ЛЬДОАККУМУЛЯТОР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕДЯНОЙ ВОДЫ
ICE ACCUMULATOR FOR PRODUCTION OF ICE WATER

Изобретение относится к установкам получения ледяной воды с использованием холодильных машин с льдоаккумуляторами. Предлагаемое решение предназначено, в основном, для предприятий мясомолочной и пищевой промышленности, где в качестве хладоносителя используется ледяная вода.
Важное место в холодильной технике занимают ледяные аккумуляторы холода, в которых лед не выдается потребителям, а используется на месте для получения, так называемой ледяной воды с температурой 0-+0,5°С. Человек давно использует естественный холод природной среды для охлаждения продуктов питания. На территории России количество календарных дней с отрицательными температурами может составлять от 25 до 30% в году. Изотерма среднегодовой температуры атмосферы 0°С и средней январской температуры -20°С проходит по линии Архангельск-Новосибирск-Чита и далее через Сахалин к югу Камчатки. Это линия условно ограничивает практически половину нашей страны, как правило, с суровыми зимами и среднегодовой температурой от 0 до минус 16°С. Территория выше этой линии характеризуется преобладанием вечной или долговременной мерзлоты грунта с постоянной температурой от 0 до -12°С и коротким теплым летом, вызывающим необходимость хранения продовольствии в холодильниках.
В холодной климатической зоне лед заготавливают путем послойного намораживания в буртах на месте его последующего хранения. Бурт, выкопанный в земле и теплоизолированный от грунта простейшими насыпными материалами, можно по праву отнести к льдоаккумуляторам, в которых лед медленно тает в теплый отрезок времени и позволяет использовать естественный холод с минимальными затратами энергии. Такие льдоаккумуляторы подробно описаны на с.102-107 в книге «Различные области применения холода» под редакцией Быкова А.В., Агропромиздат, г.Москва, 1985. Эти простые устройства, использующие естественный холод, имеют существенные недостатки. Во-первых, их строительство и эксплуатация возможны только в местностях с холодным климатом, т.е. с продолжительным зимним периодом и коротким летом. Во-вторых, такие конструкции естественных льдоаккумуляторов практически не позволяют получать чистую ледяную воду, являющуюся совершенным хладоносителем для технологических процессов, в частности для охлаждения молока. Известен также аккумулятор холода, описанный в российском патенте 2428629, кл. МПК F25D 003/02 под названием «Холодоисточник», авторов Штым А.С. и др. Это устройство состоит из теплоизолированной камеры для размещения льда, выполненной в виде полости в грунте в зоне его сезонного промерзания. В объеме льда, размещенного к камере, выполнены скважины с возможностью установки в них теплообменных каналов, в виде труб. Кроме этого в составе устройства имеется ряд воздуховодов и регулирующих устройств, позволяющих интенсифицировать процессы теплообмена между талой водой снежно-ледяного массива и охлаждаемого воздуха, подаваемого в систему кондиционирования и вентиляции, путем разделения приточного и вытяжного воздуха в пространстве скважины, что ведет к сокращению расходов на электроэнергию на охлаждение воздушной среды.
Льдоаккумуляторы обычно используются в периоды пиковых тепловых нагрузок, например, в пищевой и молочной промышленности, а также при кондиционировании воздуха, где позволяют уменьшать мощность холодильных компрессоров и использовать электроэнергию по ценам ночного тарифа. Ледяной аккумулятор панельного типа показан на с.121, рис.V-15, в упомянутой выше книге «Различные области применения холода» под редакцией Быкова А.В., Агропромиздат, г.Москва, 1985. В этом аккумуляторе в теплоизолированном баке установлены панельные испарители, соединенные трубопроводами с холодильной машиной. Внутри испарителей кипит хладагент при температуре, например при температуре минус 8-10°С, охлаждая металлическую поверхность испарителя до отрицательных температур. При таких температурах на поверхности испарителя намораживается слой льда, толщина слоя которого контролируется специальным датчиком. При нарастании льда до определенной толщины, обычно 4-5 см, датчик выключает холодильную машину, после чего идет процесс получения ледяной воды за счет таяния намороженного льда. Ледяная вода поступает к потребителю и, нагреваясь там, снова возвращается в теплоизолированную емкость льдоаккумулятора.
