УСТАНОВКА ПО ТЕРМОПОДГОТОВКЕ ВОДЫ ДЛЯ СОДЕРЖАНИЯ И ВЫРАЩИВАНИЯ ГИДРОБИОНТОВ

Полезная модель относится к рыбоводству, в частности к установкам для нагрева и охлаждения воды, создания контролируемой, биологически активной водной среды при разведении и содержании водных организмов в термоизолирующих искусственных устройствах.
Известно устройство для содержания и/или разведения водных гидробионтов (Патент РФ №2031331, 1995), содержащее логический блок управления температурными параметрами воды и работой теплового насоса, два водяных циркуляционных контура и холодильный контур, с последовательно подключенными через соленоидные вентили испарителем, компрессором, конденсатором, ресивером, регулирующим вентилем, 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 «после 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.
Недостатком известного устройства является следующее: при автономной работе установки в естественных условиях на водоемах при нагреве и охлаждении воды требуются значительные энерго- и теплозатраты.
Наиболее близкой по технической сути к заявляемому устройству является установка для термоподготовки воды в водоемах автономного действия (Патент РФ №80543, 2009), содержащая фотобатареи, ветрогенератор, аккумулятор электрической энергии, логический блок управления температурными параметрами воды и работой теплового насоса, водяные циркуляционные контуры и холодильный контур, имеющий последовательно подключенные через соленоидные вентили испаритель, компрессор, конденсатор, ресивер, терморегулирующий вентиль и дополнительно подключенный одной стороной к линии связи испарителя с ресивером через соленоидные и терморегулирующие вентили, а другой к компрессору через соленоидные вентили к всасывающей линии гелиоэнергетический аккумулятор тепловой энергии и биогенератор, а также дополнительно подключенная одной стороной к линии связи испарителя с ресивером через соленоидный и терморегулирующий вентили, а с другой стороны к компрессору через соленоидный и барорегулирующий вентиль «до себя» к всасывающей линии компрессора, льдонакопительная часть гелиоэнергетического термотрансформатора, в охлаждаемый водяной циркуляционный контур дополнительно введено тепловое термоизолирующее устройство и через электромеханические задвижки льдонакопительная часть гелиоэнергетического термотрансформатора, а в водяной циркуляционный контур подогреваемой воды дополнительно введено тепловое термоизолирующее устройство, гелиоэнергетический аккумулятор тепловой энергии и биогенератор, соединенный параллельно через электромеханические задвижки, и водяная подогреваемая линия гелиоэнергетического термотрансформатора сорбционного типа циклического действия, соединенная через электомеханические задвижки с его нагревательной частью и абсорберами.
Недостатком известного устройства является следующее:
- трудность создания охлажденной или нагретой водной среды в теплоизолирующем устройстве без удаления гидробионтов;
- сложность регулирования температурных градиентов и тепловых потоков водной среды;
- технические неудобства при обслуживании, эксплуатации и ремонте плавающего в акватории пруда или бассейна, термоизолирующего устройства, в котором находятся гидробионты (необходимо подплывать на лодке, вскрывать верхний купол теплоизолирующего устройства или подныривать под него);
- трудность удаления остатков содержания корма или гумуса;
- сложность создания и эксплуатации систем большого объема для выращивания гидробионтов при полном цикле воспроизводства;
- недостаточное количество природных микроэлементов и микрофлоры в контролируемой среде содержания гидробионтов (отсюда медленный рост, развитие и малые размеры выпускаемой продукции).
Техническая задача - создание установки для термоподготовки воды в водоеме при содержании и выращивании гидробионтов в контролируемых параметрах, улучшение ее эксплуатационных характеристик, независимости работы от подводимых электрических источников, создание охлаждения и подогрева в одном стационарном теплоизолирующем устройстве без внешнего потребления электроэнергии, поддержание полезной микрофлоры и природных микроэлементов в водной среде.
Технический результат - повышение автономности, надежности, работоспособности установки.
