Охлаждение. Виды и способы охлаждения

В пищевой промышленности холод применяют при хранении сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, а также при проведении ряда технологических процессов. С использованием процессов искусственного охлаждения происходят процессы кристаллизации, разделения газов, сублимационной сушки, некоторые реакторные процессы.

Охлаждение – процесс понижения температуры материала путем отвода от него теплоты. Охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Способы получения искусственного холода классифицируются по требуемой температуре охлаждения. Условно различают умеренное охлаждение (диапазон температур +20 … –100 °С) и глубокое охлаждение (температура ниже -100 °С).

Способы охлаждения пищевых продуктов (мяса, рыбы, птицы, яиц, отдельных видов плодов и овощей) могут быть подразделены на три группы по физическому принципу отвода тепла: теплопроводностью, конвекцией, радиацией; фазовым превращением; конвекцией и фазовым превращением воды.

Способы охлаждения, в основе которых лежит конвективный и радиационный обмен, характеризуются отсутствием или незначительной потерей влаги продуктом во время охлаждения. К этим способам можно отнести охлаждение в воздухе продуктов, упакованных в непроницаемые искусственные или естественные оболочки, а также охлаждение в жидкой среде. Охлаждению в жидкой среде подвергаются рыба, птица и некоторые овощи.

Зачастую этим способом пользуются для частичного понижения температуры. Вследствие интенсификации теплообмена сокращается продолжительность процесса, отсутствуют потери массы продукта. Однако контактное охлаждение неупакованных продуктов в жидкой среде имеет следующие недостатки: частичное экстрагирование составных частей продукта, поглощение поверхностными слоями некоторого количества охлаждающей среды.

Охлаждение во влагонепроницаемой упаковке исключает непосредственный контакт продукта с окружающей средой и тем самым предотвращает отмеченные недостатки. При этом требуются дополнительные затраты на упаковку продукта.

Способы охлаждения, при которых отвод тепла осуществляется только вследствие фазовых превращений, в промышленности применяют для охлаждения овощей, плодов и рыбы. Они заключаются в том, что при вакуумировании происходит испарение части влаги, содержащейся в продукте. Эти способы также являются эффективными в сочетании с предварительной промывкой или частичным охлаждением в воде с последующим вакуумированием. При охлаждении вода, поглощенная поверхностным слоем продукта, испаряется.

В промышленности наиболее распространены способы охлаждения, осуществляемые передачей тепла продуктам конвекцией, радиацией и вследствие теплообмена при фазовом превращении. Наиболее распространены в мировой практике методы охлаждения воздухом (принудительным потоком или потоком, создаваемым при разности давлений). Охлаждающей средой является воздух, движущийся с различной скоростью. Этот способ осуществляется по-разному.

Успешно происходит охлаждение в обычных камерах, снабженных устройством для распределения охлажденного воздуха. Продукты размещаются в камере в различной таре (сливочное масло, жиры, птица, яйца и др.) или без тары в подвешенном вертикальном положении (мясные полутуши и тушки мясного рогатого скота, колбасные изделия и др.). Охлаждение воздухом применяется также для широкого ассортимента плодоовощной продукции.

Лучший технологический эффект охлаждения достигается в камерах туннельного типа с продольной или поперечной принудительной циркуляцией охлаждающей воздушной среды. При этом удается получить более равномерное распределение температуры и скорости движения воздуха и тем самым равномерно охладить продукцию по всему объему.

Относительно новым способом охлаждения является охлаждение мяса в воздухе, перенасыщенном влагой. В камерах для охлаждения имеется возможность изменять степень перенасыщения, скорость и температуру воздуха. Из-за хорошей теплоотдачи продолжительность охлаждения мясных полутуш сокращается.

Искусственное охлаждение воздухом используется в поверхностных или смесительных теплообменниках. Охлаждение воздухом в поверхностных теплообменниках применяется редко из-за низкого коэффициента теплопередачи и значительного расхода энергии при работе вентилятора.

Смесительные теплообменники (градирни) представляют собой аппараты башенного типа, в которых охлаждаемый воздух движется снизу вверх навстречу стекающей жидкости. При этом охлаждение происходит не только за счет теплоотдачи, но и в значительной степени за счет испарения части жидкости.

Вода является наиболее распространенным охлаждающим агентом из-за высокой теплоемкости, большого коэффициента теплоотдачи, доступности.

