Компоновка холодильных установок

При производстве и распределении пищевых продуктов используют различные виды их холодильной обработки и холодильное хранение. Понятие «холодильная обработка» включает в себя проведение процессов охлаждения, подмораживания, замораживания и размораживания.

Рассмотрим технические средства для холодильной обработки мяса в полутушах. Помещения для холодильной обработки мяса в полутушах и тушах представляют собой камеры или туннели. Камеры и туннели оборудуют однорельсовыми подвесными путями и цепными или штанговыми конвейерами, служащими для передвижения полутуши по путям. Расстояния между подвесными путями 900—1100 мм, расстояние от пола 3,35 м. По такому однорельсовому пути передвигаются каретки, состоящие из ролика, обоймы и крюка. К крюку подвешивают полутушу, которая в таком состоянии охлаждается, а затем перемещается в камеры хранения охлажденного мяса или в некоторых случаях в камеры замораживания. По нормам, принятым в мясной промышленности, средняя загрузка 1 м подвесного полосового пути для говядины в полутушах средней массой менее 60 составляет 225 кг, 60 кг и более — 280 кг. Нагрузка на 1 м2 площади пола принята равной 200—250 кг.

Камеры оборудуют приборами охлаждения, которые размещают в зависимости от применяемого способа распределения воздуха. В грузовом объеме холодильных камер его осуществляют через нагнетательные и всасывающие каналы; бесканальные системы с подачей воздуха в пространство между потолком и каркасом подвесных путей; туннельными системами с распределением воздуха вдоль или поперек подвесных путей камеры; через щели ложного потолка с подачей воздуха сверху вниз; из сопел межпутевых воздуховодов, расположенных над полутушами (метод воздушного душирования).

Одноканальная система создает условия направленного распределения охлажденного воздуха. Воздуховоды постоянного статического напора выполняют с переменной по длине площадью сечения и постоянным сечением щелей или насадок. Под насадкой понимают направляющий элемент, который крепят на выходном отверстии воздуховода для создания необходимого, направления и скорости движения воздуха. Насадка способствует уменьшению сопротивления истечения воздуха из отверстия. Насадки бывают круглые и щелевые (осевые или радиальные). Воздуховоды располагают над подвесными путями. Расположение воздуховода ниже балок подвесных путей, т. е. приближение воздуховода и насадок к поверхности полутуши, улучшает технико-экономические показатели системы, так как сокращаются продолжительность охлаждения и усушка, уменьшается расход энергии на привод вентиляторов.

При воздушном душировании воздух подают сверху вниз из сопел, вмонтированных в воздуховоды, размещенные над или между подвесными путями. Все воздуховоды имеют сопла диаметром 40—60 мм, расположенные в шахматном порядке, по шесть штук на 1 м длины воздуховода. Воздух подают в пространство камеры со скоростью 8—10 м/с. В отличие от непосредственного воздушного душирования, при котором воздух охлаждается в обычных воздухоохладителях, система воздушного душирования с межпутевыми воздухоохладителями состоит из воздуховодов с соплами, вентиляторов и охлаждающей батареи. Вентиляторы всасывают воздух камеры и нагнетают воздуховоды, из которых воздух через сопла подается вначале на охлаждающие батареи, а затем на полутуши мяса. Межпутевые воздухоохладители направляют потоки воздуха и охлаждают воздух камеры. Средняя скорость воздуха у бедренной части полутуши при непосредственном воздушном душировании составляет 1,84—2,11 м/с, при воздушном душировании с использованием межпутевых воздухоохладителей — 1 —1,55 м/с.

Длительное время использовали способ распределения воздуха в камерах холодильной обработки мяса через щели ложного потолка. Ложный потолок выполняют из деревянных щитов, уложенных над рельсами подвесных путей. В ложном потолке предусматривают щели шириной 30 мм, расположенные вдоль рельсов на расстоянии 130 мм от их оси. Вентиляторы подают охлажденный в воздухоохладителях воздух в пространство над ложным потолком, а затем через ряд щелей он поступает в пространство камеры. Скорость выхода воздуха из щели 5 м/с. Объем струи воздуха по мере перемещения сверху вниз увеличивается в результате подсоса воздуха камеры. На расстоянии 1000 мм от щели скорость воздуха 1,0—1,2 м/с.

