Мещеряков Ф.Е. Основы холодильной техники и холодильной технологии - файл n1.doc

приобрести
Мещеряков Ф.Е. Основы холодильной техники и холодильной технологии
скачать (23518.8 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc26795kb.25.06.2004 00:31скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   69


Ф.Е. МЕЩЕРЯКОВ

ОСНОВЫ

ХОЛОДИЛЬНОЙ

ТЕХНИКИ

И ХОЛОДИЛЬНОЙ

ТЕХНОЛОГИИ


Допущено Управлением учебных заведений Министерства торговли РСФСР в качестве учебника для высших учебных заведений по специальности № 1011 «Технология и организация общественного питания»

Москва Пищевая промышленность 1975

УДК 621.56

Рецензенты Н.С Васильченко, Л.Г. Каплан, Б.К. Явнель

Спецредакторы А.М. Коренев, Н.В. Лихарева


Федор

Елисеевич

Мещеряков

ОСНОВЫ

ХОЛОДИЛЬНОЙ

ТЕХНИКИ

И ХОЛОДИЛЬНОЙ

ТЕХНОЛОГИИ


Редактор Н.Г. Николаева

Художник М.В. Носов

Художественный редактор С.Р. Нак

Технический редактор Н.Н. Зиновьева

Корректоры И.А. Кутина и 3.В. Коршунова
Т-15364. Сдано в набор 11/III-1975 г. Подписано в печать 6/X-1975 г.

формат 84Ч108 1/32. Бумага типографская № 3. Объем 17,5 п. л.

Усл. п. л. 29,4. Уч. изд. л. 30,84. Тираж 60000 экз. Заказ 93а.

Цена 1р. 24к.
Издательство «Пищевая промышленность»

113035, Москва, М-35, 1-й Кадашевский пер., 12
Владимирская типография Союзполиграфпрома при государственном комитете Совете Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.

Гор. Владимир, ул. Победы, д. 18-б.
© Издательство «Пищевая промышленность», 1975 г.


ПРЕДИСЛОВИЕ



Искусственным охлаждением человек пользуется с древнейших времен. Вначале холод применялся только для сохранения пищевых продуктов. Источниками его являлись снег, лед и холодная вода. Холодильными устройствами служили примитивные ледники в виде ям, погребов и др. В XVII в. лед стали использовать в смеси с солью, что позволило получать температуры ниже 0°C.

Первая в мире холодильная машина была сконструирована в 1834 г. в Лондоне по проекту Джекоба Перкинса. Работала она на этиловом эфире и большого практического применения не получила. В 1871 г. француз Шарль Телье создал машину, работавшую на метиловом эфире, а в 1872 г. англичанин Бойль изобрел аммиачную холодильную машину. В середине XIX в. появились абсорбционные холодильные машины. Но масштабы применения всех этих машин были небольшими.

Началом широкого практического использования холодильных машин следует считать восьмидесятые годы XIX столетия, после изготовления доктором Карлом Линде первой промышленной модели аммиачной компрессионной холодильной машины. Холодильные машины нашли применение, прежде всего, для охлаждения и замораживания мяса при подготовке его к дальним перевозкам из Австралии, Аргентины и Новой Зеландии в Европу на специальных рефрижераторных пароходах и для обеспечения холодом продукта в пути. В то же время холодильные машины начали использовать в пивоваренном производстве, на кондитерских фабриках, молочных заводах и других пищевых предприятиях. Машинное охлаждение стали использовать при заготовке, производстве, хранении и транспортировке самых разнообразных пищевых продуктов. С течением времени искусственный холод нашел большое применение и на предприятиях химической, металлургической, горной, текстильной строительной, нефтеобрабатывающей и других отраслей промышленности. Его успешно используют в сельском хозяйстве, рефрижераторном транспорте, медицине, спорте, быту, для получения искусственного льда, кондиционирования воздуха и т. д.

В настоящее время трудно назвать такую отрасль народного хозяйства, в которой не применялось бы искусственное охлаждение. Особенно велико значение искусственного холода для сохранения скоропортящихся пищевых продуктов.