Подземная (артезианская) вода имеет температуру +8… 15 °С. Часто используют оборотную воду, т.е. воду, охлажденную в градирне, а затем возвращенную на охлаждение теплообменного аппарата.

Охлаждение водой производится погружением продукта в холодную воду или разбрызгиванием, но чаще используют поверхностные теплообменники. Скорость охлаждения водой значительно выше, чем воздухом. Кроме того, добавление в воду антисептиков наряду с охлаждением сокращает размер порчи от возбудителей, уменьшаются до минимума потери массы продукции.

Гидроохлаждение яблок, груш, персиков, слив, томатов, дынь перед перевозкой рефрижераторным транспортом получило наибольшее распространение в Италии, США и других странах.

Если температура охлаждаемой среды выше –100 °С, то применяют испарительное охлаждение. В Японии, США и других странах успешно используют вакуум-испарительное охлаждение для зеленных овощей.

Система испарительного охлаждения

В качестве низкотемпературных агентов при создании температур ниже –5…–20 °С применяют лед, охлаждающие смеси (смеси льда с различными солями), холодильные соли (растворы хлористого кальция, хлористого натрия и др.) и пары жидкостей, кипящих при низких температурах.

При охлаждении холодильными рассолами и парами низкокипящих жидкостей пользуются холодильными установками.

В Великобритании, Испании, Германии и других странах применяют охлаждение продукции жидким азотом в камерах хранения и в транспортных средствах.

Источник

Влажный воздух. Охлаждение воздуха.

Охлаждение воздуха — процесс понижения его температуры. Рассмотрим варианты реализации процесса охлаждения воздуха и области применения каждого из способов.

Для наглядности будет использована I-d диаграмма Рамзина влажного воздуха

Способы охлаждения

Добиться снижения температуры можно как прямым способом, так и косвенным. В первом случае охлаждение происходит за счет некого холодного предмета (например, испарителя кондиционера), во втором — внесением жидкой воды и следующим далее изоэнтальпийным увлажнением, сопровождающимся снижением температуры. Отметим, что второй способ имеет существенное ограничение по возможной достижимой температуре — процесс дойдет до линии φ=100% и всё, дальнейшее охлаждение окажется невозможным.

Увеличить

Пример №1. До какой температуры можно охладить поток воздуха 1000м 3 /ч, параметры 24С, 50% каждым из методов? Какие затраты потребуются? Из I-d диаграммы определяем: текущая энтальпия i1=48кДж/кг, влагосодержание d1=9.3г/кг. При изоэнтальпийном методе конечная точка 2: i2=i1=48кДж/кг, d2=12.3г/кг. Затрат энергии нет, затраты воды составят (d2-d1)*G*ρ/3600=(12.3-9.3)*1000*1.2/3600=1кг/ч. Температура составит 17С. При охлаждении холодным телом конечная точка 3: d3=d1=9.3г/кг, i3=37кД/кг. Влагозатрат нет, затраты энергии: (i1-i3)*G*ρ/3600=(48-37)*1000*1.2/3600=3.7кВт. Температура составит 13С.

Вывод: Использование второго метода даёт выигрыш по температуре охлаждения 4С.

На самом же деле процесс в первом случае будет идти вертикально вниз только если температура холодного тела выше точки росы (13С в нашем случае). Иначе ход рассуждений будет таков: у поверхности тела воздух охладится ниже точки росы, т.е. будет иметь влажность 100% и достигнет температуры самого тела. Это и будет конечной точкой процесса. Следовательно, процесс охлаждения пойдет по линии, соединяющей начальную и конечную точки — вниз влево, охлаждаясь и осушаясь. Именно такая ситуация наблюдается во внутреннем блоке кондиционера. Рассмотрим её на примере.

Увеличить

Пример №2. Какова явная холодильная мощность бытового кондиционера холодопроизводительностью N=2.7кВт, пропускающего через себя расход воздуха G=540м 3 /ч? Параметры воздуха на входе 24С, 50%, плотность принять ρ=1.2кг/м 3 , теплоёмкость cp=1.005кДж/кг*С, температуру испарителя принять 9С. Из I-d диаграммы определяем: текущая энтальпия i1=48кДж/кг, влагосодержание d1=9.3г/кг. Процесс пойдет по линии 1-2 до некоторой точки 3. Определим её параметры. Энтальпия точки 3 составит i3=i1-3600*N/(G*ρ)=48-3600*2.7/(540*1.2)=33кДж/кг. Из I-d диаграммы определяем: d3=7.6г/кг, t3=13.3C. Итак, явная холодопроизводительность (затраченная непосредственно на охлаждение воздуха) составляет (t1-t3)*cp*G*ρ/3600=(24-13.3)*1.005*540*1.2/3600=1.9кВт. Оставшиеся 2.7-1.9=0.8кВт холодильной мощности затрачены на осушение воздуха.

