ГЕНЕРАТОР ЛЕДЯНОЙ ВОДЫ

Область применения
Полезная модель относится к устройствам для переработки жидких продуктов в пищевой промышленности. ГЛВ обеспечивает охлаждение молока, соков, виноматериалов после нагрева (пастеризации), в процессе переработки. Они могут быть использованы также для охлаждения молока непосредственно в доильных залах на молочно-товарных фермах, молокоприемных пунктах в сочетании с пластинчатыми теплообменниками или пастеризаторами.
Уровень техники
В настоящее время в перерабатывающей промышленности и на молочно-товарных фермах широко применяются генераторы ледяной воды [1, 2, 3], предназначенные для накопления (аккумулирования) холода в виде намороженного льда, расходуемого (растапливаемого) по мере охлаждения теплых продуктов в режиме циркуляции ледяной воды и продукта через пластинчатые теплообменники.
Они содержат прямоугольный теплоизолированный резервуар, компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА) с магнитным пускателем и распределенным по всему объему резервуара медным трубчатым змеевиком-испарителем, а также датчиком толщины наморозки льда, отключающим магнитный пускатель ККА при достижении номинальной толщины (массы) льда в промороженной воде. Из нижнего патрубка в режиме циркуляции через пластинчатый теплообменник потребляется ледяная вода 0,5…1,5°С, которая, подогреваясь в процессе теплообмена с охлаждаемым продуктом, возвращается в резервуар, равномерно растапливая ледяные трубы вокруг трубчатого медного змеевика-испарителя.
С другой стороны, известны молочные холодильные установки непосредственного охлаждения молока со щелевым испарителем днища [4] и погружным трубчатым змеевиком-испарителем (ПЗИ) [5], предназначенные для охлаждения молока до +4°С, где обледенение испарителя (молока) недопустимо. Длина ПЗИ и эффективная площадь поверхности труб [5], а также контактная площадь щелевого испарителя [4] по внутренней односторонней полости резервуара ограничены и недостаточны для набора требуемой массы льда в случае их применения в режиме ГЛВ.
2
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели (прототипом) является ГЛВ 7000, представленный на веб-сайте  Он состоит из прямоугольного теплоизолированного водяного резервуара 1250×1250×2500 мм (≈4000 л), компрессорно-конденсаторного агрегата (ККА), а также распределенного равномерно по всему объему воды погружного змеевика-испарителя (ПЗИ) из медной трубы ⌀16 длиной 150 пог. м, установленного в каркасе. Шаг «змейки» составляет 120 мм, расстояние между змейками - также 120 мм, число «змеек» 10 штук, так что вся толща воды пронизана медными трубами с шагом 120 мм. Для равномерной подачи кипящего хладона в 10 змеек ПЗИ используется делитель потока из десяти трубок ⌀6, одинаковой длины - 1 м. Контактная площадь меди составляет 150×3,14-0,016 м=7,5 м. В процессе аккумулирования холода в ночное время (по льготному тарифу) вокруг медных труб ПЗИ нарастает ледяная труба ⌀90 мм, общей массой m=1110 кг, после чего ККА отключается сигналом датчика толщины наморозки, связанного с магнитным пускателем. При потреблении аккумулированного холода ледяная вода из нижнего патрубка забирается насосом и, пройдя через пластинчатый теплообменник, возвращается подогретой через обратный трубопровод и верхнюю решетку, проливаясь равномерно по всему уровню воды для интенсификации теплообмена и оттайки льда. Полное потребление запасенного холода с учетом удельной теплоты плавления льда (удельной теплоты льдообразования-кристаллизации льда) С=330 кДж/кг составляет W=mc=366300 кДж. Если процесс теплообмена будет длиться один час t=3600c, то ГЛВ 7000 способен развить мощность по холоду N=w/t=102 кВт, притом, что холодопроизводительность ПЗИ 10 кВт, а мощность, потребляемая ККА, 4,5 кВт. Для ночной аккумуляции этой энергии необходимо порядка 10 ч работы ККА. Для интенсификации процесса теплообмена и равномерной проморозки всех труб используется барботажная подача воздушных пузырьков из пневмокомпрессора через пластиковые трубы-пневморешетки, уложенные на днище.
