ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ХОЛОДИЛЬНОЇ ТЕХНІКИ частина I

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ	ДОДАТКИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ			УКЛАДАЧІ

РОЗДІЛ 3. РОБОЧІ РЕЧОВИНИ ХОЛОДИЛЬНОЇ ТЕХНІКИ

3.2. Холодоносії

3.2.1. Призначення холодоносіїв

3.2.2. Характеристика холодоносіїв

3.2.3. Термодинамічні властивості розчинів

3.2.4. Вимоги, які ставляться до холодоносіїв

3.2.5. Холодоносії, які використовуються в холодильній техніці

3.2.1. Призначення холодоносіїв

Для транспортування холоду від низькотемпературних установок до споживачів використовують рідини, температура затвердіння яких істотно нижче температури кипіння. Такі речовини називаються холодоносіями.

Термін «холодоносій», так само як і «теплоносій», має умовний характер, оскільки тепло й холод не є середовищем, яке можливо «носити».

Холодоносії, на відміну від холодоагентів, не є робочими тілами холодильного циклу, в якому холодоагенти зазнають фазових перетворень. Не завжди допустимо, щоб холодоагент безпосередньо (за рахунок свого кипіння чи інших процесів) охолоджував об’єкт холодильної обробки (харчову сировину, наприклад). У таких випадках краще скористатись іншим середовищем (газом, рідиною, твердим тілом), яке попередньо охолоджується холодоагентом. Щоб підкреслити відмінність холодоносія від холодоагенту, використовують такі доречні прикметники як «вторинний», «проміжний». Найчастіше системами з проміжним холодоносієм використовують льодяну воду, водні розчини солей, спиртів (розсоли, розсільні системи), гетерогенну суміш води чи розсолу з лускатим льодом та інші.

У системах із проміжним холодоносієм, який охолоджується безпосередньо у випарнику киплячим холодоагентом (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Система з проміжним холодоносієм

Після випарника холодоносій насосом спрямовується в теплообмінник з охолоджуваним об’єктом, теплота від якого передається проміжному середовищу (холодоносію). Нагрітий при цьому холодоносій спрямовують знову у випарник, де він охолоджується. Схеми систем із проміжним холодоносієм є дещо простішими, ніж схеми безпосереднього охолодження, але в них необхідно створювати нижчі температури кипіння холодоагенту.

3.2.2. Характеристика холодоносіїв

Повітря. Одним із холодоносіїв, що широко використовується в холодильній техніці та технології, є повітря. Цей холодоносій екологічно безпечний, може бути охолодженим практично до будь-якої низької температури, не викликає корозії матеріалів повітроохолоджувачів тощо. Але, з іншого боку, повітря, як холодоносій, має малу теплоємність, характеризується низькими значеннями коефіцієнтів тепловіддачі, відповідно потребує великих значень поверхонь теплообміну, енерговитрат на привід вентиляторів.

	Вода ‒ холодоносій (рис. 3.12), що характеризується значною об'ємною теплоємністю, забезпечує компактність систем холодопостачання, має відносно малу в'язкість, що дозволяє уникнути великих енерговитрат на привод насосів. Цей холодоносій легко транспортується на великі відстані, його можна накопичувати (акумулювати).
Рис. 3.12. Дистильована вода

Оптимальним є виробництво та використання льодяної води як холодоносія з температурою 4–8 °С. Використання ж «льодяної» води з температурою 0‒2 °С супроводжується утворенням шару льоду на охолоджувальних поверхнях випарників, що призводить до зростання термічного опору та зменшення коефіцієнта теплопередачі, зростання витрат електроенергії на виробництво холоду («льодяної» води). Вода є середовищем для інтенсивного розвитку мікробіологічних популяцій, тому під час використання її, як холодоносія, необхідно вживати додаткових заходів для очищення води та системи циркуляції, знешкодження мікроорганізмів.

Недоліком води та водних розчинів є їх досить висока корозійна активність. У корозійному процесі, що виникає у водному середовищі, важливу роль відіграють розчинені кисень та діоксид вуглецю. Швидкість корозії металевих поверхонь може досягати 1,5 мм/рік, причому має місце і нерівномірність корозії трубопроводів, теплообмінного обладнання, особливо за виразкової корозії.

Розсоли. У багатьох харчових, хімічних технологіях необхідно мати холодоносії з температурою, нижчою за 0 °С чи близькою до неї. Звичайно, льодяна вода в такому випадку не відповідає цій вимозі. Саме водні розчини різних солей (розсоли) залишаються рідкими за температури нижче 0 ^оС .

