Химия - Технология перекачиваемого льда - Приложения

01 марта 2011


Оглавление:
1. Технология перекачиваемого льда
2. Технологический процесс
3. Приложения

Многие научно-исследовательские центры, фирмы-производители льдогенераторов, изобретатели стимулируют прогресс в ТПЛ. Благодаря высокой эффективности использования энергии, относительно небольшим размерам кристаллизаторов Перекачиваемого льда, снижению требуемой массы хладагента, а также тому, что ТПЛ может быть адаптирована к конкретным техническим и технологическим требованиям в различных отраслях промышленности, существует много применений этой технологии.

Очистка сточных вод

ТПЛ может быть рекомендована для очистки осадков сточных вод. В этом случае используется метод «замораживания-плавления». Этот метод основан на двух процессах: «правильное» замораживание осадков с последующим плавлением и разделение жидкой и твердой фаз. «Замораживание и плавление» приводит к изменению физико-химической структуры осадков. Этот метод реализуется за счет перераспределения любых форм связи влаги с твердыми частицами осадков. Очевидно, что этот метод предпочтительнее химической коагуляции осадков реагентами. Замораживание осадка способствует увеличению свободного количества воды в осадках и улучшает эффективность осаждения осадка. Таким образом, если скорость выращивания кристаллов не превышает 0,02 м/ч, молекуле воды достаточно времени, чтобы выйти из коллоидных клеток к поверхности, где она замерзает. После оттаивания, быстроосаждённые твёрдые частицы удаляются шнеком для последующей эффективной фильтрации. Очищенная вода готова к сбросу в водохранилище.

Опреснение морской воды

К существующим коммерческим методам опреснения морской воды относятся различные дистиляционные методы, обратный осмос и электродиализ. Теоретически, замораживание имеет некоторые преимущества по сравнению с вышеуказанными методами. Эти преимущества включают более низкую потребность в электроэнергии, минимальный потенциал для коррозии и отсутствие зарастания накипью поверхностей теплообменников. Недостатком является то, что замораживание подразумевает производство льдо-водяных смесей, перемещение и обработка которых весьма затруднительна. Небольшое количество опреснительных станций было построено за последние 50 лет, но процесс не имел коммерческого успеха при производстве пресной воды для муниципальных нужд. Вместе с тем, льдогенераторы ПЛ предлагают доступную альтернативу благодаря высокой эффективности процесса кристаллизации. Существующие модели, однако, не имеют необходимого потенциала для промышленных опреснительных установок большой мощности, но небольшие ЛПЛ достаточны и удобны для малых потребностей в опреснении.

Процессы концентрации жидких пищевых продуктов и соков

В настоящее время концентрация сока и пищевых жидкостей может осуществляться с помощью обратного осмоса или вакуум-испарительной технологии. В промышленных условиях, сок, как правило, выпаривают. С 1962 года широко используются, так называемые, TASTE испарители. Эти испарители имеют высокую пропускную способность, легко промываются, просты в эксплуатации и относительно недорогие. С другой стороны, тепловая обработка ухудшает качество продукта и приводит к потере аромата, что обусловлено высокой температурой водяных паров. Из-за низкого значения коэффициента теплоотдачи между паром и обрабатываемым соком, теплопередача между указанными средами очень неэффективна. Это приводит к громоздкости конструкции предприятий, использующих TASTE испарители. Альтернативным способом получения концентрированного сока и пищевой жидкости является охлаждение и замораживание. В этом случае кристаллы, полученные из чистой водой, будут удалены из сока, вина, или пива путём кристаллизации жидкости с регулируемой скоростью продвижения фронта фазового перехода. В результате, концентрированная среда сохраняет аромат, цвет и вкус. Качество концентратов, полученных в результате замораживания, несравненно выше качества продуктов, произведённых по любой другой технологии. Основные преимущества ТПЛ по сравнению с другими методами замораживания заключаются в очень низком теоретически требуемом расходе электроэнергии и возможности контроля скорости продвижения границы изменения фазы жидкость-лед. Последний довод обуславливает увеличение производства чистых водяных кристаллов льда и упрощение процесса отделения концентрированного сока или пищевой жидкости от ледяных кристаллов.

Производство замороженных пищевых жидкостей

”Пищевая жидкость” или напиток – это жидкость, которая специально подготовлена для потребления человеком. В дополнение к реализации основной потребности человека в питье, напитки являются частью культуры человеческого общества. В свою очередь, замороженные газированные напитки и замороженные негазированные напитки - FUB) стали пользоваться огромной популярностью с 1990 годов 20-го века. Технология Перекачиваемого Льда используется при производстве практически всех, без исключения, ЗГН и ЗНН.

