Физические свойства льдосоляных смесей

Заготовка льда послойным намораживанием. Заготовка осу­ществляется на площадках, расположенных вблизи мест потребления. Лед наращивают на площадке монолитным массивом, называемым бунтом.

Площадка имеет форму прямоугольника, ее засыпают шлаком или гравием слоем толщиной не менее 15 см и застилают старыми досками, создавая уклон для стока талой воды. Для сбора и отвода стаявшей воды вокруг всей площадки на расстоянии 1 м выкапывают канаву глубиной

0,5 м. Вокруг площадки ставят временный деревянный борт высотой примерно 0,5 м и из шланга наливают тонкими слоями водо­проводную воду.

Толщина слоя льда, намораживаемого в течение суток, зависит от температуры и скорости движения воздуха. Так, при скорости ветра

1м/с и температуре воздуха -5°С за сутки можно наморозить слой
льда 15 мм, при -10⁰С-30; -15⁰С- 50 и при -20⁰С- 70мм.

В ветре­ную погоду интенсивность намораживания возрастает в два-три раза.

Когда толщина слоя достигнет верхнего края борта, деревянный борт отрывают и устанавливают на поверхность намороженного слоя льда на расстоянии от краев, примерно равном высоте борта. После этого приступают к намораживанию следующего слоя льда. В резуль­тате получается ступенчатый ледяной массив.

По окончании намораживания бунту придают форму, удобную для укрытия. Уступы засыпают дробленым льдом или скалывают выступы для получения ровной поверхности боковых откосов, необходимой для укрытия.

При намораживании больших бунтов (более 1000 т) целесообразно применять гидромеханизированный способ. В этом случае вода раз­брызгивается на площадке форсунками. Пульт управления подачей воды устанавливают в утепленной будке, расположенной вблизи площадки. Лед, намороженный гидромеханизированным способом, дешевле льда, заготовленного на площадках вручную, более чем в 2 раза и в 4-5 раз дешевле льда, заготовленного из водоемов. Лед получают чистый, но мутный.

Недостатки заготовки льда послойным намораживанием: трудоемкость выколки льда из монолитного бунта и потери при раздроблении льда. Этот способ применяют в северной и средней климатических зонах, где можно наморозить бунт высотой 3-5 м (рис. 1).

 

Рисунок 1. Брызгальная установка Н.Т. Кудряшова:

1 – форсунка; 2 – стояк; 3 - распределительный коллектор; 4 – подземный трубопровод;

5 – тепляк; 6 – трехходовой кран; 7 – насос; 8 – фильтр.

 

 

Заготовка льда намораживанием в градирнях. Этот способ приме­няют в местностях со сравнительно мягкими зимами, где температура не бывает ниже -2...-3 °С. Градирня представляет собой трехъярусное деревянное сооружение этажерочного типа высотой 6-7 м с расстояни­ем между ярусами 2 м. На ярусах укладывают жерди с расстоянием 25-30 см. Над верхним ярусом располагают форсунки для разбрызги­вания водопроводной воды. Вода, стекая вниз, замерзает на жердях в виде сосулек. За 3-4 дня на жердях намерзают сосульки длиной до 2 м. Их скалывают и укладывают в льдохранилище. Для облегчения скалывания применяют электронагреватели, которые обеспечивают автоматическое оттаивание сосулек (рис. 2). Заготовленный зимой водный лед хранят в льдохранилищах, где создают запасы, необходимые для охлаждения заданных объектов в весенне-летне-осенний период.

Льдохранилища бывают временного и постоянного типов.

 

 

Рисунок 2. Автоматическая градирня для намораживания льда конструкции И.А. Клейменова:

1 – общий вентиль подачи воды; 2 – вентили подачи воды; 3 – резиновый шланг;

4 – гофрированный диск; 5 – форсунки; 6 – подвеска; 7 – воронка; 8 -стальная труба.

 

 

Льдохранилища временного типа.Представляют собой укрытые бунты намороженного или заготовленного из водоемов льда (рис. 3). Площадку под льдохранилище подготавливают так же, как и перед послойным намораживанием. Форма бунта должна быть удобна для укрытия. Бунты закрывают соломенными матами, а затем засыпают тепловой изоляцией (опилки, торфяная крошка, костра и болотный мох). Для предотвращения оползания теплоизоляционного покрытия у основания бунта по всему периметру делают откосы из изоляционного материала и ставят деревянные борта.

Толщина теплоизоляционного укрытия составляет 0,50-0,75 мм в северной зоне, 0,75-1,0 м в средней.

Из льдохранилища временного типа лед выкалывают в ранние утренние часы с торцевой стороны, обращенной на север. После вы­борки льда бунт закрывают матами и опилками.

