ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА ИЛИ ХОЛОДА И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ НАГРЕВА ИЛИ ОХЛАЖДЕНИЯ И ЗАМОРАЖИВАНИЯ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ

Полезная модель относится к устройствам для нагрева и/или охлаждения-замораживания жидких продуктов, очистки воды замораживанием в бытовых условиях, улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней органических и неорганических веществ и газов, и может быть использована в быту, пищевой промышленности и медицине.
Известно устройство для замораживания воды (патент РФ №2221201, МПК F25C 1/12, опубл. 10.01.2004 г.), которое содержит заполненную водой емкость с крышкой, которая выполнена с оребрением. В крышке установлен трубчатый двухслойный элемент. Нижний торец этого элемента размещен в зоне незамерзшей жидкости, а верхний - над крышкой. Наружный слой трубчатого элемента выполнен из алюминиевой трубки, а внутренний - из фторопластовой трубки. Нижний участок трубчатого элемента выполнен перфорированным в виде отверстий. На наружной поверхности емкости и крышки размещены термоэлектрические батареи с холодными и горячими спаями, на которых с противоположной от емкости и крышки стороны установлены теплообменники. Теплообменники размещенных на емкости термоэлектрических батарей выполнены в виде игольчатого или пластинчатого оребрения, а размещенных на крышке - в виде открытой сверху емкости.
Известен аппарат для очистки воды, включающий емкость с крышкой и коническим днищем с отверстием для слива воды и термоэлектрическим модулем для замораживания воды и таяния льда, емкость для приема талой очищенной воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, блоком управления термоэлектрическим модулем, трубопроводами для слива воды, подсоединенными одними концами к сливному отверстию конического днища емкости для замораживания воды и таяния льда, а другие концы этих трубопроводов снабжены клапанами, под которыми установлены соответственно емкость для приема очищенной талой воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия (Патент Японии №5123668, МПК С02F 1/22, F25В 21/02, опубл. 21.05.1993 г.).
Однако выше приведенные аналоги имеют в термоэлектрическом модуле один охлаждающий или нагревающий элемент, который расположен с одной стороны емкости, что не позволяет равномерно по объему замораживать жидкий продукт или равномерно его оттаивать, вследствие чего снижается качество термически обрабатываемого продукта (очистки воды от вредных примесей) и увеличивается время термической обработки продукта.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является термоэлектрический модуль для нагрева и/или охлаждения-замораживания жидких или твердых продуктов, включающий емкость, выполненную из термопроводного материала, термоэлектрическую батарею с ребристым теплообменником, контактирующую рабочей поверхностью с термопроводной стенкой емкости с наружной стороны (Патент РФ на полезную модель №84515, МПК F25В 21/02, опубл. 10.07.2010 г.). Емкость выполнена в горизонтальном сечении в виде многоугольника с количеством сторон (N) не менее четырех, а термоэлектрический модуль содержит несколько термоэлектрических батарей с ребристыми теплообменниками, расположенных со всех (N) сторон или (N-1) сторон боковой поверхности емкости. Емкость может иметь в горизонтальном сечении прямоугольную или квадратную форму. На сторонах боковой поверхности емкости, где установлены термоэлектрические батареи, последние содержатся в количестве не менее двух и расположены в ряд по высоте и/или ширине. Для температурной обработки жидких продуктов емкость имеет при расположении термоэлектрических батарей с (N-1) ее боковых сторон днище с наклоном в боковую сторону, свободную от термоэлектрических батарей, или коническое - при расположении термоэлектрических батарей со всех ее (N) боковых сторон.
Однако такая конструкция устройства для нагрева и/или охлаждения-замораживания жидкостей имеет достаточно длительный цикл обработки продукта вследствие того, что в емкости жидкость охлаждается и замерзает постепенно от ее стенок к центральной части. При этом слой льда вдоль стенок емкости замедляет процесс дальнейшего охлаждения и замораживания жидкости. То же самое происходит при размораживании замерзшего продукта.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является создание такого элемента для передачи тепла или холода и термоэлектрического модуля для нагрева и/или охлаждения-замораживания жидких продуктов с его использованием, которые повышают равномерность температурного воздействия на объем жидкого продукта и сокращают время его термообработки.
