ХОЛОДИЛЬНЫЙ АППАРАТ С ЛЕДОГЕНЕРАТОРОМ И СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЛЬДА
REFRIGERATING DEVICE WITH ICE GENERATOR AND ICE PREPARATION METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к ледогенератору с наполняемым водой контейнером для формовки, который для производства льда может охлаждаться до температуры ниже 0°C, к оснащенному подобным ледогенератором холодильному аппарату и к осуществляемому с помощью подобного ледогенератора способу изготовления льда.
Уровень техники
В большинстве обычных ледогенераторов используется контейнер для формовки, в котором сформировано множество отсеков, соединенных между собой в заполненном состоянии. Примеры таких ледогенераторов описаны в DE 4113767 C2 и DE 2429392 A1.
Существует две важные причины для того, чтобы предусмотреть соединение между отсеками контейнера для формовки. Во-первых, соединение упрощает автоматическое заполнение контейнера для формовки, так как вода может подаваться в одно единственное место контейнера для формовки и оттуда распространяться между соединенными друг с другом отсеками. Другая причина заключается в механизме образования льда. Фактически образование льда из-за так называемой гетерогенной нуклеации происходит не при 0°C, а лишь при температурах на несколько градусов ниже 0°C. Оно предполагает наличие гетерогенных, т.е. неводянистых зародышей нуклеации, если они отсутствуют, воду можно охлаждать до -40°C без замерзания. Этот эффект является помехой для автоматической работы ледогенератора по различным причинам. Во-первых, при несоединенных отсеках существует опасность, что в отдельных отсеках будут отсутствовать зародыши нуклеации, так что вода в них останется в жидком состоянии, в то время как в других отсеках уже давно будет заморожена. Когда содержимое ячеек выгружается в емкость для сбора льда, а в отсеке еще имеется вода, то она замерзает в емкости для сбора льда, причем находящиеся там готовые куски льда смерзаются в прочный блок, который больше не пригоден для использования. Для минимизации вероятности этого нужно или перед опорожнением отсеков закладывать длительное время ожидания, чтобы и в отсеках без зародышей нуклеации была возможность для замораживания, что чувствительно ограничивает производительность ледогенератора, или ледогенератор должен эксплуатироваться только при очень низких температурах, сопряженных с высоким расходом энергии. Обычно эту проблему решают, выполняя отсеки контейнера для формовки при замерзании соединенными друг с другом, так, чтобы процесс образования льда от отсека, в котором благодаря наличию эффективного зародыша нуклеации обеспечивается возможность раннего замерзания, распространялся во все остальные отсеки. Однако, таким образом, возможно получать только соединенные друг с другом куски льда, которые при изъятии из формы ненадежно разламываются и поэтому в емкости для сбора занимают много места, а также с трудом могут использоваться в автоматических диспенсерах для льда.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является создание ледогенератора, оснащенного им холодильного аппарата и способа изготовления льда, которые быстро и эффективно функционируют при низком расходе энергии.
Эта цель, во-первых, достигается с помощью ледогенератора с наполняемым водой контейнером для формовки и граничащего с поверхностью воды в контейнере для формовки воздушного пространства, у которого предусмотрено устройство увлажнения воздуха для насыщения воздуха над поверхностью воды влагой. В то время как эта влага конденсируется в форме мельчайших снежинок, возникают высокоэффективные зародыши конденсации, которые осаждаются на поверхности воды и оттуда могут запускать образование льда уже при температурах чуть ниже 0°C.
В самом простом случае в роли устройства увлажнения воздуха выступает испаритель.
Для обеспечения быстрого и эффективного нагревания воды в испарителе водный резервуар испарителя предпочтительно имеет, по меньшей мере, частично выполненную из токопроводящей пластмассы стенку, на которую может подаваться напряжение для обогрева.
Для предотвращения выпадения известкового осадка в испарителе он предпочтительно рассчитан для нагрева содержащейся в нем воды максимально до 60°C.
3
Испаритель имеет объем предпочтительно не более 2 см, чтобы, с одной стороны, обеспечить возможность быстрого нагрева находящейся внутри воды, с другой стороны, чтобы поддерживать на низком уровне количество тепла, отдаваемого воде в испарителе, и через нее в конечном счета всему ледогенератору.
Предпочтительно предусмотрено управляющее устройство для временного приведения в действие устройства увлажнения воздуха во время каждого процесса изготовления льда.
Управляющее устройство может быть подключено к таймеру, чтобы запускать устройство увлажнения воздуха соответственно с предварительно заданной временной задержкой после заполнения контейнера для формовки; в качестве альтернативы или дополнительно оно может быть подключено к датчику температуры, чтобы запускать устройство увлажнения воздуха, если температура опустится ниже заданной.
Контейнер для формовки и устройство увлажнения воздуха целесообразно подключены к одному и тому же трубопроводу водоснабжения.
При этом устройство увлажнения воздуха может быть расположено так, чтобы при превышении заданного уровня отдавать воду в контейнер для формовки. Таким образом, отпадает необходимость точного дозирования подаваемого в устройство увлажнения воздуха количество воды.
Особенно целесообразно, если устройство увлажнения воздуха расположено в трубопроводе водоснабжения вверх по потоку от контейнера для формовки.
Так как с помощью кристаллов снега создается большое количество зародышей нуклеации, контейнер для формовки может иметь множество не соединенных между собой отсеков для льда без риска, что вода не замерзнет в отдельных отсеках. Из несоединенных отсеков для льда получаются не соединенные друг с другом куски льда, которые просто и надежно могут использоваться в расположенном далее диспенсере для льда.
Целесообразно в воздушном пространстве предусмотрен вентилятор для приведения в действие циркуляции воздуха, чтобы обеспечить распределение кристаллов снега по всей поверхности воды.
Ледогенератор может быть снабжен собственной холодильной установкой; предпочтительно он установлен в холодильный аппарат и охлаждается от его холодильной установки.
При этом упомянутый выше вентилятор может быть частью холодильного аппарата, прежде всего, он может служить для приведения в действие циркуляции воздуха между воздушным пространством и испарителем хладагента.
Такая циркуляция воздуха в этом случае обеспечивает охлаждение воды в контейнере для формовки или, по меньшей мере, вносит существенный вклад в его охлаждение. Для предотвращения замерзания воды в устройстве увлажнения воздуха раньше, чем в контейнере для формовки, циркуляция воздуха над поверхностью воды устройства увлажнения воздуха предпочтительно слабее, чем над поверхностью воды контейнера для формовки.
Далее цель изобретения достигается с помощью способа изготовления кусков льда, прежде всего, в ледогенераторе или холодильном аппарате, как определено выше, посредством следующих этапов:
а) дозирование воды в контейнер для формовки,
б) заполнение испарителя,
в) охлаждение воды,
г) Подача в воду кристаллов льда, когда достигнута предварительно заданная температура кристаллизации воды ниже 0°С.
Целесообразно поочередное выполнение этапов а)-г) процесса, начиная с этапа а). Также возможно одновременное выполнение этапов а) и б) процесса и последующее поочередное выполнение этапов в) и г) процесса, начиная с этапа в).
Кристаллы льда образуются предпочтительно за счет испарения воды и охлаждения получающегося при этом пара ниже 0°С. Испарение воды может быть реализовано в течение временного промежутка от 0,5 минут до 2,5 минут, но предпочтительно в течение временного промежутка от 1 минуты до 2 минут. Затравливание воды кристаллами льда предпочтительно происходит при температуре воды между -2 и
-7°С, причем в случае приготовления льда в управляемой термостатом холодильной камере температура кристаллизации может выбираться тем выше, чем ниже заданная температура термостатической регулировки. Температура воздуха в ледогенераторе ко времени затравки в общем будет ниже, здесь предпочитается температура ниже -10°С.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества изобретения приведены в описании примеров вариантов реализации со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых изображены:
фиг.1 - схематическое сечение через холодильный аппарат с ледогенератором согласно настоящему изобретению;
фиг.2 - перспективная проекция примера реализации соответствующего изобретению ледогенератора; и
фиг.3 - графическое представление временной характеристики температуры и влажности воздуха во время цикла приготовления льда.
