ОХЛАДИТЕЛЬ ПИТАТЕЛЬНОГО РАСТВОРА Российский патент 2024 года по МПК F28D11/02 F28D15/02 

В условиях жаркого и засушливого климата охлаждение питательного раствора в тепличных производствах с гидропонными технологиями является актуальной и важной технологической задачей. Применяемые в системах охлаждения питательных растворов теплообменные аппараты, в дальнейшем «охладители раствора», малоэффективны с точки зрения теплообмена, громоздки и требуют значительных затрат энергии холодильными машинами. В предлагаемой конструкции охладителя раствора использована двухкорпусная компоновка аппарата, а в качестве теплопередающих элементов использованы тепловые трубки (НР - heat pipe) или замкнутые двухфазные термосифоны (CTFT - closed two-phase thermosiphon) с промежуточным теплоносителем. Внутренний аппарат имеет квадратную форму, что позволяет разместить в стенках максимально возможное количество теплопередающих элементов. Наружный аппарат имеет в плане форму шестигранника. Тепловые трубки размещены в стенках внутреннего аппарата. Теплый питательный раствор подают в полость внутреннего аппарата через отверстия в верхней крышке. Так как скорость подачи раствора во внутренний аппарат очень низкая и не превышает 0,125 м / сек, то интенсификацию теплообмена на тепловоспринимающей поверхности тепловых трубок повышают за счет вращения внутреннего аппарата. Это позволяет увеличить коэффициент теплопередачи в 2.5-3.0 раза. Теплоотдающие участки тепловых труб размещены в кольцевом пространстве, которое находится между стенками внутреннего и наружного аппарата. Теплоотводящие участки омываются потоком холодоносителя с температурой +2°C или -2°C. Температура теплоносителя на входе в кольцевое пространство зависит от требуемого интервала охлаждения. Для предотвращения попадания холодоносителя в питательный раствор на крышках внутреннего аппарата и на сопряженной поверхности кольцевых фланцев наружного аппарата установлены лабиринтные уплотнения. В нижнем фланце внутреннего аппарата закреплен пустотелый вал, через который охлажденный раствор сливают в отстойник. Применение элементов со сверхвысокой теплопроводностью позволило уменьшить габариты и снизить вес охладителя в несколько раз, по сравнению с известными конструкциями охладителей.

Область применения

Предлагаемое изобретение найдет широкое применение в сельском хозяйстве, в частности в тепличных производствах промышленного выращивания различных сельскохозяйственных культур. Кроме того, предлагаемый аппарат может с успехом применяться в технологиях пищевой и химической промышленности.

Существующие аналоги

Гидропонные технологии выращивания различных сельскохозяйственных культур в тепличных производствах имеют ряд преимуществ по сравнению с выращиванием на искусственном грунте [Уильям Тексье. Гидропоника для всех. Все о садоводстве на дому. М. HydroScope, 2013, 296 pp.]. Самым большим недостатком тепличных хозяйств является повышенные температуры гидропонного раствора или почвы. Оптимальным интервалом температуры гидропонного раствора для большинства культур является температура 18-24°С. Для охлаждения питательного раствора в гидропонных технологиях применяют различного типа охладители воды - чиллеры. В чиллерах используют фреоновые холодильные машины с установленной мощностью электрических двигателей 0.25 кВт для охладителя на 100 литров в час и 3.5 кВт - для охладителя в 2000 литров в час. Указанные охладители имеют компрессорную холодильную машину и ванну для охлаждения гидропонного раствора. В ванну помещен змеевик, по которому прокачивают или холодильный агент или холодоноситель [https://plantgrower.ru].

В гидропонных теплицах, расположенных в жарких и сухих климатических условиях, используют охладители фирм: Carrier (USA), E2PS-GmbH (Germany), DEGA SPA (Italia) [https://www.directindustry.com.ru]. Указанные фирмы поставляют компрессорные тепловые насосы, которые охлаждают питательный раствор в емкостях или ваннах. Компания TAICH (China) изготавливает промышленные охладители воды и растворов с винтовыми компрессорами. При охлаждении чистой воды, когда скорости охлаждаемой жидкости и холодоносителя соизмеримы и находятся в пределах энергетической эффективности, указанные охладители достаточно эффективны. При охлаждении гидропонных растворов, у которых расход небольшой и очень низкая скорость течения, все применяемые охладители имеют малый коэффициент полезного действия.

