Охладитель воды низкотемпературный
LOW TEMPERATURE WATER COOLER

Изобретение относится к установкам технологического охлаждения воды (жидкостей) преимущественно для систем кондиционирования воздуха. Можно использовать изобретение в качестве увлажнителя воздуха.
Известно применение пароэжекторных холодильных машин (ПХМ) для охлаждения воды подаваемой в кондиционеры. Конструктивные особенности описаны, например, в учебнике Захарова Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Судостроение, 1994. - 504 с.
Создаваемый вакуум в эжекторах позволяет охлаждать воду до температур (5÷7)°С. Вода охлаждается на (10÷15)°С ниже температуры мокрого термометра. Процесс охлаждения воды обеспечивается за счет кинетической энергии водяного пара поступающего под значительным избыточным давлением из парового котла в эжектор - происходит вакуумирование испарителя и кипение воды в вакууме. ПХМ отличаются простотой конструкции (практически нет движущихся элементов), относительно низкой первоначальной стоимостью и, тем, что в качестве рабочего тела используется вода.
Основные недостатки пароэжекторных машин заключаются в их больших габаритах и массе, низком КПД, повышенным уровнем генерируемого шума. Сложно регулировать холодопроизводительность пароэжекторной машины и стабильно поддерживать в ней глубокий вакуум (0,5÷1,5) кПа.
Известно устройство, представленное в описании изобретения "способ изменения влагосодержания газа" (SU 1696817, дата публикации 07.12.91, F24F 6/16). При пропускании газа над поверхностью вращающегося слоя воды повышается эффективность и скорость массообмена и практически предотвращается каплеунос с поверхности воды. Для достижения желаемого результата поддон с водой выполнен в виде вращающегося, всасывающего патрубка вентилятора.
К недостатку предложенного в изобретении устройства можно отнести сложность центрирования и балансировки вращающегося, всасывающего патрубка-поддона, монтируемого на рабочем колесе вентилятора. Малая производительность устройства.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является "охладитель воды центробежный", патент на изобретение РФ №2761699, МПК F28C 3/06, F24F 6/16, опубл. 13.12.2021, бюлл. №35.
кип
В этом охладителе воды, содержащем открытый вращающийся поддон со слоем воды на его стенках, выполненным преимущественно в виде кругового цилиндра (трубы, стакана), причем в пограничном с водой слое воздуха размещают аэродинамические разделители с возможностью их перемещения и фиксации по радиусу поддона, вращающегося с окружной скоростью более 300 м/с, при такой скорости поверхности воды на границе сред возникает ощутимый вакуум. Когда в тонком приповерхностном подслое понижается статическое давление воздуха до уровня (около 1000 Па), соответствующего парциальному давлению водяных паров возникает процесс пузырькового кипения воды (t≈7°С) вызывающий очень интенсивное охлаждение вращающегося слоя воды и увлажнение воздуха, проходящего через поддон.
Описанное устройство принято за прототип изобретения.
К недостатку прототипа можно отнести затрудненное отведение водяных паров образуемых кипящей водой при конструктивном увеличении длины поддона - это сдерживает перспективу повышения холодопроизводительности единичного устройства. К тому же при рассмотрении физических тепло-массообменных процессов не задействована наружная поверхность вращающегося поддона, на которой создается максимальное понижение статического давления воздуха.
Технической задачей изобретения является создание энергоэффективного и экологичного охладителя воды низкотемпературного (ОВН) повышенной холодопроизводительности, содержащего вращающийся поддон со слоем воды на его стенках, выполненный преимущественно в виде кругового цилиндра, снабженный водовыпускными отверстиями, его привод, корпус, кожух-сборник охлажденной воды и пара, патрубки теплой и охлажденной воды, отличающийся тем, что торцевые отверстия поддона снабжают герметичными заглушками, в поддоне размещают паровоздушные каналы проложенные через слой воды, входные отверстия которых располагают над ее открытой поверхностью, а выходные отверстия фиксируют в стенке поддона на его наружной поверхности вращающейся с окружной скоростью более 300 м/с.
Поставленная задача решается следующим образом.
