New installations for rapid freezing of foodstuffs with low-temperature air expanded in a turbo-expander

Full Text

Опыт эксплуатации как отечественных, так и зарубежных машин показывает, что при сроках полной амортизации оборудования до 5 лет воздушные низкотемпературные холодильные установки в 3-5 раз (в зависимости от темепературы охлаждения) более экономичны, чем работающие на жидком азоте.

В этой ситуации открываются широкие перспективы для новых технологических процессов быстрого замораживания продуктов питания в скороморозильных аппаратах, использующих в качестве генератора холода экологически лояльные холодильные газовые (воздушные) машины с турбодетандерами.

Воздушные холодильные машины, появившиеся в 60-х годах XIX в. (раньше парокомпрессионных), оказались неконкурентоспособными в области температур до -50 °C. Однако по мере практического продвижения низких температур в различные области народного хозяйства интерес к ним возобновился. Например, еще в 60-х годах XX в. в СССР были построены первые коммерческие воздушные турбохолодильные машины ТХМ-300, ТХМ1-25 и их модификации, работавшие по так называемому русскому вакуумному циклу (В.С. Мартыновский, М.Г. Дубинский, С.К. Туманский). Эти машины экспортировали и сегодня экспортируют и устанавливают на крупных рыболовных судах и базах переработки морепродуктов [6, 7, 14].

Профессорами В. С.Мартыновским, М.Г. Дубинским, И.В. Марфениной, Е.И. Микулиным, Л.З. Мельцером; доцентами Л.Ф. Бондаренко, В.И. Ардашевым, В.М. Кулаковым, И.М. Шнайдом, Ю.Д. Навроцким, К.К. Соколовым, А.П. Старостиным были теоретически и экспериментально исследованы многие проблемы создания подобных машин [4, 6, 7, 8, 9, 10, 14, 15]. Было доказано, что при температурах ниже -70 °C воздушные холодильные машины эффективнее парокомпрессионных.

Первая низкотемпературная воздушная холодильная установка с турбодетандером (НХВУ) на температурном уровне-176...-173 °C была построена и испытана также в середине XX в. в МВТУ им. Н.Э. Баумана под руководством профессора И.В. Марфениной. Установка предназначалась для переконденсации насыщенных паров жидкого кислорода при длительном хранении. Испытания полностью подтвердили теоретические выводы [8].

Накопленный в последние годы опыт криогенного турбодетандеро-строения и аппаратостроения позволил существенно приблизить воздушный холодильный цикл к нуждам пищевых технологий. В частности, коллективами СКТБ “Турборефрижераторы”, Института механики МГУ им. М.В. Ломоносова и кафедры холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения МГТУ им. Н.Э. Баумана разработаны методология и технические средства экологически лояльного стабильного и надежного производства холода в диапазоне рабочих температур -120.. .-70 °C (в пределе примерно до -176 °C).

В последние годы построен ряд турборефрижераторов ATR, работающих по принципу газового холодильного цикла низкого давления с использованием в качестве хладагента и одновременно хладоносителя экологически нейтральной и доступной рабочей среды -атмосферного воздуха.

ATR состоит из турбодетандерного агрегата, теплообменной аппаратуры и органов управления и контроля.

Отличительные особенности турбодетандеров для ATR определяются широким диапазоном частот вращения ротора (30 000.. .300 000 об/мин) при относительно большой мощности турбины, что нагружает ротор дополнительными внешними динамическими нагрузками. Этот диапазон параметров относится, по существу, к неосвоенной промежуточной области в турбодетан-деростроении, лежащей между параметрами маломощных турбодетандеров криогенных гелиевых установок с одной стороны, и крупных турбин воздухоразделительных установок низкого давления -с другой.

Предложенные технические решения основаны на многолетнем опыте, накопленном при создании отечественных конструкций малорасходных высокоскоростных турбодетандеров для криогенных систем. Турбодетандеры для ATR разработаны в соответствии с концепцией динамики высокоскоростных турбин при работе в так называемом особом асимптотически устойчивом режиме дробно-частотной стабилизации ротора [3]. Эта концепция базируется на представлении Эйлера о движениях ротора как системы материальных точек, согласно которому поперечные перегрузки на смазочный слой подшипников со стороны ротора даже с заведомо большим экваториальным моментом инерции резко снижаются при относительно небольшой частоте прецессии ротора благодаря стабилизирующему гироскопическому воздействию самих вращающихся масс консольно расположенных рабочих колес. Этот процесс замедляет развитие наиболее опасных противофазных автоколебаний, и динамическая устойчивость поддерживается до наступления синфазных автоколебаний.

