Процес пошарово-підйомного наморожування льоду в термоелектричному льодогенераторі

Процес пошарово-підйомного наморожування льоду у термоелектричному льодогенераторі, що включає заливання порції води в попередньо охолоджену льодоформу, яка проводиться рівномірно по периметру льодоформи одночасно з заливанням води, перемикання термоелектричної батареї у режим нагрівання для відтавання льоду від стінок льодоформи, зворотне перемикання термобатареї у режим охолодження одночасно з спливан ням льоду, охолодження та заморожування шару води під льодом до моменту його змерзання з попередніми шарами, повторення описаної ПОСЛІДОВНОСТІ операцій (мінщиклу) до наморожування блока льоду необхідної товщини, заключне відтавання та виймання блока льоду з форми льодогенератора за допомогою вмороженого у нього елемента, який відрізняється тим, що воду заливають у зазор між вмороженим елементом та внутрішніми стінками льодоформи, елемент розташовують у льодоформі таким чином, щоб не допустити розтікання води по поверхні льоду, а величину зазору розраховують за умови достатності об'єму зазору для розташування у ньому останньої порції води Корисна модель відноситься до льодотехніки і може бути використана при одержанні кубічного та блочного льоду у формах і ваннах з метою його подальшого використання для охолодження напоїв, для медичних / лабораторних цілей Відомим Є процес пошарово-підйомного наморожування (далі - ППН) льоду в термоелектричному льодогенераторі [1], суть якого полягає в тому, що воду в ємність (ванна, комірка) заливають дискретно, порціями, після заморожування шару льоду проводять процес його відтавання від стінок льодоформи, подають чергову порцію води, лід спливає, знову наморожують шар води під льодом до його змерзання з попереднім шаром і повторюють цикл аж до нарощування таким чином блоку льоду необхідної товщини Від раніше відомих способів пошарового наморожування [2, 3] ППН відрізняється наявністю фази відтавання та спливання, завдяки чому наморожування постійно відбувається безпосередньо поблизу поверхні, що охолоджується Оскільки ППН містить багаторазове відтавання шарів льоду, його реалізація найбільш доступна саме у термоелектричних льодогенераторах, де відтавання легко реалізувати реверсуванням струму живлення термоелектричного агрегату Заключною операцією циклу приготування блоку льоду у формі льодогенератора є виймання його з форми Відомо про використання для цієї мети вморожуваних у лід елементів у вигляді штирів, порожніх труб, паличок та ін [4, 5] Відомо також поєднання згаданих елементів з кришкою льодоформи у єдиному конструктиві [6] Використання елементів, що вморожуються, та кришок при реалізацп ППН повязано з рядом обмежень Вони не повинні перешкоджати багаторазовій заливці води у форму, швидкому відтаванню блока льоду від стінок та його вільному спливанню Ефективність ППН полягає у скороченні часу виготовлення порції льоду і в підвищенні продуктивності льодогенератора у порівнянні з традиційним способом наморожування шару льоду тієї самої товщини Як показують лабораторні дослідження, згадувана ефективність залежить не тільки від КІЛЬКОСТІ шарів (порцій), на котрі попередньо поділяється блок льоду, але також від ПОСЛІДОВНОСТІ та особливостей проведення окремих операцій технологічного процесу [7-9] Мова йде про часовий взаємний зв'язок процесів перемикання термобатареї у режим нагріву і заливки чергової порції води 10207 Під час заливки води у форму зверху, одночасно з початком нагріву льодоформи, мають місце втрати маси готового льоду, що пов'язано з розтіканням залитої порції води по його поверхні до того, як блок льоду встигне спливти. На відміну від нижніх шарів, вільна поверхня льоду (особливо його центральна зона) має температуру 0°С і не переохолоджена нижче 0°С. При контакті з водою, що заливається, яка, як правило, має температуру вище 10°С, відбувається плавлення льоду на його поверхні. Чим довше ця поверхня буде знаходитись у контакті з водою, тим більші будуть втрати маси льоду. За умови сталої кількості шарів ці втрати не відображаються на часі наморожування блоку льоду, але, так як блок має меншу масу, це призводить до зниження годинної чи добової продуктивності льодогенератора. Значна частина тепла, що могло би бути продуктивно використане для нагріву льодоформи (реалізуючи повну регенерацію тепла у циклі та "допомагаючи" термобатареї зверху швидше нагріти льодоформу), втрачається на плавлення готового льоду, зводячи до нуля позитивний ефект від використання другої частини теплоти, що дійсно йде на нагрів льодоформи, скорочуючи тим самим час процесу відтавання. Зменшити час знаходження води на поверхні льоду до мінімуму можна шляхом швидкого (передчасного) перемикання термоелектричної батареї у режим нагріву з тим, щоб у