° С около 220 кг/ч льда. В зависимости от режима работы льдогенератора (температура, число оборотов, уровень воды) лед скалывается в виде переохлажденных сухих чешуек или в виде влажной снежной массы. Снежный лед рекомендуется как можно быстрее использовать по назначению, чешуйчатый лед можно некоторое время хранить до использования. Испытания показали, что производительность льдогенератора, отнесенная к 1 м2 поверхности и 1°С перепада температур (для tB= = 20°С), составляет при толщине льда 1 мм около 5 кг/(м2-ч-°С).
Недостатком конструкции льдогенератора АИЛ-200 является вращающийся испаритель; то же относится к дисковому льдогенератору (рис. 74) Астрыбвтуза [85] и к известным датским вертикальным льдогенераторам фирмы «Атлас».
Льдогенератор Л-250 (рис. 75 и 76) имеет следующую техни-
ческую характеристику:
Техническая характеристика льдогенератора Л-250
Производительность при to ——22° С, кг/ч 300
Поверхность льдообразования, м2 1,96
Расход холода при to ——22° и fK=20°C, Вт 50 000
Частота вращения ножевого вала, об/мин 15
Электродвигатель привода
мощность, кВт 3
частота вращения, об/мин 1432
Масса льдогенератора, кг Ш5
149
Главные узлы этого льдогенератора: неподвижный испаритель, вал^ режущий инструмент, трубка для подачи воды, водосборник, привод.
Испаритель сварной конструкции, состоит из двух цилиндров разных диаметров, вставленных один в другой и соединенных между собой по торцам фланцами. В пространстве между цилиндрами
Отёад пара
Рис. 74. Дисковый льдогенератор скребкового типа (общий вид и разрез).
испарителя — холодильный агент (фреон-12 или аммиак). Внутренний цилиндр выполнен из нержавеющей стали. Для увеличения холодопередающей поверхности внутри цилиндра приварены ребра из полосовой стали.
Вал льдогенератора смонтирован внутри испарителя на верхнем и нижнем фланцах. На валу размещается режущий лед инструмент и оросительная трубка. При вращении вала режущий инструмент срезает с внутренней поверхности испарителя лед. Следующая
150
0<tO
ЛЯ
Вода
Подбод боды
Теплообменник-
От ресибера К компрессору
ОтВод пааоб
7>7и2
нки
$920
К электродбигателнл | компрессора ।
Спуск масла
41X11-
ТРВ
Абарийный Выпуск Фреона
холодильного
агента
_____________/J79 Подбод холодильного агента
Выпуск боды б канализацию а
Отбод боды б
iPuc. 75. Скребковый льдогенератор типа Л-250:
•а ' принципиальная схема; б — разрез испарителя с оборудованием.
за резцом оросительная трубка подает воду на поверхность испа
рителя.
Вода морская или пресная, проходя через фильтр, очищается и по трубопроводу поступает через вал в оросительную трубку. Распыляясь через высверленные отверстия, большая часть воды за-
мерзает на внутренней вертикальной
Рис. 76. Скребки для отделения льда в льдогенераторе Л-250:
поверхности льдогенератора. Избыток воды стекает в специальный водосборник, а оттуда в поддон для направления в канализацию или обратно в льдогенератор (при работе, например, на режиме получения увлажненного снежного льда).
Привод льдогенератора состоит из электродвигателя, червячного редуктора и зубчатой передачи на вал льдо-
генератора и монтируется на верхнем фланце испарителя.
Из льдогенератора, работающего на фреоне, пар поступает в теплообменник, по змеевикам которого протекает сконденсированный жидкий фреон. Омывая змеевики, пар воспринимает те-
пло жидкого агента и переходит из насыщенного состояния в перегретое. Перегретый пар поступает во всасывающую линию компрессора.
Подача жидкого холодильного агента к льдогенератору предусматривается с автоматическим и ручным регулированием. В случае автоматического регулирования холодильный агент поступает по трубопроводу через фильтр и соленоидный вентиль к ТРВ. Терморегулирующий вентиль (ТРВ) соединен уравнительной трубкой со всасывающим трубопроводом. В нем происходит понижение давле-
а — основной; б — торцевой.
ния и температуры жидкого агента до давления и температуры агента в льдогенераторе. Соленоидный вентиль сблокирован с электродвигателем льдогенератора, поэтому отключение подачи жидкого фреона осуществляется одновременно с остановкой электродвигателя.
Для льдогенератора Л-250 роторного типа во ВНИХИ Гимпе-левичем [40] была разработана оригинальная конструкция снегопрессовальной установки производительностью 250 кг снежНоблоч-ного льда в час. Установка (рис. 77) состоит из шнекового снего-пресса с питателем, формирующей насадкой и устройством для отламывания получаемых цилиндрических брикетов или блоков массой 5 кг.
Получаемые с помощью указанной установки снежные блоки или брикеты домораживаются до —5° С на охлаждаемых наклонных плоскостях небольшого льдохранилища, располагаемого под льдогенератором и прессом. Избыточная вода, выдавливаемая прц
15?
прессовании мокрого снега, с помощью циркуляционного насоса возвращается обратно в льдогенератор.
Мощность электродвигателя пресса не превышает 1 кВт. Новый снегобрикетный агрегат выгодно отличается от указанных ниже агрегатов фирмы «Вильтер» (США) возможностью изготовления крупных брикетов и блоков (до 5 кг), прессуемых при давлении 0,1— 0,2 МПа, вместо 10—17,5 МПа. Небольшие давления прессования получаются при условии выдавливания из снежной массы избыточной воды (~20%) через специальные отверстия, имеющиеся в питающем бункере, корпусе пресса и. в направляющей трубе.
Рис. 77. Снегобрикетный агрегат:
1 — льдогенератор Л-250; 2 — бункер; 3 — вертикальный питатель; 4 — шнековый пресс; 5 — ограничитель; 6 — наклонные плоскости; 7 — теплоизолированная камера; 8 — охлаждающие трубы; 9 — выходное окно.
Полученные на экспериментальном снегопрессе цилиндрические брикеты и блоки диаметром 100 мм и длиной до 600—800 мм имели плотность 890 кг/м3 и обладали достаточной механической прочностью.
В связи с процессом снегопрессования необходимо отметить, что обычное давление плавления льда (рл) в соответствии с фазовой диаграммой для воды составляет (в случае льда температурой tn)
f рл«0,1-12,9f—О,15^.
Например, при 1Л=—1°С значение р«13 МПа, а при £л=—0,01°С всего р«0,23 МПа. Поэтому прессование льда целесообразно проводить при околонулевой температуре. Талую воду при этом удаляют.
153
Таблица 24
Давление прессования, МПа Плотность льда, кг/м3 Предел прочности льда при сжатии, МПа
0,42 640 0,14
1,20 750 0,62
2,40 850 1,7
при которой снег превращается в лед
7
Результаты опытов автора и Берменева во ВНИХИ по прессованию мелкокускового льда при 0° С посредством специального пресса представлены в табл. 24.
При прессовании мелкокускового льда или снега происходит процесс заполнения пор, обычно связанный как с плавлением, так и со смерзанием льда.
В гляциологии условно принимают, что критическая пористость, (с условной плотностью 600 кг/м3), равняется 37%. По данным автора, пористость неуплотнен-цой засыпки из льда в однородных кусках независимо от их размеров составляет ~50%, что близко к пористости однородной шаровой засыпки' ~ 45 %.
Для получения больших количеств снежного льда за рубежом применяют также скребковые льдогенераторы горизонтального типа — сне-гогенераторы.
Снегогенератор (рис. 78) представляет собой двухстенный горизонтальный цилиндр с рубашкой для кипения хладагента, внутри которого вращается ротор со специальными скребками (ножами) для срезания льда. Внутрь цилиндра посредством центробежного насоса подается вода, которая частично замерзает на стенках слоем < 1 мм, и лед непрерывно соскребается ножами в виде гранул или слипшихся крупинок массой 1—5 мг. Вода после отделения льда возвращается в снегогенератор. Снежная масса из крупинок льда и незамерзшей воды выталки-
Рис. 78. Горизонтальный снегогенератор скребкового типа:
1 — корпус; 2 — испарительная рубашка;
3 — вращающиеся скребки; 4 — вход воды;
5 — выход снега с водой; 6 — вход холодильного агента; 7 — выход холодильного агента.
154
2
6
(США), со-холодильного конденсатора снегогенератора, пло-Водяной насос име-производительность
вается с другого конца испарительного цилиндра под давлением насоса в специальный отстойник, где часть воды стекает и возвращается для рециркуляции, а снег с содержанием воды 25% направляют для непосредственного использования или прессуют в брикеты в специальном прессе револьверного типа.
Условия теплопередачи в снегогенераторе весьма благоприятны благодаря ребристым стенкам испарительной рубашки цилиндра и большой скорости движения воды (до 6 м/с). Коэффициент теплопередачи в снегогенераторе достигает 1500 Вт/(м2-К) и более.
Горизонтальные снегоге-нераторы имеют производительность от ip до 30 т/сут. Полная снегдгенераторная установка на 25 т/сут фирмы «Вильтер» стоящая из компрессора, и самого занимает только 5 м2 щади, ет 0,3 м3/мин, а отстойный бункер рассчитан на 2 т снега. При желании смесь воды и снега может быть транспортирована по трубам к месту потребления.
Снегогенераторы фирмы «Вильтер» часто агрегатиру-ются с револьверными прессами, изготовляющими снежные брикеты по 0,7 кг; последние хранят в альных бункерах.
Рис. 79. Фрезерный льдогенератор типа КЕ:
1 — испаритель; 2 — отделитель жидкости; 3 — корзина, вращающая водооро-ситель и фрезы; 4 — фреза; 5 — водо-ороситель; 6 — кожух.
специ-
За рубежом все боль-получают
роторные льдогенераторы с фреза-(США), «Холл» (Англия), «Сабро»
шее распространение ми, в частности фирм «ИОРК» (Дания), «Нема» (ГДР). Эти льдогенераторы производят только чешуйчатый лед.
Одними из лучших являются двусторонние фрезерные льдогенераторы типа КЕ фирмы «Нема» (рис. 79 и 80). Технические показатели их приведены на рис. 81. Ледогенератор КЕ-5 имеет массу 650 кг, занимает площадь 1,2 м2; КЕ-10 соответственно 1160 кг и 2,5 м2.
Электрические мощности двигателей у льдогенератора КЕ-10 для фрез 0,4 кВт, для циркуляционного насоса 0,6 кВт, частота вращения группы фрез 2 об/мин против 8—15 для применяемых у нас скребков. Удельный расход холода примерно 460 кДж/кг.
Фрезерный льдогенератор с двусторонним намораживанием льда отличается от соответствующего скребкового льдогенератора в основном тем, что вместо затупляющихся, частично режущих лед скребков в нем использованы винтовые фрезы долговременного пользования, полностью скалывающие лед вдоль подложки. В случае намораживания льда толщиной 1,5—2,5 мм уже при t0——15° С
155
получается хорошо отделяемый фрезами от испарителя чешуйчатый лед температурой не выше —5° С. При фрезерных льдогенераторах, работающих при температуре кипения хладагента —15° С, вместо обычной у нас температуры —25° С, уменьшается необходимая стандартная холодопроизводительность компрессора примерно в 2 раза, а расход электроэнергии на получение льда снижается почти на ’/з. Установочная мощность электродвигателя для отделения льда от полированного испарителя катящейся фрезой, по крайней мере,
Рис. 80. Холодильная схема фрезерного льдогенератора типа КЕ: 1 — льдогенератор; 2 — водоподающее устройство; 3 — конденсатор; 4 — холодильный компрессор.
в 2 раза меньше, чем при использовании скребка (ножа), отделяющего лед от обычной неполированной поверхности испарителя. Это объясняется сниженным сцеплением льда с полированной поверхностью и уменьшенным разрушающим напряжением при скалывании льда фрезой по сравнению с частичным резанием льда скребком.
Избыточное орошение водой испарителя и нетребовательность фрез в отношении юстирования и заточки их делают фрезерные льдогенераторы надежными и практически весьма эффективными. Масса и занимаемая ими площадь примерно в 10 раз меньше, чем соответствующие показатели рассольных льдогенераторов блочного льда.
Фрезерные роторные льдогенераторы оснащаются стальным твердохромированным полированным испарителем с интенсифйциру-ющими теплообмен вставками и емким ресивером — отделителем жидкости с терморегулятором уровня. Имеющиеся горизонтальные водооросители для лучшего охлаждения и осушения льда охватывают только 3Д поверхности испарителя и по своей конструкции не нуждаются в регулировке. Применяемая 5—10-кратная рециркуляция воды всегда обеспечивает полное орошение испарителя и дает возможность получать прозрачный чешуйчатый лед.
156
Кроме описанных, известны также малые фрезерные льдогенераторы «Нема», агрегатированные вместе с холодильной машиной в один блок типа небольшого шкафа (см. далее).
Сравнительные характеристики роторных льдогенераторов фирм «Нема» и «Атлас» (Дания) средней производительности даны в табл. 25. Вертикальные скребковые льдогенераторы «Атлас» имеют вращающиеся испарители и неподвижные ножи. Максимальная про-
Таблица 25
Показатели Льдогенераторы
«Нема» типа КЕ-10 «Атлас» типа V-310A
Производительность, т/сут 11 6—16
Температура воды, °C 15 10
Температура кипения хладагента, °C — 15 —10 н—25
Холодильный агент Мощность двигателя, кВт NH3 NHg
льдофрез (скребков) 0,4 } 2
водяного насоса 0,6
Масса льдогенератора, кг 1160 1900
157
Таблица 26
Технические показатели- Давления водяного пара, МПа
0,2 0,4 1,0
Расход пара, кг/ч 55 42 32
Расход воды, м3/ч 5,7 4,9 4,2
изводительность их достигает 60 т/сут (в сдвоенной модели
VD-1200). Предложенные Врбкой и Урбаном (Чехословакия) фрезерные льдогенераторы с неподвижными испарителями из набора дисков
Рис. 82. Дисковый льдогенератор фрезерного типа:
(рис. 82) перспективны для больших производительностей, но по причине частных конструктивных недостатков не получили распространения.
Также пока не внедрены, но представляют интерес льдогенераторы с образованием гранул льда непосредственно в гидрофобном хла-доносителе (предложение Шлейникова и Чурносовой по авт. свид. № 396531 за 1973 г.) или хладагенте (аналогично соответствующим опреснителям воды при сс=» 105 Вт/м3 *К).
В вакуумных льдогенераторах сне$кночешуйчатого льда со шнековыми прессами фирмы «Линде» (ФРГ) образование льда достигается при посредстве работа-
ющих на «мятом» паре пароводяных эжекторных холодильных машин за счет ис-
1 — фрезы; 2 — испаритель; 3 — водо-ороситель; 4 — водоотделитель.
парения воды при. давлении около тройной точки.
В вакуумном льдогенераторе вода разбрызгивает-
ся внутри герметичного испарителя и замерзает как во время падения в воздухе, так и на металлической ленте движущегося транспортера, с которого частицы льда непосредственно попадают в шнековый пресс. Шнек одновременно прессует ряд небольших ледяных стержней, которые выдавливаются через специальную решетку, обламываются, встречаясь с упорным конусом, и падают в приемный бункер.
Вакуумные льдогенераторы довольно компактны, процесс льдообразования в них интенсивен даже при околонулевой температуре.
158
В табл. 26 приведены некоторые данные по расходу пара и воды для вакуумного льдогенератора производительностью 100 кг/ч.
Новый метод получения снежного льда и льдоводяной пульпы, предложенный во ВНЙХИ автором [12], основан на переохлаждении движущейся воды в охлаждаемых капиллярах и превращении ее в лед при выходе из капилляров (рис. 83).
Поток боды Капилляр
"оТЕ
Охлаждающие плиты
Переохлаждение
Кристаллизация
Назревание выше (ГС
Охлаждение до 0°С
Пограничный слой ""
Молекулы боды /условно/ Лед Сетка '
Температура - O°C+t^ Начальная темпе-переохпаждения ратура
Рис. 83. Схема: получения льда методом переохлаждения воды в капилляре.
Предварительные исследования, состоявшие из нескольких серий опытов, проводились на модели капиллярного льдогенератора, в котором в качестве охлаждаемых служили плиты 400X400 мм от льдогенератора типа Л Г-10.
Первые 3 серии опытов проводились с двумя полированными и охлаждаемыми этиленгликолем плитами со свободной капиллярной щелью между ними, вторые 3 серии опытов с полированными плитами и сеточным капиллярным вытеснителем в щели.
Использовалась московская водопроводная вода.
В первой серии опытов исследовалось влияние ширины щели между плитами (от 0,03 до Q,2 мм) на достигаемое переохлаждение воды. Из ранее приведенного графика (см. рис. 2) видно, что переохлаждение при уменьшении ширины щели с 0,1 мм (большие щели давали неустойчивые показатели) увеличивается сначала медленно (до 0,06 мм), а потом все более быстро (до 0,03 мм)—в параболической зависимости от увеличения 'капиллярности системы, обусловливаемой сужением щели или уменьшением эквивалентных диаметров капилляров. В опытах с минимальной щелью 0,03 мм скорость воды была около 5 м/с. Внутриводный лед образовывался в виде плоских диаметром 2—3 мм прозрачных чешуек толщиной -~0,1 мм, располагавшихся в основном параллельно потоку воды на льдоскате под плитами.
Обычно самопроизвольное образование льда начиналось при переохлаждении воды до —1°С и ниже; при внесении ледяной затравки было достаточно переохлаждения до —0,1° С.
159
Опыты второй и третьей серий и предварительные исследования показали отсутствие существенного влияния материала, шероховатости и гидрофильности охлаждающих плит, а также примесей к воде и вибраций на переохлаждаемость капиллярно связанной воды. Как известно, все эти факторы заметно влияют на переохлаждаемость несвязанной (свободной) воды.
Учитывая трудности изготовления первых льдогенераторов с узкими щелевыми капиллярами, был испытан капиллярный вытесни-
Рис. 84. Получение снежного льда в модели капиллярного льдогенератора.
тель для относительно широкой щели в виде плоского металлического фитиля. Фитильный капилляр должен улучшать условия теплопередачи благодаря увеличению поверхности теплообмена.
Четвертая, пятая и шестая серии опытов были проведены на плитах со щелью 0,85 мм с фитильным капилляром'в виде плотной сетки № 90 из нержавеющей стали (основа 24 проволоки диаметром 0,2 мм, уток — 48 проволок диаметром 0,3 мм).
