1. Физические основы получения холода

 

С давних пор и по сегодняшний день холод используется для сохранения качества пищевых продуктов.

Непрерывная цепь холода - комплекс холодильных средств и мероприятий, которые поддерживают оптимальный температурный режим на всем пути, от хранения до реализации в розничной сети скоропортящихся продуктов.

Охлаждение – это отвод (отнятие) от физического тела тепла, сопровождающийся понижением температуры тела. В процессе охлаждения участвуют как минимум два тела: охлаждаемое и охлаждающее. Охлаждающее тело называют рабочим веществом. Самым простым способом охлаждения является теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой, при которой температура охлаждаемого тела понижается до температуры окружающей среды. Такое охлаждение называется естественным. Охлаждение тела ниже температуры окружающей среды называется искусственным. В основе современных промышленных способов получения холода лежат процессы плавления, испарения, сублимации, движения электронов в термоэлементах и др. Все они протекают с отводом тепла из окружающей среды.

 Плавление – это процесс перехода тела из твердого состояния в жидкое. При использовании для охлаждения процесса плавления в качестве рабочих тел используют вещества с низкой температурой плавления: лед, смесь льда с солью, эвтектический лед.

Сублимацией называется процесс перехода тела из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу.

При охлаждении с помощью плавления и сублимации рабочее вещество, отняв тепло от охлаждаемого тела, изменяет свое агрегатное состояние и теряет охлаждающие свойства. С помощью таких процессов нельзя осуществить непрерывное охлаждение тела одним и тем же количеством рабочего вещества.

В зависимости от физического явления положенного в основу охлаждения и рабочего вещества, используемого для процесса охлаждения, различают охлаждение: ледяное, льдосоляное, сухим льдом, эвтектический льдом и др.

 

2. Способы получения низких температур

 

Ледяное охлаждение - способ охлаждения продуктов до температуры не ниже 0 °С. В зависимости от способов получения лед бывает естественным и искусственным. Использование водного льда основано на его свойстве при таянии отнимать тепло из окружающей среды. При охлаждении водным льдом происходит изменение его агрегатного состояния - плавление (таяние). Наиболее низкая температура охлаждения определяется температурой таяния льда (0°С при атмосферном давлении), а холодопроизводительность, или охлаждающая способность, чистого водного льда - удельной теплотой плавления, равной 335 кДж/кг. Теплоемкость льда равна 2,1 кДж/ (кг°С).  Водный лед используется для охлаждения и сезонного хранения продовольственных товаров: овощей, плодов и фруктов в климатических зонах нашей страны с продолжительным холодным периодом, где в естественных условиях в зимний период его легко заготовить. Искусственный водный лед могут вырабатывать и с использованием низкотемпературных холодильных машин. Обычно таким образом получают пищевой лед для охлаждения напитков, соков.

Льдосоляное охлаждение производится с применением смеси дробленого льда и соли. При добавлении соли до определенного количества скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния опускается ниже температуры таяния чистого льда, что связано с ослаблением молекулярного сцепления и разрушение кристаллических решеток льда. Раствор соли с самой низкой температурой таяния называется эвтектическим, а температура его таяния – криогидратной точкой. Криогидратная точка для льдосоляной смеси –21,2 °С при концентрации соли в растворе 23,1%. (холодопроизводительность - от 314 до 193 кДж/кг; зависит от концентрации соли в смеси; температура плавления оптимальная  -21,2⁰ С.).

Недостатки этих способов: малая холодопроизводительность; невозможность получения необходимых низких температур и обеспечения непрерывности охлаждения; коррозия металлических; трудоемкие.

Эвтектический лед изготавливают из водных растворов некоторых солей в концентрации, соответствующей криогидратной точке, получают однородную смесь кристаллов льда и соли, называемую эвтектическим твердым раствором. Наибольшее распространение получил эвтектический твердый раствор поваренной соли. Температура плавления этого раствора: -21,2 °С, теплота плавления -236 кДж/кг. Эвтектическим раствором заполняют наглухо запаянные формы - зероторы, и замораживают его. Для увеличения площади теплообмена поверхность зероторов делают гофрированной. Зероторы с замороженным раствором помещают в охлаждаемые камеры.  После того, как раствор расплавится и температура его несколько повысится, зероторы отправляют на повторное замораживание.

