Генератор водяного жидкого льда

Полезная модель относится к производству льда, в частности водяного жидкого, от тепловых насосов в системах автономного отопления и горячего водоснабжения отдельных групповых потребителей, расположенных в прибрежных районах рек, озер и в районах с другими источниками воды, использующих энергию фазового перехода вода-лед. При этом получаемый водяной жидкий лед может быть использован как холодильный агент и при удалении воды в качестве товарного льда.
Известны множества типов генераторов водяного льда (чешуйчатого, блочного и т.п.), но все они не могут непосредственно быть применены в системах теплоснабжения, в которых используется тепло скрытой теплоты фазового перехода вода - лед, так как разрабатывались конкретно для получения водяного льда в виде кубиков, кусков, чешуек (А.С. СССР №132244, опубл. в бюл. №19 за 1960; А.С. СССР №706809,опубл. 09.07.1965; А.С. СССР №185351, опубл.; А.С. СССР №185351, опубл.; А.С. СССР №189452, опубл. 30.11.1966 и др.). В большинстве этих устройств отделение льда с поверхности заморозки проводится с помощью различных скребковых механизмов, периодическим нагревом поверхности заморозки или автоматически.
Известен способ генерирования льда (Пат. РФ №2490567, опубл. 20.08.2013), в котором получают слой вода + лед и используют устройство, включающее корпус, в котором установлена эластичная мембрана таким образом, чтобы между корпусом и мембраной образуется камера для подачи в нее и удаления хладагента с отрицательной температурой, насос для орошения водой поверхность мембраны, насадку для орошения водой мембраны. При изменении формы мембраны чешуйки льда отделяются от поверхности мембраны и падают в нижнюю часть корпуса с образованием слоя воды и чешуек льда. Слой воды и льда удаляют вручную или автоматически. Изобретение направлено на упрощение получения льда при уменьшении энергоемкости. Однако ничего не сказано о том, что устройство по этому способу генерирования льда применяют в системе теплоснабжения, в которой используют энергию фазового перехода вода-лед.
Известен генератор льда и способ генерирования льда (Пат. РФ №2454616, опубл. 27.06.2012). Генератор льда содержит 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. Между насосом и теплообменником подключен расширительный бак, а теплообменник представляет собой проточный корпус с патрубками ввода и вывода хладагента, фланцем подачи воды и фланцем вывода смеси воды и кристаллов льда. Между фланцами размещен эластичный элемент (труба), внутренняя поверхность которого покрыта антиадгезионным покрытием. Воду прокачивают через теплообменник, удаляют образующийся лед. Воду из емкости подают через подающий трубопровод насосом в расширительный бак и внутрь эластичного элемента, который расположен в теплообменнике и омывается хладагентом, который охлаждается до отрицательной температуры. Давление хладагента устанавливают меньше давления воды в эластичном элементе. При заполнении расширительного бака открывают клапан с уменьшением давления в эластичном элементе. Отделившиеся при деформации упругого элемента от его внутренней поверхности кристаллы льда вместе с потоком воды по отводной трубе поступают в емкость. Использование данной группы изобретений позволяет осуществить процесс получения льда непрерывно при высокой эффективности процесса.
Указанный генератор льда системы отопления может быть использован в качестве ближайшего аналога.
Недостатком этого генератора льда системы отопления следует признать то, что он привязан к конкретному бассейну для накопления льда и имеет сложную систему изменения давления воды, идущей на заморозку на поверхности эластичной трубы.