В нашей стране искусственный холод в промышленных масштабах впервые начали применять в 1877 г. на рыбных промыслах Мурманского побережья. Затем в 1888 г. были построены холодильники на рыбных промыслах Астрахани. В 1889 г. холодильными машинами были оснащены два крупных пивоваренных завода. В дальнейшем искусственным охлаждением стали широко пользоваться при хранении и перевозках мяса, битой птицы, рыбы, яиц, масла, фруктов, ягод и других продуктов. В 1895 г. в Белгороде был построен первый в России производственный холодильник емкостью 250 т. Железнодорожные вагоны с ледяным охлаждением для перевозки скоропортящихся продуктов появились в России в 1860 г., а к началу ХХ столетия на железных дорогах России был создан уже сравнительно большой по тому времени парк изотермических вагонов с пристанционными пунктами льдоснабжения и охлаждаемыми складами. На некоторых водных путях в начале ХХ века были организованы специальные рейсы пароходов с охлаждаемыми трюмами. Однако холодильная техника в дореволюционной России была развита слабо. Холодильное строительство велось крайне медленно. В 1917 г. в стране насчитывалось всего 58 холодильников общей емкостью около 60 тыс. т.

Внедрение искусственного холода в широких масштабах началось в нашей стране после Великой Октябрьской социалистической революции. За годы Советской власти емкость заготовительных, производственных и распределительных холодильников увеличилась почти в 70 раз и на 1974 г. составляла более 4 млн. т. В настоящее время по размерам холодильной емкости СССР занимает второе место в мире. Широкое развитие получил и холодильный транспорт. Значительно возрос парк изотермических железнодорожных вагонов, появились поезда, секции и отдельные вагоны с машинным охлаждением. Увеличилось число судов-рефрижераторов, оснащенных современной холодильной техникой. Создан заново автомобильный холодильный транспорт. Интенсивно, особенно после Великой Отечественной войны, оснащались холодильной техникой торговая сеть в предприятия общественного питания.

В последние два десятилетия высокие темпы развития получило также отечественное производство бытовых холодильников. В 1973 г. их выпуск составил 5,5 млн. шт., в результате чего наша страна заняла второе место в мире по производству этого необходимого предмета домашнего обихода.

В дальнейшем намечается большое строительство новых холодильников во всех отраслях пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и торговле. Одновременно предусматривается дальнейшее внедрение искусственного холода на железнодорожном, водном и автомобильном транспорте, в домашнем быту.

Интенсивно развивается и холодильное хозяйство предприятий общественного питания и торговли продовольственными товарами. Для технического оснащения этих предприятий производятся сотни тысяч единиц холодильного оборудования.

Наряду с широкой программой развития техники производства искусственного холода проводится большая работа и в области его применения.

При этом в холодильной технологии пищевых продуктов, в соответствии с задачами, поставленными партией и правительством по дальнейшей интенсификацией производства во всех отраслях народного хозяйства страны, особое внимание уделяется интенсификации процессов охлаждения, замораживания и размораживания различных скоропортящихся продуктов, улучшению условий их хранения и транспортировки. Значительные усилия направлены также на расширение производства полуфабрикатов, различных кулинарных изделий, замороженных готовых и полуготовых блюд, на организацию централизованного комплексного снабжения ими предприятий общественного питания и продовольственных магазинов.

Настоящая книга предназначена в качестве учебника по курсу «Основы холодильной техники и холодильной технологии» для студентов технологических факультетов торговых вузов. Программой данного курса охватывается весь комплекс вопросов производства и применения искусственного холода, которым должны овладеть будущие инженеры-технологи. В соответствии с программой написан и учебник. Он состоит из двух частей.

