Содержание к диссертации
Введение
I. Обзор и анализ литературных источников по низкотемпературной обработке морепродуктов 12
1.1. Существующие способы замораживания рыбы 12
1.1.1. Замораживание рыбы естественным холодом 12
1.1.2. Способ замораживания в смеси льда и соли 13
1.1.3. Замораживание рыбы искусственным холодом,
получаемым машинным методом (воздушное замораживание) J 3
1.1.4. Замораживание в холодных рассолах 23
1.1.5. Замораживание с применением диоксида углерода, жидкого азо га и фреона 24
1.1.6. Комбинированные способы замораживания 28
1.2. Процессы, проходящие в тканях рыбы при замораживании 29
1.2.1. Микробиологические изменения 29
1.2.2. Физико-химические изменения 31
1.2.3. Биохимические изменения 34
1.2.4. Теплофизические изменения при замораживании 37
1.3. Необходимые количества замораживаемого рыбопродукта
в условиях Вьетнама 41
1.4. Холодопроизводительность морозильной камеры 45
1.5. Требование к низкотемпературной системе и морозильным аппаратам 48
1.6. Задачи исследовании в рамках диссертации 50
II. Сопоставление методов расчета продолжительности замораживания пищевых продуктов 51
2.1. Краткий обзор сущее гвующих аналитических методик расчеі а продолжительности замораживания 51
2.2. Определение коэффициента теплоотдачи 58
2.3. Методика расчета продолжительности замораживания 61
2.3.1. Расчет продолжительность первой стадии 62
2.3.2. Расчет продолжительность второй стадии 64
2.3.3. Расчет продолжительности третьей стадии 66
2.4. Выбор оптимального режима замораживания морепродуктов в условиях Вьетнама 67
2.5. Моделирование процесса замораживания морепродуктов 71
2.5.1. Нелинейное дифференциальное уравнения теплопроводности Фурье с учетом фазового перехода 72
2.5.2. Теоретические основы метода конечных элементов 77
2.5.3. Метод обобщенных минимальных невязок (GMRES) 80
2.5.4. Моделирование процесса замораживания морепродуктов 83
2.5.5. Сопоставление методик расчета времени замораживания 88
III. Анализ низкотемпературных установок для замораживания рыбопродуктов 91
3.1. Одноступенчатые паровые компрессионные циклы 91
3.1.1 . Идеальный теоретический цикл (цикл Карно) 91
3.1.2. Парожидкостной цикл 94
3.1.3. Регенеративный цикл 95
3.2. Двухступенчатые паровые компрессионные циклы 97
3.2.1. Необходимость перехода к двухступенчатому сжатию 97
3.2.2. Схема двухступенчатого сжатия с неполным промежуточным охлаждением 98
3.2.3. Цикл двухступенчатого сжатия с полным промежуточным охлалсдением и двойным дросселированием (промежуточный
сосуд без змеевика) 100
3.2.4. Цикл двухступенчатого сжатия с полным промежуточным охлаждением и двойным дросселированием (промежуточный сосуд со змеевиком) 102
3.3. Схема каскадной холодильной машины 104
3.4. Дроссельные регенеративные системы 107
IV. Подбор оптимального значения состава и давлений смеси для низкотемпературных установок 113
4.1. Процессы в ДРС при работе на смесях 113
4.2. Этапы разработки дроссельных систем на смесях 118
4.3. Методика подбора состава смесевого хладагента 118
4.4. Подбор оптимальных смесей с температурой охлаждения
воздуха в термокамере 203 К и 173 К 119
4.5. Способ получения энергетических характеристик выбранного компрессора со смесевым хладагентом 121
4.6. Подбор электрогенератора и конденсатора 129
V. Экспериментальное иследование 133
5.1. Задачи эксперимент а 133
5.2. Описание экспериментального стенда с модернизацией 133
5.3. Оценка погрешностей эксперимента 138
5.4. Анализ результатов экспериментального исследования 143
Выводы 156
Список использованных источников 164
- Замораживание рыбы естественным холодом
- Методика расчета продолжительности замораживания
- Идеальный теоретический цикл (цикл Карно)
- Этапы разработки дроссельных систем на смесях
Введение к работе
Актуальность работы
Среди разнообразия пищевых продуктов в условиях Социалистической Республики Вьетнам особо выделяются морепродукты. Это не только основной пищевой продукт СРВ, но и значительная статья экспорта. Актуальность работы связана с тем, что для создания высокоэффективных низкотемпературных морозильных камер для замораживания тунца в условиях Вьетнама на малых рыболовецких шхунах представляются целесообразным провести анализ и выбор оптимальных значений температур шоковой заморозки рыбопродуктов и скоростей обдува продукта холодным воздухом; определение продолжительности замораживания при оптимальных режимах работы морозильной камеры; выбор типа высокоэффективного низкотемпературного оборудования; оптимизация параметров и режимов работы морозильного агрегата; экспериментальное подтверждение результатов расчетов процессов замораживания креветок, пангасиуса и тунца; оптимизация и выбор элементов низкотемпературного оборудования для малых Вьетнамских рыболовецких шхун.