Техническая задача, решаемая посредством настоящего технического решения, состоит в разработке генератора водяного жидкого льда, выполняющего роль испарителя теплового насоса в системах теплоснабжения с тепловыми насосами за счет получения дополнительной энергии фазового перехода, выделяющейся при замерзании воды на внутренних поверхностях эластичных труб льдогенератора, на которых снаружи испаряется хладагент теплового насоса. Давление воды в эластичных трубах периодически снижается при помощи перекрытия входных отверстий за счет реактивной силы истекающей воды из тангенциальных сопел вращающегося ротора. При этом при понижении давления воды в перекрываемых ротором эластичных трубах происходит их сжатие и уменьшение внутреннего диаметра труб и деформация (разрушение) тонкого слоя льда и отделение его от внутренней поверхности. После открытия отверстий в этих эластичных трубах их размер восстанавливается до прежнего и отделившийся, разрушенный на мелкие частицы намороженный лед уносится потоком воды. Водо-ледяная смесь «жидкий лед» может быть непосредственно использована как хладагент или в виде отделенного из нее льда как товарный продукт или сброшен в тот же водоем, откуда поступает вода, идущая в генератор льда - испаритель теплового насоса.
Технический результат, получаемый в результате реализации полезной модели, состоит в упрощении процесса изменения давления воды, идущей на заморозку на поверхности эластичных труб.
Для достижения указанного технического результата в генераторе водяного жидкого льда, включающем теплообменник в виде проточного корпуса с патрубками ввода и вывода хладагента теплового насоса, фланцем подачи воды и фланцем вывода смеси воды и кристаллов льда с размещенными между фланцами эластичными трубами с внутренним антиадгезионным покрытием, фланцы подачи воды и фланцы вывода смеси воды и кристаллов льда выполнены в виде досок с равномерно распределенными на них отверстиями, в которых герметично закреплены трубы из эластичного материала с внутренним антиадгезионным покрытием, доски герметично соединены с фланцами корпуса и крышками подвода воды и вывода смеси воды и кристаллов льда, внутри крышки подвода воды установлен на пластиковых подшипниках полый ротор с внутренним каналом, связывающим подвод воды с внутренней полостью крышки подвода воды через ряд отверстий на стенке, плотно прилегающей к доске, эти отверстия строго расположены на радиусах, на которых выполнены отверстия в доске; также на противоположных концах полого ротора на стенках, перпендикулярных плоскости досок, выполнены отверстия для закрепленных в них тангенциальных сопел в направлении, обеспечивающем при истечении из них воды, реактивной силы, приводящей во вращение ротор.
Испаритель теплового насоса выполнен в виде генератора жидкого водяного льда по типу кожухотрубчатого теплообменника с трубами из эластичного материала и с равномерным перекрытием отверстий трубок посредством вращающегося полого ротора под действием реактивной силы истекающих струй из тангенциальных сопел на роторе (фиг. 1, 2).
Предлагаемый генератор водяного жидкого льда иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.
На фиг. 1 показан продольный разрез генератора водяного жидкого льда, на фиг. 2 - поперечный разрез по А-А.
Генератор водяного жидкого льда включает: 1 - корпус; 2 - крышка задняя; 3 - крышка передняя; 4 - полый ротор; 5 - сопла; 6 - доска задняя; 7 - доска передняя; 8 - трубы пластиковые с внутренним антиадгезионным покрытием; 9 - фланец ввода воды; 10 - фланец вывода жидкого льда; 11 - фланец ввода жидкого фреона из теплового насоса; 12 - фланец вывода газообразного фреона в тепловой насос.
Для обеспечения скачков давления в трубах 8 перед входной передней доской 7 установлен на шарнире вращающийся полый ротор 4, приводимый в движение реактивной силой тангенциальных струй из сопел 5. Вращающийся полый ротор 4 установлен на полуосях: полой в крышке передней 3 подвода воды и стержневой в отверстии передней трубной доски 7. В полом роторе 4 на прилегающей к трубной доске 7 стенке выполнены по диаметру ряд продольных отверстий, через которые вода может попадать в пары отверстий в трубной доске 7 на всех диаметрах. На концах полого ротора 4 по касательной к наружному диаметру корпуса 1 выполнены сопла 5, через которые истекающая вода создает реактивную силу и вращающий момент ротору 4. Под действием этого момента ротор 4 вращается и открывает отверстия в трубной доске 7 и затем их закрывает. При этом изменяется разница давлений между фреоном вокруг труб 8 и воды в них. От этого изменяется диаметр трубок 8 и от стенок трубок 8 отваливаются частички образовавшегося льда и уносятся потоком воды (т.е. происходит периодическое сжатие и расширение эластичных труб 8).
