На предприятиях молочной промышленности в качестве промежуточного хладоносителя применяется ледяная вода. Альтернатив столь дешевому и надежному хладоносителю пока не существует. Что касается способов и оборудования для получения ледяной воды, то здесь за последнее время произошло немало изменений и усовершенствований. К числу новинок следует отнести и холодильные станции для получения ледяной воды с использованием насыпных льдоаккумуляторов.
Самый простой и широко распространенный метод охлаждения воды с помощью пластинчатого теплообменника, в котором осуществляется передача тепла от среды с более высокой температурой (охлаждаемой воды) к среде с более низкой температурой (хладагенту или какому-либо промежуточному хладоносителю). Охлаждение воды до низких температур, таким образом связано с опасностью ее замерзания в каналах теплообменника и нарушения его работоспособности, вплоть до разрушения. Причина — перепады подачи воды в теплообменник из-за нестабильного ее потребления, сбои в работе насосов и другого технологического оборудования. Поэтому охлаждение воды в теплообменнике применяется в том случае, когда охлаждаемые потоки воды относительно равномерны или имеющиеся перепады расхода охлаждаемой жидкости незначительны и не могут привести к отрицательным последствиям. Как правило, таким способом вода охлаждается до +4 С.
Существуют также теплообменные установки, обеспечивающие понижение температуры воды до +2°С. Достигается это усложнением средств автоматического регулирования (синхронизация поступления в теплообменник холода с расходом воды). В результате режимы теплообмена отклоняются от оптимальных, что приводит к снижению экономичности эксплуатации холодильных систем.
Для охлаждения постоянных или мало изменяющихся потоков воды разработаны холодильные установки с пленочными панельными теплообменниками. В таких теплообменниках расстояние между панелями, по внешним поверхностям которых тонкой пленкой стекает вода, составляет около 5 см. Это исключает наличие узких замкнутых каналов, существенно снижает риск разрушения теплообменников и позволяет обойтись обычными средствами автоматического регулирования. Более того, пленочные и панельные испарители могут работать с образованием на них небольшой корки льда, которая при возврате тепловой нагрузки в норму смывается водой, и теплообменник переходит в оптимальный режим работы. Достигаемая температура охлаждения воды при работе по такой схеме от +0,5 до+1,5°С.
Однако получение ледяной воды указанными способами на молокоперерабатывающих предприятиях малоперспективно. Тепловые потоки на этих предприятиях имеют максимальное значение в течение всего нескольких часов в сутки. Охлаждение таких потоков с использованием холодильного оборудования, подобранного по максимальной нагрузке, приводит к неполной нагрузке оборудования в течение длительного времени, что ведет к существенному увеличению капитальных затратна обеспечение предприятия холодом.
Избежать этого можно получением ледяной воды с использованием аккумуляторов холода (льдоаккумуляторов).
Традиционные аккумуляторы да представляют собой ванну (бак-аккумулятор) с водой, в которую погружены испарительные секции и активатор, приводящий в движение охлаждаемую воду и обеспечивающий ее непрерывное движение вдоль испарительных секций. С помощью подобных конструкций удается получать ледяную воду с температурой около +0,5…+1°С. Однако часто на практике в пиковые периоды тепловой нагрузки температура воды на выходе из таких аккумуляторов повышается до +4 °С, а в отдельных случаях и выше, при том, что на панелях еще остается слой льда. Происходит это из-за малой скорости омывания водой льда, намороженного на испарителях, недостаточной поверхности контакта жидкости со льдом, низкой холодоотдачи погруженных испарителей, что не обеспечивает таяния нужного количества монолитного льда в период пиковой тепловой нагрузки.
Этот недостаток отсутствует у льдоаккумуляторов с насыпным льдом, представляющих собой теплоизолированную емкость, над которой установлены пленочные теплообменники-льдогенераторы. На внешнюю поверхность панелей-испарителей этих теплообменников из ванны подается вода, которая, стекая тонкой пленкой по испарителям, замерзает и образует ледяную корку. Когда толщина намороженного льда достигает 6-8 мм, в испарители подается горячий газ, и ледяная корка с поверхности испарителя срывается и падает в бак-аккумулятор. При падении ледяные пластины разбиваются на небольшие осколки, в виде которых лед и накапливается в баке-аккумуляторе. Благодаря этому даже при малой скорости обтекания льда водой достигается съем холода с очень большой поверхности льда и получение ледяной воды с температурой, не превышающей 0,5-0,6°С при максимальных тепловых нагрузках, и порядка 0,2°С — в периоды пониженных тепловых нагрузок.