2
Указанный технический результат достигается тем, что предлагается элемент для передачи тепла или холода, характеризующийся тем, что он выполнен из термопроводного материала в виде тела с развитой внешней теплообменной поверхностью. Элемент для передачи тепла или холода образован одной или несколькими плоскими или изогнутыми или гофрированными пластинами, кинематически связанными или несвязанными между собой и характеризуется общей площадью внешней теплообменной поверхности в расчете на один грамм менее 0,01 м/г.
Указанный технический результат достигается также тем, что в термоэлектрическом модуле для нагрева и/или охлаждения и замораживания жидкости, включающем емкость, выполненную из термопроводного материала, термоэлектрическую батарею с теплообменником, контактирующую рабочей поверхностью термоэлектрических элементов с термопроводной стенкой емкости с наружной стороны, согласно полезной модели, в емкости установлен элемент для передачи тепла или холода по п.1 формулы полезной модели, часть внешней поверхности которого контактирует с внутренней поверхностью емкости, а другая часть размещена во внутреннем ее объеме.
Экспериментальные исследования показывают, что время обработки жидкого продукта, например, воды при ее очистке методом замораживания-оттаивания с использованием заявляемого элемента для передачи тепла или холода, например, при получении чистой талой воды по сравнению с прототипом сокращается на 8,0%, что составляет 1 час при общем времени цикла очистки воды, составляющем примерно 8 часов. При этом выход очищенной воды по сравнению с прототипом увеличивается на 10%.
На фиг.1,а, фиг.2,а, фиг.3,а, фиг.4,а, фиг.5,а приведены различные конструктивные схемы элемента для передачи тепла или холода, выполненные из трех изогнутых и кинематически связанных пластин. На фиг.1,б, фиг.2,б, фиг.3,б, фиг.4,б, фиг.5,б изображены конструктивные особенности изогнутых пластин, из которых собирают элемент для передачи тепла или холода. На фиг.6,а приведена схема элемента для передачи тепла или холода, выполненного из двух плоских пластин. На фиг.6,б изображены конструктивные особенности плоских пластин, из которых собирают элемент для передачи тепла или холода. На фиг.7 приведен элемент для передачи тепла или холода, выполненный из гофрированных пластин. На фиг.8 приведен элемент для передачи тепла или холода, выполненный из отдельных изогнутых пластин кинематически несвязанных между собой. На фиг.9 приведена схема термоэлектрического модуля с элементом для передачи тепла или холода. На фиг.10 изображен аппарат для очистки воды, содержащий термоэлектрический модуль с элементом для передачи тепла или холода.
Термоэлектрический модуль для нагрева и/или охлаждения-замораживания жидких или твердых продуктов включает емкость 1, выполненную из термопроводного материала, термоэлектрическую батарею, содержащую термоэлектрические элементы 2 с ребристыми теплообменниками 3, расположенными вокруг стенок емкости 1. Термоэлектрические элементы 2 контактируют рабочими поверхностями с термопроводными боковыми сторонами (стенками) емкости 1 с наружной стороны. Емкость 1 имеет днище 4 со сливным отверстием, расположенное с наклоном в одну из боковых сторон, свободную от термоэлектрических элементов 2 (фиг.9).
2
Термоэлектрический модуль (фиг.9) снабжен съемным элементом 5 для передачи тепла или холода, установленным в емкости 1 и выполненным из термопроводного материала, например, нержавеющей стали, в виде тела с развитой внешней теплообменной поверхностью. Элемент 5 для передачи тепла или холода образован одной или несколькими плоскими (фиг.6,а,б) или изогнутыми (фиг.1-5) или гофрированными (фиг.7) пластинами 6, кинематически связанными или несвязанными между собой (как показано на фиг.1-8) и характеризуется общей площадью внешней теплообменной поверхности в расчете на один грамм менее 0,01 м/г. Такая развитая внешняя теплообменная поверхность элемента 5 позволяет эффективно передавать и перераспределять тепло или холод от термоэлектрических элементов 2 во внутреннем объеме жидкости в емкости 1, что подтверждается ниже приведенными экспериментальными исследованиями (таблицы 1 и 2).
