способ охлаждения жидкости и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ охлаждения жидкости, предусматривающий подачу ее в емкость и размещение в ней теплообменника, отличающийся тем, что теплообменник размещают в наиболее нагретом слое жидкости, а в процессе охлаждения последней определяют изменение положения этого слоя в зависимости от изменения высоты и температуры поверхностного слоя и осуществляют вертикальное перемещение теплообменника, обеспечивая его расположение постоянно в наиболее нагретом слое.

2. Устройство для охлаждения жидкости, содержащее емкость для жидкости, расположенный в ней теплообменник, связанный с охладителем хладагента, отличающееся тем, что теплообменник содержит две горизонтальные плиты, соединенные одна с другой, и приспособление для изменения положения теплообменника по высоте емкости, включающее камеру для сжатого воздуха, расположенную между плитами теплообменника, и сообщенное с ней средство нагнетания воздуха.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что каждая плита теплообменника содержит жесткую решетку с хладопроводом и закрепленную с внешней стороны последней полимерную пленку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к сельскохозяйственному оборудованию для охлаждения молока и воды в охладительных установках на фермах.

Известен способ для охлаждения жидкости путем расположения теплообменника внизу емкости, где регулируется поток жидкости направляемого мешалкой к теплообменнику в зависимости от температуры теплообменника [1]

Недостатком данного способа является следующее: теплообменник расположен внизу и поэтому направляется только часть теплого слоя жидкости.

Известно устройство для охлаждения молока, состоящее из емкости с теплообменником, в который установлена мешалка, скорость мешалки изменяется в зависимости от давления в магистрали низкого давления теплообменника [1]

Недостатком данного устройства является применение мешалки для направления части теплого потока жидкости к теплообменнику.

Наиболее близким способом охлаждения является способ, при котором теплообменник расположен внутри жидкости [2]

Недостатком данного способа является то, что в процессе охлаждения жидкости теплообменник не располагается в наиболее нагретом ее слое.

Наиболее близким устройством для охлаждения жидкости является устройство, в котором теплообменник удерживается внутри жидкости за счет поплавка [2]

Недостатком данного устройства является отсутствие механизма перемещения теплообменника в наиболее нагретый слой жидкости.

Цель изобретения повышение эффективности охлаждения жидкости путем расположения теплообменника в наиболее нагретом ее слое.

Для достижения этой цели было установлено, что при конвективном теплообмене между воздухом и поверхностью жидкости (когда температура воздуха ниже температуры жидкости) происходит интенсивное взаимное проникновение молекул этих веществ друг в друга. Это приводит к охлаждению поверхности жидкости, а следовательно, наиболее нагретый слой жидкости находится ниже ее поверхности. Параметры этого слоя жидкости зависят от некоторых факторов, которые приведены в графиках на фиг.1-3. На фиг.1 изображена кривая зависимости расположения слоя наибольшей температуры от высоты поверхностного слоя жидкости, из которой видно, что чем выше в емкости уровень жидкости, тем ниже от поверхности находится этот слой. На фиг.2 изображена кривая зависимости расположения слоя наибольшей температуры от температуры поверхности жидкости при температуре воздуха 22^оС и высоте поверхностного слоя жидкости 73 мм, из которой видно, что чем ниже температура поверхности жидкости относительно температуры окружающего воздуха, тем ближе к поверхности жидкости находится этот слой. На фиг.3 изображена кривая зависимости разности температур слоя, имеющего наибольшую величину в данной емкости и температурой поверхности жидкости, из которой видно, что чем выше температура поверхности жидкости, тем выше температура этого слоя. Кривые зависимостей показывают, что при изменении температуры и уровня поверхностного слоя жидкости изменяется и расположение слоя наибольшей температуры относительно поверхности жидкости. Все измерения проводились при температуре воздуха 22^оС. Условные обозначения: h_ж высота поверхностного слоя жидкости; l_сл глубина расположения слоя наибольшей температуры от поверхности жидкости; Т_ж температура поверхностного слоя жидкости; Т_сл температура слоя имеющего наибольшую температуру.

