Logo holodilshchik
интернет-выпуск № 9(33), сентябрь, 2007 г.
ПЕРВАЯ В РОССИИ ИНТЕРНЕТ-ГАЗЕТА ПО ХОЛОДИЛЬНОЙ И БЛИЗКОЙ ЕЙ ТЕМАТИКЕ

Охладители жидкостей для технологических целей
Грамотно преподнести себя через рекламу - тоже искусство!
ЛУЧШАЯ СТАТЬЯ ВЫПУСКА 9(33)!
Ермаков С.А.
НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ


Рассматривается способ удаления водяных паров из объема сушильной камеры путем их абсорбции охлажденным поглотительным раствором, подаваемым на пластины десублиматора, а также использование теплоты десублимации водяных паров для нагрева осушаемого продукта.


В последнее время развитие сублимационных установок в основном идет по пути совершенствования способов подвода тепловой энергии к осушаемым объектам - кондуктивных, радиационных, микроволновых и их сочетаниям в различных пропорциях. В то же время процесс удаления выделяющихся водяных паров из объема сушильной камеры, а именно он определяет основные затраты на работу сушильных установок, остается без существенных изменений.

Самый очевидный способ удаления, он же является самым затратным, -прямое удаление водяных паров при помощи вакуумных насосов большой мощности. Данный способ применяется в исключительных случаях. Основной способ, который потеснил все другие, но так и остался без существенных изменений со времен первых исследований сублимационных процессов, - вымораживание водяных паров на поверхностях пластин специальных устройств-десублиматоров. Все прекрасно знакомы с достоинствами и недостатками этого способа, определяющего высокую затратность процессов сублимационной сушки, но все же на настоящий момент самого экономичного. Но если мы приглядимся к этому древнему способу повнимательнее, то мы сможем увидеть, как путем внесения некоторых, на первый взгляд малосущественных изменений, можно осуществить несколько последовательных, вытекающих один из другого шагов, которые позволят в разы снизить затратность процесса сублимационной сушки.

Способ сублимационной сушки основан на жесткой зависимости парциального давления водяных паров в объеме камеры от температуры веществ, содержащих воду в составе других фаз - жидких или твердых, которые имеют возможность свободно обмениваться своими молекулами воды с молекулами воды, находящимися в газовой фазе. Различными техническими средствами создается разность температур между этими веществами, и молекулы воды из одних веществ, например из замороженного продукта, под действием температурного перепада давлений перемещаются к другим веществам, например к кристаллам льда, находящимся на пластинах десублиматора. Для облегчения процесса выравнивания давлений, из объема сушильной камеры и связанных с ней устройств, при помощи вакуумного оборудования удаляются все посторонние газы. В сущности, этим и определяется типичный процесс сублимационной сушки.

Рассмотрим несколько подробнее процессы, происходящие возле пластин десублиматора, температура которых поддерживается при помощи холодильного устройства на уровне, скажем, минус тридцать градусов по Цельсию.

С поверхности льда, покрывающего пластины десублиматора, непрерывно отрываются и улетают в газовую фазу молекулы воды. Одновременно из газовой фазы захватываются другие молекулы воды и встраиваются в кристаллическую решетку льда. Если парциальное давление паров воды соответствует 381 Па, то количество улетающих и количество прилетающих молекул при этой температуре будет одинаково и будет создаваться обманчивое впечатление, что никаких процессов тепло- или массообмена между газовой и твердой фазой (льдом) не происходит.

Если парциальное давление паров воды возле пластин десублиматора каким-либо образом повысится, например, вследствие поступления порции паров воды из сушильной камеры, количество захватываемых молекул увеличится по сравнению с количеством улетающих. Начнет увеличиваться масса льда. Так как каждая захватываемая молекула приносит с собой значительное количество энергии, начнет расти температура льда. Чем выше температура льда, тем больше молекул начнет отрываться ото льда и улетать в газовую фазу. В конце концов, процесс вновь стабилизируется при повышенной температуре, соответствующей повышенному парциальному давлению паров воды.

Но если мы эту вновь принесенную энергию будем отбирать ото льда при помощи холодильной установки, поддерживающей температуру льда на уровне минус 30 градусов по Цельсию, то количество улетающих ото льда молекул увеличиваться не будет. Все избыточные, поступившие в виде паров, молекулы воды встроятся в кристаллическую решетку льда, а в газовой фазе останется количество молекул, соответствующее парциальному давлению паров воды 381 Па. При поступлении новых порций паров воды, на пластинах десублиматора постепенно, порция за порцией, будет нарастать лед, поддерживая давление паров воды в десублиматоре 381 Па, а в сушильной камере, соответственно, на уровне, лишь немного превышающем эту величину.

