Seminarium z przedmiotu CHŁODNICTWO Temat: Właściwości termofizyczne lodu binarnego (zawiesinowego), jako pośredniego nośnika ciepła. Przykłady zastosowania w systemach chłodniczych i klimatyzacyjnych. Przemysław Gromow Przemysław Jakóbowski Sem. VIII SUCH i KL
Spis treści: 1. Wstęp. 2. Charakterystyka ogólna lodu binarnego. 3. Zalety i wady. 4. Metody wytwarzania lodu binarnego. 4.1. Metoda próŝniowa. 4.2. Metoda przepływowa. 5. Przykłady zastosowań lodu binarnego (zawiesinowego). 5.1. Klimatyzacja. 5.2. Supermarkety. 5.3. Chłodzenie cieczy. 5.4. Zanurzeniowe wychładzanie produktów spoŝywczych. 5.5. Inne zastosowania Lodu binarnego. 6. Układy chłodnicze pośrednie z NH 3 jako czynnikiem chłodniczym i lodem binarnym jako chłodziwem pośrednim. 7. Wnioski. 8. Literatura.
1. Wstęp: Z uwagi na zaostrzenie przepisów odnośnie ochrony środowiska, a szczególnie atmosfery moŝna zaobserwować obecnie następujące, równoległe drogi rozwoju techniki chłodniczej: - poszukiwanie nowych czynników chłodniczych, które zastąpią dotychczas stosowane szkodliwe freony z grupy CFC oraz ograniczenie stosowania freonów z grupy HCFC ( ich owocem jest np.: R134a) - badania nad zastosowanie czynników całkowicie neutralnych dla środowiska naturalnego takich jak woda, amoniak, propan czy dwutlenek węgla. Teoretycznie mogą być one uŝywane jako czynniki chłodnicze, ale nie są szeroko stosowane przede wszystkim ze względu na ich własności termodynamiczne, ale takŝe toksyczne czy wybuchowość ( amoniak, propan). - stosowanie pośrednich układów chłodzenia, które umoŝliwiają zastosowanie dwóch róŝnych płynów roboczych: jeden do produkcji drugi do transportu zimna. W tym rozwiązaniu ogranicza się ilość szkodliwych freonów, które są uŝywane tylko do samego procesu produkcji zimna. Jest ono następnie przekazywane za pomocą płynu pośredniczącego, neutralnego dla środowiska do odbiorcy. Do najczęściej stosowanych czynników pośredniczących ( chłodziw) naleŝą: solanki (chlorki wapnia, sodu, magnezu) roztwory glikoli i alkoholi. Nowym obiecującym chłodziwem stosowanym w pośrednich układach chłodzenia jest lód binarny zwany lodem zawiesinowym. Lód ten jest mieszaniną kryształków lodu z wodą i środkami obniŝającymi temperaturę krzepnięcia wody. Środkami tymi mogą być glikole, alkohole lub sole. Rozmiary kryształów lodu w lodzie binarnym są niewielkie zazwyczaj nie przekraczają 0,5 mm. Dzięki temu lód binarny moŝe być przepompowywany przez układ przewodów tak samo jak faza ciekła. Lód binarny uznawany jest obecnie za najlepszy płyn pośredniczący dla zakresów temperatur od -8 do -2 i stosowany jest w supermarketach, zakładach przetwórstwa spoŝywczego oraz klimatyzacji róŝnych obiektów (hoteli, kopalni, biurowców, samolotów).
