Производство и применение искусственного водного и "сухого" льда

Производство  и применение искусственного водного  и "сухого" льда.

 

Водный лед, полученный из пресной и морской воды, используют для охлаждения, хранения и транспортирования продуктов питания.

Широкое применение льда в  качестве охлаждающей среды объясняется прежде всего его физическими свойствами, а также экономическими факторами. Температура плавления водного льда при атмосферном давлении 0°С, удельная теплота плавления 334,4 Дж/кг, плотность 0,917 кг/м3, удельная теплоемкость 2,1 кДж/(кг•К), теплопроводность 2,3 Вт/(м•К). При переходе воды из жидкого состояния в твердое (лед) происходит увеличение объема на 9%.

Естественный лед заготавливают  путем вырезания или выпиливания  крупных блоков изо льда, образовавшегося  на естественных водоемах, послойного намораживания воды на горизонтальных площадках, наращивания сталактитов в градирнях. (Особым спросом для пищевых целей пользуется гренландский и антарктический лед как наиболее чистый. Возраст гренландского льда более 100 000 лет.) Лед хранят на площадках в буртах, укрытых насыпной изоляцией, и в льдохранилищах с постоянной и временной теплоизоляцией.

Искусственный водный лед  получают с помощью льдогенераторов трубчатого типа, где лед образуется внутри труб вертикального кожухотрубного испарителя, в межтрубном пространстве которого кипит жидкий аммиак. Вода поступает в трубы испарителя сверху через водораспределительное устройство, в которое она подается насосом из бака, смонтированного под кожухом аппарата. В отверстия труб вставляют насадки, благодаря которым вода, поступающая в трубы, закручивается и пленкой стекает по их внутренней поверхности, частично замерзая. Не замерзшая вода собирается в бак, откуда опять подается в водораспределительное устройство. Благодаря непрерывной циркуляции из воды удаляется воздух, поэтому лед получается прозрачным. Когда стенки ледяных цилиндриков достигают толщины 4-5 мм, намораживание прекращают, насос останавливают, испаритель отключают от всасывающей стороны машины и соединяют с ее нагнетательной стороной, в результате чего в испаритель поступают горячие пары аммиака при давлении конденсации. Эти пары вытесняют из испарителя жидкий аммиак в ресивер (сборник аммиака), прогревают стенки труб, намороженный лед отделяется от стенок и под действием силы тяжести сползает вниз. При выходе из труб ледяные цилиндрики попадают под вращающийся нож, который разрезает их на части определенной высоты. Готовый лед падает в бункер и дальше по льдоскату выводится из льдогенератора.

Искусственный лед получают путем замораживания чистой пресной  или морской воды в льдогенераторах. Качество льда, его форма, размер и способ получения, хранения и доставки потребителю обусловлены назначением и спецификой применения.

Матовый лед изготавливают  из питьевой воды без какой-либо ее обработки в процессе замораживания. В отличие от естественного он имеет молочный цвет, обусловленный  наличием большого количества пузырьков  воздуха, которые образуются в процессе превращения воды в лед. Пузырьки уменьшают проницаемость льда для световых лучей, и он становится непрозрачным.

Прозрачный лед по виду напоминает стекло. Для его получения  в форму наливают воду и при  помощи форсунок продувают через  нее сжатый воздух. Проходя через  замораживаемую воду, oн захватывает и увлекает за собой пузырьки воздуха. Прозрачный лед изготавливают в виде кусков небольших размеров и используют для охлаждения напитков.

Лед с бактерицидными добавками  предназначен для охлаждения рыбы, мяса, птицы и некоторых видов  овощей путем непосредственного  соприкосновения с ними. Бактерицидные  добавки снижают обсеменённость продуктов микроорганизмами.

В зависимости от формы  и массы искусственный лед  бывает блочный (5-250 кг), чешуйчатый, прессованный, трубчатый, снежный.

Блочный лед дробят на крупный, средний и мелкий.