На некоторых холодильниках мясокомбинатов камеры холодильной обработки оборудованы потолочными воздухоохладителями без системы воздухораспределения. В этом случае скорость воздуха у бедренной части полутуши 0,3—1,1 м/с. Несмотря на значительный расход электроэнергии на привод вентиляторов, необходимая для быстрого охлаждения мяса скорость воздуха у полутуши не достигается.

Туннели для холодильной обработки мяса в полутушах выполняют с продольным (вдоль подвесных путей) и поперечным движением воздуха. Предпочтение отдают туннелям с поперечным движением воздуха ввиду более равномерного омывания воздухом полутуши, обеспечения более высокой скорости воздуха. Камеры и туннели для замораживания выполняются подобно камерам охлаждения. При замораживании целесообразно воздуховод и сопла приближать к бедренной части полутуши. Учитывая, что усушка зависит от средней температуры поверхности полутуши, необходимо как можно быстрее добиваться достижения на поверхности мяса температуры воздуха камеры. Поэтому начало процесса следует проводить с наибольшей интенсивностью (при высокой скорости движения воздуха и его низкой температуре).

Для камер охлаждения и замораживания в ряде случаев применяют радиационную и воздушно-радиационную системы охлаждения. При воздушно-радиационной системе в камере, кроме воздухоохладителя, между полутушами размещают приборы охлаждения (батареи). При этой системе радиационный тепловой поток составляет 30—40% конвективного, благодаря чему соответственно снижаются потери от усушки по сравнению с чисто воздушной системой охлаждения. Охлаждение целесообразно вести при снижении скорости воздуха от 4,6 м/с в начале процесса до 0,5—0,3 м/с в конце процесса обработки, что обеспечивает уменьшение конвективного коэффициента теплоотдачи по экспоненциальному закону. По такому же закону уменьшается количество теплоты, отводимой от мяса при холодильной обработке.

Расчет и выбор изоляции

Стены. Обычно стены делают слоеными. Наружный слой с теплой стороны камеры оштукатуривают и на него наклеивают паро- и теплоизоляцию. Более прогрессивным является применение типовых унифицированных сборных элементов заводского изготовления (панелей), которые позволяют повысить степень готовности элементов здания, снизить массу и стоимость, стен на 27-40%. Наиболее важным достижением строительной техники является применение сборных холодильников с панелями типа «сандвич».

При строительстве холодильников применяют как вертикальные, так и горизонтальные железобетонные или керамзитобетонные панели. Высота вертикальной панели обычно, равна высоте этажа, а ее ширину выбирают с учетом грузоподъемности строительных кранов.

Полы. На холодильниках полы выполняют по междуэтажным перекрытиям, в одноэтажных зданиях; в первых или подвальных этажах многоэтажных зданий — по грунту. В зависимости от назначения помещения холодильника полы выполняют бетонными мозаичными либо из металлических плит.

Кровля. Кровля и перекрытия холодильников обычно бесчердачные (совмещенные) с уклоном (1,5—2%). На холодильниках применяют одно- и двухскатные крыши; последним отдают предпочтение. Крыши покрывают рулонными материалами (гидроизол, стеклорубероид и обычный рубероид), накладываемыми в несколько слоев на битумных мастиках. Верхний слой покрытия окрашивают атмосфероустойчивой краской светлого тона для снижения влияния солнечной радиации. Кровля, наружные стены и полы холодильника должны составлять непрерывный изоляционный контур.

