Холодильне устаткування

Розділ 3 холодильне устаткування

Штучний холод застосовують у багатьох галузях народного господарства, коли потрібно одержати температуру більш низьку, ніж температура навколишнього середовища.

На підприємствах харчування холод дозволяє одержувати харчові продукти високої якості, розширювати їхній асортимент, створювати умови для тривалого зберігання і постачання населення продуктами харчування.

Холодильна техніка вивчає способи одержання і використання холоду. У створенні наукових основ холодильної техніки найважли­віша роль належить ученим фізикам і хімікам.

Холод для зберігання харчових продуктів використовується здавна. Спочатку це були лід і сніг, а в XVII ст. стали застосовувати суміш льоду із сіллю, що дозволило одержувати температуру нижче нуля. У середині XIX ст. з’явилися перші промислові машини.

Поряд із зростанням холодильних ємностей постійно розвива­ються холодильне машинобудування й приладобудування. Холодильні машини випускаються переважно у вигляді автоматизованих агрегатів. Велика увага приділяється також конструюванню й виготовленню невеликих автоматизованих холодильних машин, що дозволяє оснащу­вати холодом значну кількість підприємств торгівлі й суспільного харчування.

Холодильне господарство на сьогодні має значну кількість авто­матизованих холодильних установок, великий парк ізотермічних вагонів, авторефрижераторів і могутню флотилію суден-рефрижера­торів. Потреба різних галузей народного господарства у холодильних машинах, апаратах і приладах задовольняється заводами холодильно­го машинобудування й заводами приладобудівної промисловості.

Для використання на доготівельних підприємствах заморожених продуктів, напівфабрикатів і готових страв передбачається створення холодильного устаткування з температурою в охолоджуваному об’єкті  25 ^оС і нижче.

3.1. Фізичні основи і технічні засоби одержання низьких температур

3.1.1. Фізичні принципи одержання низьких температур

Для одержання низьких температур використовують фізичні процеси, які супроводжуються поглинанням теплоти. До таких проце­сів належить фазовий перехід речовини, що супроводжується поглинанням теплоти ззовні: плавлення, кипіння (випаровування), сублімація; адіабатичне дроселювання газу з початковою температу­рою, меншою за температуру верхньої точки інверсії (ефект Джоуля-Томсона); адіабатичне розширення газу з віддачею корисної зовніш­ньої роботи; вихровий ефект (ефект Ранка); термоелектричний ефект (ефект Пельтьє).

Діапазон низьких температур, які отримуються для задоволення потреб різних галузей народного господарства, дуже широкий – від температур навколишнього середовища до температур, близьких до абсолютного нуля.

Фазовий перехід речовини. Фазовий перехід ряду речовин при плавленні, кипінні (випаровуванні), сублімації відбувається при низьких температурах і з поглинанням значної кількості теплоти.

Найбільш доступною речовиною, що застосовується для одер­жання низьких температур, є водяний лід, який при атмосферному тиску плавиться при 0°С і має відносно велику величину питомої теплоти плавлення 335 кДж/кг. Більш низьку температуру плавлення можна одержати, змішуючи лід з деякими солями. Таким шляхом можна знизити температуру суміші до так званої кріогідратної (евтектичної) температури – найнижчої температури плавлення певної суміші.

У кріогідратній точці при масовій концентрації хлориду кальцію 29,9% суміш плавиться при 55 °С.

Отримання низьких температур у результаті використання процесу кипіння знайшло найбільш широке поширення. Температура кипіння речовини залежить від тиску: зі зменшенням тиску темпера­тура кипіння знижується і навпаки.

Отже, за допомогою однієї речовини можна одержати інтервал низьких температур, а вибираючи речовини з потрібними власти­востями – кожну з низьких температур.

Процеси випаровування використовують переважно для зни­ження температури води чи вологих поверхонь.

Джерелом низької температури може бути тверда вуглекислота (сухий лід), що при атмосферному тиску має температуру сублімації -78,5°С, питому теплоту 574 кДж/кг. Сублімація водяного льоду при тиску, нижчому за атмосферний, відбувається при температурі нижче 0°С. Цей процес використовують при сублімаційному сушінні харчових продуктів.

Адіабатичне дроселювання. Адіабатичним дроселюванням назива­ється необоротне розширення газу (рідини) при його проходженні через пристрій з малим прохідним перетином (дросель, пориста перегородка). Процес протікає швидко, тому теплообмін із навколишнім середовищем практично не відбувається і ентальпія речовини не змінюється. Корисна зовнішня робота не відбувається, тому що робота проштовхування переходить у теплоту тертя.

При адіабатичному дроселюванні реального газу (на відміну від ідеального) внаслідок зміни внутрішньої енергії здійснюється робота проти сил взаємодії молекул. Це веде до зміни температури газу (ефект Джоуля-Томсона), її підвищення чи зниження залежно від його первісного стану.

Для всіх газоподібних речовин в області, близькій до критичної, адіабатичне дроселювання призводить до зниження температури. Процес адіабатичного дроселювання використовують для одержання помірно низьких і кріогенних температур.

Адіабатичне розширення газу. Одержання низьких температур у результаті адіабатичного розширення газу з віддачею корисної зовніш­ньої роботи можливе при будь-якому стані газу, оскільки температура змінюється у бік зниження.

Адіабатичне розширення газу в детандері (розширникові) застосо­вують для одержання кріогенних температур.

Вихровий ефект. При подачі стиснутого повітря, що має темпе­ратуру навколишнього середовища, по тангенціальному введенню в трубу швидкість обертання повітря буде обернено пропорційна радіусу. Центральна частина потоку буде мати більшу швидкість, ніж периферійна. У зв’язку з цим температура повітря біля стінки труби буде вища, а в центрі – нижча за температуру повітря, що подається в трубу.

Розділяючи периферійну і центральну частини потоку, можна одержати потоки повітря з низькою і високою температурами. Це явище називається ефектом Ранка.

Термоелектричний ефект. Термоелектричний ефект (ефект Пельтьє) полягає у тому, що під час проходження постійного електричного струму через ланцюг, що складається з двох різно­рідних металів, один із спаїв має низьку температуру, а інший – високу.

Основний показник якості термоелемента  коефіцієнт доброт­ності, що визначає максимальну різницю температур гарячого і холодного спаїв. Холодний спай є джерелом низької температури.

Отже, здійснюючи певний фізичний процес, можна одержати джерело потрібної низької температури, яке необхідне для того, щоб з його допомогою знизити температуру тіла, тобто остудити його відповідно до вимог технології виробництва. Наприклад, для збере­ження якості харчових продуктів, що швидко псуються, їх необхідно остудити до певної температури (припустимо, 0°С) і підтримувати цю температуру упродовж терміну зберігання.

Для охолодження продуктів можна використовувати будь-яке джерело, але з температурою більш низькою, ніж та, яку повинен мати продукт, щоб теплота природним шляхом переходила від продукту до джерела.

Безмашинні способи одержання холоду ґрунтуються на плав­ленні, випаровуванні, сублімації, а в термоелектричних охолоджу­вальних пристроях  на ефекті Пельтьє.