УСТРОЙСТВО ТЕПЛООБМЕНА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
GAS AND FLUID HEAT-EXCHANGE DEVICE

Описание изобретения
Предлагаемое изобретение предназначено для использования в пищевой, строительной и сельскохозяйственной промышленности, которые могут являться потребителями аккумулированного холода.
Известна «УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ ЕСТЕСТВЕННЫМ ХОЛОДОМ ГРУНТА» (RU 2131344) [1], содержащая скважины, насос, охладитель, трубопроводную систему, установка снабжена резервуаром, в крайней части резервуара установлена подающая труба, соединенная через насос со скважиной, а нижняя часть этого резервуара через регулирующий вентиль соединена с системой стока или скважиной.
Недостатком известного устройства является узкая область применения, обусловленная обязательным наличием подземного водохранилища. Недостатком также является необходимость бурения минимум двух скважин, расположенных в различающихся геологических зонах. Кроме того, известная установка не имеет физической возможности охлаждения температуры теплоносителя ниже нуля градусов по Цельсию.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является изобретение «АККУМУЛЯТОР-ОХЛАДИТЕЛЬ» (SU 1615497) [2], включающий как минимум одну теплообменную конструкцию, которую располагают ниже поверхности земли, в нижней части теплообменной конструкции содержится подземный резервуар.
Устройство может охлаждать температуру теплоносителя ниже нуля градусов по Цельсию.
Недостатком известного способа является появление «отрицательного» (ниже атмосферного) давления теплоносителя в подающей трубе к насосу, что снижает эффективность и устойчивость работы устройства. Кроме того, в летнее время циркулирующий теплоноситель (например, вода) проходит исключительно внутри трубы внутри теплоаккумулятора (ледяного массива), что снижает поверхность теплообмена между циркулирующим теплоносителем и массивом намороженного льда в теплоаккумуляторе, при этом снижается скорость охлаждения теплоносителя и понижается эффективность работы охладительной установки в целом.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и устойчивости работы теплообменного устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство теплообмена жидкостей и газов, включающее как минимум одну теплообменную конструкцию, которую располагают ниже поверхности земли, в нижней части теплообменной конструкции содержится подземный резервуар, выше подземного резервуара расположен водяной теплообменник для использования в теплое время года, характеризуется тем, что дополнительно содержит погружной насос, расположенный в теплое время года на дне корпуса центральной замораживающей установки, с нагнетающим шлангом, соединенным с входом водяного теплообменника, и сливной шланг, соединенный с выходом водяного теплообменника и резервуаром.
Теплообменная конструкция может быть выполнена типа "труба в трубе". При указанном исполнении теплообменной конструкции возможно использовать технологически простое вертикальное бурение и обсадку колонны.
Устройство может содержать вытяжную трубу, расположенную выше подземного резервуара для использования в холодное время года.
Использование вытяжной трубы позволит производить наморозку льда в подземном резервуаре без использования дополнительных устройств благодаря конвективному воздухообороту.
Расположение насоса в нижней части конструкции позволит повысить высоту подъема теплоносителя и избежать «отрицательного давления» в трубах.
Подземный резервуар может создаваться методом гидроразмыва через буровую скважину. Указанное выполнение подземного резервуара позволит снизить затраты на производство резервуара большого объема.
В корпусе центральной замораживающей установки на высоте 0.9 высоты резервуара можно создавать щель. Наличие щели позволит ускорить теплообмен между водным теплоносителем и массивом намороженного льда путем непосредственного контакта теплоносителя и массива намороженного льда.
Верхняя часть резервуара может быть покрыта сверху и с боков грунтом и торфом. Термоизоляционное покрытие увеличит стабилизацию грунта в области устройства.
Подземный резервуар может располагаться ниже границы сезонного протаивания грунта. Указанное расположение позволит стабилизировать границы подземного резервуара.
Устройство показано на Фиг.1 - в холодное время года, Фиг.2 - в теплое время года, Фиг.3 - поперечный разрез устройства, где:
1 - поверхность земли;
2 - теплообменные конструкции;
3 - корпус теплообменной конструкции (наружная труба);
4 - внутренняя труба;
5 - вытяжная труба;
6 - щель в корпусе центральной замораживающей установки;
7 - подземный резервуар;
8 - нагнетательный шланг;
9 - погружной насос;
10 - теплообменник;
11 - сливной шланг;
12 - нижняя граница сезонного протаивания грунта.