При расчете изоляционной конструкции определяют сопротивление теплопередаче ограждения по известным характеристикам слоев ограждения и толщину изоляции по заранее заданному коэффициенту теплопередачи. В расчет закладывают исходные данные таким образом, чтобы обеспечить необходимый срок службы холодильника, который в большей степени зависит от долговечности изоляционных конструкций. На долговечность изоляционных конструкций холодильников влияют климатические условия и температурно-влажностный режим в охлаждаемых помещениях. Для холодильников II класса срок службы принимают от 50 до 100 лет (практически он короче из-за выхода из строя теплоизоляции.).

При расчетах изоляционных конструкций камер с положительными внутренними температурами учитывают расчетные температуры наружного воздуха в холодный период года, для камер с отрицательными внутренними температурами — в теплый период.

Для определения требуемой нормативной величины сопротивления изоляционной конструкции теплопередаче должны быть известны условия теплообмена, среднегодовая температура наружного воздуха района строительства холодильника, относительная влажность наружного воздуха, теплофизические характеристики изоляционных и строительных материалов. От тепло-физических характеристик материалов зависит общий коэффициент теплопередачи Ко. Определив Ко, можно выбрать эффективную изоляционную конструкцию, удовлетворяющую техническим требованиям к ограждениям холодильника.

В зависимости от среднегодовой температуры наружного воздуха различают следующие климатические зоны:

• северная часть СССР со среднегодовой температурой наружного воздуха от О °С и ниже;
• центральная часть СССР со среднегодовой температурой Наружного воздуха от 1 до 8°С;
• южная часть СССР со среднегодовой температурой наружного воздуха 9°С и выше.

При определении Ко бесчердачных покрытий с вентилируемыми продуктами при расчете учитывают только ту часть ограждения, которая расположена ниже продуха. При этом коэффициент теплопередачи К не должен быть меньше требуемого, т.е. Ку.

Выбор испарителей и конденсаторов. Агрегатирование

При поступлении на монтажную площадку холодильного агрегата полной заводской готовности упрощается и ускоряется монтаж, повышается его качество. Стоимость монтажа агрегата меньше стоимости монтажа отдельных аппаратов. Помимо турбокомпрессорных, пароэжекторных, абсорбционных холодильных машин агрегатирование все чаще применяют и для парокомпрессорных холодильных машин с поршневыми и винтовыми компрессорами. Такие агрегаты дали толчок развитию схем децентрализованного охлаждения холодильников, в частности специализированных для хранения фруктов и овощей. Эта система имеет ряд достоинств по сравнению с традиционной схемой централизованного хладоснабжения:

• отказ от специального помещения для машинного отделения;
• простота эксплуатации (система полностью автоматизирована);
• сокращение численности обслуживающего персонала;
• сокращение расходов трубопроводов и арматуры;
• экономия электроэнергии (отсутствуют насосы для подачи хладагента к приборам охлаждения, насосы для подачи воды на охлаждение конденсаторов);
• экономия пресной охлаждающей воды (такие агрегаты имеют конденсаторы воздушного охлаждения);
• экономия хладагента (минимальное число соединительных фланцев и вентилей, через которые возможна утечка хладагента). Агрегат располагают непосредственно у объекта охлаждения.

Однако в крупных и средних холодильных установках все еще приходится достаточно часто применять оборудование, поставляемое раздельно. В этом случае встает вопрос о выборе числа и типа аппаратов. В системах охлаждения с промежуточным хладоносителем при нескольких рабочих температурах кипения минимальное число испарителей соответствует числу температур кипения. При наличии нескольких потребителей холода, работающих при одной и той же температуре кипения, выбирают число испарителей по числу потребителей холода, что облегчает эксплуатацию, делает каждый потребитель холода менее чувствительным к возможным неполадкам или резким колебаниям тепловой нагрузки на соседнем потребителе холода. Число насосов для перекачивания хладоносителя соответствует числу испарителей. Наличие резервного насоса является необходимым. В этом случае обеспечивается резерв менее 100%, как при установке общего насоса.

