Способы охлаждения и циклы холодильных машин способы охлаждения

В пищевой промышленности холод применяют при хранении сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, а также при проведении ряда технологических процессов.

Для получения низких температур могут быть использованы физические процессы, сопровождающиеся поглощением теплоты извне: таяние водного льда и льдосолевых смесей; сублимация сухого льда (твердого диоксида углерода); кипение различных веществ (хладагентов) при низких температурах; дросселирование; расширение газа с совершением внешней работы; термоэлектрический эффект; испарение жидкости в вакууме; вихревой эффект и др.

Один из наиболее простых способов получения холода — использование водного льда и льдосолевых растворов. На крупных предприятиях применяют холодильные машины, которые по принципу действия делятся на компрессионные, абсорбционные и пароэжекторные.

Таяние льда и льдосолевых растворов. В камере охлаждения лед (или водно-солевой раствор) воспринимает теплоту Q_о от охлаждаемой среды при температуре Т₀ (рис. 30.1). Количество теплоты зависит от теплопритоков через изоляцию от внешней среды, температура которой Т, причем Т> Т₀.

Скрытая теплота плавления льда равна 335 кДж/кг. Масса плавящегося льда G (кг) и количество поглощаемого при этом холода Q_o (Дж) связаны соотношением

где r—скрытая теплота плавления, Дж/кг.

При использовании льда в качестве источника холода не удается получить температуру в камере охлаждения ниже 3...4 °С

Температура таяния льдосолевой смеси зависит от химической формулы соли и ее концентрации в смеси. На практике применяют смесь дробленого льда с технической поваренной солью. Концентрацию смеси устанавливают в зависимости от требуемой температуры охлаждения. С повышением концентрации температура плавления раствора уменьшается до некоторого предела, а затем снова возрастает (рис. 30.2).

Наиболее низкая температура плавления (—21,2 °С) достигается при концентрации 23,1 %. Она называется криогидратной. Для льдосолевой смеси (СаСl + лед) криогидратная температура равна —55 °С.

Сублимация сухого льда. Температура сублимации сухого льда (твердого диоксида углерода) при атмосферном давлении t_субл - —78,9 °С; удельная теплота сублимации 574 кДж/кг.

Кипение. Это процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева при подводе теплоты. Эффект отвода теплоты от охлаждаемой среды в процессе кипения жидкости используют в паровых компрессионных холодильных машинах. Такую кипящую при низкой температуре жидкость называют хладагентом.

Дросселирование. Дросселирование сжатых газов осуществляют на дроссельных вентилях, редукторах, перегородках и других сужающих устройствах. Этот процесс сопровождается резким падением давления. Понижение температуры газа методом дросселирования связано с повышенными затратами энергии и применяется ограниченно. В частности, его используют для сжижения азота, кислорода и других компонентов воздуха, т. е. для достижения криогенных температур.

Дросселирование — это один из основных процессов, протекающих в паровых компрессионных холодильных машинах. При

прохождении жидкого хладагента через узкое сечение в регулирующем вентиле (капиллярной трубке) под действием разности давлений падение давления сопровождается снижением температуры всего потока.

Расширение газа с совершением внешней работы. Этот процесс применяют в воздушных и газовых холодильных машинах. Воздух (газ) расширяется в детандере, совершая работу; при этом температура его снижается.

Термоэлектрический эффект. Открыт французским физиком Ж. Пельтье (1785—1845), установившим, что при протекании тока в цепи, состоящей из двух различных проводников (рис. 30.3), один из спаев охлаждается, а другой нагревается. Разность температур спаев увеличивается с ростом напряжения в цепи.

КПД термоэлементов из металлических проводников низок вследствие интенсивного перетекания теплоты от горячего спая к холодному. Значительно большую эффективность имеют цепи, содержащие полупроводники в сочетании с металлами. При определенном подборе металлов и полупроводников разность температур горячего и холодного спаев может достигать 45 "С.

Вихревой эффект. Вихревой эффект создается с помощью вихревой трубы. Закрученный в трубе поток воздуха делится на теплую и холодную части. Применяют вихревые трубы в основном в лабораторной практике.

Испарение жидкости в вакууме. Процесс происходит самопроизвольно вследствие нарушения фазового равновесия между жидкой и паровой фазами рабочего тела (воды). Установившееся при исходном давлении равновесие между потоками молекул, вылетающих из жидкости и возвращающихся в нее при соударениях со свободной поверхностью жидкости, нарушается при вакуумировании. Откачивание насосом паровой фазы системы газ — жидкость приводит к уменьшению потока молекул, соударяющихся со свободной поверхностью жидкости, в результате чего в соответствии с принципом Ле Шателье поток молекул, покидающих жидкость

Такой процесс реализуется сублимационных сушилках, при быстром охлаждении хлебобулочных изделий после их частичной выпечки с целью последующего допекания в присутствии покупателя.

Количество воды (кг), испарившейся из охлаждаемого изделия, соответствующее понижению температуры

 

где М, с – соответственно масса (кг) и удельная теплоёмкость [Дж/(кг*K)] изделия или его расчётного элемента: r – теплота фазового перехода воды, Дж/кг.

При большой начальной неравномерности температуры Тj по изделию эти вычисления выполняют для отдельных его элементов, в которых температура может быть принята постоянной, а результаты суммируют. Если в таких элементах изделия влага изначально отсутствует, испарение ее ΔG принимают равным нулю. Снижения температуры этого элемента вследствие испарения не происходит. Температуры элементов изделия выравниваются в результате теплообмена между ними.

Влага ΔG, испаряющаяся из изделия, переходит в объем камеры охлаждения и повышает давление в нем на величину Δp_јисп

 

По приведенным зависимостям можно рассчитать процесс охлаждения изделия во времени при вакуумировании в случае использования системы откачивания с постоянным объемным расходом.