Вывод: Явная холодопроизводительность бытового кондиционера составляет около 70% от полной.

Отметим, что показанный в примере №2 эффект низкой явной холодопроизводительности нельзя назвать вредным для бытовых кондиционеров, т.к. человек выделяет влагу, которую следует удалять (см. Нагрев воздуха) и на её удаление также требуется холодильная мощность (те же 40%, см. пример). Однако он безоговорочно вреден для кондиционеров, обслуживающих греющееся оборудование – ИБП, компьютеры, сервера, и др., ведь 40% холодопроизводительности тратится впустую. Специально для этих случаев разработан особый тип кондиционеров (прецизионные кондиционеры) с повышенным расходом воздуха, а потому и меньшим перепадом температур по воздуху, следовательно, им достаточно более высокой температуры испарителя. В результате влажность в 90-95% не достигается и конденсата выпадает значительно меньше, не редко он отсутствует вовсе.

Полезные формулы, описывающие процесс увлажнения:

охлаждение телом с температурой выше точки росы:

• Уравнения балансов теплоты и влаги:
  M_сух·I₁ — N_охл = M_сух·I₂;
  d₁=d₂;
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) = ∞;
• Мощность, необходимая для охлаждения:
  N_охл = M_сух· (I₂-I₁) = G_сух·ρ·c_p· (t₂-t₁).

охлаждение телом с температурой ниже точки росы:

• Уравнения балансов теплоты и влаги:
  M_сух·I₁ — N_охл = M_сух·I₂;
  M_сух·d₁ — P_конд = M_сух·d₂;
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) = N_охл/P_конд;
• Мощность, необходимая для охлаждения:
  N_охл = M_сух· (I₂-I₁) ≠ G_сух·ρ·c_p· (t₂-t₁).

охлаждение адиабатным увлажнением:

• Уравнения балансов теплоты и влаги:
  M_сух·I₁ + M_вода·I_пар = M_сух·I₂; ввиду малости M_вода·I_пар принимают I₁ ≈ I₂,
  M_сух·d₁ + M_вода = M_сух·d₂.
• Угловой коэффициент:
  ε = (I₂-I₁)/(d₂-d₁) ≈ 0.
• Количество воды, необходимое для увлажнения:
  M_пар = M_сух· (d₂-d₁).

где:
M_сух = G_сух·ρ — массовый расход воздуха,
G_сух — расход сухого воздуха в потоке влажного воздуха, G_сух=G_влаж· (1-d₁). В расчетах, ввиду малости d₁, часто под расходом сухого воздуха подразумевают расход влажного воздуха. Аналогичное допущение было принято и в примере.

Источник

Основные способы охлаждения, виды и свойства

В этом обзоре, речь пойдет об основных способах охлаждения, которые зависят от метода теплопереноса (теплообмена). Здесь будут доступны лишь самые общие описания.

Содержание:

Естественное охлаждение

Способы естественного охлаждения отводят теплоту в окружающую среду, затрачивая при этом минимум электрической энергии. Это самый эффективный метод понижения температуры с точки зрения расхода энергии, который имеет одно ограничение, он не способен охладить теплоноситель ниже температуры источника естественного холода. Как только теплофизическое равновесие достигнуто, дальнейшее охлаждение тела невозможно.

Термодинамическое равновесие — это такой термодинамический порядок тел, который при неизменности внешних факторов (давления, температуры, энтропии, объёма) т.е. без внешнего воздействия может сохраняться не ограниченное время.

Количество тепла, которое способно принять тело, применяемое для охлаждения, определяет его холодопроизводительность или холодильный эффект. Поскольку физическая природа процессов одинакова, понятия теплота и холод условны.

Для лучшего понимания картины происходящего давайте вспомним, о чем говорит второй закон термодинамики.

Охлаждение, это необратимый процесс физического переноса тепловой энергии от нагретого (тела) к более холодному, до получения эффекта термодинамического равновесия. Под термином тело, понимают любое агрегатное состояние вещества (кристаллы, жидкость, газ) принимающего участие в теплообмене.

