Лекция №1

Холодильная техника применяется с каждым годом все более широко, захватывая практически все отрасли народного хозяйства. Несмотря на многообразие отраслей и технологических процессов, в которых используется холод, холодильные установки в главных элементах схожи между собой. Основное различие заключено в системах отвода теплоты – охлаждающих системах. В связи с этим, изложение курса «Холодильные процессы и оборудование производства» проводится с общих позиций, без привязки к конкретной отрасли промышленности. Предметом данного курса являются основы производства искусственного холода.

Впервые понятия теплоты и холода были даны более двухсот лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым в его труде «Размышления о причинах теплоты и холода» (1747 г.). Ломоносов писал: «Природа тепла и холода одинакова, а сами понятия относительны».

Этот постулат лежит в основе современного определения понятия «холод», как теплоты, отводимой от тела, температура которого ниже окружающей среды. Сам процесс отвода теплоты называют охлаждением.

Холодильная техника (а в контексте вашей специальности - Холодильные процессы и оборудование производства) занимается изучением вопросов, связанных с охлаждением самых различных тел и поддержанием температуры в пространстве или веществе ниже температуры окружающей среды.

Если температура тела выше температуры окружающей среды, такое тело называют горячим, теплым или нагретым, а самопроизвольное понижение его температуры до температуры окружающей среды называют естественным охлаждением.

Понижение температуры тела ниже температуры окружающей среды возможно путем искусственного охлаждения, а само тело называют холодным.

Искусственное охлаждение можно осуществлять двумя способами машинным и безмашинным:

Безмашинный способ охлаждения - охлаждение с помощью другого вещества (тела), имеющего более низкую температуру, или передачей тепла при изменении агрегатного состояния холодного тела (охлаждение водным льдом);

Машинный способ охлаждения - охлаждение с помощью специальных охлаждающих устройств - холодильных машин и установок.

Холодильная машина – комплекс технических средств, при помощи которого осуществляется процесс отвода тепла от менее нагретого тела к более нагретому за счет совершения внешней работы.

Холодильная установка представляет собой совокупность холодильных машин, аппаратов и сооружений, предназначенных для производства и применения искусственного холода.

В этом смысле холодильная установка в дополнение к четырем основным элементам, составляющим холодильную машину (или в дополнение к основным элементам систем безмашинного охлаждения), включает в себя еще аппараты, приборы, трубопроводы и даже сооружения, необходимые как для совершения технологических процессов при низких температурах, так и для рациональной эксплуатации холодильного оборудования при длительном промышленном использовании.

Применение холода.

В настоящее время холодильные машины применяют в системах комфортного и технологического кондиционирования воздуха.

В машиностроении и приборостроении холодильные установки всех типов используют для испытаний при низких температурах машин и аппаратов, предназначенных для работы в северных районах.

В строительстве холодильные установки используют для замораживания грунтов при подземных работах (метро), при строительстве туннелей, плотин и др.

Широко используют искусственный холод в химической, газовой и нефтяной промышленности при производстве пластмасс, синтетическо-I о каучука, сжиженного природного газа и др.

Без использования искусственного холода были бы невозможны успехи в современной науке, развитии электронно-вычислительной техники и др.

Особо значительна роль искусственного холода в медицине для сохранения крови, кожи и других органов, используемых для пересадки, а также для искусственного понижения температуры человеческого тела (гипотермия) при операциях.

Кроме того (куда ж без этого) современные достижения в спорте (коньки, хоккей, фигурное катание) стали возможны лишь с использованием искусственных ледяных полей.

Однако, главным потребителем холода является все же пищевая промышленность. Воздействие холода на пищевые продукты, по сравнению с другими методами консервирования, вызывает минимальные изменения их основных свойств: питательной ценности, вкуса, массы, внешнего вида. В общемировом масштабе наблюдается дефицит продуктов питания, обусловленный, прежде всего, ростом населения ряда стран, многие из которых не в состоянии обеспечить себя необходимым рационом питания. В то же время, по данным Международного института холода, ежегодно теряется до 30% (около миллиарда тонн) всех производимых в мире продуктов.

Основные продукты питания человека – мясо, рыба, молоко, яйца, овощи, фрукты – относятся к скоропортящимся продуктам. Высокое содержание влаги в этих продуктах создает условия для интенсивного развития микробиологических и биологических (ферментативных) процессов. Под действием микроорганизмов и тканевых ферментов происходит процесс распада сложных органических веществ, являющийся основной причиной порчи пищевых продуктов.

