Производство и применение льда (Бобков) 1977 год

Заготовка и хранение льда 44

      Переработка льда 52

      Холодильники и установки ледяного охлаждения 62

      Глава III

      ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ИСКУССТВЕННОГО ЛЬДА 92

      Энергетика искусственного льда 92

      Технология производства льда 99

      Классификация льдогенераторов 105

      Льдогенераторы блочного и плитного льда 106

      Льдогенераторы трубчатого и пластинчатого льда 129

      Льдогенераторы чешуйчатого и снежного льда 142

      Агрегатные льдогенераторы 163

      Ледяные холодоаккумуляторы 183

      Льдозаводы, переработка и использование льда 191

      Приложения 209

      Список использованной литературы 223

 ВВЕДЕНИЕ

      Из общего количества воды на земле, составляющего около 2000 млн. км3, примерно 25 млн. км3 (1,25%) приходится на долю природного льда, в котором заключены наибольшие запасы дефицитной пресной воды [109]. Лед участвует в круговороте воды на земле и является важным геологическим фактором. Естественный лед в криосфере земли, т. е. в зонах с температурой ниже 0° С, обычно присутствует временно или постоянно в виде снега, водоемного льда и льдомерзлотного грунта.

      Лед (снег) служит аккумулятором пресной воды, обеспечивающим питание рек и увлажнение почвы, является теплоизолятором, предохраняющим их от промерзания.

      У нас лед широко применяется для аккумуляции воды при искусственном снегозадержании (60 млрд.т/год) в сельском хозяйстве, а также в строительстве зимних дорог и переправ, плотин, складов, спортивных естественных льдокатков, лыжных трасс и трамплинов Естественное замораживание воды используется при заготовке льда и снега в целях охлаждения, при опреснении и кристаллизации водо» соляных раствооов и для упрочнения грунтов. Кристаллизация -воды связанная с эффективным переносом массы и тепла, имеет место, в частности, при применении холодильных машин в случаях опреснения и концентрирования водных растворов, замораживания и сублимационной сушки пищевых продуктов. Искусственное льдообразование используется для упрочнения грунтов, устройства льдокатков и теплонасосного отопления на Севере. Искусственный водный лед применяется для увлажнения воздуха на холодильниках и в качестве глазури. намораживаемой на пищевых продуктах.

      Холодильная льдотехника, т. е. техника получения и использования льда специально в целях охлаждения, является стаоейшей производственной отраслью холодильного дела [29; 89; 148; 159

      и др.1.

      Использование льда в качестве высокотеплоемкого хладоносите-ля со стабильной температурой и изменяющимся агрегатным состоянием наиболее экономично в случае неравномерности потребления холода при околонулевых температурах. Например, ледяные холодо-аккумуляторы и гидромеханизированные льдобунты — холодогенера* тооы для воздушных кондиционеров и молокоохладителей — могут обеспечивать суточную и сезонную равномерность нагрузки холодильных машин.

      Измельченный лед и льдоводяная пульпа, которые при необходимости можно подавать по трубам, обеспечивают особо эффективное охлаждение (и увлажнение) при постоянной температуре, что используется в пищевой, химической и строительной технологии. Особо чистый водный лед находит применение в метрологии и в медицине, употребляется в пищу, например с охлаждаемыми им напитками.

      В Советском Союзе для нужд холодильного транспорта, пищевой и химической промышленности, сельского хозяйства и торговли

      ежегодно производится посредством обычных и автоматизированных льдогенераторов более 1 млн. т искусственного технического и пищевого1 водного льда [90].

      Естественного льда заготовляется обычным и механизированным способом около 15 — 20 млн. т, что оправдывается, в частности, экономической целесообразностью использования природных ресурсов холода на большей части нашей страны: современная оптовая цена 1 т искусственного водного льда в РСФСР в 2,5 раза выше цены 1 т естественного льда.

      Растущий выпуск компактных автоматизированных холодильных машин, сухого льда и ожиженных газов, а также другие причины приводят к постепенному вытеснению в некоторых областях не только естественного, но и искусственного водного льда. Однако в ряде других областей возможности использования искусственного и естественного водного льда далеко не исчерпаны.

      Внедрение льда из морской и антисептированной воды и ледяного гидроохлаждения, в частности в связи с хранением продовольствия при близкриоскопических температурах, а также все большее распространение ледяных холодоаккумуляторов и автоматического изготовления льда на месте потребления обеспечивают применение искусственного водного льда и в будущем.

      В соответствии с имеющимся принципиальным планом по научно-техническому прогрессу развития холодильной техники в СССР до 1990 г., разработанным научным холодильным советом Государственного комитета по науке и технике (ГКНТ), представляется необходимой полная автоматизация изготовления искусственного водного льда, например на базе крупных и средних роторных льдогенераторов непрерывного действия и возможно на основе автономных льдогенераторов с термоэлектрическим охлаждением (для мелких потребителей). Указанный план, в частности, предусматривает улучшение применения естественного холода в сельском хозяйстве. Можно полагать, что при дальнейшем внедрении гидромеханизации в эксплуатации льдобунтов и рациональных конструкций ледяных и льдогрунтовых холодильников естественный холод и лед в обозримом будущем также будут применяться наряду и совместно с холодильными машинами, особенно на северо-востоке страны (районы БАМа и др.) при его дальнейшем освоении.