В первой части излагаются теоретические основы искусственного охлаждения, рассматриваются типичные для предприятий торговли и общественного питания холодильные машины и установки, автоматизация этих установок, стационарные холодильники, торговое холодильное оборудование, бытовые холодильники, устройства ледяного и льдосоляного охлаждения, способы заготовки естественного и производства искусственного водного льда. Значительное место в этой части книги отводится вопросам проектирования и технической эксплуатации холодильников и холодильного оборудования.

Вторая часть книги посвящена основам холодильной технологии пищевых продуктов. Здесь изложены теория холодильной обработки и хранения пищевых продуктов, общий принцип и способы их консервирования, консервирование посредством холода, практические способы охлаждения, замораживания, хранения, отепления и размораживания продуктов, прогрессивные методы интенсификации этих процессов и применяемая для их осуществления аппаратура. Необходимые сведения даются также по замораживанию кулинарных изделий. Специальная глава книги посвящена холодильному транспорту.

Глава IX написана совместно с В.И. Канторовичем, главы XIX-XXII - при участии К.П. Венгер. Главы Х и XXIV написаны А.М. Кореневым.

Автор выражает благодарность за помощь в подготовке рукописи А.М. Кореневу, Н.В. Лихаревой, Н.В. Марадудиной и Н.А. Орловской.

Замечания, отзывы и пожелания по книге просьба направлять по адресу: 113035, Москва, Ж-35, 1-й Кадашевский пер. дом 12, издательство «Пищевая промышленность».

Часть первая




ОСНОВЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ




Глава I



ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСКУССТВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ И СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ



Охлаждением называют процесс понижения температуры охлаждаемого тела. Понизить температуру вещества можно путем уменьшения его внутренней энергии. Поэтому для искусственного охлаждения создают такие условия, при которых тепловая энергия (тепло) отводится от охлаждаемого тела (охлаждаемой среды) и воспринимается другим, более холодным телом. Для длительного охлаждения необходимо, чтобы восприятие тепла охлаждающим телом происходило без повышения его температуры, так как иначе температуры обоих тел (охлаждаемого и охладителя) станут одинаковыми и охлаждение прекратится. Таким свойством обладают тела при некоторых изменениях своего состояния, например, твердые тела могут воспринимать внешнее тепло без повышения своей температуры при плавлении или таянии; жидкие в процессе испарения или кипения.

В основе современных промышленных способов охлаждения лежат процессы испарения или кипения, плавления или таяния и сублимации. Все эти процессы протекают с поглощением тепла из окружающей среды.

При переходе тела из твердого состояния в жидкое (плавление или таяние) тепло, воспринимаемое им извне, затрачивается на изменение связей между молекулами вещества, на ослабление сил его молекулярного сцепления. Когда тело переходит из жидкого состояния в парообразное (испарение или кипение), тепло расходуется также на преодоление сил молекулярного сцепления жидкого тела и работу его расширения. В случае перехода тела из твердого состояния непосредственно в газообразное (сублимация) тепло расходуется на преодоление сил сцепления молекул вещества и внешнего давления, препятствующего этому процессу.

На свойстве тел поглощать внешнее тепло при плавлении или таянии основано охлаждение льдом и льдосоляными смесями.

Охлаждение посредством поглощения внешнего тепла при кипении летучих жидкостей осуществляется холодильными машинами. Свойство тел поглощать внешнее тепло при их сублимации используется для охлаждения так называемым сухим льдом. Наиболее распространенным в настоящее время является охлаждение холодильными машинами.

Искусственное охлаждение может быть основано и на других физических принципах, например адиабатическом расширении газов, термоэлектрическом явлении (эффекте Пельтье).

При адиабатическом расширении работа, совершаемая расширяющимся телом, производится за счет уменьшения его внутренней энергии, вследствие чего температура тела сильно понижается. Например, адиабатическое расширение воздуха от 0,4 до 0,1 МПа сопровождается понижением его температуры от 20 до -75°С.

Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного электрического тока через цепь, состоящую из разнородных проводников (ветвей), в местах их соединений (спаев) наблюдается разность температур, т.е. один спай имеет более высокую температуру (теплый спай), чем другой (холодный спай). Количество энергии, переносимое от холодного спая к теплому, пропорционально силе тока в цепи термоэлемента. Изменение полярности тока приводит к перемене мест теплого и холодного спаев.