Цель работы Разработка высокоэффективной низкотемпературной системы для быстрой заморозки рыбопродуктов.
Основные задачи исследования
1 - Обзор и анализ существующих способов замораживания рыбопродуктов.
2- Выбор аналитических формул расчета коэффициента теплоотдачи и времени раздельного охлаждения и замораживания рыбопродуктов.
3 - Численное моделирование процесса замораживания рыбопродуктов.
4- Сопоставление различных методик расчета времени заморозки рыбопродуктов.
- Выбор оптимального режима быстрой заморозки рыбопродуктов.
- Подбор и оптимизация состава смесевого хладагента (как по качественному составу, так и по количественному) и давлений конденсации и испарения в цикле (проводится по максимальным значениям удельной холодопроизводительности q0 и холодильного коэффициента єх).
- Экспериментальное получение энергетических характерик низкотемпературных систем со смесевым хладагентом.
- Экспериментальное иследование процессов быстрой заморозки рыбопродуктов.
Научная новизна
1. Впервые получены аналитические формулы расчета коэффициента
теплоотдачи и трехмерные графики зависимости коэффициента теплоотдачи
от температуры, скорости воздуха и размера продукта.
2. Впервые получены формулы расчета продолжительности замораживания
рыбопродуктов по раздельному охлаждению и замораживанию.
Впервые проведено сопоставление различных методик расчета продолжительности замораживания морепродуктов.
Впервые применен метод эффективной теплоемкости с модификацией для моделирования процесса замораживания рыбопродуктов в потоке холодного воздуха при его скоростях в диапазоне 5...15 м/с.
Впервые получены экспериментальные данные основных процессных параметров замораживания креветок, пангасиуса и тунца.
Разработана программа для расчета характеристик выбранного компрессора по данным каталогам.
Практическая значимость работы
1 - Даны рекомендации по энергетически эффективному способу
замораживания рыбопродуктов.
2 - Даны рекомендации оптимальных режимов быстрого замораживания
рыбы.
3 - Рекомендована формула расчета коэффициента теплоотдачи и
эффективной теплоемкости для моделирования процесса замораживания
рыбопродуктов.
4 - Построены трехмерные графики прогнозирования продолжительности,
скорости замораживания рыбопродуктов для температур охлаждающего воздуха в
диапазоне от - 50... - 100 С и при скоростях воздуха 1... 15 м/с.
- Получены энергетические и расходные характеристики низкотемпературной системы с подобранным смесевым хладагентом, которые позволяют выбирать параметры низкотемпературных термокамер.
- Разработанная программа для ЭВМ позволяет рассчитывать энергетические и расходные характеристики конкретного компрессора по данным каталогов.
8 - Разработанная низкотемпературная система со смесевым хладагентом
позволяет создать высокоэффективный комплекс для быстрого замораживания
морепродуктов для малых рыболовецких шхун.
Автор выносит на защиту:
результаты экспериментальных исследований процессов замораживания морепродуктов;
результаты сопоставления времени замораживания креветок, пангасиуса и тунца, полученные расчетами по различным методикам с экспериментальными результатами;
выбор оптимального режима заморозки рыбопродуктов.
Апробация работы: Основные научные результаты были доложены и обсуждены на XVI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ, 2010); XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ 24 - 25 февраля 2011); V Международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (г. Москва, КВЦ «Сокольники», 30
марта - 2 апреля 2010); VI Международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (г. Москва, «Сокольники», 13-15 апреля 2011).
