EFFICIENCY OF ARTIFICIAL COLD PRODUCTION IN SEPARATION FREEZE-OUT PLANTS
Authors:
1.
Kemerovo State University
Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Russian Federation
2.
Kemerovo State University
(Department of General and inorganic chemistry, Professor)
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
3.
Kemerovo State Agricultural Institute
Type:
Article
Pages:
from 116
to 122
Status:
Published
Received:
30.12.2016
Accepted:
30.12.2016
Published:
30.12.2016
Subject area:
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Concentration, separation freeze-out, cryoconcentration, refrigerant, energy efficiency
Abstract (English):
The article presents the results of research on energy efficiency of using various refrigerants in single-stage cold supplying systems of separation freeze-out plants. Separation freeze-out is used for low temperature concentration of liquid foods, water purification, separation and concentration of aqueous solutions. The volume of energy consumption in separation freeze-out is determined by the temperature of the object to be concentrated and that of the environment, as well as by thermodynamic properties of the refrigerant. Analytically, using known thermodynamic relations we have determined the energy consumption required for crystallization of 1kg of water from the solution when single-stage refrigerators using R-717, R-134a, R-22, R-404a, and R-410a as refrigerants are applied to remove heat of crystallization. The data have been obtained in the temperature range of boiling of the refrigerant from -5 C to-30 C and ambient temperatures from 15 C to 35 C. On the basis of thermodynamic analysis it has been found that a cold supplying system using R-22 as the refrigerant has better energy and operational efficiency for separation freeze-out plants. A coldsupplying system using ammonia has better energy efficiency compared to the ones using other refrigerants in a more restricted operating range, the refrigerant boiling point being above -20 C. In addition, the use of ammonia refrigerating systems for separation freeze-out is limited by constructive features. The use of R-134a refrigerant in the cold supplying system will lead to a significant increase in energy consumption for separation freeze-out compared to other cooling agents. R-410a can be a worthy replacement for R-22 after its withdrawal from use in the refrigeration industry for use in separation freeze-out plants.
The article presents the results of research on energy efficiency of using various refrigerants in single-stage cold supplying systems of separation freeze-out plants. Separation freeze-out is used for low temperature concentration of liquid foods, water purification, separation and concentration of aqueous solutions. The volume of energy consumption in separation freeze-out is determined by the temperature of the object to be concentrated and that of the environment, as well as by thermodynamic properties of the refrigerant. Analytically, using known thermodynamic relations we have determined the energy consumption required for crystallization of 1kg of water from the solution when single-stage refrigerators using R-717, R-134a, R-22, R-404a, and R-410a as refrigerants are applied to remove heat of crystallization. The data have been obtained in the temperature range of boiling of the refrigerant from -5 C to-30 C and ambient temperatures from 15 C to 35 C. On the basis of thermodynamic analysis it has been found that a cold supplying system using R-22 as the refrigerant has better energy and operational efficiency for separation freeze-out plants. A coldsupplying system using ammonia has better energy efficiency compared to the ones using other refrigerants in a more restricted operating range, the refrigerant boiling point being above -20 C. In addition, the use of ammonia refrigerating systems for separation freeze-out is limited by constructive features. The use of R-134a refrigerant in the cold supplying system will lead to a significant increase in energy consumption for separation freeze-out compared to other cooling agents. R-410a can be a worthy replacement for R-22 after its withdrawal from use in the refrigeration industry for use in separation freeze-out plants.