Термоэлектрические элементы начали использовать в охлаждающих устройствах после того, как были найдены высокоэффективные полупроводниковые материалы для их ветвей. Термоэлемент представляет собой два последовательно соединенных полупроводника, образующих его ветви. Одну ветвь изготовляют из дырочного, а другую из электронного полупроводникового материала. Ветви соединяются спаями. Разность температур, получаемая на спаях термоэлемента, и эффективность термоэлектрических устройств по сравнению с другими охлаждающими устройствами зависят от материала ветвей.

Промышленность выпускает термоэлектрические устройства для холодильных шкафов, охлаждаемых баров, холодильных ларей и т.д. Положительной особенностью этих устройств является непосредственное использование электрической энергии для переноса тепловой энергии с низкого температурного (холодный спай) уровня на более высокий (теплый спай) без промежуточных устройств и механизмов.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП МАШИННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ



Естественным путем тепло переходит только от тел с высокой температурой к телам с более низкой температурой. При машинном охлаждении требуется отводить тепло от охлаждаемой среды и передавать его более теплой среде, например, окружающему воздуху или водопроводной воде.

Согласно второму закону термодинамики тепло может быть перенесено из холодной среды в теплую путем затраты извне механической или тепловой энергии. Для этого осуществляют специальные термодинамические циклы, называемые холодильными циклами. В холодильных циклах тепло переносится с нижнего температурного уровня на более высокий с помощью какого-либо тела. Такие тела называют рабочими веществами.

Простейший из холодильных циклов в v, p-координатах показан на рис.1. В процессе 1-a-2 этого цикла рабочее тело расширяется, а в процессе 2-b-1 сжимается. Расширение протекает при температуре более низкой, чем температура окружающей среды, поэтому последняя охлаждается, а рабочее тело нагревается; сжимается рабочее тело при более высокой температуре и во время сжатия тепло отводится в окружающую среду - в воздух или воду. На осуществление цикла расходуется внешняя механическая работа, которая в v, p-диаграмме изображается площадью, ограниченной процессами, образующими цикл. Тепло, эквивалентное этой работе, воспринимается рабочим телом и передается им вместе с теплом, воспринятым от охлаждаемой среды, в окружающую (более теплую) среду. Если в рассмотренном цикле рабочее тело воспринимает от охлаждаемой среды q0 тепла, а на сжатие того же количества рабочего тела расходуется l работы, то в окружающую среду согласно закону сохранения энергии от него должно отводиться тепло в количестве q=q0+l. В действительности циклы холодильных машин значительно сложнее, чем рассмотренный.

Комплекс технических устройств, с помощью которых осуществляется холодильный цикл, называется холодильной машиной.

Рабочим телом холодильных циклов могут служить различные вещества. По своему физическому состоянию эти вещества во время сжатия могут быть в виде газа или пара. В связи с этим холодильные машины делят на газовые и паровые.

В газовых холодильных машинах рабочее тело на протяжении всего цикла не изменяет своего агрегатного состояния. В паровых холодильных машинах оно переходит в отдельных процессах цикла из парообразного состояния в жидкое или, наоборот - из жидкого в парообразное.

Из газообразных веществ в качестве рабочего тела в холодильных машинах применяют только воздух. Поэтому практически газовыми холодильными машинами являются воздушные холодильные машины.

Принцип охлаждения воздушными холодильными машинами. Схема воздушной холодильной машины дана на рис.2. Основными ее элементами являются компрессор 1, охладитель 2 и расширительный цилиндр 3. Посредством воздушных каналов машина соединяется с охлаждаемым помещением 4.