Изготавливают подземный резервуар следующим образом. Бурят скважину до уровня дна проектируемого резервуара, обсаживают ее трубой до уровня кровли резервуара, опускают в скважину размывающее и пульпоподъемное устройства, создают подземный резервуар 7 необходимого размера, извлекают из размытого резервуара размывающее и пульпоподъемное устройства, бурят в кровле резервуара скважины, опускают в них воздушные теплообменные конструкции (замораживающие установки конвективного действия) 2, причем на корпусе центральной замораживающей установки на высоте 0,9 от высоты подземного резервуара предварительно вырезают щель площадью, равной площади поперечного сечения нагнетательного шланга водяной циркуляционной системы, заливают воду в подземный резервуар до уровня щели на корпусе центральной теплообменной конструкции.
Воздушная замораживающая система конвективного действия состоит из теплообменных конструкций (охлаждающих установок) в количестве n=(R/r)2, где R - радиус резервуара; r - радиус ледяного цилиндра, намораживаемого одной установкой, и водяной циркуляционной системы, состоящей из погружного насоса, нагнетательного и сливного шлангов и теплообменника. Подземный резервуар 7 находится ниже поверхности земли 1 и ниже границы сезонного протаивания грунта 12.
Первоначально подземный резервуар наполняют водой до уровня щели 6 перед холодным временем года.
Устройство действует следующим образом.
Воду в подземном резервуаре замораживают с помощью воздушных теплообменных конструкций 2 (замораживающих установок), в которых зимой циркулирует холодный воздух между внутренней трубой 4 и корпусом теплообменной конструкции (наружной трубой) 3, выходя через вытяжные трубы 5.
В начале теплого периода года в центральную охлаждающую установку опускают погружной насос 9 с нагнетательным шлангом 8, верхний конец которого соединяют с теплообменником 10. К теплообменнику 10 присоединяют один конец сливного шланга 11, а другой его конец опускают в подземный резервуар 7. В центральную замораживающую установку заливают воду, которая при достижении щели на корпусе замораживающей установки, расположенной на 0,9 высоты резервуара, перетекает в него. Заливку воды прекращают, когда она поднимется над щелью на корпусе замораживающей установки на высоту не менее 5 см.
В режиме "Охлаждение" включают погружной насос 9, холодная вода из резервуара по нагнетательному шлангу 8 подается в теплообменник 10, нагретая в теплообменнике вода сливается по шлангу 11 в резервуар, где в результате таяния льда она охлаждается и по щели 6 поступает вовнутрь корпуса центральной теплообменной конструкции. Таким образом, происходит циркуляция воды в водяной циркуляционной системе и охлаждение жидкости или газа в теплообменнике.
Осенью с помощью погружного насоса 9 откачивают воду из корпуса центральной охлаждающей установки и из резервуара 7 до уровня щели 6, извлекают насос 9 и устройство переходит в режим "Замораживание".
Технический результат - повышение устойчивости работы теплообменного устройства достигается отсутствием в системе «отрицательных» давлений (меньше атмосферного), что предотвращает появление «пузырьков» воздуха, извлеченного из воды, и снижение эффективности и стабильности работы насоса.
Технический результат - повышение эффективности работы устройства достигается тем, что подаваемый для охлаждения теплоноситель имеет большую площадь контакта с теплоаккумулятором (аккумулятором холода - ледяным массивом), что увеличивает скорость охлаждения теплоносителя и понижает температуру теплоносителя, в том числе при увеличенном «холодоотборе».
Промышленное применение. Способ испытан для охлаждения молока на летней ферме в 200 голов. Применявшаяся ранее холодильная установка МХУ-8 мощностью 13 кВт работала беспрерывно для намораживания льда и охлаждения молока, хотя общая продолжительность хранения молока на ферме составляла 6 ч. В предлагаемом способе погружной насос мощностью 1,3 кВт работал только для подачи холодной воды в теплообменник в течение 6 часов. Расход электроэнергии уменьшился в 40 раз.