УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2004 года по МПК F25C1/12 C02F1/22 

Изобретение предназначено для разделения жидкости на фракции с разной концентрацией растворенных в ней веществ и может быть использовано для очистки льда от вредных примесей, при опреснении воды и получении растворимых в жидкости веществ для бытовых и производственных нужд.

Известны способы замораживания воды, при которых воду охлаждают до образования льда [1, стр.449-467].

Для снижения во льду концентрации содержащихся в воде веществ воду перед замораживанием дистиллируют, кипятят или в процессе замораживания воду приводят в движение и ее примеси отсасывают из центра, либо при циркуляции воды примеси смывают с поверхности льда [1, стр.450].

При получении льда из дистиллированной воды требуются повышенные затраты времени и тепловой энергии для нагревания воды до кипения и превращения ее в пар.

При получении льда из кипяченой воды также требуются дополнительные затраты времени и тепловой энергии для нагревания воды до кипения. При этом в воде уничтожаются микроорганизмы и примеси с температурой кипения ниже 100^oС, но не удаляются растворимые в ней соли.

При обеспечении движения воды в процессе замораживания для удаления примесей требуются дополнительные затраты энергии для организации потока воды и повышенный расход воды на удаление примесей.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ замораживания питьевой водопроводной воды, при котором емкость с неподвижной водой охлаждают снаружи до образования льда в морозильной камере домашнего холодильника [1, стр.466 (прототип)].

При таком способе требуются минимальные затраты энергии на получение пищевого льда и исключаются затраты на доставку льда к потребителю, на хранение льда и его потери в период транспортировки и хранения.

Однако при осуществлении этого способа не удаляются содержащиеся в воде вещества. В ряде случаев концентрация этих веществ превышает предельно допустимые значения, например при перегрузках оборудования физико-химической обработки питьевой водопроводной воды в экологически неблагоприятных районах, в период наводнений или половодья.

Цель изобретения - снижение затрат времени и энергии для разделения жидкости на фракции с разной концентрацией растворимых в ней веществ.

Для этого при осуществлении известного способа замораживания воды, при котором емкость с неподвижной жидкостью охлаждают снаружи до образования в ней льда, в процессе замораживания часть незамерзшей жидкости выдавливают из центральной части за пределы емкости.

Кроме того, для уменьшения концентрации веществ во льду жидкость после замораживания нагревают до полного растопления льда, затем вновь замораживают.

Для осуществления способа известное устройство, содержащее заполненную неподвижной жидкостью емкость, снабжено крышкой и установленным в ней трубчатым элементом. Нижний торец этого элемента расположен в зоне незамерзшей жидкости, а верхний над - крышкой.

Для уменьшения сопротивления выводу незамерзшей жидкости через трубчатый элемент и выемке льда из емкости трубчатый элемент выполнен двухслойным. Внутренний слой этого элемента выполнен из материала с меньшим, а наружный с большим, чем у льда, значением коэффициента теплопроводности.

Для увеличения количества выводимой незамерзшей жидкости с повышенной концентрацией веществ нижний участок трубчатого элемента выполнен перфорированным.

Для исключения транспортных расходов и потерь льда в период транспортировки и хранения или увеличения концентрации веществ в незамерзшей жидкости путем производства льда на месте его потребления или снижения температуры льда при размещении устройства в морозильной камере устройство оснащено размещенными на наружной поверхности емкости и крышки термоэлектрическими батареями с холодными и горячими спаями, на которых с противоположной от емкости и крышки стороны установлены теплообменники.

Для обеспечения замораживания верхнего слоя жидкости при повторном замораживании, увеличения скорости замораживания и облегчения дробления льда крышка со стороны емкости выполнена с оребрением.

Для повышения эффективности охлаждения верхнего слоя жидкости в емкости и увеличения скорости высушивания концентрированного раствора веществ при размещении устройства в среде с положительными температурами теплообменник размещенных на крышке термоэлектрических батарей выполнен в виде открытой сверху емкости.

Для увеличения скорости замораживания и облегчения дробления льда емкость с внутренней стороны выполнена с оребрением.

Сущность изобретения основана на зависимости растворимости веществ в жидкости от ее температуры и давления и на увеличении объема воды при ее замерзании.

На чертеже схематично изображены примеры устройства для осуществления способа:
- на фиг.1 показано устройство для очистки пищевого льда в морозильной камере;
- на фиг. 2 - устройство с установленными на емкости и крышке термоэлектрическими батареями.

Устройство содержит (фиг. 1) заполненную неподвижной водой емкость 1 с крышкой 2, которая выполнена с оребрением 3. В крышке 2 установлен трубчатый двухслойный элемент. Нижний торец этого элемента размещен в зоне незамерзшей жидкости, а верхний - над крышкой. Наружный слой трубчатого элемента выполнен из алюминиевой трубки 4, а внутренний - из фторопластовой трубки 5. Нижний участок трубчатого элемента выполнен перфорированным в виде отверстий 6. Устройство может быть установлено в морозильной камере 7, например, домашнего холодильника.

На наружной поверхности емкости 1 и крышки 2 размещены (фиг.2) термоэлектрические батареи 8 с холодными и горячими спаями, на которых с противоположной от емкости 1 и крышки 2 стороны установлены теплообменники 9. Теплообменники размещенных на емкости 1 термоэлектрических батарей выполнены в виде игольчатого или пластинчатого оребрения 10, а размещенных на крышке 2 - в виде открытой сверху емкости 11. Устройство может быть установлено на подставке 12. Кроме того, емкость 1 с внутренней стороны может быть выполнена с оребрением 13.

В качестве воды может быть использован также и водный раствор любого растворимого в воде вещества.

В качестве материалов трубчатого элемента могут быть использованы также и любые другие, удовлетворяющие условию выполнения внутреннего слоя с меньшим, а наружного - с большим, чем у льда, значением коэффициента теплопроводности.

Количество отверстий 6 также может быть и любым другим.

В качестве морозильной камеры 7 также может быть использована и любая другая среда с отрицательным значением температуры.

Конструкция теплообменников 9 и оребрений 3 и 13 может быть и любой другой.

В процессе охлаждения наружных поверхностей емкости 1 и крышки 2 до образования льда в емкости 1 появляется разность температур между прилегающими к стенкам емкости 1 и крышке 2 слоями и центральной частью воды. Вследствие этого концентрация растворенных в воде веществ в прилегающих к стенкам емкости 1 и крышке 2 слоях уменьшается, а в центральной части увеличивается. Лед начинает образовываться по периферии емкости и герметизирует незамерзшую центральную часть воды. По мере увеличения толщины льда его объем увеличивается, повышается давление незамерзшей воды и концентрация растворенных в ней веществ, и она через нижний торец трубки 5 и отверстия 6 выдавливается за пределы емкости 1 на крышку 2. Благодаря теплоизоляционным свойствам льда и материала трубки 5 жидкость в ней замерзает в последнюю очередь. Этому способствует и повышенная концентрация веществ в незамерзшей центральной части воды.

После замораживания всего объема воды устройство вынимают из камеры 7 и нагревают при положительной температуре окружающей среды, либо обливают водопроводной или горячей водой. При достижении поверхностями льда и трубки 4 температуры плавления льда открывают крышку 2, а лед вынимают и используют по назначению.

При необходимости более высокой степени очистки пищевого льда его замораживают до более низкой температуры или после полного растопления льда в емкости 1 замораживание повторяют.

При повторном замораживании уровень воды в емкости 1 снижается, и верхние слои воды охлаждаются через оребрение 3 крышки 2.

В представленном на фиг.2 устройстве охлаждение емкости осуществляется с помощью термоэлектрической холодильной установки. Нагревание устройства для выемки льда или его растопления осуществляют путем изменения полярности поступающего к термоэлектрическим батареям 8 электрического тока. При охлаждении холодные спаи батарей 8 примыкают к поверхности емкости 1 и крышки 2, а при нагревании - к теплообменникам 9 и 11.

Осушение концентрированного раствора в емкости 11 производят как в период замораживания воды, так и после снятия крышки 2 с емкости 1, используя выделяемую термоэлектрическими батареями тепловую энергию. В остальном принцип действия аналогичен рассмотренному для устройства, представленного на фиг.1.

Положительный эффект от использования изобретения достигается благодаря расширению функциональных возможностей холодильного оборудования, которое используется как для охлаждения, так и разделения жидкости на фракции с разной концентрацией растворенных в ней веществ с меньшими затратами, по сравнению с прототипом, времени и энергии. Это позволяет, например, при производстве пищевого льда повысить качество продукции за счет очистки льда от вредных примесей в процессе замораживания или при опреснении например, морской воды с одновременным получением пресной воды и морской соли производить с меньшими затратами времени и энергии, благодаря использованию при осушении морской соли бросовой тепловой энергии холодильной установки.

Источники информации
1. Холодильная техника: Энциклопедический справочник в 3-х томах. Том 2. Применение холода в промышленности и на транспорте. - М.: Госторгиздат, 1961.

Изобретение предназначено для использования при замораживании жидкости, очистке льда от вредных примесей, опреснении воды и получении растворимых в жидкости веществ для бытовых и производственных нужд. Устройство содержит емкость для заполнения неподвижной жидкостью, крышку, установленный в ней трубчатый двухслойный элемент. Нижний торец элемента расположен в зоне незамерзающей жидкости, а верхний - над крышкой. Изобретение обеспечивает повышение качества продукции за счет очистки пищевого льда от вредных примесей в процессе замораживания без увеличения затрат энергии или при опреснении морской воды позволяет одновременно производить пресную воду и морскую соль, используя при получении морской соли бросовую тепловую энергию холодильной установки. 2 ил.

Устройство для замораживания жидкости, содержащее емкость для заполнения неподвижной жидкостью, снабженную крышкой с установленным в ней трубчатым элементом, верхний торец которого расположен над крышкой, отличающееся тем, что элемент выполнен двухслойным, причем трубчатый внутренний слой выполнен из материала с меньшим, а наружный с большим, чем у льда, значением коэффициента теплопроводности, при этом нижний торец трубчатого элемента расположен в емкости в зоне центральной незамерзающей части жидкости, и нижний участок трубчатого элемента выполнен перфорированным.