Keywords:
Concentration, separation freeze-out, cryoconcentration, refrigerant, energy efficiency
Concentration, separation freeze-out, cryoconcentration, refrigerant, energy efficiency
Введение Выбор рабочего вещества холодильной маши- ны - хладагента - зависит от режимов работы холодильной машины, экологических факторов, тре- бований безопасности и т.д. В свою очередь от применяемого холодильного агента зависит энергетическая эффективность холодильной машины, а также ее конструктивные особенности, что обу- словлено различиями физико-химических свойств холодильных агентов. Целью работы является определение диапазона эффективного применения различных холодильных агентов в холодильных машинах, используемых в разделительных вымораживающих установках, предназначенных для концентрирования жидких пищевых продуктов, а также для очистки воды вы- мораживанием. В пищевой промышленности в настоящее время концентрирование вымораживанием нашло широкое применение. Его используют для очистки и опреснения воды, концентрирования фруктовых соков, кофейных экстрактов, алкогольных напит- ков, получения натуральных пищевых красителей, а также для сгущения молока и молочных продук- тов, вторичного сырья мясной промышленности и т.д. [1]. Разделительное вымораживание также до- статочно успешно используется в фармакологии, в частности, для сгущения некоторых лекарственных препаратов: сыворотки крови, ферментных препа- ратов, фармацевтических композиций и др. [2]. Концентрирование вымораживанием энергети- чески является значительно более эффективным процессом по сравнению с другими способами концентрирования. Например, по сравнению с вы- париванием, можно отметить, что теплота льдооб- разования воды приблизительно в 7 раз меньше теплоты ее парообразования. При этом современ- ные технологии разделительного вымораживания позволяют снизить потери сухих веществ до 1 % и менее. Если учесть холодильный коэффициент, величина которого составляет 22,5, так как низко- температурная система разделительной вымораживающей установки обеспечивает только трансфор- мацию теплоты от объекта концентрирования вы- мораживанием в окружающую среду, то энергети- ческие затраты на реализацию концентрирования вымораживанием будут снижены еще в 22,5 раза. Кроме того, необходимо отметить, что низкотемпе- ратурное концентрирование позволяет избежать жесткого термического воздействия на объект кон- центрирования, которое происходит при выпарива- нии, а также при низких температурах замедляются процессы коррозии технологического оборудова- ния [3]. Объекты и методы исследований Холодильный агент, циркулируя в замкнутом контуре холодильной машины, обеспечивает отвод теплоты от объекта охлаждения, перенос и передачу ее окружающей среде. Для обеспечения цирку- ляции холодильного агента в контуре холодильной машины требуется энергия для того, чтобы осуще- ствить перенос теплоты с низкого температурного уровня на более высокий. Затраты энергии, необхо- димые для отвода теплоты от объекта охлаждения, определяются температурами объекта охлаждения и окружающей среды, а также термодинамически- ми свойствами холодильного агента. В качестве холодильных агентов используются различные природные или синтетические вещества: аммиак, углеводороды, фреоны. Выбор холодильного агента осуществляется на основании анализа совокупности всех качеств и факторов, характеризующих работу холодильной машины. Номенклатура рабочих веществ, исполь- зуемых в холодильной технике, очень широка. Раз- ные холодильные агенты, используемые в холо- дильных машинах в качестве рабочих веществ, определяют различные рабочие режимы холодиль- ных машин, показатели их энергетической эффек- тивности и холодопроизводительности, а также конструктивные особенности холодильной машины в целом и отдельных ее элементов. Это обусловле- но различиями термодинамических свойств холо- дильных агентов [4]. Исследовалась эффективность производства ис- кусственного холода в одноступенчатых холодиль- ных машинах, работающих на фреоне R-134a, R-22, R-404a, R-410а, аммиаке. Эти холодильные агенты нашли наиболее широкое