ХЛАДОНОСИТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК C09K5/00 

Изобретение относится к промежуточным хладоносителям и может быть использовано в пищевой промышленности в интервале температур от минус 1 до минус 26 град. С.

Известны хладоносители на основе одноатомных спиртов, например этанол /1/.

Недостатками таких хладоносителей являются: низкая температура кипения, высокая летучесть и токсичность.

Известны хладоносители на основе органических солей - ацетатов и формиатов, которые характеризуются низкой вязкостью, нетоксичностью. Использование этих хладоносителей целесообразно в интервале температур от минус 20 град. С до минус 50 град. С /2/.

Недостатком таких хладоносителей является увеличение коррозионной активности в присутствии ионов железа. Кроме того, такие хладоносители используются только в закрытых системах.

На предприятиях пищевой промышленности для охлаждения продуктов широко используются водно-пропиленгликолевые (ВПГ) растворы с массовой долей пропиленгликоля (ПГ) не более 35-40% при температурах от минус 1 град. С до минус 15 град. С /3/.

Более низкие рабочие температуры могут быть обеспечены растворами, массовая доля пропиленгликоля в которых выше 40%, а температура кристаллизации ниже минус 18 - минус 20 град. С. Но такие растворы при низких температурах обладают высокой вязкостью - более 46 мПа. с /4/. Поэтому 42-50%-ные растворы пропиленгликоля на практике почти не используются.

В таблице 1 приведены значения температур кристаллизации водно-пропиленгликолевых растворов в зависимости от массовой доли пропиленгликоля.

Таблица 1Температуры кристаллизации водных растворов пропиленгликоляМассовая доля пропиленгликоля, %Температура кристаллизации, град. С5,0минус 1.79,5минус 2,811,7минус 3,617,4минус 5,820,9минус 7,730,0минус 12,835,0минус 16,440,0минус 20,842,2минус 22,7

Из таблицы видно, что рабочая температура хладоносителя ниже минус 15 град. С может быть достигнута только с помощью водно-пропиленгликолевых растворов с массовой долей пропиленгликоля не менее 40% (минимальная температура, при которой используется хладоноситель должна быть на 1-2 град. С выше его температуры кристаллизации).

Среди требований, предъявляемых к промежуточным хладоносителям, возможна более низкая температура и невысокая вязкость /5/.

Технический результат изобретения, который может быть достигнут при его использовании, заключается в следующем:

- расширение границ использования надежного в эксплуатации ВПГ хладоносителя в сторону более отрицательных температур;

- устранение основного недостатка хдадоносителей на основе водных растворов пропиленгликоля - их высокой вязкости. Кроме того, стоимость хладоносителя значительно снижается за счет введения в него хлорида натрия.

Технический результат достигается за счет того, что хладоноситель, включающий водный раствор пропиленгликоля, дополнительно содержит хлорид натрия концентрацией 1,6-3,2 моль/кг при следующих соотношениях компонентов, масс %:

пропиленгликоль9,9-27,4хлорид натрия15,8-8,6водаостальное

Выбор электролита был продиктован следующими обстоятельствами:

Во-первых, в его присутствии значительно снижается температура кристаллизации водно-пропиленгликолевого раствора (при образовании трехкомпонентного раствора его можно именовать смешанным растворителем).

Во-вторых, растворимость электролита должна обеспечивать образование концентрированных солевых растворов с низкими температурами кристаллизации, поскольку понижение температуры кристаллизации по законам физической химии пропорционально концентрации раствора.

И, наконец, поскольку уменьшение массового процентного содержания пропиленгликоля в трехкомпонентном растворе компенсируется увеличением массовой доли электролита, а последний имеет стоимость намного ниже пропиленгликоля, то производство хладоносителя будет значительно дешевле.

Проводимые исследования большого числа водно-пропиленгликолевых электролитных систем позволили установить, что наиболее приемлемыми являются хлориды щелочных металлов, а из щелочных металлов по совокупности свойств (растворимость, невысокая молярная масса, дешевизна) предпочтителен натрий.

Для получения хладоносителя с температурой кристаллизации меньшей, чем температура кристаллизации исходного водно-пропиленгликолевого растворителя, необходимо, чтобы массовая доля пропиленгликоля в трехкомпонентном растворе составляла 9,9-27,4%. При меньшем содержании пропиленгликоля изначальный водно-пропиленгликолевый растворитель имеет температуру кристаллизации, близкую к нулю (см. табл.1). Поэтому для понижения температуры кристаллизации потребовалось бы создать концентрированный раствор хлорида натрия в смешанном водно-органическом растворителе, равный 3,8 моль/кг. При достижении температуры, близкой к температуре кристаллизации, хлорид натрия из такого высококонцентрированного раствора будет переходить в твердую фазу.