л
Для данной конструкции генератора водяного жидкого льда определим необходимую площадь поверхности теплообмена при заморозке на эластичном элементе льда толщиной δ=1 мм.
ст
ст
3
2
-5
Принимаем фторопластовую трубу диаметром d=40 мм и толщиной стенки δ=1,5 мм по [ГОСТ 32415-2013 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ ТРУБЫ НАПОРНЫЕ ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ К НИМ ДЛЯ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОТОПЛЕНИЯ. Общие технические условия. Дата введения 2015-01-01]. Фторопласт-4 Химическая формула (CF). Плотность 2,2 г/см. Предел прочности 15…27 Н/мм Температура разложения 415°С Удельная теплоемкость 1040 Дж/(кг⋅К). Теплопроводность λ=0,25 Вт/(м⋅K). Коэффициент теплового расширения (8…25)⋅10.
Коэффициент теплопередачи от воды через слой льда и стенку трубы к кипящему фреону:
w
л
л
ст
ст
фр
2
k=1(1/α+δ/λ+δ/λ+1/α)=1/(1/400+0,001/2,21+0,0015/0,25+1/2000)=105,82 Вт/(м⋅K).
w
2
где α=400 Вт/(m⋅К) - коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности льда;
фр
2
α=2000 Вт/(м⋅К) - коэффициент теплоотдачи от фреона к поверхности стенки трубы при кипении;
л
λ=2,21 Вт/(м⋅K) - теплопроводность льда.
Определяем площадь теплопередачи:
под
3
2
F=Q/(k⋅Δt)=2000⋅10/(105,82⋅15)=1260 м.
Определяем длину трубы:
L=F/(π⋅d)=1260/(π⋅0,04)=10027 м.
При длине теплообменника l=10 м будем иметь 1003 трубы.
Площадь поперечного сечения эти труб составит
попер
2
2
2
F=1003π⋅d/4=1003⋅π⋅0,04/4=1,26 м.
дос
2
Примем доску площадью в 2 раза больше общей площади труб F=3,52 м. Тогда наружный диаметр доски составит:
дос
дос
0,5
0,5
D=2(F/π)=2(3,52/π)=2,12 м.
Давление кипения большинства фреонов при температуре -15°С не превышает 1 бар. Например, для R134 - это 0,67 бар. При таком давлении теплопередающие эластичные трубы и корпус теплообменника будут иметь достаточный запас прочности.
Расход воды для обеспечения требуемой передачи тепла при 50% льда в воде составит:
вод
лΣ
3
3
G=2⋅G=2⋅6=12 кг/с=0,012 м/с=43,2 м/ч.
При открытых отверстиях в трубной доске скорость в трубках составит:
вод
2
2
w=4G(50⋅π⋅d)=4⋅0,012/(50⋅π⋅0,04)=0,19 м/с.
На ротор 4 будут действовать две силы давления в направлении, противоположном направлению скорости истечения жидкости:
R
5
-5
F=2⋅(pgh)⋅S=2⋅2⋅10⋅126⋅10=503Н,
где
5
(pgh)=2⋅10 Па - перепад давления на сопле (0,2 ата);
2
2
-5
2
S=π⋅d/4=π⋅0,04/4=126⋅10 м - площадь сопла.
Момент от этих сил составит:
R
M=2⋅R⋅F=2⋅1⋅503=1006 нм,
где R=1 м - плечо действия силы.
Этого момента достаточно, чтобы преодолевать сопротивление трения в пластмассовых подшипниках ротора.
Струи теплой воды, направленные в сторону отверстий доски периодически будут попадать в эти отверстия и затем омывать поверхность доски между отверстиями и при этом сбивать и плавить, образовавшийся слой льда на поверхности доски.
Расчеты показывают, что система теплоснабжения от теплового насоса с предлагаемым генератором жидкого водяного льда, выполняющего роль испарителя теплового насоса, вполне реализуема.