Производство и применение льда

Раздел: Производство

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 частности 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 север- пых 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.

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 холодильных машин и применяется в отопительных тепловых насосах и воздушных кондиционерах [80]. Температура среды сильно влияет на теплоэнергетические коэффициенты.

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 дополнительного летнего охлаждения конденсаторов пара на теплоэлектростанциях посредством талой воды от гидромеханизированных льдобунтов. В принципе аналогичные предложения имеются и для сухоледных заводов.

Природный холод используется для опреснения воды, кристаллизации солей, в промышленной вентиляции и для других целей.

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.

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° G 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 ( 7) может быть выделена холодная зона с морозными зимами, эффективно обеспечивающими непосредственное естественное охлаждение, 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 тещтературз 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 льдомерз- лотных 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 оттепелями, поэтому не всегда обеспечена возможность заготовки на лето достаточных запасов льда, особенно в южных и западных районах.

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 льдо- мерзлотном 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 = Qa+Qn, где QH — холод используемого летом льда, Qn — потери холода при летнем хранении льда. Летом при производстве искусственного льда (в случае идеального процесса) Q = Qo+L, где Qо — холод, расходуемый на получение льда (холодопроизводительность машины); L — работа холодильной машины.

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.

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.