Использование водно-пропиленгликолевого растворителя с массовым содержанием пропиленгликоля, превышающем 27,4% предполагает образование элетролитных растворов с относительно невысокой концентрацией хлорида натрия ввиду уменьшения его растворимости с увеличением массовой доли пропиленгликоля. В этом случае создание низкозамерзающих водно-пропиленгликолевых электролитных хладоносителей становится экономически невыгодным.

Выбор концентраций вводимого электролита продиктован следующими обстоятельствами. Увеличение содержания электролита свыше 15,8% масс. ограничено растворимостью электролита в водно-пропиленгликолевом растворителе. При уменьшении массовой доли электролита менее 8,6% температура кристаллизации понижается незначительно.

В таблице 2 приводятся составы водно-пропиленгликолевых хладоносителей, которым соответствуют температуры кристаллизации ниже минус 20 град. С, а также значения вязкости растворов этих хладоносителей при температурах, близких к температуре кристаллизации.

Таблица 2Температура кристаллизации и вязкость хладоносителей на основе водно-пропиленгликолевых растворов с различной массовой долей пропиленгликоля без электролита и в его присутствииТемпература кристаллизации, град. ССостав хладоносителя, который обеспечивает указанную температуру кристаллизацииТемпература, при которой, измерялась вязкость, град. СВязкость хладоносителей указанных составов, МПа·с ВПГ раствор с массовой долей ПГ (%) + электролит, концентрация которого выражена в моль/кгВПГ раствор с массовой долей ПГ (%) в отсутствие электролита ВПГ раствор в присутствии электролитаВПГ раствор без электролитаМинус 21,811,7+3,241,2Минус 195,9229,7Минус 22,817,4+3,042,2Минус 218,3438,1Минус 24,926,0+2,444,4Минус2314,450,1Минус 27,030,0+1,646,2Минус 2523,158,2

Из таблицы 2 видно, что введение электролита в водно-пропиленгликолевые растворы с содержанием пропиленгликоля 11,7-30,0% масс. позволяет получить трехкомпонентные составы с той же температурой кристаллизации, которую имеют высококонцентрированные водно-пропиленгликолевые растворы с массовой долей пропиленгликоля свыше 40%. Причем вязкость составов на фоне 11,7-30,0%-ных растворов в присутствии электролита значительно ниже, чем у растворов с массовой долей пропиленгликоля 41,2-46,2%, не содержащих электролита.

По данным таблицы 1 температура кристаллизации 11,7%-ного (по пропиленгликолю) раствора составляет минус 4,0 град. С. Такой раствор, конечно, нельзя использовать для охлаждения пищевых продуктов при температурах ниже, чем минус 3 - минус 4 град. С. При введении в этот раствор электролита, концентрация которого 3,2 моль/кг, температура кристаллизации становится равной минус 21,8 град. С, т.е. происходит снижение температуры кристаллизации на 17,8 град. С. При таких же температурах можно использовать и водно-пропиленгликолевый раствор, массовая доля пропиленгликоля в котором составляет 41,2% (см. табл.2). Но, во-первых, гораздо экономичнее применять хладоноситель на основе 11,7%-ного (по пропиленгликолю) раствора с добавкой электролита, чем на основе водно-пропиленгликолевого раствора с массовой долей пропиленгликоля 41,2%. Причина - значительная разница в цене пропиленгликоля и электролита (пропиленгликоль в 8,5 раза дороже). Во-вторых, согласно данным таблицы 2, вязкость трехкомпонентного хладоносителя на основе 11,7%-ного (по пропиленгликолю) раствора в 5 раз ниже (при одинаковой температуре), чем у хладоносителя, представляющего собой водно-пропиленгликолевый раствор с массовой долей пропиленгликоля 41,2%. Чем меньше вязкость хладоносителя, тем меньше энергетические затраты на его транспортировку по трубопроводам. Поэтому можно констатировать: если для достижения рабочей температуры минус 18 град. С - минус 20 град. С в распоряжении имеются два вышеназванных хладоносителя, то предпочтение следует отдать хладоносителю, представляющему собой 3,2-моляльный раствор электролита в водно-пропиленгликолевом растворителе с массовой долей пропиленгликоля 11,7%, как более дешевому и требующему меньших энергетических затрат при его эксплуатации.