Новая методология конструирования высокоскоростных турбодетандеров существенно расширяет традиционные представления о физических основах возможного топографического оформления ротора турбины и о допустимых значениях масс консольно расположенных рабочих колес.

На ее основе разработан типоразмерный ряд турбодетандеров серии RET, и при этом достигнут высокий уровень унификации конструкций машин по двум направлениям:

• параметрическому ряду;
• схемным решениям подшипникового узла.

Принятая дискретность рядов позволяет создавать турбодетандеры с оптимальными конструктивными и режимными параметрами каждой ступени:

• степенью радиальности ц = = 0,45...0,55;
• углом выхода потока из направляющего аппарата = = 8... 13°;
• углом выхода потока из рабочего колеса р2 = 30.. .34°;
• степенью реактивности р = = 0,45...0,5;
• коэффициентом относительной скорости их/С% = 0,65...0,7.

Турбодетандеры серии RET выполнены по принципу взаимозаменяемости модульно-блочных сборочных технологических единиц по квалитетам точности [12, 13].

В итоге создан унифицированный типоразмерный ряд турбодетандеров, удовлетворяющий современным технологическим требованиям серийного прецизионного производства, что является необходимым условием их широкого внедрения.

 

Таблица 1

Модель компрессора	Производительность, нм3/ч	Модель ATR		Типоразмер RET	Диаметр колеса, мм	Частота вращения, тыс. об/мин
11	100		а		25	255
15	130	1	b	1/8	30	186
18	166		с а		35	170
22	200	2	b	2/12	40	155
30	278		а с		45	132
37	347	3	b	3/16	50	119
45	417		с а		55	108
55	528	4	b	4/22	60	101
75	706		а с		70	87
90	870	5	Ь.	5/28	75	79
ПО	1056		с а		85	70
132	1265	6	b	6/32	95	62
160	1500		а с		105	56
200	1960	7	b	7/36	115	51
250	2482		с		125	47
500	5000	8		8/40	170	38
1000	10000	9		9/42	250	31

 

Модельный ряд турборефрижераторов ATR построен в соответствии с типоразмерами RET. По рабочим параметрам ряды RET и ATR адаптированы к принятому в международной практике параметрическому ряду винтовых компрессоров производительностью 100.. .2500 нм3/ч и к турбокомпрессорам производительностью 5000 и 10 000 нм3/ч (табл.1).

 

Рис. 1. Базовые конструкции турбодетандеров серии RET: а — турбодетандер с газостатическими подшипниками (RET-GB); б — турбодетандеры для температур ниже —80 °C с комбинацией газостатического и гидростатического подшипников (RET-GOB); в — турбодетандеры с гидростатическими подшипниками (RET-О В)

 

Первые 7 моделей ATR формируются таким образом, что каждая модель охватывает параметры последней модификации предыдущей модели и первой модификации последующей модели. Две крупные модели 8 и 9 адаптированы к параметрам турбокомпрессоров.

Турбодетандеры серии RET в соответствии с динамическими условиями работы могут выполняться с газостатическими и гидростатическими подшипниками (рис.1).

Все 9 моделей типоразмерного ряда турбодетандеров с газостатическими подшипниками (модели RET-GB-К) имеют в качестве нагрузочного устройства центробежную турбокомпрессорную ступень (см. рис. 1, а).

1-4-я модели типоразмерного ряда с гидростатическими подшипниками не имеют дополнительного нагрузочного устройства (модели RET-OB); эти же модели для работы при низких температурах (ниже -80 °C) оснащаются комбинацией “холодного” газостатического подшипника и “теплого” гидростатического подшипника (модели RET-GOB, см. рис. 1, б); 5-9-я модели этого ряда турбодетандеров имеют центробежную турбокомпрессорную ступень (модели RET-OB-К, см. рис. 1, в).