Замороженные газированные напитки

Машина ЗГН была изобретена Омаr Knedlik, владельцем небольшого ресторана в конце 1950 годов. Для изготовления ЗГН используется смесь ароматизированного сахарного сиропа, газообразной двуокиси углерода и фильтрованной воды. Как правило, начальная температура смеси равнаºС. Газированная смесь подаётся в кристаллизатор ЗГН аппарата, замерзает на внутренней поверхности цилиндрического испарителя и соскребается посредством ножей – смесителей, вращающихся с угловой скоростью от 60 до 200 оборотов в минуту. Во внутреннем объёме кристаллизатора поддерживается небольшое положительное давление с целью улучшения растворения газа в жидкости. В современных ЗГН аппаратах используется общеизвестная конвенциальная холодильная схема с капиллярной трубкой или терморегулирующим вентилем и, обычно, воздушным конденсатором. Холодильный агент подаётся либо непосредственно в полость двух-стенного испарителя, либо в спиралеобразный испаритель, намотанный на наружную поверхность кристаллизатора. Материал стенки испарителя – только нержавеющая сталь марки SS316L, разрешённая к контакту с пищевыми продуктами по требованиям FDA. Температура кипения составляет –ºС. Фирмами и заводами – изготовителями не декларируется часовая производительность ЗГН аппаратов. Вместе с тем, удельные затраты энергии на производство 10,0 кг ЗГП могут достигать кВт-ч.

После перемешивания и замораживания в кристаллизаторе – смесителе, ЗГН разливается через раздаточный кран в стаканчики. Конечным продуктом является густая смесь взвешенных кристаллов льда с относительно небольшим количеством жидкости. Качество ЗГН зависит от большого числа факторов, в том числе, от концентрации и структуры кристаллов льда, а также их размеров. Концентрация льда в водяной смеси определятся точно в соответствии с фазовой диаграммой раствора и может достигать 50%. Максимальный размер кристаллов – от 0.5 мм до 1.0 мм. Начальная температура кристаллизации смеси зависит от начальной концентрации инградиентов в воде и лежит в пределах от -2.0ºС до -0.5ºС. Конечная температура продукта менятся от -6.0ºС до -2.0ºС в зависимости рецептуры и торговой марки фирмы - производителя.

Неожиданный интерес к ЗГН проявляется в Индии. Дело в том, что в Индии не разрешается добавление в Кока-Колу кубикового льда, произведённого из водопроводной воды, из-за большой вероятности её бактериологического заражения. Поэтому ЗГП в виде замороженной колы имеет особую привлекательность как со стороны производителей, так и со стороны покупателей.

Замороженные негазированные напитки

В качестве исходного продукта для ЗНН используются фруктовые и овощные соки, напитки на основе кофе и чая, йогурт. Проводятся научно-исследовательские работы по производству замороженного вина и пива.

ЗНН машины отличаются от ЗГН аппаратов тем, что для них не требуются поддержание небольшого положительного давления в рабочем объёме испарителя, источник газообразного диоксида углерода и специально обученный обслуживающий персонал. В остальном, конструкция современных ЗНН машин аналогична конструкции ЗГН аппаратов. Собственно ЗНН часто намного "влажнее", чем производимый ЗГН. С другой стороны, ЗНН машины значительно проще и дешевле, чем ЗГН аппараты, и поэтому они являются более распространенными. ЗНН машины можно приобрести за $ 2000 или арендовать менее, чем за $ 100 в сутки в Великобритании.

Мороженое

Рынок производства мороженого в мире неуклонно возрастает с 1990-х годов, и его оборот составляет десятки миллиардов долларов США.

Основными рынками производства мороженого в мире являются: США, Китай, Япония, Германия, Италия, Россия, Франция, Великобритания.

Ведущие производители мороженого - Unilever и Nestle, которые контролируют более одной трети этого рынка. В первую пятерку стран-потребителей мороженого входят США, Новая Зеландия, Дания, Австралия и Бельгия.

Конструкция и дизайн современных промышленных аппаратов для производства мороженого обеспечивают высокий уровень автоматизации и обслуживания, а также высокое качество производимого мороженого. Процесс производства мороженого включает пастеризацию, гомогенизацию и созревание смеси мороженого. Приготовленная смесь подаётся в кожухотрубный теплообменник-кристаллизатор скребкого типа, в котором осуществляются процессы предварительного замораживания и вспенивания мороженого, посредством подачи заданного количества воздуха в замораживаемую смесь. Хладагент испаряется и постоянно циркулирует в полости между наружной и внутренней трубами. Как правило, начальная температура смеси мороженого равна°С. Рабочая температура кипения хладагента составляет минус°С. Конечная температура смеси, замороженной в кристаллизаторе, - около минус 5°С. Концентрация льда в смеси достигает% в зависимости от рецептуры и технологического процесса, реализуемого производителем. В процессе замораживания кристаллы льда образуются на внутренней поверхности испарителя кристаллизатора. Выращенные кристаллы льда удаляются с поверхности ножами с целью предотвращения образования ледяной корки на внутренней стенке испарителя. Удалённые кристаллы льда перемешиваются в объёме кристаллизатора с жидкой фазой и способствуют снижению её температуры и улучшению теплообмена внутри замораживаемого продукта.