В поддон подают охлаждаемую воду, например, через патрубок, совмещенный с его осью вращения. При вращении цилиндрического поддона вода распределяется (растекается) и стабильно удерживается на его внутренней поверхности тонким слоем. При достижении окружной скорости вращения поверхности воды, например, более 300 м/с на наружной поверхности поддона возникает практически ощутимый вакуум, который через паровоздушные каналы передается во внутренней объем поддона. Когда в приповерхностном подслое статическое давление воздуха понизится до уровня, соответствующего парциальному давлению водяных паров возникает процесс пузырькового кипения воды вызывающий очень интенсивное охлаждение основной массы вращающегося слоя воды и эмиссию водяного пара выводимого из поддона через паровоздушные каналы (подобно истечению пара из носика чайника с кипящей водой) в кожух-сборник с последующим возможным использованием для увлажнения воздуха при его кондиционировании.
Для отведения охлажденной воды в стенке поддона предусмотрены отверстия, через которые вода поступает в кожух-сборник и затем через патрубок направляется к потребителю (на технологические нужды). Эти отверстия могут быть конструктивно объединены (совмещены) с выпускными отверстиями паровоздушных каналов.
Сущность изобретения заключается в конструктивном упрощении и эффективном увеличении производительности единичного ОВН в котором реализуется использование центробежных сил для удержания слоя воды на внутренней поверхности вращающегося цилиндрического поддона длина которого может многократно превосходить величину его диаметра и образуется над поверхностью воды глубокий вакуум в приповерхностном паровоздушном слое.
Для достижения низкотемпературного вскипания приповерхностного слоя воды при температуре около 7°С и охлаждения основной массы вращающейся воды необходимо создать приповерхностный вакуум около 1 кПа. Реализовать столь низкотемпературное вскипание воды возможно при обеспечении расчетной скорости движения наружной поверхности поддона около 400÷410 м/с (расчет приведен ниже).
Примечания. Производители (например, в Китае) высокоскоростных лабораторных центрифуг различного назначения предлагают потребителям большое количество серийных образцов близких по габаритам ротора и частоте его вращения до 25000 об/мин. По специальным заказам предлагают значительно более высокооборотные центрифуги.
Наиболее высокоскоростные и конструктивно совершенные, близкие по диаметрам и окружной скорости вращения являются газовые центрифуги, применяемые для разделения - обогащения изотопов урана, надежное безостановочное вращение которых на практике применяется в течение десятков лет. Длина вращающегося в вертикальном положении цилиндрического ротора в таких центрифугах обычно составляет несколько метров (описаны образцы длиной до 12 м). Это позволяет при соответствующей модернизации реализовать многократное увеличение единичной холодопроизводительности ОВН за счет наращивания длины поддона (1,0 м) указанной в расчетном примере.
Предварительные упрощенные расчеты позволяют оценить возможную холодопроизводительность предлагаемого водоохлаждающего устройства.
Рассмотрим вариант (пример) компактного ОВН со следующими размерами вращающегося поддона: наружный диаметр цилиндрического поддона 0,52 м при его длине L=1,0 м, толщина вращающегося слоя воды 0,005 м, толщина стенки поддона 0,005 м, внутренний диаметр цилиндрической поверхности воды d=0,5 м.
Проанализируем вариант с цилиндрическим поддоном, у которого торцевые - круглые отверстия полностью заглушены, внутренний объем поддона связан с атмосферой только через паровоздушные каналы расположенные в слое воды. Причем, открытые входные отверстия каналов расположены в приповерхностном с водой паровоздушном слое, а выходные - закреплены непосредственно на наружной поверхности цилиндрической стенки поддона.
дин
ст
полн
ст
2
Уравнение (закон) Д. Бернулли: Р+Р=Р или⋅ρ⋅V+Р=Const.
2
ст
полн
В пограничном с наружной поверхностью поддона (ламинарном подслое) слое воздуха его скорость относительно этой поверхности всегда принимают равной нулю. В этом слое воздуха его динамическое давление полностью преобразуется в статическое давление - происходит безударное затормаживание воздушного потока:⋅ρV=Р=Р=Б
Условия для скачкообразного динамического изменения плотности воздуха отсутствуют, т.к отсутствуют поверхности физических тел, обтекаемые высокоскоростным воздушным потоком - отсутствует эффект возникновения ударных волн, скачков уплотнения, нарушающих структуру установившегося воздушного потока.
