1.2. Методи отримання холоду
Ідея збереження продуктів за допомогою охолодження походить із стародавніх імперій. В XIX столітті холодильна техніка швидко перетворилася з довгого да затратного збору льоду і снігу до більш економічних залізничних вагонів з контрольованою температурою. Поява рефрижераторних вагонів сприяло просунення людей на захід Сполучених Штатів Америки, виникли поселення в районах, які не були на основних транспортних каналах. Поселення також з'явилися в безплідних та важко досяжних районах країни, але багатих на природні ресурси. Розвиток холодильної техніки сприяло будівництву великих міст, які стали процвітати в областях, де без холодильників і кондиціонерів життя було б м’яко кажучи важким.
Розвиток виробництва продуктів харчування, завдяки зберіганню продуктів протягом довгого часу, їх доступність для всього населення, мали великий вплив на харчування суспільства та на збільшення кількості населення. У більшості розвинених країн міста сильно залежать від холодильників в супермаркетах, виживання залежить від отримання їжі для щоденного споживання. Збільшення попиту на продукти харчування, які не псувалися досить довго, призвело до більшої продуктивності сільськогосподарських земель і зменшення кількості існуючих господарств.
Розглянемо методи отримання холоду. Отримання холоду можливе тільки при наявності теплового контакту між охолоджуючою речовиною (робочою речовиною) і охолоджуючим об’єктом (наприклад, водою). Таким чином для отримання холоду можливо використовувати любий природній процес, який супроводжується споживанням тепла зі сторони робочого тіла при температурі нижче ніж температура навколишнього середовища.
Різниця між теплом і холодом полягає в різній швидкості руху молекул та атомів, натомість фізична природа в них однакова. Чим більш нагріте тіло, тим більша швидкість руху буде в ньому.
Коли ми підводимо тепло до потрібного нам тіла , його рух зростає ,якщо відводимо зменшується. Таким чином теплова енергія впливає на рух молекул і атомів, тим що являться їх нею внутрішню енергією .
Відведенні від тіла тепла, що супроводжується зниженням температури, називається охолодженням тіла. Найпростішим способом охолодження для тіла є – теплообмін між тілом яке охолоджуємо і навколишнім середовищем. Навколишнім середовищем може виступати як зовнішнє повітря так і вода та ґрунт. Цей спосіб може знизити температуру тіла, всього до температурі навколишнього середовища .Саме тому такий спосіб охолодження називається природнім. Якщо ми хочемо знизити температуру нижче навколишнього середовища , ми будемо використовувати приховану теплоту ,що поглинається тілами коли вони змінюють свій агрегатний стан. Такий спосіб зниження температурі називаєтеся штучним.
Калоріями вимірюються кількість тепла та холоду . Калорія - це кількість тепла, яке необхідно підвести до тіла(наприклад води ) , для нагрівання 1 г води на 1 0С при нормальному атмосферному тиску .
Існують декілька способів отримання холоду штучним способом. Найпростіший - охолодження за допомогою льоду, танення якого супроводжується поглинанням тепла в великих кількостях. Якщо тепло притоки ззовні малі, а тепло передающей поверхню льоду відносно велика, то температуру тіла можна знизити майже до 0 °С. Практично в приміщенні, що охолоджується льодом, температуру повітря вдається підтримувати лише на рівні 5-8 ° С, через те що не можна повністю виключити тепло притоки до приміщення.
При охолодженні водним льодом відбувається зміна його агрегатного стану – плавлення. Плавлення – зміна агрегатного стану льоду , при охолодженні тіла. Питома теплота плавлення це охолоджуюча здатність речовини, в нашому випадку льоду.
Водний лід застосовується для охолодження і сезонного зберігання продовольчих товарів, в кліматичних зонах де його легко можна заготовити. Водний лід в якості охолоджувального засобу застосовується в спеціальних льодовиках і на крижаних складах. Крижане охолодження має суттєві недоліки:
§ Температура зберігання обмежена температурою танення льоду ;
§ льодовик необхідно закладати кількість льоду, достатню на весь період зберігання;
§ Додавати в міру необхідності;
§ Значні витрати праці на заготівлю і зберігання водного льоду;
§ Великі розміри приміщення для льоду, що перевищують приблизно в 3 рази розміри приміщення для продуктів;
§ Значні витрати праці на дотримання необхідних вимог, що пред'являються до зберігання харчових продуктів і відведення талої води.