Недостатком медных змеевиков является большое количество деталей и стыковых швов в трубах и калачах, изгибаемых и свариваемых из 2 м отрезков. Другим недостатком является сложный каркас, в который требуется жестко закрепить 7×10=70 хлыстов медных труб длиной по 2 м для выдержки тряски при транспортировке. Еще одним недостатком является высокая стоимость меди (вдвое больше нержавеющей стали) и низкий уровень механизации технологии изготовления, предполагающий ручную пайку разворотных калачей количеством 150 шт. (300 паек). Это снижает надежность ПЗИ при транспортировке, его ремонтопригодность и может приводить к разгерметизации.
Задачей данной полезной модели является упрощение конструкции, повышение надежности и технологичности изготовления испарителя, как наиболее трудоемкого узла ГЛВ, а также повышение его энергоемкости.
Технический результат данной полезной модели заключается в повышении технологичности, удешевлении производства генераторов ледяной воды, повышение их надежности и запаса аккумулированной энергии (удельной энергоемкости).
Достижение результата (реализация полезной модели).
Заявленный технический результат достигается тем, что в Генераторе Ледяной Воды (ГЛВ), содержащем прямоугольный теплоизолированный резервуар, компрессорно-конденсаторный агрегат (ККА) с магнитным пускателем, распределенным по всему объему резервуара испарителем, а также датчиком толщины наморозки льда, делителем потока жидкого хладона и общим всасывающим коллектором хладонового пара, причем датчик толщины наморозки льда связан с магнитным пускателем ККА, СОГЛАСНО СУТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, испаритель исполнен в виде прямоугольных щелевых панелей, расположенных равномерно вертикально внутри резервуара в общем каркасе, и выполненных шовной сваркой с нижним инжектором и верхним коллектором, а также разворотной полостью, полученными методом «вздутия», причем выход ККА через делитель потока соединен с нижним инжектором каждой панели, а вход ККА - с верхним коллектором каждой панели.
Сущность полезной модели поясняется чертежами: на фиг.1 представлен сборочный чертеж генератора ледяной воды с десятью щелевыми панелями и одним ККА, на фиг.2 - чертеж общего вида щелевой панели, выполненной шовной сваркой, после «вздутия» давлением 10 ат.
Генератор ледяной воды (ГЛВ), (фиг.1) состоит из прямоугольного теплоизолированного резервуара 1 с верхней крышкой 2, компрессорно-конденсаторного агрегата (ККА) 3 с магнитным пускателем 4 и распределенным по всему объему резервуара 1 испарителем 5, содержащем 10 щелевых панелей 6, расположенных равномерно вертикально внутри резервуара 1 на расстоянии 120 мм в общем каркасе 7. Щелевые панели 6 выполнены шовной сваркой с нижним инжектором 8 и верхним коллектором 9, а также разворотной полостью 10, полученными методом вздутия (фиг.2) из двух «прошитых» листов 1000×2000×1.0 нержавеющей стали 10Х18Н9Т. Выход ККА3 терморегулирующего вентиля 11 через делитель потока 12 («паук») жидкого хладона соединен с нижним инжектором 8 каждой панели, а вход ККА3 (всасывающий трубопровод 13 хладонового пара компрессора 14) соединен с верхним коллектором 9 каждой панели 6. В середине испарителя 5 между панелями 6 размещен гальванический датчик толщины наморозки льда 15, связанный с магнитным пускателем 4 ККА3. Ледяная вода потребителям подается через сливной патрубок 16, а обратный трубопровод 17 теплой воды после теплообменника (на фиг.1, фиг.2 не показан) распределяет возвратные «ручейки» равномерно по всей поверхности для равномерного потребления льда. На днище резервуара может быть размещен пластиковый пневмопровод для равномерного «барботирования» - прокачки пузырей воздуха - и интенсификации нарастания льда.