применение в среднетем- пературных установках бытового, коммерческого и промышленного назначения [5]. Аммиак (R-717) применяют в компрессионных холодильных машинах при температурах конденсации tк 55 С, в одноступенчатых машинах до температуры кипения t0 = -30 C. Высокие значения показателя адиабаты, отношения давлений pк/p0, повышенные требования к безопасности ограничи- вают его применение. Однако хорошие термодина- мические характеристики этого холодильного аген- та обусловливают высокие показатели энергетиче- ской эффективности аммиачных холодильных ма- шин, что способствует широкому применению хо- лодильных машин такого типа для получения большой холодопроизводительности. Фреон R-134a является озонобезопасным анало- гом широко применявшегося во второй половине XX века фреона R-12. Он используется в односту- пенчатых холодильных машинах всех типов при температурах конденсации tк < 75 С. Фреон R-22 - рабочее вещество холодильных машин, работающих в температурном диапазоне по температурам кипения от 10 до минус 70 С в одно- и двухступенчатых холодильных машинах при температурах конденсации tк 50 С. Однако в настоящее время, несмотря на очень хорошие тер- модинамические характеристики этого хладагента, его производство и применение ограничено между- народными договорами и законами Российской Федерации. Фреон R-404a является неазеотропной смесью холодильных агентов, которая по термодинамиче- ским свойствам незначительно отличается от фреона R-22, однако имеет существенно более низкий показатель политропы сжатия в компрессоре. В связи с этим температура нагнетания в компрессоре холодильной машины, работающей на этом холодильном агенте, будет существенно ниже, чем при работе на фреоне R-22. Поэтому холодильные машины, работающие при большой степени повышения давления pк/p0 на фреоне R- 404a, могут быть изготовлены в одноступенчатом исполнении. Фреон R-410a представляет собой смесь хла- дагентов R-32 и R-125 при равных массовых до- лях компонентов (50 и 50 %). На данный момент это наиболее часто применяемый хладон в новых системах мобильного и стационарного бытового охлаждения. R-410а является смесью, близкой к азеотропной. Фреон R-410а является холодиль- ным агентом следующего за R-22 поколения. Од- нако переход на этот хладагент сопряжен с заме- ной оборудования, так как R-410а имеет значи- тельно большие рабочие давления по сравнению с R-22. Исследования производились на основе термо- динамического анализа одноступенчатых циклов холодильных машин, используемых для раздели- тельного вымораживания [6]. В термодинамической теории холодильных ма- шин большое значение имеет окружающая среда. Окружающая среда характеризуется прежде всего тем, что ее параметры не зависят от работы рассматриваемой холодильной машины. В качестве такой среды использовался атмосферный воздух с температурой от 15 до 35 С. Важным условием для реализации технического решения производства искусственного холода яв- ляется организация теплообмена между рабочим веществом и окружающей средой, а также между рабочим веществом и объектом низкотемператур- ной обработки. Для термического анализа эффек- тивности холодильных циклов разность температур между рабочим веществом и окружающей средой в конденсаторе приняли равной 10 С, разность тем- ператур между рабочим веществом и объектом низкотемпературной обработки - концентрируе- мым раствором - приняли 5 С. Рабочий цикл холодильной машины односту- пенчатого сжатия изображен на рис. 1 в координа- тах p-h (давление - энтальпия). В этом цикле про- цесс сжатия в компрессоре 1-2; охлаждение хлада- гента и конденсация в конденсаторе - процесс 2-3’; 3’-3 - переохлаждение холодильного агента перед дроссельным вентилем, а также a-1 - перегрев ра- бочего вещества перед всасыванием в компрессор процессы регенерации теплоты в теплообменнике рекуперативного типа в фреоновых холодильных машинах. В аммиачных холодильных машинах ре- генерация теплоты нецелесообразна. Процесс 3-4 - дросселирование в дроссельном устройстве. Про- цесс 4-a - кипение хладагента в испарителе. Удельная холодопроизводительность холодиль- ной