СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕДЯНОЙ ШУГИ
METHOD OF PRODUCING ICY SLUSH

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к способам получения льдосодержащих пульп или суспензий, и может быть использовано для охлаждения и консервации рыбного сырья непосредственно на судах в районе промысла, на молочных фермах для охлаждения молока, а также в прицеперерабатывающей промышленности, например, охлаждение тушек кур после забоя, а также при производстве колбасных изделий.
Наиболее полно этим требованиям отвечает обыкновенная ледяная вода - для получения быстрого охлаждения охлаждаемого продукта ее температура должна быть максимально низкой, т.е. иметь температуру, близкую к температуре замерзания. Однако с технической точки зрения получение ледяной воды с температурой 0,5°C - 1°C - довольно сложная задача.
Широко используемые проточные герметичные кожухотрубные и пластинчатые теплообменники при получении ледяной воды имеют ограниченное применение. Это обусловлено опасностью из разрушения при достижении отрицательных температур кипения и замерзании ледяной воды внутри контура теплообменника. Поэтому широкое использование при получении ледяной воды получили открытые теплообменники.
Наиболее простой тип открытого теплообменника - испаритель, выполненный в виде трубы, погруженной в бак. Кипящий внутри трубы хладагент охлаждает находящуюся в баке жидкость. Для интенсификации теплообмена жидкость в баке принудительно перемешивают либо с помощью механической мешалки, либо с помощью воздуха, которую подают в нижнюю часть бака. Такой способ получения ледяной воды позволяет также накапливать определенное количество «холода» в виде льда, который намерзает на поверхности испарителя.
Пленочные испарители - являются панельными испарителями, в которых охлаждение ледяной воды до температур, близких к нулевым, достигается в процессе стекания тонкого слоя ледяной воды по поверхности испарителя. Вода подается в распределительный бак, расположенный над батареей пленочных испарителей. Из распределительного бака вода равномерно подается на вертикально расположенные панели, имеющие отрицательную температуру.
Тонкий слой воды, стекающей по поверхности панели, образует водяную пленку, и при этом интенсивно охлаждается. Охлажденная вода стекает в бак-аккумулятор для последующей подачи к потребителям. Температура ледяной воды на выходе из пленочного испарителя колеблется в пределах 0,5°C - 2,0°C. Наиболее часто пленочные испарители применяются в системах с постоянной нагрузкой в течение всего цикла работы оборудования.
Недостатком большинства эти способов получения ледяной воды является их высокая металлоемкость и цикличность получения ледяной воды.
В последние годы активно развиваются нетрадиционные способы получения ледяной воды, которые позволяют получать ледяную суспензию или пульпу. Однако правильнее называть смесь воды и твердых частиц льда шугой, поскольку это два разных агрегатных состояния одного и того же вещества - воды.
Известен способ получения льдосодержащей суспензии, согласно которому солевой раствор охлаждают до выделения водного льда на внутренней поверхности генератора-испарителя, выполненного в виде горизонтальной цилиндрической трубы, с наружной стороны которой насосом прокачивают хладагент, имеющий температуру ниже точки кристаллизации раствора. Образовавшийся водный лед с помощью шнека удаляют с поверхности теплообмена в резервуар-накопитель. В резервуаре-накопителе измельченный лед смешивается с жидкой фазой исходного раствора до состояния льдосодержащей пульпы, которую затем перекачивают насосом в резервуар хранения [Bel О., Lallemand А., 1999, Etude d′un fluide frigoporteur diphasique - 2: Analyse  du comportement thermique et , International Journal of Refrigeration, vol. 22, pp. 175-187].
Основным недостатком указанного способа является то, что слой льда, выделяющийся на теплообменной поверхности генератора-испарителя, представляет собой термическое сопротивление, которое препятствует прохождению теплового потока от кристаллизующегося раствора к хладагенту. Устройство, удаляющее лед с поверхности теплообмена, имеет ограниченный ресурс работы, т.к. лед обладает высокой прочностью и шероховатостью. К тому же вращение устройства требует энергии, достигающей по величине 10% от энергии, необходимой для привода компрессора холодильной установки, которая отводит теплоту от кристаллизующегося раствора.
Известен также способ получения льдосодержащей пульпы путем охлаждения морской воды до образования водного льда. Водный лед вымораживают на вертикальной поверхности генератора-испарителя, выполненного в форме плиты и имеющего температуру ниже криоскопической точки раствора. После образования на поверхности плиты испарителя тонкого слоя водного льда кипение хладагента в испарителе прекращается и в полости испарителя подают горячий пар, что приводит к падению слоя льда в резервуар-накопитель. В резервуаре-накопителе лед разрушается устройством механического типа и смешивается с жидкой фазой исходного раствора до состояния льдосодержащей пульпы, после чего пульпу перекачивают насосом в резервуар хранения («А METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING HOMOGENOUS FLUID ICE». WO/2004/081469. Дата приоритета 10.03.2003. Авторы: ARNASON, Ingolfar; SIMONSSEN, Johannes; KRISTJANSSON, Theodor).