В процессе охлаждения жидкости определяют изменение положения этого слоя в зависимости от изменения высоты и температуры поверхностного слоя и осуществляют вертикальные перемещения теплообменника, обеспечивая его расположение постоянно в наиболее нагретом слое. В устройстве для охлаждения жидкости, теплообменник содержит две горизонтальные плиты, соединенные одна с другой, и приспособленные для изменения положения теплообменника по высоте емкости, включающее камеру для сжатого воздуха, расположенную между плитами теплообменника, и сообщенное с ней средство для нагнетания воздуха. Каждая плита теплообменника содержит жесткую решетку с хладопроводом и закрепленную с внешней стороны последней, полимерную пленку.

Способ охлаждения жидкости осуществляется следующим образом. С начала поступления охлаждаемой жидкости в емкость определяют расположение слоя наибольшей температуры. Для этого ориентировочно определяют расположение этого слоя, сравнивая параметры факторов кривых зависимостей, приведенных на фиг.1 и 2 с показаниями измерительных приборов, которые определяют температуру и уровень поверхностного слоя охлаждаемой жидкости находящейся в емкости. Затем уточняют расположение этого слоя, производя вертикальные перемещения термодатчика внутри жидкости, который соединен с измерительным прибором, показывающим температуру. Например, в емкость поступает жидкость. После предварительных и уточнительных замеров термодатчиками определили, что высота поверхностного слоя жидкости находится на 35 мм выше теплообменника, а температура ее равна 35^оС. Далее после ориентировочных и уточнительных замеров термодатчиками определили температуру слоя наибольшей температуры, которая равна 38^оС и располагается на 15 мм выше поверхности жидкости. Охлаждение жидкости в емкости осуществляется путем перемещения теплообменника в этот слой жидкости и пропуская по нему хладагент. По мере поступления жидкости в емкость происходит изменение температуры и уровня поверхностного слоя жидкости. Эти изменения фиксируются измерительными приборами. Проводя повторные измерения уточняют новое расположение слоя наибольшей температуры. Переводят теплообменник в этот слой жидкости, продолжая пропускать по нему хладагент. Например, установили, что при высоте поверхностного слоя жидкости 73 мм и ее температуре 30^оС температура слоя наибольшей температуры равна 34^оС и располагается этот слой на 18 мм ниже поверхностного слоя жидкости. Перемещают теплообменник на 18 мм ниже поверхности жидкости и продолжают охлаждать дальше. При стабилизации высоты поверхностного слоя жидкости дальнейшую корректировку расположения теплообменника проводят по изменению температуры поверхностного слоя жидкости. Например, при уровне поверхности жидкости 128 мм и ее температуре 25^оС температура слоя наибольшей температуры равна 27^оС и расположен этот слой на 20 мм ниже поверхностного слоя жидкости. После охлаждения жидкости теплообменником снижение температуры жидкости фиксируют измерительным прибором, который соединен с термодатчиком, расположенным на поверхности жидкости. Определили, что при температуре поверхностного слоя 20^оС, температура слоя равна 21,5^оС и располагается ниже поверхности жидкости на 10 мм. При понижении температуры жидкости 15^оС этот слой находится ниже поверхности жидкости на 5 мм, при снижении температуры до 10^оС этот слой жидкости находится около поверхности соответственно теплообменник перемещают, располагая непосредственно в этом слое жидкости.

На фиг.1 изображена кривая зависимости расположения слоя наибольшей температуры от высоты поверхностного слоя; на фиг.2 кривая зависимости расположения слоя наибольшей температуры от температуры поверхностного слоя жидкости; на фиг.3 кривая зависимости разности температур поверхностного слоя жидкости и слоя наибольшей температуры; на фиг.4 схема устройства для охлаждения жидкости; на фиг.5 разрез теплообменника; на фиг.6 поперечное сечение одной из плит теплообменника.