Примечания. В приведенном расчете не учитываются некоторые физические эффекты, положительно влияющие на достижение желаемого технического результата.
1. Понижение давления воздуха в рассматриваемом приповерхностном слое на наружной поверхности поддона за счет действия центробежных сил приводит к увеличению эффекта вакуумирования ламинарного подслоя.
2. Вода, направляемая в поддон для ее низкотемпературного охлаждения, всасывается и распыляется за счет значительного перепада давления - значительного вакуума внутри вращающегося поддона. Летящие капли воды мгновенно начинают охлаждаться, еще до их контакта с внутренней стенкой поддона, на которой образуется равномерный тонкий слой воды с кипящей открытой поверхностью.
3. В предварительных расчетах также не рассматривается процесс доохлаждения разбрызгиваемой воды, поступающей в кожух-сборник, которая вскипает на наружной поверхности поддона, постоянно увлажняемой каплями воды - вращающейся с большей окружной скоростью, чем открытая поверхность воды.
полн
ст
Для инициирования режима кипения воды при температуре ~7°С необходимо создать давление воздуха (статическое) над поверхностью воды равное таковому над наружной поверхностью поддона: Р=Р≈1000 Па
При этих условиях плотность воздуха р рассчитывают по формуле:
ст
3
ρ=Р M/(R⋅Т)=1000⋅0,029/(8,31⋅280)=0,012 кг/м
где: М - молярная масса, 0,029 кг/моль,
R - универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль⋅К; Н⋅м/моль⋅К,
Т - температура в пограничном слое воздуха, 280 К.
Расчетная окружная скорость наружной поверхности поддона (приравненная скорости заторможенного воздуха в баротропном процессе - Р/ρ=Const при Т=280 К)
Необходимая частота вращения поддона с водой составит:
пов
нар
-1
-1
n=V/(π⋅D)=408/(3,14⋅0,52)≈250 с≈15000 мин
Рассчитаем время охлаждения воды, находящейся в поддоне, на 10°С.
Масса вращающейся в поддоне воды:
w
вн
2
2
G=π⋅(D-d)L⋅ρ=3,14⋅(0,26-0,25)⋅1,0⋅1000≈31,5 кг
вн
где: D - внешний диаметр вращающегося слоя воды, 0,51 м
d - диаметр открытой поверхности вращающегося слоя воды, 0,50 м
Количество теплоты необходимое для охлаждения воды в поддоне на 10°С
w
Q=c⋅G⋅ΔT=1⋅31,5⋅10=315 кДж
где: с - теплоемкость воды, ≈1 кДж/кг⋅К
С учетом потерь теплоты на охлаждение окружающего воздуха, контактирующего с вращающимися поверхностями водоохладителя принимаем коэффициент запаса к=1,25.
к
Q=Q⋅1,25≈400 кДж
Масса воды, испаряемая для ее охлаждения
w
к
w
m=Q/r=400/2484≈0,16 кг
w
где: r - теплота парообразования воды при Т=280°С, 2484 кДж/кг (При этом толщина слоя испарившейся воды составит доли мм).
т
x
Количество теплоты Q, передаваемой кипящему приповерхностному слою воды от основной массы охлаждаемой воды (тепловой поток, поддерживающий режим кипения - режим охлаждения) или полная холодильная мощность Q охладителя воды:
т
x
w
кип
кип
Q=Q=S⋅q=(π⋅d⋅L)⋅q=1,57⋅8≈12,5 кВт
w
2
где: S=1,57 м - площадь открытой вращающейся поверхности воды
x
w
w
или Q=m⋅r/τ=0,16⋅2484/32≈12,5 кВт
кип
где: q - удельный тепловой поток при пузырьковом кипении воды,
2
при ΔТ=10°С, ≈8 кВт/м,
w
кип
τ=Q/(S⋅q)=400/(1,57⋅8)≈32 с - время испарения (кипения) - время охлаждения расчетной массы воды, находящейся в поддоне.
