Хладоноситель

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.

 

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 1
Температуры кристаллизации водных растворов пропиленгликоля
Массовая доля пропиленгликоля, %	Температура кристаллизации, град. С
5,0	минус 1.7
9,5	минус 2,8
11,7	минус 3,6
17,4	минус 5,8
20,9	минус 7,7
30,0	минус 12,8
35,0	минус 16,4
40,0	минус 20,8
42,2	минус 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 %:

пропиленгликоль	9,9-27,4
хлорид натрия	15,8-8,6
вода	остальное

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 2
Температура кристаллизации и вязкость хладоносителей на основе водно-пропиленгликолевых растворов с различной массовой долей пропиленгликоля без электролита и в его присутствии
Температура кристаллизации, град. С	Состав хладоносителя, который обеспечивает указанную температуру кристаллизации	Температура, при которой, измерялась вязкость, град. С	Вязкость хладоносителей указанных составов, МПа·с
	ВПГ раствор с массовой долей ПГ (%) + электролит, концентрация которого выражена в моль/кг	ВПГ раствор с массовой долей ПГ (%) в отсутствие электролита		ВПГ раствор в присутствии электролита	ВПГ раствор без электролита
Минус 21,8	11,7+3,2	41,2	Минус 19	5,92	29,7
Минус 22,8	17,4+3,0	42,2	Минус 21	8,34	38,1
Минус 24,9	26,0+2,4	44,4	Минус23	14,4	50,1
Минус 27,0	30,0+1,6	46,2	Минус 25	23,1	58,2

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.

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.%:

пропиленгликоль	9,0-27,4
хлорид натрия	15,8-8,6
вода	остальное