Но поверхность пластин десублиматора не бесконечна, поэтому по мере нарастания льда, эффективность работы десублиматора снижается. Для удаления значительных количеств влаги из осушаемого продукта, приходится применять габаритные десублиматоры с большой суммарной поверхностью и объемом. Соответственно растет металлоемкость оборудования и непроизводительный объем, также требующий глубокого вакуумирования. Часто используют попеременно работающие внешние десублиматоры - пока один работает, другой отключают от системы и размораживают. Однако в этом случае возникают сложности с обеспечением высокой герметичности запорных устройств для вакуумных трубопроводов большого диаметра, а также ряд других трудностей.

Однако вернемся к процессам, которые могут происходить в десублиматоре и рассмотрим несколько иной вариант поддержания низкого парциального давления водяных паров. Рассмотрим трехфазную систему, состоящую из водяных паров, льда и концентрированного раствора соли, находящуюся в термодинамическом равновесии при температуре минус тридцать градусов по Цельсию.

Для примера возьмем раствор хлористого кальция, как одну из самых изученных систем. Минимальная температура замерзания раствора хлористого кальция составляет минус 55,0 градусов (при концентрации 29,9%), кроме того, данное вещество относится к классу медицинских препаратов и потому абсолютно безвредно.

При температуре минус тридцать градусов трехфазная система будет находиться в термодинамическом равновесии при концентрации раствора хлористого кальция равной 25,3%. Это означает, что количество молекул воды, которые переходят из раствора в лед равно количеству молекул воды, которые переходят изо льда в раствор. Количество молекул воды, которые переходят изо льда в паровую фазу равно количеству молекул воды, которые возвращаются из паровой фазы в лед. Количество молекул воды, которые переходят из раствора в паровую фазу, равно количеству молекул воды, которые, возвращаются из паровой фазы в раствор. Система стабильна. И еще это означает, что парциальное давление паров воды над 25,3% раствором хлористого кальция при данной температуре в точности равно парциальному давлению паров воды надо льдом, то есть равно 381 Па.

Следовательно, если мы пластины десублиматора покроем слоем 25,3% раствора хлористого кальция, процесс десублимации будет идти тем же темпом. Но механизм его будет несколько иной.

При поступлении порции паров воды из сушильной камеры, парциальное давление паров воды в районе пластин десублиматора возрастет. В раствор, покрывающий пластины, начнет поступать большее количество молекул воды, чем из него испаряться. Температура раствора начнет повышаться, кроме того, произойдет снижение концентрации раствора. Если мы начнем понижать температуру раствора при помощи холодильной установки десублиматора, то окажется, что при температуре минус тридцать градусов раствор с концентрацией менее 25,3% существовать не может. Поэтому из разбавленного раствора будет выморожена часть воды в виде чистого льда, в результате чего раствор укрепится до концентрации 25,3% и охладится до минус тридцати градусов. То есть, десублиматор будет работать в прежнем режиме, при поступлении новых порций пара на нем будет намерзать слой льда, только между льдом и паровой фазой появится промежуточная жидкая фаза в виде 25,3% раствора хлористого кальция, служащая передаточным звеном между паровой фазой и льдом на пластинах десублиматора.

Но все изменится, если мы при данной температуре будем использовать не 25,3% раствор хлористого кальция, а более концентрированный, например, 30%. В этом случае теплота, выделяющаяся при поглощении паров воды солевым раствором, беспрепятственно передается пластинам десублиматора, при этом образования кристаллов льда не будет наблюдаться до тех пор, пока концентрация 30% раствора хлористого кальция не снизится до 25,3%. Если мы техническими средствами, например, добавлением новых порций 30% раствора хлористого кальция и удалением поглощенной влаги со слегка разбавленным раствором, не допустим снижения концентрации раствора до этой величины, то образование льда на пластинах десублиматора не будет наблюдаться никогда. Парциальное давление же водяных паров над данным раствором не превысит 381 Па.

Более того, по закону Рауля концентрация паров растворителя над раствором тем ниже, чем выше концентрация раствора. Следовательно, парциальное давление паров воды над 30% раствором хлористого кальция при температуре минус тридцать градусов по Цельсию будет ниже, чем парциальное давление паров воды над 25,3% раствором при той же температуре или, что то же самое, чем парциальное давление паров воды надо льдом при температуре минус тридцать градусов.

Следовательно, десублиматор с рабочей температурой минус тридцать градусов, смачиваемый концентрированным раствором хлористого кальция (а максимально возможная концентрация раствора хлористого кальция при данной температуре равна 32,6%), будет создавать большее разрежение, чем стандартный десублиматор, при этом его рабочие поверхности не будут покрываться льдом.