Сравнительные опыты четвертой и пятой серий проводились соответственно с продольной сеткой (поток воды — по утку) и с поперечной сеткой (поток воды — поперек утка). При этом лучшие результаты были получены в пятой серии опытов на модели льдогенератора с поперечной сеткой (рис. 84), при которой температура переохлаждения воды достигала —3° С (рис. 85). Средний коэффициент теплопередачи процесса составил около 1000 Вт/(м2-К) при Д£=2,5°С, а выход льда — 9,8 кг/(м2-ч-°С) против 1,6 кг/(м2-ч-°С) для тех же охлаждающих плит в условиях льдогенератора Л Г-Юм. Потеря дав-
460
ления воды в капилляре плит, например, при расходе 4,5 л/мин составила около 0,05 МПа.
Опыты шестой серии, аналогичные пятой серии, но с дистиллированной водой, не показали ее значительного влияния на переохлаждение.
Обнаруженное в опытах замерзание капиллярной щели через 30—50 мин после начала процесса, по-видимому, обусловливалось попаданием в переохлажденную воду затравки из инея, постепенно об-
Рис. 85. Температуры воды в модели капиллярного льдогенератора.
разующегося снаружи выходных кромок плит. Чрезвычайная активность инея как затравки кристаллизации объясняется тем, что в этом случае молекулы воды «садятся» в уже готовые узлы кристаллической решетки льда. Для устранения 'замерзания капиллярной щели был сконструирован усовершенствованный переохладитель, имеющий удлиненные теплоизолированные сливные кромки плит, на которых не может образовываться иней, так как температура их наружной поверхности выше 0° С.
На основе проведенных во ВНИХИ исследований автором был разработан проект опытного капиллярного льдогенератора КД-25 (рис. 86) с расчетной льдопроизводительностью 25 кг/ч (600 кг/сут), предназначенного для получения снежного льда на предприятиях торговли и общественного питания, а также в больницах, лабораториях. После доводки и освоения подобные льдогенераторы, вероятно, найдут применение в сельском хозяйстве, в промышленности, торговле и на транспорте. При агрегатировании со снегопрессами они обеспечат получение как мелкобрикетного, так и крупноблочного льда. Капиллярные льдогенераторы в принципе могут быть эффективно использованы для холодоаккумуляции и гидроохлаждения пищевых продуктов, а также в качестве кристаллизаторов непрерывного действия; например в химической промышленности.
Льдогенератор КЛ-25 представляет собой автономную холодильную установку, включающую следующее основное оборудование: фреоновый компрессорно-конденсаторный агрегат; специальный испаритель из 5 полых алюминиевых (сплав АДЗ) плит профиля 110-3 с капиллярными прокладками (из сетки № 90 нержавеющей стали)
Н В. А. Бобков
161
между плит, с терморегулирующим вентилем и распределителями фреона и воды; циркуляционный центробежно-вихревой водяной насос с сеточным фильтром; водосборный бак с поплавковым вентилем и засыпным фильтром; сетчатый льдоскат — для отделения льда от воды.
В соответствии с принципиальной схемой (см. рис. 86) водопроводная вода поступает в бак через засыпной фильтр и поплавковый вентиль, забирается из бака через сетчатый фильтр насосом и подается для переохлаждения до —3° С в капиллярные щели между охлаждаемыми холодильной машиной плитами испарителя. Из капиллярных щелей между плит вада попадает на сетчатый льдоскат, где частью превращается в снежный лед за счет имевшегося переохлаждения, а частью сливается обратно в водяной бак.
Ниже приводятся данные ориентировочного расчета льдогенератора К Л-25.
При температуре поступающей воды 20° С приблизительный расхбд холода нетто на 1 кг льда составит 419 кДж. Если принять потери на теплопередачу и работу
насоса с запасом в 20%, то удельный расход холода (брутто) на получение 1 кг льда будет равен 419-1,2 «500 кДж.
Для получения 25 кг льда в час необходимая холодопроизводительность q=500 -25 -0,278 «3500 Вт.
При переохлаждении воды до —3° С потребный объем ее V— 334-25
= ~ = 670 л/ч, где 12,5 и 334 кДж/кг — энтальпия воды при
12,5
—3° С и льда при 0° С. При практически потребном напоре перед щелями испарителя около 0,05 МПа может быть принят для установки самовсасывающий центробежно-вихревой насос, например, типа 670 1СЦВ-1.5. Кратность циркуляции воды составит п = —- = 27, Zu
что близко к кратности циркуляции воды, обычно принимаемой для трубчатых льдогенераторов.
Необходимая поверхность испарителя для производства 25 кг/ч льда при условно принимаемых экспериментальных данных для ох-
162
Рис. 86. Схема капиллярного льдогенератора:
1 — капиллярный водоохладитель; 2 — насос; 3 — сетчатый льдоскат; 4 — поддон;
5 — фильтр для воды.
лаждаемых плит (коэффициент теплопередачи k «1000 Вт/(м2-К) и
Д*=2,5вС)
составляет не более f=
3500
1000-2,5
= 1,4 м2. При этом для
выбранных плит размером 0,46X0,38 м расчетное число щелей меж-1,4
ду плитами будет 4g о 38) Так как кРа^ние плиты испарителя используются только' с одной стороны, то принят испаритель в виде пакета из 5 плит.
При дальнейших исследованиях капиллярных льдогенераторов представляет интерес изучение, в частности, влияния ультразвука на уменьшение гидравлического сопротивления капилляров и на процесс переохлаждения воды.
Агрегатные льдогенераторы
Агрегатные льдогенераторы, т. е. льдогенераторы, агрегатирован-ные с холодильной машиной и с двигателем, а иногда и с льдохранилищем, получили широкое распространение. В торговле используются агрегаты производительностью до 20 и даже 40 кг/ч льда, в промышленности — еще больше; агрегатные мини-льдогенераторы имеют производительность менее 1 кг/ч.
Агрегатные льдогенераторы пищевого прозрачного льда с производительностью до 20—40 кг/ч могут с успехом применяться в магазинах, на продовольственных рынках, в ресторанах и фабриках-кухнях, в лабораториях и больницах.
Агрегатные льдогенераторы автономны и дают возможность получать требуемое количество льда по мере надобности на месте потребления. Конструкции их разнообразны и они только отчасти повторяют описанные выше льдогенераторы производственного типа.
Автоматический льдогенератор с программным управлением ОЛ-25, предложенный автором [10], имеет расчетную производительность 25 кг/ч (до 0,5—0,6 т/сут) дробленого пингевого льда.
В комплект льдогенератора ОЛ-25, представляющего собой холодильную установку шкафного типа размерами 1060X680X2650 мм (рис. 87) и массой 800 кг, входят следующие основные механизмы и узлы (рис. 88):
1) фреоновый компрессорно-конденсаторный агрегат типа АК-2ФВ8/4 производительностью около 5800 Вт при 1000 об/мин с электродвигателем мощностью 2,3 кВт; в этом агрегате змеевик конденсатора повернут на 180°, а теплообменник и шкив электродвигателя компрессора заменены изготовленными по чертежам ВНИХИ (поверхность теплообменника увеличена в 3 раза);
2) десятитрубный вертикальный испаритель поверхностью 1,79 м2 с ресивером 2 емкостью 30 л, терморегулирующим вентилем и шестью соленоидными вентилями; ресивер, коллектор и трубопроводы, рассчитанные на температуру ниже 0°, теплоизолированы;
3) центробежный насос типа 1СЦВ-1,5 производительностью 1,5 м3/ч с электродвигателем мощностью 0,4 кВт, оросителем и приемным баком для циркулирующей воды;
4) шнековая льдодробилка с универсальным приводом типа 722-М на 200 об/мин с электродвигателем мощностью 1,8 кВт;
11* 163
Рис. 87. Общий вид и разрез льдогенератора ОЛ-25:
1 — испаритель; 2 — ресивер; 3 — шнековая льдодробилка; 4 — электропривод; 5 — водяной бак.
5) реле времени типа КЭП-10 (или МКП-12), обеспечивающее автоматическое включение и выключение шести соленоидных вентилей и электродвигателей насоса и льдодробилки.
Приводимые ниже характеристики агрегата ОЛ-25, полученные в результате испытаний, проведенных автором во ВНИХИ совместно с Коробовым, послужили основой для разработки принципиально аналогичного агрегата ОЛ-25/35, рассчитанного на серийное производство.
В период намораживания льда компрессорно-конденсаторный агрегат работает в качестве холодильной машины, а в лериод оттаива
164
ния льда — как тепловой насос. Намороженные на трубах и оттаявшие ледяные цилиндры подаются на шнек льдодробилки и измельчаются в скорлупы.
По схеме электроавтоматики льдогенератора (рис. 89) автоматическое включение и выключение шести соленоидных вентилей, управляющих намораживанием и оттаиванием, и электродвигателей насоса и дробилки производится электрическим реле времени, настраиваемым на циклы производства льда от 15 до 38 мин.
Манометр водомер
| Термометр Ротаметр
И— Электросчетчик
Рис. 88. П ринципиальная схема льдогенератора О Л-25:
1 — испаритель льдогенератора с оросителем; 2 — ресивер; 3 — льдодробилка; 4 — электропривод с редуктором; 5 — водяной бак с поплавковым вентилем;
6 — центробежный насос с электродвигателем; 7 — терморегулирующий вентиль; 8 — компрессорно-конденсаторный агрегат; 9 — соленоидный вентиль СВФ10; 10 — соленоидный вентиль СВФ25; 11, 12, 13, 14 — соленоидные вентили СВФ15.
При намораживании льда соленоидные вентили (СВФ) 9, 10, 11 и 13 открыты, а остальные закрыты. При выдавливании фреона из испарителя в ресивер (после окончания намораживания льда) открыты вентили 10 и 12, а при оттаивании льда — вентили 12 и 14. В конце намораживания вентиль 9 закрывается на 4—5 мин раньше вентилей 11 и 13, а в начале выдавливания фреона вентиль 12 открывается на 1—2 с раньше, чем закрывается вентиль 13.
Реле времени КЭП-10 (или МКП-12) позволяет осуществлять программное управление льдогенератором и в зависимости от задан-
165
Рис. 89. Электрическая схема автоматизации льдогенератора ОЛ-25.
ного времени намораживания получать трубчатый дробленый лед сб скорлупами толщиной от 3 до 10 мм. Тонкие скорлупы используют для непосредственной пересыпки пищевых продуктов, а толстые — для пересыпки пищевых продуктов, упакованных в тару.
По расчетным данным, для получения 25 кг льда в час при расходе холода около 840 кДж/кг необходимо 5800 Вт холода при средней температуре кипения фреона —12° С.
Как показали данные испытаний трубчатого льдогенератора конструкции Ткачева [102], для намораживания при средней температуре to——12° С цилиндрического слоя льда толщиной 9 мм (после оттаивания 8 мм) на трубе диаметром 57X3 мм практически необходимо затратить 27 мин. Для выдавливания хладагента в ресивер, а также оттаивания и дробления льда должно быть затрачено дополнительно 3 мин. Таким образом, продолжительность всего цикла производства льда составит 30 мин. Удельный съем льда go толщиной 9 мм с 1 м трубы при оттаивании на толщину 0,5 мм составляет по расчету 1,4 кг/м. Для получения 25 кг/ч льда при цикле производства в 30 мин необходимая длина труб испарителя около 9 м. Принятая общая длина труб испарителей 10 м (поверхность Г=1,79 м2) по конструктивным соображениям разделена на 10 отдельных частей — труб длиной по 1000 мм каждая.
Для равномерного распределения фреона по трубам испарителя, в частности необходимого при выдавливании жидкого фреона во время оттаивания, каждая из труб испарителя снабжена шайбой с дроссельным отверстием диаметром 2 мм. По расчету шайба обеспечивает противодавление до 1100 мм жидкого фреонового столба при скорости пара около 50 м/с.
Расход воды на рециркуляцию с кратностью 30—50, необходимой при получении прозрачного льда высокого качества, для льдогенератора производительностью 25 кг/ч составит 25-50 = 1250 л/ч. Соответственно принят самовсасывающий насос типа 1СЦВ-1.5 производительностью 1500 л/ч.
Льдодробилка приводится в движение от универсального электропривода типа 722-М на 200 об/мин с электродвигателем 1,8 кВт. При максимальной толщине стенок ледяной трубки 9 мм, соответствующей площади сечения /=18,65 см2, выбранный электропривод обеспечивает усилие, необходимое для последовательного обламывания труб из льда с разрушающим напряжением скалывания 0,7 МПа.
Предварительные испытания показали, что максимальная толщина льда не должна превышать 12 мм, минимальная — 3 мм, а максимальный подогрев воды в конденсаторе 12—15° С.
Было установлено, что для более равномерной работы терморегулирующего вентиля ТРВ во время намораживания льда термочувствительный патрон его должен быть расположен до теплообменника. Чтобы обеспечить дренаж фреона, конденсирующегося в испарителе во время оттаивания, для улучшения этого процесса СВФ10 (см. рис. 89), отсекающий испаритель, должен работать со слегка приподнятым клапаном.
Испытания льдогенератора (количество фреона-12 было 23 ьг) проводились при температуре воздуха 15—20° С. Результаты испытаний представлены на нижеприводимых графиках.
На графике рис. 90 видно, что при увеличении температуры воды с 9 до 28° С (подогрев в конденсаторе 3°С) производительность
167
льдогенератора падает с S3 до 21 кг/ч, а расход электроэнергии для выработки 1 т льда возрастает со 120 до 140 кВт-ч. Увеличение расхода холода на выработку льда составило 670—960 кДж/кг.
Часовая производительность льдогенератора (рис. 91) зависит от подогрева воды М в конденсаторе, изменениям Д/ от 3 до 12° С соответствуют производительности от 27,5 до 13 кг/ч.
, Продолжительность цикла т получения льда (намораживание — оттаивание) также влияет на производительность.
Рис. 90. Зависимость производительности g, потребления электроэнергии N и расхода холода q от температуры воды tB.
Как видно из рис. 91, максимальная производительность при продолжительности цикла т=25 и 30 мин примерно на 2,5 кг больше минимальной при т=15 и 38 мин. Наибольшая эффективность циклов производства 25 и 30 мин обусловлена тем, что при цикле в 15 мин велики относительные потери льда во время оттаивания а при цикле в 38 мин в большей мере оказывает влияние тепловое сопротивление возросшей толщины слоя льда.
Удельные расходы воды и электроэнергии на выработку льда в большей степени зависят от подогрева воды Д/ в конденсаторе и в меньшей — от продолжительности цикла. При этом минимум расходов для выработки 1 кг льда также достигнут при продолжительности циклов в 25 и 30 мин.
Зависимость суммы стоимостей воды и электроэнергии, приходящейся на 1 т выработанного льда, от продолжительности цикла и подогрева воды Д/ в конденсаторе показана на рис. 92. При стоимости воды 0,06 руб./м3 и электроэнергии 0,02 и 0,04 руб./(кВт-ч) экономи-168
чески оптимальным должен быть цикл 25—30 мин при подогреве воды в конденсаторе на Д/=6° С. Выработка льда при этом режиме составит 22,5 кг/ч. При необходимости получения 25 кг льда в час следует работать при подогреве воды 4,5° С, но в этих условиях стоимость расходуемых воды и электроэнергии возрастает.
Рис. 91. Зависимость производительности g от продолжительности цикла т и подогрева воды А/ в конденсаторе при температуре поступающей воды 20° С.
На графике рис. 93 приведена зависимость производительности g льдогенератора и основных показателей расходов электроэнергии N и воды V от подогрева воды М для оптимального цикла в 25—30 мин.
Проведенные опыты позволили, кроме основных технических и экономических показателей льдогенератора ОЛ-25, получить детальные характеристики процесса намораживания льда на трубах.
График рис. 94, отображающий процесс намораживания льда на средней трубе испарителя льдогенератора показывает, что в начале цикла намораживания температура кипения фреона и температура воды в верхней и в нижней частях трубы резко падают. После достижения температуры кипения фреона около —10° С и температуры в верхней части трубы +1°С и в нижней —1,5° С в стекающей пленке воды толщиной ~ 1 мм на трубе и льдодробилке, расположенной под трубой, появляется ледяная шуга — кашеобразная масса из кристаллов «внутриводного» льда.
Быстрое выделение теплоты кристаллизации ледяной шуги, образовавшейся за счет переохлаждения воды, вызывает скачкообразное повышение температуры воды в нижней части трубы до 0° С и резко задерживает падение температуры кипения фреона и температуры воды в верхней части трубы. Шуга поднимается по трубе снизу вверх и начинает постепенно исчезать. Одновременно на трубе появ-
Рис. 92. Зависимость суммы стоимостей воды и электроэнергии на изготовление 1 т льда от продолжительности цикла т и подогрева воды в конденсаторе при температуре поступающей воды 20° С: -------при стоимости воды 0,06 руб.1м* и стоимости электроэнергии
0,02 руб./(кВт-ч);
------при стоимости воды 0,06 руб./м3 и стоимости электроэнергии
0,04 руб./(кВт-ч).
ляется сплошная гладкая корка прозрачного льда. К моменту исчезновения последних следов шуги толщина корки льда достигает 2 мм.
В период максимального образования шуги температура воды и температура кипения фреона стабилизируются. По мере исчезновения шуги и нарастания сплошной корки льда температура воды начинает медленно повышаться, достигая к концу процесса ~0,1°С внизу трубы и ~ГС в верхней ее части.
С момента исчезновения шуги кривая толщины льда поднимается почти прямолинейно, что соответствует экспериментальным данным для трубы Ткачева и Даниловой [106].
Температура кипения фреона медленно понижается до момента прекращения подачи жидкого фреона в испаритель (на 20-й минуте). В дальнейшем по мере выкцпанця оставшегося ₽ испарителе жидкого
по
фреона температура его быстро понижается и к концу процесса (нй 26-й минуте) достигает —16° С.
Из графика рис. 95 видно, что с понижением температуры кипения фреона tQ производительность льдогенератора g резко возрастает. При этом следует отметить, что каждой температуре кипения to соответствует определенная толщина льда 6, обусловливающая мак-
Рис. 93. Зависимость производительности g, потребления электроэнергии N и расхода воды V от подогрева воды Д/ в конденсаторе при температуре воды 20° С и цикле производства льда 25—30 мин.
симальную производительность; так, при tQ——7° получим б = = 4,75 мм, при —9° и —11° С — соответственно 6,5 и 7,5 мм.
Таким образом, оптимальная толщина льда находится в пределах 6=4,754-7,5 мм (при т=23 мин).
На рис. 96 показана зависимость 6 от температуры кипения to и продолжительности намораживания Тн = 13 мин (цикл 15 мин), 23 мин (цикл 25 мин), 27 мин (цикл 30 мин) и 34 мин (цикл 38 мин).
