способ получения льдосодержащей пульпы

Формула изобретения

Способ получения льдосодержащей пульпы, включающий охлаждение морской воды в генераторе-испарителе с последующим отводом образующейся льдосодержащей пульпы в резервуар хранения, отличающийся тем, что охлаждение осуществляют до образования клатратной пульпы путем введения в морскую воду жидкого CO₂ в соотношении 1:1,6 при температуре минус 2°С под давлением 3,3 МПа, с последующим ее отводом при снижении давления до 0,1 МПа в резервуар хранения, для использования пульпы как хладоносителя для сохранения рыбы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к способам получения льдосодержащих пульп или суспензий, и может быть использовано для охлаждения и консервации рыбного сырья непосредственно на судах в районе промысла.

Известен способ получения льдосодержащей суспензии, согласно которому солевой раствор охлаждают до выделения водного льда на внутренней поверхности генератора-испарителя, выполненного в виде горизонтальной цилиндрической трубы, с наружной стороны которой насосом прокачивают хладагент, имеющий температуру ниже точки кристаллизации раствора. Образовавшийся водный лед с помощью шнека удаляют с поверхности теплообмена в резервуар-накопитель. В резервуаре-накопителе измельченный лед смешивается с жидкой фазой исходного раствора до состояния льдосодержащей пульпы, которую затем перекачивают насосом в резервуар хранения [Веl О., Lallemand A., 1999, Etude d'un fluide frigoporteur diphasique - 2: Analyse expérimentale du comportement thermique et rhéologique, International Journal of Refrigeration, vol.22, pp.175-187].

Основным недостатком указанного способа является то, что слой льда, выделяющийся на теплообменной поверхности генератора-испарителя, представляет собой термическое сопротивление, которое препятствует прохождению теплового потока от кристаллизующегося раствора к хладагенту. Устройство, удаляющее лед с поверхности теплообмена, имеет ограниченный ресурс работы, т.к. лед обладает высокой прочностью и шероховатостью. К тому же вращение устройства требует энергии, достигающей по величине 10% от энергии, необходимой для привода компрессора холодильной установки, которая отводит теплоту от кристаллизующегося раствора.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения льдосодержащей пульпы путем охлаждения морской воды до образования водного льда. Водный лед вымораживают на вертикальной поверхности генератора-испарителя, выполненного в форме плиты и имеющего температуру ниже криоскопической точки раствора. После образования на поверхности плиты испарителя тонкого слоя водного льда кипение хладагента в испарителе прекращается и в полости испарителя подают горячий пар, что приводит к падению слоя льда в резервуар-накопитель. В резервуаре-накопителе лед разрушается устройством механического типа и смешивается с жидкой фазой исходного раствора до состояния льдосодержащей пульпы, после чего пульпу перекачивают насосом в резервуар хранения («A METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING HOMOGENOUS FLUID ICE». WO/2004/081469. Дата приоритета 10.03.2003. Авторы: ARNASON, Ingolfar; SIMONSSEN, Johannes; KRISTJANSSON, Theodor).

Недостатком указанного способа являются высокие удельные энергозатраты на получение льдосодержащей пульпы. Устройство механического типа для разрушения льда и смешивания его с жидкой фазой исходного раствора до состояния пульпы сложно в эксплуатации и имеет высокую стоимость, а также требует высоких энергетических затратах на свой привод, которые достигают 10% от холодопроизводительности компрессора.

Задачей изобретения является снижение удельных энергозатрат на получение льдосодержащей пульпы.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения льдосодержащей пульпы, включающем охлаждение морской воды в генераторе-испарителе с последующим отводом образующейся льдосодержащей пульпы в резервуар хранения, согласно способу охлаждение осуществляют до образования клатратной пульпы, путем введения в морскую воду жидкого СO ₂ в соотношении 1:1,6 при температуре минус 2°С под давлением 3,3 МПа, с последующим ее отводом при снижении давления до 0,1 МПа в резервуар хранения, для использования пульпы как хладоносителя для сохранения рыбы.

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

Снижение энергозатрат на получение льдосодержащей пульпы обеспечивается тем, что при осуществлении способа устраняются энергетические потери на преодоление термического сопротивления, которое представляет собой теплообменная поверхность между хладагентом и образующейся клатратной пульпой. В заявляемом способе при непосредственном контакте кипящего CO₂ с морской водой тепловая энергия клатратообразования отводится при минимально возможном термическом сопротивлении, что обеспечивает разность температур между кипящим СO₂ и образующейся клатратной пульпой величиной 0,2°С. Теплота, необходимая для диссоциации клатратной пульпы, подводится от кристаллизующейся морской воды также при минимально возможной разности температур, равной 0,2°С. Таким образом, предложенный способ получения льдосодержащей пульпы требует небольших энергозатрат, поскольку все процессы, проходящие в данном способе, осуществляются в результате межфазного энергообмена.

СO₂ , входящий в состав клатратной пульпы, является одновременно хладагентом. Поскольку кипящий СO₂ непосредственно контактирует с морской водой и образующимся клатратом, температура его кипения практически равна температуре клатратообразования. В способе контактного типа, каким и является заявляемый способ, разность температур между средами за счет их прямого контакта не превышает 0,2-0,4°С (Desalination and Water Purification Research and Development Program Final Report No. 78. Mechanical Engineering University of Nevada Reno. November 2003). Известно, что при работе парокомпрессионных холодильных установок повышение разности температур между температурой кипения хладагента и температурой его конденсации на 1°С повышает расход энергии в среднем на 3,5% (Бамбушек Е.М., Бухарин Н.Н., Герасимов Е.Д. и др./Под общей ред. И.А. Сакуна. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин: Учебное пособие для вузов по специальности «Холодильные машины и установки». - Л.: Машиностроение, 1987. - 423 с.). В аналогичных способах получения льдосодержащей пульпы температура кипения на 10°С ниже, чем в предложенном способе, следовательно, затраты энергии в них будут выше на 35%.

Изобретение поясняется графическими материалами, представленными на фиг.1-3, где

На фиг.1 представлена диаграмма термодинамического состояния клатрата H₂O-СO₂ в координатах давление - температура.

На фиг.2 представлена диаграмма цикла холодильной машины в координатах давление-энтальпия.

На фиг.3 представлена технологическая схема получения льдосодержащей пульпы.

Диаграмма (фиг.1) отображает процесс образования клатрата Н₂O-СO₂ в генераторе-испарителе, а также область устойчивого состояния клатрата и область, где клатрат Н₂O-СO₂ не может существовать

На участке диаграммы (фиг.1), расположенном правее линии равновесия, морская вода - клатрат происходит охлаждение морской воды на входе в генератор-испаритель за счет кипения жидкого СO₂. При понижении температуры воды от 8°С до минус 2°С точка ее состояния пересекает линию равновесия и входит в область существования клатрата ( +Клатрат), т.е. происходит процесс клатратообразования. Точки Q1 и Q2 на диаграмме являются инвариантными точками состояния клатрата, координаты которых определены из таблицы.

В таблице приведены координаты смещения инвариантных точек Q1 и Q2 на диаграмме состояния клатрата Н₂O-СO₂ в зависимости от солености воды (Larryn W. Diamond "Salinity of multivolatile fluid inclusions determined from clathrate hydrate stability" Bern, Switzerland, 1993).

	Q1	Q2
Чистая вода - СО2	Р-1,26 МПа; t - 0,0°C	Р-4,50 МПа; t - «+10,0°С»
Морская вода - СO2	Р-1,12 МПа; t - «-2,0°С»	Р-4,00 МПа; t - «+8,0°С»

Результаты исследований клатратообразования в морской воде показали, что кинетика процесса образования всех клатратов (вода-бутан, вода-метан, вода-этан, вода-двуокись углерода) в морской воде выше по сравнению с кинетикой процессов в чистой воде.