момент заливки встигло пройти відтавання поверхні льоду від стінок форми. Тоді блок льоду спливе відразу після заливки. Але у цьому випадку мають місце інші недоліки. По-перше, теплота наступної порції води зовсім не використовується на підігрів льодоформи (немає регенерації теплоти у циклі), має місце перевитрата електроенергії та підвищення часу процесу. По-друге, додаткові втрати маси льоду тепер будуть у іншому місці, а конкретно - на поверхнях контакту блоку зі стінками льодоформи. Використання способу заливки води, який згадується в [9], рівномірно по всьому периметру льодоформи само по собі не веде до суттєвого зменшення втрат і до того ж пов'язано з ускладненням вузла заливки. Із відомих аналогів найбільш близьким до запропонованого процесу є процес пошаровопідйомного наморожування льоду в термоелектричному льодогенераторі [10]. Розрізняють ППН з верхньою та нижньою заливкою води у форму. Недоліки верхньої заливки описані вище. Через труднощі реалізації нижня заливка практичного поширення не одержала. Метою корисної моделі є зменшення втрат енергії та маси льоду при реалізації ППН і підвищення тим самим продуктивності льодогенератора, у якому реалізується процес. Поставлена задача розв'язується при допомозі вмороженого у лід елемента і процес пошаровопідйомного наморожування льоду в термоелектричному льодогенераторі відрізняється тим, що воду заливають у зазор між вмороженим елементом та внутрішніми стінками льодоформи, елемент розташовують у льодоформі так, щоб не допустити розтікання води по поверхні льоду, а величину зазору розраховують з умови достатності об'єму зазору для розташування у ньому останньої порції води. Згадуваний вморожений елемент при цьому виконується з низькотеплопровідного матеріалу у вигляді тонкостінної фігури без дна, верхня частина якої має форму купола, а нижня - в горизонтальному перетині повторює конфігурацію льодоформи і має центруючі та дистанціонуючі ніжки. Таким чином, новизна процесу полягає у використанні при ППН елемента певної форми, що вморожується, та у методі проведення заливки, а новизна пристрою - у формі виконання елемента, що вморожується, та його просторовій орієнтації відносно льодоформи. Процес реалізується у льодогенераторі, принципову схему якого наведено на Фіг. 1-3. Вузол наморожування льоду складається з льодоформи (ємності) 1, батареї термоелектричних модулів 2, що розташована між дном льодоформи та водним проточним теплообмінником 3. Елемент, що вморожується 4, виконано у вигляді кришки, що має у верхній частині кільце 5 для спрощення виймання його з льодоформи. У верхній частині кришки є отвір 6 для скидання тиску, що виникає під кришкою у результаті ефекту розширення льоду під час змерзання у замкненому просторі. У нижній частині елемент 4 має по кутах чотири опори-ніжки, що виконують дві функції: 1) центрування елемента у льодоформі, що забезпечує рівномірність величини зазору між елементом та стінками льодоформи по всьому периметру; 2) забезпечення фіксованої висоти гін установки елемента відносно льодоформи. Ця висота гарантує вільний розподіл води під час заливки її першої порції (якщо елемент встановлено раніше, ніж розпочато заливку). З іншого боку, вона ж забезпечує глибину занурення елемента у воду (лід), достатньої для надійного зчеплення елемента з блоком льоду, що важливо для підйому блоку, та одночасно гарантує, що вода не попаде під кришку під час заливки наступної порції навіть при мінімальній товщині першого шару, а саме, при максимальній кількості шарів. Для заливки води над льодоформою встановлено один чи кілька розподіляючих колекторів 8, пов'язаних з дозатором (не показано). Процес полягає у наступному. Нехай необхідно наморозити шар льоду товщиною Н=15мм, що відповідає 120 грамам готового льоду. До початку заливки об'єм води розподіляють на N порцій, котрим відповідає N однакових шарів по висоті (умовно на Фіг.1 пунктирними лініями показано три шари; висота кожного - h,). У результаті технологічний процес виготовлення льоду розподіляється на N мініциклів по кількості шарів. Льодоформа 1 охолоджується термоелектричними модулями 2, що спочатку працюють у режимі охолодження. Тепло від гарячого боку модулів відводиться проточною водою. Елемент 4 встановлюють у льодоформу так, що ніжками 7 він спирається на дно. (Як варіант, процес допускає установку елемента також і після заливки першої порції води, але до початку її заморожування). Заливають перший шар рідини. Під час заливки вода стікає по куполоподібній кришці елемента та рівномірно розтікаючись по зазору , заповнює нижню частину льодоформи, як показано на Фіг. 1 (затемнена область). Після повного заморожування першого шару води тер 10207 льодоформи. мобатарею перемикають у режим нагріву та одночасно заливають наступну порцію