Работает ГЛВ следующим образом.
При включении ККА3 магнитным пускателем 4 жидкий хладон из ресивера через терморегулирующий вентиль (ТРВ) 11 и делитель потока 12 равномерно поступает в инжекторы 8 десяти панелей 6 щелевого испарителя 5, где вкипает и охлаждает воду. Делитель потока 12 («паук») выполнен из медной трубки ⌀6 одинаковой длины 1500 мм для симметричного распределения потоков холода по всем панелям 6. Кипящий хладон разворачивается в полости 10 и всасывается из коллекторов 9 в виде пара через трубопроводе в компрессор 14. ТРВ11 автоматически ограничивает поток жидкого хладона, чтобы все щели испарителя 5 были равномерно заполнены, и в компрессор 14 поступал только пар.
Ширина щелей, вздутых давлением 10 ат с учетом шага швов 48 мм, толщины листов 1 мм инжектора 8 (десять штук), а также коллектора 9 составляет 6 мм (фиг.2, А-А). С учетом увеличенного расстояния 58 мм от концевых «электрозаклепок» до контурных швов, щели разворотной полости 10, а также полости инжектора 8 и коллектора 9 составляют 12 мм (фиг.2, Б-Б). Общая площадь сечения щелей инжектора, коллектора и разворотной полости 10 значительно превышает условный проход dy28 мм всасывающего трубопровода 13, поэтому поток кипящего хладона не встречает практически никакого сопротивления в испарителе 5, и компрессор ККА3 работает на полную мощность.
После охлаждения воды до 0°С начинается равномерное нарастание льда с обеих сторон каждой панели 6 до срабатывания магнитного пускателя 4 от сигнала гальванического датчика 15 толщины льда h=50 мм.
1
2
2
Общая контактная (эффективная) площадь щелевого испарителя 5 S=10·2·2=40 м, где S=2 м - площадь одного листа, что в 5 раз превышает эффективную площадь ПЗИ прототипа [1]. Она обладает значительной избыточной мощностью.
1
k
2
Рассчитаем поток холодильной мощности N, развиваемой щелевым испарителем5 эффективной площадью S=40 м после охлаждения воды до 0°С и нарастания плит льда толщиной h=50 мм при температуре кипения хладона t=-8°C (перегреве σ=8°С).
1
N=k S·/h, где k=2,3 Вт/м·град-коэффициент теплопроводности льда. Из этой формулы следует, что щелевой испаритель 5 может развивать мощность
k
n
n
x
2
Холодильная мощность компрессора MTZ 160 на хладоне R404А при температуре кипения t=-8°С превышает N=22 кВт (потребляемая N=11.8 кВт), а у компрессора MTZ 80 или эквивалентного TAG 4573Z не превышает N=12 кВт, потребляемая при этом N=5.5 кВт. Это означает, что при использовании компрессора MTZ 80 скорость нарастания ледяных плит толщиной 50 мм будет ограничиваться не конструкцией щелевого испарителя 5, обладающего избыточной поверхностью, а мощностью ККАЗ. Масса двухсторонних ледяных плит толщиной 2h=93 мм с учетом щелей испарителя 6 мм каждая площадью 2 м вокруг 10 панелей 6 составит m=1860 кг. Она будет нести W=330·860=613800 кДж холодильной энергии. Соответственно, в течение часа t=3600 с такой ГЛВ способен развивать холодильную мощность N=170 кВт до полного растапливания льда. Из сопоставления часовой холодильной мощности полезной модели с прототипом, массы накопленного льда, а также запасенной энергии W видно, что энергоэффективность предлагаемой полезной модели возросла в 1,7 раза.
Для ограничения толщины нарастающего льда предназначен гальванический датчик толщины 15, который обесточивает ККА3 через магнитный пускатель 4 при достижении h=50 мм.
Из приведенных расчетов следует, что в процессе наморозки льда терморегулирующий вентиль 11 автоматически выводит компрессор MTZ 80 ККА3 на постоянную максимальную холодопроизводительность 12 кВт, пропорциональную мощности компрессора 14. Соответственно, для накопления W=613800 кДж холодильной энергии или 1860 кг льда необходимо порядка 14 ч работы MTZ 80.
Таким образом, щелевой испаритель 5, состоящий из листовых панелей 6, изготовленных шовной сваркой из двух 1 мм листов нержавейки 10Х18Н9Т с указанным шагом швов, и «вздутых» давлением 10 ат повышает технологичность, энергоемкость и надежность ГЛВ. Ледяная вода 0…+1°С в режиме циркуляции будет располагаться в нижних слоях резервуара 1 и, независимо от температуры обратного потока по трубопроводу 17 будет приближать температуру охлаждаемого продукта до +4…+5°С, блокирующего размножение молочнокислых бактерий. Применение льда для аккумуляции холода имеет преимущества по сравнению с химически-агрессивными «незамерзайками» типа гликолей, глицерина, концентрированного раствора поваренной соли и др., т.к. исключает коррозию металла резервуара 1, каркаса 7, панелей 6 и т.д. Другим достоинством полезной модели является жесткая конструкция каркаса 7 и прочность панелей 6, позволяющие транспортировать ГЛВ автотранспортом без ограничений. Еще одним преимуществом по сравнению с прототипом и аналогами является 10 законченных деталей (десять панелей 6) быстро изготавливаемых на шовной машине, что значительно меньше числа «змеек» у аналогов. Кроме того, повышается ремонтопригодность за счет быстросъемных панелей 6, вставляемых в каркас 7.
По сравнению с аналогом [4], имеющим одностороннюю поверхность теплообмена, в панели 6 щелевого испарителя 5 вдвое возрастает эффективная площадь.
м
Рассчитаем также массу m парного молока с температурой 34°С, которую способен охладить до 4°С (ΔТ=30°С) упомянутый ГЛВ, содержащий 1860 кг льда с холодильной энергией W=613800 кДж, учитывая удельную теплоемкость молока С=3,9 кДж/кг·град.
м
Из формулы m=W/C·ΔT=613800/117=5246 кг. Нетрудно получить, что эта же холодильная энергия, аккумулированная в плитах льда, способна охладить вдвое меньший объем отпастеризованного горячего молока m=2623 кг с горячей температуры пастеризации 75°С до температуры упаковки 15°С (ΔТ=60°С). Если учесть, что при односменной работе (8 часов) в процессе плавления льда для охлаждения утренней дойки датчик толщины 15 автоматически включит ККА3, который начнет генерировать лед с мощностью N=12 кВт (холодопроизводительность компрессора MTZ 80), парируя его плавление, и «закачает» дополнительно W=12·8·3600=345600 кДж холодильной энергии, что, в свою очередь, обеспечит охлаждение дополнительно m=345600/117=2954 кг парного молока, т.е. общий объем охлажденного молока, составит 8199 л. Однако втрое более выгодным представляется включение ГЛВ на ночной тариф с 18.00 до 06.00, который позволяет за 12 часов восстановить всю максимальную массу льда 1860 кг.
Источники информации.
1. Веб-сайт  Генераторы ледяной воды ГЛВ7000.
2. Веб-сайт . Системы мгновенного охлаждения молока на базе ледогенератора.
3. Веб-сайт  Генератор ледяной воды
4. Молочная холодильная установка со щелевым испарителем. Патент на изобретение RU 2337534 от 26.12.2005 г. A01J 9/04, F25B 39/02.
5. Установка охлаждения молока с трубчатым ПЗИ. Патент на изобретение №2238642 от 08.09.2003 г. A01G 9/04, F25 D1/00.