Недостатками таких льдохранилищ являются относительно большие потери от таяния льда и загрязнения укрывочными материалами. Размер потерь составляет 15-20 % количества заготовленного льда для северной зоны и 20-30 % для средней. В южной зоне применять такие хранилища нецелесообразно.

Рисунок 3. Льдохранилище временного типа:

1 – теплоизоляция опилками; 2 – соломенные маты; 3 – подпорный щиток из досок;

4 – доски; 5 – шлак или гравий; 6 – желоб для стока воды.

Льдохранилища постоянного типа.Представляют собой здания с ограждениями, имеющими тепловую изоляцию. Сооружение таких льдохранилищ требует больших капитальных затрат, но они во многом окупаются. Однако в нашей стране льдохранилища постоянного типа для естественного льда не нашли распространения главным образом потому, что большую часть льда заготовляют способом послойного намораживания. В этом случае естественным является укрытие намороженого бунта, т. е. применение льдохранилищ временного типа.

Количество заготовленного льда должно быть значительно больше количества льда, необходимого для охлаждения, на величину потерь при хранении, выколке, дроблении и транспортировке. Все эти потери составляют

25-40 %.

 

3. Производство искусственного водного льда.

Искусственное замораживание воды осуществляется холодиль­ными машинами в специальных аппаратах - льдогенераторах. В них используют непосредственное и рассольное охлаждение.

По производительности льдогенераторы разделяют на малые производительностью до 100 кг/ч, средние производительностью до 40 т в сутки и крупные производительностью свыше 40 т в сутки.

По форме изготовляемого льда бывают льдогенераторы блочного, чешуйчатого, снежного, кубикового льда и др.

Льдогенератор блочного льда.Наиболее распространены льдогене­раторы с рассольным охлаждением (рис. 4). Блоки льда получают замораживанием воды в льдоформах, опущенных в рассол с темпера­турой -10...-12 ⁰С.

Льдогенератор имеет сварной прямоугольный бак из листовой стали толщиной 6- 8 мм. Дно и стенки бака покрывают теплоизоляцией толщиной 200 мм, сверху бак закрывают деревянными щитами. Бак разделен продольной перегородкой на два не одинаковых по величине отделения, сообщающихся друг с другом. В меньшем отделении бака размещены испарительные секции 9 холодильной машины, в боль­шем— льдоформы 3, соединенные металлической рамой.

Бак льдогенератора заполнен рассолом, который циркулирует со скоростью 0,5- 0,7 м/с под действием винтовых мешалок 8.

Льдоформы изготовляют из оцинкованной стали в виде усеченной пирамиды с обращенной вниз вершиной для облегчения удаления льда из форм. Сечение формы квадратное или прямоугольное. Масса блоков льда в формах 12,5-50 кг.

 

Рисунок 4. Рассольный льдогенератор блочного льда:

1 – напольное устройство; 2 – подъемный механизм; 3 – льдоформы; 4 – опрокидывающее устройство; 5 – льдоскат; 6 – оттаивательный бачок; 7 – толкающий механизм; 8 – мешалки;

9 – испарительная секция; 10 - бак; 11 – льдохранилище; 12 – помост для обслуживания.

 

Форма заполняется водой на 90 % специальным наполнительным устройством 1, которое одновременно заполняет все формы одной рамы. Рамы с формами передвигаются вдоль бака толкающим меха­низмом 7, который работает от ручного привода или электропривода. Загрузка форм с водой и выгрузка их со льдом осуществляются подъемным механизмом 2. Для выемки блоков льда из форм их опускают в оттаивательный сосуд 6, который устанавливают у торце­вой стенки льдогенератора. Продолжительность оттаивания блоков при температуре воды в сосуде

35-40 °С 2-3 мин.

После оттаивания рама с льдоформами с помощью устройства 4 опрокидывается на льдоскат 5, и готовые блоки льда направляются в льдохранилище. Освободившаяся от льда рама с льдоформами уста­навливается подъемным механизмом под наполнительное устройство и после заполнения водой опускается в бак с рассолом.

Продолжительность замораживания зависит от размеров льдоформ, температуры рассола, скорости его движения и первоначальной температуры воды. В таких льдогенераторах получают технический и пищевой мутный и прозрачный лед. Для получения прозрачного льда в формы вдувается сжатый воздух, который перемешивает воду и увлекает пузырьки воздуха из нее.

Производство блочного льда в рассольных льдогенераторах, несмотря на широкое распространение, имеет существенные недостат­ки: большая металлоемкость установки, значителные размеры ее, быстрая коррозия форм и бака, сложность автоматизации и др.