Льдоаккумуляторы с насыпным льдом не только снижают зависимость температуры воды от тепловых нагрузок, приводя ее в норму, но и экономичнее льдоаккумуляторов с намораживанием льда на погруженных в воду испарителях. Объясняется это более выгодным режимом намораживания льда в пленочных льдогенераторах. На погруженных испарителях лед намораживается до толщины 40-50 мм. По мере роста толщины льда, вследствие неплохих его теплоизоляционных свойств, существенно затрудняется передача холода от испарителя к воде, омывающей лед. Чем толще лед, тем меньше холода переходит от испарителя к воде, понижается температура кипения и возрастает энерго потребление В пленочных льдогенераторах лед намораживается до толщины 5-8 мм, после чего сбрасывается в бак-аккумулятор. Это обеспечивает работу холодильных машин в оптимальном режиме в течение всего процесса накопления льда.
С указанными различиями в технологии намораживания льда связан еще один недостаток традиционных льдоаккумуляторов. На молочных предприятиях аккумуляция холода (накопление льда) происходит в ночное время, когда тепловые нагрузки и холодопотребление минимальны. Утром с поступлением молока резко возрастают тепловые нагрузки и потребность в холоде. Однако передача холода через обросшие ледяной шубой (максимально возможная толщина льда) погруженные панели испарителей традиционных льдоаккумуляторов в этот момент минимальная. Соответственно и холодильная мощность установки тоже будет использоваться по минимуму, а тепловая нагрузка, которую можно было бы снять действующей холодильной установкой, компенсируется за счет таяния накопленного льда. Полноценное подключение холодильной установки к процессу прямого охлаждения поступающей в льдогенератор воды практически произойдет, когда ледяная шуба на испарителях значительно уменьшится.
С панельных испарителей-льдогенераторов, применяемых в насыпных льдоаккумуляторах, образующаяся ледяная корка сбрасывается постоянно.
Поэтому при полностью заполненном льдом насыпном льдоаккумуляторе в момент пиковой нагрузки все холодильное оборудование установки сразу включается в номинальный режим работы. Другими словами, холодильные установки с насыпными льдоаккумуляторами имеют больший коэффициент загрузки оборудования. Это позволяет при заданной холодильной мощности установки накопить большее количество льда, а для накопления заданного количества льда — использовать установки меньшей мощности.
Холодильные установки с насыпными льдоаккумуляторами позволяют с максимальной эффективностью использовать льготные ночные тарифы оплаты электроэнергии.
Факт, что скорость намораживания льда в льдоаккумуляторах с погруженными панелями зависит от толщины намороженного на панелях льда, свидетельствует против выбора таких систем для эффективного использования ночного тарифа оплаты электроэнергии. В то время, когда нужно максимально быстро превратить дешевую электроэнергию в лед, компрессоры (т. е. электропотребители) холодильной установки с традиционным льдогенератором по мере обрастания льдом погруженных испарителей (т. е. по мере уменьшения потребления холода) будут ступенчато или полностью отключаться. В случае использования насыпного льдоаккумулятора подобных поблеем не возникает. Льдогенераторы такой холодильной системы все время работают в монотонном режиме; намооаживание тонкой пластины льда — сброс, намораживание-сброс… И отключение компрессоров в этом случае приозводится не по уменьшению потребления холода, как В Аккумуляторах традиционной схемы, а по заполнению бака-аккумулятора льдом. При этом стоимость выработки килограмма льда снижается не только за счет уменьшения стоимости электроэнергии, но и увеличения холодопроизводительности насыпного льдогенератора на 10-15% в связи со снижением температуры на улице в период действия ночного тарифа.
Кроме того, при времени действия ночного тарифа с 23.00 вечера до 7.00 утра и возникающихся с 7.00 утра пиковых тепловых нагрузках накопление льда в льдоаккумуляторе должно начинаться минимум за 4 часа до начала действия ночного тарифа. К «нужному» моменту (23.00) традиционный льдоаккумулятор подойдет с достаточно солидной ледяной шубой на погруженных панелях, то есть с ограниченной скоростью намораживания льда и ограниченными возможностями по использованию ночного тарифа оплаты электроэнергии.
По этим и по некоторым другим причинам использование холодильных систем с насыпными льдоаккумуляторами представляется более перспективным.