Недостатком указанного способа являются высокие удельные энергозатраты на получение льдосодержащей пульпы. Устройство механического типа для разрушения льда и смешивания его с жидкой фазой исходного раствора до состояния пульпы сложно в эксплуатации и имеет высокую стоимость, а также требует высоких энергетических затратах на свой привод, которые достигают 10% от холодопроизводительности компрессора.
2
Известен способ получения льдосодержащих суспензий, заключающийся в выделении твердой фазы из находящейся под вакуумом воды или водных растворов различных солей (NaCb, CaCl), и послойном намораживании отдельных порций жидкой фазы (Маринюк Б.Т. Вакуумно-сублимационная установка для получения водного льда. - Холодильная техника, 2008, №3, с. 36).
Автор способа выделяет его основное преимущество перед традиционными: «образование льда идет практически на поверхности раздела вода-пар и термосопротивление слоя водяного льда не оказывает отрицательного влияния на интенсивность его образования». Однако повышенное термическое сопротивление тепловому потоку приводит к необходимости увеличивать температурный напор между средами, участвующими в теплообмене, что влечет за собой повышение расхода энергии.
2
Известен патент РФ №2475684 « Способ получения льдосодержащей пульпы», автор Лапшин В.Д. В нем льдосодержащую пульпу получают путем охлаждения морской воды до образования пульпы, при введении в морскую воду жидкого CO в соотношении 1:1,6 при температуре минус 2°C под давлением 3,3 МПа, с последующим ее отводом при снижении давления до 0,1 МПа в резервуар хранения. Способ является очень перспективным, однако он может реализовываться только для заданного объема ледяной воды, т.е. недостатком этого способа является его цикличность.
Одним из направлений получения ледяной воды является замораживание распыляемых капель воды в потоке воздуха или испаряющегося хладагента с низкой температурой. Такой способ получения потока ледяных гранул описан в патенте на изобретение №2077683 авторов Булимова В.А. и др., дата публикации 20.04.1997 г. Он предусматривает смешивание газового потока и струй хладагента с частичным его испарением и распыление жидкости в виде факела мелкодисперсных капель. Смесью первых двух компонентов обдувают факел третьего компонента с образованием потока ледяных гранул. Недостатком способа является его аэродинамический шум.
В качестве прототипа предлагаемого авторами решения выбран патент SU №1483211 А1, опубл. 30.05.1989 г., авторов С.К. Дыменко и др. «Способ получения ледяной шуги», МКИ F25C 1/16. Данный способ получения ледяной шуги включает охлаждение воды за счет испарения ее паров с открытой поверхности в условиях вакуума, десублимации паров жидкости на поверхности охлаждаемого десублиматора, удаление льда с поверхности десублиматора за счет создаваемой вибрации и перемешивание образующейся шуги мешалкой для повышения равномерности фазового состава в шуге. Данный способ вследствие ряда недостатков имеет ограниченную область применения, в основном в периодически работающих экспериментальных установках, где вопросы энергоэффективности и шумовые характеристики не играют решающей роли. Основным недостатком способа-прототипа является низкая энергетическая эффективность получения шуги, поскольку в способе ее получения используются вакуумные насосы для поверхностного охлаждения воды, что требует применения мощных вакуумных насосов, а как известно, вакуумные насосы всегда характеризуются высоким энергопотреблением. Другой недостаток способа - повышенный шум от работы вибраторов. Кроме того, использование механической мешалки не позволяет получать высокую однородность шуги.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, получение ледяной шуги с мелкими равномерными кристаллами льда, а также повышение энергетической эффективности и снижения уровня шума при реализации предложенного способа.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения ледяной шуги, включающем охлаждение воды, осуществляют предварительное охлаждение потока воды до температуры, близкой к температуре ее замерзания, последующее охлаждение потока воды до температуры ниже 0°C осуществляют в каналах теплообменника из немагнитного материала с воздействием при этом на поток охлаждаемой воды магнитным полем вдоль всей длины канала, при этом скорость потока воды в каждом канале из немагнитного материала выбирают из соотношения
где:
W - скорость движения воды, м/с,
l - размер охлаждаемого канала, м,
µ - коэффициент динамической вязкости воды, Па·с,
3
ρ - плотность воды, кг/м,
Re - критерий Рейнольдса, равный 2300.
В основе предложенного способа используются результаты исследования японских ученых и изобретателей Норио Осада и Курита Сатору, полученные при исследовании неподвижных жидкостей. В 2006 году эти японские изобретатели, работающие в области заморозки продуктов питания, получили российский патент №2 279 407 «Способ быстрого замораживания и установка быстрого замораживания», МКП F25D 13/00, A23L 3/36, патентообладатель компанией ABI Limited (Япония). Эта технология описана, кроме самого патента, в статье «CAS-замораживание - фантастика или реальность?», журнал Холодильный бизнес, №2, 2009 г., с. 12-16, в статье «От сохранности продуктов к сохранности органов человека… Революционная система заморозки - Cells Alive System совершенствуется» в журнале Холодильный бизнес, №8, 2011 г., с. 10-12, в статье «CAS-заморозка сохраняет людям зубы. На очереди другие органы» в журнале «Холодильный бизнес», №8, 2013 г., с. 22-24., а также в зарубежных журналах Journal of Criobiology, Forbes Magazine и Journal of Biomedical Research.
Компания ABI разработала способ замораживания продуктов питания, который меняет физику самого процесса. Японские авторы предложили использовать для этого традиционное воздействие холодной среды на продукт при одновременном воздействии на продукт с содержанием воды электромагнитного поля. Использование электромагнитных колебаний приводит молекулы воды во вращение вокруг собственной оси (в отличие от вибраций, как в микроволновой печи), что предотвращает их кластеризацию (сращивание) и формирование кристаллов льда, повреждающих клеточные стенки. Это вращение молекул также снижает температуру замерзания воды примерно до -7°C. Когда продукт, в том числе и вода, достигнет этой температуры, электромагнитное поле отключается и промерзает насквозь почти мгновенно. На международных выставках, в статьях и видеороликах авторы демонстрировали, как предложенные ими способ заморозки предотвращает образование кристаллов льда при заморозке стеклянной бутылки, наполненной водой. Уровень воды остался неизменным, стекло целым, а вода чистой. При этом технология CAS использует на 30% меньше энергии, чем обычные морозильные камеры, и действует в несколько раз быстрее, в зависимости от типа продукта. Однако авторы охлаждают только неподвижный фиксированный объем жидкости, находящийся в охлаждаемом продукте, ограниченный стенками холодильной камеры. При этом продукт в холодильную камеру закладывается с температурой, существенно выше температуры замерзания воды.
Проведенные патентные исследования показали, что совокупность отличительных признаков, характеризующих предлагаемое техническое решение, авторам неизвестна, что позволяет сделать вывод о соответствии способа получения ледяной шуги критерию «существенные отличия».
Технический результат при использовании предложенного способа охлаждения жидкой среды достигается за счет того, что в отличие от существующих в настоящее время аналогичных способов он обладает следующими положительными свойствами:
- предварительное охлаждение воды до температуры, близкой к точке замерзания, позволяет уменьшить размеры теплообменника с охлаждаемыми каналами и снизить затраты энергии на создание магнитного поля. Количество холода, необходимого для охлаждения воды ниже ее точки замерзания, будет точно соответствовать охлаждению потока воды от +1°C до минус 7°C (фактически это предельная температура, до которой можно охладить воду в магнитном поле без видимых кристаллов льда). Если охлаждать в этом теплообменнике воду с начальной температурой +18÷+20°C, то размеры теплообменника, расход энергии на создание магнитного поля вдоль охлаждаемых каналов, а также затраты холода на охлаждение воды до температуры минус 7°C возрастут в несколько раз;
- использование электромагнитных колебаний приводит молекулы воды во вращение вокруг собственной оси, что предотвращает их кластеризацию (сцепление друг с другом) и формирование кристаллов льда. Это вращение молекул искусственно снижает температуру замерзания воды примерно до -7°C. При этом, когда магнитное поле перестает взаимодействовать с водой, вода почти мгновенно промерзает. Поэтому на выходе из охлаждающих трубок магнитное поле прекращает воздействовать на воду и она превращается в мелкие кристаллы льда. Варьируя величиной магнитной индукции, скоростью потока охлаждаемой жидкости, а также конечной температурой, до которой охлаждается вода в охлаждаемых каналах (от -2°C до -7°C), на выходе из каналов можно получить ледяную шугу и с различным процентным соотношением доли воды и ее замороженных частиц так называемый «жидкий лед».
- выбор скорости потока жидкой среды из указанного соотношения создает в охлаждаемых каналах гарантированное турбулентное течение жидкости, что резко увеличивает по сравнению с ламинарным потоком коэффициент теплоотдачи от материала охлаждающих каналов к охлаждаемой воде, что в свою очередь снижает энергетические затраты на охлаждение жидкости, например, потребуется меньшая холодопроизводительность системы.