Обращают на себя внимание сравнительно невысокие значения средних коэффициентов теплопередачи k= 1854-220 Вт/(м2-К), что, в частности, можно объяснить влиянием теплового сопротивления слоя льда. Сравнение полученных значений с пересчитанными экспе-
171
рйменТальными данными Ткачева [102] для аналогичного йспарителй со льдом показывает, что они близки к данным ВНИХИ.
В наших опытах, показавших малые значения коэффициента теплопередачи, также имела место относительно небольшая тепловая нагрузка ^ = 1160-5-2000 Вт/м2, что уменьшает теплоотдачу.
Приводим средние данные одного из длительных испытаний льдогенератора ОЛ-25. За 23 ч непрерывной работы при температуре воздуха 15—20° С было получено 623,8 кг льда (средняя производительность составила 27,2 кг/ч), что примерно соответствует данным остальных длительных испытаний льдогенератора.
Лед был получен в виде чистых прозрачных скорлуп по 20—30 г, длиной 50—100 мм. Лед был вполне пригоден для использования в пищевых целях. При перелопачивании скорлупы легко разбивались на более мелкие куски. Насыпная масса составила около 500 кг/м3, что близко к таковой для обычного дробленого льда.
Анализ испытаний фреоновой системы показал, что льдогенератор работал при средних температурах кипения to =—11,6° С и конденсации /К=29°С в период намораживания и to=—6,5° С и /к=24°С — в период оттаивания, что также можно считать нормальным. Подогрев паров на всасывании составил около 5° С.
В отдельные моменты экспериментальные значения давлений кипения и конденсации достигали: при намораживании р0 = 0,075 МПа , и оттаивании ро = О,4 МПа
(14° С) и рк=0,27 МПа (4° С). Значительное колебание давлений (и температур) было вызвано особенностями процессов работы льдогенератора в качестве холодильной машины во время намораживания и в качестве теплового насоса при оттаивании.
Расход воды на конденсатор 2,26 м3/ч, или 0,08 м3/кг, при подогреве ее на ~3°С полностью соответствует проведенным ранее более кратковременным испытаниям.
Рис. 94. Зависимость температуры циркулирующей воды tB, толщины слоя льда 6 и температуры кипения фреона от времени намораживания льда т:
1 — температура воды вверху трубы; 2 — температура воды внизу трубы;
3 — температура кипения фреона-12; 4— толщина льда (температура поступающей в льдогенератор воды ~ 18° С).
—15° С), . рк=0,7 МПа (32° О и
172
Рис. 95. Зависимость производительности g от толщины льда 6 мм и температуры кипения t0 при температуре поступающей воды 20° С.
Рис. 96. Зависимость толщины льда 6 от температуры кипения фреона tQ и продолжительности намораживания льда т при температуре поступающей воды 20° С.
Общий расход электроэнергии составил 3,27 кВт-ч, или 0,12 кВт-ч/кг, что примерно соответствует данным ранее проведенных испытаний. Из общего потребления электроэнергии 3,27 кВт-ч на компрессор было израсходовано 2,49 (76%), на насос 0,4 (~12°/о), на электроавтоматику 0,356 (~11%) и на льдодробилку 0,024 кВт-ч (~1%). Повышенный расход электроэнергии на электроавтоматику в значительной мере объясняется применением на световом табло излишне мощных ламп. При
Рис. 97. Внешний вид льдогенератора ОЛ-25/35.
условии применения понижающего трансформатора и маломощных низковольтных ламп расход электроэнергии может быть снижен. Расход электроэнергии на льдодробилку, усовершенствованную в процессе испытаний (дробильные скобы были разрезаны), оказался незначительным, что позволит в дальнейшем уменьшить мощность электропривода дробилки до 0,5—1 кВт.
Из общего потребления электроэнергии на компрессор 2,49 кВт-ч/ч на намораживание льда было израсходовано 2,24 кВт-ч/ч (~90%) и на оттаивание льда 0,25 кВт-ч/ч (~10%).
Удельный расход холода на изготовление льда составил <7л = 0,92-900 = 830 кДж/кг, где 0,92 — коэффициент, учитывающий период оттаивания льда, во время которого не вырабатывается полезный холод, что является особенностью примененной схемы теплонасосного оттаивания льда за счет те
пла водопроводной воды.
Относительно большие
потери холода, достигавшие 48%, в основном объясняются неизбежным для подобных льдогенераторов прогревом испарителя с остатком фреона при оттаивании. Собственно потери льда при оттаивании в опытах составили 4—8% и могут быть уменьшены путем придания конусности трубам испарителя.
В заключение исследования была проверена возможность работы льдогенератора ОЛ-25 без соленоидного вентиля (СВ10) (см. схему), отсоединяющего испаритель от ресивера после выдавливания в него жидкого фреона. Опыты подтвердили возможность такой работы при условии достаточного отсоса фреона из испарителя в конце цикла
намораживания льда.
На основе льдогенератора трубчатого льда ОЛ-25 Одесское
174
СКВ холодильного машиностроения разработало совместно с ВНИХИ в принципе аналогичный агрегатированный с холодильной машиной льдогенератор ОЛ-25/35.
Автоматические льдогенераторы ОЛ-25/35 (рис. 97 и 98) изготовления Одесского завода холодильного машиностроения [77] предназначены для получения пищевого прозрачного льда и имеют следующую характеристику.
Техническая характеристика льдогенератора ОЛ-25/35
Производительность, кг/ч льда
при температуре поступающей на произ- 25 водство льда и охлаждение конденсатора воды 30° С и температуре окружающего воздуха 40° С
при температуре конденсации 30° С и тем- 35 пературе поступающей на производство льда воды 20° С
Установленная мощность электродвигателей, 5,17 кВт
Питание электрических цепей
частота тока, Гц 50
напряжение питания силовых цепей 220/380
линейное, В
Расход воды на охлаждение конденсатора, м3/ч 2,2 Габариты, мм
длина 1140
ширина 760
высота 2260
Масса, кг —850
В комплект льдогенератора ОЛ-25/35 входит следующее основное оборудование: фреоновый бессальниковый компрессор ФВ6БС (7 тыс. Вт) с электродвигателем (4,5 кВт), кожухотрубным конденсатором (6 м2) и теплообменником; вертикальный испаритель типа «труба в трубе» (1,8 м2) с рессивером (30 л) и терморегулирующим вентилем ТРВ-7м. Кроме того, льдогенератор оснащен пятью соленоидными вентилями типа СВМ, водяным насосом 1СЦВ1.5 с электродвигателем (0,4 кВт), оросителем и водяным баком, льдодробилкой с электродвигателем (0,6 кВт) и реле времени ВС-1068 для управления соленоидными вентилями и электродвигателями насоса и льдодробилки.
Лед намораживается на 10 вертикальных трубах испарителя из нержавеющей стали диаметром 57 мм и длиной 1000 мм каждая.
Из принципиальной схемы льдогенератора видно, что пар фреона-12 нагнетается компрессором в конденсатор, из которого жидкость поступает через ТРВ, ресивер и коллектор в испаритель. Отсос паров из испарителя осуществляется через теплообменник.
За 1—2 мин до начала оттаивания намерзшего на испарителе льда перекрывается вентиль на подаче фреона и жидкость частично затапливает конденсатор. После переключения вентилей при оттаивании горячий пар поступает в испаритель, выдавливает из него остатки жидкости и начинает конденсироваться. При этом испаритель работает как конденсатор, а конденсатор как испаритель. Оттаявший
175
1U0
Рис. 98. Разрез льдогенератора ОЛ-25/35:
1 — корпус; 2 — компрессор с конденсатором; 3 — испаритель; 4 — водоороси-тель; 5 — водяной бак (с насосом); 6 — льдодробилка.
лед падает с труб испарителя на льдодробилку. На этот период электродвигатель водяного насоса автоматически останавливается. При средней температуре кипения хладагента —15-=—16° С намораживание льда занимает 22 мин, оттаивание — 3 мин.
Система электроавтоматики с реле времени обеспечивает цикличную работу льдогенератора и отключение его при аварийном режиме.
176
Таблица 27
Показатели Единица измерения Льдогенераторы
ОЛ-25/35 ЛГ-10м
Характеристика
Производительность кг/ч 35 3,2
То же, за год при коэффициенте рабочего времени 0,7 т/год 216 19,7
Расход электроэнергии "на изготовление 1 т льда Капитальные затраты кВт-ч 100 312
Стоимость льдогенератора руб. 6000 760
То же, с нормативным коэффициентом 0,15, приведенная к 1 т льда Эксплуатационные затраты руб./т 4,16 5,80
Стоимость электроэнергии для выработки 1 т льда (из расчета 2 коп. за 1 кВт-ч) руб./т 2 6,24
Амортизационные отчисления (11,5%) руб./т 3,2 4,47
Заводские и межведомственные испытания головного образца льдогенератора ОЛ-25/35 дали следующие основные результаты.
В наиболее тяжелом режиме при температуре воды 30° С и воздуха 45° С производительность льдогенератора составила 25 кг льда в час, а расход электроэнергии 154,кВт-ч на 1 т льда.
В режиме, близком к стандартному, при t0=—15ч—16° С, tK= =28-5-30° С и температурах воды и воздуха около 20° С, производительность льдогенератора была ~35 кг/ч. Соответствующий расход электроэнергии составил 100 кВт-ч на 1 т льда, что в 2—3 раза меньше, чем для других советских автономных льдогенераторов шкафного типа (ЛГ-10м, ЛГ-700 и ЛГ-350).
Для дальнейшего улучшения трубчатых льдогенераторов ОЛ-25/35 целесообразно:
увеличить поверхность испарителя на 15—20%, что, в частности, повысит прозрачность льда и дополнительно снизит расход электроэнергии;
установить теплообменник для подогрева конденсаторной воды (и охлаждения хладагента), что даст возможность быстрее осуществлять процесс оттаивания льда при холодной воде зимой.
В. А. Бобков |7?
Таблица 28
Способ получения льда Форма н масса льда, г Производительность при температуре воды и воздуха 20° С, кг/сут Мощность электродвигателей, Вт Вместимость льдохранилища, кг Масса установки, кг
Перемешивание воды в батарее форм; после оттаивания лед всплывает Цилиндрическая, 32 82 245 45 136
Поток воды внутри труб квадратного сечения Прямоугольная, 40 84—190 245— 550 45-73 131— 176
Перемешивание воды в. перевернутых формах То же,40 90-157 245— 370 50—68 164— 211
Поток воды на пластинах; резание льда электрической решеткой То же, 12—23 113 , 245 45 177
Поток воды внутри труб квадратного сечения; раскалывание льда гребенкой из игл То же, 36 215 550 102 268
Ориентировочная экономическая эффективность льдогенератора ОЛ-25/35 была определена в сопоставлении с ближайшим по производительности льдогенератором ЛГ-10м Харьковского завода холодильных машин, используемым в ряде случаев на фабриках-кухнях. Оба эти льдогенератора имеют непосредственное охлаждение и производят мелкокусковой прозрачный пищевой лед.
Расчет эффективности осуществлен по обычной методике для условий эксплуатации льдогенератора на фабриках-кухнях, где возможно хозяйственное использование воды после конденсатора ОЛ-25/35, Коэффициент рабочего времени сравниваемых льдогенераторов принят равным 0,7. Технико-экономические показатели сравниваемых льдогенераторов приведены в табл. 27.
Исчисленная эффективность от использования одного льдогенератора ОЛ-25/35 составляет 1545 руб. в год.
Малые агрегатные льдогенераторы оснащаются обычно фреоновыми машинами с воздушными, иногда с водяными конденсаторами. Лед намораживается на испарителях, имеющих форму труб, плит или полых сосудов. Вода для получения льда перемешивается, набрызгивается или циркулирует при намораживании. Отделение льда от испарителя производится посредством оттаивания горячим хладагентом или водой и срезанием льда скребком, шнеком или фрезой. Если получаемый лед нуждается в разделке, то применяются резцы, нагреваемые решетки и дробилки. Процесс получения льда автоматизируется устройствами с датчиками типа термостатов или реле времени. За рубежом автоматические льдогенераторы с льдохранилищами встраиваются в брльшце дрмащние хрлодильники и торговые прилавки (76]. '
178
Таблица 20
Производительность, кг/сут Мощность электродвигателей, Вт Охлаждение конденсатора Емкость льдохранилища, кг Масса льдогенератора, кг
10 100 Воздушное 2 43
20 200 » 8 52
40 250 » 15 87
75 400 Водяное 35 11G
180 750 » 100 252
Рис. 99. Разрез льдогенератора ЛГ-10м:
1 — бункер; 2 — склиз; 3 —решетка режущая; 4—короб внутренний; 6 —корпус; 6 — ртутный переключатель; 7 — поддон; 8 — испаритель; 9 — тврмодат-чик; 10 — коллектор; 11 — поперечина; 12 — термостат льда; 13 — теплоизоляция; 14 — фильтр; 15 — насос водяной; 16 — холодильный агрегат.
12*
179
В табл. 28 приведены некоторые технические показатели малых американских льдогенераторных агрегатов.
Расход электроэнергии для льдогенератора производительностью 100—200 кг/сут составляет от 140 до 120 кВт-ч на 1 т льда. Технические показатели малых японских льдогенераторных агрегатов куби-кового льда даны в табл. 29.
Рис. 100. П ринципиальная схема льдогенератора ЛГЛОм:
1 — компрессор; 2 — ресивер; 3 — фильтр; 4 — терморегулирующий вентиль; 5 — испаритель; 6 — труба обогрева контура испарителя; 7 — соленоидный вентиль.
В СССР применяются для лабораторий, больниц и небольших ресторанов малые агрегатные льдогенераторы Л Г-10м Харьковского завода ХЗТМ и ЛГ-350 и ЛГ-700 перовского завода «Торгмаш», имеющие воздушные конденсаторы и производящие лед в виде небольших параллелепипедов.
Распространенный у нас ку-биковый льдогенератор ЛГ-10м (рис. 99, 100, 101) с габаритами
Рис. 101. Зависимость производительности g льдогенератора ЛГ-10м от температуры окружающего воздуха, t.
1240X760X1250 мм и массой 280 кг производит 3,2 кг/ч пищевого прозрачного льда в кубиках размером 38X32X18 мм. Фреоновый холодильный компрессор ФАК-1,1 VI с воздушным конденсатором и насосная система циркуляции воды обеспечивают намораживание пластины льда заданной толщины на наклонном
180
панельном испарителе. После автоматического оттаивания горячим паром фреона-12 ледяная пластина сдвигается на подогреваемую электричеством решетку и разделяется ею на кубики, которые падают в льдохранилище емкостью 70 кг. При заполнении льдохрани
лища компрессор останавливается температурным датчиком, а при выемке части льда автоматически приводится в действие. Установочная мощность электродвигателей 1 кВт.
Аналогичный ЛГ-10м, но несколько .более совершенный конструктивно ку-биковый льдогенератор ЛГ-350 (~400 Вт) имеет принципиальную холодильную схему, приведенную на рис. 102, и обеспечивает при температуре воды и воздуха 20° С получение 2,1 кг/ч (50 кг/сут) кубико-вого льда. Льдогенератор снабжен льдохранилищем на 30 кг льда и при установочной мощности 0,29 кВт потребляет в среднем 0,2 кВт-ч.
Подобный льдогенератор Л Г-700 имеет примерно в 2 раза большую производительность по холоду (800 Вт) и льду (4,16 кг/ч).
Следует заметить, что такие и большие льдогенераторы с воздушными кон-
Рис. 102. Пршщипиальная схема льдогенератора ЛГ-350:
денсаторами могут иметь улучшенную холодильную
1 — компрессор; 2 — конденсатор; 3 — испаритель.
схему, известную под наз-
ванием «Хи-Ре-Ли» и при-
меняемую за рубежом в автономных водоохладителях и в кругло-годовых теплонасосных воздухокондиционерах [6].
Среди агрегатных льдогенераторов типа «труба в трубе» с внутренним намораживанием льда представляет интерес предложенный Крузо (Франция) льдогенератор (рис. 103), работающий раздельным холодильным циклом.
При намораживании льда компрессор отсасывает пары хладагента из заранее залитых испарителей, орошаемых водой, подавляемой циркуляционным насосом, и нагнетает пар в конденсатор, соединенный с накопительным ресивером. При цикле намораживания открыт только соленоидный вентиль Уг- После намораживания в трубах испарителей слоя льда 10—20 мм автоматически закрывается вентиль Уг и открываются соленоидные вентили Vj и Vj. Жидкий и относи
181
тельно теплый хладагент поступает в испарители и оттаивает ледяные трубки, которые падают в бак с отбойниками и решетчатым дном для отделения воды или попадают предварительно на шнековую дробилку. В процессе оттаивания льда хладагент охлаждается (регенерация тепла оттаивания) и полностью заливает испарители, емкость которых обеспечивает проведение последующего повторного цикла льдонамораживания.
Рис. 104. Внешний вид льдогенератора К.Е-01 (ГДР).
Рис. 103. Схема льдогенераторно-ео агрегата с раздельным холодильным циклом:
1 — компрессор; 2 — конденсатор; 3 — накопительный ресивер; 4 — испаритель; 5 — циркуляционный насос; 6 — приемный бак для ледяных трубок.
Представляют интерес оригинальные и высокоэффективные агрегатные роторные льдогенераторы чешуйчатого льда КЕ-01 и КЕ-02 производства предприятия «Нема» (ГДР).
Автоматический льдогенератор КЕ-01 (рис. 104) массой 100 кг с габаритами 450\600><1300 мм включает в себя льдохранилище на 40 кг льда. При установочной электрической мощности 0,8 кВт льдогенератор КЕ-01 холодопроизводительностью 580 Вт изготовляет 80 кг льда в сутки (3,3 кг/ч). Льдогенератор КЕ-02 дает 180 кг льда в сутки.
Кроме общеизвестных простейших мини-льдогенераторов с пластиковыми льдоформами для кубикового льда в домашних холодильниках, внимания заслуживают новейшие термоэлектрические льдогенераторы.
Холодопроизводительность (без внешних потерь), необходимая
для изготовления льда в термоэлектрическом льдогенераторе
Qx — Qn — I ~~ + Qt ) » где Qn и Qh>k — «теплоты» Пельте и \ “ /
Джоуля, a QT — теплоприток от нагретых спаев.
182
Для льдогенератора с холодопроизводительностью Qx=300 Вт, изготовляющего не менее 2 кг/ч льда, потребляемая мощность составляет 380 Вт, а холодильный коэффициент ех = 0,8 (по другим данным, ех = 0,4).
Несмотря на пока еще малый холодильный коэффициент (ех<: 1), термоэлектрические льдогенераторы уже получают распространение благодаря своей компактности и надежности. По зарубежным данным, термоэлектрический льдогенератор на ~14 кг/сут стоит столько же, как и обычный льдогенератор на 45 кг/сут.
В СССР [84] разработан термоэлектрический мини-льдогенератор производительностью 0,5 кг льда в час.
Ледяные холодоаккумуляторы
Стационарные ледяные холодоаккумуляторы (льдоаккумулято-ры) занимают особое место среди льдогенераторов, так как лед из них не выдается потребителям, а используется на месте, в частности для охлаждения воды. В отличие от водяных холодоаккумуляторов они более компактны, а температура в них ниже и стабильнее.
Ледяные холодоаккумуляторы применяются в периоды пиковых тепловых нагрузок в химической и молочной промышленности, а также при кондиционировании воздуха, где позволяют уменьшать мощность холодильных компрессоров и использовать электроэнергию в ночной период.
Известны ледяные холодоаккумуляторы трех типов: без отделения льда, с отделением льда (фригаторные) и зероторные.
В качестве основных удельных технических показателей ледяных холодоаккумуляторов могут быть приняты:
1) холодоемкость
rG ~ у '
2) холодовосприятие
rG Чв~ Vt, ;
3) холодоотдача
rG qx~~Vxp ’
где г— удельная теплота льдообразования;
G — масса льда;
V — объем холодоаккумулятора (или его масса);
т3 и Тр—время зарядки и разрядки (намораживание и таяние * льда).
В необходимых случаях следует учитывать также соответствующие изменения энтальпии массы воды, льда и самого холодоаккумулятора.
Дополнительными характеристиками являются средние и крайние Значения коэффициентов теплопередачи и температур воды, а также
183
отношения времени зарядки к времени разрядки и соответствующих холодопроизводительностей.
Технико-экономические показатели для холодоаккумуляторов в принципе принимаются такие же, как и для льдогенераторов.
Холодоаккумуляторы с намораживанием 450 кг льда на панелях применены [83] в агрегатах типа МХУ-8с (7 тыс. Вт) и ТОМ-2А (10 тыс. Вт), предназначенных для охлаждения молока на фермах.
Рис. 105. Ледяной холодоаккумулятор панельного типа:
1 — отделитель жидкости; 2 — коллектор; 3 — секция испарителя; 4 — бак; 5 — распределитель аммиака; 6 — мешалка.
Готовится к выпуску для той же цели серия панельных льдоаккумуляторных водоохладителей типа АВ с холодопроизводительностью 3,5—14 тыс. Вт.
Панельные холодоаккумуляторы для молочной промышленности, производства московского завода «Компрессор» представляют собой (рис. 105) известные серийные испарители типа ИП с удаленными через одну штампосварными панелями. Баки испарителей теплоизолируются. Испытания холодоаккумулятора с охлаждающей поверхностью 30 м2 (на базе 60ИП)-и мешалкой (1 кВт), проведенные во ВНИХИ Ивановой и сотрудниками [52], показали, что при компрессоре со стандартной холодопроизводительностью около 35 тыс. Вт, объеме воды в баке 3,2 м3 и температуре ее 17° С за 6,5 ч намораживается слой льда толщиной 60 мм. При этом средний коэффициент теплопередачи составляет около 116 Вт/(м2-К), а расход электро
Энергии на 1 т льда — 144 МДж. Продолжительность растаивания льда при подаче 17 м3/ч воды температурой 5° С и работе мешалки составляет около 1,5 ч для температуры воды на выходе 2—3° С.
Условный коэффициент теплоотдачи для 1 т льда и 1К температурного напора относительно отходящей воды составил при средней скорости воды 0,5 м/с около 46 тыс. Вт/(т-К). Обычный коэффициент теплоотдачи был в этом случае равен примерно 750 Вт/(м2>К).
Для больших холодоаккумуляторов при установках холодопроизводительностью до 1 млн. Вт и более (такие установки имеются в молочной промышленности СССР) применяются в основном вертикальнотрубные испарители высотой до 3—4 м [137]. При этом на 1 м2 труб намораживается 120 кг льда, скорость воды при оттаивании составляет от 0,2 до 0,4 м/с.
При холодоаккумуляторе на 45 т льда на каждую тонну льда приходится: производительность 54 тыс. Вт (таяние при охлаждении воды на 5° С); потери холода 150 Вт; расход воздуха при перемешивании воды барботированием 1,6 м3/мин.
Ниже приводятся результаты испытаний трубчатого (ТХ) и панельного (ПХ) специальных ледяных холодоаккумуляторов, проведенных во ВНИХИ автором совместно с Коробовым и Ивановой.
Для аккумулятора ТХ охлаждение 7435 кг воды с 6° С до ~ 0° С при понижении температуры хладоносителя /х с 1° до —1°С потребовало 9 ч при поверхности труб теплообменника 24 м2 и плоских коллекторов 9,7 м2 (всего 33,7 м2).
Для аккумулятора ПХ охлаждение 3370 кг воды при понижении /х с —8° до —11° потребовало 10 ч при поверхности листотрубного теплообменника 15 м2, из них 3,5 м2 — трубы и 11,5 м2 — ребра в виде листов.
Средняя скорость охлаждения для аккумулятора ТХ составляет ~0,67°С/ч, а для ПХ ~0,6°С/ч.
Удельная тепловая нагрузка для аккумуляторов ТХ и ПХ около 175 Вт/м2.
Совпадение нагрузок в данном случае объясняется влиянием ребер панельного холодоаккумулятора. При отнесении нагрузки только к поверхности труб она для аккумулятора ПХ составит 750 Вт/м2, что в 4,3 раза больше.
В аккумуляторе ТХ с наружным объемом 13,64 м3 за 115 ч было наморожено примерно в 2 раза больше льда, чем в аккумуляторе ПХ с объемом 6,06 м3 в течение 171 ч. В обоих случаях лед смораживался почти в монолит, недомораживалось только 13% залитой воды.
Согласно элементарному расчету объемная холодоемкость (в Дж/м3) с учетом примерно равных температур воды оказалась для аккумулятора ПХ на 14% больше, чем для аккумулятора ТХ. При одном и том же холодильном компрессорно-конденсаторном агрегате и испарителе интенсивность намораживания льда составила для аккумулятора ТХ с большим теплообменником около 56 кг/ч при температуре хладоносителя /х=—3,1° С и для аккумулятора ПХ с меньшим теплообменником около 19,2 кг/ч при /х =—11,6° С, что в 2,9 раза меньше. Это объясняется в основном большей холодопроизводительностью, обуславливаемой повышением температуры кипения хладагента (обычно.для холодильной машины).
Удельная интенсивность намораживания льда, характеризующая эффективность холодовосприятия, составила для аккумулятора ТХ
185
при средней температуре хладоносителя —3,1°С около 18 кг/(чХ
Х°С) и для аккумулятора ПХ при /х=—11,6° С примерно 1,65 кг/(ч-°С), что в 7 раз меньше.
Интенсивность намораживания в аккумуляторах льда во времени изменялась не очень сильно. При этом по мере утолщения льда и небольшого увеличения средней поверхности теплопередачи в заметной степени автоматически снижались температуры хладагента и хладоносителя, т. е. в значительной мере имело место саморегулирование системы холодильная машина — холодоаккумулятор.
Удельное холодовосприятие теплообменников при льдообразовании с учетом определенных опытом потерь льда 4,2 кг/ч (7%) для аккумулятора ТХ и 3,1 кг/ч (14%) для аккумулятора ПХ в среднем составило для аккумулятора ТХ примерно 5600 Вт и для аккумулятора ПХ около 2100 Вт.
Примерная линейность процессов льдообразования в данных хо-лодоаккумуляторах позволяет ориентировочно вычислить условно осредненные коэффициенты теплопередачи (k7).
В случае отнесения удельных холодовосприятий (с потерями) к соответствующим поверхностям теплообменников и средним температурным напорам получаем условный коэффициент теплопередачи fey при льдообразовании в среднем для аккумулятора ТХ примерно 54 Вт/(м2-К) и для аккумулятора ПХ около 12 Вт/(м2-К), что в 4,5 раза меньше. Меньший fey для аккумулятора ПХ обусловливается большей характерной толщиной льда (~250 мм вместо ~60 мм) и меньшей эффективностью теплообменника, 77% поверхности которого приходится на ребра.
В среднем за первые сутки льдонамораживания для аккумулятора ТХ коэффициент fey=74 Вт/(м2-К), ДЛЯ аккумулятора ПХ соответственно fey=17 Вт/(м2-К), за последние сутки значения коэффициентов снизились соответственно до 34 и 9 Вт/(м2-К)- Таким образом, в первые сутки льдонамораживания условно осредненный коэффициент теплопередачи для аккумулятора ТХ был в 4,4 раза больше, чем для аккумулятора ПХ, а в последние сутки в 3,8 раза больше, что объясняется более сильным уменьшением интенсивности процесса в конце льдонамораживания в случае аккумулятора ТХ.
В холодоаккумуляторе ТХ при тепловой нагрузке 4500 Вт за 137 ч растаяло 6450 кг льда, что соответствует таянию 47 кг/ч, эквивалентных 4350 Вт.
В холодоаккумуляторе ПХ при тепловой нагрузке 4080 Вт за 81 ч растаяло 3280 кг льда, что соответствует таянию 40,5 кг/ч, эквивалентных 3760 Вт.
Удельная тепловая нагрузка при среднем температурном напоре Д/=8°С для аккумулятора ПХ примерно составила 470 Вт/К, то же с учетом фактора компактности — 78 Вт/(м3-К).
За период таяния льда температура отходящей воды повышается в аккумуляторе ПХ в течение 81 ч с 3° до 5°С, т. е. на 67%. При этом средняя скорость повышения температуры составила 0,024° С/ч. Температура отходящей воды после растаивания основной массы льда за 6 ч повысилась с 5° до 6,4° С. Средняя скорость повышения температуры 0,23° С/ч в этом случае примерно в 10 раз больше, чем при наличии избытка льда. Интересно отметить, что холод, затраченный на охлаждение воды перед ее замораживанием, практически возвращается при нагревании воды до принятого предела.
Известны аккумуляторы, в которых вода замораживается в не
186
посредственном контакте с гидрофобным холодильным агентом или хладоносителем.
Ледяные холодоаккумуляторы в виде полых плит, заполненных эвтектическими рассолами и снабженных замораживающими их змеевиками, иногда применяются для охлаждения продуктовых витрин (рис. 106) и даже спортивных льдокатков.
По зарубежным данным [122], в Англии льдоаккумуляторное охлаждение авторефрижераторов в случае внутригородских перевозок и ночной зарядки аккумуляторов от холодильных машин в гаражах в 2 раза экономичнее, чем применение сухого льда и холодильных машин.
Рис. 106. Холодоаккумуляторная плита с змеевиком, замораживающим воду или эвтектический рассол.
Во ВНИХИ [87] был создан, испытан 'и внедрен в производство малый авторефрижератор ЛуМЗ-945 на шасси «Москвич-432», оборудованный по предложению Гимпелевича [41] машинно-аккумуляционным охлаждением (холодильный агрегат Ф ГК-0,7 и две полые плиты 1ЮХ400ХН00 мм, заполненные эвтектическим рассолом с КС1 и снабженные змеевиками для его замораживания ночью в течение 10 ч). После замораживания температура в кузове авторефрижератора объемом 900 л поддерживалась без работы холодильного компрессора в течение 12 ч в диапазоне от —4 до 4° С.
Испытания во ВНИХИ [5] в принципе аналогичной машинноаккумуляционной системы охлаждения молочной теплоизолированной цистерны АЦТМ-10 емкостью 1000 л показали, что при двух холодильных агрегатах ФГК-0,7 и змеевике, замораживающем около 70 кг воды, в холодоаккумуляторе цистерны после 8 ч хладозарядки в течение 5 сут температура сохраняемой жидкости обеспечивается в диапазоне от 2 до 10° С (при температуре наружного воздуха около 30° С).
Высокоэффективны фригаторные холодоаккумуляторы с роторными льдогенераторами скребкового и фрезерного типов, располагаемыми над льдохранилищами, с орошением льда водой. Принци
187
пиальными достоинствами их являются: высокоинтенсивное намораживание и растаивание льда; эффективность получения воды и теплоемкого хладоносителя из льдоводяной пульпы температурой около 0°С и ниже (при замораживании рассолов), возможность непрерывного намораживания льда и выдачи его потребителям. Такие холодоаккумуляторы обеспечивают при увеличении времени зарядки рост поверхности холодоотдачи.
Рис. 107. Схема ледяного холодоаккумулятора роторного типа: 1 — роторный льдогенератор; 2 — водяные насосы; 3 — барботажная воздуходувка; 4 — водоороситель; 5 — чешуйчатый лед; 6 — датчик уровня льда.
Скребковый холодааккумулятор при холодильной машине на 10 тыс. Вт может при двух зарядках по 10 ч заменить машину на 100 тыс. Вт, работающую для охлаждения два раза в сутки по 1 ч.
По Лорентцену и Иогансену [75], условный практический коэффициент теплоотдачи при таянии чешуйчатого льда составляет примерно 116 тыс. Вт/(т-К) против 42 тыс. Вт/(т-К) для льда на трубах обычного холодоаккумулятора. Недостатками известных скребковых холодоаккумуляторов кроме наличия движущихся частей являются увеличенная емкость баков на тонну льда (3,75 м2 вместо 2,5 м3) и некоторая неравномерность таяния льда.
Для лучшего использования сильно развитой поверхности чешуйчатого льда (около 1 тыс. м2 и более на 1 т) может быть предложено применение большей толщины льда и интенсивного перемешивания слипающихся чешуек льда посредством, например, звуковых колебаний или барботажа (рис. 107).
188
Зероторные холодоаккумуляторы (зероторы) переносного типа применимы в торговой сети, на автотранспорте и даже в быту (взамен кубикового льда). В металлических и пластмассовых зероторах типа герметичных льдоформ или полых панелей замораживается вода и рассол с учетом фазового расширения. Переносные зероторы обычно замораживаются в соответствующих морозилках промышленного типа.
Во избежание разрушения при замораживании зероторы заполняются рассолом или водой не полностью, а на 85—88% объема. Зероторам придают разные формы — трехгранной призмы, параллелепипеда, цилиндра и даже шара. Иногда для увеличения теплопередающей поверхности и уменьшения толщины слоя при замораживании делают зероторы полыми.
Химический состав воды или рассола, геометрические размеры и массу зероторов выбирают в зависимости от их назначения. Наиболее распространены зероторы в виде трехгранной призмы с треугольным основанием 100X100X200 мм, высотой 500 мм. Часто применяются также цилиндрические зероторы диаметром 90 и длиной 400 мм и дисковые зероторы различных размеров.
Материалом для изготовления зероторов обычно служит оцинкованное железо (1—1,5 мм толщиной), стальные трубы и пластмасса. От тщательности изготовления зероторов в значительной мере зависит их долговечность. Зероторы из оцинкованного железа с пропаянными швами служат менее 1 года, зероторы из обычных труб с вваренными донышками — более 1 года. По иностранным данным, металлические зероторы работают максимально 2—3 года. Основной причиной порчи металлических зероторов является коррозия. Поэтому к рассолам для зероторов добавляют различные' антикоррозийные вещества (например, фосфорнокислый двухзамещенный натрий), Может быть также рекомендована окраска зероторов изнутри и снаружи ^суриком. Наиболее долговечны пластмассовые зероторы, однако время замораживания и размораживания для них несколько больше, чем для металлических зероторов.
За рубежом для охлаждения напитков в быту иногда применяются мини-зероторы из пластиковых шаровых оболочек диаметром 30 мм, заполненных водой и замораживаемых в домашних холодильниках.
Наиболее часто применяемыми для зероторов -рассолами являются растворы NaCl и КС1 в воде. Кроме того, существует еще ряд растворов солей, являющихся достаточно подходящими. В табл. 30 приведены физические свойства некоторых рассолов для зероторов.
В ряде случаев могут быть использованы для рассолов некоторые соли из отходов заводов химической промышленности.
Зероторы все время работы наряду с постоянством температуры сохраняют почти неизменную охлаждающую поверхность, что является их преимуществом по сравнению с устройствами обычного льдосоляного охлаждения.
Зероторы не выделяют из себя жидкости и являются весьма гигиеничными источниками холода. После использования их можно вновь заморозить (например, на зарядных станциях), и они снова оказываются готовыми к действию. Зероторы находят нрименение при охлаждении, в частности, изотермических автокузовов, контейнеров и торгового оборудования.
189
Таблица 30
Эвтектические рассолы Состав рассола,% Температура замерзания, °C Плотность, кг/м3 Теплота плавления, кДж/кг Объемное расширение при замерзании, %
соли воды
K2SO4+KNO3+ 4,5 и 8,0 87,5 —3,8 1093 320 8,1
+Н2О ZnSO4+H2O 27,2 72,8 —6,5 1249 213 6,8
ВаС12+ Н2О 22,5 77,5 -7,8 1239 247 7,9
КС1+Н2О 19,25 80,25 -Н,1 1148 298 8,1
kci+kno3+h2o 19 и 3,5 77,5 — 11,8 1150 266 7,7
NaNO3+KNO3+ 35,9 и 6,2 57,9 — 19,4 1340 218 6,1
+н2о NaC14-H2O 23,1 76,9 —21,2 1170 236 7,9
За рубежом специальные зарядные станции (обычно воздушного замораживания) имеют камеры хранения некоторого запаса зерото-ров. Зероторы на пункты охлаждения доставляются в изотермических автокузовах.
Замораживание (зарядку) зероторов можно производить в движущемся воздухе, на морозильных стеллажах и в рассоле. При замораживании на стеллажах температурив морозилке должна быть не менее чем на 6—8° С ниже температуры замерзания эвтектика.
По данным практики, зероторы с рассолом при температуре ^морозилки —20° С замораживаются в течение 19—24 ч. Ориентировочно конец замораживания зеротора можно определить встряхиванием его, при этом не должно чувствоваться переливание жидкости. Вертикально погруженные в рассол у испарителя зероторы при температуре рассола на 5—6° С ниже замерзания эвтектика замораживаются в течение 5—6 ч. После замораживания в рассоле следует промывать зероторы пресной водой. Длительность замораживания зероторов в рассоле обычно в 2,6—3,6 раза меньше, чем на стеллажах, и в 4,5—9,2 раза меньше, чем при замораживании в воздухе. Однако применение этого способа связано с возможностью значительной коррозии оболочки зеротора снаружи.
Толщина слоя рассола в зероторе значительно влияет на продолжительность замораживания. Расчеты показывают, что при частичном замораживании можно сократить его длительность на 40—> 60% при уменьшении энтальпии зеротора на 10—15%. За рубежом существуют зероторы с пустой сердцевиной.