Успехи отечественного аппара-тостроения позволили применить в турборефрижераторах ATR компактные и эффективные пластинчато-ребристые теплообменники из алюминиевых сплавов, наиболее перспективные (в сравнении с другими типами теплообменных аппаратов) для воздушных установок низкого давления.

Теплообменники разработаны и изготовлены ООО “Газхолодтех-ника” с использованием технологий и оборудования для прецизионных штамповки-гибки и прокатки, бесфлюсовой вакуумной пайки и аргоно-дуговой сварки. Создан типоразмерный ряд пластинчато-ребристых теплообменников для ATR, адаптированных к пара-метрическаму ряду винтовых компрессоров.

Благодаря применению компактных и эффективных пластинчаторебристых теплообменников габаритные размеры ATR в несколько раз, а масса в десятки раз меньше, чем у блока охлаждения ТХМ-300, где эти параметры в значительной мере определялись используемой теплообменной аппаратурой (в частности, переключающимися регенераторами с насадкой из галет, намотанных из алюминиевых гофрированных лент).

На базе ATR вместе с автономным компрессорным оборудованием, включающим блоки подготовки воздуха, создана система воздушных холодильных агрегатов ARA, производящих наряду с холодом низкопотенциальную теплоту на уровне 60 и 100 °C. При ком

плектации приемником холода -скороморозильным аппаратом -формируется система новых морозильно-холодильно-тепловых станций (МХТС) в передвижном и стационарном исполнении с требуемой для пищевой промышленности холодопроизводительностью З...ЗОО кВт (или производительностью по перерабатываемому воздуху 100... 10 000 нм^{1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18}/ч) и производительностью по замораживаемому продукту 50...5000 кг/ч.

В табл. 2 представлены характеристики МХТС по холодопроизводительности (при температуре воздуха до -120 °C) и теплопроизво-дительности (при 60 и 100 °C).

Специалистами кафедры “Холодильная техника” Московского государственного университета прикладных биотехнологий (МГУПБ) и ООО “Темп-П” разработан туннельный скороморозильный аппарат на основе турборефрижераторов [11]. На рис. 2 показана принципиальная схема такого аппарата.

В настоящее время ООО “Темп-11” выпускает азотные скороморозильные туннельные аппараты АСТА производительностью от 100 до 1000 кг/ч, которые без существенных переделок могут работать и с использованием воздуха от турборефрижератора ATR. Основное отличие воздушного аппарата СТАВ (скороморозильный туннельный аппарат воздушный) от азотного АСТА состоит в конструкции узла подачи хладагента.

Предложены три варианта технического решения узла подачи низкотемпературного воздуха (рис. 3):

• распределительный коллектор (см. рис. 3, а);
• специальные каналы-воздуховоды (см. рис. 3, б);
• наклонный решетчатый экран (см. рис. 3, в).

При выборе способа подачи воздуха в аппарат необходимо учитывать условия обеспечения интенсивного равномерного обдува конкретного замораживаемого продукта, а также стоимостные показатели. Разработана методика определения расхода воздуха для замораживания пищевых продуктов широкого ассортимента с использованием предложенной их классификации [6].

В расчетах использованы теплофизические характеристики условно-расчетного продукта (УРП) для пяти наиболее распространенных классов продуктов: Ц -мясопродукты; П2 -мясо птицы; П3 -рыба; П4 -плоды, ягоды; П5 -овощи. Начальная температура продукта принята tH = 20 °C, конечная среднеобъемная = -18 °C; производительность аппарата составляет 500 кг/ч. Получены значения расхода воздуха в зависимости от температуры, с которой он подается в туннель, /[од = -60...-120 °C при температуре на выходе из аппарата /вых = -30 °C (табл. 3).

Анализ полученных данных показал, что влажность пищевых продуктов заметно влияет на расход воздуха. Больший расход воздуха необходим при замораживании пищевых продуктов классов П4 (плоды, ягоды) и П5 (овощи), значения относительной влажности которых находятся в интервалах 80-85 % и 85-95 % соответственно.