2
Полезная расчетная холодопроизводительность (нетто) составит около 12,5 кВт (достаточна для применения в бытовых, административных или офисных помещениях площадью до 100÷420 м).
Количество водяного пара испаряющегося с поверхностности воды - поступающего в приповерхностный воздушный объем поддона - затем выводимый из него по паровоздушным каналам в кожух-сборник (максимальная расчетная производительность устройства - увлажнителя):
w
w
w
*
G=m/τ=0,16/32≈0,005 кг/с (18 кг /ч); с учетом потерь G≈(10÷12) кг/ч
Техническим результатом изобретения является создание ОВН преимущественно для установок кондиционирования воздуха использующих системы рециркуляции воды в стационарных и транспортных объектах. Можно сказать, что предложена конструкция малогабаритной низкотемпературной вакуумной градирни.
Рассмотрим более подробно возможности вакуумирования приповерхностного слоя воздуха при переменной частоте вращения цилиндрического поддона - проанализируем дополнительные расчетные параметры воздушного потока, пограничного с наружной поверхностью вращающегося поддона, которые приведены в табл. 1.
Параметры воздушного потока пограничного с наружной поверхностью вращающегося поддона, инициирующие кипение воды (округленные значения)
В расчетах принимаем барометрическое давление воздуха Б=101300 Па.
нap
Указанная частота вращения поддона поддерживает в баротропном процессе расчетное статическое давление воздуха в пограничном с водой (заторможенном) подслое, приравненном давлению воздуха в подслое пограничном с наружной вращающейся цилиндрической поверхностью поддона, D=0,52 м.
Анализируя результаты расчетов, представленные в табл. 1 можно выделить три диапазона окружной скорости наружной поверхности поддона условно равной скорости контактирующего с ней приповерхностного воздушного потока:
ст
- 0÷100 м/с статическое давление в потоке воздуха практически равно барометрическому, Р≈100000 Па; температура кипения воды ≈100°С;
- 200÷300 м/с статическое давление в потоке воздуха уменьшается примерно на 25-50%; температура кипения воды понижается до 90÷80°С;
ст
- 310÷410 м/с статическое давление в потоке воздуха очень быстро уменьшается (примерно на порядок) до значения Р≈1000 Па; температура кипения воды стремительно понижается примерно с 70°С до 7°С.
Пограничный слой-подслой воздуха толщиной, измеряемой миллиметрами (или долями миллиметра) обладает способностью прилипания к контактной поверхности (скорость на поверхности нулевая), в нем преимущественно проявляются свойства ламинарного вязкого взаимодействия замедленно перемещающихся внутри более тонких квазимолекулярных слоев воздуха. Этот ламинарный подслой с противоположной стороны контактирует (граничит) также с тонким, называемым турбулентным подслоем воздуха, в котором лишь частично проявляются вязкостные и в большей степени хаотичные пульсирующие вихревые турбулентные свойства движущегося воздушного потока.
Если окружная скорость наружной поверхности вращающегося цилиндрического поддона по представленному расчету составляет, например, 400 м/с, то на внешней поверхности образовавшегося пограничного (заторможенного) слоя воздуха расчетная скорость составляет 99% (396 м/с) скорости поверхности поддона [Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. "Наука", М., 1974, 712 с.].
При этом в условно неподвижном относительно наружной поверхности поддона ламинарном подслое пониженное статическое давление воздуха будет определяться (рассчитываться) полным преобразованием пограничного межслойного динамического давления движущегося воздуха (полным его безударным торможением со скорости 400 м/с) в его статическое давление.
В турбулентном пограничном подслое генерируются процессы, способствующие вакуумированию воздуха, находящегося в ламинарном подслое. На расчетной границе ламинарного и турбулентного подслоев наблюдается наибольший градиент падения величины скорости (проскальзывания слоев) воздуха.
Примечание. Столь значимые скоростные изменения можно наблюдать на границе эжектирующей (всасывающей) струи, например, паро-эжектора, создающего значительный вакуум в камере смешения подключенной к испарителю холодильной машины.