машины (q0): q0 = ia - i4. (2) Удельная адиабатная работа компрессора (lад): lад = i2 - i1. (3) Мощность холодильной машины Ne (кВт), ко- торую необходимо затратить для отвода теплоты Q0 [кВт] от объекта охлаждения, определяется сле- дующим образом: Ne = Ni + NТР, (4) где Ni - индикаторная мощность сжатия рабочего вещества в компрессоре, NТР - мощность, затрачи- ваемая на преодоление трения и привод вспомога- тельных устройств. Ni = Gд lад /i, (5) где Gд - массовый расход холодильного агента, циркулирующего в холодильной машине (кг/с); i - индикаторный кпд компрессора. Мощность трения определяется из эмпирической формулы: Рис. 1. Теоретический цикл одноступенчатой холодильной машины Перегрев рабочего тела перед компрессором определяют по формуле Тпер = Т1 - Тa. Для амми- ачных холодильных машин перегрев рабочего ве- щества на всасывании в компрессор принимали Тпер = 5 С. Для фреоновых Тпер = 15 С. Переохлаждение перед дросселированием рассчитывают следующим образом: для холодильных машин, работающих по регенеративному циклу (фреоновые холодильные машины), - из уравнения энергетического баланса регенеративного теплообменника: NТР = pi тpVT, (6) где pi тр = (4090)·103 Па давление трения, значе- ние выбирается от используемого прототипа ком- прессора; VТ - теоретическая объемная производи- тельность компрессора (м3/с), зависящая от его геометрических параметров. Массовый расход холодильного агента опреде- ляется из формулы: Gд = Q0/q0. (7) Теоретическая объемная производительность определяется по формуле: VТ = Gд v1/, (8) где v1 - удельный объем рабочего вещества, всасыiж - iж = iп - iп , (1) ваемого в компрессор; - коэффициент подачи вх вх вх вх компрессора, = f(pнг/pвс). Здесь pнг - давление, до для холодильных машин, работающих по нерегене- ративному циклу (аммиачные холодильные машины) предполагали, что состояние холодильного агента перед дросселированием соответствует состоянию насыщения. которого осуществляется процесс сжатия рабочего вещества непосредственно в рабочих органах ком- прессора; pвс - давление рабочего вещества, посту- пающего непосредственно в рабочую полость ком- прессора. Рис. 2. Затраты энергии на получение 1 кг льда в кри- сталлизаторе разделительной вымораживающей уста- новки в зависимости от температуры кипения холо- дильного агента (в диапазоне от -5 до -30 С) и темпе- ратуры окружающей среды tос (15, 25, 35 С) в односту- пенчатой холодильной машине при использовании раз- личных холодильных агентов (R-134a, R-22, R-404a, R- 410a, R-717) Результаты и их обсуждение С помощью формул 18 были определены энер- гетические затраты, необходимые для получения 1 кг льда в кристаллизаторе разделительной вымо- раживающей установки при использовании одноступенчатой системы хладоснабжения, работающей на холодильных агентах R-134a, R-22, R-404a, R- 410а, аммиаке (R-717) при различных температурах кипения холодильного агента и различных темпе- ратурах окружающей среды (рис. 2). На рис. 3 приведены результаты сравнительной оценки производства искусственного холода одноступенчатыми холодильными машинами, работа- ющими на различных холодильных агентах, относительно энергетических затрат одноступенчатой аммиачной холодильной машины. Рис. 3. Результаты сравнительного анализа производств искусственного холода одноступенчатыми холодильны ми машинами, работающими на различных холодиль ных агентах (R-134a, R-22, R-404a, R-410a), относитель но энергетических затрат одноступенчатой аммиачно холодильной машины в диапазоне температур кипени холодильных агентов от -5 до -30 С и при температ рах окружающей среды tос = 15 С, tос = 25 С, tос = 35 а - - й я у- С Из представленных данных следует, что наилучшей энергетической эффективностью в диа- пазоне температур кипения холодильного агента от -5 до -20 С обладают аммиачные холодильные машины. При температурах кипения холодильного агента ниже -20 С энергетическая эффективность аммиачной холодильной машины начинает усту- пать холодильным машинам, работающим на фреонах R-22 и R-410a. К тому же при температу- рах от -20 С и ниже в одноступенчатой аммиачной