Основные недостатки таких охладителей питательного раствора:

- большой расход электроэнергии при минимальных расходах охлаждаемого раствора;

- Низкая экономическая эффективность при достаточно больших капитальных затратах на приобретение и установку таких охладителей;

- Поверхность теплообмена быстро покрывается органическими и механическими загрязнениями, что снижает и так низкий коэффициент теплопередачи;

- В конструкциях охладителей, которые выполнены в виде цилиндрического бака с погруженным в него змеевиком, наблюдается наиболее низкий коэффициент теплопередачи и быстрое зарастание поверхности змеевика отложениями.

В предложенной конструкции охладителя питательного раствора инновационные предложения направлены на интенсификацию теплообмена при охлаждении жидкости. Использование квадратной формы внутреннего аппарата, позволил равномерно разместить тепловые трубки по высоте аппарата, что уменьшило габаритные размеры и вес.

Известны и другие публикации, в которых рассматриваются технологические и технические проблемы охлаждения питательных растворов в гидропонных технологиях:

1. https://www.fruit-inform.com/ru/news/177141#.W2wmyrh9jBk;

2. https://floragrowing.com/ru;

3. http://rootssat.com/technologies/rzto/;

4. The benefits of Water Chillers HYDROEXPERTS [https://www.hydroexperts.com.au]

5. Бентли М. Б. Промышленная гидропоника. Перевод с англ., Из-во «Колос», М., 1965. 376 стр.

Подписи к рисункам

Рис. 1. Конструктивная схема охладителя питательного раствора;

Рис. 2. Конструктивная схема размещения тепловых трубок в аппарате (2);

Рис. 2а. Конструкция крепления тепловых трубок в стенке аппарата (2).

Конструктивная и патентная новизна

На рис. 1 приведена конструктивная схема охладителя питательного раствора. Охладитель относится к теплообменным аппаратам, в которых используют тепловые трубы (ТТ - heat pipe) или замкнутые двухфазные термосифоны (CTFT - closed two-phase thermosiphon) с промежуточным теплоносителем. Принцип работы указанных теплопередающих устройств одинаков, поэтому в дальнейшем будет использоваться только термин "тепловая трубка". Охлаждение питательного раствора производят холодоносителем, который предварительно охлажден в холодильной машине. В качестве холодоносителя используются водные растворы этиленгликоля, хлористого кальция или хлористого натрия.

Охладитель представляет собой компоновку двух (1) и (2) соосных аппаратов. Аппарат (1) в плане имеет форму шестигранника. Аппарат (2) имеет квадратную форму. Аппарат (1) наружный, а аппарат (2) размещен внутри аппарата (1). Охладитель закреплен на основании (3), при этом аппарат (2) установлен на опорном подшипнике (4). Корпус (5) подшипника (4) закреплен на опорной плите (6). Аппарат (1) снабжен крышкой (7) и днищем (8), которые соединены с корпусом аппарата уплотнительными фланцами (9) и (10). На указанных уплотнительных фланцах закреплены неподвижные уплотнения (11). Крышка (7) и днище (8) выполнено в виде кольцевого усеченного конуса. Аппарат (2) снабжен кольцевыми горловинами (12) и (13), которые соединены с квадратным корпусом коническими переходами (14) (15). Горловина (12) закрыта крышкой (16), а горловина (13) крышкой (17). На крышках (16) и (17) установлены подвижные уплотнения (18). В крышке (16) закреплен приводной вал (19), который с помощью муфты (20) соединен с валом (21) мотор-редуктора (22). В крышке (16) установлены ниппеля (23), а на приводном валу (19) установлена воронка (24) с ниппелями (25). Ниппели (23) и (25) соединены между собой эластичными трубками (26).

