Особенности получения ледяной воды с использованием насыпных льдоаккумуляторов

Аннотация

Ледяная вода нашла широкое применение в качестве промежуточного хладоносителя на перерабатывающих предприятиях пищевой промышленности.

Альтернатив столь дешевому и апробированному средству пока нет. Что касается способов и оборудования для получения ледяной воды, то здесь за последнее время появилось немало изменений и усовершенствований. К числу новинок следует отнести и холодильные станции для получения ледяной воды в льдоаккумуляторах с насыпным льдом, внедряемые на российский рынок промышленного холода фирмой «ФАБС Инжиниринг».

Полный текст

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.