Способ охлаждения воды и устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК F25C1/00 A01J9/04 

Изобретение относится к пищевой, химической промышленности, холодильной технике, сельскому хозяйству и предназначено для получения ледяной воды.

Известно, что на предприятиях, работа которых связана с эксплуатацией холодильных установок с технологическими режимами близкими к 0°С и характеризующихся неравномерной тепловой нагрузкой, весьма эффективно использовать аккумулирование холода. Холод может накапливаться в периоды с малыми тепловыми нагрузками и использоваться в процессе работы и при необходимости снятия пиковых нагрузок на холодильную установку.

Известен способ охлаждения молока, при котором производят наращивание льда на панелях испарителя, размещенных в резервуаре аккумулятора (см. а.с. №1537989). Недостатком данного способа является отсутствие отрывного течения охлаждаемой жидкости и вследствие этого низкий теплосъем.

Известен способ охлаждения жидкости и устройство для его осуществления (см. патент РФ №2043711). Способ предусматривает подачу в емкость жидкости и размещение в наиболее нагретом ее слое теплообменника. Недостатком этого способа является ограниченная область применения для охлаждаемой жидкости с различными удельными плотностями, высокое энергопотребление, а так же технологическая сложность.

Известен способ охлаждения молока и устройство для его осуществления (см. патент РФ №1794235).

К недостаткам данного устройства можно отнести: высокие энергетические затраты на охлаждение, составляющие не менее 25 кВт⋅ч электроэнергии на тонну охлажденного молока; сложность установки, содержащей два теплообменных аппарата оросительного типа, первый - для охлаждения молока «ледяной» водой, второй - для аккумуляции льда, что приводит к дополнительным капитальным затратам на теплообменную поверхность по сравнению, например, с танками-охладителями молока. Применение водоледяного аккумулятора невозможно без разности температур, влекущей за собой термодинамические потери, снижая при этом эффективность цикла холодильной машины. Теплообмен через стенку между водой (промежуточный теплоноситель) и, например, молоком требует соответствующей разности температур и, следовательно, дополнительной работы термодинамического цикла.

Известен способ RU2402899C2 принятый за прототип. Способ предусматривает орошение охлаждаемой жидкости на поверхность теплообменника. Жидкость подается на наружную поверхность теплообменника, которую охлаждают изнутри холодильным агентом из ряда хладонов. К недостаткам данного устройства относятся невозможность аккумулирования холода и соответственно, излишние энергетические затраты на охлаждение жидкости.

Целью настоящего изобретения является интенсификация способа получения ледяной воды и стабилизация ее температуры на выходе из аппарата на предприятиях пищевой промышленности.

Цель достигается благодаря тому, что данное изобретение сочетает преимущества пленочного течения и фазового перехода (плавления) с периодическим разрушением ламинарного подслоя на границе раздела фаз между охлаждаемой жидкостью и льдом. Периодическое разрушение ламинарного подслоя наиболее явственно проявляется при горизонтально - отрывном течении воды с падением струи на следующий уровень ниже расположенных труб со льдом. Пленочное течение представляет собой вид так называемой пассивной турбулизации потока, поэтому при прочих равных условиях оно характеризуется существенно более высокой интенсивностью теплоотдачи по сравнению с процессами, протекающими в объеме жидкости (воды) или в полностью заполненных каналах. Это обусловлено тем, что вертикально стекающая пленка - это энергетически активная среда, за счет гравитационных сил и всегда покрытая волнами: синусоидальными, переходящими в трехмерное беспорядочное движение, а затем - в ударные волны, покрытые сетью вторичных мелких капиллярных волн, дополнительно интенсифицирующих процессы в пленочном слое. При этом толщина (диаметр) намораживаемого льда на витках теплообменника должна составлять не более 4-х диаметров используемой трубки. Для предотвращения слипания льда, аппарат оснащен специальным устройством для отключения холодильный машины при достижении заданного диметра льда на трубках.

Технической задачей является повышение удельного теплосъема за счет обеспечения стабильного пленочно-отрывного течения воды и снижение энергетических затрат на ее охлаждение.

Это достигается тем, что охлаждаемую воду подают непосредственно на наружную поверхность после сформированного на теплообменнике определенного слоя льда, при этом соотношение максимального (внешнего) диаметра витка коаксиального витого теплообменника к общей высоте коаксиального теплообменника составляет не более 1 к 3. Заданная форма определяется за счет соблюдения определенного шага L_ш=2r_льда+2r_трубки+l_{зазора л-л} и угла наклона между витками труб, составляющего: в зависимости от диаметра спирали, с учетом сохранения компактности теплообменника. Все спирали теплообменника навиты в одну сторону.

Устройство имеет форму вертикально расположенного коаксиального теплообменника в емкости бака, минимальный диаметр бака подбирается из расчета: d_{витка max} + r_трубки+ r_льда+ l_{зазора с-л}.