      «Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1976 — 1980 годы» в области холодильной техники предусматривают наряду с дальнейшим развитием холодильного машиностроения увеличение емкости холодильников, в частности р пищевой, мясной и молочной промышленности в 1,3 раза. В целях круглогодового обеспечения населения овощами и фруктами намечается расширение строительства хранилищ в колхозах и совхозах.

      Наряду с запланированным широким применением непосредственного машинного охлаждения получит дальнейшее развитие использование искусственного и естественного льда. Рациональному применению льда должна способствовать эта книга, в значительной части представляющая собой итог 40-летней работы автора по льдотехнике в коллективе ВНИИ холодильной промышленности (ВНИХИ).

      ГЛАВА I

      ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ ЛЬДОТЕХНИКИ

      Строение воды и льда и их взаимные превращения

      Вода является структурно-сложным соединением водорода (11,9%) и кислорода (88,1%) с важными для льдотехники свойствами, во многом обусловливаемыми водородными молекулярными связями. Кроме обычной воды и ее модификаций при высоких давлениях известны так называемая «тяжелая вода» (вода из изотопов водорода и кислорода, содержащаяся в обычной воде в малых количествах) и особо плотная поливода (предположительно полимер обычной воды).

      Исследования на основе рентгеновского и нейтронного анализов позволили выяснить примерную атомно-молекулярную структуру воды и льда. В современных моделях молекула воды (НгО) представляется как бы изогнутой, при этом водород и кислород образуют условный треугольник Н — О — Н с двумя ядрами (протонами) атомов водорода в основании и кислородом в вершине его. Известны, в частности, двух- и многоструктурные, ассоциатные и льдоподобные модели воды. По Самойлову, например, льдоподобный каркас воды заполнен свободными молекулами.

      В молекуле водяного пара расстояние О — Н равно 0,096 нм, а угол при вершине 104,5°, в молекуле льда соответствующее расстояние составляет 1,015 нм, а угол 109,5°.

      Каждая молекула вб льду окружена четырьмя соседними молекулами (рис. 1). Тетраэдрическая форма кристаллов льда отражает его атомно-молекулярную структуру. Несимметричное расположение атомов водорода делает молекулу воды электрическим диполем, момент которого у льда в 1,4 раза больше такового для воды.

      Чистая вода слабодиссоциирована, концентрация водородных ионов (pH) в ней равна 7. Большие амплитуды колебаний атомов молекул воды обусловливают повышенную деформируемость последних.

      Лед по основным свойствам можно считать молекулярным кристаллом с еще меньшими ионными связями, чем у воды.

      При превращении воды в лед, являющийся полупроводником протонного типа, электропроводимость и диэлектрическая проницаемость резко падают, что может быть использовано в льдотехнике для контроля процесса льдообразования. Подвижность протонов в кристаллической решетке льда больше, чем в воде, имеющей тормозящую их, хаотичную в целом структуру, что обусловливает некоторые каталитические свойства льда.

      Структура воды при околонулевой температуре несколько похожа на структуру льда, размытую тепловым движением.

      По исследованиям Бернала [132], Полинга и других ученых, физические особенности воды в различных фазовых состояниях и при разных температурах обусловливаются структурой и состоянием молекул и их средним расположением. В неплотных структурах чзоды и особенно льда имеются межмолекулярные полости, в которые могут внедряться отдельные молекулы самой воды или некоторые жидкие и газообразные инородные примеси и изменять физические свойства воды и льда. С этим явлением связывают некоторые особенности воды и образование при положительной температуре твердых клатратов (газовых гидратов), иногда ошибочно принимаемых за лед.

      Благодаря своей структуре вода и прозрачный лед относительно хорошо пропускают видимый свет. Это свойство может быть использовано для оттаивания льда лампами дневного света от металлической поверхности льдообразования. Лед в противоположность воде довольно свободно пропускает электрические колебания высокой частоты (сантиметровые радиоволны), что также может быть использовано для указанной цели.

      Существенно то обстоятельство, что вода является замедлителем нейтронов и может служить защитой от радиации, например, продовольствия.

      Атомы в молекуле воды связаны прочными химическими (ковалентными) связями. Молекулы же воды между собой в основном объединены относительно менее сильными водородными связями, в значительной степени определяющими, например, механическую прочность льда. Водородные связи (см. рис. 1) обусловливаются притяжением атома водорода одной молекулы к атому кислорода другой

      (соседней) молекулы, таким образом, атом водорода притягивается к атому кислорода как своей, так и соседней молекулы. При плавлении льда, а также в случае нахождения воды в микрокапиллярах ео-дородные связи частично нарушаются, поэтому молекулы воды могут размещаться плотнее.

