Ледогенератор , генератор льда или машина для производства льда может относиться либо к потребительскому устройству для приготовления льда , находящемуся внутри домашнего морозильника ; либо к отдельному прибору для приготовления льда, либо к промышленной машине для производства льда в больших масштабах. Термин «машина для производства льда» обычно относится к отдельному прибору.
Генератор льда — это часть льдогенератора, которая фактически производит лед. Сюда входят испаритель и любые связанные с ним приводы/элементы управления/подрамник, которые напрямую участвуют в производстве и выталкивании льда в хранилище. Когда большинство людей говорят о генераторе льда, они имеют в виду только эту подсистему для производства льда, без охлаждения.
Однако льдогенератор , особенно если его описать как «упакованный», обычно представляет собой полноценную машину, включающую в себя холодильную установку, элементы управления и дозатор, требующую только подключения к электросети и водоснабжению.
Термин «льдогенератор» более неоднозначен: некоторые производители называют свои машины для производства упакованного льда ледогенераторами, в то время как другие называют так свои генераторы.
В 1748 году Уильям Каллен продемонстрировал первое известное искусственное охлаждение в Университете Глазго. [1] Г-н Каллен никогда не использовал свое открытие в практических целях. Это может быть причиной того, что история льдогенераторов начинается с Оливера Эванса , американского изобретателя, который спроектировал первую холодильную машину в 1805 году. В 1834 году Джейкоб Перкинс построил первую практическую холодильную машину, используя эфир в цикле компрессии пара. Американский изобретатель, инженер-механик и физик получил 21 американский и 19 английских патентов (на инновации в паровых двигателях, печатной промышленности и производстве оружия среди прочих) и сегодня считается отцом холодильника. [2]
В 1844 году американский врач Джон Горри построил холодильник на основе конструкции Оливера Эванса, чтобы производить лед для охлаждения воздуха для своих пациентов с желтой лихорадкой. [3] Его планы датируются 1842 годом, что делает его одним из отцов-основателей холодильника. К несчастью для Джона Горри, его планы по производству и продаже своего изобретения были встречены яростным сопротивлением Фредерика Тюдора , «Ледяного короля» Бостона. К тому времени Тюдор поставлял лед из Соединенных Штатов на Кубу и планировал расширить свой бизнес в Индию. Опасаясь, что изобретение Горри разрушит его бизнес, он начал клеветническую кампанию против изобретателя. В 1851 году Джон Горри получил патент США 8080 на машину для льда. [4] После борьбы с кампанией Тюдора и смерти своего партнера Джон Горри также умер, обанкротившись и униженный. Его оригинальные планы по производству льда и прототип машины сегодня хранятся в Национальном музее американской истории, Смитсоновском институте в Вашингтоне, округ Колумбия [5]
В 1853 году Александр Твининг получил патент США 10221 на льдогенератор. Эксперименты Твининга привели к разработке первой коммерческой холодильной системы, построенной в 1856 году. Он также создал первый искусственный метод производства льда. Как и Перкинс до него, Джеймс Харрисон начал экспериментировать с компрессией паров эфира. В 1854 году Джеймс Харрисон успешно построил холодильную машину, способную производить 3000 килограммов льда в день, а в 1855 году он получил патент на льдогенератор в Австралии, аналогичный патенту Александра Твининга. Харрисон продолжил свои эксперименты с охлаждением. Сегодня ему приписывают его большой вклад в разработку современных конструкций систем охлаждения и стратегий функциональности. Эти системы позже использовались для перевозки охлажденного мяса по всему миру.
В 1867 году Эндрю Мюль построил машину для производства льда в Сан-Антонио, штат Техас , чтобы помочь обслуживать расширяющуюся мясную промышленность, прежде чем переместить ее в Уэйко в 1871 году. [6] В 1873 году патент на эту машину был получен по контракту от Columbus Iron Works, [7] которая произвела первые в мире коммерческие льдогенераторы. Уильям Райли Браун был ее президентом, а Джордж Джаспер Голден был ее суперинтендантом.
В 1876 году немецкий инженер Карл фон Линде запатентовал процесс сжижения газа, который позже стал важной частью базовой технологии охлаждения (патент США 1027862). В 1879 и 1891 годах два афроамериканских изобретателя запатентовали улучшенные конструкции холодильников в Соединенных Штатах ( Томас Элкинс – патент США № 221222 и Джон Стандарт – патент США № 455891 соответственно).
В 1902 году семья Тиг из Монтгомери приобрела контроль над фирмой. Их последняя реклама в Ice and Refrigeration появилась в марте 1904 года. [8] В 1925 году контрольный пакет акций Columbus Iron Works перешел от семьи Тиг к WC Bradely из WC Bradley, Co. [8]
Юргену Гансу приписывают изобретение первой льдогенераторной машины для производства съедобного льда в 1929 году. В 1932 году он основал компанию под названием Kulinda и начал производить съедобный лед, но к 1949 году бизнес переключился со льда на центральное кондиционирование воздуха. [9]
В льдогенераторах с конца 1800-х по 1930-е годы в качестве хладагентов использовались токсичные газы, такие как аммиак (NH3 ) , метилхлорид (CH3Cl ) и диоксид серы (SO2 ) . В 1920-е годы было зарегистрировано несколько несчастных случаев со смертельным исходом. Они были вызваны утечкой метилхлорида из холодильников. В поисках замены опасных хладагентов, особенно метилхлорида, в американских корпорациях начались совместные исследования. Результатом этих исследований стало открытие фреона . В 1930 году General Motors и DuPont основали Kinetic Chemicals для производства фреона, который позже стал стандартом почти для всех потребительских и промышленных холодильников. Первоначальным «фреоном», производимым в то время, был хлорфторуглерод , умеренно токсичный газ, вызывающий истощение озонового слоя. [10]
Все холодильное оборудование состоит из четырех основных компонентов: испарителя , конденсатора , компрессора и дроссельного клапана . Все льдогенераторы работают одинаково. Функция компрессора заключается в сжатии паров хладагента низкого давления в пар высокого давления и подаче его в конденсатор. Здесь пар высокого давления конденсируется в жидкость высокого давления и сливается через дроссельный клапан, становясь жидкостью низкого давления. В этой точке жидкость подается в испаритель, где происходит теплообмен и образуется лед. Это один полный цикл охлаждения.
Автоматические ледогенераторы для дома были впервые предложены компанией Servel около 1953 года. [11] [12] Обычно они находятся внутри морозильной камеры холодильника . Они производят кубики льда в форме полумесяца из металлической формы . Электромеханический или электронный таймер сначала открывает электромагнитный клапан на несколько секунд, позволяя форме наполниться водой из бытового водопровода . Затем таймер закрывает клапан и позволяет льду замерзать в течение примерно 30 минут. Затем таймер включает маломощный электрический нагревательный элемент внутри формы на несколько секунд, чтобы слегка растопить кубики льда, чтобы они не прилипали к форме. Наконец, таймер запускает вращающийся рычаг, который вычерпывает кубики льда из формы в контейнер, и цикл повторяется. Если контейнер заполняется льдом, лед толкает проволочный рычаг , который отключает ледогенератор, пока уровень льда в контейнере снова не опустится. Пользователь также может в любой момент поднять проволочный рычаг, чтобы остановить производство льда.
Более поздние автоматические ледогенераторы в холодильниках Samsung используют гибкую пластиковую форму. Когда кубики льда замерзают, что определяется термистором , таймер заставляет двигатель переворачивать форму и поворачивать ее так, чтобы кубики отсоединялись и падали в контейнер.
Ранние ледогенераторы бросали лед в контейнер в морозильной камере; пользователю приходилось открывать дверцу морозильной камеры, чтобы получить лед. В 1965 году компания Frigidaire представила ледогенераторы, которые выдавали лед с передней стороны дверцы морозильной камеры. [13] В этих моделях нажатие стакана на раму снаружи двери запускает двигатель, который вращает шнек в контейнере и подает кубики льда в стакан. Большинство диспенсеров могут опционально направлять лед через дробильный механизм для подачи измельченного льда. Некоторые диспенсеры также могут выдавать охлажденную воду.
