Актуальні проблеми холодильної техніки і технології

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Актуальні проблеми холодильної техніки і технології

В.П. Оніщенко, д. т. н., проф. ОДАХ, заслужений діяч науки і техніки України

Стан розвитку холодильної техніки і технології в Україні є сьогодні незадовільним. Звичайно, охопити в невеликій статті більшість аспектів проблем «холоду» неможливо, тому автор зосередить свою увагу тільки на декількох із багатьох актуальних проблем «промислового холоду»

В агропромисловому комплексі на вельми недостатньому рівні вирішені задачі первинного охолодження молока на селі, з кожним роком зменшується увага до проблем технологій холодильної обробки і зберігання м'ясної та молочної сировини, не розвиваються технології холодильного сушіння та зберігання зерна, не хвилюють ці проблеми і служби Держрезерву. Тут часто безальтернативна необхідність використання холоду компенсується додаванням у харчову сировину, продукти різних консервантів, барвників, які суттєво не забезпечують збереження їх початкової харчової цінності і негативно впливають на здоров'я людей, особливо дітей. Така ситуація характерна для всього світу, а недостатнє застосування холоду у багатьох країнах призводить (у середньому для всіх держав світу) до втрат близько 20% м'ясної сировини та до 40% плодоовочевої. Дещо краще розвиваються сфери виробництва й обслуговування побутових холодильників, торговельних охолоджувальних прилавків, систем кондиціонування повітря у житлових та промислових приміщеннях. Хоча в останньому випадку уже назрівають проблеми щодо якості обробленого в кондиціонерах повітря через невідповідність його показникам як «середовища для життя» і негативний вплив на стан здоров'я і працездатність людей, які перебувають у кондиціонованих приміщеннях.

холодильний техніка фреон

Найбільш поширена тематика українських публікацій в галузі холодильної техніки відноситься до проблем вибору альтернативних холодоагентів в рамках проблем, задекларованих Монреальським, Кіотським протоколами та іншими міжнародними документами екологічного напряму. Одна з достатньо аргументованих точок зору щодо цих проблем має негативне забарвлення: за майже вісімнадцять років проблема так і не вирішена, перелік альтернативних холодоагентів, що пропонуються на ринку, надто великий. Надто скупими є дані щодо медико-біологічних характеристик холодоагентів, щоб можливо було вибирати їх не тільки за енергетичною ефективністю, а й за екологічними показниками, показниками екологічного ризику (перш за все, впливу на здоров'я людей) при їх застосуванні. З точки зору європейських науковців природні речовини-холодоагенти визнаються як найбільш прийнятна альтернатива у вирішенні цієї проблеми. Серед таких природних речовин-холодоагентів першим є аміак - «новий» холодоагент, що, з одного боку, характеризується як один із найбільш енергетичне ефективних, з іншого - його медико-біологічні характеристики давно відомі і прозорі. Альтернативні фреони не такі вже й безпечні, наприклад, R123 характеризується як газ сильної канцерогенної дії, для більшості інших є дані відносно їхніх психотропних (наркологічних) властивостей, але загалом прозорих медико-біологічних даних про них обмаль. Утворення аміаку у природних процесах набагато перевищує об'єми його промислового виробництва (антропогенне походження), а при використанні як холодоагенту частка аміаку є вельми малою складовою останнього. Він дійсно є новим для більшості держав світу, де до цього часу не мав чи мав обмежене застосування як холодоагент. Але для держав СНД, на підприємствах яких використовується «промисловий холод», аміак був і сьогодні є найбільш поширеним холодоагентом, в експлуатації аміачних охолоджувальних систем, тут накопичений і збережений донині багатий досвід. Застосуванням розчинних в аміаку мастил (див., наприклад, патент України № 48172, «Компресорне мастило», публ. від 15.08.2002 р. Бюл. № 8) можливо суттєво підвищити енергетичну ефективність його застосування за рахунок збільшення коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні, конденсації, зменшення негативного впливу замаслювання апаратів і трубопроводів. Зарекомендували себе на підприємствах України, де виробляється промисловий холод, як новітня малоаміакоємна й ефективна холодильна техніка агрегати фірм Grasso, York International холодопродуктивністю близько 1-2 МВт для охолодження води або розсолів. При цьому їхня аміакоємність становить усього 30-100 кг, що різко знижує відповідні екологічні ризики, негативні наслідки можливих аварій. Але на ринку малої холодильної техніки аміачних агрегатів ще немає, вони ще розробляються в «надрах» передових фірм. Тут ціла низка невирішених проблем, серед яких, мабуть, головною є взаємодія аміаку з кольоровими металами в електродвигунах, теплообмінних апаратах тощо, хоча реально це ще одна з позитивних характеристик аміачних охолоджувальних систем. Поки що аміак крок за кроком «завойовує» холодильні агрегати продовольчих супермаркетів, не за горами і поява побутового аміачного холодильника. У цьому науково-технічному напрямі слід знайти джерела фінансування дослідних робіт (підтримка науковців-ініціаторів). Мінімальна ж мета - це, мабуть, зберегти кваліфікацію і досвід вітчизняних фахівців, які будуть здатні завтра ефективно прийняти в експлуатацію закордонну малу аміачну холодильну техніку.