Устройство для охлаждения жидкости включает в себя теплоизолированную емкость 1 (изоляция не показана), в которой расположен теплообменник 2, состоящий из теплоизолированной рамки 3 и соединяющей между собой две горизонтальные плиты 4, расположенной между ними камерой 5 для сжатого воздуха, которая изготовлена из эластичного материала. Каждая плита теплообменника состоит из жесткой решетки 6 и полимерной пленки 7, закрепленной со всех внешних сторон на этой решетке. В перемычках решетки 7 имеются отверстия для образования хладопровода в виде змеевика, который подключается к хладоводам 8 и 9 холодильной установки 10 через два отверстия в полимерной пленке. Камера сжатого воздуха соединена через воздуховод 11 и трехходовый кран 12 с ресивером компрессора 13. Трехходовый кран имеет три положения: первое положение воздуховод перекрыт, движения воздуха в воздуховоде нет, второе положение крана ресивер открыт и воздух под давлением поступает из ресивера компрессора в камеру сжатого воздуха теплообменника (при этом положении крана происходит подъем теплообменника вверх), при третьем положении крана воздух, через кран 12 выходит из теплообменника наружу (при этом положении крана происходит опускание теплообменника вниз). В емкости имеются направляющие 14 для уменьшения сопротивления теплообменника со стенками емкости, при его перемещении во время охлаждения жидкости. Внутри емкости имеется уравнемер состоящий из вертикальной линейки 15 и поплавка 16. На нижней поверхности поплавка закреплен термодатчик 17, измеряющий температуру поверхности охлаждаемой жидкости. Термодатчик соединен с многоканальным измерительным прибором 18. Для уточнения расположения слоя наибольшей температуры используется термодатчик 19, на поверхности которого имеется шкала делений в миллиметрах. Термодатчик 19 так же соединен с измерительным прибором 18 показывающим температуру жидкости. Термодатчик 19 перемещается между теплообменником и стенкой емкости внутри жидкости. На рамке 3 теплообменника 2 закреплена линейка 20 со шкалой делений в миллиметрах. Она показывает глубину расположения теплообменника под поверхностью жидкости. Имеется трубопровод 21 для подачи охлаждаемой жидкости в емкость 1. Внутри емкости расположен успокоитель жидкости 22 в виде наклонной пластины. Он предназначен для равномерного распределения жидкости по стенкам емкости. Трубопровод 23 предназначен для отвода жидкости из емкости после ее охлаждения.

Устройство работает следующим образом. Охлаждаемая жидкость по трубопроводу 21 поступает на успокоитель жидкости 22 и равномерно стекает по стенкам емкости 1, постепенно заполняя ее. Включают холодильную установку 10 и хладагент (холодная вода) по трубопроводу 8 поступает в теплообменник 2. Проходя по хладопроводу решетки 6, взаимодействуя через полимерную пленку 7 с охлаждаемой жидкостью, забирает ее тепло и по трубопроводу 9 поступает обратно в охладительную установку 10. В это время за счет поступления охлаждаемой жидкости в емкости поднимается вверх поплавок 16 показывая на измерительной шкале линейки 15 уровень поверхностного слоя жидкости. Термодатчик 17, закрепленный на его поверхности передает температуру поверхности жидкости на измерительный прибор 18. По полученным данным с уравнемера и измерительного прибора ориентировочно определяют расположение слоя наибольшей температуры, сравнивая данные кривых зависимостей на фиг.1 и 2 с показаниями измерительных приборов. Перемещая термодатчик 19 внутри жидкости по вертикали, используя показания измерительного прибора 18 и шкалы деления термодатчика 19, уточняем расположение слоя наибольшей температуры. После этого перемещаем теплообменник внутри жидкости по направляющим 14, изменяя давление воздуха в его камере 5, переводя кран во второе или третье положение, а при перемещении теплообменника в этот слой переводят кран в первое положение. Расположение теплообменника под поверхностью жидкости контролируем по измерительной шкале линейки 20, закрепленной на теплообменнике 2. При дальнейшем охлаждении жидкости изменение температуры и уровня поверхности жидкости определяется по показаниям уровнемера и измерительного прибора 18. Уточняем расположение слоя наибольшей температуры и перемещаем теплообменник в этой слой жидкости продолжая процесс охлаждения жидкости до требуемой температуры. После окончания процесса охлаждения жидкость из емкости удаляют по трубопроводу 23. Преимущества установки заключаются в повышении эффективности охлаждения жидкости за счет расположения теплообменника в наиболее нагретом ее слое, используя при этом всю внешнюю поверхность теплообменника. Снижается металлоемкость теплообменника так как внешние стороны теплообменника изготовлены из полимерной пленки.