Перспективными являются льдогенераторы блочного льда с непосредственным охлаждением. Они бывают периодического и непрерывного действия. Блоки льда в них образуются послойным намораживанием и выталкиванием из форм гидравлическим или механическим способом. В таких льдогенераторах ускоряется льдооб­разование, меньше потребляется электроэнергии, они легко поддаются автоматизации.

Льдогенераторы чешуйчатого и снежного льда.Это льдогенерато­ры непрерывного действия. Лед в них намораживается тонким слоем на наружной или внутренней поверхности вращающегося барабана. Чешуйчатый и снежный лед изготавливают из пресной или морской воды

(рис. 5)

 

Рисунок 5. Льдогенератор снежного льда с двухсторонним намораживанием льда:

1 – наружный кронштейн; 2 – режущие ножи; 3 – оросительные устройства; 4 – вал;

5 – испаритель; 6 – привод; 7 – внутренний кронштейн; 8 – водосборник; 9 – водомер;

10 – фильтр для воды; 11 – насос.

Льдогенераторы кубикового льда.Их используют в предприя­тиях торговли и общественного питания для приготовления пищевого прозрачного льда в виде небольших кубиков, удобных для непосредственного охлаждения различных блюд и напитков, а также в медицинских учреждениях: лабораториях и т. п.

Льдогенератор "Торос-2" (рис. 6) имеет форму шкафа, разделен­ного по высоте на два отделения.

В верхней части шкафа размещены испаритель, насос, водосборник, ванна, режущая решетка, бункер для хранения льда. Стенки верхней части шкафа снабжены тепловой изоляцией.

В нижней неизолированной части шкафа расположены холодильный агрегат и щит электрооборудования. Испаритель изготовлен из двух листов нержавеющей стали. Верх­ний лист имеет гладкую поверхность с бортами по трем сторонам (на ней намораживается лед), а нижний - выштампованные каналы, по которым проходит R - 12.

Из ванны свежей воды 6 вода центробежным насосом 4 подается по гибкому шлангу в коллектор, который равномерно распределяет воду по поверхности испарителя 3, расположенного наклонно. Насос смонтирован в ванне, уровень воды в которой поддерживается поплавковым устройством.

Протекая тонким слоем по холодной наклонной поверхности испарителя 3, вода постепенно замерзает и образует слой льда нужной толщины в виде плиты. Незамерзшая вода сливается через водосборник 5 в канализацию, а в ванну 6 поступает свежая водопроводная вода.

Смена воды способствует получению льда высокого качества и наиболее прозрачного, так как стекающая с испарителя незамерзающая вода смывает примеси с поверхности льда. Толщина намерзания слоя льда регулируется с помощью щупа 2, положение которого может изменяться.

Когда лед коснется щупа, дается импульс на оттаивание. В этот момент выключается электро­двигатель насоса (прекращается подача воды) и открывается солено­идный вентиль на нагнетательной стороне компрессора. Теплые пары R12, минуя конденсатор, ресивер и терморегулирующий вентиль, поступают через специальный тройник и соленоидный вентиль прямо в испаритель. Плита льда подтаивает и сползает на решетку 7 для разрезания льда. При оползании лед перемещает кронштейн микроде-реключателя, замыкая его контакты. При этом льдогенератор включа­ется на замораживание, а в решетку 7 включается ток напряжением 12В.

Решетку изготовляют из нихромовой проволоки диаметром 0,6 мм, натянутой на раму из коррозиестойкой стали. При пропускании тока проволока, нагреваясь, разрезает лед на кубики или пластинки, которые падают в бункер. При наполнении бункера льдом до кожуха капилляра 8 термореле 18 выключает холодильную машину и получе­ние льда прекращается. При освобождении бункера хотя бы частично машина включается и процесс производства льда возобновляется. Производительность льдогенератора "Торос-2" 40 кг в сутки, его бункер вмещает 25 кг.

Рисунок 6. Льдогенератор кубикового льда:

1 – крышка льдогенератора; 2 – щуп; 3 – испаритель; 4 – насос; 5 – водосборник; 6 – ванна;

7 – решетка режущая; 8 - кожух капилляра; 9 – лист съемный; 10 - трубка; 11 – штуцер;

12 – холодильная машина; 13 – ножка; 14 – решетка вентиляционная; 15 – крышка машинного отделения; 16 – переключатель; 17 – дверь бункера; 18 - реле.

 

 

Лабораторная работа № 8.

«СИСТЕМЫ ЛЕДЯНОГО И ЛЬДОСОЛЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ»

Физические свойства льдосоляных смесей.

При добавлении соли в лед температура плавления смеси понижается по сравнению с темпе­ратурой плавления чистого льда. Применяя различные соли и создавая различную концентрацию смеси, можно получить температуры ниже 0⁰С в довольно широком диапазоне.

Понижение температуры смеси достигается тем, что процесс растворения некоторых солей в воде (льдом) протекает с поглощением теплоты, которая берется от смеси. В местах соприкосновения льда с солью образуется раствор, который охлаждается вследствие погло­щения теплоты при плавлении льда и растворении соли в воде. При этом лед также охлаждается ниже О °С.

При добавлении соли в лед температура таяния смеси понижается до криогидратной точки, характеризующей самую низкую температу­ру плавления смеси. При дальнейшем добавлении соли температура гаяния не понижается, а, наоборот, повышается.

Смеси, имеющие концентрацию в эвтектической точке, соответст­вующую криогидратной точке, плавятся при постоянной и самой низкой температуре для смеси льда и данной соли. Смесь хлорида натрия NaCl со льдом, содержащая 23,1 % соли, представляет собой эвтектический раствор, который плавится при -21,2 °С, а смесь хлори­да кальция СаС1₂, содержащая 29,9 % соли, - при -55 ⁰С.

Холодопроизводительность смеси с понижением температуры плавления уменьшается.

При замораживании водных растворов различных солей с кон­центрацией, соответствующей криогидратной точке, получают лед, называемый эвтектическим.

Эвтектический лед представляет собой однородный твердый раствор, состоящий из кристаллов льда и соли. Такой лед имеет постоянную низкую температуру плавления, соответствующую крио­гидратной точке. Физические свойства эвтектического льда зависят от вида соли, входящей в его состав.

Холодопроизводительность эвтектического льда, соответствующая теплоте плавления, больше, чем холодопроизводительность эвтекти­ческой льдосоляной смеси (холодопроизводительность смеси льда с NaCl 193кДж/кг, а эвтектического льда 236 кДж/кг). Объясняется это тем, что часть холодопроизводительности расходуется на понижение температуры смеси.

Для замораживания эвтектических растворов используют герме­тически закрытые металлические формы объемом 5-8 л, называемые зероторами.Их заполняют на 90-92 % с учетом объемного расширения раствора при замерзании. Эвтектические растворы, заполняющие зероторы, замораживаются на специальных зарядных станциях в воздухе или в рассоле.

Замораживание в рассоле происходит быстрее, но при этом зероторы подвергаются усиленной коррозии.

 

Устройства с ледяным и льдосоляным охлаждением. К устройст­вам с ледяным и льдосоляным охлаждением относят ледники, ледя­ные склады, холодильники с решетчатыми карманами и металлическими баками, а также холодильники с циркуляцией рассола.

Ледники. Это простейшие стационарные сооружения, охлажда­емые водным льдом. В конце зимы ледники заполняют естественным льдом в количестве, достаточном для их охлаждения в течение всего весенне-летне-осеннего сезона. В ледниках поддерживаются темпера­тура 4-8 °С и относительная влажность воздуха около 90 %.

Распространены ледники с внутренним или боковым расположе­нием льда (рис. 1). Наружные ограждения ледника имеют тепловую изоляцию. Стены, разделяющие камеры с отделениями для льда, также изолируют для предотвращения выпадения влаги. Во внутрен­ней стене внизу и вверху устраивают окна для циркуляции воздуха. Воздух охлаждается при непосредственном соприкосновении со льдом. Перед камерами устраивают тамбур с выходом на север.

 

Рисунок 1. Ледники:

а) - с внутренним расположением льда; б) – с боковым расположением льда;

1 – окно для поступления холодного воздуха в камеру; 2 – окно для отвода отепленного воздуха из камеры; 3 – воздуховод; 4 – напольная решетка из бревен; 5 – слив талой воды;

А – льдохранилище; Б – камеры хранения.

 

 

Для набивки ледников льдом используют специальные люки. В отделении для льда пол делают водонепроницаемым с уклоном к середине для стока и отвода талой воды. На пол кладут решетки или жерди с хворостом. Лед укладывают плотными штабелями с отступами от стен для циркуляции воздуха.

Ледяные склады. Основным видом ледяных складов являет­ся склад Крылова (рис. 2).

Он строится из льда путем его наморажи­вания. Лед в нем является и средством охлаждения (аккумулятор естественного холода), и строительным материалом. В монолитном ледяном массиве 1предусмотрены холодильные камеры, объединен­ные единым общим коридором.