Теплый раствор по патрубку (27) подают в воронку (24) и далее через трубки (26) в полость аппарата (2). В стенках аппарата (2) размещены тепловые трубки (28), которые состоят их испарительных участков (28и) и конденсаторных участков (28к). Тепловоспринимающие - испарительные участки (28и) тепловых труб образуют по высоте несколько рядов теплообменных решеток. Количество рядов тепловых трубок и их рабочая длина зависит от тепловой производительности. Над испарительными участками (28и) тепловых трубок установлена распылительная сетка (29). Теплоотводящие - конденсаторные участки (28к) тепловых трубок размещены в кольцевом зазоре (30) между наружной стенкой аппарата (2) и внутренней стенкой аппарата (1). Конденсаторные участки (28к) тепловых трубок образуют трубный пучок, который омывается холодоносителем. Тепловые трубки (ТТ) могут быть выполнены с капиллярной структурой как в испарительных участках, так и в конденсаторных участках. Замкнутые двухфазные термосифоны (CTFT) выполняют без капиллярной структуры.

В нижней крышке (17) аппарата (2) закреплен пустотелый вал (31), через который охлажденный раствор сливают в отстойник (32). Отстойник (32) снабжен патрубком (33) для отвода охлажденного раствора в напорный бак гидропонной системы и патрубок (34) для периодического слива шлама. Внутри отстойника (32) установлена фильтрующая сетка (35). Холодоноситель подают в кольцевой зазор (30) через патрубок (36), а отводят в систему холодильной машины через патрубок (37).

На рис. 2 и 2а показано размещение и крепление тепловых трубок в стенках аппарата (2). В аппарате (2) корпус выполнен квадратной формы, что позволяет равномерно разместить тепловые трубки по проходному сечению потока раствора. Корпус аппарата (1) в плане имеет вид шестигранника, что позволяет уменьшить объем кольцевого зазора (30) почти на 50%. Тепловые трубки (28) крепятся в стенке аппарата (2) следующим образом. В стенке аппарата (2) вваривают штуцер (38) с наружной резьбой, через отверстие которого вводят испарительный участок (28и) в полость аппарата. Накидной гайкой (39) и нажимной втулкой (40) тепловая трубка фиксируется на рабочем месте. Между нажимной втулкой (40) и штуцером (38) помещена прокладка (41). Как правило, внутренний размер аппарата (1) не превышает 500-600 мм. Поэтому, поддерживающих элементов для тепловых трубок не требуется. В случае увеличение размеров корпуса аппарата (2) и, соответственно увеличения длины испарительного участка тепловой трубки, на противоположной стенке устанавливают поддерживающую планку.

Работа охладителя питательного раствора осуществляется следующим образом. Включают в работу мотор-редуктор (22) и приводят во вращение аппарат (2). Через патрубок (27) подают теплый раствор в воронку (24) и далее по питательным трубкам (26) в полость аппарата (2). Одновременно, через патрубок (36) из системы холодильной машины подают в кольцевой зазор (30) холодоноситель. Холодоноситель, протекая по кольцевому зазору (30), охлаждает конденсаторные участки (28к) тепловых трубок. Теплый раствор по питательным трубкам (26) попадает в полость аппарата (2) на распылительную сетку (29) и далее на поверхность испарительных участков (28и) тепловых трубок (28). Теплоноситель, который находится внутри испарительных участков (28и) кипит (в CTFT) или испаряется (в ТТ с капиллярной структурой). Образующийся пар теплоносителя поступает в конденсаторные участки (28к), где происходит конденсация за счет отвода теплоты конденсации, протекающим по кольцевому зазору (30) холодоносителем. Конденсат за счет силы тяжести (или капиллярного давления) стекает в испарительный участок (28и).

Охлажденный раствор через пустотелый вал (31) попадает в отстойник (32) и далее насосом (на чертеже не показан) через патрубок (33) нагнетается в напорный бак. Холодоноситель отводится из кольцевого зазора (30) в систему холодильной машины через патрубок (37).

