 |
Расчет установок льдосоляного охлаждения
|
|
|
|
Калорический расчет холодильников с льдосоляным охлаждением производят так же, как и для холодильников с ледяным охлаждением.
Расчет танков для льдосоляной смеси. Заключается в определении их теплопередающей поверхности по формуле
, (3)
где F - теплопередающая поверхность танков, м2;
Qкам - максимальный расход холода по камере в летнее время, Вт;
k - коэффициент теплопередачи танков, Вт/(м2·°С); если отсутствует на поверхности танков снеговая шуба, его принимают равным:
при естественной циркуляции воздуха в камере 7-9 Вт/(м2-С);
при побудительной циркуляции воздуха в камере 9-12Вт/(м2·°С);
tк - температура воздуха в камере, °С;
tсм - температура охлаждающей льдосоляной смеси, °С; ее принимают на 6-8°С ниже температуры воздуха в камере.
Исходя из общей необходимой для данной камеры теплопередающей поверхности танков, находят их число и размеры. Высота танков обычно на 0,5 м меньше высоты камеры, а ширина 200-300 мм.
Расчет льдосоляных решетчатых карманов. Поверхность льдосоляной смеси условно принимают равной внутренней поверхности решетчатого кармана, определяемой по уравнению
, (4)
где αк - условный коэффициент теплоотдачи от воздуха камеры к льдосоляной смеси, отнесенный к внутренней поверхности кармана. Его принимают равным 6-8 Вт/(м2·°С);
1,2 - коэффициент увеличения поверхности кармана. Его вводят в расчет для обеспечения равномерной температуры воздуха в камере.
При проектировании любого устройства льдосоляного охлаждения необходимо определить расход льда и соли. Для этого принимают температуру плавления смеси на 6÷8°C ниже температуры воздуха в камере. Для этой температуры по таблице физических свойств льдосоляной смеси определяют концентрацию соли в смеси ξc и соответствующую холодопроизводительность 1 кг смеси qсм. Расход смеси определяется по уравнению
|
|
|
, (5)
а расход льда Gл и соли Gс по уравнениям:
,
При определении размеров карманов следует учесть, что объем ежесуточно загружаемой смеси составляет только 40% всего объема кармана. Плотность льдосоляной смеси принимают равной 450÷550 кг/м3. Карманы выполняют обычно из деревянных брусков 50×50 мм с расстоянием между ними 35÷40 мм. Ширина карманов 250÷400 мм.
Снегогенераторы.
Снегогенераторы - установки для получения искусственного снега и мелкодиспергированного льда («снежные пушки»).
Интерес к стационарным и передвижным снегогенераторам объясняется возможностью их эффективного использования для предотвращения образования пыли в забоях и на карьерных дорогах, увеличения и подавления осадков инициированием образования кристаллов льда, намораживания ледяных мостов, борьбы с пожарами, охлаждения рыбного сырья, защиты снежным покровом особо ценных сельскохозяйственных культур и почвы от промерзания и т. д.
Существует три типа снегогенераторов: снегогенераторы с внутренним смешиванием, снегогенераторы с внешним смешиванием, часто называемые еще «снежными ружьями» или «башнями» и вентиляторные снегогенераторы – «снежные пушки».
Снегогенератор с внутренним смешиванием — это система с использованием смешивания воды и воздуха во внутренней камере форсунки снегогенератора. При выходе смеси воды и сжатого воздуха из форсунки происходят расширение этой смеси и термодинамический эффект охлаждения (ниже 0 °С). Крошечные капли воды замерзают, формируя микрокристаллы, которые, в свою очередь, становятся центрами дальнейшего кристаллообразования (нуклеации). На таких центрах нуклеации (зародышах) из более кр 
упных капель формируются хлопья снега.
|
|
|
Снегогенератор с внешним смешиванием — еще один тип водно-воздушной системы. Процесс снегообразования в ней выглядит следующим образом. Разнесенные воздушная и первая водяная форсунки подают ограниченное количество воды и воздуха в зону смешивания, расположенную на расстоянии 8-10 см от ружья, где образуются зародыши кристаллов снега. Эти мини-кристаллы по инерции смещаются далее, на расстоянии приблизительно 20 см от ружья они попадают в поток воды из второй форсунки, где на них налипает вода. Кристаллизация снега происходит во время свободного падения кристаллов на землю. Поэтому такие установки обычно монтируют на верхнем конце легкой (обычно алюминиевой) и длинной (до десяти метров) трубы-штанги высотой 4-10 метров.
Вентиляторный снегогенератор — система, где для формирования взвеси капель воды вместо сжатого специальным компрессором воздуха используется подача воздуха с 
помощью мощного вентилятора. При этом капли находятся в воздухе достаточное время для того, чтобы значительно охладиться и замерзнуть, превратившись в снег.
