Евтектичні холодильні системи
Принцип роботи евтектичних холодильних систем дуже простий - накопичення "холоду" в акумуляторах холоду.
Найпростіший акумулятор холоду – лід із річки чи озера. Його запасають взимку і зберігають все літо під шаром утеплювача - товстим шаром сіна, тирси, торфу, землі тощо. При необхідності, лід витягають з-під утеплювача і доставляють в холодильник.
Холодильник - це теплоізольована ємність, у найпростішому випадку охолоджувана льодом, в якому знаходяться продукти, зберігати які необхідно при зниженій температурі: молоко, м'ясо, риба, ліки, фрукти, овочі та багато іншого.
Такі холодильники вигадали сотні років тому, якщо не тисячі. Принцип дії дуже простий, лежить на поверхні!
Усім хороший, екологічний та технологічний такий крижаний холодильник! Тільки температура замерзання води 0ºС – надто висока температура!
При температурі, яка виходить в об'ємі холодильника, що охолоджується льодом (близько +5°С
і навіть вище), багато продуктів можна зберігати лише нетривалий час.
І знову принцип дії лежить на поверхні.
Розсіл - розчин кухонної солі у воді. Він замерзає при мінус 20 ºС і найголовніше, температура замерзання змінюється при зміні концентрації розсолу. Знахідка для холодильника! На малюнку 1 залежність температури замерзання розчину кухонної солі NaCl від її концентрації.
На жаль, температура замерзання розчину мінус 20 градусів так само недостатньо низька для багатьох продуктів!
Є й інші низькотемпературні розчини, наприклад, розчин хлористого кальцію у воді. Він замерзає за нормальної температури близько -50 градусів. Залежність температури замерзання розчину від концентрації розчину -малюнку 2.
На малюнку 3 є ще один відомий рецепт. Розчин етиленгліколю у воді.
Такий розчин можна застосувати для створення холодильників, в робочій камері яких підтримується температура мінус 20 градусів С і нижче.
Прошу звернути увагу на вигляд кривих на всіх трьох графіках. Всі криві мають характерний гострий мінімум.
Розчин, що має співвідношення компонентів, що відповідає цьому самому мінімуму називають евтектичним.
Розчин, що не має евтектичного складу, але і не дуже відрізняється від нього за складом з метою підбору потрібної температури замерзання, теж називається евтектичним.
Холодильну систему, що використовує для акумулювання холоду такий розчин, називаютьевтектичною холодильною системою.
Навіщо потрібне замерзання?
До 90% холоду, накопиченого в такому холодоакумуляторі, накопичено саме у фазовому переході рідина – лід, або навпаки, у таненні розчину – фазовому переході лід – рідина (теплота замерзання та теплота танення рідин збігаються!).
Цей фазовий перехід дозволяє багаторазово (раз на 10!) зменшити масу речовини, необхідної для накопичення потрібної кількості холоду, в порівнянні з незамерзаючою рідиною.
Саме тому автомобільні евтектичні холодильні системи знаходять дуже широке застосування для перевезення морозива та заморожених продуктів у місті за температури повітря у фургоні до мінус 20 градусів.
Такі системи складаються з теплоізольованого фургона, в якому на стелі та стінах розташовані резервуари плоскої форми.евтектичним розчином (евтектичні плити), як на малюнку 4, і компресорної холодильної системи, що працює від зовнішньої електромережі 380 на стоянці.
Для евтектичних плит у рефрижераторах, призначених для перевезення продуктів, прийнято застосовувати не етиленгліколевий тосол, а спеціальний розчин пропіленгліколю, який, на відміну від етиленгліколю, не є отруйним.
На малюнках внизу результат випробування однієї з евтектичних холодильних систем, яку ми виготовили та випробували влітку 2010 року.
Температура поверхні однієї з шести евтектичних плит, встановлених в ізотермічному фургоні, записувалася мобільним реєстратором температури ТР-1.
Реєстратор фіксував температуру та час 1 раз на хвилину. Після запису процесу охолодження дані з реєстратора були скинуті на комп'ютер і роздруковані як графіка малюнку 5.
На малюнку 5 наведено запис процесу охолодження евтектичної плити при початковому заморожуванні, коли охолодження розчину починається від кімнатної температури.
Спочатку температура поверхні плити досить швидко знижується. Але коли евтектичний розчин досягає точки замерзання (мінус 33 град.С), температура перестає знижуватись і навіть дещо зростає!
Тільки коли розчин замерзає повністю, температура продовжує знижуватись нижче точки замерзання, так як холодильна система продовжує працювати, а вона здатна знизити температуру навіть до мінус 50°С.
Для цього потрібен лише час та достатній ступінь теплоізоляції фургона!
"Розшифровка" дрібних цифр графіка малюнку 6.
Сходинки на кривій - короткочасні відчинення дверей для зйомок тепловізоромрегулювання ТРВ.
У 9 год 30 хв реєстратор знову було встановлено на поверхню евтектичної плити, і процес охолодження та запис температури були продовжені.
На малюнку 7 можна бачити подальше зниження температури замерзлого евтектичного розчину, а також спостерігається ефект підтримки температури за рахунок акумульованого холоду в замороженому евтектичному розчині після вимкнення холодильної системи.
За час подальшої роботи холодильної системи з 9 год 30 хв до вимкнення о 17 год 00 хв. відбулося зниження температури поверхні плити нижче за мінус 40 град. З.
Реєстратор ТР-1 не записує температуру нижче за мінус 40 град.С, проте математична екстраполяція показала, що температура знизилася до мінус 43 град.С.
У 17 год 00 хв холодильна система була вимкнена, і почалося поступове підвищення температури поверхні плити, починаючи від температури мінус 43 градуси (рисунок 7 та його розшифрування на рис.8).
Приблизно о 20 год 00 хв температура поверхні вимірюваної плити почала підтримуватися лише на рівні
мінус 32 - 30 град.С за рахунок акумульованого холоду в замороженому евтектичному розчині.
У міру танення розчину температура поверхні плити зростала зі швидкістю 3 градуси за 13 годин (при закритих дверях у фургон).
На малюнку 8 представлено зміну температури поверхні плити з екстраполяцією за нижньою межею вимірювання реєстратора.
Саме для цього повільного зростання температури в охолоджуваному об'ємі при вимкненій холодильній системі і застосовуються евтектичні холодильні системи, незважаючи на те, що їхня ціна майже вдвічі перевищує звичайні компресорні системи.
Навіть якщо станеться аварія і звичайна компресорна холодильнасистема вирубається, а весь продукт, що перевозиться, через 1-2 години розтане і може бути зіпсований, Ваша евтектична холодильна система надасть 8-10 годин часу, щоб врятувати дорогий заморожений вантаж, вартість якого може перевищувати вартість автомобіля разом з рефрижератором!
На фото внизу той самий автомобіль з фургоном і конденсаторним блоком верхнього розташування. Правіше за конденсаторний блок круглий термометр, показання якого (температура повітря у фургоні) водій може бачити в дзеркало заднього виду.
Криву можна розрахувати, знаючи коефіцієнт теплопередачі фургона та кількість теплоти (вірніше, холоду), накопиченого в евтектичних плитах у фазовому переході.
Ця розрахункова крива представлена малюнку 9.
Різниця темеператури повітря у фургоні та поверхні плит визначається сумарною площею поверхні теплопередачі всіх евтектичних плит, коефіцієнтом теплопередачі (не вище 0,4 Вт/кв.м·К) та площею теплопередавальної поверхні фургона.
На малюнку 9 дві криві: нижня - температура поверхні плити, верхня - температура повітря у фургоні, виміряні мобільними реєстраторами температури.
Телефонуйте прямо мені +7 920 293-33-53!
Проконсультую з евтектичних холодильних систем, вимірювань коефіцієнта теплопередачі фургонів і холодопродуктивності рефрижераторів і навіть визначення коефіцієнта теплопередачі експериментальних сендвіч-панелей.