УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ПОСРЕДСТВОМ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОДЫ
COOLING DEVICE FOR COOLING FLUID MEDIUM BY MEANS OF SURFACE WATER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее раскрытие относится к устройству охлаждения, которое приспособлено для предотвращения биологического обрастания, обычно называемому противообрастающим. Раскрытие, в частности, относится к морским  коробчатым охладителям, препятствующим биологическому обрастанию.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Биообрастание или биологическое обрастание является скоплением на поверхности микроорганизмов, растений, водорослей и/или животных. Разновидности среди организмов, встречающихся в биологическом обрастании являются весьма разнообразными и простираются далеко за пределы прикрепления ракушек и морских водорослей. По некоторым оценкам, более 1800 видов, включающих свыше 4000 организмов, ответственны за биологическое обрастание. Биологическое обрастание подразделяется на микрообрастание, которое включает в себя образование биопленки и бактериальное прилипание, и макрообрастание, которое является присоединением более крупных организмов. Из-за химических и биологических различий, которые определяют, что предотвращает их оседание, организмы также классифицируются как твердые или мягкие типы обрастания. Известковые (твердые) организмы обрастания включают в себя ракушки, покрывающие коркой мшанки, моллюски, полихеты и другие трубчатые черви, а также полосатые мидии. Примерами неизвестковых (мягких) организмов обрастания являются морские водоросли, гидроидные полипы, водоросли и биопленка «слизи». Вместе эти организмы образуют сообщество обрастания.
В некоторых случаях биологическое обрастание создает существенные проблемы. Машины перестают работать, входные отверстия для воды забиваются, а теплообменники страдают от снижения производительности. Следовательно, тема противообрастания, то есть процесса удаления или предотвращения образования биологического обрастания, хорошо известна. В промышленных процессах биологические диспергирующие агенты могут использоваться для борьбы с биологическим обрастанием. В менее контролируемых средах организмы погибают или отталкиваются покрытиями, использующими биоциды, термические обработки или импульсы энергии. Нетоксичные механические стратегии, которые препятствуют прикреплению организмов, включают в себя выбор материала или покрытия со скользкой поверхностью, или создание наноразмерных поверхностных топологий, аналогичных коже акул и дельфинов, которые только представляют плохие места прикрепления.
В данной области известны противообрастающие устройства для устройств охлаждения, которые охлаждают текучую среду двигателя судна посредством морской воды. Патент DE102008029464 относится к морскому бокс кулеру, содержащему противообрастающую систему посредством регулярно повторяемого перегрева. Горячая вода отдельно подается в трубопроводы теплообменника, с тем, чтобы минимизировать распространение обрастания на трубопроводы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Биологическое обрастание на внутренней стороне коробчатых охладителей вызывает серьезные проблемы. Основная проблема заключается в пониженной способности к теплоотдаче, поскольку толстые слои биологического обрастания являются эффективными теплоизоляторами. В результате судовые двигатели должны работать на гораздо меньшей скорости, замедляя движение самого судна, или даже полностью останавливаясь из-за перегрева.
Существует множество организмов, которые способствуют биологическому обрастанию. Они включают в себя очень маленькие организмы, такие как бактерии и водоросли, но также очень крупные, такие как ракообразные. Здесь играют роль окружающая среда, температура воды и цель системы. Окружающая среда коробчатого охладителя идеально подходит для биологического обрастания: охлаждаемая текучая среда нагревается до средней температуры, а постоянный поток воды приносит питательные вещества и новые организмы.
Соответственно, способы и устройства необходимы для противодействия обрастанию. Однако системы по предшествующему уровню техники могут быть неэффективными при их использовании, требуют регулярного технического обслуживания и в большинстве случаев приводят к выбросу ионов в морскую воду с возможными опасными последствиями.
Следовательно, одним аспектом изобретения является создание устройства охлаждения для охлаждения судовых двигателей с альтернативной системой противообрастания согласно прилагаемым независимым пунктам формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения определяют предпочтительные варианты осуществления.
При этом подход представлен на основе оптических методов, в частности, с использованием ультрафиолетового (УФ) света. Оказывается, большинство микроорганизмов погибают, становятся неактивными или неспособными к размножению при «достаточном» УФ свете. Этот эффект, главным образом, регулируется суммарной дозой УФ света. Типичная доза для уничтожения 90% определенного микроорганизма составляет 10 мВт/ч на квадратный метр.
Устройство охлаждения для охлаждения судовых двигателей подходит для размещения в закрытом боксе, который образован корпусом судна и разделительными перегородками. Входные и выходные отверстия предусмотрены на корпусе судна, чтобы морская вода могла свободно входить в объем бокса, обтекать устройство охлаждения и выходить посредством естественного потока. Устройство охлаждения содержит связку трубопроводов, через которые может проводиться текучая среда, которая должна быть охлаждена и, по меньшей мере, один источник света для генерирования света, препятствующего биологическому обрастанию. Устройство охлаждения по настоящему изобретению дополнительно имеет, по меньшей мере, один оптический узел для улучшения распределения света, препятствующего биологическому обрастанию, на погруженной внешней стороне.
Источником света может быть лампа, имеющая трубчатую структуру в варианте осуществления устройства охлаждения. Для этих источников света, как довольно больших, весь свет от одного источника сосредоточен в близлежащей области. Соответственно, можно достичь желаемого уровня противообрастания с ограниченным количеством источников света, что делает решение весьма экономичным.
Наиболее эффективным источником для генерации ультрафиолетовых лучей спектра С является ртутная газоразрядная лампа низкого давления, где в среднем 35% входных ватт преобразуется в ватты ультрафиолетовых лучей спектра С. Излучение генерируется почти исключительно при 254 нм, а именно, при 85% максимального бактерицидного эффекта (фиг.3). Трубчатые флюоресцентные ультрафиолетовые лампы (TUV) низкого давления фирмы Philips имеют огибающее специальное стекло, которое отфильтровывает озонобразующее излучение, в данном случае ртутную линию с длиной волны 185 нм.
Для различных бактерицидных TUV ламп Philips электрические и механические свойства являются идентичными их эквивалентам освещения для видимого света. Это позволяет им работать таким же образом, то есть с использованием схемы электронного или магнитного балласта/стартера. Как и во всех лампах низкого давления, существует зависимость между рабочей температурой лампы и выходной мощностью. В лампах низкого давления резонансная линия при 254 нм является наиболее сильной при определенном давлении ртутных паров в газоразрядной трубке. Это давление определяется рабочей температурой и оптимизируется при температуре стенки трубки 40°C, соответствующей температуре окружающей среды около 25°C. Следует также учитывать, что на выходную мощность лампы влияют воздушные потоки (принудительные или естественные) через лампу, так называемый охлаждающий фактор. Читатель должен отметить, что для некоторых ламп, увеличение потока воздуха и/или снижение температуры может увеличить бактерицидную выходную мощность. Это встречается в лампах с высокой выходной мощностью (HO), а именно: лампах с более высокой мощностью в ваттах, чем обычно, для их линейного размера.
Вторым типом источника ультрафиолетового излучения является ртутная лампа среднего давления, здесь более высокое давление возбуждает больше уровней энергии, создавая больше спектральных линий и непрерывное излучение (рекомбинированное излучение). Следует отметить, что кварцевая оболочка пропускает менее 240 нм, поэтому озон может образовываться из воздуха. Преимуществами источников среднего давления являются:
- высокая удельная мощность;
- высокая мощность, получаемая меньшим количеством ламп, чем типами низкого давления, используемыми в том же самом применении; и
- меньшая чувствительность к температуре окружающей среды.
Лампы должны эксплуатироваться таким образом, чтобы температура стенки находилась между 600°C и 900°C, а пинч не превышал 350°C. Эти лампы могут быть затемнены, как и лампы низкого давления.
Кроме того, могут быть использованы лампы с диэлектрическим барьерным разрядом (DBD). Эти лампы могут обеспечить очень мощный ультрафиолетовый свет при различных длинах волн и при высокой электрически-оптической отдачи мощности.
Необходимые бактерицидные дозы также могут быть легко достигнуты существующими недорогими ультрафиолетовыми СИДами малой мощности. СИДы, как правило, могут быть включены в относительно небольшие пакеты и потреблять меньше энергии, чем другие типы источников света. СИДы могут быть изготовлены так, чтобы излучать (УФ) свет различных требуемых длин волн, и их рабочие параметры, прежде всего, выходная мощность, можно контролировать в высокой степени.
В варианте осуществления устройства охлаждения согласно изобретению, упомянутый оптический узел, по меньшей мере, частично продолжается в направлении между трубопроводами. Соответственно, обеспечивается равномерное и эффективное распределение света, препятствующего биологическому обрастанию, по всей поверхности внешней стороне трубопроводов.
В варианте осуществления устройства охлаждения в соответствии с изобретением, оптический узел содержит, по меньшей мере, одну оптическую среду, через которую проходит свет, генерируемый источником света. Оптическая среда передает свет, генерируемый источником света, к областям внешней стороны трубопроводов, которых не может достигнуть свет, препятствующий биологическому обрастанию, и, следовательно, обрастание в этих областях также предотвращается.
В варианте осуществления настоящего изобретения, оптическая среда содержит пространства, например, каналы, заполненные газом и/или прозрачной водой, для направления, по меньшей мере, части света, препятствующего биологическому обрастанию, через них. В частности, оптическая среда может быть, по меньшей мере, частично полой и быть заполненной газом и/или прозрачной водой.
В варианте осуществления устройства охлаждения согласно изобретению, оптическая среда представляет собой рассеиватель света, расположенный перед источником света для рассеивания, по меньшей мере, части света, препятствующего биологическому обрастанию, излучаемого источником света в направлении, имеющем компонент, по существу, параллельный внешней стороне трубопровода. Оптическая среда расположена перед, по меньшей мере, одним источником света для рассеивания, по меньшей мере, части света, препятствующего биологическому обрастанию, излучаемого, по меньшей мере, одним источником света в направлении, имеющем компонент, по существу параллельный внешней стороне трубопровода. Примером рассеивателя света может быть «противоположный» конус, размещенный в оптической среде и расположенный напротив, по меньшей мере, одного источника света, причем противоположный конус имеет площадь поверхности с углом 45°, перпендикулярным к внешней стороне трубопровода для отражения света, излучаемого источником света, перпендикулярно к упомянутой поверхности в направлении, по существу, параллельном к упомянутой поверхности.
В варианте осуществления устройства охлаждения согласно изобретению, оптическая среда является световодом. В предпочтительном варианте упомянутого варианта осуществления, оптическая среда расположена перед, по меньшей мере, одним источником света, причем световод имеет световую поверхность введения для введения света, препятствующего биологическому обрастанию, от, по меньшей мере, одного источника света и световую поверхность выведения для выведения света, препятствующего биологическому обрастанию, в направлении к внешней стороне трубопровода. Другими словами, определенные участки оптической среды преднамеренно расположены с тем, чтобы пропускать свет в направлении к внешней стороне трубопровода.
Оптическая среда в вышеописанном варианте осуществления, распространяет свет на значительную часть внешней стороны трубопровода и содержит кремнийорганический материал и/или кремнеземный материал УФ класса, в частности, кварц. Кремнезем УФ класса имеет очень низкое поглощение УФ света и поэтому очень хорошо подходит в качестве материала оптической среды. Относительно крупные объекты могут быть изготовлены путем использования множества относительно небольших кусков или частей кремнезема УФ класса совместно, и/или так называемого «плавленого кварца», сохраняя при этом свойства пропускания УФ также для более крупного объекта. Участки кремнезема, внедренные в кремнийорганический материал, защищают кремнеземный материал. В такой комбинации участки кремнезема могут обеспечивать УФ прозрачные рассеиватели в иной оптической среде кремнийорганического материала для (повторного) распределения света через оптическую среду и/или для облегчения выведения света от световода. Кроме того, частицы кремнезема и/или частицы другого твердого, УФ прозрачного материала могут укреплять кремнийорганический материал. В частности, чешуйчатые частицы кремнезема могут быть использованы также при высокой плотности, до 50%, 70% или даже более высокие проценты кремнезема в кремнийорганическом материале могут обеспечить сильный слой, который может противостоять ударам. Считается, что, по меньшей мере, часть оптической среды или световода может быть снабжена пространственно изменяющейся плотностью частиц кремнезема УФ класса, в частности, чешуйками, по меньшей мере, частично внедренными в кремнийорганический материал, например, для изменения оптических и/или структурных свойств. Здесь «чешуйки» обозначают объекты, имеющие размеры в трех декартовых направлениях, причем два из трех размеров могут взаимно отличаться, каждый из них значительно больше, например, кратно 10, 20 или значительно больше, например, кратно 100, чем третий размер.
В варианте осуществления настоящего изобретения, световод содержит светопроводящий материал, имеющий показатель преломления выше, чем показатель преломления жидкой среды, так что, по меньшей мере, часть света, препятствующего биологическому обрастанию, распространяется через световод посредством полного внутреннего отражения в направлении, по существу, параллельном внешней стороне трубопровода перед тем, как выйти на поверхность выведения. Некоторый вариант осуществления может содержать оптическую среду, которая объединяет рассеиватель света и световод, или интегрированные характеристики рассеяния света со световодными характеристиками в оптической среде.
По меньшей мере, один источник света и/или оптическая среда могут быть, по меньшей мере, частично расположены в, на и/или вблизи внешней стороны трубопровода с тем, чтобы излучать свет, препятствующий биологическому обрастанию, в направлении от внешней стороны трубопровода. Источник света приспособлен для того, чтобы, предпочтительно, излучать свет,  препятствующий биологическому обрастанию, тогда как внешняя сторона трубопровода, по меньшей мере, частично погружена в жидкую среду.
В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения, оптическая среда изготавливается либо из стекла, стекловолокна, силиконов, либо из прозрачных пластиков, таких как полиметилметакрилат.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, оптическая среда выполнена в виде стержня или волокна, продолжающегося от источника света к трубопроводам так, что, по меньшей мере, часть оптической среды находится между двумя смежными трубопроводами.
В варианте осуществления настоящего изобретения, оптический узел выполнен в виде дросселя, который ограничивает распространение световых волн за пределы и отражает свет в направлении внешней стороны трубопровода, при этом источник света препятствует обрастанию.
В варианте осуществления устройства охлаждения, трубопроводы, по меньшей мере, частично покрыты необрастающим светоотражающим покрытием. Соответственно, свет, препятствующий биологическому обрастанию, будет отражаться диффузным способом, и, следовательно, свет более эффективно распределяется по трубопроводам.
Изобретение также предусматривает судно, содержащее устройство охлаждения для охлаждения судовых двигателей, как описано выше. В таком варианте осуществления внутренние поверхности бокса, в котором размещен узел охлаждения, могут, по меньшей мере, частично покрываться необрастающим светоотражающим покрытием. Аналогично вышеописанному варианту осуществления, в результате этого конкретного варианта осуществления, свет, препятствующий биологическому обрастанию, будет отражаться диффузным способом, и, следовательно, свет распределяется более эффективно по трубопроводам.
Преимущество предлагаемых в настоящее время решений состоит в том, что микроорганизмы не погибают после того, как они сцепляются и укореняются на поверхности обрастания, как это имеет место для известных отравляющих рассеивающих покрытий, а в том, что укоренение микроорганизмов на поверхности обрастания предотвращается. Более эффективным является активно убивать микроорганизм непосредственно прямо перед или сразу после контакта с поверхностью обрастания, по сравнению с обработкой светом для удаления существующего обрастания крупными структурами микроорганизмов. Эффект может быть подобен эффекту, создаваемому посредством использования нано-поверхностей, которые являются настолько гладкими, что микроорганизм не может прилипнуть к ним.
Из-за низкого количества световой энергии, необходимой для уничтожения микроорганизма на начальном этапе укоренения, система может эксплуатироваться для непрерывного обеспечения света, препятствующего биологическому обрастанию, на большой поверхности без экстремальных требований к мощности.
Термин «по существу» в данном документе будет понятен специалистом в данной области техники. Термин "по существу" может также включать в себя варианты осуществления, с "всецело", "полностью", "все", и т.д. Таким образом, в вариантах осуществления прилагательное по существу может также быть удалено. Там, где это применимо, термин "по существу" может также относиться к 90% или более, например, 95% или более, особенно 99% или более, даже более особенно 99,5% или более, включая 100%. Термин "содержать" включает также варианты осуществления, в которых термин "содержит" означает "состоит из". Термин "содержащий", может в варианте осуществления относиться к "состоящий из", но, возможно, в другом варианте осуществления также относиться к "содержащий, по меньшей мере, определенные виды и необязательно один или несколько других видов".
Должно быть понятным, что термины используемых таким образом являются взаимозаменяемыми согласно соответствующим обстоятельствам и что варианты осуществления изобретения, описанные в материалах настоящей заявки являются допускающими действие в других последовательностях, чем описано или проиллюстрировано в материалах настоящей заявки.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления скорее иллюстрируют, чем ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники будут способны сконструировать многочисленные альтернативные варианты осуществления, не выходя из объема прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения любые ссылочные позиции, помещенные между круглыми скобками, не должны истолковываться в качестве ограничивающих формулу изобретения. Использование единственного числа при описании элемента не исключает наличия множества таких элементов. То обстоятельство, что определенные критерии перечислены во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не служит признаком того, что сочетание этих критериев не может быть использовано с выгодой.
Изобретение дополнительно относится к устройству, содержащему один или несколько отличительных признаков, описанных в описании и или представленных на прилагаемых чертежах.
Различные аспекты, описанные в этом патенте, могут быть объединены для того, чтобы обеспечить дополнительные преимущества. Кроме того, некоторые из признаков могут служить основой для одной или нескольких выделенных заявок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления изобретения будут теперь описаны посредством только примера со ссылками на прилагаемые схематичные чертежи, на которых соответствующие ссылочные позиции обозначают соответствующие части, и на которых:
Фиг.1 представляет собой схематичное представление варианта осуществления устройства охлаждения;
Фиг.2 представляет собой схематичный вид горизонтального сечения варианта осуществления устройства охлаждения;
Фиг.3 представляет собой схематичный вид вертикального сечения варианта осуществления устройства охлаждения.
Чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Хотя изобретение было проиллюстрировано и описано в деталях на чертежах и описано в вышеприведенном описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; раскрытие не ограничено раскрытыми вариантами осуществления.
Дополнительно следует отметить, что чертежи являются схематическими, необязательно в масштабе, и что детали, которые не требуются для понимания настоящего изобретения, возможно, были опущены. Термины «внутренний», «внешний», «вдоль» и т.п. относятся к вариантам осуществления, ориентированным на чертежах, если не указано иное. Дополнительно, элементы, которые, по меньшей мере, по существу, идентичны, или которые выполняют, по меньшей мере, по существу, идентичную функцию, обозначены одной и той же ссылочной позицией.
Фиг.1 представляет в качестве базового варианта осуществления схематичный вид устройства (1) охлаждения для охлаждения судового двигателя, размещенного в закрытом боксе, образованном корпусом (3) судна и разделительными перегородками (4, 5) так, что входные и выходные отверстия (6, 7) предусмотрены на корпусе судна так, что морская вода может свободно входить в объем бокса, обтекать устройство охлаждения и выходить посредством естественного потока, содержащего связку труб (8), через которые охлаждаемая текучая среда может быть проведена, по меньшей мере, один источник (9) света для генерирования света, препятствующего биологическому обрастанию, расположенный на трубопроводах (8) для излучения света, препятствующего биологическому обрастанию, на трубопроводы (8). Горячая текучая среда поступает в трубопроводы (8) сверху и проходит полностью от начала до конца и снова выходит, теперь охлажденная, с верхней стороны. Между тем, морская вода входит в бокс от входных отверстий (6), течет поверх трубопроводов (8) и получает тепло от трубопроводов (8) и, следовательно, текучей среды, проходящей внутри. Принимая тепло от трубопроводов (8), морская вода нагревается и поднимается. Затем морская вода выходит из бокса из выходных отверстий (7), которые расположены в более высокой точке на корпусе (3) судна. Во время этого процесса охлаждения любые биологические организмы, существующие в морской воде, имеют тенденцию прикрепляться к трубопроводам (8), которые являются теплыми, и обеспечивают подходящую среду для проживания организмов, явления, известного как обрастание. Чтобы избежать такого прикрепления, по меньшей мере, один источник (9) света расположен на трубопроводах (8) и, по меньшей мере, один оптический узел (2) расположен рядом с источником (9) света для направления света, препятствующего биологическому обрастанию, к погруженной внешней стороне трубопроводов (8). Как иллюстрировано на фиг.1, одна или несколько трубчатых ламп могут быть использованы в качестве источника (9) света для реализации цели изобретения.
Фиг.2 показывает устройство (1) охлаждения, в котором оптический узел (2) содержит множество оптических сред (10), через которые проходит свет, генерируемый источником (9) света, и в которых упомянутые оптические узлы (2), по меньшей мере, частично лежат между двумя смежными трубопроводами (8). В этом варианте оптическая среда (10) является световодом. В этом варианте осуществления оптическая среда (10) выполнена в виде стержня с ветвями, продолжающимися от источника (9) света к трубопроводам (8).
Фиг.3 представляет вариант осуществления, в котором источники (9) света, расположенные на внутренней стороны связки (8) трубопровода, снабжены оптическими средами (10), которые выполнены в виде световодов, в то время как источники (9) света, расположенные на внешней стороне связки (8) трубопровода, снабжены рассеивателем света между источником (9) света и трубопроводом (8), для рассеивания, по меньшей мере, части света, препятствующего биологическому обрастанию, излучаемого источником (9) света, в одном или нескольких направлениях, имеющих компонент, по существу перпендикулярный внешней стороне трубопровода (8). В этом варианте осуществления, устройство (1) охлаждения дополнительно снабжено отражателями (11), которые ограничивают распространение световых волн от источника света и отражают его по направлению к внешней стороне трубопровода (8) на которой источник (9) света препятствует обрастанию.
Элементы и аспекты, обсуждаемые для или в отношении конкретного варианта осуществления, могут быть соответствующим образом объединены с элементами и аспектами других вариантов осуществления, если явно не указано иное. Изобретение было описано, обращаясь к предпочтительным вариантам осуществления. Модификации и изменения могут приходить некоторым на ум после прочтения и осмысления предшествующего подробного описания. Предполагается, что изобретение будет истолковываться в качестве включающего в себя все такие модификации и изменения, постольку поскольку они подпадают под прилагаемую формулу изобретения или ее эквиваленты. Поскольку обрастание может также происходить в реках или озерах, изобретение, в целом, применимо для охлаждения посредством любого вида поверхностной воды.