Отсутствие намерзания льда на рабочих пластинах позволит значительно уменьшить габариты десублиматора при сохранении его эффективности в течение всего цикла сушки, а, следовательно, позволит разместить охлаждающие пластины десублиматора в неиспользуемой для загрузки продукта зоне сушильной камеры. Это позволит сократить непроизводительный объем вакуумной установки и существенно повысить степень ее герметичности.

Далее следует второй шаг. Повысив герметичность вакуумной камеры, упростив ее конструкцию и избавившись от внешних десублиматоров, мы можем дешевыми средствами повысить ее герметичность и со стороны обслуживающих устройств, в частности со стороны трубопроводов, соединяющих сушильную камеру с вакуумными насосами. Для этого достаточно обустроить трубопроводы гидрозатворами, которые будут заполняться вышеуказанным концентрированным раствором хлористого кальция после создания в камере первичного разрежения.

Обычно, достигнуть высокой герметичности установок сублимационной сушки недорогими средствами не удается, поэтому, как правило, в течение всего длительного периода сушки, а он длится несколько часов, поддерживается непрерывная работа насоса глубокого вакуума, который удаляет из вакуумной камеры просачиваемые внутрь нее атмосферные газы. В предложенной технологии от данной необходимости можно избавиться. Это существенно снизит энергетические затраты и повысит ресурс работы вакуумного насоса.

И сразу же из этого второго шага следует третий шаг. Если нет необходимости в непрерывной работе насоса глубокого вакуума в течение всего периода сушки, может быть, нет необходимости в насосе глубокого вакуума вообще? Ведь глубокий вакуум в установке можно создать несколькими способами и применение для этой цели специального насоса не является самым экономичным способом.

Нами предложен более дешевый, двухступенчатый способ создания первичного разрежения в сушильной камере. Первоначально при помощи насоса низкого вакуума в системе создается первичное разрежение, соответствующее абсолютному давлению 1000-3000 Па. Затем, при продолжающейся работе насоса низкого вакуума, система продувается углекислым газом, который удаляет остатки посторонних газов из системы. Система герметизируется, вакуумный насос выключается, после чего внутрь сушильной камеры подается порция раствора щелочи, которая поглощает остаточный углекислый газ, заполняющий объем камеры. В системе остаются только заполняющие ее водяные пары, и абсолютное давление в системе снижается до величины 10-50 Па и ниже, в зависимости от температуры пластин десублиматора. Данный способ позволит использовать в качестве вакуумного насоса самый дешевый и надежный тип вакуумных насосов - циркуляционный жидкостный. Использование в качестве циркулирующей жидкости вышеуказанного концентрированного раствора хлористого кальция позволит существенно повысить технические характеристики насоса при создании предельного вакуума, по сравнению со стандартным водяным вакуумным насосом.

Могут возразить, что при сушке замороженного продукта в систему будут попадать посторонние газы, выделяющиеся из высушиваемого продукта. Я готов утверждать, что львиную долю выделяющихся из продуктов газов составляет углекислый газ, который сразу же будет поглощаться вышеуказанной порцией раствора щелочи. Долю других, неконденсирующихся газов, содержащихся в продукте, можно еще значительно уменьшить, замораживая продукт перед его погрузкой в камеру, в среде углекислого газа.


Основным недостатком указанной схемы, сразу же бросающимся в глаза, является необходимость дополнительной затраты энергии для удаления поглощенной влаги из разбавленного раствора хлористого кальция. Однако при внимательном рассмотрении данный недостаток не является столь уж существенным. Имеется две возможности его преодоления.

Первая - рекуперация, использование затраченной тепловой энергии. При удалении поглощенной влаги из раствора с использованием кипятильника, получается кондиционный продукт с высоким теплосодержанием -технологический пар, энергию которого очень легко использовать для различных технологических целей.

Вторая - использование для удаления влаги из раствора источников возобновляемой энергии, например, солнечную энергию. Давно разработана технология упаривания растворов хлористого кальция в открытых хранилищах, широко применяемая в содовом производстве, и ничто не мешает перенести основные наработки данной технологии в технологию сублимационной сушки.

Кроме того, существует еще один способ существенно сократить затраты энергии на проведение процесса сублимационной сушки - использование энергии конденсации или десублимации водяных паров на пластинах десублиматора для нагрева осушаемого продукта. Рассмотрим подробнее данную возможность.