Недостатком льдоаккумуляторов, где источником холода является только холодильная машина, является невозможность использовать в холодное время года естественный холод окружающей среды. А это ведет к непроизводительным затратам электроэнергии при работе холодильной установки. В зимний период времени температура окружающего воздуха часто опускается ниже минус 10°С, что вполне достаточно при современных теплообменниках использовать естественный холод и с его помощью намораживать лед на теплообменных поверхностях льдоаккумуляторов.
Прототипом заявленного устройства является установка для производства ледяной воды и аккумулирования холода, описанная в патенте на изобретение №2287749 от 20.11.2006, авторов Гусева М.Р. и Захарова Н.С. Классификация по МПК: F25C, F25D. В этом патенте описан льдоаккумулятор для производства ледяной воды, включающий теплоизолированную емкость с водой, гидравлически связанную с потребителями ледяной воды, установленные внутри емкости основную теплообменную секцию холодильной установки и дополнительную теплообменную секцию для охлаждения воды внешним хладоносителем.
3
3
Наряду с положительным эффектом - снижением энергетических затрат при получении ледяной воды и аккумулированием холода в период отрицательных температур окружающего пространства, данное устройство обладает рядом недостатков. Основным недостатком является использование воздуха в качестве хладоносителя в дополнительном теплообменнике льдоаккумулятора, поскольку он может только помочь охладить воду в теплоизолированной емкости льдоаккумулятора до температуры близкой к 0÷0,5°С, но не позволяет наморозить лед на поверхности вертикальных труб. Это происходит вследствие того, что интенсивность теплообмена со стороны жидкости к наружной поверхности трубки на порядок выше интенсивности теплообмена между воздухом, проходящим в трубах, и внутренней поверхностью трубы. Поэтому вода с положительной температурой не дает образовываться льду на внешней поверхности труб, обдуваемых холодным воздухом. В этих трубах, фактически, являющихся газожидкостными теплообменниками, происходит теплообмен через тонкую стенку трубки между воздухом, имеющим очень низкую теплоемкость С=1,0 кДж/кг К при удельной плотности Р=1,225 кг/м и незамерзающих жидкостей, как правило, на основе водных растворов пропиленгликоля или этиленгликоля, имеющих высокую среди общедоступных жидкостей теплоемкость С=2-3,2 кДж/кг К при удельной плотности Р=0,9-1,1 кг/м. Для того, чтобы обеспечить эквивалентный теплообмен, при котором возможно образование льда на наружной поверхности трубок, т.е. достичь примерного равенства масс, участвующих в теплообмене через трубу, между окружающим воздухом и жидкостью, воздух надо прокачивать по трубам с огромными скоростями, что потребует больших затрат на разработку или покупку компактных, но в тоже время, мощных вентиляторов. При работе такие вентиляторы издают существенный аэродинамический шум и потребляют много электроэнергии, что также является недостатком такого устройства. И еще один существенный недостаток - это трудоемкость изготовления теплообменника-льдоаккумулятора с большим количеством проходящих насквозь через его корпус и теплоизоляцию воздушных трубопроводов. Регулирование расхода воздуха в трубах с помощью заслонок с ручным приводом не отличается точностью и эргономичностью при реальной эксплуатации.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение эффективности образования льда на внешней поверхности теплообменных секций и снижение энергопотребления холодильной установки льдоаккумулятора в зимний период времени, а также снижение трудоемкости при его изготовлении.
Указанная цель, достигается тем, что в устройстве, выполненном в виде тепло-изолированной емкости с водой, гидравлически связанной с потребителями ледяной воды, внутри которой установлена основная теплообменная секция холодильной установки и дополнительная теплообменная секция для охлаждения воды внешним хладоносителем, в качестве внешнего хладоносителя выбрана незамерзающая при температурах окружающего воздуха жидкость, в состав устройства введен воздушный охладитель внешнего хладоносителя с принудительной циркуляцией воздуха, установленный на открытом воздухе, связанный с дополнительной теплообменной секцией замкнутым гидравлическим контуром с принудительной циркуляцией хладоносителя, а также датчик контроля толщины льда дополнительной теплообменной секции, при этом указанный датчик электрически связан с побудителями расхода в воздушном охладителе жидкости и в гидравлическом контуре.
Проведенные патентные исследования показали, что совокупность отличительных признаков, характеризующих данное техническое решение, авторам неизвестна, что позволяет им сделать вывод о соответствии его критерию «существенные отличия».
