Сегодня хотел рассказать о таком необычном методе охлаждения и получения льда, как ваккумный метод. С его помощью можно охлаждать как криогенные, так и совершенно обычные водосодержащие жидкости, например соки.
В последние годы во всем мире появилась тенденция увеличения потребления охлажденных продуктов вместо замороженных. В этом контексте применение водного льда и воды с околонулевой температурой может стать наиболее простым и выгодным решением данной задачи.
Существующие способы получения и заготовки водного льда в большинстве случаев представляют собой замораживание воды с помощью искусственного или естественного холода.
Традиционные методы получения водного льда предполагают задействование парокомпрессионных холодильных машин, использующих различные виды холодильных агентов от хладонов и аммиака до углеводородов и диоксида углерода. Многие из предложенных в последние годы хладонов, имея нулевое воздействие на озоновый слой земли, в то же время отепляют окружающую среду (R404a, R410, R125, R134a). Весьма редки хладагенты одновременно безопасные и для озонового слоя, и в плане воздействия на глобальное потепление (R32, R161), поэтому они весьма дороги.
Развитие холодильной техники в настоящее время находится под влиянием жестких экологических требований. Анализируя наиболее известные, разработанные к настоящему времени в нашей стране и за рубежом синтетические заменители запрещенных к использованию холодильных агентов, можно убедиться, что у каждого из них имеются уязвимые места с позиции выполнения всех экологических, энергетических и эксплуатационных требований, предъявляемых к современным холодильным агентам. Поэтому в перспективе все они могут оказаться объектами разного рода регулирования, которое в конечном итоге сводится к запретам или ограничениям их производства и применения.
В последние годы возрос интерес к холодильным агентам природного происхождения, к которым относится вода. Использование воды как холодильного агента в системах охлаждения является перспективным в сельском хозяйстве, на транспорте, в промышленном и гражданском кондиционировании. Вода — экологически чистое вещество, не загрязняющее окружающую среду и не отепляющее окружающую среду. Вода может быть как хладагентом, так и хладоносителем. Это уменьшает стоимость и сложность систем охлаждения. Вода химически стабильна, нетоксична, невоспламенима и не вредит окружающей среде. Однако вода как холодильный агент имеет низкий уровень рабочих давлений.
Основной цикл машин, работающих на воде, фактически идентичен парокомпрессионному холодильному циклу с традиционными холодильными агентами, за исключением того, что в связи с доступностью и относительной дешевизной воды как холодильного агента, возможно ее использование в разомкнутом цикле.
В литературе имеются сведения относительно работ по созданию крупных по холодильной мощности установок, работающих на воде. В них применяют центробежные и осевые компрессоры.
Сравнение энергетических параметров установок, использующих воду как холодильный агент, в зарубежных публикациях проводились для замкнутых циклов и машин большой мощности. Сравнения вакуумных холодильных машин с разомкнутым циклом с парокомпрессионными холодильными машинами не проводились.
Создание вакуумных холодильных установок в нашей стране в настоящее время находится в стадии развития. Учитывая потребность сельского хозяйства и малого предпринимательства в экологически чистых машинах малой холодопроизводительности, обоснована необходимость исследований в данной области.
Описание процесса вакуумного метода получения водного льда основано на физических представлениях о процессах, происходящих при околонулевой температуре в тонком слое спокойной жидкости, находящейся в изначальном состоянии в герметичном контейнере при атмосферном давлении.
Принцип действия вакуумной холодильной машины основан на том, что в процессе сублимации паров воды с поверхности льда в испарителе при давлении ниже атмосферного происходит интенсивный отвод тепла с порциями паров, которые конденсируются в водяном конденсаторе.
Вода для замораживания заправляется в бак-испаритель, который затем вакуумируется с помощью вспомогательного насоса. Как только давление в испарительной системе достигнет необходимого значения (около 5 мм рт. ст.), включается основной насос, при работе которого и происходит основной процесс вакуумной откачки. При сублимации льда с замерзшей поверхности часть замороженной воды переходит в паровую фазу, за счет чего происходит понижение температуры, откачиваемые пары воды направляются в конденсатор, где происходит отвод тепла конденсации с помощью охлаждающей воды.
Жидкость (вода) в спокойном состоянии находится внутри замкнутой герметичной полости при температуре, близкой к 0 °С. Вакуумирование полости осуществляется с эффективной скоростью откачки Sэф, которая остается постоянной в том диапазоне давления, при котором образуется ледяной массив.
На первом этапе вакуумной откачки давление в паровом пространстве герметичного резервуара понижается до давления насыщенных паров при начальной температуре залитой в него жидкости. Производится дегазация жидкости, сопровождающаяся псевдокипением поверхностных слоев. На втором этапе откачки происходят понижение упругости насыщенных паров интенсивный отвод тепла с порциями паров рабочего вещества, температура жидкости в герметичном резервуаре падает.
Третий этап характеризуется замерзанием жидкости при постоянной упругости паров надо льдом. Дальнейшее уменьшение упругости насыщенных паров приводит к понижению температуры массива льда. Третий этап и является основным. А поскольку вода имеет околонулевую температуру, первые два этапа носят кратковременный характер.