Существуют альтернативы морозильным камерам для приготовления льда, разработанные такими производителями, как Whirlpool, LG, Samsung. Этот новый тип льдогенератора, расположенный в отделении для свежих продуктов, становится все более популярной функцией среди клиентов, покупающих новый холодильник с льдогенератором. Для правильной работы отделение для приготовления льда должно поддерживать температуру внутри около 0 °C (32 °F) и должно быть надлежащим образом герметизировано снаружи, поскольку оно находится в отделении для свежих продуктов, где температура обычно выше 2 °C (36 °F). К сожалению, у этого типа льдогенераторов есть некоторые недостатки, и из-за конструктивных недостатков отделения для приготовления льда в холодильнике Samsung теплый воздух попадает внутрь через уплотнения и создает конденсат воды . Этот конденсат превращается в куски льда и заклинивает механизм льдогенератора. [14] Тысячи людей в Соединенных Штатах столкнулись с этой проблемой, и в 2017 году был подан иск против Samsung, отказавшейся должным образом исправить эту проблему. [15]
Портативные льдогенераторы — это устройства, которые можно разместить на столешнице. [16] Это самые быстрые и самые маленькие льдогенераторы на рынке. Лед, производимый портативным льдогенератором, имеет форму пули и имеет мутный, непрозрачный вид. Первую партию льда можно приготовить в течение 10 минут после включения прибора и добавления воды. Вода закачивается в небольшую трубку с металлическими штифтами, погруженными в воду. Поскольку устройство портативное, воду необходимо наполнять вручную. Вода закачивается со дна резервуара в поддон для заморозки. Штифты используют внутреннюю систему нагрева и охлаждения, чтобы заморозить воду вокруг них, а затем нагреваются, так что лед соскальзывает с штифта и попадает в контейнер для хранения. [17] Лед начинает образовываться в течение нескольких минут, однако размер кубиков льда зависит от цикла заморозки — более длительный цикл приводит к более толстым кубикам. Портативные льдогенераторы не предотвратят таяние льда, но прибор будет перерабатывать воду, чтобы сделать больше льда. Как только поддон для хранения заполнится, система автоматически отключится.
Встроенные ледогенераторы спроектированы так, чтобы поместиться под кухонной или барной стойкой, но их можно использовать и как отдельно стоящие устройства. Некоторые производят лед в форме полумесяца, как лед из морозильника; лед мутный и непрозрачный, а не прозрачный, потому что вода замерзает быстрее, чем в других, которые являются кубиковыми ледогенераторами. В процессе этого крошечные пузырьки воздуха попадают в ловушку, что приводит к мутному виду льда. Однако большинство льдогенераторов под столешницей являются прозрачными ледогенераторами, в которых во льду отсутствуют пузырьки воздуха, и поэтому лед прозрачный и тает гораздо медленнее.
Коммерческие льдогенераторы улучшают качество льда, используя движущуюся воду. Вода стекает по испарителю из нержавеющей стали с высоким содержанием никеля. Поверхность должна быть ниже точки замерзания. Соленая вода требует более низких температур для замерзания и будет храниться дольше. Обычно используется для упаковки морепродуктов. Воздух и нерастворенные твердые частицы будут вымыты до такой степени, что в горизонтальных испарительных машинах вода будет содержать 98% удаленных твердых частиц, что приведет к очень твердому, практически чистому, прозрачному льду. В вертикальных испарителях лед мягче, тем более, если есть фактические отдельные ячейки кубиков. Коммерческие льдогенераторы могут производить лед разных размеров, такой как хлопья, дробленый, кубики, восьмиугольники и трубки.
Когда слой льда на холодной поверхности достигает нужной толщины, его опускают на сетку из проволоки, где под своим весом он разламывается на куски нужной формы, после чего падает в бункер для хранения.
Чешуйчатый лед изготавливается из смеси рассола и воды (макс. 500 г [18 унций] соли на тонну воды), в некоторых случаях может быть изготовлен непосредственно из рассола. Толщина от 1 до 15 мм ( от 1 ⁄ 16 до 9 ⁄ 16 дюйма ), неправильная форма с диаметрами от 12 до 45 мм ( от 1 ⁄ 2 до 1+3 ⁄ 4 дюйма).
Испаритель льдогенератора представляет собой вертикально расположенный контейнер из нержавеющей стали в форме барабана, оснащенный вращающимся лезвием, которое вращается и соскребает лед с внутренней стенки барабана. Во время работы главный вал и лезвие вращаются против часовой стрелки, толкаемые редуктором. Вода распыляется вниз из разбрызгивателя; лед образуется из водного раствора на внутренней стенке. Поддон для воды внизу улавливает холодную воду, отклоняя лед и возвращая его обратно в поддон. Поддон обычно использует поплавковый клапан для заполнения по мере необходимости во время производства. Машины для чешуйчатого льда имеют тенденцию образовывать ледяное кольцо внутри дна барабана. Электрические нагреватели находятся в колодцах в самом низу, чтобы предотвратить это накопление льда, куда не достает дробилка. Некоторые машины используют скребки для этого. Эта система использует низкотемпературный конденсационный блок; как и все льдогенераторы. Большинство производителей также используют клапан регулирования давления испарителя (EPRV).
Машина для производства чешуйчатого льда из морской воды может производить лед непосредственно из морской воды. Этот лед можно использовать для быстрого охлаждения рыбы и других морепродуктов. Рыбная промышленность является крупнейшим пользователем машин для производства чешуйчатого льда. Чешуйчатый лед может снизить температуру воды для очистки и морепродуктов, поэтому он препятствует росту бактерий и сохраняет морепродукты свежими.
Благодаря большому контакту с охлажденными материалами и меньшему повреждению их, его также применяют при хранении и транспортировке овощей, фруктов и мяса.
В выпечке при смешивании муки и молока можно добавлять чешуйчатый лед, чтобы предотвратить самоподнятие муки.
В большинстве случаев биосинтеза и хемосинтеза чешуйчатый лед используется для контроля скорости реакции и поддержания жизнеспособности. Чешуйчатый лед гигиеничен, чист, обладает быстрым эффектом снижения температуры.
Чешуйчатый лед используется как прямой источник воды в процессе охлаждения бетона, более 80% по весу. Бетон не трескается, если его смешивать и заливать при постоянной и низкой температуре.
Чешуйчатый лед также используется для искусственного снега, поэтому его широко применяют на горнолыжных курортах и в парках развлечений.
Машины для приготовления кубикового льда классифицируются как небольшие машины для приготовления льда, в отличие от машин для приготовления трубчатого льда, машин для приготовления чешуйчатого льда или других машин для приготовления льда. Обычные мощности варьируются от 30 кг (66 фунтов) до 1755 кг (3869 фунтов). С момента появления машин для приготовления кубикового льда в 1970-х годах они превратились в разнообразное семейство машин для приготовления льда.
Машины для производства кубикового льда обычно рассматриваются как вертикальные модульные устройства. Верхняя часть представляет собой испаритель , а нижняя часть — емкость для льда. Хладагент циркулирует внутри труб автономного испарителя [ необходимо дополнительное объяснение ] , где он осуществляет теплообмен с водой и замораживает воду в кубики льда. После замораживания механизм выброса выбрасывает кубики в сборный контейнер. Ледогенераторы Frigidaire , представленные в различных типах, таких как модели под столешницей, на столешнице и коммерческие модели, предназначены для различных условий, включая пищевую промышленность и производство напитков, здравоохранение и бытовое использование. Когда вода полностью замерзает в лед, она автоматически высвобождается и падает в емкость для льда.
Льдогенераторы могут иметь либо автономную систему охлаждения, в которой компрессор встроен в агрегат, либо выносную систему охлаждения, в которой компоненты охлаждения располагаются в другом месте, часто на крыше предприятия.
Большинство компрессоров являются либо компрессорами объемного типа, либо радиальными компрессорами. Компрессоры объемного типа в настоящее время являются наиболее эффективным типом компрессоров и имеют самую большую охлаждающую способность на единицу ( 400–2500 RT ) [ необходимо дополнительное объяснение ] . Они имеют большой диапазон возможных источников питания и могут быть 380 В , 1000 В или даже выше. Принцип, лежащий в основе компрессоров объемного типа, использует турбину для сжатия хладагента в пар высокого давления. Компрессоры объемного типа бывают четырех основных типов: винтовой компрессор, компрессор с вращающимся поршнем, поршневой компрессор и ротационный компрессор.