Существует много способов консервирования (т.е. сохранения) продуктов, основанных на воздействии различных, химических и биологических факторов, влияющих на активность микроорганизмов и тканевых ферментов: сушка, соление, вяление, квашение, копчение, пастеризация, стерилизация, обработка холодом и др.

Лучшим способом консервирования является тот, при котором возможно более длительное хранение продукта с наименьшими потерями пищевой ценности и массы. Этим требованиям в наибольшей степени отвечает применение искусственного холода.

Объяснением тому является тот факт, что температура среды существенно влияет на активность, скорость роста и размножения, продолжительность жизни микроорганизмов. Причем одни микроорганизмы проявляют наибольшую активность при более низких температурах, другие – при более высоких. В связи с этим, микроорганизмы, составляющие микрофлору сырых пищевых продуктов, разделяют на три группы: психрофильные (психрофилы), мезофильные (мезофиллы) и термофильные (термофилы). Температурный диапазон активности перечисленных микроорганизмов приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Температурный диапазон активности микроорганизмов

Вид микроорганизмов	Минимальная температура активности, оС	Оптимальная температура активности, оС	Максимальная температура активности, оС
Психрофилы	0÷минус10	15÷25	30
Мезофиллы	0	20÷40	60
Термофилы	30	45÷60	80

Основные понятия холодильной технологии

На пищевых предприятиях холод используется при промышленном производстве многих пищевых продуктов и при их хранении. Воздействие холодом на пищевые продукты может быть различным, в зависимости от цели. В связи с этим, выделяют два основных понятия холодильной технологии пищевых продуктов: холодильная обработка и холодильное хранение.

Холодильная обработка включает процессы охлаждения, подмораживания, замораживания, домораживания, а также отепления и размораживания. Цель холодильной обработки – изменение температуры продукта как главного параметра холодильной технологии.

Охлаждение – процесс отвода теплоты от продукта с понижением его температуры в толще не ниже криоскопической. Криоскопической называют температуру начала замерзания тканевого сока. Срок хранения охлажденных продуктов не превышает нескольких дней.

Подмораживание – процесс отвода теплоты от продукта с понижением его температуры несколько ниже криоскопической, сопровождающийся частичной кристаллизацией влаги в поверхностном слое. Продолжительность хранения подмороженных продуктов увеличивается в 2÷2,5 раза по сравнению с охлажденными.

Замораживание – процесс отвода теплоты от продукта с понижением температуры в толще значительно ниже криоскопической. При замораживании пищевых продуктов тканевая жидкость, содержащаяся в продукте, превращается в лед. Замораживание продуктов обеспечивает стойкость продуктов при длительном хранении.

Домораживание – понижение температуры продукта до заданного уровня при отводе теплоты от частично замороженного продукта.

Отепление – подвод теплоты к охлажденному продукту с повышением его температуры до температуры окружающей среды или несколько ниже.

Размораживание – подвод теплоты к продукту с целью декристаллизации содержащегося в них льда. При размораживании температура продукта повышается до 0^оС, при этом кристаллы льда плавятся, и ткани поглощают влагу.

Отепление и размораживание выполняют перед реализацией, кулинарной или промышленной переработкой. Цель этих операций – доведение продуктов до состояния, близкого к исходному.

Холодильное хранение – это хранение продуктов в охлажденном подмороженном и замороженном состоянии при заданном режиме в камерах хранения. Основная задача холодильного хранения – торможение всех изменений, которые могут произойти в продуктах, с минимальными потерями их массы и питательной ценности.

Под режимом холодильной обработки и холодильного хранения понимают совокупность условий, влияющих на качество и потери пищевых продуктов: вид и состав охлаждающей среды, температура и скорость движения среды, относительная влажность (для воздуха), продолжительность процесса. Задавая режим, указывают также вид упаковки и способ укладки продукта.

Типы холодильников.

Необходимые условия должны поддерживаться от момента производства того или иного продукта до момента его употребления. Поэтому в холодильной технике существует такое понятие как непрерывная холодильная цепь, под которой понимают совокуп­ность холодильников различных типов и организацию взаимной связи между ними, благодаря которой пищевые продукты, начиная с момента производства и кончая потреблением, находятся под постоянным воздействием низких температур, что обеспечивает высокое качество продуктов даже при длительном их хранении.

Прежде чем рассмотреть различные типы холодильников, следует записать само определение термина холодильник:

Холодильник — это промышленное предприятие, предназначенное для охлаждения, замораживания и хранения скоропортящихся продуктов.