Для зероторов 100X100X200X500 мм с рассолом КС1 при температуре воздуха 5° С и его скоростях 0, 2 и 8 м/с могут быть приняты при размораживании средние коэффициенты теплопередачи около 10, 25 и 50 Вт/(м2-К). Для улучшения теплопередачи при размораживании (и замораживании) зероторов в условиях естественной конвекции их желательно располагать вертикально.
190
Льдозаводы, переработка и использование льда
Стационарные льдозаводы обычно состоят из компрессорного отделения, льдогенераторной и льдохранилища с льдоразделочными и погрузочными машинами, а также платформой для выдачи льда. Наиболее экономичны льдозаводы при хладокомбинатах и холодильниках, так как в этом случае используется общий компрессорный цех и представляется возможным при хранении части льда в камерах холодильника увеличить сезон его производства.
Рис. 108. Льдозавод чешуйчатого льда судна «Андрей Захаров»:
I — льдогенераторное отделение; II — льдохранилище; 1 — льдогенератор Л-250; 2 — бункер; 3 — транспортер подачи льда; 4 — рольганг льдогенераторного отделения; 5 — рольганг льдохранилища; 6 — стол.
По производительности льдозаводы разделяются на малые (льдоцехи) —менее 25 т/сут, средние — от 25 до 100 и большие — свыше 100 т/сут. Емкость льдохранилищ на современных льдозаво-дах в зависимости от назначения их соответствует 1—10-суточной л ьдопро изводител ьности.
Производительность отдельных льдозаводов на отечественном железнодорожном транспорте достигает 180 т/сут, в рыбной промышленности — 360 т/сут. Суммарная производительность судовых льдозаводов превышает 10 000 т/сут. Мощность стационарных льдозаводов на железных дорогах составляет не менее 4000 т/сут, в рыбной промышленности — 3000 т/сут, что при минимуме 120 сут непрерывной работы соответствует получению 0,84 млн. т льда в год. Льдозаводы на железных дорогах и при рыбных предприятиях обеспечены современной механизацией, необходимой для загрузки льдом (и солью) вагонов-ледников и рыболовецких судов.
Передвижные льдозаводы обычно состоят из льдогенераторной с небольшим льдохранилищем и отделения с холодильными машинами и двигателями. Льдозаводы в поездах и на автомобилях имеют производительности до 25 т/сут.
Характеристики советских судовых льдозаводов указаны в табл. 31 (по Аршанскому и Синкевич [3]). Схема льдозавода на судне «Андрей Захаров» представлена на рис. 108.
191
Таблица 31
Судно Изготовитель тип (марка) льдогенератора Льдозаводы Температурный режим работы холодильной машины, °C
число льдогенераторов производительность, т/сут
одного льдогенератора за 20 ч общая
Рефрижератор производственный типа «Скрыплев» Дания фирмы «Сабро» 2 5 10 —
Рефрижератор производственный морозильный типа «Таврия» СССР Л-250 2 5 10 /о— 25 +20
Крабоконсервный завод типа «Анд- СССР Л-250 5 5 25 to— —25 tK= +20
рей Захаров» Рыбопромысловая база «Восток» СССР Л-1000 6 20 120 to— —25
Рыбопромысловая база «50-летие СССР» СССР ИЛ-500 10 10 100 ltK= +36
В производстве льда ведущей тенденцией является переход к промышленному автоматизированному производству трубчатого, пластинчатого, чешуйчатого, брикетного и других видов мелкого (неблочного) льда, сохраняемого в механизированных бункерах [140, 142]. Так как по сравнению с обычным блочным льдом себестоимость трубчатого (также пластинчатого) и чешуйчатого (также снежного) льда в среднем меньше примерно на 35 и 45%, то при технологической целесообразности предпочтение отдается этим видам льда. Заметим, что такой вывод обосновывается и приводимыми в табл. 32 средними практическими показателями для льдогенераторов трех основных типов, вырабатывающих указанные виды льда.
При проектировании льдозаводов учитывают заранее состав и температуру имеющейся воды, особенности земельного участка и рядом расположенных предприятий, а также все факторы, которые обычно принимают во внимание при расчете холодильных сооружений. Необходимы экономические расчеты, определяющие потребную суточную производительность льдозавода и емкость льдохранилища.
Размер земельного участка для постройки льдозавода зависит от размеров самого льдозавода, а также от размеров грузового двора, платформ и трансформаторной, если для нее не предусматривается специального места в помещении льдозавода. Целесообразно примыкание грузового двора к улице, так как в этом случае ширина его может быть минимальной при условии подъезда автотранс-192
Таблица 32
Типы льдогенераторов Расход холода на 1 кг льда, кДж Общее потребление электроэнергии, кВт-ч/т льда Масса оборудования, т на 1 т/сут производительности
Блочные с рассольным охлаждением 585 75 1,2
Трубчатые с непосредственным охлаждением 710 70 0,9
Роторные с непосредственным охлаждением 480 45 0,45
порта задним ходом прямо к платформе. Обычно выбирают ширину двора до Юм, ширину платформы 2 м. Необходимая длира платформы зависит от производительности льдозавода и имеющихся транспортирующих устройств. При производительности 50 т/сут льдозаводы имеют платформы длиной не менее 10 м, при производительности 150 т/сут— от 15 до 20 м. В зависимости от производительности и местных условий возможны различные соотношения площадей отдельных частей льдозаводов.
На льдозаводах с рассольным охлаждением применяют автоматизированный пуск и остановку холодильных компрессоров в зависимости от требуемой температуры рассола в льдогенераторах. Автоматизация иногда ограничивается установкой поплавковых регулирующих вентилей на испарителях льдогенераторов небольшой производительности.
Льдохранилища обычно имеют трубное охлаждение и теплоизоляцию, рассчитанные на поддержание температуры около —5° С. Высота крупных льдохранилищ может достигать 6—8 м, поэтому для складирования блоков льда применяют специальные штабелеукладчики с удлиненными стойками. При более низких льдохранилищах ограничиваются обычными аккумуляторными автопогрузчиками и поддонами на 25—30 блоков льда. Кроме автопогрузчиков на льдозаводах применяют цепные и ленточные транспортеры, а также различные наклонные плоскости.
Экспедиция кроме транспортных механизмов может быть оборудована машинами для распиловки, дробления и сортировки льда. В ряде случаев машины для переработки льда устанавливают в льдохранилищах или на крытых платформах рядом с ними.
Технические характеристики льдозаводов различной производительности, оборудованных рассольными льдогенераторами, приведены в табл. 33.
Для льдозавода средней мощности приближенно принимают следующие расходы холода (в % от общей холодопроизводительности):
Замораживание воды 82
Охлаждение льдоформ 1
Работа мешалок 3
Потери при оттаивании льдоблоков 4
Теплопередача в ограждении льдогенератора 3
» » » льдохранилища 7
13 В. А. Бобков 193
Таблица 33
Показатели льдозавода Значения показателей при производительности льдозавода, т/сут
10 25 50 100 200
Удельный расход холода на замораживание воды, кДж/кг 585 565 545 525 500
Емкость льдохранилища, т 50 125 250 500 1000
Площадь льдогенераторного отделения, м2 60 120 200 300 600
Годовую производительность, например, железнодорожного льдозавода определяют по формуле (в т/год):
100
G == 100— ’
где
а—потеря льда, % (~15%);
gi— расход льда на 1 вагон-ледник первоначального льдоснаб-жения;
Л1—соответствующее число вагонов;
gz — расход льда на 1 транзитный вагон-ледник;
п2—соответствующее число вагонов;
ёз — расход льда на прочие нужды.
Суточная производительность льдозавода соответственно равня-G
ется (в т) g = ; > где о — число дней, необходимых для ремон-
365—о
та льдозавода.
Приведем некоторые данные о зарубежных и отечественных льдозаводах.
По данным Шлитта [155], гамбургская рыбная гавань имеет льдозавод с пятью кожухотрубными льдогенераторами производительностью. по 60 т/сут каждый и льдохранилище — бункер емкостью 600 т трубчатого льда. На рис. 109 и ПО приведены планировка и схема механизации этого льдозавода.
Трубчатый лед из льдогенератора дополнительно охлаждается воздухом при —15° Сив сухом виде подается системой ленточных транспортеров в льдохранилище. Из льдохранилища лед выгружается специальным многоковшовым транспортером. Весь льдозавод автоматизирован и обслуживается только четырьмя работниками.
Один из американских льдозаводов, оборудованных фирмой «Вильтер», имеет два автоматизированных снегогенератора с прессами производительностью по 30 т/сут снежных брикетов каждый. Брикеты с помощью элеватора подаются на хранение в высокий 80-тонный круглый бункер льдохранилища. На рис. 111 представлен льдозавод чешуйчатого льда с механизированным хранилищем.
Для льдоснабжения вагонов-ледников в США и Франции снего-генераторы с прессами и бункерами силосного типа иногда устанавливаются непосредственно на железнодорожных эстакадах (рис. 112).
194
Рис. 109. План льдозавода трубчатого льда в порту Гамбурга:
I — льдогенераторное отделение; II — льдохранилище; III — машинное отделение; IV — аппаратное отделение; V — помещение для трансформаторов; 1 — льдогенераторы; 2 — компрессоры; 3 — конденсаторы; 4 — ресивер; 5 — элеватор.
Рис. ПО. Схема механизации льдозавода трубчатого льда в порту Гамбурга:
1 — льдогенератор; 2 — ленточный транспортер; ’ 3 — промежуточный бункер; 4 — элеватор; 5 — вальцы; 6 — туннельный охладитель; 7 — распределительный транспортер; 8 — мостовой транспортер; 9 — бункер для льда; 10 — элеватор; 11, 12, 13 — ленточные конвейеры; 14 — бункер-распределитель; 15 — отгрузочные конвейеры.
13*
Рис. 111. Льдозйвод чешуйчатого льда с механизированным льдохранилищем:
I — льдогенератор; 2 — компрессорно-конденсаторный агрегат; 3 — воздухоохладитель; 4 — каналы для циркуляции воздуха; 5 — вентилятор с двигателем; 6 — бункер-льдохранилище; 7 — элеватор; 8 — лоток; 9 — промежуточный бункер.
Рис. 112. Льдозавод для снабжения вагонов-ледников брикетированным снежным льдом:
1 — льдогенератор с брикетным прессом; 2 — льдохранилище; 3 — солехра-нилище.
Снежные брикеты во избежание смерзания обычно сохраняют в высоких цилиндрических бункерах-льдохранилищах, оборудованных периодически вращающимися цепными мешалками и охлаждающими устройствами.
Из американских льдозаводов блочного льда известен железнодорожный льдозавод на станции Фресно производительностью 600 т/сут с льдохранилищем на 40 тыс. т.
О современных советских льдозаводах дают представление показанная на рис. 113 планировка типового железнодорожного льдозавода и приводимая на рис. 114 схема льдозавода Мурманского рыбного порта.
Технические характеристики ряда советских льдозаводов. в том числе типового железнодорожного льдозавода на станции Гудермес, производительностью 180 т/сут и Мурманского льдозавода на 360 т/сут даны в табл. 34.
Тр ансз ав одопр оектом, кроме льдозавода на 180 т/сут, разработаны типовые проекты железнодо рожных льдозаводов производительностью 90 и 270 т/сут.
По данным Вайнера, Реморова и Карелина [34], себестоимость получаемого на южных Льдозаводах средней производительности (менее 100 т/сут) 1 т блочного льда составляет 7 р. 34 к., трубчатого льда — 4 р. 65 к.
По Аршанскому и Синкевич [3], расчетная себестоимость 1 т блочного льда 6 р. 67 к. и чешуйчатого льда 3 р. 80 к. для льдозаводов на ,20 т/сут (табл. 35).
При технологической необходимости в блочном льде предпочтение отдается трубчато-блочному или трубчато-плитному льду, который в среднем на 25% дешевле обычного блочного льда, получаемого в льдогенераторах с рассольным охлаждением. Себестоимость последнего в средней климатической полосе на льдозаводе с льдогенератором рассольного охлаждения производительностью 50 т/сут составляет примерно 5 руб./т.
197
Показатели
Сухуми
Число льдогенераторов 2
Тип оборудования Льдогенератор блочного льда
Суточная производительность, т 60
Годовая выработка льда, т 16500
Емкость льдохранилища, т 3451
Общее число работающих 70
в том числе рабочих 56
Общий объем зданий, м3 16978
Годовой расход воды, м3 97000
Установленная мощность оборудования, кВт 419,6
Таблица 34
Льдозаводы
Кишинев Ростов-на-Дону (проектные данные) Калининград Мурманского морского рыбного флота Гудермес
2 1 2 4 2
— Льдогенератор трубчатого льда Льдогенератор блочного льда Льдогенератор блочного льда Льдогенератор блочного льда
80 100 180 360 180
26800 10000 31600 108000 35000
3042 50 800 3000 блочного, 250 дробленого льда 800 дробленого льда
63 3 43 116 20
52 3 34 54 ——
16189 756 18665 63944 —-
127000 10200 104000 170000 104000
560 100 1010 1368,4 1100
План I этажа
11
Рис. 113. Планы типового железнодорожного льдозавода:
I — машинное отделение; II — помещение станции управления; III — мастерская; IV — котельная; V — служебно-бытовые помещения; VI — склад соли; VII — склад дробленого льда; VIII — камера блочного льда; IX — льдогенераторное отделение; 1 — передвижной конвейер; 2 — машина МВС-3; 3 — элеватор; 4 — льдогенераторы; 5 — оттаивательные сосуды; б — пластинчатый конвейер; 7 — скребковый конвейер; 8 — льдодробилка; 9 — погрузочно-разгрузочная машина; 10 — винтовой спуск; 11 — разгрузочная тележка.
Рис. 114. Схема механизации льдозавода блочного льда Мурманского рыбного порта:
1 — кран; 2 ~ льдогенераторы; 3 ~~ реверсивный транспортер; 4 ~ винтовой спуск; 5 — пневмотолкатель; 6 — электропогрузчик; 7, 8, 9 — скребковые транспортеры; 10 — элеватор; 11 — распределительный транспортер; 12 — , транспортеры разные с бункерами; 13 — загрузочная машина.
,13
Таблица 35
Показатели Завод
чешуйчатого льда блочного льда
Строительная кубатура, м3 1081 2400
Полезная площадь здания, м2 257 303
Число производственных рабочих 3 6
Годовая выработка льда на 1 производственного рабочего, т/год 2000 1000
Себестоимость единицы продукции, руб/т Капиталовложения на единицу мощно- 3,8 3,94 6,67 3,96
сти (1т), тыс руб.
Единая по РСФСР оптовая отпускная цена на наиболее распространенный у нас обычный блочный лед 10 руб./т.
Блочный лед перед отпуском с льдозаводов в ряде случаев подвергается разделке, сортировке и упаковке. При этом часть льда временно сохраняется на льдозаводах в дробленом виде (в рыбной промышленности, на железных дорогах). Различные виды мелкого льда и льдоводяной пульпы широко применяются в современной промышленной технологии для контактного охлаждения рыбы, птицы и овощей, мясного фарша и теста, а также бетона и химических смесей.
Представляют интерес льдорасфасовочная техника и порядок льдоснабжения. Приводим описание американской машины
(рис. 115), работавшей на Ленинградском льдозаводе и предназначенной для распиливания блоков льда массой 136 кг на кубики 40Х40Х Х40 мм. Машина представляет собой наклонную металлическую плоскость, по которой при помощи цепного конвейера по прямоугольнику двигается каретка с заложенным в нее блоком. При движении каретки вверх по левой стороне плоскости торцевая поверхность блока надрезается в вертикальном направлении семью пилами, смонтированными на общем валу под плоскостью и выступающими из нее сквозь прорези. Расстояние между пилами 40 мм. Глубина надрезов несколько более 40 мм. При движении
Рис. 115. Схема кубиковой льдорезной машины:
1, 2 — электродвигатели надрезающих льдоблоки пил; 3 — электродвигатель пилы, отрезающей кубики льда; 4 — электродвигатель каретки для льдоблоков.
14 В. А. Бобков
201
каретки по верхней стороне прямоугольника слева направо блок встречает второй вал с 14 пилами, которые надрезают его в перпендикулярном направлении. При ходе каретки вниз по правой стороне блок встречает отрезную пилу, расположенную на параллельной наклонной плоскости на расстоянии 40 мм от нее. Эта пила отрезает надрезанный торцовый слой блока, и кубики падают вниз в приемный ящик. Затем каретка по нижней стороне прямоугольника возвращается в исходное положение, процесс начинается снова и продолжается до тех пор, пока не будет распилен весь блок.
Валы с надрезающими пилами непосредственно соединены с электродвигателями 2,2 кВт с числом оборотов 1450 в минуту. Отрезная пила непосредственно соединена с двигателем той же мощности, но на 2850 об/мин. Каретка приводится в движение двигателем 1,25 кВт. Диаметры надрезающих пил 226 мм, отрезной 305 мм. Скорость хода каретки в вертикальном направлении 0,173 м/с, в горизонтальном 0,282 м/с.
Мелкодробленый блочный лед в США получают на установках для дробления и сортировки кусочков льда по размерам: яйца (38 мм), ореха (31 мм— 19 мм), горошины (13 мм). Дробленый лед подается конвейером во вращающийся барабанный грохот диаметром 0,76 м. Первая секция барабана имеет ячейки 13 мм, вторая — 19 мм, третья — 31 мм и четвертая — 38 мм. Длина первой .секции 0,9 м, остальных по 0,6 м. Под сортировочным барабаном, поднятым на высоту 1 м, находятся бункера для приема дробленого льда по размерам. Сортировочная установка имеет общую длину 3,6 м, ширину— 1,2 м и размещается в помещении с температурой —5° С. При более высоких температурах происходит спекание дробленого льда.
В США широко организована продажа дроблёного и кубикового льда. Лед доставляется потребителям в специальных контейнерах. Один из таких контейнеров представляет собой ведро из кипарисового дерева (толщина стенки 16 мм), покрытое внутри парафином. Ведро обладает неплохими теплоизоляционными свойствами: при температуре воздуха 22° С в ведре емкостью 6,8 кг льда в течение 10 ч растаивает всего 1,1 кг, в ведре емкостью 11,3 кг растаивает 1,8 кг льда. Ведро снаружи окрашено под дуб и снабжено гальванизированными обручами и створчатой крышкой на петлях; для переноски служит проволочная дужка с деревянной ручкой.
Потребитель, покупая ведро, получает недорогой постоянный контейнер для льда. Лед доставляют в специальных брезентовых мешках, откуда его пересьщают в ведра. Такой лед продается по цене в 2 раза выше нормальной рыночной цены на блочный лед.
Кубиковый лед, доставляемый в ведрах, имеет лучший вид, чем кубиковый лед, получаемый в испарителях машинных холодильников, к тому же в жаркое время года льда из домашних холодильников может не хватать.
