Peculiarities of obtaining ice water using bulk ice accumulators

Abstract

Ice water is widely used as an intermediate cooling medium in food processing plants.
There are no alternatives to such a cheap and proven medium yet. As for methods and equipment to produce ice water, there have been many recent changes and improvements. Refrigeration stations for ice water production in ice storage tanks with bulk ice, introduced into the Russian industrial refrigeration market by "FABS Engineering", should also be attributed to the innovations.

Full Text

Самый простой и широко распространенный способ охлаждения воды до низких температур в теплообменнике (в современном исполнении - пластинчатом) связан с опасностью ее замерзания в каналах. Это может привести к выходу из строя теплообменника вплоть до разрушения. Основная причина - колебание расхода воды через теплообменник из-за нестабильного ее потребления, а также сбои в работе насосов и другого технологического оборудования. Поэтому к непосредственному охлаждению воды в теплообменнике до требуемой температуры чаще всего прибегают, когда охлаждаемый поток более или менее постоянен или колебания расхода незначительны и не могут привести к катастрофическим последствиям. Как правило, таким методом воду охлаждают до 4°С.

Тем не менее существуют установки для охлаждения жидкостей, обеспечивающие понижение температуры воды в теплообменнике до 2°С. Достигается это усложнением системы автоматического регулирования, обеспечивающей синхронность изменения расхода охлаждающей среды с изменением расхода воды. Однако в данном случае трудно достигнуть оптимальных режимов теплообмена и кроме того, удорожается холодильная установка.

Для прямого охлаждения постоянных или маломеняющихся потоков воды фирма ООО «ФАБС Инжиниринг» предлагает холодильные установки с пленочными панельными теплообменниками. В таких теплообменниках расстояние между панелями, по внешним поверхностям которых тонкой пленкой стекает вода, составляет порядка 5 см. В них нет узких замкнутых каналов и существенно снижен риск размораживания, что позволяет обойтись обычными средствами автоматического регулирования. Более того, пленочные панельные испарители могут работать и при образовании на них небольшой корки льда, которая при нормальной тепловой нагрузке смывается водой, и теплообменник переходит в оптимальный режим работы. В таких установках достигается температура охлаждения воды от 0,5 до 1,5°C.

Льдогенератор в период аккумуляция льда

Льдогенератор в период оттайки и сбрасывания льда

Однако получение ледяной воды с использованием приведенных способов и оборудования малоэффективно в случае, если потребность в холоде сильно изменяется в течение суток. Например, при переработке молока максимальные тепловые потоки наблюдаются в течение всего лишь нескольких часов в сутки. Холодильное оборудование, подобранное по максимальной нагрузке, требует существенных капитальных затрат, но работает большую часть времени с неполной нагрузкой.

Указанный недостаток исключается при получении ледяной воды с использованием аккумуляторов холода (льдоаккумуляторов). В этом случае требуемая холодопроизводительность оборудования выбирается не по максимальной тепловой нагрузке, а составляет 50-60% от нее. В периоды небольших тепловых нагрузок избыточная холодопроизводительность расходуется на аккумулирование холода в виде льда, намораживаемого на холодоотдающих поверхностях испарителя. Когда же тепловые потоки возрастают и холодопроизводительности оборудования становится недостаточно для охлаждения поступающего потока воды до требуемой температуры, недостаток холода восполняется таянием льда.

Традиционные аккумуляторы холода представляют собой бак-аккумулятор с водой, в которую погружены испарительные секции и активатор, обеспечивающий непрерывное движение воды вдоль испарительных секций. С помощью подобных конструкций удается получать ледяную воду с температурой порядка 0,5...1°С. Однако в большинстве известных в практике случаев, когда на выбор размеров аккумулятора холода оказывают влияние многие другие факторы (прежде всего так называемая экономическая целесообразность), в периоды значительного возрастания тепловой нагрузки температура воды на выходе из таких аккумуляторов повышается до 4°С, а в отдельных случаях и более, при том, что на панелях еще остается слой льда. Причина повышения температуры - малая скорость омывания водой льда, намороженного на испарителях, недостаточная поверхность контакта жидкости со льдом, низкая теплоотдача в погруженных испарителях, что не обеспечивает таяния нужного количества монолитного льда в периоды пиковой тепловой нагрузки.

Последний недостаток отсутствует у льдоаккумуляторов с насыпным льдом, у которых над теплоизолированной емкостью установлены пленочные теплообменники-льдогенераторы. На внешнюю поверхность панелей-испарителей этих теплообменников из ванны подается вода. Стекая тонкой пленкой по панелям испарителя, она замерзает и образует ледяную корку. Когда толщина намороженного льда достигает 6...8 мм, в испарители подается горячий газ, ледяная корка отделяется от поверхности испарителя и падает в бак-аккумулятор. При падении ледяные пластины разбиваются на небольшие осколки, которые накапливаются в баке-аккумуляторе. Благодаря этому даже при небольшой скорости обтекания льда водой теплообмен осуществляется на очень большой поверхности льда, в результате чего получается ледяная вода с температурой, не превышающей 0,5...0,6°С при максимальных тепловых нагрузках, и 0,2°С в периоды пониженных тепловых нагрузок.