Осуществление изобретения
Схематически изображенный на фиг.1 холодильный аппарат имеет теплоизолирующий корпус 1 и дверь 2, ограничивающую внутреннее пространство 3. Во внутреннем пространстве 3 с помощью испарителя, расположенного в выделенной в верхней области корпуса 1 испарительной камере 4, поддерживается температура ниже 0°C. Автоматический ледогенератор 5, который далее будет подробнее описан со ссылкой на фиг.2, расположен в непосредственной близости от испарительной камеры 4 во внутреннем пространстве 3, и на него может эффективно подаваться холодный воздух от испарительной камеры 4.
Под ледогенератором 5 расположена сборная емкость 6 диспенсера для льда, в которой собираются выбрасываемые ледогенератором 5 готовые куски льда. Сборная емкость 6 занимает большую часть глубины внутреннего пространства 3. В задней нише 7 сборной емкости 6 расположен электродвигатель для привода пролегающей в продольном направлении относительно сборной емкости 6 мешалки 8. Направленный от ниши 7 конец мешалки 8 пролегает в цилиндрической раздаточной камере 10. Ножи 9 дробильного механизма закреплены на расположенной на одном из концов мешалки 8 втулке, и с помощью муфты 11 на них передается вращение мешалки 8. Вторая группа ножей 12 может фиксироваться на цилиндрической внешней стенке раздаточной камеры 10, так что ножи 9, когда на них передается вращение мешалки 8, входят в промежутки между ножами 12 и при этом измельчают подаваемые из сборной емкости 8 в раздаточную камеру 10 куски льда, прежде чем они выпадут из раздаточного отверстия 13 в нижней области раздаточной камеры 10. Блокировка ножей 12 на стенке раздаточной камеры 10 может сниматься, так что ножи 12 вращаются от ножей 9, вследствие чего из раздаточного отверстия 13 могут подаваться целые куски льда. Когда муфта 11 разомкнута, ни ножи 9, ни ножи 12 не получают вращение от мешалки 8. В то время как мешалка 8 время от времени вращается при разомкнутой муфте 11, возможно предотвратить смерзание кусков льда в сборной емкости 6 и поддерживать движение последних, так что при необходимости они могут надежно подаваться через раздаточное отверстие 13.
Напротив раздаточного отверстия 13 расположен канал 14, который проходит сквозь слой изоляционного материала двери 2 и примыкает к открытой в направлении внешней стороны двери 2 нише 15. Заслонка 16 удерживает канал 14 закрытым, пока не приведен в действие диспенсер, что означает вращение мешалки 8 при замкнутой муфте 11, чтобы подать лед через раздаточное отверстие 13 и канал 14 в помещенную в нише 15 емкость.
Бак 17 для воды вделан на задней стенке ниши 14 в изоляционный материал двери 2. Бак 17 для воды как и ледогенератор 5, с одной стороны, через трубопровод 18 водоснабжения и запорный вентиль 19 подключен к водопроводу с питьевой водой, а с другой стороны, к месту 20 заправки в нише 15.
Теперь подробное описание ледогенератора 5 приводится со ссылкой на фиг.2.
На фигуре видно сформованную литьем под давлением из пластмассы четырехугольную рамку 21, в которой подвешен контейнер 22 для формовки, в данном случае с семью отсеками 23, с возможностью вращения вокруг продольной оси 24. В двух полых участках 25, 26 стенок рамки 21 расположены соответственно электродвигатель и редуктор для обеспечения вращательного движения контейнера 22 для формовки вокруг продольной оси 24. В показанной ориентации перегородки 27 между отсеками 23 контейнера для формовки имеют наклон в сторону.
3
3
Над контейнером 22 для формовки на участке 26 стены закреплен небольшой плоский лоток 28. На дне лотка предусмотрена полая перемычка 29, предназначенная для оснащения электронагревательным стержнем 30 со стороны участка 26 стены. В качестве альтернативы сам лоток 28 или его часть может быть изготовлена из пластмассы с подходящей токопроводящей добавкой, которая может нагреваться путем подключения электрического тока. Питающий провод 18 выходит в лоток 28. В боковых стенках лотка 28 выполнено множество широких выемок 31, 32. Предусмотрены расположенные между выемками 31, 32 стойки 33, служащие опорой для крышки 34. На имеющей обозначение 32 самой глубокой выемке сформирована сточная кромка 35, по которой вода из лотка 28 может стекать в контейнер 22 для формовки. Объем лотка 28, составляя несколько см, предпочтительно менее 1 см, существенно меньше объема контейнера 22 для формовки.