Для удовлетворения потребности в порционном льде случайных покупателей, а также лиц, которые не хотят приобретать постоянные контейнеры-ведра, лед поставляют в контейнерах однократного пользования. Такой контейнер представляет собой цилиндрическую коробку из манильского картона специальной пропитки; емкость контейнера 9,4 л. Практикуется также упаковка кубикового и цилиндрического льда в небольшие водостойкие бумажные пакеты и малые картонные коробки вместимостью до 5 кг. Упакованный лед достав
202
ляют в магазины или на дом потребителям в авторефрижераторах.
Значительную часть льда, упакованного в бумажные мешки, пакеты и коробки, продают в уличных торговых автоматах различных конструкций, работающих круглосуточно и обычно охлаждаемых с помощью холодильных машин.
Из льдоразделочного оборудования, применяемого в СССР, кроме льдодробилок и снеговальных агрегатов (см. стр. 56) .несомненный интерес представляет льдорезный агрегат производительностью до 3 т/ч конструкции ВНИХИ и Гипрохолода. Он состоит из станины с горизонтальным валом, имеющим семь дисковых пил диаметром 600 мм, установленных на расстоянии 125—150 мм одна от другой. Пильный вал соединен посредством эластичной муфты с электродвигателем мощностью 3 кВт (1500 об/мин).
Льдоблок весом 25 кг укладывают на качающийся вилочный захват и с помощью рычага подают навстречу вращающимся пилам. Отпиливаемые одновременно 7—8 ледяных брикетов массой по 3 кг выдаются агрегатом через специальный лоток. Описанный льдорезный агрегат нашел применение на наших льдозаводах.
В целях получения данных для расчета льдоразделочных машин автором совместно с Петровской и Валегуро были выполнены экспериментальные исследования. Опыты проводились на искусственном блочном льде матовом и прозрачном плотностью соответственно 900 и 915 кг/м3. Лед распиливали на круглопильном станке, оборудованном электродвигателями для вращения пилы и принудительной подачи блоков искусственного льда массой по 25 кг. Мощность, потребляемую пилой, измеряли самопишущим ваттметром, а усилие подачи — гидравлической мессдозой. Была использована типичная дисковая пила для древесины.
Диаметр, мм 570
Шаг зубьев, мм 30
Глубина пазухи, мм 18
Толщина пилы, мм 2,5
Развод зубьев на сторону, мм 0,5
Угол заточки зубьев, 0 40
Угол резания, 0 70
Некоторые результаты опытов по распиливанию льда на указанной установке (резание — пиление матового льда) приведены в табл. 36. На рис. 116 графически представлены все полученные экспериментальные зависимости коэффициента резания — пиления (работа, необходимая для измельчения 1 см3 льда) и отношения усилия по-
Рр
дачи к усилию пиления ---- от скоростей пиления w и. подачи v,
Pw
глубины пропила h и температуры льда /л.
При этом: 1) функции от скорости пиления w (окружная скорость) даны для о=30 м/мин, А=200 мм и /л=0°С; 2) функции от скорости подачи v — для w=60 м/с, /г=200 мм, /л=0°С; 3) функции от глубины пропила h — для w = 60 м/с, о = 30 м/мин, /л = 0°С; 4) функции от температуры (/л) — для о>=60 м/с, о=30 м/мин, /г=200 мм. Усредненные и линеаризованные зависимости даны для матового льда.
14* 203
Таблица 36
Скорость резания W. м/с Скорость подачи V, м/мии, ' Глубина пропила, h, мм Температура льда tn, °C Усилие подачи Р , Н V Мощность резания N, Вт
60 31 200 0 140 1550
60 31 150 0 109 1380
60 31 50 0 51 990
42 31 200 0 176 1570
42 19 200 0 88 1480
29 31 200 0 150 1565
29 10 50 0 42 390
60 31 200 —5 153 1225
60 31 200 —8 154 1000
60 31 200 -14 182 975
При пилении прозрачного льда величины Ка примерно на 20% больше, чем для матового льда. Следует заметить, что подача льдо-
Рис. 116. Характеристики ре-
зания (пиления) матового блочного льда,
блока при резании его требует приложения силы (рв = = 50-?200 Н) в случае вращения пилы против направления подачи. В обратном случае имеет место самоподача льдоблока, за счет чего несколько возрастает расход энергии на резание.
Пользуясь рис. 116, можно определить, в частности, необходимую мощность /V на валу пилы. Например, для пиления льда при разводе зубьев пилы на а = 0,6 см (6 мм) и значениях А=20 см (200 мм), v = 50 см/с (30 м/мин), в случае /л= 0° С для &а=30-г-4-60 м/с величина Ли по графику рис. 116 составляет 4 Дж/см3. При этом мощность на валу пилы будет равна N = Knahv = 4-0,6-20-50 = = 2400 Вт.
При понижении температуры льда с 0° до —14° С расход мощности на пиление (вращение пилы) уменьшается, а необходимое усиление подачи возрастает. Известно, что некоторые свойства льда в значительной степени зависят от
204
его температуры. Например, при температуре ниже —’84—10° С осадка льда изменяется относительно мало, т. е. мы уже имеем дело со льдом, значительно изменившим свои первоначальные свойства. По нашим опытам, при температурах льда ниже —8° С режим пиления и пбдачи заметно изменяется. Большой расход мощности на пиление льда при относительно высоких температурах можно объяснить тем, что при этом влажные опилки значительно труднее удаляются из пазух зубьев пилы, кроме того, прилипая к режущей кромке, они снижают эффективность резания.
Рис. 117. Горизонтальный автомат для продажи льда:
1 — конвейерная лента со льдом; 2 — редуктор; 3 — цепная передача; 4 — электродвигатель; 5 — монетник; 6 — короб для выдачи льда; 7 — теплоизоляционное ограждение.
При относительно низких температурах сухая ледяная пыль (опилки) легко удаляется и не тормозит вращения пилы (в этом случае теплота резания льда не-вызывает его плавления).
Упрощенно считая, что усилие резания (а следовательно, и мощность резания) зависит от свойства материала срезаться (скалываться), а усилие подачи зависит от свойства материала сминаться, можно объяснить отсутствие заметного увеличения мощности пиления малой зависимостью усилий среза от температуры льда. Так как усилие смятия (сжатия) для льда тем больше, чем ниже температура, то в связи с этим и усилие подачи должно значительно увеличиваться, что и наблюдалось на практике. Приведенные соображения являются лишь вероятным объяснением процесса пиления льда и не претендуют на окончательность.
В принципе эффективность дисковой пилы зависит от скорости подачи, скорости резания, глубины резания, ширины резания, профиля резцов, трения. Для резания льда, однако, проведенные опыты не показали заметного влияния скорости резания на эффективность процесса в проверенном диапазоне скоростей.
Профиль резца (зуба) пилы имеет большое значение для эффективности пиления. Известно, что чем меньше угол заостроения зуба пилы, тем меньше расход мощности на пиление (пределом служит прочность зубьев). То же касается и переднего угла (пределом здесь служит быстрое затупление). Для древесины часто рекомендуется примерный передний угол зуба в 45° (при угле в 90° расход
205
мощности увеличивается в ~1,5 раза). Вви ; того что лед является материалом обычно менее прочным, чем древесина, можно пола-
Рис. 118. Схема вертикального автомата для продажи льда:
1 — испаритель; 2 — изоляция; 3 — монет-ник; 4 — лоток для выдачи льда; 5 — редуктор; 6 — холодильный компрессор с конденсатором; 7 — люк для загрузки льда; 8 — пульсирующий транспортер для брикетов льда; 9 — люк для осмотра испарителя.
гать, что и передний ,угол здесь допустим меньше 45°. То же соображение может быть выдвинуто и относительно угла заострения.
Получаемый на наших предприятиях расфасованный по 3 кг блочный лед заворачивают в крафт-бумагу с этикеткой «лед» и укладывают в транспортные контейнеры или картонные коробки различной емкости, предназначенные для транспортировки и хранения фасованного льда. Пищевой трубчатый лед частично упаковывают в полиэтиленовые пакеты емкостью 1 кг.
Контейнеры и коробки со льдом перевозят в изотермических кузовах и хранят в камерах с охлаждением при температуре не выше —2°-.—3° С. Кратковременно контейнеры со льдом можно хранить и без охлаждения.
Один из применяемых контейнеров представляет собой изотермический ящик 380X480X380 мм с откидной крышкой. Его емкость 70 л, вмещает 12 брикетов льда по 3 кг или 30 упаковок трубчатого льда по 1 кг. Конструкция бескаркасная. Такого типа контейнеры можно изготовлять на льдозаводах из стандартных деталей. Лед, предназначенный для ресторанов, часто перевозят в коробках по 5 кг. Расфасованный лед, как и обычные льдобло-ки, целесообразно доставлять потребителям специализированными автомашинами. Отпускная стоимость 1 т блочного льда 10 руб., фасованного—24 руб.
Продажа населению упакованного в полиэтилен трубчатого льда иногда производится из изотермических тележек с сухим льдом.
Для круглосуточной торговли пищевым льдом Беверном [35] во ВНИХИ сконструирован специальный автомат (рис. 117), представляющий собой теплоизолированный шкаф 2,9Х1,?Х2 м с установленными в нем двумя электроприводными конвейерами пульсирующего действия, вмещающими 60 льдобрикетов по 3 кг. Конвейер
включается от электрического импульса, получаемого от стандартного монетника, и выдает через приемный лоток, каждый раз один льдобрикет. При продаже упакованных в бумагу льдобрикетов автомат следует охлаждать приставной холодильной машиной.
20&
Во ВНИХИ был сконструирован весьма компактный вертикальный автомат для продажи льда АПЛ75Х4ц на 75 льдобрикетов (рис. 118). Изолированный контур этого автомата соответствует нагрузке 130 кг/мЗ. В отличие от предыдущей конструкции он был запроектирован со встроенной автоматической холодильной машиной, поддерживающей в теплоизолированном отсеке температуру воздуха до —5° С.
Сбыт льда населению в Советском Союзе производится через магазины и аптеки в строгом соответствии с санитарными правилами.
На наших предприятиях общественного питания и в быту пищевой лед используется для сервировки и охлаждения вин и водок, овощных закусок, приготовления первых блюд — холодных окрошек и фруктовых супов, а также компотов, холодного кофе, чая, какао и питьевой воды. Мелкий лед употребляется с ягодами и фруктами и при приготовлении коктейлей. Лед также используется для медицинских целей в больницах и на дому.
Получаемый в домашних холодильниках лед в виде прозрачных кубиков применяют у нас в быту, в частности, для непосредственного охлаждения питьевой воды, фруктово-ягодных соков и газированных напитков.
* * *
В заключение приводим пример расчета потребности стационарных льдозаводов в льдогенераторах при практически возможном росте производства и потребления искусственного льда предположительно на 15% за пять лет. Расчет носит условный характер и учитывает постепенную замену, имеющихся и выходящих из строя рассольных льдогенераторов, дающих около 90% льда, на более современные безрассольные автоматизированные трубчатые льдогенераторы дробленого и блочного льда и на весьма перспективные роторные льдогенераторы непрерывного действия для получения чешуйчатого и снежного льда.
Исходя из общей производительности ~ 1000 000 т/год и роста валового производства льда за 5 лет на 15% при условии замены 50% рассольных льдогенераторов на безрассольные, получаем следующую ‘производительность последних: (0,5(1000000-0,9)+150000=600000 т/год. В соответствии с имеющейся тенденцией полагаем, что будет произведено 350000 т/год трубчатого блочного и дробленого льда и 250000 т/год — чешуйчатого и снежного льда.
При производительности условного трубчатого льдогенератора 500 кг/ч и работе его минимум в течение 4 мес. по 24 ч в сутки получим годовую продукцию 1440 т льда. Отсюда потребное на пятилетку количество трубчатых льдогенераторов в условных единицах без учета амортизации будет 350000:1440=243, а средняя ежегодная потребность 243: 5=49 льдогенераторов (при работе 240 сут потребуется 25 льдогенераторов). При этом следует считать целесообразным выпуск описанных выше трубчатых льдогенераторов: ЛГТ-10, ЛГТ-50 и ЛГТ-100 (производительность 400—4000 кг/ч); ТБЛ-100 и ТБЛ-450 (производительность 100—450 кг/ч); ОЛ-25/35 (производительность 35 кг/ч).
207
При производительности условного роторного льдогенератора чешуйчатого льда 250 кг/ч его продукция за 4 мес при работе по 24 ч в сутки составит 720 т/год. Для получения 250000 т льда потребуется без учета амортизации 250000 : 720=350 льдогенераторов на 5 лет, или 70 льдогенераторов в год (при работе 240 сут потребуется 35 льдогенераторов). Наиболее приемлемы роторные льдогенераторы описанных ранее типов: ФИЛ-50/100 (450 кг/ч), ИЛ-300 (300 кг/ч), ИЛ-500 (500 кг/ч) и Н1-ИЛ 25А (1000 кг/ч).
В будущем в результате широкого внедрения брикетных прессов и эффективных роторных льдогенераторов, в том числе автономных фрезерного типа, льдогенераторы непрерывного действия, производящие чешуйчатый, снежный и брикетный лед, могут стать основными изготовителями льда во многих отраслях народного хозяйства.
Одновременно с организацией более централизованного и массового, чем сейчас, производства уже освоенных безрассольных льдогенераторов необходимо завершить труд по созданию и промышленному внедрению всех потребных типов трубчатых и роторных льдогенераторов.
Наряду с дальнейшими научными исследованиями теплообмена при образовании и плавлении льда и льдоводяной пульпы важное значение будут иметь:
установление перспективных потребностей отраслей народного хозяйства в искусственном водном льде и уточнение технико-эконр-мических обоснований предпочтительных для советской промышленности конструкций льдогенераторов;
дальнейшая разработка и исследование новых типов льдогенераторов, в частности с термоэлектрическим охлаждением и капиллярных льдогенераторов с переохлаждением воды и образованием льда вне испарителя, а также шнековых прессов непрерывного действия для брикетирования снежного льда;
разработка и исследование интенсивных ледяных холодоаккумуляторов, в том числе аккумуляторов с использованием роторных льдогенераторов и льдоводяной пульпы, снеговальных агрегатов, сублимационных и водооросительных кристаллизаторов.
Приложения
Международная система единиц физических величин (СИ) применительно к холодильной технике
Величины, применяемые в холодильной технике Единицы СИ — обозначение Единицы, отличающиеся от единиц СИ
русское международное обозначение значение в единицах СИ
1 t 2 3 4 5
Сила, вес н N кгс дин (дина) 9,80665 Н (точно) («9,8 Н) 10—® Н (точно)
Давление, механическое напряжение Па Ра кгс/см2; ат кгс/м2; мм вод. ст. ' мм рт. ст. бар атм (физическая атмосфера) «9,8-Ю4 Па. «9,8 Па 133,322 Па 10—® Па (точно) 101 325 Па (точно)
Плотность Удельный объем кг/м3 м3/кг kg/m3 m3/kg — —
Поверхностное натяжение Н/м N/m кгс/м дин/см «9,8 Н/м 10- 3Н/м (точно)
Объемный расход м3/с m3's — —
Массовый расход кг/с kg/s — —
Работа, энергия Дж J кгс-м кВт-ч «9,8 Дж 3,6-10® Дж (точно)
Мощность Вт W кгс-м/с л. с. (лошадиная сила) «9,8 Вт 735,499 Вт
Удельная газовая постоянная Дж/ (кг-К) J/ (kg-K) кгс-м/ (кг- •К) «9,8 Дж/ (кг-К)
Динамическая вязкость Па-с Па-s кгс-с/м2 П (пуаз) «9,8 Па-с 0,1 Па-с (точно)
209
Продолжение приложения
Величины, применяв-мыв в ХОЛОДИЛЬНОЙ технике 4 — — — Единицы СИ — обозначение Единицы, отличающиеся от единиц СИ
русское международное обозначение значение в единицах си
1 2 3 4 5
Кинематическая вязкость м2/с m2/s Ст (стокс) сСт 10—4 м2/с (точно) 10“6 М2/ (точно)
Количество теплоты Дж J ккал 4186,8 Дж (точно) («4190 Дж)
Удельное количество теплоты, удельная теплота фазового превращения, удельная энтальпия и пр. Дж/кг J/kg ккал/кг 4186,8 Дж/кг (точно)
Удельная теплоемкость Дж/ (кг-К) Л (kg -К) ккал/(кг-°C) 4186,8 Дж/(кг-К) (точно)
Удельная энтропия » » ккал/(кг-К) »
Тепловой поток, холодопроизводительность Вт W ккал/ч 1,163 Вт (точно)
Поверхностная плотность теплового потока Вт/м2 W/m2 ккал/(ч-м2) 1,163 Вт/м2 (точно)
Теплопроводность Вт/(м-К) W/(m-K) ккал/(ч-мХ Х° С) 1,163 Вт/(м-К) (точно)
Коэффициенты теплопередачи и теплоотдачи Вт/(м2-К) W/(m2X XK) ккал/(ч-м2Х Х°С) 1,163 Вт/(м2-К) (точно)
210
Некоторые критерии подобия для процессов теплообмена
Критерий Критериальное уравнение
Био В,=ГТ r gpw
Г расгоф МГ— V2
Нуссельт т Nu=— X „ Wl
Пекле ре=— а
Прандтль Рг=— а „ WI
Рейнольдс Re— V
Фурье ах Fo=— Z2
Обозначения: а — коэффициент теплоотдачи; I — характерный размер, % — коэффициент теплопроводности (Лт — для твердого'тела); ускорение свободного падения; ₽ — коэффициент объемного расширения; Д/ — температурный напор; v — коэффициент кинематической вязкости; w — скорость дви^ жения; а — коэффициент температуропроводности; т — промежуток времени.