В первых конструкциях снежных пушек вода смешивалась со сжатым воздухом и выбрасывалась через форсунки под высоким давлением в поток воздуха, создаваемый мощным вентилятором. Сжатый воздух выполнял сразу три задачи: распылял воду, выбрасывал образовавшиеся капельки в воздух и дополнительно охлаждал воду.
Схема работы снежной пушки
Недостатком такой схемы является большой расход воздуха. Поэтому более современные пушки работают по двухступенчатому процессу и оснащены устройствами для нуклеации (зародышеобразования).
Мощный вентилятор создаёт непрерывный поток воздуха, который движется через основные и нуклеационные кольца с форсунками. В них путем смешивания сжатого воздуха и небольшого количества воды образуются мельчайшие кристаллики льда – зародыши искусственного снега. Затем эти «зародыши» попадают в поток распыленной мощными вентиляторами воды, которая, кристаллизуясь на них, быстро образует готовые кристаллы снега. Между вентилятором и кольцами находятся пластинки-лопасти, прикрепленные изнутри к кожуху генератора. Они способствуют лучшему перемешиванию всех компонентов смеси.
|
|
|
Отличительной чертой всех пушек является мощный вентилятор, выбрасывающий водно-воздушную смесь на расстояние до 60 метров. За время такого полета успевают сформироваться кристаллы искусственного снега, а сама система искусственного оснежения может работать в ветреную погоду и распылять снег в заданном направлении под углом поворота от 15 до 60°. Эти пушки, похожие на авиационные двигатели, очень эффектны внешне. Но есть у них и серьезные технические преимущества. Первое из них – способность эффективно работать в широком диапазоне входных давлений воды. Дело в том, что сам принцип кристаллизации воды в этих пушках не тот, что в водно-воздушных. Если «ружья» распыляют пропорциональную смесь воздуха и воды, готовую к кристаллизации за счет естественного охлаждения, то вентиляторная пушка действует иначе. Объем нагнетаемого лопастями воздуха избыточен по отношению к объему воды (соотношение – более чем 1:600), поэтому распыленные форсунками микрокапли мгновенно замерзают не за счет низкой температуры окружающей среды, а за счет резкого снижения температуры потока, вызванного падением давления при расширении воздуха.
Второе важное преимущество «вентиляторов» – их независимость в плане сжатого воздуха. А вместе эти особенности позволяют сформулировать главное преимущество вентиляторных пушек – это их высокая мобильность. Смонтированные, как правило, на передвижных лафетах, самоходных или буксируемых, они позволяют засыпать снегом именно тот участок, который нуждается в этом более всего. Подключение к ближайшим гидрантам осуществляется гибкими рукавами.
Их недостаток заключается в заметно более высоком энергопотреблении и более сложной конструкции вентиляторных устройств, определяющей более высокую стоимость как самих установок, так и их эксплуатации. В общем, «вентиляторный» искусственный снег дороже «башенного».
Искусственные катки.
Искусственные ледяные катки предназначены для атких видоа сопрта, как конькобежный спорт, хоккей, фигурное катание и др. Высокое качество ледяной поверхности может быть обеспечено в закрытых помещения круглый год, на открытых площадках – в среднем с октября по март.
|
|
|
Слой льда толщиной 25-30 мм уже пригоден для катания. В процесс эксплуатации стремятся не допускать роста слоя льда свыше 4-5- мм, так как для сохранения постоянной температуры поверхности приходится снижать температуру охлаждающей среды в среднем на 0,9 – 10С на каждые 10 мм толщины слоя льда.
Слой льда получают на поверхности охлаждающей плиты, внутри которой по трубам циркулирует хладоноситель или кипит холодильный агент. Трубы укладывают в охлаждающую плиту с определенным шагом, поэтому даже в случае равенства температур всех труб в поперечном сечении катка температура льда непосредственно над трубами всегда ниже, чем между ними. Другой причиной неравномерности температуры поверхности льда являются нагревание рассола или изменение температуры холодильного агента по мере движения по трубам из-за падения давления. С ростом толщины слоев бетона и льда над трубами неравномерность температуры поверхности льда уменьшается. Но такой способ гашения неравномерности температуры льда связан со значительными энергетическими потерями. Поэтому толщину материала охлаждающей плиты над трубами, как и толщину льда, ограничивают минимальной величиной, необходимой по технологическим соображениям. Считают удовлетворительным, если разность температуры в разных точках поверхности льда не превышает 0,5 0С.
Для получения искусственного льда пользуются системами непосредственного охлаждения с кипением хладагента в трубах охлаждающих батарей или же системами с циркуляцией через батареи хладоносителей.