Як холодоносії, в холодильних установках, зазвичай, використовуються розсоли, тобто розчини хлористого натрію NaСl і хлористого кальцію СаСl₂ у воді.

Температура затвердіння цих розчинів залежить від масової концентрації солі в розчині, тобто від відношення маси солі до маси розчину. За нульової концентрації температура затвердіння складає 0 °С. За підвищення концентрації солі в розчині температура затвердіння знижується. За деяких значеннь концентрації температура затвердіння досягає мінімального значення та за подальшого підвищення концентрації знову зростає й досягає значення температури затвердіння чистої води, тобто 0 °С. Мінімальне значення температури затвердіння для розчину хлористого натрію NаСІ + Н₂О ‒ 21,2 °С відповідає критичній концентрації 22,4%. Мінімальне значення температури затвердіння для розчину хлористого кальцію СаСl₂ + Н₂O – 55 °С спостерігається за критичної концентрації 29,9%.

Дані про основні фізичні властивості розчинів хлористого натрію (рис. 3.13) й хлористого кальцію наведено в табл. 3.6.

Рис. 3.13. Рідкий розчин хлориту натрію 25%, 31% CAS 7758-19-2

У корозійному відношенні, водні розчини солей є ще більш активними, ніж льодяна вода. При цьому меншою корозійною активністю характеризуються розчини, що виготовлені на основі дистильованої води, ніж на основі водопровідної (в декілька разів). Наявність аніонів хлору за присутності катіонів заліза, міді надає холодоносіям-розсолам корозійних властивостей, за яких псуються деталі, що виготовлені з міді, латуні і навіть із нержавіючої сталі. Місця зварювання металів піддаються корозійному розтріскуванню. Тому в розсоли, крім основної солі, додають антикорозійні речовини-інгібітори, концентрація яких сягає декількох відсотків, а швидкість корозії зменшується до значень близько 0,1 мм/рік і менше.

Таблиця 3.6
Залежність температури затвердіння водних розчинів хлористого натрію та хлористого кальцію від масової концентрації солі у розчині
Відношення маси солі до маси розчину, ξ	Температура	затвердіння, 0С
	NaСІ	СаСl2
0,001	0	0
0,015	-0,9
0,029	-1,8
0,056	-3,5
0,059		-3,0
0,115		-7,1
0,175	-13,6
0,178		-14,2
0,231	-21,2
0,238		-25,7
0,263	0
0,266		-34,6
0,284		-43,6
0,299		-55,0
0,303		-50,6
0,312		-41,6
0,333		-37,1
0,347		-15,6
0,373		0

Самі розсоли та їх антикорозійні добавки можуть бути токсичними чи небезпечними для навколишнього середовища. Більшість з розсолів є рідинами безбарвними, що мало відрізняються від води. Тому для контролю їх витікання в навколишнє середовище в них додають різні барвники, частіше синтетичного походження.

Важливими характеристиками розсолів, інших холодоносіїв є їх в'язкість, теплопровідність, коефіцієнт тепловіддачі в режимах турбулентної чи ламінарної течій. Тому до розсолів часто додають речовини, що покращують ці їх характеристики. Наприклад, добавки високомолекулярних сполук полімерів лінійної структури (поліокс, поліакриламід) сприяють зниженню витрат енергії на тертя, підвищенню продуктивності насосів, пропускної спроможності трубопроводів. Під час збільшення концентрації поверхневоактивних речовин, концентрації солей та під час зниження температури спостерігається зменшення порогового значення чисел Рейнольдса (Rе), починаючи з яких має місце зменшення гідравлічних опорів. Із збільшенням числа Rе та концентрації добавки полімерів ефект зниження опору тертя зростає. Із зниженням температури розсолу ефективність добавки полімерів також значно зростає. Але коефіцієнти тепловіддачі розсолів з поверхневоактивними полімерними добавками до поверхні теплообміну зменшуються на 20%, що значно впливає на теплообмін у випарниках.

Таким чином, ідеальних холодоносіїв не існує, а їх вибір для холодильних установок, що реалізують ті чи інші холодильні технології, є не менш відповідальним, ніж вибір холодоагенту. Очевидна зміна складу (концентрацій різних компонентів) холодоносія, а відповідно і його теплофізичних властивостей, у процесі експлуатації холодильної установки, ‒ ще одна деталь, що ускладнює вибір холодоносія. Слід пам'ятати також, що конкретний компонент водного розчину (майбутнього холодоносія) має ту чи іншу чистоту, може мати домішки, отруйні чи небезпечні для навколишнього середовища.

Зазначені вище проблеми, якщо не звертати на них необхідної уваги, призводять до скорочення термінів роботи холодильного обладнання, збільшенню витрат на проведення профілактичних та ремонтних робіт, аж до припинення роботи холодильної установки в цілому. Найвагомішим тут стає погіршення якості чи псування продукції, що охолоджується, наприклад, за рахунок потрапляння в продукцію токсичних компонентів холодоносія.

У харчових виробництвах, найширшого застосування як холодоносії, знайшли розчини СаСl₂, МgСl₂, К₂СO₃, що достатньо економічні за прямими витратами. Але вони дуже агресивні по відношенню до конструкційних матеріалів і харчових продуктів, тому витрати, пов'язані з погіршенням якості продуктів, можуть у багато разів перевищити прямі втрати. У цьому плані має місце тенденція заміни цих холодоносіїв на інші, що забезпечують більшу надійність роботи холодильного обладнання, та вигідно відрізняються за санітарно-гігієнічними, токсикологічними властивостями. У першу чергу, до них відносять водяні розчини багатоатомних спиртів, таких як пропіленгліколь (пропандіол), етиленгліколь, гліцерин. Мають свої переваги і водні розчини метилового та етилового спиртів, аміаку. Але низка цих переваг поєднується з їх новим недоліком ‒ пожежною та вибуховою небезпечністю холодоносіїв.

	Етиленгліколь є отруйною рідиною, тому його використання в харчовій промисловості є небажаним, до того ж, він вважається небезпечним для навколишнього середовища (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Етиленгліколь

Розчин гліцерину має дещо більші значення динамічної в’язкості за низьких температур, під час його використання посилюються вимоги до вибору матеріалів ущільнень, гуми та пластмасових деталей.

Етиловий спирт пожежонебезпечний, має низьке значення температури кипіння за атмосферного тиску. Метиловий спирт не тільки пожежонебезпечний, але й отруйний, дуже небезпечний для здоров’я людей, тварин.

Пропіленгліколь ‒ безбарвна густа рідина зі слабким характерним запахом, змішується з водою та етиловим спиртом, має гігроскопічні властивості, використовується як харчова добавка. (рис. 3.15). Температурний діапазон використання водних розчинів пропіленгліколю як теплохолодоносія від мінус 50 °С до 107 °С. У харчових виробництвах, цей холодоносій виявився конкурентоспроможним у діапазоні температур від мінус 20 °С до мінус 1 °С.

Рис. 3.15. Пропіленгліколь

У нашій країні ринок проміжних холодоносіїв представлений холодоносіями на основі неорганічних солей і гліколей. У той же час, за кордоном успішно впроваджуються холодоносії нового покоління на основі органічних солей: ацетату й форміату калію, чудові властивості яких дозволили різко розширити сферу застосування систем охолодження із вторинним контуром.

Ацетат (СН₃С0₂К) та форміат (НСООК) калію за різними даними також є небезпечними для здоров'я людей. Перший з них може навіть використовуватись як харчова добавка. Вони є біорозпадими речовинами в навколишньому середовищі, мають вигідні корозійні властивості відносно сталі, алюмінію, бронзи, але несумісні з цинком, гальванічними покриттями тощо.

Водні розчини солей, рідин типу спиртів характеризуються високою корозійною активністю. Найінтенсивніша корозія спостерігається у відкритих системах, де досягається висока насиченість киснем, особливо біля границь розділу: «водний розчин ‒ повітря». Алюміній піддається сильній корозії у слабких та концентрованих розчинах хлориду натрію. Але швидкість корозії міді, бронзи, алюмінієвих сплавів у цілому не дуже велика ‒ приблизно сота частка мм/рік. На швидкість корозії впливає рН розчину, у лужних розчинах швидкість корозії менша (рекомендуються розчини з рН не більше 8,5÷10). Високі значення рН мають водні розчини ацетату та карбонату калію. Хлорид калію та солі магнію можуть зіпсувати харчові продукти, а хлорид кальцію ‒ пошкодити стравохід, шлунок людини. Як антикорозійні добавки, у водних розчинах солей використовують бензотріазол, толілтріазол, буру, алкосилікати, хромати, фосфати, поліфосфати, карбонат натрію, мелясу тощо. Ці добавки часто є дорогими і здебільшого багато з них – токсичні. Але натуральні антикорозійні добавки мають очевидні переваги, особливо в системах охолодження харчової сировини. У цьому плані залишається актуальним застосування таких холодоносіїв, як «кальтонат» і «кальтозин».

Кальтонат ‒ нетоксична, безбарвна, з жовтим відтінком рідина, що є водним розчином хлористого натрію, у який додані меляса (кормова патока, близько 0,81%) та оксид кальцію (0,15%). Зниження швидкості корозії тут досягається за рахунок хімічної взаємодії цукру, що є у мелясі, з оксидом кальцію. Кальтонат використовують як холодоносій у розсільних системах охолодження, де на виході з випарника необхідно мати температури не нижче -12 °С.

Кальтозин ‒ нетоксична, безбарвна рідина, що одержує жовтувате забарвлення від продуктів корозії сталі. Цей холодоносій є водним розчином: хлористого кальцію з добавками меляси (близько 0,72%, можливо, рафінадної патоки, цукру-піску чи цукру-рафінаду), оксиду кальцію (близько 0,18%). Швидкість корозії сталі становить приблизно 0,06 мм за рік, що у 5–6 разів менше, ніж під час використання чистого розчину хлористого кальцію. Кальтозин використовують як холодоносій у низькотемпературних розсільних системах охолодження, де на виході з випарника необхідно мати температури, не нижче -50 °С.

У низькотемпературному режимі, де робочий діапазон температур може досягати -50 °С, холодоносіїв, які можна було б порівняти за властивостями з форміатними та ацетатними, на сьогоднішній день немає. При цьому, за в’язкістю й теплопровідністю форміатні холодоносії перевершують ацетатні, що робить форміати більш кращими за теплофізичними характеристиками.

Зіставлення холодоносіїв, що працюють до -33 °С, підтверджує перевагу ацетатів та форміатів, їх теплофізичні характеристики порівняні з широкорозповсюдженим хлоридом кальцію. Пропіленгліколеві склади мають найгірші показники і їхнє застосування різко звужено як через високу в'язкість, так і через незадовільні теплоємності та теплопровідності.

Аналогічна картина спостерігається під час порівняння холодоносіїв з робочою температурою не вище -20 °С. Недоліки пропіленгліколя зберігаються, але не носять критичного характеру, і тому його застосування доцільно за умови відсутності альтернативних холодоносіїв на основі ацетатів або форміатів.

Інгібітори корозії, розроблені для холодоносіїв «НОРДВЄЙ-ХН» і «НОРДВЄЙ-ПРО», не тільки забезпечують надійний захист усіх конструкційних матеріалів, але й надають їм певний запас міцності, що дозволяє використовувати їх як концентрати для готування розчинів у широкому діапазоні робочих температур від -60 до 0 °С.

Порівняння систем охолодження з проміжним холодоносієм та систем безпосереднього охолодження киплячим холодоагентом не коректне, бо вони не є альтернативними, використовуються часто для реалізації суттєво різних технологічних та екологічних цілей. Але виключно в технічному плані переваги систем із проміжним холодоносієм такі: менша витрата суцільнотягнених труб, тому що розсільні батареї виготовляються із шовних труб: такі системи мають значно більшу акумулювальну здатність, вони простіші для вирішення задач регулювання з використанням більш простої та повної автоматизації охолоджувальної системи. Такі системи більш надійні в експлуатації, менш небезпечні у разі аварії, бо мають відносно меншу місткість холодоагенту; відсутність можливості витікання холодоагенту безпосередньо в об’єкт охолодження.

Серед недоліків систем із проміжним холодоносієм найчастіше відзначають такі:

– підвищена корозія трубопроводів, апаратури, арматури, теплообмінного обладнання (особливо у відкритих системах); – необхідність реалізації більш низьких температур кипіння холодоагенту у випарниках, де охолоджується холодоносій; – великі значення температурних напорів у випарниках; – додаткові витрати електроенергії на роботу насосів; – необхідність деякого додаткового обладнання (насоси, концентратори розсолу, випарник тощо); – підвищення металоємності охолоджувальної системи, збільшення площі машинного відділення; – небезпека псування продукту у разі аварійного витікання холодоносія в об’єкт охолодження.

3.2.3. Термодинамічні властивості розчинів

У холодильній техніці для абсорбційних холодильних машин застосовують розчини, що по суті є неазеотропними розчинами, що складаються в основному з двох компонентів із різними температурами кипіння.

Один із компонентів є холодильним агентом, інший ‒поглиначем робочої речовини, або абсорбентом. Компоненти розчину відрізняються нормальними температурами кипіння. Найпоширенішими є водоаміачний розчин і розчин бромистого літію у воді.

Є розчини, що складаються з інших пар, проте промислового застосування вони ще не одержали. Різниці температур кипіння холодоагенту та абсорбенту мають бути якомога більшими. Тоді висококиплячий компонент буде практично нелетючим і під час кипіння із розчину не буде випаровуватись. Сумісне випаровування компонентів ускладнює схему холодильної машини та знижує її термодинамічну ефективність.

Поряд із іншими параметрами стан розчину характеризується його складом. До загальноприйнятих відносяться масова і мольна долі. Масовою долею чи масовою концентрацією компонента, що входить у розчин, називається відношення його маси до маси розчину.

3.2.4. Вимоги, які ставляться до холодоносіїв

У холодильній техніці холодоносії застосовуються в установках, на яких небажано безпосереднє охолодження за допомогою холодильного агента.

	Холодоносії повинні мати:
– низьку температуру замерзання;
– велику теплоємкість і теплопровідність;
– малу в’язкість і густину;
– хімічну нейтральність по відношенню до металів і ущільнювальних матеріалів;
– нешкідливість і безпечність;
– невелику вартість.

3.2.5. Галузі використання холодильних машин із проміжними холодоносіями

Найдоступнішим холодоносієм є вода, але внаслідок високої температури замерзання (t_зам.=0 °С) має обмежене застосування, тому використовується в установках кондиціювання повітря (рис. 3.16) і в технологічних процесах.

Рис. 3.16. Охолодження молочних продуктів за рахунок повітроохолодників

	Охолодження за рахунок повітроохолодника Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=gU9xtgE1nIY

	Для температур нижче 0 °С як холодоносій використовують водні розчини солей:
– хлористого натрію NaCl;
– хлористого кальцію CaCl2;
– хлористого магнію MgCl2.

Фізичні властивості розсолів залежать від концентрації в них солі.

За визначеної концентрації, яка називається кріогідратною, або евтектичною точкою (точка К), розчин має найнижчу температуру замерзання (t_зам) і називається евтектичним (легкоплавким).

	Найнижча температура замерзання складає для солей:
NaCl tзам= -21,2 ^⸰С за концентрації 23,1%; CaCl2 tзам= -55 ^⸰С за концентрації 29,9%; MgCl2 tзам= -33,6 ^⸰С за концентрації 27,6%.

Під час вибору холодоносія орієнтуються на розрахункову температуру кипіння холодильного агенту у випарнику і на тип самого випарника. Так температура початку замерзання холодоносія має бути нижче температури кипіння холодильного агенту в панельному випарнику на 5‒6 °С, а в кожухотрубному на 8 °С. Як холодоносій дуже часто використовується повітря.

Кондиціювання повітря ‒ це створення і автоматична підтримка (регулювання) в закритих приміщеннях всіх або окремих його параметрів (температури, вологості, чистоти, швидкості руху повітря) на певному рівні для забезпечення оптимальних метеорологічних умов, найсприятливіших для самопочуття людей або ведення технологічного процесу.

Кондиціонування повітря здійснюється комплексом технічних засобів, званим системою кондиціонування повітря. До складу систем кондиціонування входять технічні засоби забору повітря, підготовки, тобто додання необхідних кондицій (фільтри, теплообмінники, зволожувачі або осушувачі повітря), переміщення (вентилятори) і його розподілу, теплопостачання, автоматики, дистанційного керування і контролю.

Рис. 3.17. Експлуатація побутових кондиціонерів
Рис. 3.18. Холодильні камери для зберігання фруктів та овочів
Рис. 3.19. Холодильні камери для зберігання м’яса
Рис. 3.20. Холодильна камера для зберігання ковбасних виробів

	Питання для самоконтролю
1. Що таке холодоносії? 2. Охарактеризуйте основні холодоносії. Вкажіть переваги та недоліки холодоносіїв? 3. Вкажіть термодинамічні властивості розчинів? 4. Вкажіть вимоги до холодоносіїв? 5. Які холодоносії використовуються в холодильній техніці? 6. Які водні розчини солей використовують як холодоносій?

Попередня тема

На початок

Наступна тема