Винтовые компрессоры [18] могут обеспечить самый большой эффект охлаждения среди компрессоров объемного вытеснения, их холодопроизводительность обычно составляет от 50 до 400 RT [ необходимо дополнительное объяснение ] . Винтовые компрессоры также можно разделить на одновинтовые и двухвинтовые. Двухвинтовой тип используется чаще, поскольку он очень эффективен.
Роликовые поршневые компрессоры и поршневые компрессоры имеют схожую холодильную мощность, а максимальная холодильная мощность может достигать 600 кВт . [ необходимо дополнительное пояснение ]
Поршневые компрессоры являются наиболее распространенным типом компрессора, поскольку технология является зрелой и надежной. Их охлаждающая способность составляет от 2,2 кВт до 200 кВт . [ необходимо дополнительное объяснение ] Они сжимают газ, используя поршень, толкаемый коленчатым валом.
Роторные компрессоры, в основном используемые в оборудовании для кондиционирования воздуха, имеют очень низкую холодильную мощность, обычно не превышающую 5 кВт . Они работают, сжимая газ с помощью поршня, толкаемого ротором, который вращается в изолированном отсеке. [19]
Все конденсаторы можно разделить на три типа: с воздушным охлаждением, водяным охлаждением или испарительным охлаждением.
Генератор трубчатого льда — это генератор льда, в котором вода замораживается в трубках, которые вытянуты вертикально внутри окружающего корпуса — морозильной камеры. Внизу морозильной камеры находится распределительная пластина с отверстиями, окружающими трубки и прикрепленными к отдельной камере, в которую подается теплый газ для нагрева трубок и скольжения ледяных стержней вниз. [20]
Трубчатый лед можно использовать в процессах охлаждения, таких как регулирование температуры, заморозка свежей рыбы и заморозка бутылок с напитками . Его можно употреблять отдельно или с едой или напитками.
По состоянию на 2019 год во всем мире насчитывалось около 2 миллиардов бытовых холодильников и более 40 миллионов квадратных метров холодильных установок. [21] В США в 2018 году было продано почти 12 миллионов холодильников. [22] Эти данные подтверждают утверждение о том, что охлаждение имеет глобальное применение и оказывает положительное влияние на экономику, технологии, социальную динамику, здоровье и окружающую среду.
Холодильная техника необходима для реализации многих современных и будущих источников энергии (сжижение водорода для получения альтернативного топлива в автомобильной промышленности и производство термоядерного синтеза для отраслей альтернативной энергетики).
В пищевой промышленности охлаждение способствует сокращению потерь после сбора урожая при поставках продуктов питания потребителям, позволяя сохранять скоропортящиеся продукты на всех этапах от производства до потребления.
В медицинском секторе охлаждение используется для транспортировки вакцин, органов и стволовых клеток, а криотехнология применяется в хирургии и других медицинских исследованиях.
Холод используется для поддержания биоразнообразия на основе криоконсервации генетических ресурсов (клеток, тканей, органов растений, животных и микроорганизмов).
Холодильная техника позволяет сжижать CO2 для подземного хранения, что позволяет потенциально отделять CO2 от ископаемого топлива на электростанциях с помощью криогенной технологии.
На экологическом уровне воздействие охлаждения обусловлено выбросами в атмосферу хладагентов, используемых в холодильных установках, и потреблением энергии этими холодильными установками, что приводит к выбросам CO2 и , следовательно, к глобальному потеплению, тем самым сокращая мировые энергетические ресурсы. Выбросы в атмосферу хладагентов основаны на утечках, происходящих в недостаточно герметичных холодильных установках или во время процессов обращения с хладагентами, связанных с техническим обслуживанием.
В зависимости от используемых хладагентов эти установки и их последующие утечки могут привести к истощению озонового слоя (хлорированные хладагенты, такие как ХФУ и ГХФУ) и/или изменению климата , оказывая дополнительный парниковый эффект (фторированные хладагенты: ХФУ, ГХФУ и ГФУ).
