БИНАРНЫЙ ЛЁД. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИНАРНОГО ЛЬДА
Работа добавлена: 2016-05-19





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

РЕФЕРАТ на тему

БИНАРНЫЙ ЛЁД. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИНАРНОГО ЛЬДА

Кафедра: Теоретических основ тепло и- хладотехники.

Группа: маг.W 4120.

Работу выполнили: Цупиков Д.В.

Работу принял: Цветков О.Б.

Санкт-Петербург. 2016 г

Содержание реферата

1. Литературный обзор и постановка задачи2

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

3.Применение вакуума для производства “бинарного льда”10

4. Актуальность курсовой работы12

5. Список используемой литературы13

6. Приложение, схемы, рисунки14

1.Литературный обзор и постановка задачи

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Применение вакуума для производства “бинарного льда”

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

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

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

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

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

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

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

Актуальность курсовой работы

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

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

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

Список используемой литературы.

  1. Коптелов К.А. Теплофизические и коррозионные свойства хладоносителей контуров промежуточного охлаждения для пищевой промышленности. // Холодильный бизнес. 2000. № 3.
  2. Ахметзянов М.Ледяная вода. //Empireofcold. 2003. № 2.
  3. Цветков О.Б. Айс-сларри и однофазные хладоносители. // Холодильная техника. 2004. № 3.
  4. Дворжак З. Бинарный лед. // Холодильный бизнес. 2000. № 3.
  5. Борисенко Н.Производство ледяной шуги по технологии «iStorm». // Холодильный бизнес. 2004. № 4.
  6. Маринюк Б.Т., Сусликов Д.В., Ермолаев А.Е.Экологически чистые методы получения водного льда. // Холодильный бизнес. 2008. № 2.
  7. Иванов В.И.Безмаслянные вакуумные насосы. – Л.: Машиностроение, 1980. – 160с., ил.
  8. Каталог центробежных насосов фирмы “Grundfos”.
  9. Каталог  пластинчатых теплообменников фирмы “Alfa-Laval”.
  10. Каталог  вакуумных насосов фирмы “Гидромех
  11. Программа для расчета термодинамических свойств веществCoolPac.
  12. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А.Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. – М.: Типография им. Котлякова издательства «Финансы», 1969. – 408 с.
  13. Кузнецов Г.Ф.Тепловая изоляция. – М.: Стройиздат, 1985. – 421 с., ил.
  14. Курганов А.М., Федоров Н.Ф.Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. – Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978. – 424 с., ил.
  15. Курылев Е.С., Оносовский В.В., Румянцев Ю.Д.Холодильные установки. – СПБ.: Политехника, 1999.
  16. Инструкция по монтажу компрессоров и насосов. – М. – 1979.
  17. Бараненко А.В., Калюнов В.С., Румянцев Ю.Д.Практикум по холодильным установкам. – М.: Учебная профессия, 2001.
  18. Бараненко А.В., Бухарин Н.Н., Пекарев В.И., Тимофеевский Л.С.Холодильные машины: Учебник для студентов втузов специальности «Техника и физика низких температур». – СПб.: Политехника, 2006. – 944 с.: ил.
  19. Богданов С.Н., Бурцев С.И., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ. – СПб.: СПбГАХПТ, 1999. – 320 с.
  20. Бурцев С.И., Цветков Ю.Н.Влажный воздух. Состав и свойства. – СПб.: СПбГАХПТ, 1998. – 146 с.
  21. Розанов Л.Н.Вакуумные машины и установки. – Л., «Машиностроение» (Ленигр. отд-ние),1975. – 336 с., ил.
  22. Michael Kauffeld, Masahiro Kawaji, Peter W. Egolf. Handbook on Ice Slurries. – Paris, France.: International Institute Of  Refrigeration, 2005. – 362s.
  23. Богданов С.Н., Бучко Н.А., Гуйго Э.И.Теоретические основы хладотехники. Часть 2. Тепломассообмен. – М.: Колос, 1994. – 367 с.: ил.
  24. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А., Захаренко В.В., Зиновкина Т.В., Таран А.Л., Костанян А.Е. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. – М.: Университетская книга; Лотос; Физматкнига, 2006. Кн. 2. – 872 с.:ил.
  25. Хамский Е.В.Кристаллизация в химической промышленности. – М.: Химия, 1979. – 344 с.
  26. Кузнецов В.И., Немилов Н.Ф., Шемякин В.Е.Эксплуатация вакуумного оборудования. – М.: Энергия, 1978. – 208 с., ил.




Возможно эти работы будут Вам интересны.

1. Щетки и скребки для снега и льда. Автомобильные антены

2. Формы получения образования

3. Методы получения заготовок

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕРМЫ НА ИСКУССТВЕННУЮ ВАГИНУ

5. Особенности получения государственной социальной защиты отдельными категориями граждан

6. Методы получения информации. Свойства информации

7. Предмет и задачи фармакологии, её связь с другими дисциплинами. Источники получения лекарственных веществ. Понятие о лекарственном веществе, лекарственном средстве, лекарственном препарате, синонимах и аналогах лекарственных препаратов

8. Способы индивидуализации юридических лиц

9. Стресс и способы его преодоления

10. Эффективность и способы мечения КРС