2. Charakterystyka ogólna lodu binarnego: Omawiany lód stanowi zawiesinę kryształków lodu w wodzie o temp 0 C. Kryształki o wymiarach od 0,1 do 0,5mm rozmieszczone są w całej objętości wody. StęŜenie robocze zawiesiny dające się pompować rurociągami zawiera się w przedziale od 20 do 40%. Przy wyŝszych stęŝeniach zawiesina gęstnieje i staje się trudniejsza do przepompowania. Zawiesina o stęŝeniu 90% moŝe być traktowana za normalny lód wody. W porównaniu z innymi płynami pośredniczącymi, lód binarny charakteryzuje się znacznie wyŝszymi wartościami współczynników wnikania ciepła. Na przykład, dla zawiesiny z bryłkami lodu o średnicy od 0,5 do 1 mm i przy stęŝeniu lodu na poziomie 20%, współczynnik wnikania ciepła moŝe wzrosnąć nawet 5 krotnie, zaś przy stęŝeniu lodu w zawiesinie 30% nawet 10 krotnie w odniesieniu do przepływu czystej wody. Szczególnie wysokie wartości współczynnika wnikania ciepła moŝna otrzymać przy zastosowaniu lodu binarnego w roztworze wodnym etanolu (talinu). Roztwór wodny etanolu posiada wysokie ciepło właściwe. Ponadto etanol jest substancją naturalna nie szkodliwą dla środowiska i co bardzo waŝne relatywnie tanią. Jego wadą jest to, Ŝe jest czynnikiem powodującym korozję. Etanol moŝe być stosowany w zakresie od -3 do -40. Chlorek sodu jest uŝywany jako dodatek, gdy lód ma być stosowany tam gdzie występuje fizyczny kontakt chłodziwa z produktem chłodzonym. Dodatek ten jest głownie stosowany do produkcji lodu na statkach, gdzie woda morska zawiera od 2 do 3% chlorku sodu. Cechuje się on równieŝ korzystnymi własnościami pod względem oporów przepływu. Lód zawiesinowy moŝemy uwaŝać za tzw. płyn Binghama, w którym nie ma przepływu laminarnego ani turbulentnego, zaś ruch ten moŝna nazwać tłokowym. Oznacza to, Ŝe prędkość takiego płynu niemal w całym przekroju rurociągu jest jednakowa.
Na rys. powyŝej przedstawiono zaleŝność miedzy oporami przepływu i prędkością dla płynu niutonowskiego oraz płynu Binghama. W zakresie niskich prędkości przepływu lód binarny stawia większe opory przepływu w porównaniu do wody, lecz przy prędkościach ponad 2 m/s opory te są znacząco mniejsze od oporów przepływu wody, zwłaszcza dla niskich stęŝeń lodu. Na rysunku powyŝej przedstawiono przebiegi zmienności gęstości lodu binarnego dla róŝnych stęŝeń wodnego roztworu talinu (0,1, 5, 10, 20 i 30%) w zakresie temperatur od -30 C do 5 C. Z wykresu wynika, Ŝe poniŝej temperatury początku zamarzania następuje spadek gęstości wraz ze spadkiem temperatury. Jest on tym gwałtowniejszy im niŝsze jest stęŝenie roztworu. Dla udziału masowego talinu 0.1% wynosi niemal 100 [kg/m 3 ] i występuje w stałej temperaturze około 0 C (podobnie jak dla wody).
