В статье представлен материал о разработанном и апробированном новом типе теплообменника, обладающего способностью к самоочистке от отложений в процессе работы.
Описана новая технология генерации жидкого льда.
Акцентировано внимание на том, что созданы технические предпосылки для использования энергии межфазного перехода "вода-лед" для отопления зданий.
В 2011 году был запатентован новый тип теплообменных аппаратов - "теплообменные аппараты с изменяемой геометрией поверхности теплообмена".
Аппараты такого типа могут применяться в технологических процессах, в которых на поверхности теплообмена образуется твердая фаза вещества. Речь, в первую очередь, идет о технологических процессах, связанных с образованием льда.
До сих пор для генерации льда применяли либо аппараты периодического действия "заморозка-оттаивание", либо аппараты с удалением льда с поверхности теплообмена различными видами скребков.
Первый тип аппаратов отличается низкой производительностью, второй - сложностью конструкции. Оба типа аппаратов также отличаются низкой энергоэффективностью.
Теплообменные аппараты с изменяемой геометрией поверхности теплообмена лишены этих недостатков. Теплообменный аппарат с изменяемой геометрией поверхности теплообмена позволяет генерировать лед, сохраняя при этом поверхность теплообмена свободной ото льда.
Рассмотрим принцип действия аппарата, изображенного на рис.1 [1].
Основным элементом аппарата является эластичный элемент 1, в данном случае представляющим собой тонкостенную эластичную трубу. В первой модификации аппарата в качестве эластичного элемента был использован пожарный шланг, внутренняя поверхность которого покрыта латексной резиной.
Рис.1. Теплообменный аппарат с изменяемой геометрией поверхности теплообмена
1 - эластичный элемент, 2 - холодильный агрегат, 3 - водяной насос, 4 - электромагнитный клапан, 5 - корпус теплообменника, 6 - хладагент, 7 - вода, 8 - лед, 9 - резервуар
Через эластичный элемент насосом прокачивается вода. Наружная поверхность эластичного элемента омывается хладагентом (низкотемпературным теплоносителем), имеющим отрицательную температуру. Отрицательная температура хладагента поддерживается работой холодильника, через который прокачивается хладагент. Из-за теплообмена через оболочку эластичного элемента, вода охлаждается и на внутренней поверхности эластичного элемента образуется слой льда. На выходе из эластичного элемента установлен клапан 4, в данном случае электромагнитный, периодически открывающий и закрывающий проток воды.
В положении при закрытом клапане (вар. "I") за счет работы насоса давление воды в эластичном элементе повышается выше внешнего давления и эластичный элемент раздувается. В положении при открытом клапане (вар. "II"), давление воды падает ниже давления хладагента и эластичный элемент сжимается.
При изменении геометрии оболочки эластичного элемента, слой льда, намерзающий на внутренней поверхности элемента, разрушается, частицы льда отваливаются и уносятся потоком воды в резервуар. Так как плотность льда меньше плотности воды, то лед поднимается в верхнюю часть резервуара.
Если лед предполагается использовать для пищевых или технологических целей, то его можно забирать из верхней части резервуара любым способом.
Образующийся продукт представляет собой так называемый "мягкий лед" - пластичная масса, легко перекачиваемая насосом (рис.2).
Рис.2. "Мягкий лед"
Возможны различные варианты теплообменных аппаратов с изменяемой геометрией поверхности теплообмена.
На рис. 3 показан демонстрационный аппарат, где в качестве эластичного элемента используется мембрана [2].
Рис.3. Демонстрационный теплообменный аппарат
с мембраной в качестве эластичного элемента
Процесс генерации льда в аппарате показан на рис. 4.
Рис.4. Процесс генерации льда в аппарате
На фотографии видно, что поверхность теплообмена при генерации льда остается чистой.
Работу аппарата можно наблюдать с помощью видео в сети Интернет: [3] - Начало генерации льда, [4] - Конец генерации льда.
Очень важным является вопрос выбора материалов для эластичного элемента. На сегодняшний день наиболее подходящим вариантом представляется теплопроводящая резина с коэффициентом теплопроводности 1 Вт/м · град и толщиной порядка 0.5÷1 мм. Тепловой поток через оболочку эластичного элемента в этом случае составляет 5÷10 кВт/м2.
Опыт использования резинотехнических изделий позволяет оценить долговечность работы эластичного элемента в 10 лет, учитывая, что перепад давления в аппарате не превышает 0.2 атм., а температурный режим колеблется около 0 °С.
Чрезвычайно перспективным представляется использование данной технологии для создания отопительной системы с тепловым насосом [5, 6].
Для средней полосы России при применении современных утеплителей и стеклопакетов годовой расход тепла на отопление составляет около 60 кВт · час/м2. Для дома площадью 100 м2 на отопление необходимо 6000 кВт · час тепловой энергии в год. Если использовать в качестве источника тепла фазовый переход "вода-лед", то необходимо затратить 65 000 кг или 65 куб. м воды.
Варианты размещения резервуара для воды приведены на рисунках 5, 6, 7.
Рис.5.
Рис.6.
Рис.7.
Наиболее предпочтительными являются варианты рис. 5 и рис. 6, так как в этом случае используется также тепло, накопленное грунтом. В средней полосе России в течение всего зимнего периода на глубине 1÷2 м температура всегда выше нуля, поэтому часть льда в резервуаре будет таять за счет притока тепла от грунта.
Лед, образовавшийся в холодный период года, за теплый период года опять превратиться в воду.
Как уже отмечалось, мягкий лед, получающийся в аппарате, представляет собой текучую пластичную массу и может перекачиваться насосом. Накопленный за зиму жидкий можно использовать в качестве источника холода в летний период для охлаждения воздуха в помещениях. Например, в США, затраты электроэнергии на кондиционирование воздуха в жаркий период, примерно равны затратам электроэнергии на отопление в холодный период года.
В этом случае появляется возможность значительно сократить затраты электроэнергии на охлаждение воздуха.
Также возможно использовать жидкий лед в качестве хладагента в холодильниках для хранения продуктов, что позволяет экономить дополнительно около 10% электроэнергии, потребляемой в быту.
Выводы:
1. Применение теплообменных аппаратов с изменяемой геометрией поверхности теплообмена для генерации льда позволяет значительно упростить и удешевить получение "жидкого льда" для технологических процессов.
2. Применение теплообменных аппаратов с изменяемой геометрией поверхности теплообмена в системах с тепловыми насосами позволяет создать системы отопления, использующие энергию фазового перехода "вода-лед", что значительно расширяет область применения тепловых насосов.
, 417 Кб) ...