Конструирование устройства с нарушением данных зависимостей может привести, либо к замерзанию льда в единую массу, либо образованию зазоров достаточно больших для свободного пролета охлаждаемой воды мимо льда, что повлечет повышение температуры воды на выходе. Оба этих варианта приведут к не рациональной работе теплообменника.

Температура охлажденной в течение работы льдоаккумулятора воды на выходе составляют 0 - 4 °С, что востребовано, например, в молочной промышленности и позволяет охлаждать молоко до максимально низкой температуры без риска подмораживания. Данный способ получения ледяной воды реализован в устройстве льдоаккумулятора с пленочно отрывным течением.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит бак 1, коаксиальный теплообменник 2, холодильную машину 3, спускной вентиль 4, ороситель 5, ограничители потока жидкости 6, специальные сетчатые отражатели 7, опорные стойки 8.

На фиг.2 представлен спускной вентиль с сетчатой вставкой для улавливания осколков льда

Устройство, работает следующим образом.

В периоды пониженной тепловой нагрузки (например, в ночное время при понижении тарифов энергопотребления на производстве), бак 1 с теплообменником 2, заполняют полностью водой (т.е. до тех пор, пока уровень жидкости не будет превышать самый верхний виток на высоту, равную расчетной толщине льда образующейся на трубке теплообменника по завершению процесса его намораживания). Включают холодильную машину 3, соединенной с теплообменником, холодильная машина работает до тех пор, пока не будет достигнута необходимая толщина слоя льда на трубках теплообменника.

После выключения холодильной машины воду температурой от 0 до 1.5 градусов Цельсия из емкости сразу используют как готовый объем ледяной воды, во время начала работы устройства. После использования оставшейся при остановки холодильной машины ледяной воды, из оросителя 5, подают охлаждаемую воду, а за счет использования направляющего поток воды ограничителя 6, обеспечивается ее равномерное распределение по всему периметру (диаметру) теплообменной поверхности. Спускной вентиль для подачи охлаждаемой воды потребителю 4 - фиг.2 в нижней части бака, оснащен сеткой улавливающей откалывающийся лед с труб в рабочем режиме, что позволяет использовать весь накопленный лед. Для предотвращения стекания охлаждаемой жидкости без контакта с ледовой поверхностью в устройстве предусматриваются специальные сетчатые отражатели 7, установленные вокруг теплообменника на опорные стойки 8, и возвращающие охлаждаемую воду на ледовую поверхность.

Изобретение относится к пищевой, химической промышленности, холодильной технике, сельскому хозяйству и предназначено для получения ледяной воды. Способ охлаждения воды включает первичное погружение в нее всей поверхности теплообменника, который охлаждают изнутри, с последующим орошением поверхности образованного на теплообменнике льда охлаждаемой водой. Способ состоит из двух стадий, на первой из которых на поверхности вертикально расположенного в баке теплообменника, состоящего по меньшей мере из двух коаксиально завитых в одну сторону труб, наращивают слой льда толщиной не более четырех диаметров трубы, на которой он намораживается, не допуская замораживания льда на соседних витках, а на второй – отключают холодильную машину и сливают незамерзшую воду, после чего орошают ледовую поверхность на теплообменнике охлаждаемой водой в режиме стабильного пленочного отрывного течения. Устройство для осуществления способа охлаждения воды содержит холодильную машину, водяной насос, ороситель, бак для воды и теплообменник. В нижней части бака имеется сетчатый улавливатель осколков льда. Техническим результатом является повышение удельного теплосъема за счет обеспечения стабильного пленочно-отрывного течения воды и снижения энергетических затрат на ее охлаждение. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ охлаждения воды, включающий первичное погружение в нее всей поверхности теплообменника, который охлаждают изнутри, с последующим орошением поверхности образованного на теплообменнике льда охлаждаемой водой, отличающийся тем, что способ состоит из двух стадий, на первой из которых на поверхности вертикально расположенного в баке теплообменника, состоящего по меньшей мере из двух коаксиально завитых в одну сторону труб, наращивают слой льда толщиной не более четырех диаметров трубы, на которой он намораживается, не допуская замораживания льда на соседних витках, а на второй - отключают холодильную машину и сливают незамерзшую воду, после чего орошают ледовую поверхность на теплообменнике охлаждаемой водой в режиме стабильного пленочного отрывного течения.

2. Устройство для осуществления способа охлаждения воды по п. 1, содержащее холодильную машину, водяной насос, ороситель, бак для воды и теплообменник, при этом шаговый угол наклона витков по меньшей мере двух коаксиально завитых в одну сторону труб теплообменника определяется отношением а в нижней части бака имеется сетчатый улавливатель осколков льда, откалывающихся в процессе охлаждения воды.

3. Устройство по п. 2, в котором оптимальные размеры бака подбираются из расчета d_{витка max} + r_трубки + r_льда + 1_{зазора с-л}.