Теплообменник для получения энергии фазового перехода вода-лед

Полезная модель 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 F 24 D 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 F 25 C 1/12, F 25 C 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 предлагаемой полезной модели является устройство генерирования льда, которое содержит эластичную мембрану, насос, насадку, воду, корпус, хладагент, слой воды и чешуек льда (патент РФ № 2490567, МПКF25C 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 предлагаемой полезной модели 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 полезной модели 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, теплообменник снабжен испарителем, компрессором, конденсатором, дроссельным вентилем, солнечным коллектором, позволяющими получать энергию фазового перехода вода-лед.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый теплообменник для получения энергии фазового перехода вода-лед, содержащий емкость, насос, согласно полезной модели, снабжен испарителем, компрессором, конденсатором, дроссельным вентилем, образующим замкнутый контур, и солнечным коллектором, при этом испаритель выполнен в виде силиконовой трубки, расположенной в виде змеевика, на поверхности которой образуется лед, а внутри нее циркулирует хладагент для переноса энергии фазового перехода вода-лед, причем емкость разделена перегородкой с изоляционным материалом, высота которой не доходит до верхнего края емкости, на две емкости, емкость для воды с испарителем и емкость для сбора и растапливания льда, которые соединены трубкой с насосом для перекачки воды из емкости для сбора и растапливания льда в емкость для воды с испарителем, причем в емкости для сбора и растапливания льда установлен нагреватель, соединенный с солнечным коллектором, а компрессор, конденсатор, дроссельный вентиль расположены со стороны емкости для воды с испарителем, при этом компрессор имеет возможность откачивать пары фреона из испарителя и нагнетать их в конденсатор для их охлаждения с дальнейшим поступлением жидкого фреона через дроссельный вентиль в испаритель.
Для получения и использования энергии фазового перехода вода-лед в предлагаемом теплообменнике испаритель выполнен в виде гибкой силиконовой трубки, в которой циркулирует фреон (хладагент), на поверхности которой образуется лед, который легко отделяется с поверхности силиконовой трубки. В качестве теплового источника для растапливания льда применяется нагреватель, связанный с солнечным коллектором.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена общая схема теплообменника для получения энергии фазового перехода вода-лед.
Теплообменник для получения энергии фазового перехода вода-лед состоит из емкости 1, покрытой изоляционным материалом для уменьшения теплообмена с окружающей средой. Емкость 1 разделена перегородкой 2, также покрытой изоляционным материалом, на две емкости. Одна емкость для воды 3 заполнена водой, а другая емкость 4 является емкостью для сбора образовавшегося льда и его растапливании. При этом две емкости соединены трубкой с насосом 5 для перекачки воды из емкости 4 в емкость 3, которая образовалась при растапливании льда, с помощью нагревателя 6, который соединен с солнечным коллектором 7. В емкости 3 расположен испаритель 8 змеевикового типа из силиконовой трубки, в которой циркулирует хладагент (фреон). Используемый фреон может быть R410a, но не ограничивается им.
С наружной стороны теплообменника со стороны емкости с водой 3 с испарителем 8 расположены компрессор 9, конденсатор 10, дроссельный вентиль 11, образующими замкнутый контур. В конденсаторе 10 тепло забирается и поступает к потребителю 12 при помощи циркуляционного насоса 5.
Работает теплообменник для получения энергии фазового перехода вода-лед следующим образом.
При поступлении фреона в испаритель 8 происходит его испарение, в результате чего тепло поглощается, и температура силиконовых трубок с фреоном понижается. Испаритель выполнен в виде силиконовой трубки с металлической вставкой, которая расположена в виде змеевика.
Компрессор 9 откачивает пары фреона из испарителя 8 и нагнетает их в конденсатор 10. В конденсаторе 10 пары фреона охлаждаются и конденсируются. Далее жидкий фреон через дроссельный вентиль 11 попадает в испаритель 8. На входе фреона в испаритель 8, давление падает от давления конденсации до давления кипения. При этом происходит вскипание фреона, поступая в трубку испарителя 8 фреон кипит, энергия, необходимая для кипения в виде тепловой, забирается от поверхности испарителя 8, охлаждая силиконовую трубку, на поверхности которой образуется лед. Пройдя через испаритель 8, жидкий фреон превращается в пар, который откачивается компрессором 9. Цикл циркуляции фреона замыкается.
В конденсаторе 10 тепло забирается и поступает к потребителю 12. На испарителе 8 в результате понижения температуры происходит образование льда. При этом происходит выделение теплоты за счет энергии фазового перехода вода-лед, которая поглощается фреоном и переносится компрессором 9 к конденсатору 10, далее - к потребителю 12. В качестве потребителя 12 может выступать, например, отопительная система помещения сельскохозяйственного объекта, а также промышленных и инфраструктурных объектов.
На поверхности силиконовой трубки 8 образуется лед, толщина которого не должна превышать 3,5 см. В результате того, что силиконовая трубка 8 является эластичной, образовавшийся лед отрывается от поверхности. Так как плотность льда меньше плотности воды, лед поднимается вверх в емкости 3 и вываливается в емкость 4.
о
В емкости 4 установлен нагревательный элемент 6, который соединен с солнечным коллектором 7. В результате нагревания лед растапливается, переходит в жидкое состояние (температурой около 1С), и перекачивается насосом 5 из емкости 4 в емкость 3. Цикл циркуляции воды замыкается.
Холодная вода из емкости 4 может быть использована для охлаждения, например, молока, или для охлаждения помещений сельскохозяйственных объектов (на схеме не указано).
Удельное тепловыделение при фазовом переходе вода-лед:
λ=306⋅кДж/л=0,085 кВт⋅ч/л.
2
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 теплообменника с использованием 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.