Безперечно, холодильні установки з використанням аміаку або фреонів як холодоагентів є об'єктами підвищеної небезпеки, серед яких чомусь тільки на аміачні системи сьогодні звертається увага природоохоронних інститутів. Але це не тільки «аміачна» проблема, і вона повинна вирішуватись на єдиних науково-методичних засадах. Аварійні ситуації в таких установках розвиваються ймовірнісними шляхами, розпочинаються вони з випадкових подій, що пов'язані з роботою обслуговуючого персоналу (помилка оператора-машиніста) чи з роботою приладів захисної автоматики (відмова). Мова, на якій повинні аналізуватись ці «ймовірнісні дерева подій», це класична мова теорії ймовірностей, теорії надійності технічних систем. Експоненціальний закон розподілу ймовірностей, експериментальні дані щодо значень «напрацювань на відмову» для конкретних приладів автоматики - основа найпростішого накопиченого досвіду в аналізі надійності роботи технічних систем. Звідси бере початок шлях до обчислення соціального та індивідуального ризиків для об'єктів підвищеної небезпеки, тут виникає основа для прийняття рішень відносно того, якій холодильній системі - аміачній, фреоновій чи іншій - віддати перевагу з екологічних міркувань. Найбільш імовірнісними є саме помилки персоналу, захисна ж автоматика може забезпечити і забезпечує прийнятні значення екологічних ризиків, що задекларовані нормативними документами як України, так і інших держав світу.

Необхідно змістити акценти й у такій проблемі, як оцінка енергетичної ефективності охолоджувальних систем, формулювання способів та шляхів вирішення задач енергозбереження. Найвагомішим показником ефективності тут мають бути витрати енергії на одиницю виробленої охолодженої, замороженої та збереженої в довгому холодильному ланцюзі продукції, як кінцевого результату, заради чого вироблявся холод, і т. п. Тут же найчастіше фігурують локальні величини, такі як холодильний коефіцієнт, ексергетичний ККД, що іноді доповнюються екологічними показниками (ТЕWІ та інші). Такі показники ефективності розраховують шляхом аналізу теплофізичних властивостей холодоагентів, відповідних процесів у компресорі, конденсаторі, величин теплообмінних поверхонь випарника. Не завжди у такому аналізі розглядаються режими конденсації, кипіння, витрати холодоагенту через випарник (карта кипіння), теплові навантаження на випарник з боку охолоджуваного об'єкта. Тому реальні холодильні установки за показниками енергоефективності при виробництві холоду далекі від розрахованих значень холодильних коефіцієнтів тощо, тут ще існують великі резерви для вирішення задач енергозбереження. Найбільш поширеною ситуацією тут є значна розбіжність між кількістю виробленого холоду та кількістю теплоти, яку необхідно відвести від охолоджуваного об'єкта. Теплове навантаження при холодильній обробці харчової сировини є суттєво нестаціонарним, зокрема, якщо така обробка здійснюється у камерах циклічного завантаження. У таких камерах з цих причин ніколи не були реалізовані проектні режими холодильної обробки, наприклад, нормативні режими двостадійного чи однофазного заморожування м'ясних напівтуш. Тому доцільно здійснювати холодильну обробку у тунелях, де транспортування вздовж тунелів та охолодження об'єктів обробки здійснюються одночасно. Тут досягається стабілізація в часі теплового навантаження на повітроохолоджувачі, виникає можливість підібрати (спроектувати) охолоджувальну систему для зняття цього теплового навантаження, тим самим реалізувати вибрану технологію холодильної обробки, що забезпечує відповідне збереження якості продукту. На жаль, методи розрахунку режимів холодильної обробки та зберігання, самого нестаціонарного теплового навантаження, методи відповідного проектування охолоджувальних конвеєризованих систем ще не використовуються у практиці проектування.

