Właściwości termofizyczne lodu binarnego (zawiesinowego)

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 NH3 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/m3] 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 m3.
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 -40C. 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 NH3 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, CO2
lub topniejącej papki lodowej.
Interesującą odmianę układu chłodniczego NH3/CO2 z lodem
zawiesinowym jako chłodziwem pośredniczącym obrazuje rys. 7. AŜeby
obniŜyć temperaturę zamarzania lodu zawiesinowego do -10oC 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 -10oC oraz
z CO2 jako czynnikiem chłodniczym na niskim stopniu spręŜania (zakres -10oC): 1 spręŜarka amoniakalna wysokiego stopnia, 2 - skraplacz, 3 - zawór rozpręŜny, 4 - parownik
NH3 chłodzący w pojemniku 5 lód zawiesinowy mieszany wewnątrz pojemnika za pomocą
pompy 12 jednocześnie zasilającej tym lodem chłodnicę 11 schładzającą pomieszczenia
chłodnicze -10oC, 6 - skraplacz układu chłodniczego CO2 (-10oC) chłodzony lodem
zawiesinowym, 7 - spręŜarka CO2 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.