Он достигается тем, что дополнительно в холодильном контуре на нагнетательной линии за компрессором установлен соленоидный вентиль, соединяющий испаритель с компрессором, а на всасывающей линии перед компрессором - соленоидный вентиль, соединяющий конденсатор с компрессором, между конденсатором и испарителем установлен терморегулирующий вентиль, а термоизолирующее устройство с гидробионтами вынесено за акваторию водоема и имеет линию подпитки, содержащую биологические и физические устройства очистки и обеззараживания воды, дополнительно введена линия частичного сброса воды, соединенная с линией подпитки через смесители, электромеханическую задвижку, испаритель и водяным циркуляционным контуром через электромеханическую задвижку.
Установка имеет водяной циркуляционный контур, линию подпитки свежей очищенной в отстойниках и аэротенках, подогретой в гелиоэнергетическом аккумуляторе тепловой энергии и биогенераторе, обеззараженной кварцевыми лампами воды, подаваемой насосами из акватории водоема и линию частичного сброса отработанной воды.
Установка имеет логический блок управления и распределения энергетических потоков от фотопанелей, ветрогенератора, гелиоэнергетических аккумуляторов тепловой энергии, гелиоэнергетического термотрансформатора и биогенераторов, а также управляет температурными параметрами воды через датчиками.
Изотермическое устройство накапливает и удерживает внутри себя теплую или холодную воду.
В предлагаемой установке включение гелиоэнергетических аккумуляторов тепловой энергии и биогенераторов 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 в режимах теплового подогрева воды, так и в режимах охлаждения воды.
Отличительной особенностью данной установки является наличие одного основного водяного циркуляционного контура, имеющего линию подпитки свежей водой термоизолирующего устройства и линию частичного сброса отработанной воды, и в зависимости от необходимости, за счет переключения соответствующих вентилей можно регулировать работу холодильного контура. При охлаждении воды можно переключать его на работу холодильной машины, меняя функции работы своих основных аппаратов испарителя на конденсатор, а конденсатора на испаритель, а при нагреве воды переключать его работу на тепловой насос, меняя функции работы своих основных аппаратов конденсатора на испаритель, а испарителя на конденсатор. Слив охлажденной воды через испаритель повышает эффективность работы конденсатора в режиме работы холодильной машины, а слив подогретой воды через испаритель в режиме работы теплового насоса повышает эффективность работы также конденсатора. Подпитка свежей водой замкнутого циркуляционного водяного контура, улучшает биологическую активность водной среды, обогащает среду кислородом, вносит необходимые микроэлементы и природную микрофлору, сброс воды улучшает очистку от ненужных отходов в водяном циркуляционном контуре.
Включение в схему установки гелиоэнергетического термотрансформатора позволяет днем охлаждать воду за счет накопления льда в льдонакопителе, 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.
На чертеже представлена схема установки.
Установка содержит холодильный контур с последовательно соединенными элементами: компрессор 1, соленоидный вентиль 2, конденсатор 3, соленоидные вентили 4 и 5, терморегулирующий вентиль 6, вентиль 7, испаритель 8, вентиль 9, компрессор 1. К холодильному контуру через вентили 10 и 11, терморегулирующий вентиль 12 подключен гелиоэнергетический аккумулятор тепловой энергии 13, через вентили 14 и 15, терморегулирующий вентиль 16 биогенератор 17, а через вентили 18 и 19, терморегулирующий вентиль 20 подключен гелиоэнергетический термотрансформатор 22 и барорегулирующий вентиль «после себя» 21. Для осуществления реверсации работы установки (из режима работы холодильной машины в режим работы теплового насоса, как туда так и обратно) в холодильный контур дополнительно введена линия: компрессор 1, соленоидный вентиль 23, испаритель 8, соленоидные вентили 24 и 25, терморегулирующий вентиль 26, вентиль 27, конденсатор 3, и вентиль 28.
Водяной циркуляционный контур содержит последовательно соединенные элементы: термоизолирующее устройство 29, биофильтр 30, фильтр-заборник 31, насос 32, электромеханическую задвижку 33, конденсатор 3, задвижку 34, устройство для обработки воды кварцевой лампой 35, через задвижку 36, на аэраторы 37-39, а через задвижку 40 на смеситель 41.
Термоизолирующее устройство 29 - это изолированная конструкция типа теплицы, продолговатой формы, имеющей трапециевидное сечение водного русла. Это позволяет создавать лучший проток воды, а скорость воды при трапециевидном сечении канала не оказывает сильного разрушающего влияния на стенки канала. Прозрачная полиэтиленовая оболочка термоизолирующего устройства снаружи обогреваться гелиостатами за счет отражаемой энергии солнечной радиации.