Количество устанавливаемых конденсаторов выбирают, предусматривая установку меньшего числа крупных аппаратов, причем для удобства эксплуатации и ремонта следует иметь как минимум два конденсатора. При установке крупных конденсаторов воздушного охлаждения (как правило, на открытой площадке) предусматривают секционирование теплообменной поверхности конденсатора. В этом случае при изменении величины теплоты конденсации в рабочих условиях возможно отключение или подключение части поверхности теплообмена конденсатора. Предусматривается изменение расхода воздуха через конденсатор, путем установки нескольких вентиляторов или изменения поворота лопастей осевого вентилятора. Выбор типа конденсатора проектируемого объекта определяется результатами сравнительного технико-экономического расчета, в котором для данной климатической зоны оценивают величины капитальных затрат и эксплуатационных расходов для трех вариантов: кожухотрубный конденсатор — градирня, испарительный конденсатор и конденсатор воздушного охлаждения. Предпочтение отдают варианту, имеющему наименьшую сумму приведенных годовых затрат.

Системы с аккумулятором холода

Существуют аккумуляторы-резервуары вытеснительного и опорожнительного типов, причем для второго типа внутренние потери меньше на величины до 20% аккумулированной энергии. Использование источников естественного и искусственного холода для зарядки аккумуляторов холода предполагает пространственное распределение источника и аккумулятора-резервуара.

Уменьшение геометрических размеров аккумуляторов-резервуаров обычно достигается путем использования для аккумуляции теплоты или холода теплоты фазового перехода. Не останавливаясь из экологических соображений на аккумуляторах холода с рассолами, водными растворами кристаллогидратов и т. п., проведем анализ аккумуляторов холода, использующих теплоту фазового перехода вода — лед. Намораживание слоя льда на теплообменной поверхности испарителя толщиной 20— 40 мм приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи в 2—2,5 раза и снижению температуры кипения хладагента.

Снижение же температуры кипения хладагента на 1°С в диапазоне —10 −20°С приводит к снижению холодопроизводительности и соответственно увеличению расходов электроэнергии на производство холода до 2% В итоге намораживание льда при температурах кипения —15 −20°С обусловливает потери электроэнергии до 20—35% против значений для температур кипения в области —5-7°С при охлаждении в испарителе ледяной воды. Аккумуляция холода путем производства чешуйчатого льда при его толщине на теплообменной поверхности до 2—3 мм более экономична, поскольку коэффициент теплопередачи выше, чем при толщинах льда около 20—30 мм. Однако в этом случае требуется более интенсивное намораживание льда, которое достигается также при температурах кипения хладагента не выше —17 —18°С (иначе на поверхности вместо кристаллического льда намораживается водоледяная смесь).

Отрицательную роль при использовании аккумуляторов холода с намороженным льдом играет и кинетика его таяния, определяемая разнонаправленным действием градиента температур и подъемной архимедовой силы, обусловленной аномальной зависимостью плотности от температуры. Аккумулированный таким образом холод трудно полностью использовать при резкопеременной в нем потребности. Последнее выражается в том, что не удается стабилизировать температурный уровень ледяной воды и тем самым гарантировать охлаждение жидкостей и продуктов до требуемой температуры.

В связи с этим было предложено отказаться от аккумуляции холода путем намораживания льда, использовать испарители в системе водоохлаждающих машин. Отказ от использования теплоты фазового перехода вода — лед сопряжен с увеличением объема аккумуляторов-резервуаров, а стабилизация температуры хладоносителя в аккумуляторе холода достигается установкой буферной емкости, в которую сливается отепленный в технологических аппаратах хладоноситель. Системы холодоснабжения с аккумуляторами холода можно разделить на три типа:

• с общей (одноконтурной) подачей хладоносителя на технологические аппараты, испаритель, аккумулятор-резервуар;
• с раздельной (двухконтурной) подачей хладоносителя на технологические аппараты, испаритель, аккумулятор-резервуар;
• с независимой циркуляцией холодного и отепленного хладоносителя.