Отдельные типы холодильников являются, таким образом, звень­ями непрерывной холодильной цепи. В соответствии с этим раз­личают, следующие типы холодильников.

Производственные холодильники, которые предназначены для первичной термической обработки (охлажде­ния и замораживания) пищевых продуктов и находятся в районах производства или заготовки продуктов. Они могут быть цехом какого-либо пищевого предприятия (мясокомбината, молочного комбината и т. п.) или самостоятельным предприятием в месте заготовки, например, рыбы (рыбные заготовительные) или птицы, яиц (птично-яичные) и другой продукции сельского хозяйства. Холодильники этого типа характеризуются большой производи­тельностью устройств для охлаждения и замораживания При относительно небольшом объеме помещений для хранения продуктов

Базисные холодильники предназначены для долгосрочного хранения продуктов, поступающих из производ­ственных холодильников, с целью создания резервов. Эти холо­дильники обычно имеют большую емкость помещений для хране­ния продуктов и малую производительность устройств для охла­ждения и замораживания. На таких холодильниках предъявляются повышенные требования к поддержанию постоян­ства температурного и влажностного режимов в охлаждаемых помещениях.

Портовые холодильники служат для кратко­срочного анения грузов при их перегрузке с одного вида транс-рта на другой, например с водного на железнодорожный транс­порт и т, п. Строятся такие холодильники в речивое или морских портах. Для них характерны большие объемы грузовых операций, операций по осмотру и сортировке продуктов, для чего предусма­триваются специальные помещения. Особенно высока должна быть степень механизации грузовых работ, в частности для погрузки и разгрузки судов.

Распределительные холодильники пред­назначены для равномерного обеспечения городов и промышлен­ных центров сезонными продуктами питания в течение всего года. Так же, как и базисные холодильники, характеризуются относи­тельно большой вместимостью помещений для хранения "продук­тов. Выпуск грузов осуществляется сравнительно равномерно. В средних и крупных промышленных центрах распределительные холодильники часто имеют производственные цехи: производства мороженого, водного льда, твердой двуокиси углерода (сухого льда), фасовки мяса, масла и др. Такие предприятия называют хладокомбинатами.

Торговые холодильники служат для кратко­временного хранения продуктов на торговых базах, в магазинах, столовых, ресторанах и т. п. Характерными для этого типа холо­дильников являются повышенные температуры хранения и менее строгие требования в отношении поддержания постоянных усло­вий хранения. К этой же группе холодильных установок отно­сятся также устройства для текущего хранения продуктов в тор­говой сети.

Транспортные холодильники предназначены для создания необходимых низкотемпературных условий пере­возки продуктов на разнообразных средствах транспорта. Раз­личают железнодорожный, водный, автомобильный и авиационный холодильный транспорт, а также холодильные контейнеры. Все эти виды холодильных устройств являются связующими элемен­тами между отдельными звеньями непрерывной холодильной цепи. Транспортные холодильники могут предназначаться и для производственных или заготовительных целей. Так, например, имеются промысловые суда, на которых производится заморажива­ние рыбы, передвижные устройства на автомобилях для замора­живания ягод и т. п.

Домашние (бытовые) холодильники служат для кратковременного хранения продуктов в домашних условиях и для производства небольшого количества льда. Они являются последним звеном непрерывной холодильной цепи.

Все рассмотренные холодильники оснащены тем или иным холодильным оборудованием, принцип действия которого может быть основан на различных способах получения холода.

Холодильное технологическое оборудование

Различают два вида холодильных объектов: камера и аппарат.

Камера представляет собой специально оборудованное помещение для холодильной обработки и хранения пищевых продуктов. В зависимости от назначения бывают камеры охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов. Иногда камеры выполняют в виде туннелей.

Холодильный технологический аппарат предназначен для холодильной обработки пищевых продуктов, как правило, небольшой толщины. В отличие от камеры или туннеля, все его элементы соединены в жёсткую единую конструкцию. Аппараты изготавливают на специализированных заводах. Аппараты различаются, прежде всего, по виду холодильной обработки продукта (аппараты для охлаждения, замораживания или морозильные, размораживания пищевых продуктов). Холодильные аппараты различаются также:

1. способом отвода теплоты от продукта (контактные и бесконтактные);

2. средой, воспринимающей теплоту от продукта (воздух, углекислота, кипящие и некипящие жидкости);

3. типом устройства, применяемого для транспортирования продукта в процессе холодильной обработки (механический конвейер, воздушный поток и пр.) и другими признаками.