Теплообмен представляет собой разностороннее физическое явление, которое условно можно поделить на цепь простых, но принципиально разных способов теплопереноса.

Эффект термодинамического равновесия достигается путем одного из трёх видов передачи теплоты в пространстве:

1. Излучение (лучистое тепло) — термический перенос между предметами, за счет инфракрасного излучения без нагрева окружающего воздуха или вакуума.
2. Конвекция – перенос тепла в замкнутом объеме, веществом (газом либо жидкостью), путем перемешивания более горячего вещества, с холодным.
3. Теплопроводность – передача тепловой энергии между твердыми предметами при их непосредственном контакте, методом взаимодействия элементарных частиц.

Основными природными агентами для естественного охлаждения тел принято считать лед, воду и воздух.

Вода один из самых универсальный и уникальных химических элементов на земле. В зависимости от окружающей температуры, при стандартном давлении ртутного столба 760 мм или 1,013 бар, её можно встретить в любом агрегатном состоянии:

1. Кристаллическом – лед.
2. Жидком – вода.
3. Газообразном – пар.

Каждое агрегатное изменение состояния воды называется фазовым переходом. Удельная теплоемкость воды равна 1,16 Вт/кг на 1°С, для запуска фазового перехода воды в лед потребуется 7,5 Вт/кг. Т.е. для образования кристаллов льда в объеме, необходимо приложить практически в семь раз больше энергии, чем для обычного охлаждения.

Это свойство веществ широко применяется при получении искусственного холода, когда требуется охладить продукт ниже температуры природного источника низкой температуры.

Искусственное охлаждение (refrigeration)

Искусственные способы охлаждения базируются на следующих физических процессах:

1. Фазовое преобразование агрегатного состояния вещества, сопровождающиеся выделением либо поглощением тепла:

• плавление или кристаллизация
• испарение либо конденсация
• сублимация или десублимация

Особенность фазового перехода, заключается в том, что температура тела осуществляющего преобразование, при одинаковом давлении, остается неизменной до полного завершения процесса.

1. Вихревой способ температурного разделения газа при закручивании в камере с условием, что поток в трубке проходит в обоих направлениях. Эффект Жозефа Ранка и Рудольфа Хильша.
2. Дросселирование (торможение, редуцирование). Способ Джоуля — Томпсона, получение эффекта охлаждения путем снижения давления жидкости или газа при прохождении потоком местного сопротивления, ограничивающего проходное сечение.
3. Способ охлаждения Пельтье, в этом случае происходит термоэлектрическое поглощение или выделение теплоты при воздействии электрического тока в месте соединения двух разнородных проводников.
4. Абсорбционный способ охлаждения тел получил свое название от процесса абсорбции. Т.е. поглощения веществом паров хладагента.

Распространенные способы получения искусственного холода на основе изменения агрегатного состояния тел, которые применяют в производстве и хранении продуктов классифицируют на два типа:

• Нециклический способ охлаждения, является кратковременным и достигается, как правило, за счет фазового перехода кристаллизованного вещества путем плавления или сублимации. То есть перехода твердого тела в жидкость (плавление) либо минуя жидкое состояние сразу в газообразное (сублимация). Изменение исходного агрегатного состояния при фазовом преобразовании походят при постоянном давлении и температуре, которые зависят от свойств физического тела и внешних условий перехода. Для примера можно рассмотреть способы охлаждения продуктов в низкотемпературной камере, в которую помимо продуктов помещают заранее заготовленный водяной лёд (Н2О) или сухой лед (диоксид углерода СО2). Температура сублимации кристаллической угольной кислоты при нормальном атмосферном давлении равна -78,9 °C. Водный лед при атмосферном давлении плавится при достижении температуры выше 0 °C.
• Циклический способ, чаще называют машинным охлаждением, он базируется на термодинамических процессах, то есть на обратимых физических циклах, которые в термодинамике называют круговыми. В основе здесь так же лежит фазовый переход, но уже между жидкостью и газом, это так называемые парокомпрессионные холодильные машины. Дросселирование в таких схемах применяют для усиления холодильного эффекта.

Охлаждение химическим способом

Сорбционные или Абсорбционные — пароконденсационные холодильные машины (АБХМ) непрерывного действия, тоже являются циклическими, так как процессы абсорбции хладагента в абсорбере и выпаривания (десорбции) раствора в генераторе протекают непрерывно при постоянном давлении кипения жидкости в испарителе и конденсации паров в конденсаторе.