В начале цикла приготовления льда снабжающий ледогенератор 5 запорный вентиль 19 временно открывается для впуска воды. Вода проходит через лоток 28 и по сточной кромке 35 попадает в контейнер 22 для формовки. Подаваемое количество воды дозируется так, чтобы ее только-только хватало для перетекания перегородок 27 на их более глубоко расположенном конце. Так будет обеспечен единый уровень во всех отсеках 23 контейнера 22 для формовки. Затем контейнер 22 для формовки немного поворачивается вокруг оси 24 по часовой стрелке, пока верхние кромки перегородок 27 не будут стоять горизонтально и располагаться выше уровня воды в отсеках 23, так что порции воды в отсеках 23 будут отделены друг от друга.
В этом положении вода в отсеках 23 охлаждается. Предусмотрен не показанный датчик температуры, служащий для контроля температуры воды и подачи сигнала на также не изображенное управляющее устройство. Датчик температуры может быть расположен непосредственно на контейнере для формовки, чтобы регистрировать фактическую температуру воды в отсеках 23; также возможно расположение в другом месте, например на рамке 21, так что он будет регистрировать температуру воздуха в ледогенераторе, причем тогда управляющее устройство рассчитано на то, чтобы оценивать температуру воды на основании измеренной температуры воздуха и времени охлаждения. Управляющим устройством может быть центральное управляющее устройство холодильного аппарата, которое также отвечает за регулировку температуры во внутреннем пространстве 3, или может применяться специальное управляющее устройство ледогенератора 5.
Во время охлаждения воды в отсеках 23 нагревательный стержень 30 уже можно запустить в работу на низкой мощности, которой будет достаточно, чтобы не допустить замерзания воды в лотке 28. Когда зарегистрированная датчиком или рассчитанная управляющим устройством температура воды в отсеках 23 будет ниже заданного предельного значения, управляющее устройство увеличивает мощность нагревательного стержня 30, чтобы нагреть воду в лотке 28. Предельное значение обычно выбирается в диапазоне от -6°C до -3°C; прежде всего, если одно и тоже управляющее устройство отвечает за управление ледогенератором 5 и регулировку температуры во внутреннем пространстве 3, предельное значение целесообразно задать как функцию от заданной температуры во внутреннем пространстве 3.
За счет нагревания часть воды в лотке 28 испаряется, и водяной пар выходит через выемки 31, 32. Мощность нагревательного стержня 30 управляется так, чтобы вода в лотке 28 не нагревалась выше 60°C, чтобы предотвратить осаждение извести на стенках лотка 28. Этот водяной пар создает мелкий туман кристаллов снега или льда, который распределяется над контейнером 22 для формовки благодаря имеющейся в ледогенераторе 5 из-за воздухообмена с испарительной камерой 4 воздушной тяге. Так кристаллы, служащие зародышами нуклеации, надежно попадают в каждый отдельный отсек 23 и запускают там процесс образования льда.
В результате образования льда освобождается тепло. Чтобы это тепло не привело к повторному таянию уже сформированного льда в отсеках 23, целесообразна упомянутая выше зависимость предельного значения температуры от заданной температуры во внутреннем пространстве 3: При низкой заданной температуре и соответственно низкой температуре подводимого из испарительной камеры 4 воздуха освобождающееся в результате образовании льда тепло может быстро отводиться, так что температура в отсеках 23 не достигнет снова 0°C, даже если затравка кристаллами снега проводится уже при относительно высокой температуре воды в отсеках 23, составляющей -3°C. В случае относительно высокой заданной температуры во внутреннем пространстве, например -14°C, тепло от образования льда не может отводиться так быстро, так что целесообразно проводить затравливание при более низкой температуре воды в отсеках 23 ок. -6°C.
Поскольку с уверенностью можно предположить, что после затравливания кристаллами снега образование льда началось в каждом отдельном отсеке 23, время между затравливанием и последующим опорожнением отсеков 23 можно установить относительно коротким, так что отсеки быстро снова будут готовы для нового заполнения.
