Устройство для получения энергии фазового перехода вода-лед
DEVICE FOR PRODUCING ENERGY OF WATER-ICE PHASE TRANSITION

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использована в сельском хозяйстве, а именно на предприятиях агропромышленного комплекса и в системах тепловых аккумуляторов, а также для отопления промышленных и инфраструктурных объектов.
Известна система отопления жилого дома, содержащая расположенный в подвале дома бассейн, в котором находится система вода-лед-вода, тепловой насос, расположенный с возможностью охлаждения воздуха в воздушном слое, расположенном над верхним слоем воды, и нагревом воздуха в отапливаемом помещении (патент РФ №2412401, МПК F24D 15/04, опубл. 20.02.2011. Бюл. №5). Система содержит водяной насос, установленный с возможностью перекачивания воды из нижнего слоя в верхний слой, и вентилятор, установленный с возможностью откачивания воздуха через вытяжную трубу из указанного воздушного слоя в атмосферу вне дома, при этом указанный воздушный слой дополнительно сообщен с атмосферой.
Недостатками известной системы является высокая стоимость и сложность изготовления.
Известен генератор льда и способ генерирования льда, содержащий теплообменник, систему подвода исходной воды и средство удаления льда, замкнутый контур, который образован емкостью для размещения исходной воды и генерируемого льда, подающим трубопроводом, проточным насосом, теплообменником, клапаном и отводной трубой (патент РФ №2454616, МПК F25C 1/12, F25C 5/18, опубл. 27.06.2012. Бюл. №18).
Недостатками известного генератора является то, что оборудование позволяет получить лед, не используя энергию фазового перехода вода-лед, малой производительности, работает в периодическом режиме с высокими энергетическими затратами.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство генерирования льда, которое содержит эластичную мембрану, насос, насадку, воду, корпус, хладагент, слой воды и чешуек льда (патент РФ №2490567, МПК F25C 1/00, F25C 1/12, опубл. 20.08.2013. Бюл. №23). В устройстве на внешнюю поверхность эластичной мембраны насосом через насадку подают воду, которая равномерно орошает внешнюю поверхность мембраны. Мембрану устанавливают на корпус, куда периодически подают и удаляют хладагент. В результате теплообмена через мембрану между водой и хладагентом часть воды замерзает, и на поверхности мембраны образуются чешуйки льда.
Недостатками известного устройства является то, что оно работает в периодическом режиме с высокими энергетическими затратами, не используя энергию фазового перехода вода-лед.
Технической задачей предлагаемого изобретения является использование энергии фазового перехода вода-лед для отопления сельскохозяйственных объектов, на предприятиях агропромышленного комплекса и в системах тепловых аккумуляторов, а также для отопления промышленных и инфраструктурных объектов.
В результате использования изобретения появляется возможность получать энергию фазового перехода вода-лед и использовать ее для отопления сельскохозяйственных объектов, на предприятиях агропромышленного комплекса и в системах тепловых аккумуляторов, а также для отопления промышленных и инфраструктурных объектов, за счет того, устройство снабжено емкостью, хладагентом, испарителем, теплообменником, компрессором, конденсатором, дроссельным вентилем, солнечным коллектором, устройством для перемещения льда, циркуляционными насосами, позволяющими получать энергию фазового перехода вода-лед.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для получения энергии фазового перехода вода-лед, содержащее емкость, циркуляционный насос, согласно изобретению снабжено испарителем, теплообменником, компрессором, конденсатором, дроссельным вентилем, солнечным коллектором, устройством для перемещения льда, при этом емкость устройства разделена перегородками с теплоизоляционным материалом на три емкости, емкость для воды с теплообменником, емкость для антифриза с испарителем, и емкость для сбора и растапливания льда, которые соединены трубками с циркуляционными насосами для циркуляции антифриза из емкости для антифриза с испарителем в силиконовую трубку емкости для воды с теплообменником, для циркуляции водоледяной смеси из емкости для сбора и растапливания льда в емкость для воды с теплообменником, для циркуляции холодной водопроводной воды в емкость для сбора и растапливания льда, причем в емкости для антифриза с испарителем установлен блок для электрофизического воздействия, понижающий температуру замерзания антифриза, увеличивая количество получаемой энергии фазового перехода вода-лед, а испаритель выполнен в виде трубки змеевикового типа, а теплообменник выполнен в виде гибкой гофрированной силиконовой трубки змеевикового типа с металлической вставкой, на поверхности которой образуется лед, а внутри нее циркулирует антифриз для переноса энергии фазового перехода вода-лед к теплообменнику потребителя, для отделения льда от поверхности трубки предусмотрен пьезоэлектрический излучатель ультразвука, который при помощи устройства для перемещения льда перемещается в емкость для сбора и растапливания льда, в котором установлен нагреватель, соединенный с солнечным коллектором.
Для получения и использования энергии фазового перехода вода-лед в предлагаемом устройстве теплообменник выполнен в виде гибкой силиконовой трубки, в которой циркулирует антифриз, на поверхности которой образуется лед, который легко отделяется с поверхности силиконовой трубки воздействием на него пьезоэлектрического излучателя ультразвука. В качестве теплового источника для растапливания льда применяется нагреватель, связанный с солнечным коллектором.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства для получения энергии фазового перехода вода-лед.
Устройство для получения энергии фазового перехода вода-лед состоит из емкости 1, покрытой теплоизоляционным материалом для уменьшения теплообмена с окружающей средой. Емкость 1 разделена перегородками 2 и 3, также покрытыми теплоизоляционным материалом, на три емкости. Емкость 4 с теплообменником 5 заполнена водой. Емкость 6 с испарителем 7 заполнена антифризом. Емкость 8 является емкостью для сбора и растапливания образовавшегося льда и получения водоледяной смеси. Причем высота перегородки 2 не доходит до верхнего края емкости, высота перегородки 3 доходит до верхнего края емкости. Используемый антифриз может быть солевым раствором NaCl концентрацией 20%, но не ограничивается им.
При этом емкости 4 и 8 соединены трубкой с циркуляционным насосом 9 для перекачки водоледяной смеси из емкости 8 в емкость 4, которая образовалась при растапливании льда с помощью нагревателя 10, который соединен с солнечным коллектором 11.
В емкости 4 расположен теплообменник 5 змеевикового типа из силиконовой трубки, в которой циркулирует антифриз. Теплообменник 5 выполнен из гибкой гофрированной силиконовой трубки с металлической вставкой, которая расположена в виде змеевика. Теплообменник может быть изготовлен, в частности, из силиконовых каучуков, бутадиен-стирольных каучуков, поливинилхлорида, полиэтиленгликольацетата. Приведенные примеры не ограничивают перечень материалов, которые могут быть использованы в качестве теплообменника.
В емкость 8 непрерывно подается холодная водопроводная вода из емкости 12 при помощи циркуляционного насоса 13. Причем температура холодной воды в водопроводной сети в отопительный период равна 5°С; в неотопительный период - 15°С (Постановление Правительства РФ №306 от 23.05.2006 (редакция от 16.04.2013) «Об утверждении Правил установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг»).
Излишки водоледяной смеси из емкости 8 перекачиваются для потребителя, например, для охлаждения молока, или для охлаждения помещений сельскохозяйственных объектов (на чертеже не указано).
Лед, образовавшийся на поверхности силиконовой трубки теплообменника 5, легко отделяется при помощи пьезоэлектрического излучателя ультразвука 14, и отрывается от поверхности силиконовой трубки теплообменника 5. Так как плотность льда меньше плотности воды, лед поднимается вверх в емкости 4, при помощи устройства для перемещения льда 15 лед перемещается и вываливается в емкость 8. Устройство для перемещения льда 15 может быть представлено в виде вращающегося шнека, или другого устройства. Также для перемещения льда перегородка 2 может перемещаться в вертикальной плоскости.
Полученная энергия фазового перехода вода-лед накапливается внутри силиконовой трубки теплообменника 5 и в виде горячего антифриза температурой 65°С в виде жидкости направляется в теплообменник потребителя 16. Отработавший антифриз возвращается в емкость 6.
Емкость 6 и емкость 4 соединены трубкой с циркуляционным насосом 17 для перекачки антифриза из емкости 6 в силиконовую трубку теплообменника 5 емкости 4.
В емкости 6 расположен испаритель 7 змеевикового типа, в котором циркулирует хладагент. Используемый хладагент может быть фреон R410a, но не ограничивается им.
С наружной стороны емкости 1 со стороны емкости с антифризом 6 расположены компрессор 18, конденсатор 19, дроссельный вентиль 20.
В конденсаторе 19 тепло забирается и поступает к потребителю (на чертеже позиция не показана). В качестве потребителя может выступать, например, отопительная система помещения сельскохозяйственного объекта, а также промышленных и инфраструктурных объектов.
В емкости 6 установлен блок для электрофизического воздействия 21, который понижает температуру замерзания солевого раствора (антифриза), который затем поступает в силиконовую трубку теплообменника 5, для увеличения количества намораживаемого льда на ее поверхности и, тем самым, увеличивая количество получаемой энергии фазового перехода вода-лед.
Работает устройство для получения энергии фазового перехода вода-лед следующим образом.
При поступлении фреона в испаритель 7 емкости 6 происходит его испарение, в результате чего выделившееся тепло поглощается антифризом емкости 6. Компрессор 18 откачивает пары фреона из испарителя 7 емкости 6 и нагнетает их в конденсатор 19. В конденсаторе 19 пары фреона охлаждаются, конденсируются и переходят в жидкое состояние, при этом выделившееся тепло забирается и поступает к потребителю (позиция на чертеже не показана). В качестве потребителя может выступать, например, отопительная система помещения сельскохозяйственного объекта, а также промышленных и инфраструктурных объектов.
Далее жидкий фреон через дроссельный вентиль 20 подается в испаритель 7 емкости 6. На входе фреона в испаритель 7 емкости 6 его давление падает с давления конденсации до давления кипения фреона, происходит вскипание фреона, поступая в трубку испарителя 7 фреон кипит, энергия, необходимая для кипения, в виде тепловой энергии, забирается от поверхности испарителя 7, охлаждая змеевиковую трубку испарителя 7. Цикл циркуляции фреона замыкается.
Охлажденный антифриз температурой -20°С из емкости 6 перекачивается в силиконовую трубку 5 емкости 4 циркуляционным насосом 17, которая заполнена водой. Емкости 6 и 4 полностью перекрыты перегородкой 3.
В емкости 4 с водой расположен теплообменник 5 змеевикового типа из силиконовой трубки, в которой циркулирует антифриз. При поступлении охлажденного антифриза в теплообменник 5 емкости 4 на поверхности силиконовой трубки в результате понижения температуры происходит образование льда. При этом за счет образования энергии фазового перехода вода-лед одновременно происходит выделение теплоты, которая поглощается антифризом теплообменника 5 емкости 4, жидкий антифриз нагревается до температуры 65°С и переносится к теплообменнику потребителя 16. Отработавший антифриз в виде жидкости подается в емкость 6. Цикл циркуляции антифриза замыкается.
В качестве потребителя 16 может выступать отопительная система помещения сельскохозяйственного объекта, а также промышленных и инфраструктурных объектов.
На поверхности силиконовой трубки теплообменника 5 емкости 4 образуется лед, толщина которого не должна превышать 3,5 см, который легко отделяется при помощи пьезоэлектрического излучателя ультразвука 14. В результате того, что силиконовая трубка теплообменника 5 емкости 4 является эластичной, образовавшийся лед отрывается от поверхности силиконовой трубки. Так как плотность льда меньше плотности воды, лед поднимается вверх в емкости 4, при помощи устройства для перемещения льда 15 лед перемещается, и через перегородку 2 вываливается в емкость 8. Уровень воды в емкости 4 поддерживается поступлением растопленной воды (водоледяной смеси) из емкости 8 циркуляционным насосом 9, и подачей холодной водопроводной воды в емкость 8 из емкости 12 при помощи циркуляционного насоса 13. Излишки водоледяной смеси из емкости 8 могут быть также использованы для охлаждения, например, молока, или для охлаждения помещений сельскохозяйственных объектов (на чертеже не указано).
В емкости 8 установлен нагревательный элемент 10, который соединен с солнечным коллектором 11. В результате нагревания лед растапливается, переходит в жидкое состояние (температурой 0-1°С), и перекачивается из емкости 8 в емкость 4 при помощи циркуляционного насоса 9. В емкость 4 непрерывно подается холодная водопроводная вода из емкости 12 циркуляционным насосом 13. Цикл циркуляции воды замыкается.
В емкости 6 установлен блок для электрофизического воздействия 21, который понижает температуру замерзания солевого раствора (антифриза), который затем поступает в силиконовую трубку теплообменника 5, для увеличения количества намораживаемого льда на ее поверхности и, тем самым, увеличивая количество получаемой энергии фазового перехода вода-лед.
В качество блока для электрофизического воздействия 21 может применяться сверхвысокочастотный генератор (частота магнетрона 2450 МГц, номинальная мощность - 800 Вт, продолжительность 120 с., объем раствора 50 мл), который понижает температуру замерзания эвтектического раствора концентрацией 23,1% с -21,2 до -25°С, а раствора концентрацией 20% - с -16,6 до -18,5°С. Также в качество блока для электрофизического воздействия 21 может применяться электрогидравлическая установка (напряженность 35 кВ, электрическая емкость 0,2 мкФ, расстояние воздушного зазора 10 мм, между электродами 10 мм, форма электродов «острие-плоскость», 1000 разрядов, объем 2,5 л), при электрогидравлическом воздействии на 20% раствор наблюдается понижение температуры замерзания с -16,6 до -19°С.
2
Удельное тепловыделение при фазовом переходе вода-лед: λ=306 кДж/л=0,085 кВт⋅ч/л. Для отопления дома 100 м требуется мощность 12,76 кВт. В сутки: 12,76⋅24=306,24 кВт⋅ч. Для этого в одном цикле замерзания необходимо: 306,24 (кВт⋅ч)/0,085 (кВт⋅ч/л)=3602,8 л льда. Объем выработки льда устройства для получения энергии фазового перехода вода-лед составит 150,1 л льда/ч.
При замораживании 10,75 кг воды выделяется 1 кВт⋅ч энергии. В одном цикле замерзания в сутки необходимо 10,75⋅306,24=3292,08 кг воды.
Разработанное техническое решение может быть использовано для создания тепловых насосов, использующих энергию фазового перехода вода-лед, для отопления сельскохозяйственных объектов, а также для получения водоледяной смеси для охлаждения продуктов в сельскохозяйственном производстве.