Технический результат при использовании предложенного устройства достигается за счет того, что в отличие от существующих в настоящее время аналогичных устройств, оно обладает следующими положительными свойствами:
- использование в дополнительной теплообменной секции в качестве внешнего хладоносителя незамерзающей при температурах окружающей среды жидкости и введение в состав устройства воздушного охладителя жидкости с принудительной циркуляцией воздуха позволяют резко повысить эффективность теплообмена между незамерзающей жидкостью и охлаждаемой ледяной водой, поскольку теплотехнические характеристики (удельная теплоемкость и плотность жидкостей, участвующих в теплообмене), практически одинаковы, что существенно повышает энергоэффективность эксплуатации устройства;
- введение в состав устройства воздушного охладителя для охлаждения циркулирующего внешнего хладоносителя холодным окружающим воздухом с принудительной циркуляцией позволяет в холодное время года обеспечивать захолаживание воды и намораживание льда в аккумуляторе холода при неработающей холодильной установке с энергопотреблением, на порядок меньшим, чем с холодильной машиной;
- принудительная циркуляция воздуха через воздушный охладитель жидкости, обладающий большой поверхностью теплообмена со стороны окружающего воздуха обеспечивается стандартными малошумящими вентиляторами;
- введение в состав приведенного льдоаккумулятора датчика контроля толщины льда дополнительной теплообменной секции и его электрическая связь с побудителями расхода в воздушном охладителе жидкости и в гидравлическом контуре, позволяет отключать циркуляцию воздуха через воздухоохладитель и циркуляцию внешнего хладоносителя в гидравлическом контуре при достижении оптимальной толщины льда на дополнительной теплообменной секции, что снижает энергопотребление установки и снижает себестоимость ледяной воды. В практике разработки аккумуляторов холода оптимальной толщиной льда принято считать 45-50 мм. Дальнейшее наращивание толщины льда неэффективно, так как ведет к нерациональным тратам электроэнергии, поскольку увеличение толщины льда вызывает увеличение термического сопротивления между охлаждаемой водой в теплоизолированной емкости и холодным внешним хладоносителем, что ведет к более частым включениям и более продолжительной работе холодильной машины;
- по сравнению с прототипом предложенная конструкция льдоаккумулятора проще и технологичнее, поскольку при установке дополнительной теплообменной секции требуется лишь в двух местах нарушить целостность теплоизолированной емкости льдоаккумулятора, при этом диаметр отверстия составляет 28-30 мм, а не 80-100 мм, как у прототипа.
Практическую реализацию конструкции предложенного аккумулятора для производства ледяной воды, рассмотрим на следующем примере.
На фиг.1 схематично изображен предложенный аккумулятор для производства ледяной воды, где цифрами обозначены:
1 - льдоаккумулятор
2 - теплоизолированная емкость с водой
3 - основная теплообменная секция
4 - холодильная установка
5 - дополнительная теплообменная секция
6 - воздушный охладитель внешнего хладоносителя
7 - замкнутый гидравлический контур
8 - датчик контроля толщины льда дополнительной теплообменной секции
9 - побудитель расхода воздуха с приводом
10 - побудитель расхода внешнего хладоносителя с приводом.
В здании размещен льдоаккумулятор 1 для производства ледяной воды, представляющий собой заполненную водой теплоизолированную емкость 2, гидравлически связанную с потребителями ледяной воды. Внутри теплоизолированной емкости 2 ниже уровня воды размещена основная теплообменная секция 3, связанная с холодильной установкой 4 и дополнительная теплообменная секция 5 для охлаждения воды внешним хладоносителем. Воздушный охладитель внешнего хладоносителя 6, установленный снаружи здания, связан с дополнительной теплообменной секцией 5 замкнутым гидравлическим контуром 7 с принудительной циркуляцией внешнего хладоносителя от побудителя расхода 10 (например, насоса) с приводом. Побудителями расхода 9 с приводами в воздушном охладителе 6, в данном конкретном случае, являются вентиляторы. Дополнительная теплообменная секция 5 оборудована датчиком контроля толщины льда 8, электрически связанным с приводом побудителя расхода воздуха в воздушном охладителе 6 и побудителя расхода внешнего хладоносителя в гидравлическом контуре.
Работает рассматриваемый льдоаккумулятор следующим образом.
Воду в теплоизолированной емкости 2, гидравлически связанную с потребителями ледяной воды, льдоаккумулятора 1 охлаждает основная теплообменная секция 3 холодильной установки 4. После охлаждения воды в емкости до +1÷2°С на внешней поверхности основной теплообменной секции 3 начинает образовываться лед, поскольку температура кипения хладагента внутри труб теплообменной секции составляет примерно минус 7-10°С. Вода в теплоизолированной емкости при контакте со льдом постепенно принимает температуру, близкую к 0°, как правило это +0,5°С. Намерзший на внешней поверхности теплообменных секций лед имеет обычно толщину 40-50 мм, является аккумулятором холода, который используется в том случае, когда к потребителю должно идти больше ледяной воды, чем может вырабатывать холодильная машина. Он фактически снимает пиковые тепловые нагрузки у потребителя. В холодное время года, когда температура воздуха опускается ниже 0°С, лучше ниже минус 7-8°С, дополнительное охлаждение воды и намораживание льда осуществляется с помощью воздушного охладителя внешнего хладоносителя 6. В гидравлическом контуре 7, связывающем воздушный охладитель жидкости 6 и дополнительную теплообменную секцию 5, с помощью побудителя расхода 10 обеспечивается перекачка охлажденного окружающим воздухом незамерзающего внешнего хладоносителя от воздушного охладителя 6 к дополнительной теплообменной секции 5. Охлажденный внешний хладоноситель, поступая в дополнительную теплообменную секцию 5, охлаждает воду в теплоизолированном баке 1 до температуры +1÷2°С, после чего на наружной поверхности трубок этой секции начинает образоваться лед. После того, как лед на наружной поверхности трубок достигнет толщины 4,5-5,0 см, срабатывает датчик контроля толщины льда 8, установленный вблизи наружной поверхности дополнительной теплообменной секции 5. Этот датчик отключает побудители расхода воздуха 9 (вентиляторы воздушного охладителя) и побудитель расхода внешнего хладоносителя 10 (насоса) гидравлического контура 7. При этом установка считается полностью заряженной льдом. При работе установки за счет отбора ледяной воды к потребителям, на поверхности дополнительной теплообменной секции 5, лед постепенно тает, толщина его уменьшается, и датчик контроля толщины льда включает побудители расхода 9 и 10. Устройство снова начинает работать на охлаждение воды и намораживание льда.
Таким образом, эта дополнительная теплообменная секция 5 при ее подключении к наружному охладителю жидкости 6 позволяет за счет холодного атмосферного воздуха с минимальными затратами электроэнергии выполнять роль холодильной машины и с минимальными энергозатратами обеспечивать работу льдоаккумулятора для производства ледяной воды. Если рассматривать конкретный районный молокозавод, то энергопотребление холодильной установки для льдоаккумулятора, производительностью 300 кВт, составляет около 100 кВ, с учетом периодичности ее работы. При использовании данного устройства с воздушным охладителем, например WCN 112 итальянской фирмы CROCCO с близкой холодопроизводительностью 350кВт общее энергопотребление устройства будет составлять (5 вентиляторов по 1,25 кВт и один гидронасос внешнего хладоносителя, мощностью 1,0кВт) всего 7,25 кВт. Таким образом, например, за два зимних месяца (с температурой ниже минус 10°С) работы, когда холодильная машина будет выключена с периодичностью ее работы 50%, т.е. холодильная машина будет работать 50% общего времени, то экономия энергозатрат предлагаемого устройства составит (150 кВт × 2)-(7,25 кВт × 2)=285,5 кВт в час. Тогда за два зимних месяца (1440 ч) суммарная экономия энергозатрат составит 285,5 кВт × 1440 ч = 411 120 кВт ч. Если стоимость 1 кВтч принять для промышленных предприятий 5 руб., то экономия только за два месяца будет составлять 2.055.600 руб. Чем ниже будет температура окружающего воздуха, тем больше будет экономия, поскольку и вентиляторы и насос также будут работать в периодическом режиме, т.е. будут работать периодически. При температуре окружающего воздуха ниже минус 10°С, холодильную машину вообще можно выключить, а на выключенной холодильной машине можно проводить сервисное обслуживание без остановки производственного цикла молокозавода. Естественно, что и себестоимость ледяной воды в зимний период будет в несколько раз меньше, чем в летний период.