 

Рис. 2. Туннельный скороморозильный аппарат с проточной системой холодоснабжения низкотемпературным воздухом (—60...—120 °C) от турборефрижератора: 1 — скороморозильный туннель; 2 — турбодетандер; 3 — насосный агрегат; 4 —фильтр низкого давления; 5 — рекуперативный теплообменник; 6 — фильтр тонкой очистки; 7 — блок осушки; 8 — влагомаслоотделитель; 9 — концевой холодильник; 10 — винтовой холодильный компрессор; 11, 12 — приводные электродвигатели компрессора; 13 — циркуляционные вентиляторы; 14, 15 — каналы для подачи / отвода воздуха; 16 — конвейер; 17 — терморегулирующий вентиль; 18 — отсечной воздушный клапан автоматической защиты турбодетандера; 19 — предохранительный клапан; 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28-запорная арматура; 29-терморегулирующий вентиль

 

Таблица 2

Характеристики МХТС на базе ARA

Мо­дель МХТС	Холодопроиз­води­тельность, кВт	Теплопро- изводительность (кВт) при t, °C
		60	100
1	4,2	9,5	2,9
	6,2	13,5	4,5
	7,5	16,4	5,4
2	9,1	20	6,5
	12,5	26,4	9
3	15,4	33,6	11
	18,5	41	13,2
4	22,6	50	16,2
	31	68	22
5	37,5	82	27
	46	100	33
6	55	120	39,5
	66,5	146	48
7	83	182	59
	105	226	75
8	220	435	160
9	430	910	305

 

Таблица 3

Расход подаваемого в туннель воздуха в зависимости от его температуры для СТАВ производительностью 500 т/ч

Класс продукта	Суммарная тепловая нагрузка Q0, кВт	Расход воздуха V (м3/ч) при t под,7 °C
		-60	-80	-100	-120
П1 - мясопродук	40,7	2915	1595	1036	737
П2 — мясо птицы	29,04	2080	1138	739	525
ПЗ - рыба	42,02	3010	1647	1070	760
П4 – плоды, ягоды	48,84	3499	1914	1244	883
П5 - овощи	58.63	4200	2298	1493	1060

 

Влияет на расход и температура подаваемого в аппарат воздуха. При ее понижении с -60 до -80 °C расход уменьшается примерно в 1,8 раза; с -80 до -100 °C -в 1,5 раза, а с -100 до -120 °C -в 1,4 раза.

Была проведена сравнительная оценка энергетической эффективности туннельных скороморозильных аппаратов, использующих проточную систему холодоснабжения жидким азотом и низкотемпературным воздухом от турбодетандера [2].

 

Рис. 3. Способы подачи низкотемпературного воздуха от турборефрижератора в туннельный скороморозильный аппарат: а — через распределительный коллектор: 1 — распределительный коллектор; 2 —система отсоса отработавшего воздуха; б — по специальным каналам-воздуховодам: 1 — канал для подачи воздуха в аппарат; 2 — канал для отвода воздуха Q из аппарата; 3 — боковой вентилятор для создания направленного потока воздуха в аппарате; 4 — циркуляционные вентиляторы; в — наклонный решетчатый экран: 1 — канал для подвода воздуха; 2 — решетчатый экран; 3 — канал для отвода воздуха

 

Расчет проводили для следующих условий: температуры подаваемого от турбодетандера воздуха £под= -120 °C и выходящего из туннеля воздуха вых= = -30 °C; температуры жидкого азота /жаз = -196 °C и газообразного криоагента на выходе из аппарата Г = -50 °C; скорости циркуляции воздуха сов = 10 м/с, азота С0аз = 5 м/с. При этом использовались усредненные характеристики для пяти рассмотренных классов продуктов (продукт класса Пср). Правомерность такого усреднения доказана расчетами, показавшими, что класс продукта (П].. .П5) существенно не влияет на энергетические показатели.

Согласно результатам расчетов применение в туннельном аппарате воздуха от турбодетандера с температурой -120 °C взамен жидкого азота позволяет повысить энергетическую эффективность в 2,6 раза.

Были рассчитаны приведенные затраты (Пз) при замораживании низкотемпературным воздухом пищевых продуктов классов П].. .П5 толщиной 8 = 0,008.. .0,4 м от начальной температуры t = = 20 °C до конечной среднеобъемной t = -18 °C. Стоимость электроэнергии принималась 0,5; 1,0 и 1,5 руб/(кВт-ч); температура подаваемого воздуха / юд = -120...-60 °C; производительность аппарата 500 кг/ч.

Продолжительность процесса замораживания для данных условий рассчитывали с использованием разработанной математической модели.