Компрессор 1 засасывает воздух из охлаждаемого помещения 4 при давлении p0, равном приблизительно атмосферному давлению, и сжимает его адиабатически до давления p, поддерживаемого в охладителе 2. Практически это давление составляет примерно 0,4-0,5 МПа. Температура воздуха вследствие такого сжатия достигает 100-120°С. Из компрессора сжатый воздух направляется в охладитель 2. Здесь он охлаждается примерно до 20°С - температуры, близкой к температуре охлаждающей воды. При этом давление p благодаря работе компрессора поддерживается постоянным. Из охладителя воздух поступает в расширительный цилиндр - детандер 3, в котором адиабатически расширяется до первоначального давления p0, вследствие чего его температура снижается до -75ч-70°С. Затем он подается в охлаждаемое помещение 4, охлаждает его, а сам нагревается до -10ч-5°С. Отсюда опять засасывается в компрессор, сжимается в нем, и цикл повторяется снова.





Рис.2. Схема воздушной холодильной машины:

1 - компрессор; 2 - охладитель; 3 - расширительный цилиндр; 4 - охлаждаемое помещение.
Воздух как рабочее вещество обладает следующими преимуществами: имеется везде в неограниченном количестве, безвреден для человека, безопасен в пожарном отношении, достаточно нейтрален к металлам и смазывающим средствам. Однако воздушные холодильные машины большого практического применения не нашли. Основные их недостатки: громоздкость вследствие чрезвычайно малой теплоемкости воздуха; низкий механический коэффициент полезного действия; оседание влаги в виде снега в расширительном цилиндре при большом понижении температуры.

Воздушные холодильные машины используют главным образом для специальных целей, например кондиционирования воздуха в самолетах, разделения газов в установках глубокого охлаждения и т.д.

Принцип охлаждения паровыми холодильными машинами. Паровые холодильные машины, как и воздушные, работают по принципу переноса тепла из холодной среды в теплую путем затраты энергии. Однако в паровых холодильных машинах восприятие тепла в охлаждаемом помещении происходит не вследствие нагревания рабочего вещества, а в результате его кипения. Отводится тепло от рабочего вещества при его конденсации.

Для охлаждения посредством паровой холодильной машины той или иной среды в ней устанавливают змеевики или другую систему металлических труб. Такая система называется испарителем, в нее подается в жидком виде рабочее вещество, которое здесь кипит и охлаждает окружающую среду.

Охлаждение должно осуществляться при достаточно низких температурах. Для этого кипение рабочего вещества должно протекать тоже при низких температурах. Температуры кипения и конденсации рабочего вещества зависят от давления его паров. С понижением давления паров понижаются температуры кипения и конденсация рабочего вещества, и наоборот. В связи с этим при работе холодильной машины давление над кипящим рабочим веществом всегда поддерживают в соответствии с необходимой температурой кипения, которая определяется температурой охлаждаемой среды. Достигается это отсасыванием паров рабочего вещества из испарителя.

Средой, в которую передается тепло при работе холодильной машины, служит обычно вода или воздух. Пары рабочего вещества, образующиеся в испарителе, имеют более низкую температуру, чем охлаждающая вода или воздух, так как процесс в нем чаще всего ведется при отрицательных температурах. В установках умеренно низких температур в испарителе температура кипения рабочего вещества поддерживается в среднем от -10 до -20°С. Поэтому тепло не может переходить непосредственно от рабочего вещества к более теплой воде или воздуху. Но если повысить давление паров, то повысится и температура их конденсации. С этой целью давление отсасываемых из испарителя паров рабочего вещества повышают до величины, при которой температура конденсации их примерно на 10°С выше средней температуры воды или воздуха, воспринимающих тепло. Повышение давления паров, как и отсасывание их из испарителя, в различных системах машин осуществляется по-разному, но всегда с затратой механической или тепловой энергии.

Пары рабочего вещества после повышения их давления во всех системах холодильных машин направляются в конденсатор, в котором, как и в испарителе, основной рабочей частью является система металлических труб. Здесь рабочее вещество отдает воспринятое им тепло охлаждающей воде или воздуху и конденсируется. Из конденсатора жидкое рабочее вещество снова подается в испаритель для поглощения нового количества тепла из охлаждаемой среды.