Параллельно задвижке 34 через задвижеки 42 и 43 подключен гелиоэнергетический аккумулятор тепловой энергии 44, а через задвижеки 45 и 46 - биогенератор 47. Параллельно задвижке 33 через задвижки 48 и 49 подключен гелиоэнергетический термотрансформатор 22 к нагревательной стороне абсорбера, а через задвижки 50 и 51 подключена охлаждающая часть гелиоэнергетического термотрансформатора 22, льдонакопитель 52 и водяной насос 53. Задвижки 54 и 55 переключают соответствующие линии с теплой воды на холодную.
Линия подпитки водяного циркуляционного контура содержит последовательно соединенные элементы: фильтр-заборник 56 с обратным клапаном 57, водяной насос 58, смеситель 59, отстойник 60, аэротенк 61, задвижки 62, устройство для обработки воды кварцевой лампой 63, смесителя 41. Охлаждение испарителя 8 водой осуществляется из смесителя 59, через задвижку 64 и смеситель 65, куда подается вода через задвижку 66, а затем направляется через испаритель 8 прямотоком в водоем. Параллельно задвижке 62 через задвижки 67-68 подключен гелиоэнергетический аккумулятор тепловой энергии 69, а через задвижки 70-71 подключен биогенератор 72. Обогрев термоизолирующего устройства 29 осуществлятся при помощи гелиостатов 73-75.
Линия частичного сброса воды содержит последовательно соединенные элементы: смеситель 59, электромеханическая задвижка 64, смеситель 65, испаритель 8. Через электромеханическую задвижку 66 смеситель 65 подсоединен к водяному циркуляционному контуру.
Энергетический блок установки содержит гелиоэнергетические аккумуляторы тепловой энергии 13, 44, 69 и гелиостататы 73-75, фотобатарею для выработки электричества 76, гелиоэнергетическим термотрансформатором 22 для выработки тепла, холода и водного льда, ветрогенератор 77 для выработки электрической энергии и накопления ее в аккумуляторе электрической энергии 78, биогенераторы 17, 47 и 72 для выработки теплоты.
Логический блок ЭВМ 79 управляет энергетическими потоками всей установки и поддерживает температурные параметры воды в изотермическом устройстве: теплая среда - 16-18°С (при температуре водоема - 8-10°С) и холодная среда - 18-20 (при температуре водоема - 27-32°С).
Установка работает следующим образом.
Холодильный контур установки в режиме теплового насоса (подогрев воды) подключается и работает по следующей схеме: компрессор 1 нагнетает пары хладагента через вентиль 2 в конденсатор 3. При этом вентили 23 и 28 закрыты. Из конденсатора 3 жидкий хладагент через вентиль 4 (вентили 27 и 25 закрыты) и вентили 5, 10 и 14, терморегулирующие вентили 6, 12, 16 соответственно через вентиль 7 поступает в испаритель 8 (вентиль 24 закрыт), в гелиоэнергетический аккумулятор тепловой энергии 13, и в биогенератор 17. Отсос паров хладагента компрессором 1 осуществляется через вентили 9, 11, 15.
В режиме работы установки (тепловой насос) из термоизолирующего устройства 29, в котором находится подогреваемая вода через биофильтр 30, фильтр-заборник 31, отделяющий живые организмы, насосом 32 вода через задвижку 33 подается в конденсатор 3, а через электромеханическую задвижку 48, в нагревательную часть абсорбера гелиоэнергетического термотрансформатора 22, затем через задвижки 49 и 55 в конденсатор 3, где она нагревается теплом за счет конденсации холодильного агента, и затем через задвижку 34, устройство для обработки воды кварцевой лампой 35 и задвижку 36 проходит в аэраторы 37-39, где обогащается воздухом и подается обратно в термоизолирующее устройство 29. Через задвижку 40 теплая вода подается в смеситель 41, где смешивается со свежей водой из линии подпитки и попадает в термоизолирующее устройство 29. Охлаждение испарителя 8 при этом осуществляется холодной водой из смесителя 65, в который вода поступает из линии подпитки через смеситель 59 и задвижку 64 и водяного циркуляционного контура подогретой воды через задвижку 66, охлаждение с частично подогретой водой повышает работу конденсатора 3 в режиме работы теплового насоса.