Сухой лед представляет собой твердую углекислоту, которая обладает способностью переходить из твердого состояния в газообразное минуя жидкую фазу. Холодопроизводительность «сухого» льда 574 кДж/кг и с учетом использования образующихся холодных паров 636  кДж/кг; сублимирует при  -78,9⁰ С. Отсутствие жидкой фазы при охлаждении, образование газообразной углекислоты как консервирующего средства и получение более низкой температуры – ценные свойства сухого льда. Сухой лед получают искусственным путем и применяют для перевозки некоторых замороженных продуктов, охлаждения фасованного мороженого, замороженных фруктов и овощей.

Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье, заключающегося в том, что при пропускании постоянного электрического тока по замкнутой цепи, состоящей из двух разных металлов (термопар), один спай нагревается, а другой охлаждается. Чтобы холодный спай имел низкую температуру и служил источником охлаждения, теплый спай надо охлаждать.

Если пропускать электрический ток через батарею, составленную из последовательно соединенных термоэлементов, то одна ее будет холодной, а другая  - теплой, Эти батареи можно размещать в стенке охлаждаемой камеры или шкафа так, чтобы их холодная поверхность была обращена внутрь охлаждаемого объекта, а теплая  -  наружу. Для лучшей передачи тепла oт охлаждаемого тела к холодным спаям и от горячих спаев окружающему воздуху теплопередающие поверхности увеличи­вают за счет их оребрения. Преимущества термоэлектрического охлаждения  -  отсутствие движущихся частей, рабочего тела, бесшумность, надежность и долговечность работы. Однако применение такого способа охлаждения ограничено высокой стоимостью оборудования и большим расходом электроэнергии.

Использование простейших источников холода связано с высокими плюсовыми температурами хранения продуктов, трудоемкостью и неудобствами применения. К тому же, чтобы процесс охлаждения протекал непрерывно, рабочее вещество, отняв тепло от охлаждаемой среды, должно переходить из одного агрегатного состояния в другое и вновь возвращаться в первоначальное состояние. Это возможно при машинном охлаждении.

Получение холода с помощью холодильной машины основано на использовании свойств некоторых веществ, поглощая тепло из окружающей среды, кипеть при низких температурах. Машинный способ охлаждения имеет ряд преимуществ: автоматическое поддержание постоянной заданной температуры хранения, высокий коэффициент использования полезной охлаждаемой емкости, удобство пользования, непрерывность процесса и др.

Для непрерывного охлаждения используется процесс кипения жидкости – процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.  Рабочим веществом являются жидкости с низкой температурой кипения. В результате кипения жидкости образуется насыщенный пар, имеющий ту же температуру, что и кипящая жидкость.

Для того, чтобы рабочее вещество, произведя холодильный эффект, приняло первоначальное агрегатное состояние, тепло, забранное им у охлаждаемой среды, должно быть передано другой, промежуточной, среде -  воздуху или воде. Передача тепла от рабочего вещества к промежуточной среде естественным путем невозможна, так как температура их выше температуры рабочего вещества. Естественным же путем  тепло передается только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Для того, чтобы переход тепла от рабочего вещества к промежуточной среде осуществлялся естественным путем, нужно повысить температуру рабочего вещества, затратив на это механическую энергию или тепло, а это обеспечивается в свою очередь специальными устройствами – холодильными машинами.

Если для получения холода используется процесс кипения жидкости, то холодильные машины являются паровыми. Холодильные машины, работающие с затратами механической энергии – компрессионные холодильные машины; с затратами тепловой энергии – абсорбционные; рабочее вещество, циркулирующее в холодильной машине называется холодильным агентом (хладагентом).