Для создания и поддержания в холодильных объектах температуры, влажности, скорости движения охлаждающей среды, а иногда давления и определённого газового состава среды применяют холодильное технологическое оборудование (ХТО).

ХТО – оборудование, применяемое в пищевой промышленности для низкотемпературной обработки пищевых продуктов и объединяющее все технические средства, использующиеся для создания оптимального технологического процесса их производства и хранения.

Различие скоропортящихся продуктов по размерам, форме, свойствам определяет большое разнообразие применяемого при их производстве и хранении ХТО.

По назначению ХТО можно разделить на 5 групп:

1. для охлаждения пищевых продуктов;

2. для замораживания пищевых продуктов;

3. для хранения пищевых продуктов;

4. для размораживания пищевых продуктов;

5. для отепления пищевых продуктов.

Способы получения низких температур.

Фазовый переход.

Любое вещество может находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. При определенных условиях возможно одновременное состояние вещества сразу в нескольких фазах. Например, в жидкой и газообразной, газообразной и твердой, твердой и жидкой фазах. В тройной точке вещество может находиться сразу в трех фазах.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом. Фазовая диаграмма для чистых веществ показана на рисунке 2

Рисунок 1 - Термодинамическая диаграмма состояния вещества.

На диаграмме кривая I обозначает равновесие пар-жидкость (кипение-конденсация), кривая II – равновесие жидкость - твердое вещество плавление - кристаллизация), III - равновесие твердое тело-пар (сублимация - десублимация), точка А – тройная точка.

Фазовые переходы сопровождаются процессами выделения или поглощения теплоты без изменения температуры рабочего вещества. В этом случае выделяемая или поглощаемая теплота фазового перехода расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами. При выделении теплоты происходит нагрев какого-либо тела, помещенного в рабочее вещество. При поглощении теплоты, наоборот, от тела отнимается теплота и происходит его охлаждение.

К фазовым переходам с выделением теплоты относятся кристаллизация, конденсация, десублимация и др. Такие процессы в холодильной технике для получения низких температур не применяются.

Для получения температур ниже температуры окружающей среды используются фазовые переходы, которые сопровождаются поглощением теплоты. К ним относятся плавление, кипение, испарение и сублимация.

1. Охлаждение за счет фазовых превращений. При достижении твердым телом температуры плавления дальнейшего повышения его температуры не происходит, а подводимая (или отводимая) теплота тратится на изменение агрегатного состояния - превращение твердого тела в жидкость (при отводе теплоты - из жидкости в твердое тело). Температура плавления (затвердевания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды. При атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) температура плавления водного льда равна 0°С. Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг льда в воду (или наоборот), называется скрытой или удельной теплотой плавления r.

для водного льда r=335 кДж/кг

Количество теплоты, необходимое для превращения льда массой М в воду, определяют по формуле:

Q=Mr

Из сказанного следует, что одним из способов искусственного охлаждения является отвод теплоты за счет плавления вещества в твердом состоянии при низкой температуре.

На практике этот способ давно и широко применяют, осуществляя охлаждение с помощью заготовленного зимой с использованием природного холода водного льда или с помощью замороженной в ледогенераторах с использованием холодильных машин воды.

При плавлении чистого водного льда температуру охлаждаемого вещества можно понизить до О °С. Для достижения более низких температур используют льдосоляные смеси. В этом случае температура и скрытая теплота плавления зависят от вида соли и ее содержания в смеси. При содержании в смеси 22,4 % хлористого натрия температура плавления льдосоляной смеси равна -21,2°С, а скрытая теплота плавления составляет 236,1 кДж/кг.

Применяя в смеси хлористый кальций (29,9%), можно понизить температуру плавления смеси до -55°С, в этом случае

r = 214 кДж/кг.

Сублимация - переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу, с поглощением теплоты. Для охлаждения и замораживания пищевых продуктов, а также их хранения и транспортировки в замороженном состоянии широко используют сублимацию сухого льда (твердой двуокиси углерода). При атмосферном давлении сухой лед, поглощая теплоту из окружающей среды, переходит из твердого состояния в газообразное при температуре -78,9 °С. Удельная теплота сублимации t = 571 кДж/кг.

Сублимация замороженной воды при атмосферном давлении происходит при сушке белья зимой. Этот процесс лежит в основе промышленной сушки пищевых продуктов (сублимационная сушка). Для интенсификации сублимационной сушки в аппаратах (сублиматорах) поддерживают с помощью вакуумных насосов давление ниже атмосферного.