Na rysunku przedstawiono przebiegi zmienności entalpii właściwej lodu zawiesinowego w zaleŝności od temperatury, dla róŝnych stęŝeń talinu (30%, 20%, 10%, 5%, 0.1%). Spadek wartości entalpii wraz ze spadkiem temperatury jest tym łagodniejszy, im wyŝsze jest stęŝenie talinu w roztworze. Największy spadek entalpii występuje dla stęŝenia talinu 0.1% i przebiega podobnie jak dla wody. 3. Zalety i wady: Zasadniczymi zaletami lodu binarnego są: Obojętność dla środowiska naturalnego, Bardzo duŝa pojemność cieplna, (co umoŝliwia redukcje masy nośnika ciepła w układzie i w konsekwencji redukcja średnic rurociągów) MoŜliwość akumulowania zimna w samym nośniku ciepła, bez potrzeby budowania zasobników zimna NajwaŜniejsze wady tego nośnika ciepła to: Wysoki koszt wytwornic lodu binarnego (sama wytwornica kosztuje tyle, co reszta instalacji), Trudności projektowe systemu przewodów ( nie moŝna doprowadzić do rozdzielenia się cieczy i kryształków lodu np. prowadzenie rozdziału strumienia od dołu), Brak doświadczenia w stosowaniu tego nośnika ciepła ( brak danych projektowych instalacji oraz wymienników ciepła)
4. Metody wytwarzania lodu binarnego. 4.1 Metoda próŝniowa JeŜeli w parowniku zamraŝalniku obniŝymy ciśnienie do 0,0061bar i temperaturę do 0,01 C to osiągniemy punkt krytyczny, w którym współistnieją ze sobą lód, woda i para wodna. Para odsysana jest przez spręŝarkę, a w parowniku zamraŝalniku pozostaje mieszanina kryształów i wody zwana lodem binarnym. Para odsysana przez spręŝarkę jest przekazywana do zbiornika, gdzie następuje jej skroplenie. Skroplona ciecz jest ponownie uŝyta do zasilania wytwornicy lodu. Odebrana para jest skroplona w skraplaczu, który moŝe być chłodzony w dwojaki sposób: pośrednio lub bezpośrednio. Metoda próŝniowa produkcji lodu zawiesinowego oparta jest na urządzeniach o duŝych i bardzo duŝych wydajnościach rzędu 500 5000KW i 150 do 1500 ton suchego lodu na dobę.
4.2 Metoda przepływowa Metoda ta polega na zamarzaniu powierzchniowym wody podczas jej przepływu przez zbiornik i zeskrobywaniu zarodników lodu z jej wew. powierzchni. W tym celu stosuje się skrobaki śrubowe lub łopatkowe. W koszulce cylindrycznej o przekroju pierścieniowym otaczającej zbiornik wrze czynnik chłodniczy (np.: amoniak lub propan). Stanowi on parownik dla urządzenia chłodniczego spręŝarkowego. Skrobak śrubowy jest jednocześnie transporterem zawiesiny, co jest jego zaletą. Ponadto wywołuje on wysoką turbulencję przepływającej wody, co przyczynia się do intensywnej wymiany ciepła. StęŜenie zawiesiny reguluje się poprzez zmianę natęŝenia przepływu wody przez generator (cylinder wytwornicy). Zmniejszenie natęŝenia prowadzi do wyŝszego stęŝenia zawiesiny. MoŜe być teŝ zmienna liczba obrotów wału napędowego skrobaka (ustalona z doświadczeń, Ŝe liczba 300 obrotów na min jest optymalna). Zawiesina odpływa do zaizolowanego cieplnie pojemnika akumulacyjnego, a stąd do punktów odbioru technologicznego. Pojemnik akumulacyjny umoŝliwia pracę generatora w godzinach nocnych, a takŝe pozwala na zmniejszenie gabarytów urządzenia chłodniczego. Stanowi on równieŝ rezerwę zimna na wypadek awaryjnego przestoju urządzenia. Zaletą metody przepływowej jest moŝliwość uzyskania dowolnie małych wydajności. Na rynku dostępne są takie generatory o wydajności od 1 do 100KW i od 0,3 do 30 ton czystego lodu na dobę.