Публикации: по результатам работы опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 2 тезиса докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 177 стр., включает 157 стр. основного текста, 60 рисунков, 16 таблиц, 107 литературных источников и 2 приложений на 20 стр.
Замораживание рыбы естественным холодом
Естественное замораживание обычно применяется в местах подледного лова и можно начинать замораживание при температуре наружного воздуха: + 5... - 8 С, но наилучшее качество рыбы получается при температуре ниже - 15 С [3, 4, 8, 9]. Для замораживания рыбы помещают на морозильную площадку, очищенную от снега и загрязнений. Рыбу раскладывают на предварительно подготовленной площадке поштучно в один ряд, чтобы обеспечить максимальный теплообмен поверхности с воздухом, по мере замораживания рыбу переворачивают. Крупную рыбу обычно замораживают в -13-подвешенном состоянии, мелкую раскладывают равномерным слоем толщиной не более 12 см. При сильном морозе и ветре рыба замораживается быстро, при этом обеспечивается высокое качество продукта и значительная экономия [3 ,4, 8, 9].
Способ замораживания в смеси льда и соли
Этот метод основан на использовании льда в смеси с солями. При этом одновременно и параллельно происходят процессы растворения соли с образованием рассола и плавление льда с образованием воды и дальнейшем растворением соли. При этом процессе затрачивается теплота смеси, вследствие чего температура ее понижается.
Наиболее низкая температура смеси достигается при эвтектической температуре. Для различных веществ она неодинакова: для поваренной соли: С с содержанием соли в растворе 29,9 % [3, 4,10, 42]. Этот кустарный способ, в настоящее время применяемый изредка, связан с трудностями соблюдения необходимых санитарных условий работы и связанное с этим низкое качество получаемой мороженой продукции явился, естеств :ННО, только переходным к машинному замораживанию рыбы.
Замораживание рыбы искусственным холодом, получаемым машинным методом (воздушное замораживание) Рыбу замораживают также в камерах при температуре: - 20 ...- 40 С с естественной и принудительной циркуляцией воздуха. При замораживании сранительно крупных объектов, оптимальная скорость движения воздушного потока составляет 5 м/с; при поштучном замораживании продуктов небольшего размера в воздушных морозильных установках скорость движения среды может быть повышена до 10 м/с [1-4].
В настоящее время используются основные виды воздушного замораживания рыбы: Морозильные камеры с естественным движением воздуха [3, 4, 8]. Морозильные камеры обычно используют для замораживания продуктов крупных размеров, когда интенсивность замораживания ограничивается толщиной продукта. Продукт подвешивают или укладывают в виде штабеля на полу или полках стеллажей холодильной камеры. Воздух циркулирует над продуктом с минимальной скоростью. Недостатками таких холодильных камер являются: скорость замораживания минимальна; присутствует нежелательная неоднородность поля температур по объему камеры; требуются значител лые затраты ручного труда.
Морозильные камеры с интенсивным движением воздуха [3, 4, 8J, 105]. Замораживание в морозильных камерах с интенсивным движением воздуха широко применяется на береговых холодильниках старой постройки для замораживания продуктов крупного и среднего размеров любой формы. Продукт размещают на полках тележек таким образом, чтобы он равномерно обдувался воздухом.
В состав холодильного оборудования входят воздухоохладители с принудительным движением воздуха. Воздух из канала всасывается вентиляторами, проходит через воздухоохладитель, обдувает продукты и вновь поступает в канал (рис. 1.1).
Недостатком этого способа является низкая скорость замораживания. Продолжительность замороживания мелкой рыбы б...8 ч., крупной 18...36 ч., и очень крупной 36...72 ч. Загрузка и разгрузка замораживаемого продукта выполняются обычно вручную. Рис.1.1. Стеллажные морозильные камеры. 1- воздухоохладитель; 2- вентилятор; 3- канал; 4- направляющая лопатка.; 5- тележки с продуктами.
Для интенсификации процесса замораживания в современных морозиль ных камерах интенсивного действия поддерживаются параметры охлаждающего воздуха: температура в интервале: - 30...- 40 С, скорость 4 ...9 м/с и относительная влажность 85 ...95 % [86].