Заявляемый термоэлектрический модуль (фиг.9) может быть смонтирован в виде холодильной камеры для хранения продуктов, или кулера для нагрева и охлаждения воды, или в виде аппарата для очистки воды замораживанием (фиг.10).
Описание и работа термоэлектрического модуля более подробно приведены на примере аппарата для очистки воды замораживанием.
Аппарат (фиг.10) включает корпус 7, в котором размещены рабочая емкость 8 с крышкой 9 и коническим днищем 10 с отверстием 11 для слива воды, термоэлектрическую батарею 12 для замораживания воды и таяния льда, емкость 13 для приема талой очищенной воды и емкость 14 для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Трубопроводы 15 и 16 содержат средство 17 для управления сливом воды и подсоединены к отверстию 11 конического днища 10 рабочей емкости 8. Сливные патрубки 18 и 19 трубопроводов 15 и 16 установлены соответственно над емкостью 14 для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия и над емкостью 13 для приема очищенной талой воды. Термоэлектрическая батарея 12 содержит восемь термоэлектрических элементов 20, расположенных снаружи на каждой боковой поверхности рабочей емкости 8 для замораживания воды и таяния льда, имеющей в горизонтальном сечении квадратную форму (фиг.1). Средство 17 для управления сливом воды в трубопроводах 15 и 16 содержит установленные в последних клапаны 21 и 22. Кроме того, аппарат имеет электронный блок 23 управления, включающий блок 24 управления термоэлектрической батареей 12, соединенной с его элементами 20, блок 25 управления клапанами 21 и 22, соединенный с последними, программный автомат 26 и блок 27 измерения температуры с датчиком 28 температуры, установленным на стенке емкости 8 для замораживания воды и таяния льда. Программный автомат 26 подключен к блоку 25 управления клапанами, блоку 27 измерения температуры и блоку 24 управления термоэлектрической батареей 12. В варианте выполнения аппарата для бытовых нужд емкости 8, 13 и 14 имеют объем 2 литра.
Аппарат работает следующим образом.
1. Устройство включают в электрическую сеть.
2. Открывают крышку 9, в рабочую емкость 8 устанавливают элемент 5 для передачи теплп или холода и заливают 1,5-2 литра воды (питьевая, водопроводная по ГОСТу). Крышку 9 закрывают.
3. На пульте управления (на чертеже не показан) включают кнопку «Сеть», соединенную с электронным блоком 23 управления. Загорается индикация сети.
4. Нажимают кнопку «Начать процесс».
Программный автомат 26 в электронном блоке управления 23 выполняет следующий алгоритм работы устройства:
5. Блок управления клапанами 25 открывает клапаны 21 и 22 Происходит промыв трубопроводов 15, 16 водой в объеме до 50 мл из рабочей емкости 8 и слив грязной воды в емкость 14.
6. Клапаны 21 и 22 закрываются.
7. Блок 24 управления термоэлектрической батареей 12 включает термоэлектрические элементы 20 в режим охлаждения. Электронный блок управления 23 включает блок 27 измерения температуры.
8. В емкости 8 происходит охлаждение воды до температуры кристаллизации 0°С, далее процесс кристаллизации - образование льда и охлаждение полученного льда до минус 4-5°С в течение 3-4 часов. Процесс льдообразования происходит в направлении от стенок рабочей емкости 8, охлаждаемых термоэлектрическими элементами 20 к центру. У боковых стенок емкости 8 в первую очередь формируется слой тяжелой воды (D20), которая имеет температуру замерзания +3,8 градуса Цельсия. Отвод тепла от горячих спаев термоэлектрических элементов 20 обеспечивается с помощью радиаторов 3, а перераспределения холода от холодных спаев указанных термоэлектрических элементов 20 в объеме жидкости в емкости 1 осуществляется с помощью элемента 5 для отвода тепла или холода.