Обычно тепловая энергия, отводимая от охлажденных пластин десублиматора при помощи парокомпрессионной холодильной установки, передается окружающему воздуху или охлаждающей воде, контактирующими с конденсатором холодильной установки. Разность температур между испарителем (пластинами десублиматора) и конденсатором холодильной установки, приходится поддерживать максимально возможной для одноступенчатой холодильной установки - около 60-70 градусов, при этом вся отводимая тепловая энергия безвозвратно теряется. Величина этого теплового потока значительна - около 2840 кДж на килограмм удаленной влаги, а высокая разность температур означает низкий КПД холодильной установки и требуемую высокую мощность холодильного оборудования.

Если мы теперь рассмотрим процессы, происходящие в осушаемом замороженном продукте, то выясним, что основной период сушки, то есть удаление вымороженных кристаллов чистого льда из продукта (а это больше 90% влаги, удаляемой из продукта), можно проводить при малой разнице температур между греющими полками и пластинами десублиматора. Лимитирующим фактором оказывается время. Время сушки при невысоких температурах греющих полок (при кондуктивном способе подвода теплоты к продукту) несколько увеличивается. Но так как выяснилось, что мы можем избавиться от необходимости непрерывной работы динамического оборудования для поддержания глубокого вакуума в системе в процессе сушки, затратность фактора времени существенно снижается. Если выяснится, что экономический выигрыш от уменьшения энергетических затрат на подвод тепловой энергии к продукту перекрывает экономические потери от снижения темпов оборачиваемости сушильных камер, то данный путь может оказаться весьма перспективным.

Каким же образом можно снизить эти энергетические затраты? Простым возвратом тепловой энергии от конденсатора холодильной установки к продукту. Возврат может осуществляться как непосредственно - путем использования греющих полок в качестве одного из конденсаторов холодильной установки десублиматора, так и при помощи дополнительной недорогой теплопередающей установки испарительного типа, что мне представляется более эффективным и перспективным в плане широкого выбора способов проведения конечной стадии сублимационной сушки продуктов питания - теплового досушивания. Кроме того, если рабочим телом дополнительной теплопередающей установки выбрать не хладагент, а низкозамерзающую легкокипящую жидкость, например пищевой этиловый спирт, то греющие полки можно разместить непосредственно на перемещаемых тележках с продуктом, которые после помещения в сушильную камеру подключаются к теплопередающей системе при помощи гибких шлангов.

При кондуктивном нагреве во время проведения основного периода сушки мы можем смело снизить разность температур между пластинами десублиматора и греющими полками до 10-20 градусов. При этом требуемая мощность холодильной установки для отвода того же теплового потока от пластин десублиматора может быть снижена в несколько раз. Если для смачивания пластин десублиматора использовать не раствор хлористого кальция, а растворы хлористого или бромистого лития, то требуемая разность температур может быть еще снижена без ущерба для кинетики процесса. Растворы хлористого лития широко применяются в промышленных системах кондиционирования воздуха, а растворы бромистого лития в силу своих исключительных характеристик нашли широкое применение в бромистолитиевых абсорбционных холодильных установках и тепловых насосах.

Таким образом, применение концентрированных растворов минеральных солей для смачивания пластин десублиматора, для герметизации вакуумной системы и для повышения характеристик циркуляционных жидкостных вакуумных насосов, позволит кардинально снизить материалоемкость установок сублимационной сушки, уменьшить мощность и увеличить ресурс динамического оборудования, снизить необратимые энергетические потери на проведение процесса сублимационной сушки.




Приглашаем ученых и инженеров, аспирантов и студентов, а также,
заинтересованные институты, фирмы, организации и частных лиц, принять участие в размещении
информации в интернет-газете, посвященной холодильной и близкой ей тематике.

Учредитель и издатель интернет-газеты: ООО "АВИСАНКО" (Москва).
Адрес редакции: Россия, 115551, Москва, Шипиловский проезд, д.47/1, офис 67-А.
Тел./факс: +7 (495) 343-43-71, тел.: +7 (495) 343-43-48, 223-60-50 доб. 132.

Головной сайт: www.avisanco.ru

E-mail: info@holodilshchik.ru

Первый выпуск первой в России интернет-газеты по холодильной и
близкой ей тематике - "Холодильщик.RU" - вышел в свет в январе 2005 г.
Руководитель проекта и Главный редактор: Маргарян С.М. (АВИСАНКО, ООО)
За содержание рекламных материалов редакция ответственности не несет.
При перепечатке статей, ссылки на их авторов и интернет-газету обязательны.
Разместите на своем сайте нашу кнопку... Rambler's Top100 Многоязыковая поисковая система...


Авторские права © 2005-2017 // MARGARY@N

Партнеры: