способ получения льдосодержащей суспензии

Формула изобретения

1. Способ получения льдосодержащей суспензии, включающий охлаждение водно-солевого раствора с последующим удалением образующейся льдосодержащей суспензии в резервуар готового продукта, отличающийся тем, что охлаждение осуществляют при насыщении водно-солевого раствора диоксидом углерода под давлением 3,0-3,2 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве водно-солевого раствора используют морскую воду.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к способам получения льдосодержащих суспензий, и может быть использовано в пищевой промышленности, а также в рыбной отрасли для замораживания и сохранения рыбы.

Известен способ получения льдосодержащих суспензий, заключающийся в выделении твердой фазы из находящейся под вакуумом воды или водных растворов различных солей (NaCb, CaCl₂), и послойном намораживании отдельных порций жидкой фазы (Маринюк Б.Т. Вакуумно-сублимационная установка для получения водного льда. - Холодильная техника., 2008, № 3, с.36).

Автор способа выделяет его основное преимущество перед традиционными: «образование льда идет практически на поверхности раздела вода-пар и термосопротивление слоя водяного льда не оказывает отрицательного влияния на интенсивность его образования». Однако повышенное термическое сопротивление тепловому потоку приводит к необходимости увеличивать температурный напор между средами, участвующими в теплообмене, что влечет за собой повышение расхода энергии.

Известен способ получения твердой фазы методом ее выделения из бинарных водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизации (Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук В.Ю.Бубенцова. Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова. Москва, 2006). В вакуумную камеру подается раствор в виде мелких капель, которые претерпевают ряд последовательных фазовых превращений. В начальной стадии с поверхности капель начинается процесс испарения (жидкость-пар), отводящий от капли теплоту испарения, затем после того, как температура капли, а вернее ее поверхности, снижается до температуры кристаллизации данного раствора, процесс испарения переходит в процесс сублимации (твердое тело-пар). Причем на поверхности капли образуется твердая фаза с концентрацией ноль, а внутри капли после того, как выделяется достаточное количество твердой фазы с концентрацией ноль, начинает выделяться двойная эвтектика до полного завершения кристаллизации всей капли.

Недостатком указанного способа являются высокие энергозатраты на получение льда.

Наиболее близкий по технической сущности способ получения льдосодержащих суспензий заключается в охлаждении водного раствора хлорида натрия и выделении из него твердой фазы (кристаллов льда) с последующим удалением ее из зоны кристаллизации в резервуар готового продукта (Жеманюк П.Д., Петухов И.И., Михайленко Т.П. Комбинированные установки получения для получения жидкого льда при вакуумировании рассола. Науковi працi. Том 61, выпуск 48. УДК 658. 822, Труды национального аэрокосмического университета им. Н.Е.Жуковского. Киев. 2006).

Получение льдосодержащей суспензии из водного раствора хлорида натрия осуществляется за счет отвода его внутренней энергии вакуум-компрессором. Недостатком указанного способа получения льдосодержащей суспензии являются высокие удельные энергозатраты.

Задачей заявляемого изобретения является снижение удельных энергозатрат на получение льдосодержащей суспензии.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения льдосодержащей суспензии, включающем охлаждение водно-солевого раствора с последующим удалением образующейся льдосодержащей суспензии в резервуар готового продукта, согласно изобретению, охлаждение осуществляют при насыщении водно-солевого раствора диоксидом углерода под давлением 3,0-3,2 МПа. В качестве водно-солевого раствора используют морскую воду.

Технический результат изобретения заключается в повышении энергоэффективности способа получения льдосодержащей суспензии.

Снижение энергозатрат на получение льдосодержащей суспензии обеспечивается тем, что насыщение водно-солевого раствора диоксидом углерода осуществляют прямым контактом водно-солевого раствора с диоксидом углерода, при одновременном охлаждении водно-солевого раствора и последующей его кристаллизации, под давлением 3,0-3,2 МПа. Диоксид углерода, как холодильный агент, меняет свои агрегатные состояния в процессе реализации способа. При насыщении водно-солевого раствора диоксидом углерода, жидкий диоксид углерода кипит, превращая водно-солевой раствор в льдосодержащую суспензию, и переходит в парообразное агрегатное состояние.

Изобретение поясняется фиг.1 и фиг.2., где

на фиг.1 представлена IgP, I диаграмма диоксида углерода, отражающая процесс сжатия (S=const=3,80 кДж/кгК), который и определяет энергозатраты на получение жидкого диоксида углерода, которые прямо влияют на энергозатраты получения льдосодержащей суспензии.

на фиг.2. приведена технологическая схема получения льдосодержащей суспензии.

Удельные энергозатраты на получение 1 кг твердой фазы водного льда, входящего в состав льдосодержащей суспензии, обусловлены адиабатной работой сжатия диоксида углерода от состояния начала сжатия до состояния конца сжатия (Фиг.1). Разница энтальпий начала и конца сжатия, которое осуществляется по изоэнтропе S=const=3,80 кДж/кгК, составляет 29,5 кДж/кг

i=735,7-706,2=29,5 кДж/кг

При испарении 1 кг диоксида углерода при давлении 3,0-3,2 МПа от водно-солевого раствора будет отведено 240 кДж теплоты, что приведет к кристаллизации водно-солевого раствора в количестве 0,42 кг (Алтунин В.В. Теплофизические свойства двуокиси углерода. С-М.: Издательство стандартов, 1975. - 551 с.).

335 кДж/кг/240 кДж/кг=1,4,

где 240 кДж/кг - теплота испарения диоксида углерода;

335 кДж/кг - теплота кристаллизации водно-солевого раствора. Таким образом, для кристаллизации 1 кг водно-солевого раствора потребуется испарение 1,4 кг диоксида углерода. В свою очередь работа сжатия 1,4 кг пара диоксида углерода будет соответствовать величине 41,2 кДж/кг.

1,4 кг × 29,5 кДж/кг=41,2 кДж

При прямом контакте водно-солевого раствора и диоксида углерода, энергозатраты на получение льдосодержащей суспензии имеют величину 41,2 кДж/кг, в то время, как в аналогичных способах получения льдосодержащих суспензий, энергозатраты приближаются и даже превосходят 360 кДж/кг (Фикин К. Мелкокристаллические ледяные суспензии как основа передовых промышленных технологий: состояние и перспективы. - Холодильный бизнес, 2002, № 7; "New Age Water Chillers with Water as Refrigerant", ST Division Cooling and Ventilation Group (ST/CV) CERN, Geneva, Switzerland, 1998. Kuhnl-Kinel, J. 1998).

Способ получения льдосодержащей суспензии осуществляют на установке, технологическая схема которой приведена на фиг.2

Установка состоит из компрессора 1, конденсатора 2, испарителя 3, резервуара готового продукта 4, регулирующего вентиля 5, запорного вентиля 6, термометра 7, манометра 8.

Способ осуществляют следующим образом:

1. Испаритель (3) заполняют морской водой, которая является водно-солевым раствором с концентрацией 3,5%, конденсатор (2) заполняют жидким диоксидом углерода;

2. Через регулирующий вентиль (5) жидкий диоксид углерода поступает в испаритель (3), где начинает кипеть, при этом его пар удаляют с помощью компрессора (1);

3. В испарителе (3) за счет работы компрессора (1) создается давление 3,2 МПа, что соответствует температуре кипения жидкого диоксида углерода минус 3°С. В этих условиях морская вода, имеющая температуру кристаллизации минус 2°С при начальной концентрации 3,5%, начинает выделять кристаллы чистого льда (Бобков В.А. Производство и применение льда. - М., Пищевая промышленность, 1977, 231 с.). По мере выделения кристаллов чистого льда, имеющего концентрацию ноль, концентрация морской воды, как водно-солевого раствора, начинает повышаться, что приводит к снижению температуры ее кристаллизации;

4. Когда количество кристаллов льда в льдосодержащей суспензии достигнет 49 мас.%, то температура кристаллизации морской воды снизится до минус 4,5°С (за счет увеличения ее концентрации), при этом температура кипения диоксида углерода составит минус 5°С, что будет соответствовать кипению жидкого диоксида углерода под давлением 3,0 МПа. Температура минус 4,5°С и давление 3,0 МПа в испарителе (3) являются основанием для того, чтобы остановить процесс кристаллизации, т.к. именно при этой температуре и давлении количество льда в льдосодержащей суспензии будет соответствовать 49 мас.% (Алтунин В.В. Теплофизические свойства двуокиси углерода. С-М.: Издательство стандартов, 1975. - 551 с.).

5. При достижении количества льда в льдосодержащей суспензии до значения 49 мас.% (что связано с возможностью перекачивать суспензию насосом), полученную льдосодержащую суспензию через запорный вентиль 6 с помощью насоса (на фиг.2 не показан) удаляют в резервуар готового продукта (4);

6. Пар, отведенный компрессором (1) из испарителя (3), нагнетают в конденсатор (2), из которого после конденсации при давлении 6 МПа и температуре 22°С, подают через регулирующий вентиль (5) в испаритель (3) для осуществления очередного цикла. Охлаждающая вода на входе в конденсатор (2) имеет температуру не выше 17°С, для обеспечения отвода теплоты от диоксида углерода, который конденсируется в конденсаторе (2), как было сказано выше, при температуре 22°С.

Льдосодержащая суспензия, полученная по способу, представляет собой гетерогенную систему, состоящую из 3-х фаз (49 мас.% жидкой фазы водно-солевого раствора, 49 мас.% твердой фазы - кристаллов чистого льда и 2 мас.% диоксида углерода, который присутствует в суспензии в виде пузырьков пара, прикрепленных к граням кристаллов твердой фазы).

Предложенный способ позволяет существенно снизить затраты энергии на получение льдосодержащих суспензий, по сравнению с известными техническими решениями, что в свою очередь повышает эффективность получения льдосодержащих суспензий.