В ходе непрерывных исследований методов замены озоноразрушающих хладагентов и парниковых хладагентов (ХФУ, ГХФУ и ГФУ соответственно) научное сообщество совместно с индустрией хладагентов разработали альтернативные полностью натуральные хладагенты, которые являются экологически чистыми. Согласно отчету, выпущенному Программой ООН по окружающей среде, « прогнозируется, что увеличение выбросов ГФУ сведет на нет большую часть климатических преимуществ, достигнутых за счет более раннего сокращения выбросов веществ, разрушающих озоновый слой ». [23] Среди хладагентов, не содержащих ГФУ, которые, как было обнаружено, успешно заменяют традиционные, находятся аммиак, углеводороды и диоксид углерода.
История охлаждения началась с использования аммиака . Спустя более 120 лет это вещество по-прежнему является основным хладагентом, используемым в бытовых, коммерческих и промышленных холодильных системах. Основная проблема с аммиаком — его токсичность при относительно низких концентрациях . С другой стороны, аммиак не оказывает никакого воздействия на озоновый слой и имеет очень низкий эффект глобального потепления. Хотя смертельные случаи, вызванные воздействием аммиака, крайне редки, научное сообщество придумало более безопасные и технологически надежные механизмы предотвращения утечки аммиака в современном холодильном оборудовании. Решив эту проблему, аммиак считается экологически чистым хладагентом с многочисленными применениями.
Углекислый газ использовался в качестве хладагента в течение многих лет. Как и аммиак, он почти полностью вышел из употребления из-за своей низкой критической точки и высокого рабочего давления. Углекислый газ не оказывает никакого воздействия на озоновый слой, а эффекты глобального потепления от количеств, необходимых для использования в качестве хладагента, также незначительны. Современные технологии решают такие проблемы, и сегодня CO 2 широко используется в качестве альтернативы традиционному охлаждению [24] в нескольких областях: промышленное охлаждение (CO 2 обычно сочетается с аммиаком, либо в каскадных системах , либо в виде летучего рассола), пищевая промышленность (пищевое и розничное охлаждение), отопление (тепловые насосы) и транспортная промышленность (транспортное охлаждение).
Углеводороды — это натуральные продукты с высокими термодинамическими свойствами, нулевым воздействием на озоновый слой и незначительным влиянием на глобальное потепление. Одна из проблем с углеводородами заключается в том, что они легко воспламеняются, что ограничивает их использование конкретными приложениями в холодильной промышленности.
В 2011 году EPA одобрило три альтернативных хладагента для замены гидрофторуглеродов (ГФУ) в коммерческих и бытовых морозильниках через программу «Политика значительных новых альтернатив» (SNAP). [25] Три альтернативных хладагента, легализованных EPA, — это углеводороды пропан, изобутан и вещество под названием HCR188C [26] — смесь углеводородов (этан, пропан, изобутан и н-бутан). HCR188C сегодня используется в коммерческих холодильных установках (холодильники супермаркетов, автономные холодильники и холодильные витрины), в холодильном транспорте, автомобильных системах кондиционирования воздуха и модернизированных предохранительных клапанах (для автомобильных применений), а также в бытовых оконных кондиционерах.
В октябре 2016 года переговорщики из 197 стран достигли соглашения о сокращении выбросов химических хладагентов, которые способствуют глобальному потеплению, вновь подчеркивая историческую важность Монреальского протокола и стремясь усилить его воздействие на использование парниковых газов, помимо усилий, предпринимаемых для сокращения разрушения озонового слоя, вызванного хлорфторуглеродами. Соглашение, заключенное на встрече Организации Объединенных Наций в Кигали, Руанда, установило условия для быстрого поэтапного отказа от гидрофторуглеродов (ГФУ) [27] , которые будут полностью остановлены из производства и их использование будет сокращено с течением времени.
Повестка дня ООН и соглашение по Руанде направлены на поиск нового поколения хладагентов, которые были бы безопасными как с точки зрения озонового слоя, так и парникового эффекта. Юридически обязывающее соглашение может сократить прогнозируемые выбросы на целых 88% и снизить глобальное потепление почти на 0,5 градуса Цельсия (почти 1 градус Фаренгейта) к 2100 году. [28]
генератор льда Servel.