Абсорбционные процессы охлаждения происходят в среде рабочих веществ (растворов), состоящих, из двух компонентов – хладагента и сорбента. При работе АБХМ, хладагент циклически находится как в жидком, так и в виде пара, а абсорбент только в жидком состоянии.

Абсорбционные холодильные устройства могут быть водно-аммиачными или бромисто-литиевыми LiBr . Ввиду низкой холодопроизводительности такие машины в основном используют в промышленности и производстве электрической энергии.

Вихревой способ охлаждения осуществляется с помощью трубы Ранка.

Воздух, имеющий температуру окружающей среды, под большим давлением поступает в диффузор находящийся под углом к вихревой камере.

В камере кинетическая энергия закручивает воздушный поток. Круговая скорость воздушного вихря распределяется не равномерно, по внешней окружности она значительно уступает скорости струи находящейся ближе к центру. При движении газового потока в направлении дроссельного клапана происходит расслоение температуры (кинетическая энергия внутреннего вихря, через трение передается периферийному вихрю в виде тепловой энергии), в результате чего наружный вихрь нагревается, а внутренний напротив остывает.

Достигая конца трубки с коническим дроссельным клапаном, периферийный вихрь вырывается наружу перегретым, центральный осевой вихрь отражается от дросселя и движется в противоположном направлении, выходя через диафрагму охлажденным.

Вихревая труба Ранка-Хильша позволяет получить значительный перепад температур на разных концах трубы, более 200°С. Ввиду большого потребления энергии, способ применяется для местного (точечного) охлаждения оборудования.

Охлаждение дросселированием

Дросселированием называется преодоление жидкостью либо газом отверстия с малым сечением, которое сопровождается резким снижением давления.

При дросселировании не обязательно происходит охлаждение, иногда температура на выходе растет или остается прежней. Это зависит от исходных данных жидкости или газа перед процессом дросселирования.

На принципе дросселирования был основан простой однократный холодильный цикл Линде, примененный в установке по сжижению воздуха.

В парокомпрессионных холодильных машинах рабочее вещество в начале цикла сжимается компрессором, затем подвергается охлаждению, а потом через дроссель поступает в испаритель. Чаще всего в бытовых холодильниках в качестве дросселя встречается капиллярная калиброванная трубка.

При дросселировании жидкого хладагента с низкой температурой кипения, на внешней стороне дросселя (в промышленной холодильной технике ТРВ — терморегулирующий вентиль), вследствие снижения давления происходит закипание жидкости. Жидкий хладагент при этом интенсивно испаряется, значительно увеличиваясь в объеме, в результате чего совершается работа по преодолению взаимного притяжения молекул рабочего вещества. Произведенная работа по разрыву молекулярных связей, сопровождается снижением внутренней энергии кипящего тела. Дросселирование жидкого хладагента, в результате преобразования сил трения в тепло и передачи ее газу, способствует значительному снижению температуры.

Термоэлектрический способ охлаждения Жана-Шарля Пельтье

Эффект был открыт в 1834 году. Испытатель пролил воду на электроды, изготовленные из висмута и сурьмы, которые были подключены к электрической цепи. Вода на одном из контактов, внезапно превратилась в лёд.

Дальнейшее изучение феномена показало, что при прохождении электрического тока между двумя разно заряженными проводниками, на одной стороне происходит нагрев, а на противоположной стороне охлаждение. При смене полярности, горячая и холодная стороны элемента также меняется местами.

По причине низкого КПД, на протяжении следующих 100 лет о термоэлектрическом охлаждении было известно только научному сообществу, прикладного применения он не находил. Только в конце 30х годов прошлого столетия ученый академик А.Ф.Иоффе, предложил использовать для элемента Пельтье полупроводники и доказал достаточную эффективность термоэлектрического охлаждения.

Сегодня машинные способы охлаждения встречаются повсюду, в квартире, автомобиле, офисе, на промышленном и пищевом производстве.

Наука и медицина применяют охлаждение в криогенной технике:

• Криобиология — раздел биологии, который исследует действие низких температур на живые клетки.
• Криотерапия — лечение организма воздействием холода.

Сферы применения того или другого способа охлаждения веществ определяются их свойствами, которые влияют на производственные процессы, а также показателями экономической эффективности.

Остались вопросы

Спасибо за обращение, мы обязательно перезвоним.

Источник