RU2814476C1 - Water cooling method and device for its implementation - Google Patents

Water cooling method and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2814476C1
RU2814476C1 RU2022128198A RU2022128198A RU2814476C1 RU 2814476 C1 RU2814476 C1 RU 2814476C1 RU 2022128198 A RU2022128198 A RU 2022128198A RU 2022128198 A RU2022128198 A RU 2022128198A RU 2814476 C1 RU2814476 C1 RU 2814476C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water
ice
heat exchanger
tank
cooled
Prior art date
Application number
RU2022128198A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Галина Юрьевна Гончарова
Георгий Владимирович Борщев
Сергей Сергеевич Борзов
Виктор Пантелеевич Пытченко
Николай Эрнестович Каухчешвили
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова" РАН
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова" РАН filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова" РАН
Application granted granted Critical
Publication of RU2814476C1 publication Critical patent/RU2814476C1/en

Links

Abstract

FIELD: water treatment.
SUBSTANCE: food and chemical industries, refrigeration equipment, agriculture; intended for producing ice water. The method for cooling water involves initial immersing the entire surface of a heat exchanger in it, which is cooled from the inside, followed by spraying the surface of the ice formed on the heat exchanger with cooled water. The method consists of two stages, in the first of which, on the surface of a heat exchanger vertically located in the tank, consisting of at least two pipes coaxially curled in one direction, a layer of ice with a thickness of no more than four pipe diameters is built up, on which it is frozen, preventing the ice from freezing on adjacent turns, and on the second turn off the refrigeration machine and drain the unfrozen water, after which the ice surface on the heat exchanger is irrigated with cooled water in the mode of a stable film separated flow. A device for implementing the water-cooling method contains a refrigeration machine, a water pump, a sprinkler, a water tank and a heat exchanger. At the bottom of the tank there is a mesh catcher for ice fragments.
EFFECT: increase in specific heat removal by ensuring a stable film separated flow of water and reducing energy costs for its cooling.
3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к пищевой, химической промышленности, холодильной технике, сельскому хозяйству и предназначено для получения ледяной воды.The invention relates to the food and chemical industries, refrigeration equipment, agriculture and is intended for producing ice water.

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.It is known that in enterprises whose work involves the operation of refrigeration units with technological conditions close to 0°C and characterized by uneven heat load, it is very effective to use cold accumulation. Cold can be accumulated during periods of low thermal loads and used during operation and when it is necessary to relieve peak loads on the refrigeration unit.

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.There is a known method for cooling milk, in which ice is built up on evaporator panels located in the battery tank (see AS No. 1537989). The disadvantage of this method is the absence of separated flow of the cooled liquid and, as a result, low heat removal.

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.There is a known method for cooling a liquid and a device for its implementation (see RF patent No. 2043711). The method involves supplying liquid to a container and placing it in the most heated layer of a heat exchanger. The disadvantage of this method is the limited scope of application for cooled liquids with different specific densities, high energy consumption, as well as technological complexity.

Известен способ охлаждения молока и устройство для его осуществления (см. патент РФ №1794235).There is a known method for cooling milk and a device for its implementation (see RF patent No. 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.The disadvantages of this device include: high energy costs for cooling, amounting to at least 25 kWh of electricity per ton of chilled milk; the complexity of the installation containing two irrigation-type heat exchangers, the first for cooling milk with “ice” water, the second for accumulating ice, which leads to additional capital costs for the heat exchange surface compared, for example, with milk cooling tanks. The use of a water-ice accumulator is impossible without a temperature difference, which entails thermodynamic losses, thereby reducing the efficiency of the refrigeration machine cycle. Heat exchange through the wall between water (intermediate coolant) and, for example, milk requires an appropriate temperature difference and, therefore, additional work of the thermodynamic cycle.

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.The known method RU2402899C2 adopted as a prototype. The method involves spraying cooled liquid onto the surface of the heat exchanger. The liquid is supplied to the outer surface of the heat exchanger, which is cooled from the inside by a refrigerant from a series of refrigerants. The disadvantages of this device include the inability to accumulate cold and, accordingly, unnecessary energy costs for cooling the liquid.

Целью настоящего изобретения является интенсификация способа получения ледяной воды и стабилизация ее температуры на выходе из аппарата на предприятиях пищевой промышленности.The purpose of the present invention is to intensify the method for producing ice water and stabilizing its temperature at the outlet of the apparatus at food industry enterprises.