З іншого боку, більш детальний аналіз енергетичної ефективності охолоджувальних систем показує, що велика частка недоцільних витрат енергії припадає на етап використання виробленого холоду, тобто в процесах холодильної обробки та зберігання охолоджуваних об'єктів. Відхилення ж у режимах холодильної обробки та зберігання харчової сировини призводять, у свою чергу, до надмірних втрат маси сировини, а це вже проблеми ресурсозбереження, які оцінюються на порядок більшими фінансовими збитками, ніж невирішені проблеми енергозбереження. Крім втрат маси холодильна обробка та зберігання супроводжується втратами і харчової цінності продуктів (вітамінів та інших корисних речовин, що містяться в них) за умови збереження їх привабливого товарного вигляду. З цього приводу необхідно звернути увагу на висновки Міжнародного конгресу з холоду, проведеного у Вашингтоні (2003 рік), що рекомендують впровадження таких режимів холодильної обробки та зберігання харчової сировини, які характеризуються не тільки збереженням привабливого вигляду, меншою питомою енергоємністю, меншими значеннями питомих втрат маси, а й максимальним серед інших альтернативних режимів збереженням їхньої харчової цінності. Такий підхід начебто не є новим, але слід підкреслити, що саме сьогодні, на відміну від минулих часів, він може бути ефективно реалізований. Максимальна кількість цінних у харчовому відношенні речовин міститься, безумовно, у свіжих (тільки з дерева) плодів, а серед тих, що зберігались, найчастіше у свіжозаморожених. Холодильна техніка сьогодні надає можливість заморожувати у великій кількості не тільки м'ясо, рибу, а й окремі ягоди, плоди, овочі. Крім того, цей підхід веде до мінімізації обсягів використання сільськогосподарських угідь, необхідної кількості зібраного врожаю, витрат енергоносіїв, зменшення необхідних обсягів зберігання харчової сировини на душу населення тощо. Усі ці питання входять у коло проблем, які формулюються як загальна проблема забезпечення продовольчої безпеки держави.

Як відомо, харчова сировина та харчові продукти «рухаються» вздовж відомого холодильного ланцюга («від поля до прилавка»), окремі компоненти (ланки) якого складають попереднє охолодження безпосередньо на полі, холодильне транспортування до холодильника (охолодження, заморожування), зберігання у холодильнику, транспортування до торговельного холодильника, транспортування до холодильного прилавка супермаркету. Останніми ланками ланцюга є шлях від торговельного прилавка до побутового холодильника, сам побутовий холодильник. Не тільки рівні температур, але і їхні коливання визначають ефективність збереження концентрацій тих компонентів, які характеризують харчову цінність продукту. Відхилення ж у значеннях параметрів холодильної технології, хоча б у одній ланці, може звести нанівець найкраще їх дотримання в інших ланках як за досягнутими показниками харчової цінності продукту, так і за енергетичною ефективністю функціонування холодильного ланцюга в цілому. Очевидно також, що при передачі продуктів, сировини з однієї ланки холодильного ланцюга в іншу необхідно надавати їм якісну та фінансову оцінку. Це можливо зробити за результатами біохімічних аналізів, що нереально при великих обсягах та різноманітності напрямків руху таких вантажів. Швидка комп'ютерна оцінка значень показників якості за даними історії змін температури, відносної вологості та інших характеристик середовища «транспортування» в рамках конкретної ланки є більш прийнятною для реалізації. Тут мається на увазі, що характеристики середовища безперервно вимірюються та записуються на електронні носії. У цьому плані актуальними задачами холодильної технології, розв'язання яких дозволить вирішувати наведені вище проблеми продовольчої безпеки поряд з екологічними, є такі:

моделювання «теплової історії» (змін температурних полів, теплових потоків у часі) харчової сировини залежно від змін температур, швидкості руху, вологості тощо охолоджувального середовища (холодоносія). Таке моделювання за розробками автора ефективне у рамках нелінійних крайових задач теплопровідності з урахуванням здебільшого неправильної геометричної форми продуктів чи сировини. Розроблено ряд ефективних комп'ютерних програм (м'ясо, риба), але різноманітність продуктів і геометричних форм потребує подальших досліджень;

конкретизація необхідних показників якості кожного виду харчової сировини, мінімізація їх кількості за умови достатньої повноти відображення загальної якості сировини чи продукту;

уточнення рівнянь біохімічної кінетики відносно кількісних змін кожного з показників якості продукту, їх зв'язку не тільки зі змінами температур, а також із коливаннями температур та змінами напрямку теплових потоків;

уточнення рівнянь кінетики протікання мікробіологічних процесів, формування відповідних втрат залежно від тепловологісної історії сировини в окремій ланці холодильного ланцюга;

розробка для різних видів харчової сировини та продуктів методик прогнозування втрат маси через усихання з урахуванням режимних характеристик процесів холодильної обробки та зберігання, виду упаковки. Відповідне моделювання тепловологісних процесів за розробками автора ефективне у рамках енергетичного (термодинамічного) підходу у трактуванні процесів випаровування води у газове середовище з детальним урахуванням (побудовою рівняння стану газової суміші змінного складу) його термодинамічних властивостей;

розширення ймовірнісних моделей роботи охолоджувальних систем як методу оцінки ймовірностей тих чи інших відхилень у параметрах режимів холодильної обробки та зберігання харчової сировини. Це необхідно для подальшої оцінки ймовірностей змін різних показників якості сировини при її русі у холодильному ланцюзі. Звідси шлях до ймовірнісної оцінки показників продовольчої безпеки залежно від технічного і технологічного стану холодильної галузі держави.

На завершення цієї проблемної статті необхідно відзначити, що методи холодильної технології розглядались як безальтернативні у вирішенні задач збереження зібраної сільськогосподарської продукції без конфлікту з технологіями регульованого газового середовища, іррадіаційною чи біотехнологіями обробки сировини. Вони не виключались як допоміжні технології до основної холодильної технології.

Размещено на Allbest.ru