|
Стационарные ледяные
холодоаккумуляторы (льдоаккумуляторы) 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 необходимых случаях следует учитывать также
соответствующие изменения энтальпии массы воды, льда и самого холодоаккуму-
лятора.
Дополнительными характеристиками являются средние и
крайние значения коэффициентов теплопередачи и температур воды, а также
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.
Готовится к выпуску для той же цели серия панельных
льдоаккуму- ляторных водоохладителей типа АВ с холодопроизводительностью
3,5—14 тыс. Вт.
Панельные холодоаккумуляторы для молочной промышленности,
производства московского завода «Компрессор» представляют собой ( 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.
Для больших холодоаккумуляторов при установках
холодопроиз- водительностью до 1 млн. Вт и более (такие установки имеются в
молочной промышленности СССР) применяются в основном вертикаль- нотрубные
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 tx 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 tx 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 tx =—3,1° С и для аккумулятора ПХ с меньшим
теплообменником около 19,2 кг/ч при tx=—11,6° С, что в 2,9 раза меньше. Это
объясняется в основном большей холодо- производительностью, обуславливаемой
повышением температуры кипения хладагента (обычно для холодильной машины).
Удельная интенсивность намораживания льда, характеризующая
эффективность холодовосприятия, составила для аккумулятора ТХ при средней
температуре хладоносителя tx=—3,1° С около 18 кг/(чХ Х°С) и для аккумулятора
ПХ при tx =—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 (ky).
В случае отнесения удельных холодовосприятий (с потерями)
к соответствующим поверхностям теплообменников и средним температурным
напорам получаем условный коэффициент теплопередачи ky 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 k7 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 &у=74 Вт/(м2-К), для аккумулятора ПХ
соответственно &у = 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 At —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
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 ( 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.
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 ФГК-0,7 и две полые плиты 110X400X1100 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 машинно-
аккумуляционной 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).
Скребковый холодоаккумулятор 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 ( 107).
Высокоэффективны фригаторные холодоаккумуляторы с роторными
льдогенераторами скребкового и фрезерного типов, располагаемыми над
льдохранилищами, с орошением льда водой. Принципиальными 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 холодоотддчи.
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 тепло- передающей поверхности и уменьшения
толщины слоя при замораживании делают зероторы полыми.
Химический состав воды или рассола, геометрические размеры
и массу зероторой 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 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 льдо- соляного
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.
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
\М0- розилки —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.
|