Льдосоляне охолодження проводиться із застосуванням дробленого водного льоду і солі. Завдяки додаванню солі швидкість танення льоду збільшується, а температура танення льоду опускається нижче. Це пояснюється тим, що додавання солі викликає ослаблення молекулярного зчеплення і руйнування кристалічних решіток льоду. Танення льодосоляною суміші протікає з відбором теплоти від навколишнього середовища, в результаті чого навколишнє повітря охолоджується і температура його знижується. З підвищенням вмісту солі в льодосоляною суміші температура плавлення її знижується. Розчин солі з найнижчою температурою танення називається евтектичним, а температура його танення - кріогідратной точкою. Кріогідратная точка для льодосоляною суміші з кухонною сіллю -21,2 ° С, при концентрації солі в розчині 23,1% по відношенню до загальної маси суміші, що приблизно дорівнює 30 кг солі па 100 кг льоду. При подальшій концентрації солі відбувається не зниження температури танення льодосоляною суміші, а підвищення температури танення (при 25% -ної концентрації солі в розчині до загальної маси температура танення підвищується до -8 ° С).
При заморожуванні водного розчину кухонної солі в концентрації, що відповідає кріогідратной точці, виходить однорідна суміш кристалів льоду і солі, яка називається евтектичним твердим розчином.
Температура плавлення евтектичного твердого розчину кухонної солі -21,2 ° С, а теплота плавлення - 236 кДж / кг. У торгівлі льодосоляне охолодження широко застосовувалося до масового випуску обладнання з машинним способом охолодження.
Охолодження сухим льодом засноване на властивості твердої вуглекислоти сублімувати, т. Е. При поглинанні тепла переходити з твердого стану в газоподібний, оминаючи рідкий стан.
Сухий лід має наступні переваги в порівнянні з водним:
§ можна отримувати більш низьку температуру;
§ охолоджуючу дію 1 кг сухого льоду майже в 2 рази більше, ніж 1 кг водного льоду. при охолодженні не виникає вогкості, крім того, при сублімації сухого льоду утворюється газоподібна вуглекислота, яка є консервуючим засобом, що сприяє кращому збереженню продуктів.
Сухий лід застосовується для перевезення заморожених продуктів, охолодження фасованого морозива, заморожених фруктів і овочів.
Штучного охолодження можна досягти також, якщо змішати лід або сніг з розведеними кислотами.
Отримання штучного холоду за допомогою снігу або льоду, має суттєві недоліки:
§ Трудомісткість процесів заготівлі льоду,
§ Доставка,
§ Труднощі автоматичного регулювання,
§ Обмежені температурні можливості.
Останнім часом все більш актуальною стає проблема використання для холодильної обробки харчових продуктів нетрадиційних екологічно безпечних методів отримання холоду. Найбільш перспективним з них є вакуумний метод на базі рідкого і газоподібного азоту .
Безмашинному проточні системи азотного охолодження мають значні переваги: дуже надійні в експлуатації і мають високу швидкість заморожування, що забезпечує практично повне збереження якості і зовнішнього вигляду продукту, а також мінімальні втрати його маси за рахунок усушки.
Особливо слід відзначити екологічну чистоту таких систем (в атмосфері Землі міститься до 78% газоподібного азоту).
Найбільш поширеним і зручним в експлуатаційному відношенні способом охолодження є машинне охолодження.
Машинне охолодження - спосіб отримання холоду за рахунок зміни агрегатного стану холодоагенту, кипіння його при низьких температурах з відведенням від охолоджуваного тіла або середовища необхідної для цього теплоти пароутворення.
Для подальшої конденсації пари холодоагенту потрібне попереднє підвищення їх тиску і температури.
В основу машинного способу охолодження може бути покладено також адіабатичне (без підведення і відведення тепла) розширення стисненого газу. При розширенні стиснутого газу температура його значно знижується, так як зовнішня робота в цьому випадку відбувається за рахунок внутрішньої енергії газу. На цьому принципі заснована робота повітряних холодильних машин.
Основним недоліком діоксиду вуглецю є низька критична
температура і високі робочі тиску в області робочих температур, в силу
чого пред'являються спеціальні вимоги до обладнання. Однак висока
тиск визначає і переваги в порівнянні з іншими холодоагентами:
• холодопродуктивність компресора із заданою об'ємною продуктивністю при роботі на вуглекислому газі вище внаслідок високої щільності газу;
• так як крива фазового переходу більш полога в порівнянні з іншими холодоагентами, то втрати тиску в випарники слабо позначаються на зміні температури кипіння. Це дозволяє збільшити масовий витрата холодоагенту через випарник і підвищити ефективність тепловіддачі.
0 комментариев