Такие же рассуждения можно привести сопоставляя по данным таблицы 1 температуру кристаллизации водно-пропиленгликолевых растворов с массовой долей пропиленгликоля (%) 17,4; 26,0; 30,0 с температурой кристаллизации тех же растворов с добавкой электролита, концентрация которого (моль/кг) равна 3,0; 2,4; 1,6 соответственно (по данным таблицы 2). Во всех случаях при введении электролита имеет место снижение температуры кристаллизации на 14-16 град. С. При этом для составов с одинаковой температурой кристаллизации вязкость электролитных хладоносителей на основе водно-пропиленгликолевых растворов с невысокой (17,4-30,0%) массовой долей пропиленгликоля в 2,5-4,6 раза ниже вязкости хладоносителя на основе водно-пропиленгликолевых растворов с большим содержанием пропиленгликоля (42,2-46,2% масс.).

Таким образом, для достижения рабочих температур хладоносителя ниже минус 18 - минус 20 град. С целесообразнее использовать электролитные системы на основе 11,7-30,0%-ных (по пропиленгликолю) водно-пропиленгликолевых растворов, чем водно-пропиленгликолевые растворы, массовая доля пропиленгликоля в которых 41-46%. При этом экономический эффект только за счет использования растворов с меньшим содержанием пропиленгликоля в среднем (в зависимости от используемого электролитного раствора) составляет 1700 рублей/100 кг хладоносителя.

Примеры осуществления

1. Брали 4,95 кг пропиленгликоля и разбавляли водой в соотношении 1:7,50. Получили 11,7%-ный раствор пропиленгликоля в воде. Температура кристаллизации раствора равна минус 4,0 град. С. В полученный раствор вносили 7,9 кг хлорида натрия. Получили раствор хлорида натрия в водно-пропиленгликолевом растворе или электролитный водно-пропиленгликолевый раствор (трехкомпонентный). Концентрация хлорида натрия в растворе составила 3,2 моль/кг. Температура кристаллизации электролитного водно-пропиленгликолевого раствора оказалась равной минус 21,8 град. С, уменьшение температуры кристаллизации в присутствии электролита составило 17,8 град.С Динамическая вязкость этого раствора при температуре минус 19 град. С составляла 5,92 мПа.с.

2. Брали 5,7 кг пропиленгликоля и разбавляли водой в соотношении 1:2,85. Получили 26,0%-ный раствор пропиленгликоля в воде. Температура кристаллизации раствора минус 11,6 град. С. В раствор внесли 3,08 кг хлорида натрия. Получили раствор хлорида натрия в водно-пропиленгликолевом растворителе. Концентрация хлорида натрия в таком растворе 2,4 моль/кг. Температура кристаллизации электролитного раствора оказалась равной минус 24,9 град. С. Уменьшение температуры кристаллизации составило 13,3 град. С. Динамическая вязкость этого раствора при температуре минус 23 град. С составила 14,4 мПа.с.

Список литературы

1. Баранник В.П. и др. Экологически чистый хладагент. Пищевая промышленность, М., № 8, 2003 г.

2. Якушкевич Д.В. Хладоноситель «Нордвей» - время современных технологий. «Холодильная техника», М., № 5, 2003 г.

3. Успенская Л.А. Хладоноситель «Нордвэй» - лучшее становится доступным. «Холодильный бизнес», 2003, № 12, с.26.

4. Генель Л.С., Галкин М.Л. Влияние хладоносителей на безопасность пищевой продукции. «Холодильный бизнес», 2003, № 9, с.40

5. «Экофрост» - новый экологически чистый Хладоноситель. «Молочная промышленность», 2003, № 6, с.54.

Изобретение относится к хладоносителю, содержащему водный раствор пропиленгликоля и хлорид натрия концентрацией 1,6-3,2 моль/кг при следующем соотношении компонентов: пропиленгликоль 9,0-27,4 масс.%, хлорид натрия 15,8-8,6 масс.%, вода - остальное. Технический результат - экологически безопасный и надежный в эксплуатации водно-пропиленгликолевый хладоноситель, который можно использовать при более низких температурах, снижение вязкости и стоимости хладоносителя. 2 табл.

Хладоноситель, включающий водный раствор пропиленгликоля, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хлорид натрия концентрацией 1,6-3,2 моль/кг при следующем соотношении компонентов, мас.%:

пропиленгликоль9,0-27,4хлорид натрия15,8-8,6водаостальное