Практическую реализацию предлагаемого способа рассмотрим на примере получения ледяной шуги для охлаждения молока в пунктах приема его на молочных фермах.
На фиг. 1 схематично изображена реализация предложенного способа получения ледяной шуги, где цифрами обозначены:
1 - теплообменник из немагнитного материала
2 - охлаждаемые каналы
3 - патрубок входа воды
4 - патрубок входа хладагента
5 - патрубок выхода хладагента
6 - генератор магнитного поля
7 - шугообразная ледяная вода
8 - молокоохладитель
9 - емкость для охлаждаемого молока.
Предложенный способ реализуется следующим образом. Охлаждаемая вода с температурой +2÷+1°C поступает в теплообменник 1 из немагнитного материала, например меди, с охлаждаемыми каналами 2 через патрубок входа воды 3. Каналы 2 охлаждаются парожидкостной смесью хладагента, например, фреона R 507, поступающей в теплообменник 1 с температурой -10÷12°C через патрубок входа хладагента 4 и выходящей с температурой минус 5°C÷-7°C через патрубок выхода хладагента 5. Вокруг боковой поверхности теплообменника 1 из немагнитного материала установлен генератор магнитного поля 6, воздающий внутри теплообменника 1 магнитное поле с величиной индукции 1500-2000 Гс. Поток воды с температурой +2÷+1°C, поступая в охлаждаемые фреоном каналы 2, охлаждается ниже точки замерзания, при этом под воздействием магнитного поля вода, протекающая по каналам 2, переходит в сверхохлажденное состояние, так называемую «связанную воду». Температура образования кристаллов в такой воде в магнитном поле определенной интенсивности может опускаться до минус 7°C. Вода, после прохождения по каналам 2 в электромагнитном поле, охлаждается до температур около минус 5÷6°C и после выхода из теплообменника 1 и прекращения воздействия на нее магнитного поля начинает терять свойства сверхохлажденного состояния и превращается в шугообразную ледяную воду 7, состоящую из мелких кристаллов льда и воды. Эта шугообразная масса 7 поступает в молокоохладитель 8, где охлаждает емкость для охлаждаемого молока 9 до необходимой для хранения и перевозки молока температуры +2÷+4°C.
<mrow><mi>W</mi><mo>></mo><mfrac><mrow><mi>Re</mi><mtext> </mtext><mo>⋅</mo><mi>μ</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>μ</mi><mi>ρ</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>W</mi><mo>></mo><mfrac><mrow><mi>Re</mi><mtext> </mtext><mo>⋅</mo><mi>ν</mi></mrow><mi>d</mi></mfrac></mrow>
-6
2
3
3
Учитывая, что суммарный коэффициент теплоотдачи от фреона к охлаждаемой воде в каналах при ламинарном течении будет ниже, чем при турбулентном (это известно из теории теплообмена), расход воды для теплообменника 1 выбирают исходя из условия, чтобы в каждом охлаждаемом канале соблюдался турбулентный режим течения воды. Тогда из соотношения
, задав внутренний диаметр d охлаждающего канала равным 0,02 м, определим значение минимальной скорости движения жидкости, которое гарантирует турбулентный режим течения жидкости. Учитывая соотношение динамической µ и кинематической вязкости ν, определяемое формулой
, минимальная скорость течения воды в охлаждаемом канале определяется из соотношения
. Кинематическая вязкость ν воды вблизи температуры замерзания будет равна ν=1,78×10 м/c, тогда значение скорости течения воды в канале должно быть не менее w=0,4 м/c. Исходя из этой скорости определяем расход воды в одном канале по формуле Q=F·W и получаем расход через один канал 125 см/с. По паспорту на молокоохладитель требуется гарантировать расход не менее 4 м/ч. Тогда получаем, что для обеспечения данного расхода при указанной скорости потребуется не менее 10 каналов.
Таким образом, основным преимуществом предложенного способа получения ледяной шуги является предельно-возможная равномерность получаемых ледяных гранул, отличающихся малым размером, что обеспечивается воздействием магнитного поля на молекулы воды, не давая им группироваться в большие кластеры. Способ практически бесшумен в работе, что является важным преимуществом при использовании его в технологических цехах с присутствующим рабочим персоналом, что нельзя сказать о способах получения ледяной шуги с использованием различного вида вихревых труб и механических скребковых механизмов. Важными достоинствами предложенного способа является его энергоэффективность за счет принудительного создания турбулентного потока воды в охлаждаемом канале.
Кроме того, реализация данного способа позволяет создавать компактные, простые и надежные устройства для получения ледяной шуги в различных отраслях пищевой и промышленной индустрии.