Vacuum evaporative cooling: features and prospects

Full Text

Особенности воды и водных растворов солей (низкое давление кипения при рабочих температурах, большие объемы образующихся при этом паров) не позволяют использовать для сжатия их паров существующий парк холодильных компрессоров. Поэтому в вакуумно-испарительных холодильных установках, работающих на таких хладагентах, целесообразно применять быстроходные механические вакуум-насосы ротативного действия как наиболее приспособленные для подобных условий. Схема подобных холодильных установок при этом существенно упрощается, так как охлаждаемое вещество (или продукт) служит одновременно и хладагентом.

Вакуумно-испарительная холодильная установка состоит из двух блоков. Первый блок представляет собой герметичный резервуар (охладитель жидкости, который является в то же время и испарителем). Второй блок это насосно-конденсаторный агрегат, включающий основной вакуум-насос ротативного действия, водяной конденсатор и вспомогательный вакуум-насос, скорость откачки которого много ниже, чем основного [2]. Вакуумная откачка водяного пара из герметичного резервуара создает условия для кипения жидкости, что приводит к ее охлаждению, вплоть до температуры замерзания. Охлаждение жидкости по стадиям хорошо иллюстрируется диаграммой р т (рис. 1). В стадии I процесса давление в паровом пространстве герметичного резервуара понижается до давления насыщенных паров при начальной температуре залитой в него жидкости. В этой стадии активно выделяются в паровое пространство растворенные в жидкости газы, а пары откачиваются только вспомогательным насосом. В стадии // упругость насыщенных паров уменьшается, температура охлаждаемой жидкости падает, а пары откачиваются главным образом основным насосом. Стадия III характеризуется замерзанием жидкости при постоянной упругости паров над льдом. В стадии IV температура массива льда понижается вследствие дальнейшего уменьшения упругости насыщенных паров влаги над льдом. Для охлаждения жидкости используют первые две стадии.

 

Рис.1 Различные стадии процесса вакуумной откачки и охлаждения жидкости, находящейся в герметичном резервуаре, при малой величине теплопритока из окружающей среды

 

Представляет интерес создание вакуумно-испарительных холодильных установок холодопроизводительностью 5...25 кВт для пищевой промышленности. Для получения такой холодопроизводительности можно использовать двухроториые вакуум-насосы, которые, имея гарантированные зазоры в проточной части, не нуждаются в смазке и одновременно обеспечивают высокую скорость откачки. Это направление получило развитие в нашей стране.

Вакуумно-испарительные охладители молока, воды, фруктовых соков в настоящее время производят специализированные предприятия в Москве и на Кубани (в г. Краснодаре). Технические характеристики вакуумно-испарительной установки МВХ 150 приведены в таблице. Для сравнения даны технические характеристики молокоохладителей, находящихся в настоящее время в эксплуатации в России. Наиболее близки по сравниваемым показателям установки ТОМ 2А и СМ 1250. В молоко- охладителе ТОМ 2А промежуточным хладоносителем служит вода, а польский молокоохладитель СМ 1250 работает по схеме непосредственного охлаждения хладагентом, кипящим в рубашке молочной ванны. Как видно из таблицы, в вакуумно-испарительной установке МВХ150 расход энергии по сравнению с установками ТОМ2А и СМ 1250 ниже (11 кВт*ч на 1 т молока), что в сочетании с экологической чистотой делает ее привлекательной для потребителей.

 

Табл.

Технические характеристики молокоохладителей различных типов

Показатель	ТОМ 2А	СМ 1250	МВХ 150
Вместимость no молоку, л	1800	1200	300
Холодопроизводительность, кВт	9,9	2,3	2,3
Продолжительность охлаждения молока от 36 до 4 °C при 50%-ном заполнении ванны, ч	3	3	1Д
Установленная мощность электродвигателя, кВт	8,87	2.57	1,9
Расход электроэнергии, кВт’ч/т	28.6	13,0	11,0
Масса, кг	1490	750	250

 

Если вакуумно-испарительные охладители жидкостей уже используются в промышленности, то вакуумные льдогенераторы находятся еще в стадии лабораторных образцов. У вакуумных льдогенераторов есть свои преимущества, связанные с воздействием вакуума на поверхность лед-паровое пространство, которая одновременно служит и поверхностью замораживания.

