УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМОПОДГОТОВКИ ВОДЫ В ВОДОЕМАХ АВТОНОМНОГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к установкам для нагрева и охлаждения воды, в частности к рыбной промышленности для создания контролируемой, биологически активной водной среды при разведении водных организмов в естественных и искусственных водоемах.
Известно устройство для содержания и/или разведения водных животных [А.С. СССР №653489, 1979], состоящее из двух бассейнов, соединенных непосредственно с тепловым насосом циркуляционными водяными контурами, причем каждый бассейн может одновременно как охлаждаться, так и нагреваться и снабжен необходимыми источниками тепла (непосредственно вода бассейнов, глубоководный колодец, глубинная вода озер, сточные воды промышленности). Для сглаживания экстремальных наружных температур в испарителе теплового насоса предусмотрено устройство дополнительного нагрева.
Недостатком таких устройств является большой расход электрической энергии для работы теплового насоса и большие мощности теплонасосного оборудования при работе в естественных водоемах, а также создание стационарных помещений или площадок под оборудование.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа установка для термоподготовки воды [Патент РФ №2031331, 1995].
Установка состоит из логического блока управления температурными параметрами воды и работой теплового насоса, двух водяных циркуляционных контуров и холодильного контура, включающего последовательно подключенные через соленоидные вентили испаритель, компрессор, конденсатор, ресивер, регулирующий вентиль, а также дополнительно подключенный аккумулятор тепловой энергии к линии связи испарителя с ресивером через соленоидные и терморегулирующие вентили, а другой - к компрессору через соленоидный вентиль к всасывающей линии, и льдогенератор, подключенный с одной стороны к линии связи испарителя с ресивером либо через соленоидный вентиль, либо через соленоидный и терморегулирующий вентиля, а с другой стороны к компрессору через два
соленоидных вентиля, установленных на всасывающей и нагнетательной линиях последовательно, либо через соленоидный вентиль и барорегулирующий вентиль «до себя" на всасывающей линии компрессора, а в водяные циркуляционные контуры дополнительно введены тепловые колпаки и через электромеханические задвижки льдогенератор, выход воды из которого подведен к накопительной емкости и насосу, и аккумулятор тепловой энергии.
Такая установка позволит снизить энергозатраты на производство теплой и охлажденной воды, сгладить пиковые нагрузки электроэнергии, уменьшить мощность теплового насоса, повысить надежность и работоспособность установки и создать биологически активную среду содержания биофлоры и фауны.
Недостатком известного устройства является следующее.
При автономной работе установки в естественных условиях на водоемах при нагреве и охлаждении воды требуется значительный подвод дорогой электрической энергии и большие мощности теплонасосного оборудования..
Целью изобретения является создание автономной высокоэффективной установки для термоподготовки воды при содержании и разведении рыб и водных организмов в контролируемых параметрах естественных водоемов при исключении внешнего потребления электроэнергии, снижения потребляемой мощности теплонасосных установок, малого капитального строительства стационарных помещений.
Технический результат - повышение автономности, надежности, работоспособности системы, независимости работы от подводимых электрических источников.
Он достигается тем, что установка для работы потребляет солнечную, тепловую, ветровую и биоэнергию и состоит из холодильного контура, работающего по принципу теплового насоса и холодильной машины, содержащего элементы, соединенные следующим образом: испаритель, компрессор, конденсатор, ресивер, теплообменник, регулирующий вентиль, а также гелиоэнергетический аккумулятор тепловой энергии, биогенератор и гелиоэнергетический термотрансформатор, подключенных параллельно одной стороной к линии связи испарителя с теплообменником и ресивером через соленоидные вентиля и
барорегулирующий вентиль «до себя», а другой к теплообменнику и компрессору через соленоидные и терморегулирующие вентиля к всасывающей линии перед теплообменником. Установка имеет логический блок управления и распределения энергетических потоков от фотопанелей, ветрогенератора, гелиоэнергетических теплоаккумуляторов и термотрансформатора и биогенераторов, а также управляет температурными параметрами воды с датчиками. Имеются также изотермические устройства [Патент РФ №2115311, 1998.], в которых создаются регулируемые параметры воды, установленные при естественных условиях в водоемах. Изотермические устройства могут устанавливаться по несколько штук в одном и более водоемах. К изотермическим устройствам подключаются водяные циркуляционные контуры (холодный и теплый), включающие ряд элементов, соединенных следующим образом: контур подогретой воды - фильтр-заборник, водяной насос, электромеханические задвижки, конденсатор, аэратор; в контуре охлажденной воды последовательность и перечень элементов сохраняются, лишь вместо конденсатора установлен испаритель. К водяному циркуляционному контуру охлаждаемой воды подключен через электромеханические задвижки гелиоэгергетический термотрансформатор сорбционного типа циклического действия [Патент РФ №2315923, 2008]. (Гелиоэнергетический термотрансформатор представляет из себя автономное устройство (гелиоэнергетический холодильник), содержащее гелиоприемник (нагревательная часть и абсорберы) - генератор-абсорбер совмещенной конструкции, в котором находится твердый сорбент, конденсатор, ресивер и испаритель-аккумулятор водного льда (льдонакопительная часть). Днем под действием солнечной радиации из сорбента выделяется хладагент, который сжижается и накапливается в ресивере, а ночью хладагент поглощается сорбентом из испарителя. В испарителе происходит охлаждающий эффект с образованием водного льда (льдонакопительная часть - аккумулятор холода), а в абсорбере выделяется теплота, которую можно использовать в качестве подогрева).
К контуру подогреваемой воды параллельно при помощи электромеханических задвижек подключен гелиоэнергетический аккумулятор тепловой энергии и биогенератор для выработки тепла.
Изотермические устройства необходимы для накапливания и
удерживания внутри себя теплой и холодной воды. Они представляют изолированную часть акватории водоема, закрытого с боков экраном изоляции, а сверху прозрачной оболочкой. В изотермическом устройстве, в котором контролируются параметры подогретой воды, можно использовать днем тепличный эффект от энергии солнечной радиации. В предлагаемой установке включение гелиоэнергетических аккумуляторов тепловой энергии и биоэнергетических генераторов позволяет экономить электрическую энергию и сглаживать пиковые нагрузки электроэнергии за счет частичного накопления тепловой энергии аппаратами днем (например, энергия солнечной радиации - в тепловом аккумуляторе, накапливание газа в биогенераторе - днем), а ночью, когда потребление тепла в емкости возрастает за счет введения аккумулятора тепла и биогенератора (сжигание газа) без существенного повышения электроэнергии, добавляется дополнительная тепловая нагрузка как по тепловому циркуляционному водяному контуру, так и в холодильном контуре теплового насоса, где второй аккумулятор тепловой энергии, биогенератор и гелиоэнергетический термотрансформатор включены параллельно испарителю.
Включение в схему установки гелиоэнергетического термотрансформатора позволяет днем охлаждать воду за счет накопления льда в холодном циркуляционном контуре, включаясь по воде через задвижки параллельно с испарителем, а ночью через электрозадвижки или подогревать воду теплотой абсорбции в тепловом контуре, или через соленоидные вентиля использовать тепло абсорбции для тепловой нагрузки хладагента в холодильном контуре.
Наличие описанных выше элементов позволяет осуществлять накопление как тепла (в весенний и осенний периоды года), так и холода (в летний период времени), что значительно может сглаживать пиковые нагрузки энергии и ее расход, причем наличие льда позволяет получать талую биологически активную воду.
Стационарные капитальные помещения инкубационных цехов можно заменять легкими, мобильными теплоизотермическими устройствами из прозрачных материалов, а теплонасосные установки монтировать на легких передвижных шасси.
На рисунке представлена схема теплонасосной установки для термоподготовки воды в водоемах автономного действия.
Установка состоит из холодильного контура теплового насоса и двух циркуляционных контуров подогреваемой и охлаждаемой воды, а также фотобатарей и ветрогенератора с аккумулятором электрической энергии, биогенераторов, гелиоэнергетического аккумулятора тепловой энергии и гелиоэнергетического термотрансформатора с накопителем водного льда и аккумулятором холода и тепла.
Холодильный контур теплового насоса содержит последовательно соединенные элементы: компрессор 1, конденсатор 2, ресивер 3, теплообменник 4, терморегулирующий вентиль 5, испаритель 6. В холодильный контур через терморегулирующий вентиль 7 подключен гелиоэнергетический аккумулятор тепловой энергии 8, через терморегулирующий вентиль 9 биогенератор 10, а через терморегулирующий вентиль 11 подключен гелиоэнергетический аккумулятор холода 12. При помощи соленоидных вентилей холодильного контура 13-22 осуществляется подключение аппаратов для различных комбинаций работы теплового насоса, барорегулирующий вентиль «после себя» 23 осуществляет регулирование производительности компрессора и поддержания пониженной температуры в испарителе.
Контур циркуляции подогреваемой воды содержит последовательно соединенные элементы: изотермическое устройство 24, фильтр-заборник 25, насос 26, электромеханическую задвижку 27, конденсатор 2, задвижку 28, аэратор 29. Параллельно задвижке 28 при помощи задвижек 30 и 31 подключен гелиоэнергетический аккумулятор тепловой анергии 32, а при помощи задвижек 33 и 34 биогенератор 35. Параллельно задвижке 27 при помощи задвижек 36 и 37 подключен гелиоэнергетический термотрансформатор 12 гелионагревательной и абсорбционной тепловыделяемой частью.
Контур циркуляции охлаждаемой воды содержит последовательно соединенные элементы: изотермическое устройство 38, фильтр-заборник 39, насос 40, задвижку 41, испаритель 6, аэратор 42. Параллельно задвижке 41 при помощи задвижек 43 и 44 подключен гелиоэнергетический термотрансформатор 12 аккумулирующей холодной частью.
Энергетическое обеспечение теплонасосной установки для термоподготовки воды составляет: по солнечной энергетике -
гелиоэнергетические аккумуляторы тепла 8 и 32, фотобатарей для выработки электричества 45, гелиоэнергетический термотрансформатор 12 для выработки тепла, холода и водного льда; по ветровой энергетике ветрогенератор 46 для выработке электрической энергии с аккумулятором электрической энергии 47; по использованию биологической энергии биогенераторы 10 и 35 для выработки тепла.
Логический блок ЭВМ 48 управляет энергетическими потоками всей теплонасосной установки и поддерживает температурные параметры воды в изотермических устройствах: теплая среда - 16-18°С (при температуре водоема -8-10°С) и холодная среда - 18-20 (при температуре водоема - 27-32°С).
Установка для термоподготовки воды в водоемах работает следующим образом. Из изотермического устройства 24, в котором находится подогреваемая водная среда в водоеме через фильтр-заборник 25, позволяющий отделить живые организмы, насосом 26 вода может подаваться в конденсатор 2 через электромеханическую задвижку 27, где она нагревается теплом за счет конденсации холодильного агента, и затем через задвижку 28 проходит аэратор 29, где обогащается воздухом и подается обратно в устройство 24.
Гелиоэнергетический аккумулятор тепла 32 может подключаться ночью через задвижки 30 и 31 для подвода дополнительного тепла к воде, а гелиоэнергетический аккумулятор тепла 8 в холодильном контуре через соленоидные вентили 15 и 16 и терморегулирующий вентиль 7 для подвода дополнительной тепловой нагрузки (как дополнительный испаритель) через компрессор 1 на конденсатор 2. Аналогичные функции выполняет биогенератор 35, который подключается через задвижки 33 и 34 к контуру теплой воды, а биогенератор 10, через соленоидные вентиля 13 и 17 и терморегулирующий вентиль 9 в холодильном контуре - для теплоты к конденсатору 2.