В испарителе также вращаются специальные устройства, способствущие дроблению пузырьков воздуха и аэрации смеси. Затем замороженный продукт подаётся на расфасовку или на «закалку» для придания ему необходимой твердости. Продукт выдерживается в закалочных камерах при температуре —30°С. При этом общее количество замороженной воды повышается до 80 %. После закалки мороженое направляется в реализацию или на хранение.

Качество мороженого и его «мягкая» текстура зависят от структуры кристаллов льда, их размеров и от вязкости мороженого. Вода вымерзает из жидкости в виде льда. Поэтому концентрация, оставшихся в жидкости, сахаров увеличивается, и, следовательно, температура кристаллизации смеси понижается. Таким образом, структуру мороженого можно охарактеризовать как частично замороженную пену с ледяными кристаллами и пузырьками воздуха. Крошечные жировые шарики флокулируют и окружают пузырьки воздуха также в виде дисперсной фазы. Белки и эмульгаторы, в свою очередь, окружают жировые шарики. Непрерывная фаза в мороженом состоит из очень концентрированной незамерзшей жидкости, содержащей сахара.

Окончательный средний диаметр кристаллов льда зависит от скорости замораживания. Чем скорость замораживания выше, тем лучше условия для нуклеации смеси, и количество более мелких кристаллов льда больше. Как правило, после охлаждения и замораживания смеси в кристаллизаторе, размеры ледяных кристаллов могут достигать 35-80 микрон.

Рыбное хозяйство и пищевая промышленность

Оборудование на основе ТПЛ может быть использовано в процессах охлаждения продуктов в рыбной и пищевой промышленностях. По сравнению с кристаллическим льдом, произведённым из пресной водой, ПЛ имеет следующие преимущества: однородность, более высокие скорости охлаждения продуктов питания и рыбы, способствует увеличению срока хранения, исключает вероятность «ожогов» продукта и механического повреждения внешней поверхности охлаждаемого объекта. ПЛ соответствует требованиям продовольственной безопасности и общественного здравоохранения, сформулированным в HACCP и ISO. Наконец, ПЛ характеризуется более низким удельным расходом электроэнергии по сравнению с существующими технологиями с использованием обычноого пресного кристаллического льда.

Супермаркеты

Системы накопления энергии на основе ТПЛ являются привлекательными для охлаждения воздуха в прилавках супермаркетов. Для этого случая ПЛ циркулирует по уже имеющимся трубопроводам в качестве хладоносителя. ПЛ используется, как замена хладагентов, разрушающих озоновый слой, например: Хлордифторметан и других хлорфторуглеродов.

Целесообразность использования ТПЛ для этого применения, обусловлена следующими факторами:

1. Высокая теплоотдача от ПЛ обеспечивает компактность оборудования. Оборудование ТПЛ меньше, по сравнению с другими типами холодильного оборудования той же мощности. ЛПЛ занимает меньше площади, имеет меньший объем и вес;
2. Структура ПЛ обуславливает существенно лучшие параметры этой охлаждающей среды. Сравнение показателей ПЛ может быть проведено на любой основе, в том числе, на единицу площади пола, занимаемого оборудованием, на единицу веса или объёма оборудования;
3. С ТПЛ легко поддерживать постоянную температуру воздуха внутри продуктовых витрин и прилавков супермаркета;
4. ТПЛ позволяет системе охлаждения быть более гибкой, при этом холодильные шкафы могут легко перестраиваться в соответствии с увеличением или уменьшением тепловой нагрузки;
5. Витрины, прилавки и шкафы, использующие ТПЛ, позволяют сократить длину труб с холодильным агентом, уменьшить расходы по обслуживанию и трудозатраты по обнаружению утечек по сравнению с системами непосредственного охлаждения или насосно-циркуляционными холодильными системами;
6. Благодаря высокой эффективности процесса передачи тепла в ТПЛ, требуется пониженное количество хладагента;
7. В противовес системам прямого расширения хладагента, витрины, прилавки и шкафы, использующие ТПЛ, не выбрасывают тепло в помещение, так как нет необходимости для установки воздушных конденсаторов под оборудованием. Поэтому воздух вокруг витрин не нагревается;
8. При использовании ТПЛ требуется меньше энергии на размораживание оборудования.