W metodzie tej wykorzystujemy wytwornicę płynnego lodu Slurry ICE typu ORE. Wytwornice ORE są typu ociekowego z wykorzystaniem pionowego wymiennika typu rura w rurze. Warstwa wody natryskiwana na ściankę wewnętrzną ulega przechłodzeniu. Wirujący wewnątrz pręt zapobiega nawarstwianiu się lodu. Powstają mikrokryształki lodu, które spływają z wodą i gromadzą się w zbiorniku. Koncentrację kryształków lodu i wydajność moŝna regulować
Schemat generatora lodu binarnego 1. SpręŜarka 2. Wytwornica lodu binarnego typu ORE 3. Zbiornik magazynujący 4. Pompa obiegowa i zawory 5. Płytowy wymiennik 5. Przykłady zastosowań lodu binarnego (zawiesinowego) 5.1 Klimatyzacja Stosowanie akumulacji zimna w LB stwarza moŝliwość znacznego zmniejszenia mocy zainstalowanej w układzie klimatyzacyjnym. Przykładowo, klimatyzacja komfortowa obiektu o maksymalnym obciąŝeniu cieplnym 300 kw zezwala, dzięki akumulacji zimna, na zainstalowanie układu o mocy zaledwie 75 kw (25%) - przy pojemności akumulatora 25 m 3. Zastosowanie LB w klimatyzacji pozwala zredukować średnice rurociągów i powierzchnie chłodnic powietrza nawet o 50%. 5.2 Supermarkety W miejsce obiegów czynnikowych w supermarketach moŝna stosować LB do zasilania lad wystawowych, chłodziarek, zamraŝarek oraz komór chłodniczych i mroźniczych. Urządzenia chłodnicze zasilane są LB o temperaturze -4 0 C. Chłodnice takich urządzeń o temperaturach około zerowych, najczęściej nie wymagają odtajania. Urządzenia mroźnicze wymagają LB o
temperaturze -20 do -30 C. Odtajanie odbywa się przy uŝyciu ciepłej wody - przetłaczanej przez chłodnicę podczas odtajania. 5.3. Chłodzenie cieczy Tam gdzie zachodzi potrzeba szybkiego ochłodzenia wraŝliwych na wysoką temperaturę cieczy (np. mleka, soków owocowych, oleju itp.), LB staje się bardzo przydatny. Pojemniki wypełnione ochładzaną cieczą, np. konwie, butelki lub puszki, chłodzi się partiami w duŝych kontenerach siatkowych zanurzonych w zawiesinie na czas wychładzania. 5.4 Zanurzeniowe wychładzanie produktów spoŝywczych. Do zastosowań takich naleŝy chłodzenie ryb i krewetek zanurzonych w LB wytwarzanym z wody morskiej (rys. 13). Tą samą metodą chłodzi się owoce i warzywa (sałatę, groszek, truskawki, itp.). Produkt umieszczony w kontenerach aŝurowych (np. siatkowych) zanurza się w kadziach zawierających LB. Wychładzanie do temperatury 2 C trwa 10-20 minut. Produkt nie traci w tych warunkach swej masy wskutek braku ususzki.
5.5 Inne zastosowania LB. - Hotele, restauracje i bary. Chłodzenie komór, szaf, gablot wystawowych, ochładzaczy napojów i klimatyzatorów. - Kopalnie. LB stwarza duŝy zapas zimna. Chłodzenie LB kopalń zapewnia bezpieczeństwo i jest niezawodne pod względem eksploatacyjnym. Rurociągi przesyłowe LB odznaczają się małymi średnicami. - Chłodnie i rzeźnie. Chłodzenie komór składowych, zamraŝalni i wychładzalni tunelowych mięsa, drobiu i innych produktów. 