Чтобы облегчить опорожнение, контейнер 22 для формовки с невидимой на фиг.2 стороны днища снабжен электронагревательным элементом. После того, как после затравливания истекло достаточное для полного замерзания время, управляющее устройство активизирует этот нагревательный элемент, чтобы растопить поверхности кусков льда в отсеках 23, и затем приводит в действие электродвигатель, чтобы перевернуть контейнер 22 для формовки верх ногами вокруг продольной оси 24, так чтобы куски льда упали из отсеков 23 в расположенную под ним сборную емкость 26.
Последующим вращением контейнера 22 для формовки в том же направлении снова занимается показанное на фиг.2 положение, и новый цикл изготовления льда может начинаться с заполнения отсеков 23.
На фиг.3 примерно изображена характеристика температуры воды в отсеках 23, температуры воды в лотке 28 и влажности воздуха в ледогенераторе во время одного цикла приготовления льда. При этом температура в отсеках 23 представлена в виде сплошной кривой 36, соответствующая шкала температуры нанесена с левой стороны диаграммы, в то время как выраженная в процентах влажность воздуха представлена штриховой кривой 37, а температура лотка 28 штрихпунктирной кривой 38, шкала для этих двух показателей (в процентах или градусах Цельсия) размещена на правом краю диаграммы. Примерно в 18:30 начинается рабочий цикл с заполнения контейнер 22 для формовки. К этому моменту времени его температура составляет примерно 9°C, потому что он перед этим был нагрет, чтобы выбросить куски льда от предыдущего цикла. Лоток 28 нагревается за счет подачи свежей воды примерно до 0°C. Из-за нагревания контейнера 22 для формовки влажность воздуха находится на временном максимуме.
В течение следующих 12 минут контейнер 22 для формовки охлаждается существенно быстрее, чем лоток 28 и достигает температуры -4°C. Более быстрое охлаждение контейнера 22 для формовки, во-первых, обусловлено прохождением воздуха в ледогенераторе 5. За счет подходящего расположения воздушных проходов, отклоняющих пластин и т.п. обеспечивается то, что большая часть протекающего через ледогенератор 5 холодного воздуха протекает вдоль контейнера 22 для формовки и охлаждает его, в то время как скорость потока в окружении лотка 28 удерживается значительно ниже. Кроме того, использование хорошо проводящих тепло материалов, таких как алюминий, и размещение охлаждающих ребер на не изображенной на фиг.2 нижней стороне контейнера 22 для формовки способствуют быстрому теплообмену, в то время как лоток 28, напротив, предпочтительно изготовлен из плохо проводящей тепло пластмассы, а надетая на него крышка 34 обеспечивает лишь слабый поток воздуха через выемки 31, скользящий по поверхности воды в лотке 28. Дополнительно, как указано выше, можно предусмотреть, что нагревательный стержень 30 лотка 28 и во время фазы охлаждения будет работать с малой мощностью, которой хватает лишь на то, чтобы не допустить замерзания воды в лотке 28.
С регистрацией предельной температуры примерно в 18:41 управляющее устройств включает нагревательный стержень 30 на работу с высокой мощностью, так что в течение одной минуты лоток 28 нагревается до 50°C. Водяной пар, образующийся в защищенном пространстве между поверхностью воды лотка 28 и крышкой 34, выходит из выемок 31, 32 и распределяется в воздушном пространстве над контейнером 22 для формовки. Кривая 37 влажности воздуха снова достигает максимума. Образующиеся при этом кристаллы снега запускают процесс образования льда, что ведет к явному росту температуры контейнера 22 для формовки примерно до -1°C. Следует почти получасовая фаза охлаждения, пока в 19:15 не включается нагрев контейнера 22 для формовки, и он переворачивается, чтобы выбросить готовые куски льда.
Так как лоток 28 только очень короткое время нагревается с высокой мощностью, необходимая для этого энергия мала. При предположительных 25 циклах приготовления льда в день мощности нагрева 50 Вт и продолжительности нагрева соответственно 70 секунд ежедневный расход энергии составляет 0,024 кВтч. Достигаемая с помощью этих мер производительность ледогенератора при температуре во внутреннем пространстве 3 - -14°C выше, чем у обычного ледогенератора без затравки, который эксплуатируется при -18°C. Достигаемая за счет этого экономия энергии превосходит расход энергии на образование водяного пара на много порядков.