На диаграмме (фиг.1) в точках 1-4 представлен холодильный цикл генератора-испарителя, в котором образуется клатрат Н₂O-СO₂ за счет отведения теплоты клатратообразования кипящим СO₂. При реализации холодильного цикла пар СO₂ отводится компрессором (точка 1), сжимается до давления 6 МПа (точка 2), конденсируется в жидкость в конденсаторе (отрезок в точках 2-3), в регулирующем вентиле давление жидкого СO₂ резко снижается от 6 до 3,3 МПа (отрезок в точках 3-4) и при давлении 3,3 МПа жидкий СО₂ кипит при температуре минус 2°С (отрезок в точках 4-1). В точке 4 с координатами ("3,3" и "-2") происходит образование клатрата. Покинув область своего устойчивого термодинамического состояния (отрезок в точках 4-5), клатрат Н₂O-СO₂ начинает диссоциировать на жидкую Н₂O и газообразную CO₂ с поглощением теплоты диссоциации равной 380 кДж/кг.

Источником теплоты для прохождения процесса диссоциации в теплоизолированном резервуаре хранения служит жидкая морская вода, находящаяся на линии равновесия жидкость - лед при температуре минус 2°С и давлении 0,1 МПа. Морская вода кристаллизуется с выделением тепловой энергии 335 кДж/кг, обеспечивая диссоциацию (разрушение) клатрата H₂O-CO₂, которая проходит с поглощением тепловой энергии 380 кДж/кг. При этом в силу различия величин тепловых эффектов при диссоциации 1 кг клатрата Н₂O-СO₂ образуется 1,13 кг водного льда (380/335=1,13), за счет чего клатратная пульпа «клатрат - морская вода» с содержанием 50% клатрата переходит в 57%-ную льдосодержащую пульпу.

На фиг.2 представлен цикл холодильной машины, которая отводит теплоту клатратообразования в генераторе-испарителе. Точка 1 соответствует входу парообразного СO₂ в компрессор с давлением 3,3 МПа, точка 2 соответствует выходу парообразного СO₂ из компрессора с давлением 6 МПа, отрезок в точках 2-3 отображает процесс конденсации парообразного СO₂, т.е. перехода в жидкое состояние. Отрезок в точках 3-4 соответствует резкому снижению давления жидкого СO₂ в регулирующем вентиле от 6 до 3,3 МПа. Процесс 4-1" соответствует кипению жидкого СO₂ в генераторе-испарителе при давлении 3,3 МПа и температуре минус 2°С. Процесс 1"-1 соответствует перегреву парообразного СO₂ от температуры минус 2°С до 10°С перед входом в компрессор.

Из диаграмм (фиг.1, 2) следует, что в точке термодинамического состояния смеси морской воды и жидкого СO₂ образуется клатрат H₂O+CO₂. Поскольку в результате прямого контакта кипящего CO₂ и образующегося за счет этого клатрата H₂O-CO₂ разность температур между данными процессами не превышает 0,2°С, то энергозатраты на осуществление холодильного цикла будут предельно приближены к своему теоретическому минимуму, в то время как при обычном способе отведения теплоты разность температур равна 10°С, что приводит к увеличению расхода энергии на 35%.

При определении пропорции морская вода:СO₂ учитывалось, что оба компонента, входящие в клатрат в соотношении 1:1,6, не переходят в клатрат полностью. При указанном соотношении в генераторе-испарителе образуется пульпа, состоящая из 50% клатрата и 50% морской воды в жидком виде. При большем количестве клатрата в воде пульпа повышает свою вязкость выше предельного значения, что не позволяет перекачивать ее насосом по трубопроводам.

Способ получения льдосодержащей пульпы осуществляется на установке, технологическая схема которой приведена на фиг.3

Установка состоит из насоса для подачи морской воды 1, испарителя-генератора 2, компрессора 3, конденсатора 4, регулирующих вентилей 5, 6, теплообменника 7, резервуара хранения льдосодержащей пульпы 8.

Способ осуществляют следующим образом.

При реализации способа необходимо учитывать, что часть СO ₂ используют как хладагент и его пар после испарения удаляют компрессором из генератора-испарителя в конденсатор с тем, чтобы после конденсации снова вернуть в цикл.

Для получения 1000 кг льдосодержащей пульпы в генератор-испаритель 2 с помощью насоса 1 закачивают 830 кг морской воды. Через регулирующий вентиль 5 жидкий СO₂ из баллона подают в генератор-испаритель 2 в количестве 1332 кг. За счет работы компрессора 3 в генераторе-испарителе 2 создают и поддерживают давление 3,3 МПа. В этих условиях в генераторе-испарителе 2 жидкий СO₂ смешивается с морской водой, кипит, при этом температура морской воды понижается до минус 2°С. Пар, образующийся при кипении СO₂ в количестве 1162 кг, удаляют компрессором 3 в конденсатор 4. При давлении 3,3 МПа и температуре минус 2°С в генераторе-испарителе 2 образуется клатратная пульпа, состоящая из морской воды и клатрата Н₂O-СO₂. Через регулирующий вентиль 6 клатратную пульпу выпускают из генератора-испарителя 2 в резервуар хранения 8, при этом снижают давление в регулирующем вентиле 6 с 3,3 до 0,1 МП. Проходя через регулирующий вентиль 6, клатратная пульпа (диссоциирует) разрушается и превращается в резервуаре хранения 8 в льдосодержащую пульпу, насыщенную газообразной двуокисью углерода. В резервуаре хранения 8 льдосодержащую пульпу хранят до момента поступления в него рыбы.

Полученная по способу льдосодержащая пульпа состоит из 57% водного льда и 43% солевого раствора.

При погружении рыбы в полученную льдосодержащую пульпу рыба охлаждается до температуры минус 1°С при плавлении кристаллов льдосодержащей пульпы при температуре минус 2°С с интенсивностью 5000-7000 Вт/м ²К.

Предложенный способ получения льдосодержащей пульпы позволяет избежать применения сложных и дорогих устройств, которые потребляют до 10% электроэнергии от холодопроизводительности компрессора холодильной установки. Сложность, стоимость и энергозатратность обычных генераторов льдосодержащих пульп обусловлены явлением льдообразования на поверхности теплообмена, которая разделяет в испарителе кипящий хладагент и кристаллизующуюся морскую воду. В предложенном способе теплообменная поверхность в испарителе-генераторе отсутствует, т.к. теплота клатратообразования от образующейся клатратной пульпы отводится кипящим жидким СO₂ за счет межфазного энергообмена при непосредственном, прямом контакте. Отсутствует теплообменная поверхность и в резервуаре хранения льдосодержащей пульпы, где происходит ее образование после снижения давления в регулирующем вентиле.

По сравнению с известными техническими решениями предложенный способ позволяет повысить эффективность получения льдосодержащей пульпы путем снижения затрат электроэнергии с 10 до 2% от холодопроизводительности компрессора. При этом льдосодержащая пульпа будет получена в простом по конструкции устройстве небольшой по мощности холодильной установкой за время перехода судна на промысел. Например: для того чтобы охладить 500 тонн рыбы от 10°С до минус 1°С за 4 часа обычный пелагический траулер должен иметь холодильную установку холодопроизводительностью 3500 кВт, которая потребляет, в зависимости от эксплуатационного режима, от 1000 до 1500 кВт электроэнергии. При использовании аккумуляторов холода, какими являются клатратные и льдосодержащие пульпы, можно оборудовать промысловые суда холодильными установками значительно меньшей холодопроизводительности, т.к. энергия холода будет аккумулироваться в виде пульпы за время перехода судна в район промысла.