Технические науки/2. Механика

Д.т.н. Короткий И.А.

ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», Россия

Учайкин А.В.

МСАУ «Стадион Химик», г. Кемерово, Россия

Исследование эффективности работы емкостного кристаллизатора для разделительного вымораживания воды

Физико-химическая основа очистки воды методом вымораживания заключается в следующем: при замерзании растворов кристаллизуется чистый растворитель – вода, а раствор насыщается остатком растворенных веществ.

Водопроводная вода представляет собой раствор органических и неорганических составляющих (растворенных веществ), а также различных газов в чистой воде (растворитель). При замораживании такой воды сначала замерзает растворитель, который является чистой водой, в то время как жесткие составляющие насыщают раствор. Если затем слить не замерзшую воду и растопить лед, то получится чистая вода.

Кроме эффективной очистки воды от примесей вымораживание структурирует молекулы воды. Считается, что талая вода после таяния льда имеет определённую структурированную кластерную структуру. Попадая в организм, талая вода положительно воздействует на водный обмен человека, способствуя очищению организма.

Целью настоящей работы является исследование процесса разделительного вымораживания воды в кристаллизаторе емкостного типа и определение его эффективных режимов работы.

Для проведения экспериментальных исследований был использован емкостной кристаллизатор, схема которого представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема кристаллизатора емкостного типа

Установка состоит из цилиндрической емкости 7 с крышкой 12, в которую помещена другая цилиндрическая емкость 11, выполненная из нержавеющей стали. Пространство между их стенками заполнено хладоносителем 8. Тепло от него отводится хладагентом, циркулирующим через испаритель-змеевик 9 холодильной машины, включающей также компрессор 1, конденсатор 2, фильтр-осушитель 3 и дроссельное устройство 4. Слив концентрата осуществляется через трубопровод 6 путем открытия запорного вентиля 5. Оттаивание намороженного льда осуществляется термоэлектронагревателем 10.

Перед началом каждого эксперимента в кристаллизатор заливалась предварительно охлажденная до температуры 1° С вода. Температура хладоносителя поддерживалась на уровне -2, -5, -7 и -10° С, процесс намораживания льда осуществлялся в течении 180 мин.

Толщину образовавшегося слоя льда на цилиндрической поверхности кристаллизатора определяли расчетным путем по объему не замерзшей воды с учетом различия плотностей воды и льда.

По полученным данным был построен график изменения толщины намораживаемого слоя льда в зависимости от времени при различных значениях температуры хладоносителя (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость толщины намораживаемого слоя льда от времени кристаллизации при температуре хладоносителя: 1 – минус 10° С; 2 – минус 7° С; 3 – минус 5° С; 4 – минус 2° С

По графику, представленному на рис. 2, установлено, что скорость образования льда имеет нелинейный характер и со временем кристаллизации снижается. Данный факт обусловлен тем, что по мере роста толщины слоя льда термическое сопротивление между теплообменной поверхностью и водой повышается, что снижает эффективность отвода теплоты. При температурах хладоносителя -10, -7 и -5° С наибольшая скорость образования льда наблюдалась в диапазоне от 30 до 60 мин. В том случае, когда температура хладоносителя составляла -2° С скорость кристаллизации была максимальной в первые 30 мин процесса замораживания. Через 180 мин. после процесса кристаллизации толщина образовавшегося слоя льда при температурах хладоносителя -2, -5, -7 и -10° С составила соответственно 18,6; 27,4; 32,5 и 35,8 мм.

На рис. 3 представлен график изменения температуры на теплообменной поверхности кристаллизатора в процессе замораживания.

После запуска холодильная машина работает непрерывно до тех пор, пока температура хладоносителя не достигнет заданного значения. Время, необходимое для этого при установленных значениях температуры хладоносителя -2, -5, -7 и -10° С составило 25, 60, 96 и 160 мин. соответственно, после чего на графиках наблюдается волнообразный характер температурных кривых. Холодильная машина при этом работает в циклическом режиме для поддержания заданной температуры хладоносителя в допустимом диапазоне, установленным перед началом эксперимента.

Рис. 3. Засисимость температуры теплообменной поверхности кристаллизатора от времени замораживания при температуре хладоносителя: 1 - минус 2° С, 2 - минус 5° С, 3 - минус 7° С, 4 - минус 10° С

Оценивали энергетические затраты на осуществление процесса намораживания льда в лабораторном кристаллизаторе. На рисунке 4 в графической форме представлены зависимости энергозатрат от толщины намораживаемого слоя льда.

Рис. 4. Зависимость удельного энергопотребления от толщины слоя льда в процессе кристаллизации при температуре хладоносителя: 1 - минус 2° С, 2 - минус 5° С, 3 - минус 7° С, 4 - минус 10° С

Из графика, приведенного на рис. 4 следует, что при определенной температуре хладоносителя, поддерживаемой в процессе кристаллизации, имеется определенный оптимум толщины слоя льда, образование которого сопровождается минимальным удельным энергопотреблением. При температурах хладоносителя -2 и -5° С наименьшие энергозатраты на вымораживание 1 кг воды наблюдались при тодшигна слоя льда соответственно в 5¸6 и 9¸12 мм. В том случае, когда температура хладоносителя составляла -7 и -10° С наименьшее удельное энергопотребление соответствовало толщине слоя льда 13¸16 мм. Было также установлено, что кристаллизация при заданной температуре хладоносителя -10° С характеризовалась наименьшими удельными энергозатратами, которые при толщине слоя льда 13¸16 мм составили 500¸512 кДж/кг образовавшегося льда.

Таким образом, разделительное вымораживание сопровождается наименьшими энергозатратами при непрерывной работе холодильной машины до достижения слоя льда в 13¸16 мм. В данном случае длительность этого процесса составила 60¸70 мин., хладоноситель к тому времени охлаждался до температуры -6¸ -7° С. Кристаллизация при более высоких температурах ведет к повышению удельного энергопотребления. Кристаллизация при установленной температуре ниже -10° С также является нецелесообразной, поскольку при этом хладоноситель не успевает охладиться до заданного значения температуры.

Литература:

1. Плотников В.Т., Филаткин В.Н. Разделительные вымораживающие установки. -М.: Агропромиздат, 1987. -352 с.

2. Пап Л. Концентрирование вымораживанием -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. -96 с.

3. Шамаров М.В. Низкотемпературное концентрирование / М.В. Шамаров, М.И. Лугинин // Пищевая индустрия.-2011.-№ 4/9.-С. 65-66.