Работоспособность струйных эжектирующих устройств (эжекторов, пульверизаторов, краскопультов, карбюраторов и т.д.) основана на известном законе Д. Бернулли - это утверждается во многих источниках популярной и технической литературы [Я.И. Перельман. Занимательная физика. Центрполиграф, 2017. - 256 с.].
Условную (расчетную) контактную границу между турбулентным и ламинарным подслоями воздуха с достаточной достоверностью можно отождествлять с наружной контактной границей высокоскоростной струи, образуемой в паровоздушном эжекторе.
Это предопределяет возможность эжектирования и удаления молекул воздуха из приповерхностного ламинарного подслоя (условно заменяющего очень малую камеру смешения эжектора которая объединена паровоздушными каналами с внутренним объемом поддона), т.е. давление воздуха в этом подслое будет понижаться, а молекулы воздуха и водяного пара будут перемещаться (отводиться, инжектироваться) в турбулентный подслой и далее в установившийся турбулентный воздушный поток в кожухе-сборнике.
В ламинарном подслое воздуха доля кинетической энергии - особенно приграничной (переходной) наиболее динамичной части турбулентного подслоя передается молекулам (газовым и паровым частицам) воздуха, подсасываемым и транспортируемым в турбулентный подслой.
По мере нарастания частоты вращения и окружной скорости наружной поверхности поддона и при ее достижении и затем превышении величины скорости звука в воздухе аэродинамические процессы в тонком приповерхностном слое принципиально изменяются. Ускоряющийся свехзвуковой воздушный поток будет расширятся (в дозвуковом диапазоне скоростей наблюдается обратный эффект сжатия линий тока при увеличении скорости воздуха). При расчетных окружных скоростях движения поверхности воды, способствующих возникновению режима ее кипения (400÷410 м/с) образуется "отсоединенный" от наружной поверхности поддона звуковой барьер в виде воображаемой коаксиально расположенной тонкой цилиндрической поверхности, разделяющий дозвуковую - отдаленную от поверхности и сверхзвуковую приповерхностную зоны с различающимися аэродинамическими свойствами. Причем размер сверхзвуковой зоны имеет величину соразмерную с толщиной, измеряемой миллиметрами (или долями миллиметров) пограничного ламинарно-турбулентного подслоя дозвукового воздушного потока, наблюдаемого при меньшей частоте вращения поддона.
Заметим, что, направляясь в турбулентный подслой образованная смесь молекул направляется в зону с более высоким статическим давлением воздуха близким к атмосферному (как и в паровоздушном эжекторе) за счет резкого падения (на порядок и более) кинетической энергии - торможения смеси молекул, изначально принадлежащих к смежным пограничным подслоям.
Дополнительное положительное влияние на рассматриваемый процесс оказывает возникающая при вращении цилиндрического поддона центробежная сила усиливающая перемещение молекул водяного пара за пределы поддона.
Дополним ОВН конструктивными усовершенствованиями, способствующими повышению его эффективности.
Снабдим цилиндрический поддон, дополнительным наружным коаксиально с ним зафиксированным круговым цилиндром с заглушенными торцевыми отверстиями, вращающийся с окружной скоростью наружной поверхности более 300 м/с, в стенке которого образованы выпускные отверстия, причем между поверхностями поддона и дополнительного цилиндра образована паровоздушная камера, фиг. 1. Или в наружной стенке дополнительного цилиндра образованы выпускные отверстия дополнительных участков паровоздушных каналов герметично состыкованных с каналами, образованными в стенке поддона. Дополнительные участки паровоздушных каналов могут быть полностью или частично расположены в стенке, например, толстостенного дополнительного цилиндра.
Указанные варианты конструктивных дополнений предлагаемого устройства позволяют организовать инициирование низкотемпературного кипения во вращающемся слое воды при меньшей частоте вращения поддона, обеспечив этим меньшее давление слоя воды на стенку поддона, а также при необходимости обеспечить движение приповерхностного контактного слоя вода-воздух или всего поддона при дозвуковых окружных скоростях. Сдвоенные цилиндры позволяют создавать объединенную наиболее оптимальную по прочности конструкцию поддона, вращающегося с большой частотой.
Создание на наружной цилиндрической поверхности поддона или дополнительного цилиндра перед выпускными отверстиями аэродинамических выступов, конфигурация которых обеспечивает их обтекание потоком воздуха под углом атаки до 5 градусов способствует образованию так называемой аэродинамической тени - зоны (вблизи выпускных отверстий) с дополнительно пониженным статическим давлением воздуха. Рациональная конфигурация выступов или их снабжение дополнительными аэродинамическими обтекателями под углом их установки до 5 градусов минимизирует возможные скачки уплотнения воздуха на их поверхности, предотвращает образование ударных скачков и в конечном итоге способствует понижению статического давления воздуха над поверхностью воды [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Изд. 5-е, перераб., Глав. ред. физ-мат. лит-ры изд. "Наука", М., 1978, 735 с.].
При изготовлении паровоздушных каналов подвижными, например, гибкими появляется возможность фиксации (или аэродинамической самофиксации) положения их входных отверстий относительно поверхности воды и расположения центров выходных отверстий, закрепленных в стенке поддона. Это позволяет оптимизировать толщину вращающегося слоя воды и организовывать наиболее эффективный отвод паров воды при ее интенсивном кипении, фиг. 2.
Для удаления с поверхности поддона, подвергающегося повышенным силовым нагрузкам специальных водовыпускных отверстий в стенках некоторых паровоздушных каналов, образовывают водовыпускные отверстия.
Паровоздушные каналы, проложенные в слое воды и зафиксированные относительно вращающегося поддона, дополнительно предотвращают (замедляют) проскальзывание приповерхностных контактирующих с воздухом слоев воды относительно более ее глубоких слоев. Такое расположение каналов способствует повышению относительной скорости между контактирующими средами (вода - воздух) и, следовательно, повышению интенсивности тепло-массообменных процессов между ними, являются дополнительными фактором инициирующим (формирующим) условия возникновения и поддержания процесса низкотемпературного пузырькового кипения в приповерхностном слое воды.
Предлагаемые варианты охладителя воды низкотемпературного отличаются экологической чистотой, простотой, компактностью конструкции и малым уровнем энергопотребления.
Предлагаемое устройство позволяет охлаждать воду до температур, которые наиболее часто достигают с применением традиционных фреоновых холодильных машин (чиллеров). В предлагаемом экологичном устройстве рабочим телом является вода.
Высокие сверхзвуковые скорости взаимодействия воды и воздуха, доведение воды до кипения многократно интенсифицируют процесс тепломассообмена при этом не происходит обычный для испарительных контактных аппаратов унос капельной влаги. Допускается применение загрязненной воды - с повышенным сухим остатком.
Изобретение позволяет организовать его эффективное применение при любой ориентации устройства в пространстве, например, в мобильных объектах.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется рисунками, на которых изображено:
Фиг. 1 Схематичное изображение варианта ОВН снабженного наружным коаксиально размещенным дополнительным цилиндром с заглушенными торцевыми отверстиями, в стенке которого образованы выпускные отверстия.
Фиг. 2. Схематическое изображение варианта ОВН снабженного гибкими паровоздушными каналами с аэродинамической самофиксацией их положения (поперечное сечение поддона).
При этом на обеих фигурах использованы следующие идентичные обозначения:
Поз. 1 - поддон, выполненный в виде тонкостенного цилиндра.
Поз. 2 - слой воды во вращающемся поддоне.
Поз. 3 - паровоздушные каналы.
Поз. 4 - паровоздушная камера.
Поз. 5 - отверстия для теплой воды, поступающей из полого вала привода.
Поз. 6 - кожух-сборник охлажденной воды и пара.
Поз. 7 - подшипник.
Поз. 8 - наружный дополнительный цилиндр с выпускными отверстиями.
Поз. 9 - патрубок для отведения охлажденной воды.
Поз. 10 - корпус (рама) охладителя воды низкотемпературного.
Поз. 11 - патрубок теплой воды (подвижно соединен с полым валом привода).
Поз. 12 - привод поддона.