6. Układy chłodnicze pośrednie z NH 3 jako czynnikiem chłodniczym i lodem binarnym jako chłodziwem pośrednim. W chłodnictwie przemysłowym jako alternatywę układów z czynnikiem syntetycznym proponuje się wytwarzanie chłodu w amoniakalnych centralach chłodniczych i jego rozprowadzenie za pośrednictwem odparowującego, CO 2 lub topniejącej papki lodowej. Interesującą odmianę układu chłodniczego NH 3 /CO 2 z lodem zawiesinowym jako chłodziwem pośredniczącym obrazuje rys. 7. AŜeby obniŝyć temperaturę zamarzania lodu zawiesinowego do -10 o C dodano do niego (w pojemniku 5) etanol. Pojemnik lodu zawiesinowego 5 słuŝy jednocześnie jako bufor wyrównujący wahania temperatury wskutek zmian obciąŝenia cieplnego. W ten sposób zmniejsza się niezbędna wydajność spręŝarki i obniŝa jej koszt inwestycyjny oraz eksploatacyjny, gdyŝ spręŝarka moŝe być wtedy
mniejsza i napędzana tańszą energią liczoną wg taryfy nocnej. SpręŜarka pracuje przy tym w warunkach bardziej ustabilizowanych, a to przyczynia się do podniesienia jej wydajności i trwałości. Zmniejszają się takŝe koszty ruchowe przy duŝych zmianach obciąŝenia w ciągu dnia i nocy. Łącząc uŝyteczną akumulację chłodu w zbiorniku 5 z moŝliwością cyrkulacji lodu zmniejszamy koszty ruchowe. Urządzenia chłodnicze wg rys. 7 stanowią obecnie jeden z bardziej obiecujących i docenianych kierunków rozwojowych. Rys. Centralny dwustopniowy układ chłodniczy z amoniakiem jako czynnikiem chłodniczym na wysokim stopniu spręŝania obniŝającym temperaturę lodu zawiesinowego do -10 o C oraz z CO 2 jako czynnikiem chłodniczym na niskim stopniu spręŝania (zakres -10 o C): 1 - spręŝarka amoniakalna wysokiego stopnia, 2 - skraplacz, 3 - zawór rozpręŝny, 4 - parownik NH 3 chłodzący w pojemniku 5 lód zawiesinowy mieszany wewnątrz pojemnika za pomocą pompy 12 jednocześnie zasilającej tym lodem chłodnicę 11 schładzającą pomieszczenia chłodnicze -10 o C, 6 - skraplacz układu chłodniczego CO 2 (-10 o C) chłodzony lodem zawiesinowym, 7 - spręŝarka CO 2 niskiego stopnia, 8 i 10 - dowolnie rozwiązywalny obiekt przechowywania Ŝywności chłodzonej i mroŝonej 7. Wnioski Zastosowanie lodu binarnego, jako chłodziwa w pośrednich systemach chłodzenia moŝe przynieść szereg korzyści, pod warunkiem, Ŝe zostaną właściwie dobrane parametry pracy instalacji i poprawnie zaprojektowane jej elementy (wymienniki ciepła, rurociągi, pompy, itp.). Do tego celu niezbędna jest znajomość właściwości fizycznych i termodynamicznych chłodziwa, takich jak gęstość, lepkość, przewodność cieplna, ciepło właściwe i entalpia właściwa.
Wprowadzenie bezpiecznych czynników chłodniczych, do których niewątpliwie naleŝy lód binarny spowoduje, Ŝe w instalacjach chłodniczych systemy bezpośredniego odbioru ciepła zostaną zastąpione systemami pośrednimi (z uŝyciem chłodziwa). Zastosowanie lodu binarnego jako chłodziwa w pośrednich systemach chłodzenia moŝe przynieść szereg korzyści. Jest on nie szkodliwy dla środowiska i równocześnie posiada znakomite własności ziębnicze. MoŜliwości zastosowania lodu zawiesinowego są bardzo duŝe, i jeŝeli koszty będą relatywnie niskie, to wówczas czynnik ten moŝe zastąpić dotychczas stosowane chłodziwa. 8. Literatura: Ł. Mika, W. Zalewski: Właściwości fizyczne i termodynamiczne lodu binarnego (zawiesinowego). Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 2002 nr 3 str. 87 91 M. Kauffeld, K. Gardo Christensen: Dwutlenek węgla i papka lodowa. Chłodnictwo i Klimatyzacja 1997 nr 2 str. 23 27 Nowe czynniki chłodnicze. Poradnik: wyd. MASTA Gdańsk 2004 http://sunwell.com http://muel.com Inne strony WWW.