Чешуйчатый лед получают путем напыления воды на вращающийся  барабан, плиту или цилиндр, являющиеся испарителями хладагента. Вода на поверхности  барабана быстро замерзает, а образовавшийся лед при его вращении срезается  фрезами или ножом. Льдогенераторы производят от 60 до 5000 кг/сут такого льда. Чешуйчатый лед эффективен при охлаждении рыбы, мясных изделий, зеленых овощей, некоторых плодов. Наибольший коэффициент теплоотдачи достигается, когда при охлаждении продукты плотно сопри-касаются со льдом.

В результате смешивания дробленого водного льда с различными солями помимо теплоты таяния льда поглощается  теплота растворения соли в воде, что позволяет существенно понизить температуру смеси. Раствор может  быть охлажден до криогидратной точки.

Сухой лед - твердый диоксид углерода. Производство сухого льда состоит из трех последовательных стадий: получения чистого газообразного диоксида углерода, сжижения его до образования снегообразной массы и прессования последней блоками плотностью 1400-1500 кг/м3. Различают его производство по циклу высокого, среднего и низкого давлений.

Сухой лёд получают из углекислого  газа, который можно получить путём  спиртового или металлического брожения или синтеза аммиака.

Сухой лед из жидкого диоксида углерода также получают двумя способами: дросселированием жидкого диоксида углерода по давлению тройной точки с последующим прессованием рыхлого влажного снега в блоки сухого льда; дросселированием до атмосферного давления с уплотнением блока льда в процессе льдообразования. Как охлаждающая среда он имеет значительные преимущества перед водным льдом: холодопроизводительность на единицу массы в 1,9, а на единицу объема в 7,9 раза больше; при атмосферном давлении сухой лед переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу, что исключает увлажнение поверхности продукта. Благодаря низкой температуре сублимации сухого льда (-78,9°С) и выделению газообразного ди-оксида углерода понижается концентрация кислорода у поверхности продукта, создаются неблагоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов.

Сухой лед укладывают поверх и между упаковок продуктов и  используют как охлаждающую среду  для хранения мороженого, фруктов, ягод. Сухой дробленый лед используют в специальных системах охлаждения, для чего его помещают в металлические  емкости. Продукты сублимации льда отводят  в грузовой объем помещения или  наружу.

Прямым эжектированием жидкого диоксида углерода получают твердый гранулированный, или снегообразный, диоксид углерода, который используют для охлаждения упакованных продуктов (мясных, рыбных, овощных).

Производство  водного льда
Производство искусственного водного льда сосредоточено в  рыбной, мясной и молочной промышленности, на железнодорожном транспорте и  в торговле. По количеству льдозаводов и их мощности первое место занимает рыбная промышленность (43 %), второе — железнодорожный транспорт (22,7%), третье — торговля (20,5%), четвертое — мясная и молочная промышленность. Льдозаводы рыбной, мясной и молочной промышленности применяют лед для собственных производственных нужд. Искусственный лед используется для перевозки скоропортящихся  продуктов в изотермических вагонах. Льдозаводы (чиллеры) при распределительных холодильниках торговли снабжают льдом предприятия торговли и общественного питания, а также рыбную промышленность. Около 80% всех действующих льдозаводов размещены в южных районах страны. Расход холода, топлива и электроэнергии на единицу продукции устанавливают по соответствующим нормативам. Заработную плату определяют в соответствии с планом по труду: начисления планируют в установленном проценте к заработной плате. В прямую заработную плату включают заработную плату рабочих-крановщиков и рабочих, осуществляющих фасовку и упаковку льда.    Накладные расходы — цеховые, общезаводские и внепроизводственные — определяют так же, как и по другим видам продукции. В настоящее время себестоимость искусственного водного льда в 4 раза больше естественого. Причинами этого являются большие затраты на холод, заработную плату, а также высокий уровень цеховых, общезаводских и внепроизводственных расходов. Основные пути снижения себестоимости искусственного водного льда — механизация и автоматизация производства холодильного оборудования, интенсификация процесса его выработки, повышение уровня концентрации его производства и снижение накладных расходов (затрат на содержание цехового персонала, текущий ремонт, общезаводских и внепроизвод-ственных расходов).    Основными факторами, определяющими мощность заводов искусственного водного льда при распределительных холодильниках, являются численность населения данного города или населенного пункта, его климатические условия, потребности предприятий пищевой промышленности, торговли и населения в искусственном водном льде. Многообразие потребителей искусственного водного льда и экономическая целесообразность концентрации его производства обусловливают необходимость составления балансового расчета его потребности. Для этого следует выявить потребность каждой отрасли пищевой промышленности и торговли в искусственном льде на год и по месяцам. Потребность в искусственном водном льде рассчитывают по дифференцированным нормам для отдельных климатических зон и по отраслям пищевой промышленности, торговли, а также железнодорожному транспорту.    На основании многолетних данных о сезонности производства и реализации искусственного водного льда в городах и промышленных центрах, расположенных в различных климатических зонах, можно установить, что удельный месяц максимального производства и реализации искусственного водного льда составляет в среднем 20 %.    При определении мощности завода искусственного водного льда следует в основном исходить из приведенных выше предпосылок и удельного веса месяца максимального производства, корректируя их в зависимости от климатических условий. Естественный лед используют главным образом в отраслях пищевой промышленности, железнодорожном транспорте и торговле. Удельный вес торговли в заготовке естественного льда за последние годы заметно снизился. Соотношение отдельных отраслей пищевой промышленности в заготовках естественного льда (в %): молочная промышленность 71,3, рыбная промышленность 22,7, прочие отрасли пищевой промышленности 6,0.    Из общего количества естественного льда, используемого в торговле, 50% приходится для охлаждения напитков. Структура себестоимости естественного льда, изготовляемого методом замораживания, характеризуется следующими данными (в %): сырье 3,5, зарплата с начислениями 18,4, цеховые расходы 22,8, общезаводские расходы 7,1, внепроизводственные расходы 42,8. Высокий удельный вес внепроизводственных затрат объясняется большими расходами, связанными со сбытом льда.    Большой удельный вес заработной платы обусловлен трудоемкостью операций по выколке льда. Решающими условиями снижения себестоимости естественного льда являются: механизация тяжелых и трудоемких работ' по его выколке, а также снижение внепроизводственных расходов. Себестоимость естественного льда калькулируют так же, как и искусственного водного льда. Расходы на сырье устанавливают на основании нормативов затрат, разрабатываемых на каждый год.    Заработную плату производственных рабочих (морозчиков) устанавливают в соответствии с планом по труду на основании действующих норм выработки с учетом планируемого уровня производительности труда. Накладные расходы — цеховые, общезаводские, внепроизводственные — определяют на основании специально разрабатываемых смет по каждой группе затрат с последующим отнесением этих затрат на данный вид вырабатываемой продукции.

 

 

В настоящее время  известны три аморфных разновидности и 15 кристаллических модификаций льда. Фазовая диаграмма на рисунке справа показывает при каких температурах и давлениях существуют некоторые из этих модификаций (более полное описание см.ниже).

Фазовая диаграмма льда. Давление (ГПа) в логарифмическом масштабе, температура слева — в градусах Цельсия, справа — Кельвина, 1 — жидкая фаза

В природных условиях Земли лёд представлен, главным образом, одной кристаллической модификацией, кристаллизующейся в гексагональной сингонии (лёд I_h). Во льду I_h каждая молекула Н₂O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2,76 Å и размещённых в вершинах правильного тетраэдра.

Кристаллическая структура  льда I_h. Серыми пунктирными линиями показаны водородные связи.

Ажурная структура  такого льда приводит к тому, что  его плотность, равная 916,7 кг/м³ при 0 °C, ниже плотности воды (999,8 кг/м³) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 %^[1]. Лёд, будучи легче жидкой воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.

Высокая удельная теплота плавления льда, равная 330 кДж/кг, (для сравнения — удельная теплоты плавления железа равна 270 кДж/кг), служит важным фактором в обороте тепла на Земле. Так, чтобы растопить 1 кг льда или снега, нужно столько же тепла, сколько требуется, чтобы нагреть литр воды от 0 до 80 °C

Лёд встречается  в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея и т. д. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.

Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так  как при кристаллизации воды в  первую очередь в решётку встают молекулы воды (см. зонная плавка). Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.

Лёд в Арктике

[править] Лёд на Земле

Основная статья: Криосфера

Общие запасы льда на Земле около 30 млн км³. Основные запасы льда на Земле сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км).

[править] В океане

Основная статья: Морской лёд

Вода в мировом  океане солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд  образуется только в полярных и субполярных  широтах, где зима долгая и очень  холодная. Замерзают некоторые неглубокие моря, расположенные в умеренном  поясе. Различают однолетние и многолетние  льды. Морской лёд может быть неподвижным, если связан с сушей, или плавучим, то есть дрейфующим. В океане встречаются льды, отколовшиеся от ледников суши и спустившиеся в океан в результате абляции, — айсберги.

[править] Лёд в космосе

Имеются данные о  наличии льда на планетах Солнечной системы и в ядрах комет. Изо льда сложена поверхность Европы — спутника Юпитера.

[править] Использование льда в технике

Иглу

Ледяная гидросмесь. В конце 1980-х годов лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (Ice Slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения^[2]. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который в 5—7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды и не повреждают клетки. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10—15 до 30—45 минут.

Использование льда в качестве конструкционного материала  широко распространено в приполярных  регионах для строительства жилищ — иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала Пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец. Использование льда для постройки искусственных островов описывается в фантастическом романе Ледяной остров.

[править] Фазы льда

Фаза	Характеристики[3][4]
Аморфный лёд	Аморфный лёд не обладает кристаллической структурой. Он существует в трех формах: аморфный лёд низкой плотности (LDA), образующийся при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (VHDA), образующийся при высоких давлениях. Лёд LDA получают очень быстрым охлаждением жидкой воды («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW), или конденсацией водяного пара на очень холодной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW), или путём нагрева высокоплотностных форм льда при нормальном давлении («LDA»).
Лёд Ih	Обычный гексагональный кристаллический лёд. Практически весь лёд на Земле относится ко льду Ih, и только очень малая часть — ко льду Ic.
Лёд Ic	Метастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены как в кристаллической решётке алмаза.  Его получают при температуре в диапазоне от −133 °C до −123 °C, он остаётся устойчивым до −73 °C, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд Ih. Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы.
Лёд II	Тригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда Ih при сжатии и температурах от −83 °C до −63 °C. При нагреве он преобразуется в лёд III.
Лёд III	Тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до −23 °C и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений.
Лёд IV	Метастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки.
Лёд V	Моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлажении воды до −20 °C и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями.
Лёд VI	Тетрагональный кристаллический  лёд. Образуется при охлажении воды до −3 °C и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация.
Лёд VII	Кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки.
Лёд VIII	Более упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его  охлаждении ниже 5 °C.
Лёд IX	Тетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при  его охлаждении от −65 °C до −108 °C, стабилен при температуре ниже −133 °C и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/см³, то есть, несколько выше, чем у обычного льда.
Лёд X	Симметричный лёд с упорядоченным  расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.
Лёд XI	Ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком.
Лёд XII	Тетрагональная метастабильная плотная  кристаллическая модификация. Наблюдается  в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от −196 °C до примерно −90 °C и при давлении 810 МПа.
Лёд XIII	Моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже −143 °C и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XIV	Ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже −155 °C и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XV	Псевдоромбическая кристаллическая  разновидность льда VI с упорядоченным  расположением протонов. Можно получить путём медленного охлаждения льда VI примерно до −143 °C и давлении 0,8-1,5 ГПа.[5]