      Структура воды, обусловливающая ее малую сжимаемость и большую текучесть, позволяет посредством звука и ультразвука интенсифицировать конвекцию воды (в частности, при продвижении ее в капиллярах), что может быть использовано в льдотехнике. При импульсном силовом воздействии малосжимаемая вода проявляет упругость твердого тела, что применимо для дробления льда струей воды. Достаточная упругость и малая температуропроводность льда обусловливают возможность направленного разрушения его тепловым импульсом (метод «термоклина). При этом не исключено и разложение пленки воды на водород и кислород и взрывание их.

      Физическое действие на воду электрического, магнитного и ультразвукового полей усиливается при наличии в ней некоторых примесей. Характер кристаллизации льда и солей при этом может изменяться. Магнитное поле влияет на льдообразование и процесс гидратации в водных растворах. Свежепрокипяченная вода больше переохлаждается, чем сырая вода; омагниченная жесткая вода не дает твердой накипи.

      Кристаллизация и плавление льда в дальнейшем анализируются в трех аспектах: молекулярной структуры, термодинамики фазовых превращений и процессов теплопередачи.

      Кристаллизации льда всегда предшествует переохлаждение воды, поэтому предварительно рассмотрим этот процесс.

      Переохлаждение воды. По Френкелю [112], состояние вещества, например воды, согласно статистической теории характеризуется средним временем т пребывания молекул его в положении равновесия, зависящим от абсолютной температуры Т и потенциального барьера — энергии активации Е скачка молекулы. Приближенно где То — время одного колебания молекулы;

      В — постоянная Больцмана;

      е — основание натуральных логарифмов.

      С временем т связано изменение координационных чисел молекул, характеризующих молекулярную структуру вещества; для воды при 25° С значение тя* 1,7* 10-9 с.

      Для соленой воды и воды в капиллярах наблюдается понижение температуры кристаллизации, объясняемое Самойловым [97] влиянием на энергию активации Е ионов раствора или поверхности капилляра. Таким образом, криоскопические свойства водных растворов солей в принципе обусловливаются тем, что период пребывания молекул воды в положении равновесия около ионов соли, например Na+ и С1~, отличается от времени «оседлой жизни» молекул чистой воды.

      Упорядочение расположения (ориентирование и связывание) полярных молекул воды, возникающее при соприкосновении со льдом или инородными веществами, в основном обусловливает^ ближней и дальней гидратацией. Ориентирование молекул воды электрическим полем примеси сопровождается ослаблением водородных связей и некоторым изменением молекулярной структуры воды.

      При гидратации растворимых примесей, активных поверхностей капилляров и коллоидных частиц выделяется тепло. Связанная с увеличением и уменьшением вязкости воды положительная и отрицательная гидратация равно вызывает понижение температуры начала кристаллизации воды.

      Характер поверхности и свойств вещества твердой примеси, в частности степень ее гидрофильности, влияют на ориентирование молекул воды. На переохлаждаемость воды ниже температуры начала кристаллизации кроме внутренних молекулярных полей соприкасающихся структур частично влияют и внешние электрические, магнитные и ультразвуковые поля.

      Возможность метастабильного (относительно устойчивого) переохлаждения маловязкой свободной воды, по-видимому, связана с временной ассоциацией молекул воды.

      Обычная свободная вода при переохлаждении находится по температуре не в своем фазовом состоянии и потому термодинамически недостаточно устойчива. Такая вода легко теряет переохлаждение, особенно при контакте с ледяной или изоморфной льду затравкой кристаллизации. Активность твердой затравки зависит от ее структуры, размера и формы, а также от свойств вещества, в частности от степени гидрофильности. В общем случае толчком для нарушения переохлаждения воды могут служить различные твердые, жидкие и газообразные примеси и даже сотрясение неподвижной воды.

      Наблюдения, проведенные при исследовании обычного оросительного льдогенератора [10], показывают, что на 1 — 1,5°С кратковременно переохлаждается и движущаяся свободная вода. При этом в случае нарушения переохлаждения кристаллизация может начинаться не на охлаждающей поверхности, а в месте нарушения переохлаждения.

      Переохлажденное состояние обычной свободной воды устойчиво только относительно, и поэтому даже малые воздействия на него приводят к началу термодинамически естественного при температуре ниже 0°С процесса объединения свободных молекул в кристаллическую решетку льда.

      При небольшом количестве примесей наблюдается такая ориентация части молекул воды, при которой концы образовавшихся цепочек дополнительных молекул остаются свободными (разомкнутыми), что является одной из причин нарушения состояния переохлаждения примесями-затравками. В случае достаточно большого количества в той или иной степени гидратирующих примесей или в капиллярах переохлаждаемость воды повышается и нарушение переохлаждения затрудняется по причине сильной ориентации и замкнутой связанности большинства молекул воды. При этом снижение температуры начала кристаллизации воды может служить критерием степени связанности ее.

      По закону Рауля для малоконцентрированных водных растворов всех слабых электролитов и особенно неэлектролитов при растворении 1 моля вещества происходит снижение температуры замерзания на 1,86° С ниже 0°. Снижение температуры замерзания водных растворов сильных электролитов различно и определяется посредством фазовых диаграмм или таблиц для растворов.