Основанием склада является ледяная площадка толщиной 0,8 м, намороженная в котловане. Для возведения стен и сводчатого потол­ка на площадке строят деревянную опалубку, на которую наморажи­вают лед до получения массива нужного размера. После наморажива­ния опалубку снимают. Площадь камер 24-30м², ширина коридора 3м, высота камер и коридора у стен 2,8, в центре 3,2, толщина стен 2-3, потолка 2м.

Рисунок 2. Ледяной склад Крылова:

1 – ледяной массив; 2 – тамбур; 3 – земляная насыпь; 4 – изоляция; 5 – прибор льдосоляного охлаждения; 6 – ниша для приборов охлаждения; 7 – полог; 8 – камеры; 9 – коридор.

 

 

Снаружи ледяной массив покрывают слоем изоляционного мате­риала (соломенные маты, древесные опилки, торф) толщиной не менее 1 м. При укладке изоляцию орошают водой и промораживают. Это защищает ледяной массив от подтаивания с наружной стороны, потому
что тепло, поступающее снаружи в теплое время года, в этом случае задерживается в самом слое изоляции и расходуется на таяние льда в изоляции.

В нижней части укрытия делают земляные откосы, чтобы изоляция не оползала. Входы в тамбуры 2закрывают изолированными дверьми, а вход в склад завешивают брезентом.

Чтобы предохранить массив от подтаивания изнутри, в складе поддерживается температура -0,5...-1,5 ⁰С. Для этого в стенах камер и коридоров устраивают ниши с решетчатыми карманами, в которые загружают льдосоляную смесь. Такие же карманы находятся в тамбу­ре. Под карманами ставят бочки для сбора рассола, образующегося при таянии льдосоляной смеси. С помощью льдосоляных смесей темпера­туру в складе можно понизить до -6 °С, а в северных районах - и до -12 °С.

Необходимый для охлаждения лед вырубают из пола камеры и коридоров. Поэтому ежегодно в зимнее время в складах наморажива­ют полы. В это же время промораживается оттаявший слой изоляции.

Ледяные склады рекомендуется строить в северной климатической зоне. Стоимость сооружения ледяных складов в 5-6 раз меньше стоимости обычных холодильников с машинным охлаждением. Все затраты на строительство ледяного склада окупаются за 2-3 года, а эксплуатироваться они могут 6-8 лет.

В ледяных складах можно применить и машинное охлаждение.

Холодильники с решетчатыми карманами. Охлаждение в этих холодильниках осуществляется льдосоляной смесью, которую закладывают в решетчатые ящики - карманы 3, установленные вдоль наружных стен камеры (рис. 3, а). Карманы загружаются льдом и солью через люк 1в перекрытии. Ограждение карманов 3выполнено в виде жалюзи. Воздух проходит по щелям в карманах, соприкасается с льдосоля­ной смесью и охлаждается до -10...-12 ⁰С. Для улучшения циркуля­ции воздуха нередко перед карманом ставится направляющий щит 2. Под карманом устанавливают поддон 4 для сбора образовавшегося рассола и отвода его в канализацию.

Поверхность льда в решетчатых карманах непостоянна и уменьша­ется по мере таяния смеси. Для создания равномерной концентрации по высоте

рекомендуется нижнюю треть объема кармана загружать чистым льдом, середину - смесью льда с 40 % примешиваемой соли и верхнюю треть - смесью льда с оставшимися 60 % соли.

Рисунок 3. Холодильники с льдосоляным охлаждением:

а) – с решетчатыми карманами; б) - с пристенными баками; в) – с потолочными баками.

 

 

Холодильник с металлическими баками. Приборами охлаждения в холодильниках являются баки из оцинкованной стали толщиной 2 мм, загруженные льдосоляной смесью. Баки 1бывают пристенные и потолочные (рис. 3, б). В них предусмотрена перелив­ная труба 2для поддержания постоянного уровня заполнения рассо­лом и постоянной поверхности охлаждения. Для лучшей циркуляции воздуха устанавливают щиты 3. Рассол из баков выпускают через сливную трубу.

 

Недостатками охлаждения с помощью баков являются коррозия стальных стенок бака и возможность протечки рассола, образование инея на поверхности баков. Пристенные баки и решетчатые карманы занимают полезную площадь (примерно 25 %), а потолочные - полез­ную высоту камеры.

Холодильники с циркуляцией рассола. Охлаждение камер осуществляется холодным рассолом, образовавшимся при таянии льдосоляной смеси в отдельно стоявшем баке. Вынесение емкости для льдосоляной смеси за пределы холодильных камер позволяет более рационально использовать их объем.

Циркуляция рассола в этих системах льдосоляного охлаждения бывает принудительная и естественная.