Основные преимущества предлагаемого охладителя питательного раствора

Основные достоинства предлагаемой конструкции охладителя питательного раствора заключаются в том, что в нем использована двухкорпусная компоновка, а в качестве теплопередающих элементов применены тепловые трубки или двухфазные термосифоны, которые обладают сверхвысокой теплопроводностью. Кроме того, вращение внутреннего аппарата и капельное распыление охлаждаемого раствора, обеспечивает поставленную цель изобретения: повышение интенсивности теплопередачи, уменьшения габаритов и веса охладителя:

1. Применение в охладителе гидропонного раствора тепловых трубок позволяет увеличить количество передаваемого тепла в десятки раз;

2. Надежность и работоспособность такого аппарата как минимум в 2 раза выше любого известного теплообменного аппарата;

3. Наличие в охладителе распылительной решетки и капельное течение раствора предупреждает отложение загрязнений на теплообменной поверхности тепловых трубок;

4. За счет того, что скорость течения холодоносителя, который движется в кольцевом зазоре, коэффициент теплоотдачи выше в 2.5-3.0 раза выше, то поверхность теплообмена конденсаторных участков тепловых трубок меньше испарительных участков в три раза. Это позволило значительно уменьшить габариты наружного аппарата и снизить общий вес охладителя.

5. Учитывая, что рабочие давления циркулирующего охлаждаемого раствора и холодоносителя близки к атмосферному давлению, то аппараты можно изготавливать из пластических материалов. Данное положение дополнительно снижает вес такой конструкции охладителей и их изготовление значительно дешевле.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к промышленным тепличным производствам, в которых применяют гидропонные технологии выращивания различных сельскохозяйственных культур. В предложенной конструкции охладителя раствора использована двухкорпусная компоновка аппарата, а в качестве теплопередающих элементов использованы тепловые с промежуточным теплоносителем. Внутренний аппарат имеет квадратную форму. Наружный аппарат имеет в плане форму шестигранника. Тепловые трубки размещены в стенках внутреннего аппарата. Теплый питательный раствор подают в полость внутреннего аппарата через отверстия в верхней крышке. Тепловоспринимающие испарительные участки тепловых трубок размещены в полости внутреннего аппарата, а теплоотводящие – конденсаторные участки помещены в кольцевую полость. Техническим результатом является интенсификация теплообмена и уменьшение габаритных размеров и веса устройства. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Охладитель питательного раствора, содержащий наружный и внутренний аппараты, теплопередающие элементы, устройства для подвода и отвода охлаждаемого питательного раствора и холодоносителя, электромеханический привод вращения внутреннего аппарата и систему лабиринтных уплотнений, имеющий следующие отличия:

a. наружный аппарат имеет в плане форму шестигранника и снабжен кольцевой крышкой и кольцевым днищем;

b. внутренний аппарат имеет квадратную форму и снабжен кольцевыми горловинами, которые соединены с квадратным корпусом коническими переходниками;

c. внутренний аппарат закрыт крышками, на которых закреплены сегменты подвижных уплотнений;

d. в стенках внутреннего аппарата размещены тепловые трубки, при этом тепловоспринимающие участки тепловых трубок помещены в полости аппарата, а теплоотдающие участки помещены в кольцевом пространстве между стенками внутреннего и наружного аппаратов;

e. уплотнительные фланцы, расположенные между крышкой, днищем и корпусом наружного аппарата, снабжены секциями лабиринтного уплотнения;

f. внутренний аппарат установлен на опорно-упорном подшипнике, корпус которого закреплен на плите основания;

g. внутренний аппарат снабжен распылительной решеткой, установленной над первым рядом тепловоспринимающих участков тепловых трубок.

2. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что подача теплого раствора в полость внутреннего аппарата поступает через воронку, которая закреплена на приводном валу и снабжена сливными отверстиями со вставными ниппелями.

3. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что в верхней крышке внутреннего аппарата выполнены отверстия с закрепленными в них ниппелями.

4. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что в полости внутреннего аппарата над верхним рядом тепловоспринимающих участков тепловых трубок установлена распылительная решетка.

5. Охладитель по п. 2, отличающийся тем, что сливные отверстия воронки соединены с отверстиями верхней крышки внутреннего аппарата системой трубок.

6. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что в нижней крышке внутреннего аппарата закреплен пустотелый вал, через который охлажденный раствор сливают в отстойник.