Вода в теплом контуре может циркулировать также по следующей схеме: изотермическое устройство 24, фильтр 25, насос 26, задвижка 36, гелиоэнергетический термотрансформатор 12, задвижка 37, конденсатор 2, задвижка 28, аэратор 29 и снова устройство 24. Гелиоэнергетический термотрансформатор 12 подключается и днем и ночью.
Охлаждаемая вода может циркулировать по следующему контуру: из изотермического устройства 38, создающего охлажденную водную среду в водоеме, через фильтр-заборник 39, насосом 40 вода подается через задвижку 41 в испаритель 6, затем, аэратор 42 и далее устройство 38. Теплонасосная установка отбирает тепло в испарителе 6, одновременно через задвижку 43 и 44 охлажденная вода может подаваться на гелиоэнергетический термотрансформатор 12. Ночью термотрансформатор 12 вырабатывает и накапливает водный лед, а днем лед используется для снятия тепловых нагрузок. Талая вода из термотрансформатора 12 подается в устройство 38.
Возможна работа установки в комбинированном режиме при одновременном получении подогреваемой теплой и охлаждаемой холодной водной среды.
Параметры среды в рабочих изотермических устройствах 24 и 38 поддерживаются датчиками, работающими на единый логический блок ЭВМ 48 управления всеми терморегулирующими (5, 9, 11) и соленоидными (13 - 22) вентилями, электромеханическими задвижками (27, 28, 30, 31, 33, 34, 36, 37, 41, 43, 44), аппаратами и компрессором.
Энергетические потоки тоже управляются логическим блоком ЭВМ 48. Днем идет накопление и расход электрической энергии через аккумулятор энергии 46 к электродвигателям механического компрессора 1 и водяным насосам 26 и 40 за счет работы панели с фотоэлементами 45 и ветрогенератора 46. Днем идет накопление и расход тепловой энергии за счет работы гелиоэнергетических аккумуляторов 8, 32 и гелиоэнергетического термотрансформатора 12. Ночью накопленная энергия за счет работы ветрогенератора 46 и аккумулятора электрической энергии 45 идет на работу компрессора 1 и насосов 26 и 40. Дополнительно тепловая энергия может вырабатываться за счет биогенераторов 35 и 10, а накопление холода в виде намороженного льда за счет гелиоэнергетического термотрансформатора 12.
Предлагаемая установка обеспечивает следующие преимущества:
на основании расчетов энергетических тепловых балансов в подогреваемых и охлаждаемых контролируемых средах при одинаковых объемах возможно исключить потребление тепловой и электрической
энергии из вне;
суточные колебания пиковых температурных параметров контролируемой среды на основании расчетов по среднестатистическим и экспериментальным данным в предполагаемых периодах эксплуатации системы незначительны;
мощность теплонасосного оборудования при одинаковых контролируемых параметрах водных сред уменьшено в 6 раз;
установка может создавать биологически активную водную среду в изолированных объемах как в одном, так и в нескольких водоемах;
данная установка может работать как в водоемах при естественных условиях, так и емкостях, бассейнах и т.д. в закрытых помещениях.
При расчетах автономной работы принимали среднестатистические данные солнечной радиации скорости ветра по Астраханской области, в качестве биотоплива использовались данные по пиролизу кизяка скотины. При этом КПД гелиоустановок для преобразования солнечной энергии в тепло принимался 40%, в электричество - 15%, в энергию холода - 10%, абсорбционное тепло - 15%. Средняя скорость ветра принималась 8 м/с.
Барорегулирующий вентиль «после себя" позволяет компрессору теплового насоса работать в одноступенчатом цикле на две температуры кипения.
Отдельные элементы установки были изготовлены и испытаны в условиях Астраханского климата на прудах Волжского экспериментального рыбзавода (п.Икряное), Александровском рыбоводном заводе (п.Труд-Фронт), КаспНИИРХ (лаборатория аквариумных рыб), открытый испытательный полигон ФГОУ ВПО АГТУ.
Источники информации
1. А.С. СССР №653489, 1979.
2. Патент РФ №2031331, 1995. - прототип
3. Патент РФ №2115311,1998.
4. Патент РФ №2315923, 2008.