Растворенные в воде примеси (соли металлов, органические загрязнения и т.д.) в процессе образования льда вытесняются в объем, расположенный по центру рабочей емкости 8, тем самым происходит образование «рассола» - вода с повышенным содержанием солей и различных загрязнителей. В соответствии с общеизвестными данными температура замерзания данного «рассола» составляет минус 6-7°С.
9. Блок 25 управления клапанами открывает клапан 21 (клапан 22 закрыт). Происходит слив «рассола» из рабочей емкости 8 по трубопроводу 16 в емкость 14 в течение 2-5 минут. Клапан 21 закрывается.
10. Блок 24 управления термоэлектрической батареей 12 включает термоэлектрические элементы 20 в режим нагрева. Происходит повышение температуры льда в рабочей емкости 8 до температуры 0°С, при которой наступает плавление льда, и в первую очередь тает наружный слой тяжелой воды. Блок 25 управления клапанами открывает клапан 21 (клапан 22 закрыт). Происходит слив тяжелой воды из рабочей емкости 8 по трубопроводу 16 в емкость 14 в течение 2-3 минут. Клапан 21 закрывается.
Последующее таяние чистого льда и получение очищенной талой воды происходит при температуре +2-4°С в течение 2-х часов.
11. Нажимают кнопку «Талая вода». Блок 25 управления клапанами открывает клапан 22 (клапан 21 закрыт), происходит слив талой воды по трубопроводу 15 в емкость 13 в течение 1 минуты. Блок 25 управления клапанами закрывает клапан 22. Блок 24 управления термоэлектрической батареей 12 выключает термоэлектрические элементы 20. Электронный блок 23 управления выключает блок 27 измерения температуры и выключается сам.
Общее усредненное время протекания процесса получения талой воды составляет 6,8 часа.
15. Кнопку «Сеть» выключают.
Ниже в таблицах 1 и 2 приведены сравнительные экспериментальные исследования по эффективности использования элемента для передачи тепла или холода в термоэлектрическом модуле.
Из анализа таблиц 1 и 2 видно, что заявляемый термоэлектрический модуль для нагрева и/или охлаждения-замораживания жидких или твердых продуктов с элементом передачи тепла или холода по сравнению с известными аналогами и прототипом сокращает время термообработки жидких продуктов за счет их более равномерного нагрева или охлаждения в рабочей емкости и увеличения площади контакта термоэлектрических батарей через поверхность термопроводных боковых стенок указанной рабочей емкости и теплообменной поверхности элемента 5 с объемом обрабатываемой жидкости. Время цикла обработки продукта сокращается на 8,5% или на 1 час, а выход чистой воды увеличивается на 10%
Таблица 1.
Данные по получению очищенной воды методом замораживания-оттаивания без использования элемента для передачи тепла или холода
№ теста
V исх, мл
V рассола, мл
V талая, мл
Tф заморозки, мин
T цикла, мин
% выхода рассола
% выхода талой воды
1
1600
600
1000
350
470
37.5
62.5
2
1610
590
1020
360
480
36.65
63.35
3
1600
650
950
365
480
40.6
59.4
4
1500
600
900
360
470
40
60
5
1600
660
940
365
480
41.3
58.7
6
1600
650
950
360
470
40.6
59.4
Среднее по параметрам
1585
625
960
360
475
39.44
60.56
Таблица 2.
Данные по получению очищенной воды методом замораживания-оттаивания с использованием элемента для передачи тепла или холода
№ теста
V исх, мл
V paccoлa, мл
V талая, мл
Тф заморозки, мин
Т цикла, мин
% выхода рассола
% выхода талой воды
1
1600
450
1150
298
418
28.1
71.9
2
1610
470
1140
316
436
29.2
70.8
3
1600
500
1100
280
400
31.3
68.7
4
1500
450
1050
290
410
30
70
5
1600
460
1140
270
390
28.8
71.2
6
1600
450
1150
280
400
28.1
71.9
Среднее по параметрам
1585
463
1122
289
409
29.3
70.7