Теплофизические свойства водных растворов NaCl
Таблица А
Содержание NaCl на 100 кг раствора, кг Температура начала замерзания, °C Теплоемкость с при 0° С, кДж/(кг-К) Вязкость трЮ4 Н-с/м2 при температуре, °C Теплопроводность А, в Вт/(м-К) при температуре, °C
4-20 4-Ю 0 —5 —10 -15 -20 0 —5 —10 —15 -20
0,1 ~0,0 4,19 10,3 12,8 17,7 — — — 0,566 — — —III—
1,5 —0,9 4,07 10,3 13,0 17,8 — — — — 0,565 — — ——•
2,9 —1,8 4,00 10,4 13,2 18,0 — — — 0,563 — — — —
4,3 —2,6 3,94 10,5 13,5 18,2 — — — — 0,562 — — — —
5,6 —3,5 3,88 10,6 13,8 18,4 — — — —— 0,562 — — —
7,0 —4,4 3,83 10,8 14,1 18,7 — — — — 0,560 — — —
8,3 —5,4 3,77 11,0 14,4 19,1 23,0 — — — 0,558 0,551 —— —
9,6 —6,4 3,72 Н,2 14,8 19,6 23,7 — — — 0,557 0,550 — —
11,0 —7,5 3,68 11,5 15,2 20,2 24,4 — — — 0,556 0,549 — —
12,3 —8,6 3,63 11,9- 15,7 20,8 25', 2 — — — 0,555 0,548 — —
13,6 —9,8 3,59 12,3 16,2 21,5 26,1 — — —— 0,554 0,547 —
Продолжение
Содержание NaCl на 100 кг раствора, кг Температура начала замерзания, °C Теплоемкость с при 0° С, кДж/(кг-К) Вязкость т)-10* Н-с/м2 при температуре, °C Теплопроводность А, в Вт/(м‘К) при температуре, ®С
+20 +10 0 —5 —10 -15 -20 0 -5 —10 -15 -20
13,9 —11,0 3,55 12,7 16,7 22,4 27,2 33,4 — — 0,552 0,545 0,536 .— —
16,2 ♦ — 12,2 3,51 13,1 17,3 23,2 28,3 34,9 —*— — 0,552 0,544 0,535 — , 1 —
17,5 —13,6 3,48 13,7 17,8 24,3 29,7 36,8 —• — 0,551 0,543 0,534 ЦМИ1И
18,8 —15,1 3,44 14,3 18,5 25,6 31,2 38,7 47,8 — 0,550 0,542 0,533 0,525 —
20,0 —16,6 3,41 14,9 19,3 26,9 32,8 40,8 50,1 — 0,548 0,541 0,531 0,523
21,2 —18,2 3,37 15,5 20,1 28,2 34,4 43,1 52,8 I 0,547 6,538 0,530 0,522 —
22,4 —20,0 3,34 16,2 21,0 29,6 36,4 45,6 55,8 68,6 0,545 0,537 0,529 0,521 0,513
23,1 —21,2 3,32 16,7 21,6 30,4 37,5 47,1 57,5 70,4 0,544 0,536 0,528 0,520 0,513
23,7 —17,2 3,31 17,2 22,2 31,4 38,5 48,6 59,3 — 0,544 0,536 0,528 0,520 —
24,9 —9,5 3,28 18,0 23,4 33,0 40,7 —. — 0,542 0,535 — — —
26,1 — 1,7 3,26 19,1 24,8 34,7 — —. — 0,541 —• — — ——
26,3 ~0,0 3,25 19,2 25 J) 35,0 — — » — 0,530 — — —
Таблица Б
Реле давления и разности давлений
Прибор Техническая характеристика Назначение прибора
Тип прибора Диапазон настройки размыкания контактов, МПа Дифференциал, МПа Основная погрешность, МПа Разрывная мощность контактов (в Вт) в цепи тока 380 В Когда размыкается контакт Максимально допустимое давление, МПа
Реле давления двухдатчиковое1 РД-4А-01 150 При понижении давления 1,6 Защита аммиачных холодильных установок от недопустимого повышения давления нагнетания и снижения давления всасывания
датчик низкого давления датчик высокого давления 0,07—0,4 0,6—1,8 0,04—6,25—регулируемый 0,1—0,25 — нерегулируемый =1=0,025 =1=0,06 При повышении давления 2,1
Продолжение
Прибор Техническая характеристика Назначение прибора
Тип прибора Диапазон настройки размыкания контактов, МПа Дифференциал, МПа Основная погрешность, МПа — Разрывная мощность контактов (в Вт) в цепи тока 380 Ь Когда размыкается контакт Максимально допустимое давление, МПа
Реле давления двухдатчиковое2 Датчик низкого давления РД-4А-02 0,09—0,0 0,015—0,06 — регулируемый *0,015 150 При понижении давления 1,6 То же, для компрессоров низкого давления
датчик высокого давления 0,05—1,0 0,06—0,15—нерегулируемый *0,05 При повышении давления 2,1
Реле давления3 РД-М5 0,05—0,1 0,1—0,4 0,4—0,9 Нерегулируемый до 10% верхнего предела срабатывания ±0,02 *0,02 *0,035 150 При повышении давления 1,5 1,5 1,5 Защита водяных и рассольных насосов от наруше-1 ния режима их работы
РД-8Т 0—0,4 0—0,6 От 10 до 50% предела давления, регулируемый 80 То же То же
Продолжение
Прибор Техническая характеристика Назначение прибора
Тип прибора Диапазон настройки размыкания контак-• тов, МПа 1 Дифференциал, МПа Основная погрешность, МПа । Разрывная мощность контактов (в Вт) в цепи тока ЗоО В Когда размыкается контакт Максимально допустимое давление, МПа
РД-12 0,04—0,3 0,2—0,8 0,2—1,2 0,5—2,0 0,04—0,16 0,075—0,27 0,15—0,45 0,2—0,7 регулируемый ±0,012 ±0,032 ±0,048 ±0,080 150 При повышении давления 1,5 2,1 2,1 2,5 Защита водяных и рассольных насосов от нарушения режима их работы
Реле перепада давлений (реле контроля смазки)4 ' РКС-1А-01 0,02—0,25 Не более 0,06 нерегулируемый ±0,015 150 При понижении разности давлений 2,5 Защита компрессоров от. нарушения режима смазки
Реле перепада давления4 РКС-1А-02 0,05—0,4 Не более 0,04 ±0,015 150 При понижении разности давлений 2,5 Защита аммиачных насосов от «срыва струи»
1 Прибор в тропическом исполнении РД-4А-01Т (может работать при влажности воздуха 95±3%), параметры те же. Изготовитель — Тартуский приборостроительный завод.
2 Прибор в тропическом исполнении РД-4А-02Т, параметры те же, Изготовитель — Тартуский приборостроительный завод.
8 Исполнение соответствует требованиям, предъявляемым к помещениям класса В-16, исполнение РД-12 общепромышленное. Изготовитель — Тартуский приборостроительный завод.
4 Исполнение соответствует требованиям, предъявляемым к помещениям класса В-16. Изготовитель — Орловский завод приборов.
СП
Таблица В
Бобков
« Приборы измерения, регулирования и сигнализации температур и разности температур
Прибор Техническая характеристика Назначение прибора
Тип прибора Диапазон настройки размыкания контактов илн шкалы измерения, °C 1,1 Дифференциал, °C .... । Основная погрешность, °C Разрывная мощность контактов в Вт в цепи тока 220В Когда размыкается контакт Дистанцион-ность
Температурное реле двухпозиционное (манометрическое) 1 ТР-2А-06ТМ 60—160 10,0— нере-гули- РУе-мый ±5,0 300 При повышении температуры 3 м Защита аммиачной холодильной установки от недопустимого повышения температуры нагнетания
ТР-5М —354—5,0 —204-10,0 2,8— регулируемый 1 ±0,1 300 При понижении температуры 3 м Регулирование температуры
Продолжение
w
CD
Прибор Техническая характеристика Назначение прибора
Тип прибора Диапазон настройки размыкания контактов или шкалы измерения, °C 1 Дифференциал, °C . Основная погрешность, °C Разрывная мощность контактов в Вт в цепи тока 220В Когда размыкается контакт Диета нцион-ность
Температурное реле двухпозиционное (полупроводниковое)2 ПТР-2 —304—5,0 —Ю-г+15 5—35 30—60 0,5— 5,0— регулируе- мый ±0,5 500 По заказу при повышении или понижении температуры Линия связи сопротивлением не более 5 или 15 Ом Регулирование и сигнализация температуры
Дифференциальное реле температуры2 ПТРД-2 —5,04—5,0 0,2— 2,0— регу- лируемый ±0,3 500 То же То же Сигнализация или регулирование разности температур
Продолжение
* Прибор Техническая характеристика Назначение прибора
Тип прибора Диапазон настройки размыкания контактов или шкалы измерения, °C Дифференциал, °C Основная погрешность, °C Разрывная мощ-носсь контактов в Вт в цепи тока 220В Когда размыкается контакт 7 Дистанцион-ность
Комбинирован- КТР-2М —504—30; 0,5— *0,5 500 При понижении Линия Автоматичес-
ное термореле 3 (КТР-2МТ) —40-5-—20; —304-—10; —204-±0; —104-10; ±04-20; 10—30; 20—40; 30—50. Разность температур от 0,5 до 10, в пределах от —50 до 50° С 5,0 регулируемый Класс температуры или разности температур СВЯЗИ ДО 5 Ом кое питание охлаждающих приборов холодильной установки и регулирование температуры
Логометр показывающий 4 ЛПр-54 Диапазон шкалы —504-50; 0—50; 0—100; 0—150 1,5 Линия связи 5 или 15 Ом (указано на шкале прибора) иное. Изготов Измерение температуры в сосудах, трубопроводах и пр.
1 Исполнение р завод приборов. еле ТР-2А-06ТА для помещений кл асса В- 16, реле ТР-Е >М —- общепромышле итель — Орловский
2 Исполнение общепромышленное. Изготовитель — Орловский завод приборов.
8 Исполнение общепромышленное. Изготовитель — Опытный завод ВНИХИ.
ьэ 4 Датчиками ЛПр-54 являются термометры сопротивления. Исполнение для помещений класса В-16. Изготовитель — Ереван-ский опытный завод приборов.
Таблица Г
Приборы измерения, регулирования и сигнализации уровня аммиака
Прибор Техническая характеристика Назначение прибора
Тип прибора Дифференциал, мм Рабочая температура, °C Диаметр условного прохода, мм Максимально допустимое давление, МПа Дистанцион-ность
Полупр ОВ однико -вое реле уровня1 ПРУ-4 ПРУ-5 15 10—35 —50 : +50 1,8 Длина связи до 15 м Регулирование, сигнализация уровней в сосудах и аппаратах холодильной установки, защита компрессоров от гидравлических ударов
Поплавковый регулятор уровня двухпозиционный1 ПРУД-25 ПРУД-40 20—60 20—100 (при скорости изменения уровня от 1 до 25 см/мин) —55:- +45 , (датчик) —30 : +50 (клапан) 25 40 1,6 До 10 м
П родолжение
Прибор Техническая характеристика Назначение прибора
Тип прибора Дифференциал, мм Рабочая температура, “С Диаметр условного прохода, мм Максимально до-1 пустимое давле-| ние, МПа Дистанцион-ность
Поплавковый регулятор уровня ПРУДВ-25 20—60; 20—100 (при скорости —55^+45 (датчик) 25 1,6 До 10 м Регулирование уровня в сосудах
двухпозиционный (высокого давления) 1 ПРУДВ-40 измерения уровня от 1 до 25 см/мин) —30^ +50 (клапан) 40 Г 1,6 До 10 м Регулирование уровня в сосудах («до себя»)
Продолжение
Прибор Техническая характеристика Назначение прибора
Тип прибора Дифференциал, мм Рабочая температура, °C Диаметр условного прохода, мм Максимально допустимое давле-ние, МПа Дистанцион-ность
Поплавковый регулятор пропорционального действия1 2 ПР-14 —55^ +45 14 1,8 Устанавливается непосредственно у маслоотделителя Поддержание постоянного уровня аммиака в промывных маслоотделителях
Дистанционный измеритель уровня жидкости3 ДИУ-400 ±50 1,8 До 500 м Измерение уровня жидкости в сосудах холодильной установки; диапазон измерения 400 мм
Визуальный указатель уровня4 ВУУ-2 ±50 1,8 Устанавлива-ётся у сосуда или аппарата Указание уровня аммиака в сосудах; диапазон — 400, 600, 800 мм
1 Исполнение приборов типа ПРУ, ПРУД и ПРУДВ для помещений класса В-16; допустимая сила тока (220 в) равна 0,ЗА Датчики реле уровня подключаются в инверсном режиме (кроме используемых для сигнализации нижнего уровня). Изготовитель ПРУ-4, ПРУ-5 — Рязанский завод «Теплоприбор, ПРУД-25, ПРУД-40, ПРУДВ-25 и ПРУДВ-40 — Минский завод «Прод-маш».
2 Только для перепадов давления не более 0,05 МПа. Изготовитель — Опытный завод ВНИХИ.
3 Жидкость плотностью не менее 580 кг/м3. Изготовитель — Опытный завод ВНИХИ.
4 Изготовитель — Опытный завод ВНИХИ.
список
ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адамс К., Френч Д., Кингера У. Отвердевание и распресне-ние морского льда в естественных условиях.—В сб. «Лед и снег», М., 1966, с. 237—249.
2. Альтберг В. Я. Подводный лед. М.—Л., ГОНТИ, 1939. 195 с.
3. Аршанский С., Синкевич Э. Льдозаводы. М., «Пищевая промышленность», 1968. 268 с.
4. Бардах Е., Генис А. Диаграмма i—£ и расчет холодопроизводительности системы лед — хлористый натрий. ‘Одесса, 1939. 48 с.
5. Барулина И. Д. Молочная автоцистерна с машинно-аккумуляторной системой охлаждения—«Холодильная техника», 1967, № 7, с. 10—12.
6. Барулин Н. Я. Новая система холодильной машины.—«Холодильная техника», 1967, № 1, с. 50—52.
7. Бобков В. А. Автоматизированный льдогенератор для производства трубчатоблочного льда.— В сб.: «Хладагенты и аппараты», М, 1970, с. 82—94.
8. Бобков В. А. Гидромеханизация использования льда.—«Молочная промышленность», 1954, № 7, с. 27—29 (по авторскому свидетельству № 98583 от 15/XI 1951 г.).
9. Бобков В. А. Использование естественного холода для сохранения продовольствия. М., ВНИХИ, 1968. 58 с.
10. Бобков В. А. Исследование автоматического льдогенератора для производства дробленого пищевого льда. М., Госторгиздат, 1961. 32 с.
11. Бобков В. Ледники.— Сельскохозяйственная Энциклопедия, 1972, т. Ill, М., Советская Энциклопедия, с. 112.
12. Бобков В. А. Льдогенератор непрерывного действия (авторское свидетельство № 132244 от 21/VII 1960 г.),—«Бюллетень изобретений», 1960, № 12. 24. с.
13. Бобков В. А. Промышленная заготовка и хранение льда. М., Пищепромиздат, 1947. 96 с.
14. Бобков В. Метод теоретического расчета продолжительности замерзания воды под открытым небом.—«Метеорология и гидрология», 1940, № 8, с. 52—59.
15. Бобков В. Производство и применение водного льда.— В кн.: Холодильная техника. М., 1961, с. 435—467.
16. Бобков В. Механизация разработки ледяных бунтов.— В сб.: Холодильная техника. М., 1955, с. 221—234.*
223
17. Бобков В. А. Некоторые вопросы производства и использования пищевого льда. Кандидатская диссертация, МИНХ, 1939. 199 с.
18. Бобков В. А. Склады из льда для хранения молочных продуктов.—«Молочная промышленность», 1950, № 1, с. 14—17.
19. Бобков В. А. Потери льда при выемке из бунтов и транспортировке.—«Холодильная промышленность», 1940, №2, с. 10—11.
20. Бобков В. А. Производство и применение водного льда. М., Госторгиздат, 1961. 168 с.
21. Бобков В. А. Рекомендации по применению холодильной техники для сохранения продовольствия на Севере. М, ВНИХИ, 1971. 56 с.
22. Бобков В. Снеговальный агрегат ВНИХИ.—«Холодильная техника», 1960, № 1, с. 14—17.
23. Бобков В. Теплопередача в устройствах льдосоляного охлаждения и их холодопроизводительность.—«Холодильное дело», 1936, № 11, с. 8—11.
24. Бобков В. А. Теплопереход от воздуха к ледяной поверхности.—.«Холодильное дело», № 8, 1936, с. 6—7.
25. Бобков В. А. Установка для намораживания льда.—«Молочная промышленность», 1952, № 1, с. 23—25.
26. Бобков В. А., Веверн В. Н. Завод прозрачного льда при холодильнике № 2 в Москве.—«Холодильная промышленность», 1939, № 2, с. 30—36.
27. Бобков В., Шелапутин В., Высоцкая О. Новые методы хранения овощей с помощью льда и снега. М., Госторгиздат, 1958.46 с.
28. Бибиков Д., Пехович А. Средняя скорость роста внутривод-ного льда.—«Труды координационных совещаний по гидротехнике», 1964, вып. X, с. 15—17.
29: Бородин Н. Искусственное охлаждение и его применение к хранению и перевозке скоропортящихся продуктов. П., 1914. 223 с.
30. Будневич С. Определение коэффициентов внешнего трения льда.—«Труды ЛТИХП», 1953, т. IV, с. 58—66.
31. Бучко Н. А. Теплообмен при затвердевании в условиях свободной конвекции жидкости. Автореферат кандидатской диссертации, ЛТИХП, 1963. 24 с.
32. Будыко М. И. Тепловой баланс земной поверхности. Л., Гидрометеоиздат, 1956. 287 с.
33. Вайнер А., Карелин С., Реморов А. Льдогенератор трубчатого типа.—«Холодильная техника», 1967, № 12, с. 18—22.
34. Вайнер А., Карелин. С., Реморов А. Льдозавод трубчатого льда.— В кн.: Льдозаводы. М., 1968, с. 183—220.
35. Веверн В. Н. Новый автомат для продажи льда.—«Холодильная промышленность», 1939, № 4, с. 18—19.
36. Вейнберг Б. П. Лед. ГИТТЛ, 1940. 524 с.
37. Войтковский К Ф. Расчет сооружений из льда и снега. М., АН СССР, 1954. 121 с.
38. Войтковский К. Ф. Механические свойства льда. М., АН СССР, 1960. 142 с.
39. Войтковский К., Зильберборд А. Новый метод расчета предельной величины устойчивых обнажений кровли.—«Колыма», 1959, № 1, с. 24—26.
40. Гимпелевич С. JI. Новый метод непрерывного йолучения блочного льда.—«Холодильная техника», 1957, № 4, с. 31ДЗЗ.
224
41. Гимпелевич С. Л. Машинно-аккумуляционная система охлаждения (авторское свидетельство № 129662).—«Бюллетень изобретений», I960, № 13, с. 27.
42. Горохов Г. Типовые проекты первичных молочных заводов.—«Молочная промышленность», 1959, № 7, с. 24—29.
43. Грегорчук М. Распределение энтальпии воздуха на земном шаре.—«Метеорология и гидрология», 1968, № 2, с. 16—18.
44. Громан Д. С. Способ технического водоснабжения (авторское свидетельство № 308282 рт 10/IX 1971 г.).—«Бюллетень изобретений», 1971, № 21, с. 32.