На базе полученных данных построены номограммы, одна из которых для продукта класса Пср при стоимости электроэнергии 1,0 руб/(кВт-ч) представлена на рис. 4. Показан пример использования номограммы: задаваясь толщиной продукта 8 и температурой подаваемого воздуха Z , можно определить продолжительность процесса т и величину приведенных затрат П3 на замораживание.

Анализ показал, что использование в скороморозильном аппарате низкотемпературного воздуха взамен жидкого азота в интервале температур под =-120...-60 °C позволяет сократить приведенные затраты в 20...25 раз. При этом низкотемпературный воздух обеспечивает i значения скорости процесса, характерные для условий сверхбыстрого замораживания пищевых I продуктов, которые определены МИХ (Париж) [2].

Высокая скорость замораживания продукции в предлагаемых аппаратах практически исключает потери массы от усушки, что является одним из основных факторов ресурсосбережения, гарантирует высокое качество и товарный вид продукции, а также позволяет включать процесс замораживания в общую технологическую линию производства.

 

Рис. 4. Номограмма определения приведенных затрат П и времени т замораживания низкотемпературным воздухом в зависимости от толщины 5 и температуры подаваемого воздуха / для замораживания пищевых продуктов класса Пср. (П1... П 5)

 

Кроме того, выходящий из аппарата воздух, имеющий достаточно низкую температуру (около -30 °C), можно использовать в таких технологических операциях, как предварительное охлаждение продукта (например, овощей после их бланширования) или хранение замороженной продукции. В этом случае эффективность использования турборефрижератора значительно повышается.

 

Таблица 4

Сравнение различных типов туннельных скороморозильных аппаратов одинаковой производительности

Показатели	ЯЮ-ОАС-500	АСТА-500	СТАВ-500
Годовая производительность, т	1860	I860	1860
Общие капитальные затраты, тыс. руб.	3395	1628	2380
Удельные капитальные затраты, руб/т	1830	870	1280
Текущие затраты за год, тыс. руб.	2025	4820	1177
Текущие затраты на 1 т продукции, руб/т	1089	2591	633
Годовой экономический эффект при применении СТАВ, тыс. руб.	*	**	1360* 3261**
Срок окупаемости, мес	-	-	8

 

В табл. 4 приведены результаты технико-экономической оценки трех туннельных скороморозильных аппаратов одинаковой производительности (500 кг/ч): воздушного ЯЮ-ОАС-500 с машинной замкнутой системой холодоснабжения; азотного АСТА-500 и воздушного СТАВ-500 с рефрижератором.

Проведенное сравнение показало эффективность использования аппарата СТАВ-500. Годовой экономический эффект от его применения вместо аппарата ЯЮ-ОАС составляет 1360 тыс. руб., а взамен АСТА -порядка 3500 тыс. руб.

Срок окупаемости СТАВ -8 месяцев.

Таким образом, к преимуществам воздушной системы холодоснабжения по сравнению с жидко-азотной следует отнести энергоэффективность, экономичность, высокую надежность работы ATR, длительный ресурс непрерывной работы, компактность турборефрижератора, его экологическую безопасность.

В нашей стране накоплен уникальный опыт создания воздушных холодильных машин, на основе которого мы можем занять передовые позиции в создании техники нового поколения для быстрого замораживания широкого ассортимента пищевых продуктов, гарантирующей высокое их качество и товарный вид.

About the authors

A. M. Arkharov

MSTU im. N.E. Bauman

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

Doctor of Engineering, Sciences

Russian Federation

A. Sh. Kobulashvili

Institute of Mechanics, Moscow State University

Email: info@eco-vector.com

Cand. tech. naukt

Russian Federation

T. M. Rosenoer

Institute of Mechanics, Moscow State University

Email: info@eco-vector.com

Cand. tech. naukt

Russian Federation

I. N. Zhuravleva

LLC "Tazholodtehnika"

Email: info@eco-vector.com

Cand. tech, science

Russian Federation

K. P. Wenger

MSU PB

Email: info@eco-vector.com

Doctor of Engineering, Sciences

Russian Federation

A. A. Antonov

MSU PB

Email: info@eco-vector.com

Doctor of Engineering, Sciences

Russian Federation

References

Supplementary files