Давление выходящего из конденсатора жидкого рабочего вещества должно быть таким же, как и его паров, поступающих в этот аппарат, так как давление конденсации при работе машины поддерживается постоянным. В испарителе давление должно быть намного ниже. Поэтому при переходе жидкого рабочего вещества из конденсатора в испаритель давление его понижается с помощью дросселирующего устройства.

В испарителе рабочее вещество снова переходит в парообразное состояние при низкой температуре и низком давлении.

По такому принципу работают все современные паровые холодильные машины. Но практические методы и средства осуществления этого принципа различны, а, следовательно, разнообразны и типы машин. Их, прежде всего, делят в зависимости от способов отсасывания рабочего вещества из испарителя и нагнетания его в конденсатор. По этому признаку различают машины: компрессионные и абсорбционные.

Холодопроизводительность и холодильный коэффициент компрессионной машины.



Количество тепла, которое холодильная машина отнимает за единицу времени от охлаждаемой среды, называется холодопроизводительностью этой машины. Обозначается она через Q0 и измеряется в ваттах.

Величина q0, представляющая собой количество тепла в джоулях, отнимаемого от охлаждаемой среды 1 кг рабочего тела при осуществлении холодильного цикла, называется удельной массовой холодопроизводительностью Размерность - джоуль на килограмм.

В теории паровых компрессионных холодильных машин часто пользуются величиной удельной объемной холодопроизводительности рабочего тела qv, показывающей, сколько тепла отводятся от охлаждаемой среды, 1 м3 паров рабочего тела, образующихся в процессе кипения. Измеряется в джоулях на кубический метр.

Для энергетической оценки холодильного цикла пользуются холодильным коэффициентом ?, представляющим собой отношение q0 к энергии l, затрачиваемой на адиабатическое сжатие 1 кг рабочего тела при осуществлении холодильного цикла

(1)

ИДЕАЛЬНЫЙ ЦИКЛ ПАРОВОЙ Компрессионной холодильной МАШИНЫ



Идеальным циклом холодильных машин принят обратный цикл Карно. Этот цикл состоит из двух адиабатических и двух изотермических процессов. Графическое изображение его в s, T-диаграмме показано на рис.3.

В изотермическом процессе 4-l рабочее тело воспринимает тепло от охлаждаемой среды, а по изотерме 2-3 оно отдает его в окружающую более теплую среду. При этом количество тепла q0 во взятой системе координат изображается площадью l-4-a-b-1 и может быть определено по уравнению

,

а тепло q, отводимое от 1 кг рабочего тела в окружающую среду, изображается площадью 2-3-а-b-2 и выражается уравнением

.

В адиабатическом процессе 1-2 рабочее тело подвергается сжатию, вследствие чего температура его повышается от Т0 до Т. Процесс 3-4 - адиабатическое расширение рабочего тела с понижением температуры от Т до Т0.

На сжатие рабочего тела расходуется механическая работа, которая частично компенсируется работой, получаемой при его расширении. Таким образом, на осуществление обратного цикла Карно расходуется энергия, выражаемая разностью работ сжатия и расширения. В этом цикле на сжатие 1 кг рабочего тела расходуется работа l, которая изображается в s, Т-диаграмме площадью 1-2-3-4-l и может быть определена по уравнению

.

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно

. (2)

Из уравнения видно, что холодильный коэффициент обратного цикла Карно определяется крайними температурами этого цикла (Т и Т0), увеличиваясь при повышении Т0 и понижении Т. Следовательно, не нужно производить охлаждения при более низких температурах, чем это требуется по условиям работы, и необходимо стремиться к тому, чтобы температура, при которой отводится тепло от рабочего тела, была возможно меньшей.

Холодильный коэффициент цикла Карно больше холодильного коэффициента любого из циклов, осуществляемых в тех же температурных пределах, поэтому он и принят за идеальный цикл.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   69


Ф.Е. МЕЩЕРЯКОВ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации