Устройство для получения энергии фазового перехода вода-лед с термоэлектрическим модулем
DEVICE FOR OBTAINING ENERGY OF WATER-ICE PHASE TRANSITION WITH THERMOELECTRIC MODULE

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано 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 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, испарителем, теплообменниками, 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 с термоэлектрическим модулем, содержащее емкость, циркуляционные насосы, согласно изобретению снабжено испарителем, теплообменниками, компрессором, конденсатором, дроссельным вентилем, солнечным коллектором, устройством для перемещения льда, при этом емкость устройства разделена перегородками с теплоизоляционным материалом на четыре емкости, емкость для воды с теплообменником с антифризом, емкость для антифриза с испарителем с фреоном, емкость с антифризом для его нагрева, и емкость для сбора и растапливания льда, которые соединены трубками с циркуляционными насосами для циркуляции антифриза из емкости для антифриза с испарителем с фреоном в силиконовую трубку емкости для воды и в емкость с антифризом для его нагрева и к потребителю, для циркуляции водоледяной смеси из емкости для сбора и растапливания льда в емкость для воды, 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 и теплообменник выполнены в виде трубок змеевикового типа, причем теплообменник емкости для воды выполнен в виде гибкой гофрированной силиконовой трубки с металлической вставкой, на поверхности которой образуется лед, а внутри нее циркулирует антифриз для переноса энергии фазового перехода вода-лед в емкость с антифризом для его нагрева с помощью горячей стороны термоэлектрического модуля, и к теплообменнику потребителя, а холодной стороной термоэлектрического модуля охлаждается антифриз емкости для антифриза с испарителем с фреоном, для отделения льда от поверхности трубки предусмотрен излучатель ультразвука, отколотый лед 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 гофрированной силиконовой трубки с металлической вставкой, в которой циркулирует антифриз, на поверхности которой образуется лед, который легко отделяется с поверхности силиконовой трубки с помощью 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 с термоэлектрическим модулем.
Устройство для получения энергии фазового перехода вода-лед с термоэлектрическим модулем состоит из емкости 1, покрытой теплоизоляционным материалом для уменьшения теплообмена с окружающей средой. Емкость 1 разделена перегородками 2, 3 и 21, также покрытыми теплоизоляционным материалом, на четыре емкости. Емкость для воды 4 с теплообменником 5 с антифризом. Емкость 4 заполнена водой. Емкость 6 для антифриза содержит испаритель 20 с фреоном. Используемый антифриз может быть солевым раствором NaCl концентрацией 20 %, но не ограничивается им. 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 перегородок 3 и 21 доходит до верхнего края емкости. Емкость 7 заполнена антифризом, предусмотрена для его нагрева.
Перегородка 21 содержит термоэлектрические модули (элементы Пельтье), имеющие горячую и холодную стороны, контакты термоэлектрического модуля 22. Горячая сторона модуля расположена со стороны емкости 7 с антифризом, а холодная сторона – со стороны емкости 6.
Емкости 4 и 8 соединены трубкой с циркуляционным насосом 25 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, в котором циркулирует антифриз. Теплообменник 5 выполнен из гибкой гофрированной силиконовой трубки с металлической вставкой, которая расположена в виде змеевика. Теплообменник 5 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 для сбора и растапливания льда 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°C; в неотопительный период – 15°C (Постановление Правительства РФ № 306 от 23.05.2006 (редакция от 16.04.2013) «Об утверждении Правил установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг»).
3
Лед, образовавшийся на поверхности силиконовой трубки теплообменника 5, легко отделяется при помощи воздействия излучателя ультразвука 14, и отрывается от поверхности силиконовой трубки теплообменника 5 емкости 4. Так как плотность льда меньше плотности воды, менее 1 г/см, он всплывает в верхнюю часть емкости 4, и 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, тогда устройство для перемещения льда 15 не включается в работу.
Полученная энергия фазового перехода вода-лед накапливается внутри силиконовой трубки теплообменника 5 и в виде нагретого антифриза в виде жидкости направляется в емкость 7, где догревается при помощи горячей стороны термоэлектрического модуля, и горячий антифриз температурой 65°С направляется к теплообменнику потребителя 16 при помощи циркуляционного насоса 23.
Отработавший антифриз возвращается в емкость 6.
В емкости 6 расположен испаритель 20 змеевикового типа, в котором циркулирует хладагент. Используемый хладагент может быть фреон R410a, но не ограничивается им.
В емкости 4 расположен теплообменник 5 змеевикового типа, в котором циркулирует антифриз.
Емкость 4 и емкость 7 соединены трубкой, при помощи циркуляционного насоса 9 нагретый антифриз перемещается из силиконовой трубки теплообменника 5 в емкость 7.
Поступление антифриза в теплообменник из силиконовой трубки 5 осуществляется из емкости 6 при помощи циркуляционного насоса 9.
Охлажденный отработавший антифриз поступает из теплообменника потребителя 16 в емкость 6, соприкасающеюся с холодной стороной термоэлектрического модуля перегородки 21.
С наружной стороны емкости 6 к испарителю 20 подключены компрессор 17, конденсатор 18, дроссельный вентиль 19.
В конденсаторе 18 тепло забирается и поступает к потребителю на теплообменник (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 24, 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 с термоэлектрическим модулем следующим образом.
При поступлении фреона в испаритель 20 емкости 6 происходит его испарение, в результате чего выделившееся тепло поглощается антифризом емкости 6. Компрессор 17 откачивает пары фреона из испарителя 20 емкости 6 и нагнетает их в конденсатор 18. В конденсаторе 18 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 19 подается в испаритель 20 емкости 6. На входе фреона в испаритель 20 емкости 6 его давление падает с давления конденсации до давления кипения фреона, происходит вскипание фреона, поступая в трубку испарителя 20 фреон кипит, энергия, необходимая для кипения, в виде тепловой энергии, забирается от поверхности испарителя 20, охлаждая испаритель 20. Цикл циркуляции фреона замыкается.
Охлажденный антифриз перекачивается в силиконовую трубку 5 емкости 4 циркуляционным насосом 9, при этом емкость 4 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 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 и переносится в емкость 7. В емкости 7, где расположена горячая сторона термоэлектрического модуля, антифриз догревается, и при помощи циркуляционного насоса 23 направляется 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 воздействия 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 25 и подачей холодной водопроводной воды в емкость 8 из емкости 12 при помощи циркуляционного насоса 13.
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 25. В емкость 8 непрерывно подается холодная водопроводная вода из емкости 12 циркуляционным насосом 13. Цикл циркуляции воды замыкается.
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 6 установлен блок для электрофизического воздействия 24, который понижает температуру замерзания солевого раствора (антифриза), который затем поступает в силиконовую трубку теплообменника 5 емкости 4, 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 24 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.