Гелиоэнергетические аккумуляторы тепловой энергии 44 и 69 подключаются ночью через задвижки 42, 43 и 67, 68. Аналогичные функции выполняют биогенераторы 47 и 72, которые подключаются через задвижки 45, 46 и 70, 71, к водяному циркуляционному контуру подогретой воды и линии подпитки воды.
Холодильный контур установки в режиме холодильной машины (охлажденная вода) подключается и работает по следующей схеме: компрессор 1 нагнетает пары хладагента через вентиль 23 (вентиль 2 закрыт) в испаритель 8, где они конденсируются и через вентиль 24 (вентили 7 и 4 закрыты) вентиль 25, терморегулирующий вентиль 26 и вентиль 27 попадает в конденсатор 3, где кипит хладагент охлаждая воду, и затем через вентиль 28 пары хладагента отсасываются компрессором 1 (при этом вентиль 9 закрыт). Параллельной веткой жидкий хладагент из испарителя 8 через вентили 24 и 18 (вентили 5, 10, 11, 14 и 15 закрыты) и терморегулирующий вентиль 20 попадает в гелиоэнергетический термотрансформатор 22, где кипит, образуя лед, и пары отсасываются через барорегулирующий вентиль «до себя» 21 и вентиль 19 компрессором 1.
Параметры среды в термоизолирующем устройстве 29 поддерживаются датчиками, работающими на единый логический блок ЭВМ 79 управления всеми терморегулирующими (6, 12, 16, 20, 26) и соленоидными (2, 4, 5, 7, 9, 10, 11, 14, 15, 18, 19, 23, 24, 25, 27, 28) вентилями, электромеханическими задвижками (33, 34, 36, 40, 42, 43, 45, 46, 48, 49, 50, 51, 54, 55, 62, 64, 66, 67, 68, 70, 71), аппаратами 3, 8, 13, 17, 22, компрессором 1 и водяным насосом 53.
Энергетические потоки тоже управляются логическим блоком ЭВМ - 79. Днем идет накопление и расход электрической энергии через аккумулятор энергии 78 к электродвигателям механического компрессора 1 и водяным насосам 32, 53, 58 за счет работы панели с фотоэлементами 76 и ветрогенератора 77. Днем идет накопление и расход тепловой энергии за счет работы гелиоэнергетических аккумуляторов тепловой энергии 13, 44, 69 и гелиоэнергетического термотрансформатора 22. Подогрев воды в термоизолирующем устройстве 29 осуществляется дополнительно гелиостатами 73-75. Ночью накопленная энергия за счет работы ветрогенератора 77 и аккумулятора электрической энергии 78 осуществляет работу компрессора 1 и насосов 32, 53 и 58. Дополнительно тепловая энергия может вырабатываться за счет биогенераторов 17, 47 и 72, а накопление льда в льдонакапителе 52 за счет работы гелиоэнергетического термотрансформатора 22. Насосом 53 осуществляется охлаждение воды через лед в льдонаколителе 52 и возврат ее обратно в водяной циркуляционный контур.
Смесители 41, 59, 65 регулируют гидродинамику жидкостных потоков, очистка которых осуществляется за счет отстойника 60, аэротенков 61, биологического фильтра 30, механических фильтров 31 и 56, обогащение воды кислородом в контролируемой зоне осуществляется аэраторами 37-39.
Предлагаемая установка обеспечивает следующие преимущества:
Удобное обслуживание термоизолирующего устройства, в которых находятся гидробионты (простота удаления остатков корма, гумиса, осмотр и ремонт изолирующего контура, простота регулирования температурных градиентов и тепловых потоков водной среды);
- лучшая очистка воды от загрязнений, от биологических отходов, от болезнетворных микробов;
- меньшие капитальные затраты (возможность применения тепличных комплексов, один циркуляционный контур, реверсивная система термотрансформации теплоты);
на основании расчетов энергетических тепловых балансов в контролируемой среде при нагреве или охлаждении 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;
- установка может создавать биологически активную водную среду в изолированном объеме с наличием природных микроэлементов и микрофлоры.
При расчетах автономной работы установки принимались 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. Патент РФ №2031331, 1995.
2. Патент РФ №80543, 2009 (прототип).