Испарение - процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости. Его физическая природа объясняется вылетом молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового движения, из поверхностного слоя. Жидкость при этом охлаждается. В холодильной технике этот эффект используют в градирнях для охлаждения воды и в испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации к воздуху. При атмосферном давлении и температуре 0 °С скрытая теплота испарения воды г=2509 кДж/кг, при температуре 100°С г=2257 кДж/кг.

Кипение - процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева за счет поглощения теплоты. Кипение жидкости при низкой температуре является одним из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящую жидкость называют холодильным агентом (сокращенно - хладагент), а аппарат, где он кипит, забирая теплоту от охлаждаемого вещества,- испарителем (название не совсем точно отражает суть происходящего в аппарате процесса). Количество теплоты Q, .подводимое к кипящей жидкости, определяют по формуле:

Q=Mr

где М - масса жидкости, превратившейся в пар. Кипение однородного ("чистого") вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления. С изменением давления меняется и температура кипения. Зависимость температуры кипения от давления кипения (давления фазового равновесия) изображают кривой, называемой кривой упругости насыщенного пара.

2. Дросселирование (эффект Джоуля - Томпсона). Еще один из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах, заключающийся в падении давления и снижении температуры хладагента при его протекании через суженное сечение под воздействием разности давлений без совершения внешней работы и теплообмена с окружающей средой. В узком сечении скорость потока возрастает, кинетическая энергия расходуется на внутреннее трение между молекулами. Это приводит к испарению части жидкости и снижению температуры всего потока. Процесс происходит в регулирующем вентиле или другом дроссельном органе (капиллярной трубке) холодильной машины.

3. Расширение с совершением внешней работы. 

Если на пути потока, двигающегося под воздействием разности давлений, поставить детандер (расширительную машину, в которой поток вращает колесо или толкает поршень), то энергия потока будет совершать полезную внешнюю работу. При этом после детандера одновременно с понижением давления будет снижаться и температура хладагента.

4. Вихревой эффект (эффект Ранка - Хильша).

В 1932 году французский ученый Жорж Ранк при испытании циклонного пылеуловителя обратил внимание на то, что температуры воздуха в центре и на периферии канала различны. В центральной части воздух был значительно холодней, чем около внутренней поверхности циклона. В то время на это открытие не обратили особого внимания и даже опровергали его. В 1946 немецкий ученый Р. Хильш опубликовал статью с подробным доказательством процесса температурного расширения в вихревой трубе, после чего эффект стал называться эффектом Ранка-Хильша.

Вихревой эффект заключается в том что при прохождении любого газа по любому каналу происходит разделение потоков: более горячий поток движется по периферии, а холодный поток сосредотачивается в центре, на оси канала. Чем больше турбулизация потока, тем эффективнее процесс температурного разделения.

В холодильной технике наиболее широко используется вихревая труба. Конструкция вихревой трубы чрезвычайно проста (см. рис. 2.5).

Рисунок 2.5.Конструкция вихревой трубы.

Она имеет цилиндрический корпус 1, сопло с тангенциальным вводом 2, дроссель 3 и диафрагму или трубу малого диаметра 4.

Сжатый воздух с температурой окружающей среды через сопло подается в трубу по касательной к внутренней поверхности корпуса. Поступивший воздух вращается, одновременно перемещаясь по длине трубы от сопла к дросселю. При вихревом движении воздуха в трубе происходит его температурное разделение. Более теплый поток перемещается к внутренней стенке корпуса, более холодный поток сосредотачивается у оси трубы. Теплый поток выводится за пределы вихревой трубы через дроссель, как правило, в атмосферу, а холодный поток направляется через диафрагму или трубу малого диаметра для охлаждения. Количество воздуха в теплом и холодном потоках можно регулировать, изменяя площадь проходного сечения дросселя.

Отношение массового расхода холодного потока G_х к общему расходу газа, поступившему в трубу G_об, называется массовой долей холодного потока и обозначается буквой μ, т.е.

Современные конструкции вихревых труб позволяют получить при расширении воздуха в вихревой трубе от давления 0,4–0,8 МПа (4–8 атм.) до атмосферного давления можно получить температуру холодного потока t_х = –2…–80^оС и температуру горячего потока t_г = 100…130^оС. Величина температурного перепада во многом определяется μ.

С точки зрения термодинамики необратимые потери при температурном разделении потоков в вихревой трубе предопределяют больше энергетических затрат, чем при адиабатном расширении, но меньше, чем при дросселировании. Полезно используется только 30% от всего потока.