води. Вода, стіЕкспериментальні дослідження показують, що каючи по кришці елемента 4, залишається у зазорі використання запропонованого процесу ППН доміж ним та стінками льодоформи до того часу, зволяє зменшити втрати льоду на його підплавпоки попередній (перший) шар льоду не відтане лення під час заливки. Результатом цього є скоровід стінок. У цей відрізок часу, що триває від 15 до чення часу заморожування шарів, починаючи з ЗО секунд, елемент, що вмерз, протидіє розтікандругого, та підвищення виходу льоду з однієї порню води по поверхні льоду під елементом. Теплоції води. Скорочення часу відтавання також дає та, акумульована у залитій порції води, в основносвій невеликий внесок до збільшення продуктивму витрачається на підігрів льодоформи, ності. Сумарне збільшення добової продуктивності додаючись до тепла, що йде від термобатареї. В льодогенератора, у якому реалізовано ППН з елерезультаті час нагріву льодоформи до температументом, що вморожується, у порівнянні з прототири +2...+4°С (за якою починається спливання льопом [10] оцінюється в 5-10% у залежності від темду) скорочується. Шар льоду, що відтанув від стіператури середовищ та кількості шарів льоду. нок та дна, спливає разом з вмороженим у нього Література: елементом, а порція води переміщується під лід. У [1] А. с. СССР №1747821. Способ наморажицей момент термобатарея знову переключається у вания льда в термоэлектрическом льдогенераторе режим охолодження, який триває до повного за/ С О . Филин, В.Ю. Задирака, И.М. Тимошок и др. морожування другого шару та його змерзання з МКИ F25C1/12, Опубл. в БИ №26, 1992. попереднім шаром льоду. Після цього повторю[2] Сморыгин Г.И. Теория и методы получения ється описаний вище мініцикл: переключення на искусственного льда. - Новосибирск: Наука, 1988. підігрів-заливка-відтавання-спливання282 с. переключення на охолодження. Під час заливки [3] Московченко В.В. Исследование льдогенеостанньої порції води (у даному разі - третьої) об'раторов с послойным намораживанием блоков. єм зони Z (Фіг.З) має бути достатнім, щоб вмістити Дис. канд. техн. наук, Одесса, 1972. -149 с. всю масу води без її переливання через краї льо[4] А. с. СССР №1500814. Льдогенератор пидоформи. Для цього відповідним чином розрахощевого льда / С О . Филин, Т.В. Филина. - МКИ вується (підбирається) величина зазору та різF25C1/12, Опубл. в БИ №30, 1989. ниця висот (Нф-Н) з урахуванням висоти шару h, [5] А. с. СССР №1760267. Льдогенератор / при вибраній кількості шарів. Після змерзання СО. Филин, Ю.А. Спиваков. - МКИ F25C1/24, останнього шару води термобатарею перемикають Опубл. в БИ №33, 1992. у режим нагріву і до кільця 5 прикладають підйом[6] Филин СО. Современная минине зусилля. Коли сила зчеплення льоду зі стінками льдотехника: проблемы и перспективы. - Холодистане меншою, ніж це зусилля, починається підльное дело, 1998, № 5. - с. 28-30. йом елемента 4 разом з блоком льоду. Виймання [7] S. Filin, В. Zakrzewski. Zastosowanie льоду та елемента з льодоформи може бути ручtermoelektrycznosci w technice wytwarzania lodu ним чи автоматичним. Наступне відокремлення spozywczego. - Technika Chlodnicza і Klimatyzacyjna блоку льоду від елемента 4 може бути здійснено (Польша), 2000, nr.5. - S. 182-186; №6. - с 230-234. за допомогою механічного зусилля чи природним [8] S. Filin, B. Zakrzewski. Wspolczesne metody шляхом, подібно як у [4, 5], коли блок льоду спаpodniesienia szybkosci і wydajnosci miniaturowych дає з елемента під власною вагою через декілька wytwomic lodu spozywczego. - В кн.: "ХХХП Dni хвилин після виймання з льодоформи. Chlodnictwa. Nowe rozwiazania ukladow chlodniczych w zastosowaniach praktycznych. Елемент 4 виконує у процесі, що пропонуєтьPoznan, 3-5 pazdziemika 2000. - с 83-91. ся, відразу кілька функцій: [9] CO. Филин, Б. Закшевский, Э. Грущиньска. 1) служить для підйому льоду; Экспериментальное исследование послойно2) перешкоджає розтіканню води по поверхні подъёмного способа намораживания льда в ванне льоду; и ячеистых формах. - Инженерно-физический жу3) герметизує біля 95% об'єму льодоформи, рнал. - Т. 74, №2,2001. зменшуючи приплив тепла від оточуючого повітря [10] Филин CO., Задирака В.Ю., Тимошок до вільної поверхні льоду, захищає льодоформу И.М., Журбенко С О . Послойно-подъёмный способ від осідання пилу та попадання сторонніх речей. намораживания льда. - Холодильная техника, Виконання елемента з низькотеплопровідного 1990, №7.-с. 31-36. матеріалу необхідно для того, щоб не допустити відтавання льоду від елемента 4 у режимі підігріву Фіг.2 ФігЗ. Комп ютерна верстка А Крижанівський Підписне Тираж 26 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності вул Урицького 45 м Київ МСП 03680 Україна ДП Український інститут промислової власності , вул Глазунова, 1, м К и ї в - 4 2 01601