В большинстве существующих конструкций льдогенераторов лед образуется на охлаждаемой поверхности металлической стенки, соответственно теплопередача осуществляется через толщу массива льда и металлическую стенку. Теплопроводность льда низкая, поэтому по мере роста его толщины эффективность аппарата снижается. Другая проблема удаление массива намороженного льда. Обычно для этого используют подогрев охлаждаемой поверхности стенки, что не всегда удобно и связано с необходимостью дополнительного расхода энергии.

В вакуумных льдогенераторах (рис. 2) проблема удаления намороженного льда решается с помощью атмосферного давления. Вакуумный льдогенератор представляет собой цилиндрический корпус 7, нижняя часть которого снабжена вакуумным затвором 8. Запорный орган его служит днищем цилиндрического корпуса. В положении открытия затвора полость цилиндрического корпуса сообщается с полостью герметичного сборника льда 7, имеющего свой вентиль-патекатель 6. Вакуумные коммуникации снабжены вентилями 4 и 9 и служат для раздельного вакуумирования цилиндрического корпуса 1 и герметичного сборника льда 7.

Льдогенератор работает циклично в режиме накопления льда в цилиндрическом корпусе и удаления его в сборник. При закрытом вакуумном затворе 8 в цилиндрический корпус 1 заливают некоторое количество воды, которая полностью закрывает запорный орган затвора и образует линзу толщиной 30...50 мм. Воздействие вакуума приводит к быстрому промерзанию поверхностного слоя воды на глубину 15...20 мм, после чего на поверхность образовавшегося твердого слоя льда подают следующую порцию воды в таком количестве, чтобы осуществилось полное се промораживание и соединение с ранее образованным массивом льда. Таким образом накапливается цилиндрический массив льда высотой до 0,5 м. Далее вакуумируют полость сборника льда 7, открывают вакуумный затвор 8 и напускают атмосферный воздух в паровое пространство цилиндрического корпуса 1. Под действием атмосферного давления цилиндрический ледяной массив вытесняется в сборник, вакуумный затвор закрывается и рабочий цикл повторяется. Работоспособность вакуумного льдогенератора подтверждена испытаниями на установке, созданной в низкотемпературной лаборатории МГУИЭ. При существующем парке вакуум-насосов вполне реально создание устройств производительностью до 50...70 кг/ч водного льда.

Перспективна и вакуумная технология хранения пищевых продуктов. В частности, имеется достоверная информация о благоприятном воздействии вакуума па упрочнение скорлупы куриных яиц. Резкое увеличение сроков хранения под вакуумом свежего молока после дойки можно уже считать доказанным. По данным [3], свежее молоко можно хранить под вакуумом в охлажденном до 7 °C состоянии в течение 3-4 сут без заметных нарушений вкусовых качеств и без каких- либо отклонений от стандартов по кислотности, микрофлоре и т.д. Вакуумная обработка молока становится особенно важной для фермерских хозяйств, расположенных в отдаленных районах, где регулярный вывоз этого продукта при плохом состоянии дорог может быть нарушен погодными условиями.

 

Рис. 2. Вакуумный льдогенератор:1 — цилиндрический корпус льдогенератора;2,6 — вентили-натекатели;3 — патрубок откачки паров;4 — шпорный вентиль на линии откачки паров; 5 — патрубок на линии вентиля-натекателя; 7 - сборник льда;8 — вакуумный затвор; 9 — вентиль на линии откачки паров из сборника

 

В настоящее время активно обсуждается вопрос о хранении мясных туш в вакууме с одновременным орошением поверхности продукта водой для предотвращения усушки [1]. В связи с этим в самое ближайшее время можно ожидать появления вакуумных камер для хранения продукции сельского хозяйства. Словом, технический вакуум уже сейчас можно рассматривать не только как «катализатор» развития того или иного направления техники, но и как самостоятельное направление получения холода на разных температурных уровнях с использованием природных рабочих веществ, экологически чистых и дешевых.

About the authors

B. T. Marinyuk

Moscow State University of Engineering Ecology

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

D. V. Zavarukhin

Moscow State University of Engineering Ecology

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

References

Supplementary files