холодильной машине температура нагнетания близка к максимально допустимой температуре нагнетания холодильного агента в аммиачной хо- лодильной установке (160 С [7]), а при некоторых режимах даже превышает ее. Это ограничивает применимость аммиачных холодильных машин в разделительных вымораживающих установках с температурным уровнем кипения холодильного агента -20 С. Кроме того, аммиачная холодильная установка не может работать полностью в авто- номном режиме, для ее безопасной эксплуатации требуется обслуживающий персонал, поэтому ам- миачные холодопроизводящие системы - это, как правило, установки средней и крупной холодопроизводительности, что также накладывает ограниче- ния на возможность использования аммиачных холодильных машин в установках разделительного вымораживания. Применение в качестве холодильного агента R- 134а приведет к значительно большим энергетиче- ским затратам по сравнению с аммиачными холо- дильными машинами. Увеличение энергетических затрат по сравнению с аммиачным холодильными машинами будет больше на 2242 %, а по сравне- нию с холодильными машинами на фреоне R-22 - на 1465 %. Таким образом, использование фреона R-134a в системах хладоснабжения разделительных вымораживающих установок нецелесообразно. имеет лучшую энергетическую эффек- тивность по сравнению с R-134а, однако относительно R-22 его термодинамическая эффективность ниже на 522 %, к тому же R-404a представляет собой неазеотропную смесь холодильных агентов, что несколько усложняет работу с этим рабочим веществом. Наиболее близкими по термодинамической эф- фективности являются холодильные агенты R-22 и R-410а. Отличия в энергетических показателях этих холодильных агентов не превышают 11 % в пользу более эффективного R-22. Однако отличия в рабо- чих давлениях этих холодильных агентов довольно значительны. Так, давления конденсации R-22 составляют 10,517,3 атмосфер при температурах конденсации 2545 С, в то время как для R-410a давление конденсации составит 16,527 атмосфер в том же диапазоне температур конденсации. Таким образом, наиболее эффективным холо- дильным агентом для систем хладоснабжения раз- делительных вымораживающих установок является R-22. Следует отметить, что при появлении доста- точного количества оборудования, рассчитанного для работы на R-410a, этот холодильный агент сможет составить достойную замену фреону R-22.
1. Antipov, S.T. Innovacionnoe razvitie processov holodil'nogo koncentrirovaniya zhidkih sred / S.T. Antipov, V.Yu. Ovsyannikov, A.A. Korchinskiy // Innovacionnoe razvitie tehniki pischevyh tehnologiy. Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii. 2015. - S. 206-210
2. Surkov, I.V. Evaluation and preventing measures of technological risks of food production / I.V. Surkov, A.Y. Prosekov, E.O. Ermolaeva, G.A. Gorelikova, V.M. Poznyakovskiy // Modern Applied Science. 2015. - T. 9. - № 4. - S. 45-52
3. Korotkiy, I.A. Issledovanie raboty emkostnogo kristallizatora dlya razdelitel'nogo vymorazhivaniya zhidkih pischevyh produktov / I.A. Korotkiy, D.E. Fedorov, N.A. Trizno // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. - 2012. - T. 4. - № 27. - S. 106-110
4. Korotkiy, I.A. Analysis of the energy efficiency of the fast freezing of blackcurrant berries / Korotkiy I.A. // Foods and Raw Materials. - 2014. - № 2. - S. 3-14
5. Bogdanov, S.N. Holodil'naya tehnika. Kondicionirovanie vozduha. Svoystva veschestv: spravochnik / S.N. Bogda- nov, S.I. Burcev, O.P. Ivanov, A.V. Kupriyanova; pod red S.N. Bogdanova. - SPb.: SPbGAHPT, 1999. - 320 s
6. Korotkiy, I.A. Energy efficiency analysis of the sea buckthorn (hippophae rhamnoides) fruits quick freezing / I.A. Korot- kiy, E.V. Korotkaya, V.V. Kireev // Foods and Raw Materials. 2016. T. 4. № 1. S. 110-120
7. Pravila bezopasnosti ammiachnyh holodil'nyh ustanovok (PB 09-595-03) / Utverzhdeny Postanovleniem Gosgortehnadzora Rossii ot 09.06.03 № 79. Zaregistrirovano v Minyuste Rossii 19.06.03, reg. № 4779 // Biblioteka GOSTov i normativov: Ohranatruda.ru URL: http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/39/39942/ (data obrascheniya: 08.11.2016)