Производство ледяного вина

Широкие перспективы использования ТПЛ открыты для производства специальных вин, именуемых Ледяное вино. По сравнению с существующей технологией производства «Richwine» или «Ice wine», при использовании ТПЛ не нужно ждать несколько месяцев, пока заморозится виноград. Свежевыжатый виноград собирают в специальный контейнер, подключенный к аппарату по производству ПЛ. Сок прокачивается через ЛПЛ, из которого уже выходит в виде смеси льда, и немного более концентрированного сока. Жидкий лед возвращается в накопительный бак, в котором, в соответствии с законом Архимеда, происходит естественная сепарация льда и сока. Цикл повторяется много раз, пока концентрация сахара в соке не достигает°Вх по шкале Брикса. Концентрированный сок легко удаляется из резервуара и перекачивается в другой специальный танк для реализации процесса брожения до момента получения этого напитка.

Системы накопления и хранения энергии

Системы накопления и хранения энергии на базе ТПЛ могут быть использованы в централизованных системах кондиционирования воздуха с водяным охлаждением. СНХЭ с ТПЛ позволяет снизить эксплуатационные расходы здания, потребность в новых электростанциях и линиях электропередач, потребление энергии электростанцией, загрязнение атмосферы, выбросы парниковых газов. Срок возврата инвестиций при использовании СНХЭ с ТПЛ составляет 2 — 4 года. По сравнению со статическими и динамическими системами хранения льда, общий коэффициент теплопередачи при производстве ПЛ, более чем в десятки или сотни раз, выше, чем тот же коэффициент для указанных выше типов СДСХЛ. Это объясняется наличием большого количества термических сопротивлений между кипящим хладагентом в испарителе и водой / льдом в накопительном баке в СДСХЛ. Высокие значения OКТП в СНХЭ на основе ТПЛ обуславливают уменьшение объемов комплектующих изделий, увеличение максимально достижимой концентрации льда в объеме бака, и это, в конечном счете, влияет на цену оборудования. СНХЭ на основе ТПЛ установлены во многих странах: Японии, Кореи, США и Великобритании.

Mедицина

Разработан технологический защитный процесс охлаждения на основе использования специально изготовленной ледяной суспензии для медицинских применений. В этом случае ПЛ может быть введен внутрь артерии, внутривенно, а также на наружные поверхности органов при использовании лапароскопии, или даже через эндотрахеальную трубку. Результаты исследований подтверждают тот факт, что ПЛ может быть использован для выборочного охлаждения органов с целью предотвращения или ограничения ишемического повреждения после инсульта или сердечного приступа. Завершены медицинские тесты на животных, моделирующие условия проведения стационарных лапароскопических операций на почку. Результаты исследований французских и американских учёных должны быть одобрены американским Управлением по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарственных препаратов,.

Преимущества ТПЛ в применении к медицине:

1. ПЛ может легко перекачиваться через узкие игольные катетеры, обеспечивающие высокую подводимую холодильную мощность и быстрое охлаждение органов;
2. ПЛ позволяет обеспечить защитное охлаждение и контроль температуры целевых органов во время операции;
3. ПЛ помогает людям, которым требуется срочная медицинская помощь, включая даже случаи остановки сердца и инсульт.

Горнолыжные курорты

Экономические последствия глобального потепления стимулируют интерес к производству снега на горнолыжных курортах в теплую погоду, даже при температуре окружающей среды 20 °C.Требуемая электрическая мощность и размеры существующего производственного оборудования в значительной степени зависят от влажности, ветра и температуры окружающей среды, которая должна быть ниже минус 4°С. Способ производства снега основан на распылении и замораживании в воздухе капелек воды до их соприкосновения с поверхностью земли. ПЛ производимый по Технологии Вакуумного Льдогенератора помогает профессиональным лыжникам увеличить сроки тренировок до и после зимнего сезона. Для любителей лыжного спорта появляется возможность кататься на лыжах круглый год.

Процесс производства ПЛ организован следующим образом. В объёме сосуда над солевым раствором, размещённым внутри ВЛГ, создаётся очень низкое давление. Небольшая часть раствора испаряется в виде воды, а оставшаяся жидкость замерзает, формируя смесь раствора и кристаллов льда. Водяные пары постоянно отсасываются из ВЛГ, сжимаются и подаются в конденсатор за счёт центробежного компрессора особой конструкции. Стандартный охладитель воды поставляет охлаждающую воду с температурой 5°С для конденсации водяного пара. Жидкая ледяная смесь перекачивается из объема ВЛГ в концентратор, в котором кристаллы льда отделяются от жидкости. Высоко концентрированный лёд извлекается из концентратора.

ВЛГ установлены на горнолыжных курортах Австрии и Швейцарии.

Просмотров: 3100

<<< Сосулька

Торосы >>>