В теплотехническом расчете катка определяют производительность холодильного оборудования, достаточную для поддержания льда заданной температуры в наиболее теплое время периода эксплуатации, а также выбирают основные конструктивные и технологические параметры охлаждающей плиты – диаметр и шаг труб, толщину слоя материала над трубами, его теплопроводность, разность температуры теплоносителя в поле и конструкцию трубных батарей, обеспечивающих заданное качество поверхности льда.
Все теплопритоки ко льду делятся на две группы: постоянные и временные. К постоянным относим теплопритоки, действующие в течение длительного времени: теплопритоки от окружающего воздуха конвекцией, от конденсации и намерзания влаги, при лучистом теплообмене с окружающими поверхностями, от грунта, от освещения. К временным относим теплопритоки при обработке льда льдовыравнивающим комбайном. Поскольку время их стояния относительно невелико (длительность обработки льда обычно не превышает 10 минут), а количественно они достаточно значительны, то компенсация этих теплопритоков в течение времени их стояния потребовала бы значительного увеличения мощности холодильной машины. Поскольку бетонная охлаждающая плита со слоем льда обладают значительной тепловой инерцией, то для поддержания стабильной температуры, достаточно компенсировать данный теплоприток за период до его повторения. Поскольку демонстрационная арена может использоваться для организации массовых катаний на коньках, предусматривают 12 периодов обработки льда в сутки.
|
|
|
Теплоприток от грунта определяют, учитывая конструкцию бетонной охлаждающей плиты. При этом теплоприток рассчитывают как тепловой поток от плоскости заложения труб обогрева к плоскости заложения охлаждающих труб. С незначительной погрешностью можно считать эти поверхности изотермическими и принимать температуру плоскости труб обогрева +20С; температуру плоскости труб охлаждения - 10 0С. Один из вариантов конструкции технологической плиты под ледовым полем представлен на рисунке.
Конструкция технологической плиты под ледовым полем.
Аккумуляторы холода.
С целью экономии тепловой энергии при хранении сельскохозяйственных продуктов в летнее и зимнее время, предлагается использовать естественный холод окружающего воздуха в зимний период времени посредством закачки его в грунт.
Ледник-сооружение позволяет в зимнее время запасать холод окружающей среды с тем, чтобы использовать его в течение года для поддержания пониженной температуры при хранении продуктов практически без потребления электроэнергии
При хранении большинства сельхозпродуктов необходимо поддерживать температуру окружающей среды в диапазоне от 0 до 5 °С. для этого используются холодильные машины, потребляющие достаточно большое количество энергии. В то же время в течение осенне-весеннего периода температура окружающего воздуха имеет температуру ниже требуемой величины.
Самый распространенный источник аккумулированного холода это водяной лед и замороженный грунт.
Можно использовать испарительно–конденсационные системы для зарядки теплового аккумулятора. Комплекс работает следующим образом. При понижении температуры наружного воздуха ниже температуры теплоаккумулирующего вещества (грунта), тепловые трубы начинают передавать тепло от теплоаккумулирующего вещества через радиатор конденсатора в атмосферу. Таким образом, происходит зарядка теплового аккумулятора. Когда температура окружающего воздуха по каким–либо причинам становится выше температуры теплоаккумулирующего вещества (теплое время года, в зимнее время – оттепель), тепловая труба выключается (в силу специфики работы термосифонов, выполняя функции термодиода). Таким образом исключается «нерабочий» отвод теплоты от теплоаккумулирующего вещества в атмосферу, и проникновение теплоты от окружающего воздуха внутрь теплового аккумулятора
Аккумуляторы холода представляют собой плоские сосуды с внутренними змеевиками. Солевой раствор в сосудах замораживается в результате циркуляции в змеевиках хладоносителя, при подключении змеевиков к внешней зарядной станции (стационарной, передвижной) или смонтированной на рефрижераторе компрессорной холодильной установке с приводом от электродвигателя, который работает от внешней электрической сети во время стоянки рефрижератора.
В некоторых случаях для получения аккумуляторов холода целесообразно применение эвтектиков в сочетании с машинным охлаждением. Например, при временном избытке холодопроизводительности машины раствор замораживают, а в часы пик при повышенной нагрузке холодильного оборудования эвтектики поддерживают заданные температуры за счет теплоты их плавления. Такие аккумуляционные плиты применяют в некоторых холодильных шкафах, авторефрижераторах и пр.
Емкость для хладоносителя часто служит аккумулятором холода. Отсеки связаны таким образом, что при накоплении запаса холода охлажденный хладоноситель вытесняет более теплый снизу вверх в направлении к теплому отсеку, а при расходовании запаса охлажденный хладоноситель вытесняется более теплым - сверху вниз в направлении к холодному отсеку.
Лекция 15. Производство и применение сухого льда в холодильных технологиях
|
|
|