Льдоаккумуляторы с насыпным льдом не только сглаживают зависимость температуры воды от тепловых нагрузок, они еще и экономичнее льдоаккумуляторов с погруженными в воду испарителями, намораживающими лед до толщины 40...50 мм. Это существенно затрудняет теплопередачу между испарителем и водой, омывающей лед, что приводит к снижению холодопроизводительности.

В пленочных теплообменниках-льдогенераторах толщина намораживаемого льда достигает лишь 5...8 мм, после чего он сбрасывается в бак-аккумулятор, что обеспечивает работу холодильных машин в оптимальном режиме в течение всего процесса накопления льда.

Особенностью молокоперерабатывающих предприятий является то, что аккумуляция холода происходит в ночной период, когда тепловые нагрузки и холодопотребление минимальны. Утром, с началом переработки поступающего молока, тепловые нагрузки и потребность в холоде резко возрастают. Однако передача холода через обросшие ледяной шубой погруженные панели испарителей традиционных льдоаккумуляторов в этот момент минимальна (за ночь в процессе аккумуляции холода лед на испарителях намораживается до максимально возможной толщины). Соответственно и холодопроизводительность установки тоже будет использоваться по минимуму, и тепловая нагрузка, которую можно было бы снять действующей холодильной установкой, будет компенсироваться за счет таяния накопленного льда. Полноценное подключение холодильной установки к процессу непосредственного охлаждения поступающей в льдогенератор воды практически произойдет только при значительном уменьшении толщины слоя льда. Если же использовать для охлаждения молока установки с насыпными льдоаккумуляторами, то в них образующаяся ледяная корка сбрасывается постоянно. По этой причине при полностью заполненном льдом насыпном льдоаккумуляторе в момент появления пиковых нагрузок все холодильное оборудование установки сразу включается в номинальный режим работы. Другими словами, холодильные установки с насыпными льдоаккумуляторами имеют больший коэффициент загрузки оборудования. Это позволяет при заданной холодопроизводительности установки накапливать большее количество льда, а накопления требуемого количества льда достигать с использованием установки меньшей мощности.

В настоящее время все острее встает вопрос экономии эксплуатационных затрат. В этой связи хотелось бы напомнить о таком хорошо известном, эффективном и легкореализуемом способе экономии, как использование льготного ночного тарифа оплаты электроэнергии. Он прекрасно подходит для холодильных установок с аккумуляторами холода. Оптимальный график работы холодильной установки в этом случае, как показывает зарубежный опыт, - это 12 ч работы в режиме накопления льда (в ночное время) и 12 ч работы в режиме охлаждения воды при таянии накопленного льда (без зарядки льдогенераторов).

Однако использование ночного тарифа оплаты электроэнергии неэффективно для холодильных систем с льдоаккумуляторами в виде погруженных панелей. В то время, когда нужно максимально быстро превратить дешевую электроэнергию в лед, компрессоры (т.е. электропотребители) холодильных установок с традиционными льдогенераторами по мере обрастания льдом погруженных испарителей будут ступенчато или полностью отключаться. В насыпных льдоаккумуляторах подобные проблемы не возникают. Отключение компрессоров в этом случае производится только при заполнении бака- аккумулятора льдом. При этом стоимость выработки 1 кг льда снижается не только из-за уменьшения стоимости электроэнергии, но и благодаря увеличению холодопроизводительности насыпного льдогенератора на 10-15% в связи со снижением температуры воздуха ночью.

Кроме того, на молокоперерабатывающих предприятиях, где начало пика тепловых нагрузок приходится на 7-8 ч утра, накопление льда в льдоаккумуляторе должно начинаться минимум за 4 ч до вступления в действие ночного тарифа (23.00-7.00). Поэтому к 23.00 погруженные панели традиционного льдоаккумулятора успеют обрасти достаточно солидной ледяной шубой, т.е. возможность намораживания льда с использованием ночного тарифа оплаты электроэнергии к этому моменту уже будет ограничена.

По этим и по некоторым другим причинам применение холодильных установок с насыпными льдоаккумуляторами представляется более перспективным. И если сегодня трудно найти финансирование на полнофункциональную холодильную станцию (холодопроизводительность установки с оптимизацией по использованию ночного тарифа оплаты электроэнергии должна быть больше 50-60% от необходимой для компенсации максимальной тепловой нагрузки), то сегодняшний выбор правильного направления развития позволит в последующем простой модернизацией приобретенного оборудования повысить его характеристики и конкурентоспособность.

Правильно сориентироваться в подобных вопросах непросто. Если возникла проблема выбора оборудования для решения стоящих перед вашим предприятием задач, в «ФАБС Инжиниринг» помогут найти наиболее подходящее вам решение.