Морозильные туннели с интенсивным движением воздуха [3, 4, 96]. На некоторых береговых холодильниках, крупных траулерах и плавбазах старой постройки, морозильные холодильные туннели обычно используют для замораживания морепродуктов крупного и среднего размеров. В состав холодильного оборудования входят воздухоохладители с принудительным движением воздуха, напольные этажерные тележки, осевые вентиляторы с электродвигателями (рис. 1.2). В туннельных морозильных аппаратах непрерывного действия обычно предусматривают конвейерную систему, обеспечивающую перемещение продукта по туннелю, его автоматическую загрузку и разгрузку. При туннельной заморозке воздух подается только в охлаждаемый объем, в котором движется продукт.
Для удобства заморозки продуктов загрузка большинства туннельных морозильных аппаратов непрерывного действия ограничивается продуктами одинакового размера и формы. Однако если в этом туннеле использовать лотки разных размеров, то возможно одновременное замораживание продуктов разных размеров.
Методика расчета продолжительности замораживания
Этот способ замораживания широко применяется в связи с развитием современной техники упаковки, особенно вакуумной. При применении упаковочных материалов из полимерных материалов, абсолютно герметичных и плотно прилегающих к продукту, типа " вторая кожа", создаются хорошие условия для теплообмена, увеличивается коэффициент теплоотдачи. При этом значительно сокращается продолжительность замораживания продукта: 25.. 120 мин. в зависимости от толщины продукта [4].
В качестве охлаждающей среды используется водный раствор поваренной соли плотностью 1160... 1170 кг/м3 , охлажденный до температуры: - 18... - 20 С. В Японии, США и некоторых других странах для замораживания тунцов, крабов в качестве рассолов применяются водные растворы хлористого кальция и нетоксичные жидкости,- например пропиленгликоль с температурой: - 40...- 50 С [3, 4, 29].
В холодных рассолах рыба замораживается быстро. Расход электроэнергии при этом способе замораживания на 20...30 % меньше по сравнению с воздушным способом [3, 4, 29] . Однако рыба просаливается, смерзается при последующем хранении и быстро теряет качество, оборудование значительно коррозируете?.
Замораживание с применения диоксида углерода, жидкого азота и фреона Наряду с традиционными способами замораживания пищевых продуктов все большее распространение получает замораживание с использованием жидкого азота, диоксида углерода и фреона. Замораживание в жидким азоте [3, 4, 6, 8, 15, 25, 27].
Существуют два способа замораживания продуктов с помощью жидкого азота: путем погружения, когда происходит мгновенное замораживание поверхности продукта; путем напыления при постоянном движении продукта в процессе замораживания.
Продолжительность замораживания рыбы в жидком азоте зависит от ее толщины: при толщине 20 мм. она составляет 8 мин. и 40 мм. — 17 мин.
Наиболее рациональной системой проточного хладоснабжения является трехзонная азотная система, которая позволяет использовать пары азота после его испарения в зоне замораживания (2-я зона), для предварительного охлаждения (1-я зона) и выравнивание температуры по толщине продукта (3-я зона). Расход жидкого азота на замораживание 1 кг продукта составляет 1,0... 1,5 кг.
Принципиальная схема азотного скороморозильного туннельныого аппарата ACTA представлена на рис. 1.10.
Многозонные аппараты выполняются в виде туннелей с горизонтальным или спиральным конвейером (рис. 1.11). Рис. 1.10. Принципиальная схема азотного скороморозильного туннельного аппарата (ACTA). I - зона предварительного охлаждения парами азота, II - зона орошения жидким азотом; III - зона выравнивания температуры; 1 - система отсоса паров азота; 2 - теплоизолированный подъемный короб; 3 - осевой вентилятор; 4 - жидкостной азотный коллектор с форсунками; 5 - гибкая шторка; 6 - сетчатый конвейер; 7 - привод конвейера;8 - привод подъема теплоизолированного короба; 9 - уплотнение; 10 - опора с механизмом подъема короба; 11 - датчик температуры; 12 - теплоизолированная плита. Туннельный криогенный морозильный аппарат с горизонтальным (а) и спиральным (б) конвейерами: 1 - танк для хранения криоагента; 2 - вход продуктов; 3 - система подачи зісидкого криоагентс; 4 -отсос паров агента; 5 - выход замороженного продукта. Замораживание в жидком фреоне [4]. В США еще применяются контактное замораживание продуктов в жидком фреоне R12. Этот способ удобен для замораживания филе, рыбных палочек, поштучного замораживания беспозвоночных. Остаточное содержание фреона в продуктах не должно превышать 30 мг/ЮОг. Возможны регенерация и повторное использование фреона. Стоимость замораживания в жидким фреоне в 2...3 раза ниже, чем в жидком азоте. Продожительность замораживания рыбных палочек - 2 мин., креветок - 2,5 мин. Такое быстрое замораживание обеспечивает высокую обратимость процесса.
Замораживание диоксидом углерода [3, 4, 5, 6, 9, 29].
Этот способ используют для поштучного замораживания рыбного филе, полуфабрикатов, ракообразных, моллюсков. Процесс замораживания осуществляется путем воздействия на продукт холодной газовой и жидкой средой или создания смеси из газа и диспергированной в ней твердого С02. С целью максимального использования теплоты сублимации продукт покрывают "снеговой шубой", получаемой после дросселирования жидкого ССК В ряде случаев твердый С02 используют в виде мелких гранул, которые укладывают вггутрь продукта (например, в тушку птицы) или засыпают в коробки с продуктом. Температура охлаждающей среды зависит от принципа организации процесса замораживания диоксидом углерода. При газовой среде она поддерживается в интервале: - 20... - 70 С, при охлаждении "снегом" и гранулами - равной: - 78,9 С.
Для промышленной реализации технологии НПО "Молния" по исходным требованиям ВНИИКОП разработало техническое решение на установку (рис. 1.12), совмещающую производство гранулированного диоксида углерода из жидкого СОо, дозированную подачу сырья и сухого льда во вращающийся морозильный туннель, перемещение сырья и гранул вдоль туннеля при обеспечении интенсивного замораживания сырья с одновременной сублимацией из твердых гранул газовой фазы С02, выгрузку замороженного сырья на транспортер и подачу на упаковку.
Использование углекислотной установки, не смотря на высокую стоимость замораживания, экономически выгоднее воздушного метода благодаря более высокой (в 4 раза) производительности, высокой скорости замораживания, меньшей обсемененности бактериями, отмирающими в атмосфере, низкой потери массы за счет усушки (0,3%) и более высокому качеству продукта. Расход твердого диоксида углерода на замораживание 1 кг продукта в среднем составляет 1 кг С02.
Схема аппарата для замораживания растительного сырья твердым гранулированным диоксидом углерода. 1 - установка для сбора газообразного диоксида углерода; 2 - сборник для мелкоплодного (или измельченного) растительного сырья; 3 - сборник для гранулированного диоксида углерода; 4 -термоизолированная труба для криообработки; 5 - привод; 6 - транспортер для замороженной продукции.
Комбинированные способы замораживания На практике встречаются комбинированные способы замораживания на холодной металлической поверхности с одновременным обдуванием воздуха или замораживанием в жидком азоте с воздушным обдувом.
В Японии применяют комбинированные способы замораживания тунцов с целью устранения таких дефектов, как очаговое вспучивание, расслоение и потемнение мяса рыбы при быстром замораживании в растворе хлористого кальция. Сначала рыбу помещают в рассол с температурой около: — 45 С и выдерживают до снижения температуры поверхностных слоев тела рыбы до: - 20...- 15 С, а внутренних до: - 6...- 2 С. После этого рыбу выдерживают на воздухе при температуре: - 25 С для выравнивания температурного поля в теле рыбы и достижения температуры внутренних слоев: - 3...- 2 С. Затем рыбу выдерживают в рассоле с температурой: - 45 С до конечной среднеобъемной температуры: — 35...- 30 С [3, 4].
В России разработаны новые перспективные способы замораживания тунцов в растворах хлористого натрия или кальция с добавлением 10 M жидкого азота. Рекомендуется также применять трехкомпонентную охлажденную среду, состоящую из хлористых натрия и кальция и жидкого азота. Допустимое содержание хлоридов натрия и кальция на глубине 1 см от поверхности рыбы не должно превышать соответственно 0,7 и 0,2 %. [3, 4, 29].
Процессы, прохождящие в тканях рыбы при замораживании Капельно-жидкая влага является растворителем многих органических и минеральных веществ и представляет собой благоприятную среду для жизнедеятельности микроорганизмов и биохимических реакций.
В процессе замораживания температура рыбы быстро снижается до: -18 С и ниже, в связи с этим в рыбе происходят микробиологические, биохимические, физико-химические и теплофизическое изменения.
Микробиологическое изменение в тканях рыбы при замораживании связано с подавлением жизнедеятельности микроорганизмов как на поверхности, тглс и внутри рыбы, а также снижение их количества [3, 4, 10, 23]. При медленном замораживании воздействие холода на микроорганизмы ослабляется. Они лучше сохраняются, приспосабливаясь к новым условиям, по сравнению с быстрым замораживанием.
Идеальный теоретический цикл (цикл Карно)
По формулам (2.24), (2.30) и (2.33) определяется продолжительность трех стадии процесса замораживания креветки радиусом 6 мм, пагасиуса 30мм и тунца радиусом 45 мм. Так же по формуле (2.31) - скорость замораживания при начальной температуре tH= 8 С и конечной температуре в центре tKOII= - 18С. Расчеты проведены при РЇЗМЄНЄНИИ скорости циркуляции воздуха в 1...15 м с и при его различных температурах: от — 50 до - 100 С. По рассчитанным значениям построены графики зависимости общей продолжительности т —f(w,t) и скорости замораживания Vn —f(w, t) от температуры и скорости охлаждающего воздуха (рис. 2.8, рис.2.9ирис.2.10): Зависимость T=f(w,t) филейной части тунца го =- 45 мм. б - Зависимость Vn=f(w,t) филейной части тунца VQ = 45мм. Анализ рассчитанных значений и графиков показал, что увеличение скорости охлаждающего воздуха в интервале от 1 до 15 м/с в целом приводит к сокращению продолжительности замораживания рыбы. Но с увеличением скорости воздуха в интервале от 1 до 5 м/с происходит снижение продолжительности замораживания более значительно, чем при увеличении скорости воздуха от 5 до 15 м/с.
С понижением температуры воздуха наблюдаются аналогичные процессы уменьшения продолжительности замораживания. Но с понижением температуры воздуха в интервале от - 50 до - 70С происходит снижение продолжительности замораживания более значительно, чем при понижении температуры воздуха от -70до-100С.
Из предыдущего анализа следует, что скорость и время окли к еітя наиболее резко изменяются при снижении температуры воздуха до — увеличении его скорости до 5 м/с поэтому для быстрого замора: їС ївания морепродуктов предварительно выбран оптимальный режим: и - скорость охлаждающего воздуха 5м/с; - температура охлаждающего воздуха: - 70 С. Эти значения выбраны на первом этапе для разработки низкотемпер 2/гУРно системы охлаждения.
Моделирование процесса замораживания морепродуктов Недостатки выше представленных методик состоят в том, что j «1СЧет проводится для продукта с правильными фигурами как и цилиндр, шар и пл .;ТИна и только решается одномерная задача; процесс замораживания внутри -рьіоьі происходит без охлаждения при постоянной криоскопической темпе УР6-Упрощённые модели не учитывают также зависимость теплофизических cj iXCTB от температуры.
На практике замораживание пищевых продуктов реализуется: 11РИ неоднородном профиле температуры в толще продукта. Причём свої сТВа продукта находятся в тесной зависимости от концентрации и стрх е гУРЬІ содержащейся в нём воды. Вода в биологических тканях находится в свободе! ІУІ и связанном состояниях. Кристаллизация начинается в межклеточном простраіа: :ГВЄ где концентрации раствора меньше, чем в клетках. Из-за полупроницаем сти клеточных мембран при замораживании происходит обезвоживание клетей и увеличение в них концентрации раствора. При перемещении фр с :3; га кристаллизации к ядру продукта увеличивается также и концентрация раствез в межклеточном пространстве. В результате изменяется криоскопичесг 51 температура при замораживании и уменьшается только на 4.. .5 С [55].
Нелинейное дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье с учетом фазового перехода Решение нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности Фурье с учетом фазового перехода основано на методах эффективной теплоемкости или доли жидкости (метод Пракаша). Они являются наиболее широко распространенные методы для решения задачи резкого или постепенного фазового перехода.
Метод эффективной теплоемкости. Задача Стефана может быть записана в виде одного общего уравнения теплопроводности для всей области расчета: р{Т)сре1 (Т)[ ) = У(Я(Г)УГ)+5„. (234) Разрывные коэффициенты с0, с, Я0, & уравнения (2.34) сглаживаются следующим образом [76]: cpeff(T) =с +glrAT)+(co -с ЫТ); (2.35)
Для того, чтобы удобно использовать функцию Дельта, заменим S(T) некоторой функцией 8(Т,ЛТ), которая отлична от нуля только внутри интервала сглаживания [-AT; AT].
Существуют различные аппроксимационные формулы для 5(Т, AT), которые строятся из условия сохранения баланса тепла на интервале [—AT, AT]. Простейшая из них связана с заданием
После сглаживания разрывнх коэффициентов, задача Стефана переходит к обычной задачи теплопроводности [76].
Недостатки метода эффективной теплоемкости: - Процесс фазового перехода протекает при постоянной криоскопической температуре на границе раздела фаз; надо знать фронт льдообразования и задавать условный интервал температуры AT. - Эффективная теплоемкость имеет пиковое значение в окрестности температуры фазового перехода, но итерация должна осуществляться на каждом шаге температуры и следует, что трудно получить хорошую сходимость [76]. - Все тепло физические параметры (теплопроводность, теплоемкость) изменяются скачком. Процесс замораживания внутри рыбы протекает несколько иначе. По мере снижения температуры образца уменьшается доля жидкой фазы и увеличивается доля льда, четкая граница раздела фаз отсутствует. На практике процесс замораживания внутри рыбы происходит при не постоянной температуре (рис. 2.11). С учетом этого при фазовом переходе предложим, что при изменении бесконечной малой температуры dT ниже криоскопической будет образовываться бесконечная малая доля вымороженной воды dm и теплота льдообразования, выделяемая при замораживании r4gidco. Кроме того, процесс льдообразования происходит одновременно с процессоь/і охлаждения льда поэтому еще нужна дополнительная теплота ср(Т) dT.
Этапы разработки дроссельных систем на смесях
Еще в первых работах по применению смесей в ДРС были выделены четыре группы МРТ: - Первая группа: компоненты с неограниченной растворимостью в жидкой фазе. В испарителе такие смеси кипят при Т = var (рис. 4.1). - Вторая группа: смеси на основе компонентов с ограниченной растворимостью. Жидкость в них состоит из двух фаз, при этом одна из них включает преимущественно низкокипящии компонент, что обеспечивает процесс кипения в испарителе при Т = idem (рис 4.2). - Третья группа: МРТ сформированы на основе компонентов с ограниченной растворимостью. Каждая из двух жидкостей подобрана так, что включает низко- и высококипящие компоненты. В испарителе такие смеси кипят при Т = var, как и смеси первой группы.
Четвертая группа: MPT, содержащие незначительные добавки компонентов с очень низкой критической температурой (неон, гелий), чтобы обеспечить понижение температуры кипения при заданном давлении обратного потока р„ в цикле. Процессы в ДРС на смесях с гетерогенной жидкой фазой.
На рис. 4.2 показан цикл ДРС на смеси для наиболее общего случая, когда компоненты имеют ограниченную растворимость. При этом гетерогенная жидкость включает две фазы. Сжатый поток по мере охлаждения конденсируется в регенеративном теплообменнике (РТ) и, начиная с некоторой температуры, в нем формируются две жидкие фазы с различными концентрациями (процесс 1-2). После дросселирования (процесс 2-3) образуются три фазы: пар + жидкость 1 + жидкость 2. При подводе теплоты к испарителю (процесс 3-4) в пар в основном переходит низкокипящая жидкость 1; при этом температура в испарителе практически не изменяется. Вторая жидкость, состоящая из высококипящих компонентов, испаряется в обратном потоке РТ (процесс 4-5), охлаждая прямой поток. В смесях такого рода наблюдаются две точки кипения и две точки росы. Первая точка кипения соответствует началу кипения жидкости 1, обогащенной низкокипящим компонентом Тк п . Вторая точка кипения, соответствует началу кипения высококипящей жидкости, причем эта точка совпадает с точкой росы Ткп = Трп (точка 4) для легкокипящей жидкости. Еще одна точка росы Трм соответствует более высокой температуре, когда в обратном потоке выкипает вся жидкость.
Характеристики систем на базе поршневых компрессоров при работе на смесях улучшаются в силу целого ряда причин. Уменьшение давления прямого потокарт рабочего тела до значений рт - 1,5...4,0 МПа снижает число ступеней в компрессоре и упрощает их конструкцию. Удельная холодопроизводительность MPT q0 Ahac при прочих равных условиях больше, чем для однокомпонентных криоагентов [11,14, 43]. Кроме того, заданная минимальная температура Т0 может быть достигнута при больших значениях рп давления обратного потока. Оба эти фактора позволяют уменьшить описанную объемную производительность Vh компрессора и, следовательно, улучшить массогабаритные характеристики ступени подготовки рабочего тела (СПТ) и системы в целом.
Применение МРТ целесообразно не только в криогенной, но и в холодильной технике. Здесь использование дроссельных рефрижераторов характеризуется рядом особенностей, которые форморовались по мере разьития отрасли в течение нескольких десятилений. Температуры охлаждения не ниже Т0 = 243...233 К могут быть получены на основе парокомпрессионного цикла. Рабочее тело для него выбирают так, чтобы Тс критическая температура превышала температуру Т0,с окруждающей среды. В этом случае после сжатия проводят конденсацию рабочего тела при Тох , а затем дросселирование жидкости до давлений, при которых температура кипения соответствует заданной Т0. Потери эксергии при дросселировании жидкости невелики, поэтому эксергетический КПД таких циклов определяется прежде всего эффективностью процессов сжатия. С учетом этого рабочее тело стремятся выбрать так, чтобы степень сжатия не превышала тт— 8... 10, что позволяет при относительно небольших холодопроизводительностях построить рефрежераторы на основе одноступенчатых поршевых компрессоров. Эксергетический КПД таких систем довольно высок и достигает г\е - 0,3...0,6.
Для получения температур, меньших Т0 = 243...233 К, на основе парокомпрессионных циклов перпективно направление, связанное с использованием зеотропных МРТ - таких, где фазовые переходы проводят в относительно больших температурных интервалах. В циклах, построенных на их основе, уменьшаются потери эксергии при теплообмене. Как и в криогенной технике, применение МРТ в холодильных установках дает больше степеней свободы при выборе решений, что особенно важно при системном подходе к разработке установок с учетом связей с основным технологическим процессом.
Таким образом, анализ весьма многочисленных данных показывает, что формируя МРТ с нужными свойствами, можно улучшать характеристики систем: 1) энергетические - вследствие уменьшения как собственных, тік и технических потерь путем выбора рациональных процессов и условий их проводения; 2) массогабаритные - увеличением удельной холодопроизводительности цикла и выбором рациональных давлений рт, рп в цикле для увеличения производительности компрессора. Этапы разработки дроссельных систем при работе на смесях
В целом процесс проектирования ДРС на смесях подчиняется некоторым общим закономерностям, которые характерны для разработки любой низкотемпературной дроссельной системы. Здесь можно выделить пять этапов [11,43]. Первый этап: формирование исходных данных. Основные из них: - температура окружающей среды Тос; - распределение тепловой нагрузки на систему qH(T) в температурном интервале [Т„, Т„ ], где должно проводиться охлаждение. Второй этап: выбор способа и оборудования для повышения давления потока рабочего тела с допустимыми диапазонами изменения прямого рт и обратного/ „ давлений потоков в цикле.
Третъий этап: связан с термодинамической оптимизацией выбранного цикла. Здесь основное внимание уделяют собственным потерям эксергии и техническими потерями пренебрегают.
Четверний этап: конструктивная разработка оборудования, в ходе которой уточняют технические характеристики элементов системы для выбранных состава МРТ и параметров цикла. Пятый этап: Изготовление макета и эксперимент на ДРС для определения транспортных и термодинамических свойств смесей, а также теплогидравлических характеристик аппаратов и машин при работе на смесях.