45. Гусев С. Вагон-ледник усовершенствованной конструкции.— «Вестник ВНИИ железнодорожного транспорта», 1959, № 5, с. 39—42.
46. Демьянков Н. Установка для непрерывного производства блочного льда.—«Холодильная техника», 1957, № 2, с. 50—53.
47. Денисов В. Холодильные склады, вагоны-рефрижераторы и их роль в народном хозяйстве, П., 1908. 210 с.
48. Доставалов Б. И. О причине понижения температуры замерзания воды в дисперсных грунтах.— В кн.: Мерзлотные исследования. 1967, вып. VII, с. 116—120.
49. Доставалов Б. И., Кудрявцев В. А. Общее мерзлотоведение. М., МГУ, 1967. 403 с.
50. Ерофеев А. А. Хранение овощей и картофеля на снеголедяных площадках.— В кн.: Хранение и транспортировка картофеля и овощей. М.,' 1968, с. 74—77.
51. Зацепина Г. И. Свойства и структура воды. М., МГУ, 1974. 161 с.
52. Иванова Р., Лаврова В. и др. Панельный аккумулятор ледяной воды для молочных предприятий. — «Холодильная техника», 1968, № 8, с. 7—10.
53. Иванов И. С. Теплообмен в криолитозоне. М., АН СССР, 1962. 196 с.
54. Казанский С. Л. Ледяные склады круглой формы.—«Советская торговля», 1958, № 2, с. 33—35.
55. Казанский С. Л. Определение толщины теплоизоляции' и слоя снежной обваловки ледяных складов.— В кн.: Материалы к учению о мерзлых зонах земной коры. М., 1961, вып. 7, с. 178—191.
56. Кобеко П., Марей Ф. Смачивание и прочность склеивания.— «Журнал технической физики», 1946, т. XVI, вып. 3, с. 277—282.
57. Конокотин Г. С. Льдогенераторы для судов рыбной промышленности.—«Холодильная техника», 1968, № 10, с. 32—36.
58. Комаров И. С. Холод. М., Гизлегпищепром, 1953. 704 с.
59. Комаровский А. И. Структура и физические свойства ледяного покрова пресных вод. М., ГЭИ, 1937. 49 с.
60. Коноплев П. Ф. Завод прозрачного льда.—«Холодильная техника», 1948, № 3, с. 22—29.
61. Коноплев П. Ф. Исследование тепловых процессов при получении льда и замораживании продуктов. Кандидатская диссертация, ЛТИХП, Л., 1951. 184 с.
62. Клейменов И. Автоматическая градирня для намораживания льда.—«Холодильная техника», 1960, № 6, с. 37—38.
63. Коган Л. А. Механизация льдоснабжения вагонов-ледников. М., Трансжелдориздат, 1954. 136 с.
225
64. Коган Л. Новые навесные приспособления к автопогрузчику для механизации выколки льда.—«Механизация трудоемких и тяжелых работ», 1958, № 3, с. 60—62.
65. Кроткое В. Н. Новые машины для льдосолеснабжения вагонов-ледников.—«Холодильная техника», 1967, № 3, с. 39—41.
66. Крылов М. М. Ледяные изотермические склады. М., АН СССР, 1957. 143 с.
67. Кудрявцев В., Меламед В. Решение задачи о температурном режиме в среде с изменяющимся фазовым состоянием.—«Известия АН СССР. Геофизика», 1960, № 6, с. 69—76 и № 12, с. 23—29.
68. Кудряшов Н. Механизация намораживания льда. М., ЦИНТИ пищепром, 1960. 56 с.
69. Кутателадзе С. Основы теории теплопередачи при изменении агрегатного состояния. М., Металлургиздат, 1939. 102 с.
70. Курылев Е. С., Герасимов Н. А. Холодильные установки. Л., Машиностроение, 1970. 672 с.
71. Курылев Е., Оносовский В., Соколов В. Сравнительный анализ внутренних процессов в термосваях.—«Холодильная техника», 1974, № 6, с. 37—41.
72. Лавров В. В. Деформация и прочность льда. Л., Гидрометео-издат, 1969. 205 с.
73. Лейбензон Л. Руководство по нефтепромысловой механике. М,— Л., ОНТИ, 1'934. 284 с.
74. Лихтенштейн Э. К расчету температурного поля искусственного катка.—«Холодильная техника», 1969, № 11, с. 30—35.
75. Лорентцен Г., Иогансен О. Ледяные аккумуляторы холода. Рефераты по иностранной технической литературе, вып. 52, М., Минмясомолпром СССР, 1956, с. 27—44.
76. Льдогенераторы пищевого льда. — «Торговля за Рубежом», 1965, № 1, с. 23—35.
77. Льдогенератор ОЛ-25.— В кн.: Холодильные машины и аппараты. Каталог-справочник, ч. 2, М., 1970, с. 49.
78. Мартынов М.г Ниточкин А., Гимпелевич С. Холодильный транспорт. М., Госторгиздат, 1960. 176 с.
79. Мартыновский В., Мельцер Л. Тепловые насосы.— В кн. Холодильная техника, т. Ill, М., 1962, с. 428—445.
80. Мерчанский В. Использование пенных теплообменных аппаратов для охлаждения- помещений в зимнее время.—«Холодильная техника», 1976, № 6, с. 18—21.
81. Миронов Н. Строительство и эксплуатация подземных холодильников. М., «Наука», 1967. 72 с.
82. Московченко В. В. Исследование льдогенераторов с послойным намораживанием блоков. Автореферат кандидатской диссертации, ОТИХП, Одесса, 1972. 36 с.
83. Муратов О., Ласкер Я. Установки для охлаждения молока и других жидкостей.—«Холодильная техника», 1970, № 8, с. 17—20.
84. Наер В. А. Исследование полупроводниковых охладителей и льдогенераторов.—«Холодильная техника», 1962, № 5, с. 29—30.
85. Некрасов В. П. Дисковый льдогенератор.—«Холодильная техника», 1964, № 6, с. 26—28.
86. Орлов В. А. Промышленное использование льда. Л., Лен-снабтехиздат, 1933, 341 с.
226
87. Поварчук М. М. Автомобиль-холодильник ЛУМЗ-945 нА шасси «Москвич-432» с машинно-аккумуляционным охлаждением.—«Холодильная техника», 1966, № 7, с. 37—39.
88. Попов Г., Яцунов И. и др. Завод по производству пищевого трубчатого- льда на Московском холодильнике № 9 — «Холодильная техника», 1967, № 12, с. 14—18.
89. Планк Р. П. Американская холодильная техника. Л., ГИТЛ, 1931, с. 30—41.
90. Позин М. М. Холодильное хозяйство СССР.—«Холодильная техника», 1975, № 8, с. 18—21.
91. Ржевская В., Степанова Л., Фомин Н. Исследование намораживания тонких слоев льда в аппаратах непрерывного действия.—«Холодильная техника», 1973, № 5, с. 19—23.
92. Рубинштейн Л. Проблема Стефана. Рига, «Звайгзене», 1967. 457 с.
93. Рютов Д. Г. Исследование физических процессов в льдосоляных смесях.—«Труды ВНИРО», 1940, т. XIII, с. 131—151.
94. Рютов Д. Г. Тепловые процессы при замораживании продуктов. Доклады от СССР VII Международному Конгрессу холода, М., Пищепромиздат, 1936, с. 69—82.
95. Савельев Б. А. Физика, химия и строение природных льдов и мерзлых горных пород. М. МГУ, 1971. 507 с.
96. Савельев В., Голубев В. и др. Структурные особенности адгезии льда к твердым телам. Симпозиум МАГИ по льду 26—29/IX 1972. Л., 1972, с. 37—42.
97. Самойлов О. Я. Структуры водных растворов электролитов и гидратация ионов. М., АН СССР, 1957. 147 с.
98. В сб.: «Пищевая промышленность СССР». М., 1967. 228 с.
99. Соколов И. Н. К вопросу о коэффициенте теплоотдачи от воды к ледяным пластинам.—«Метеорология и Гидрология», 1954, № 3, с. 44—45.
100. Степанов В. Опыт заготовки льда намораживанием на дорогах Юга. М., Трансжелдориздат, 1954. 68 с.
101. Справочник по применению водовоздушных пен <в качестве теплоизоляции. Иркутск, ИРГИРЕДМЕТ, 1972. 44 с.
102. Ткачев Н. Ф. Батарейный льдогенератор для производства пищевого прозрачного льда.—«Холодильная техника», 1950, № 2, с. 12—18.
ЮЗ1. Ткачев Н. Ф. Цилиндрический льдогенератор для производства пищевого прозрачного льда.—«Холодильная техника», 1951, № 2, с. 52—58.
104. Ткачев А. Г. Теплообмен при плавлении льда в свободно движущейся воде.—«Труды ЛТИХП, и 1953, т. IV, с. 48—57.
105. Ткачев А., Бучко Н. Конвективный теплообмен в жидкости при затвердевании и плавлении на поверхности погруженных в нее твердых тел.—«Труды координационных совещаний по гидротехнике», 1964, вып. X, с. 210—223.
106. Ткачев А. Г., Данилова Г. Н. Теплообмен при намораживании льда.— В кн.: Вопросы теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества. М.— Л., 1953, с. 73—78.
107. Уббелоде А. Плавление и кристаллическая структура. М„ «Мир», 1969. 420 с,
227
108. Фаворский О., Каданер Я. Вопросы теплообмена в космосе. М., «Высшая школа». 1967. 127 с.
109. Федосеев И. Гидросфера.—«Известия АН СССР- Серия географическая», 1974, № 2, с. 58—61.
ПО. Фиткин 3., Бадылькес И. Развитие холодильного хозяйства СССР. М., Снабтехиздат, 1984. 86 с.
111. Фомин А., Клейменов И. Цельнометаллический изотермический вагон системы Клейменова.—«Холодильная техника», 1952, № 1, с. 29—31.
112. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. М. — Л., АН СССР, 1959. 458 с.
113. Фрицман Э. X. Природа воды. Л., ОНТИ, 1935/314 с.
114. Фюрер Н. О. Ледяное и ледосоляное охлаждение. М., ГТИ, 1933. 267 с.
115. Хузина И., Белоусов Н. и др. Установка для промышленного изготовления блочного антибиотикового льда. — «Рыбное хозяйство», 1964, № 12, с. 39—43'.
116. Хелемский М., Кудряшов Н. Новые методы хранения замороженной свеклы в кагатах под ледяной оболочкой. М., Пище-промиздат, 1956. 54 с.
117. Холодильник из льда с условной емкостью 275 тонн. Таллин, ЦБ Технической информации ЭССР, 1967. 22 с.
118. Чижов Г. Б. Вопросы теории замораживания пищевых продуктов. М., Пищепромиздат, 1956. 160 с.
119. Чикваидзе К. И. Применение льда для охлаждения бетонной смеси.—«Гидротехническое строительство», 1964, № 10, с. 31—34.
120. Чуклин С., Парцхаладзе Э. Намораживание льда на плоской стенке в воде переменной температуры.— В сб. «Холодильная техника и технология», Киев, 1970, № X, с. 82—88.
121. Чуклин С., Мартыновский В., Мельцер Л. Холодильные установки/М., Госторгиздат, 1961. 360 с.
122. Шавра В. М. Сессия 7-й комиссии МИХ по наземному холодильному транспорту.—«Холодильная техника», 1967, № 5, с. 49—53.
123. Шаталина И. Н. Исследование ледового режима бъефов гидротехнических сооружений, расположенных в зоне взаимодействия вод различной солености. Автореферат кандидатской диссертации, ВНИИгидротехники, Л., 1971. 31 с.
124. Шаталина И. Н. Учет размеров и формы тающего льда.— «Труды координационных совещаний по гидротехнике», 1973, вып. 81, с. 32—37.
125. Шаталина И. Н. Экспериментальное исследование таяния льда в водном растворе NaCl.— В кн.: Тепло- и массоперенос, т. II. Минск, 1968, с. 87—89.
126. Шелапутин В., Высоцкая О. Опыт охлаждения парной птицы путем снегования.—«Холодильная техника», 1958, № 4, с. 70—71.
127. Шепс Н. Ф. Новые методы хранения картофеля, овощей, яблок, квашеной капусты. М., Госторгиздат, 1954. 109 с.
128. Школьникова Е. Ф. Приближенный метод расчета продолжительности замораживания пищевых продуктов^—«Холодильная техника», 1952, № 3, с. 43—45,
228
129. Шумский П. 4. Основы структурного лед сведения. М., АН СССР, 1953. 364 с.
130. Щелоков В. Ледяные хранилища. М., «Наука», 1967. 120 с.
131. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л., Гидрометиоиздат, 1975. 280 с.
132. Bernal L Physics of Water and Ice, Nature, 1958, № 4606, p. 378—382.
133. Boschnjakovitsch F., Warmeprocessen in Salzlosungen, Zeit-schrift fur die Gesamte Kalte—Industrie, 1932, № 9, s. 165—168.
134. Boyl R. Hysteria experimentalis de Frigore, London, 1665, p. 148.
135. Brockhause H. Die Kaltemaschinenindustrie in der Deutschen Demokratischen Republik, Die Technik, 1954, № 11, s. 8—12.
136. Core K-, Artifical Snow—Making Aids Nature, ASHRAE Journal, 1969, № 2, pp. 38—39.
137. Davis W., Grose A. Eisspeicheranlage Zur Kiihlung von Wasser in Fabrikationsbetrieben, Die Kalte, 1964, № 3, s. 63—66.
138. Dorsey N. E. Properties of Ordinary Water—Substance, New-lork, Reinhold, 1940, p. 415.
139. Ehrenfeld E.. Gibbs R., Water for Ice—Making and Refrigeration, Chicago, 1929, p. 229.
140. Eiserzeugung, Handbuch der Kaltetechnik, Band XI. Berlin, Springer, 1962, s. 487—547.
141. Fletcher N. H., The chemical physics of Ice, Cambridge, 1970, p. 271.
142. Ice Manufacture, ASHRAE Guide and Data Bock, New Jork, 1968, pp. 603—616.
143. Kost №., Vorgange bei der Eisbildung, Kaltetechnische Insti-tut, Karlsruhe, 1953, s. 54.
144. Lame G., Clapeyron B„ Memoire sur la Solidification par refroidissement d’un globe liquide, Ann. de Chem. et de Phys, v. 47, Paris, 1831, 250—256.
145. London A., Seban R., Rate of Ice Formation, Transactions of the ASME, 1943, № 7, pp. 771—773.
146. Messerschmidt P. Entwicklungstand der Eiserzeugungseinrich-tung in DDR Luft und Kaltetechnik, 1968, № 6, s. 291—294.
147. Miconneau L., Fabrication de la Glase, Paris, 1951, p. 189.
148. Plank R. P., Beitrage zur Geschichte der Kalteferwendung, Zeitschrift fur die Gesamte Kalte—Industrie, 1936, № 6, s. 4—12.
149. Plank R. P. Handbuch der Kaltetechnik, BI Berlin, 1954, s. 18—33.
150. Plank R. Uber die Gefrierzeit von Eis und Wasserhaltigen Lebensmitteln, Zeitschrift fur die Gesamte Kalte—Industrie, 1932, №4, s. 17—20.
151. Plank R. Zum Rapid—Eis—Verfahren von Wilbuschewitsch, Kaltetechnik, 1954, № 4, s. 19—22.
152. Pounder E., The Physics of Ice, Oxford, 1965, p. 152.
153. Ratthjen K., Hji L., Heat conduction With melting or frezing in a corner, Paper Amer. Soc. Meeh. Eng. 1970, № 9, pp. 9—10.
154. Volmer M., Kinetik der Phasenbildung, Leipzig, 1939, s. 197.
155. Schlitt E., Die Rohreneisfabrik in Hamburger Fischereihafen, Kaltetechnik, 1957, № 4, s. 53—56.
156. Schmitt H„ Vollautomatischer Roherenscherbeneiserzeuger,
229
seine Ferwendung, Wirkungsweise und Berechnung, Die Kalte, 1955, № 4, s. 109—117.
157. Schmidt T. E. Rapideisanlagen, Kaltetechnik, 1955, № 7, s. 38—41.
158. Stefan I. Uber die Theorie der Eisbildung, insbesondere fiber die Eisbildung in Polarmeere, Sitzberichte Wiener Akad. der Wis-sensch. Bd. 98, 1889, s. 965—983.
159. Woolrich W., A Hystorie of Refrigeration and its Development, New Jork, 1967. p. 189.
160. Wilke W., Chawla I., Der Gefriervorgang an einem Vereisen-den Plattenverdampfer im Betriebzustand, Kaltetechnik und Klimati-sirung, 1966, № 10, s. 12—15.
161. Linde Niederdruk Sistem—Schnee auf Wunsch, Kalte — Klima Praktiker, 1971, № 9, s. 288—289.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение : : : : :........................................... 3
Глава I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ ЛЬДОТЕХНИКИ............................................. 5
Строение воды и льда и их взаимные превращения :............................................. 5
Теплофизика льда................................. 14
Физико-механические свойства льда................ 32
Глава II. ЗАГОТОВКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ЛЬДА................................. 39
Климатология естественного холода и льда . . 39
Заготовка и хранение льда.................... 44
Переработка льда............................. 52
Холодильники и установки ледяного охлаждения 62
Глава III. ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ИСКУССТВЕННОГО ЛЬДА......................................... 92
Энергетика искусственного льда ........ 92
Технология производства льда..................... 99
Классификация льдогенераторов................... 105
Льдогенераторы блочного и плитного льда . . 106
Льдогенераторы трубчатого и пластинчатого льда 129
Льдогенераторы чешуйчатого и снежного льда 142
Агрегатные льдогенераторы....................... 163
Ледяные холодоаккумуляторы...................... 183
Льдозаводы, переработка и использование льда . 191
Приложения..............................................209
Список использованной литературы ....................... 223
Всеволод Андреевич Бобков
ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ЛЬДА
Редактор П. А. Вшивцев
Художник Е. Н. Волков
Художественный редактор С. Р. Нак Технический редактор Т. С. Пронченкова Корректоры L. А. Постникова, Г. Е. Потапова
ИБ № 86
Т-07118. Сдано в набор 8/IX 1976 г- Подписано в печать 29/Ш 1977 г. Формат 84Х108’/з2. Бумага типографская № 2. Объем 7,25 печ. л. Усл. п. л. 12,18. Уч.-изд. л. 15,56. Тираж 7000 экз. Заказ 707. Цена 79 коп.
Издательство «Пищевая промышленность».
х 113035, Москва, М-35, 1-й Кадашевский пер., 12
Владимирская типография Союзполнграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли 600610, гор. Владимир, ул. Победы, д. 186.
Советские ТЕХНИЧЕСКИЕ УЧЕБНИКИ
SHEBA. SPB.&U/DELO