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.The goal is achieved due to the fact that this invention combines the advantages of film flow and phase transition (melting) with periodic destruction of the laminar sublayer at the phase boundary between the cooled liquid and ice. Periodic destruction of the laminar sublayer is most clearly manifested in horizontally separated flow of water with the fall of the jet to the next level below the pipes with ice. Film flow is a type of so-called passive turbulization of the flow, therefore, other things being equal, it is characterized by a significantly higher heat transfer intensity compared to processes occurring in the volume of liquid (water) or in completely filled channels. This is due to the fact that a vertically flowing film is an energetically active medium, due to gravitational forces and is always covered with waves: sinusoidal, turning into three-dimensional random motion, and then into shock waves, covered with a network of secondary small capillary waves, which further intensify the processes in the film layer. In this case, the thickness (diameter) of the frozen ice on the coils of the heat exchanger should be no more than 4 diameters of the tube used. To prevent ice from sticking together, the device is equipped with a special device to turn off the refrigeration machine when the specified diameter of ice on the tubes is reached.

Технической задачей является повышение удельного теплосъема за счет обеспечения стабильного пленочно-отрывного течения воды и снижение энергетических затрат на ее охлаждение.The technical challenge is to increase the specific heat removal by ensuring a stable film-separation flow of water and reducing energy costs for its cooling.

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.This is achieved by the fact that cooled water is supplied directly to the outer surface after a certain layer of ice has been formed on the heat exchanger, while the ratio of the maximum (external) diameter of the coil of the coaxial twisted heat exchanger to the total height of the coaxial heat exchanger is no more than 1 to 3. The given shape is determined by observing a certain pitch L w =2r ice +2r tube +l gap l-l and the angle of inclination between the turns of pipes, amounting to: depending on the diameter of the spiral, taking into account maintaining the compactness of the heat exchanger. All heat exchanger spirals are wound in one direction.

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 .The device has the form of a vertically located coaxial heat exchanger in a tank container, the minimum diameter of the tank is selected based on:d turn max +r tubes + r ice + l clearance s-l .

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.Designing a device in violation of these dependencies can lead to either freezing of the ice into a single mass, or the formation of gaps large enough for the free passage of cooled water past the ice, which will lead to an increase in the outlet water temperature. Both of these options will lead to inefficient operation of the heat exchanger.

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.The outlet temperature of the water cooled during operation of the ice accumulator is 0 - 4 °C, which is in demand, for example, in the dairy industry and allows milk to be cooled to the lowest possible temperature without the risk of freezing. This method of producing ice water is implemented in an ice accumulator with film separated flow.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства.Figure 1 shows a schematic diagram of the device.

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.The device contains a tank 1, a coaxial heat exchanger 2, a refrigeration machine 3, a drain valve 4, a sprinkler 5, liquid flow limiters 6, special mesh reflectors 7, and support posts 8.

На фиг.2 представлен спускной вентиль с сетчатой вставкой для улавливания осколков льдаFigure 2 shows a drain valve with a mesh insert to catch ice fragments

Устройство, работает следующим образом.The device works as follows.

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.During periods of reduced heat load (for example, at night when energy consumption tariffs in production are reduced), tank 1 with heat exchanger 2 is filled completely with water (i.e. until the liquid level exceeds the uppermost turn by a height equal to calculated thickness of ice formed on the heat exchanger tube upon completion of the freezing process). The refrigeration machine 3 connected to the heat exchanger is turned on, the refrigeration machine operates until the required thickness of the ice layer on the heat exchanger tubes is reached.

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.After turning off the refrigeration machine, water with a temperature of 0 to 1.5 degrees Celsius from the container is immediately used as a ready-made volume of ice water when the device starts operating. After using the ice water remaining when the refrigeration machine is stopped, cooled water is supplied from the sprinkler 5, and through the use of a water flow-directing limiter 6, its uniform distribution is ensured along the entire perimeter (diameter) of the heat exchange surface. The drain valve for supplying cooled water to the consumer 4 - Fig. 2 at the bottom of the tank is equipped with a mesh that catches breaking ice from the pipes in operating mode, which allows you to use all the accumulated ice. To prevent the cooled liquid from draining without contact with the ice surface, the device is equipped with special mesh reflectors 7, installed around the heat exchanger on support posts 8, and returning the cooled water to the ice surface.

Claims (3)

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.1. A method of cooling water, including the initial immersion of the entire surface of a heat exchanger in it, which is cooled from the inside, followed by irrigation of the surface of the ice formed on the heat exchanger with cooled water, characterized in that the method consists of two stages, in the first of which on the surface of a vertically located in the tank a heat exchanger consisting of at least two pipes coaxially curled in one direction, a layer of ice with a thickness of no more than four diameters of the pipe on which it is frozen is built up, preventing ice from freezing on adjacent turns, and on the second turn the refrigeration machine is turned off and the unfrozen water is drained, after which the ice surface is irrigated on a heat exchanger with cooled water in a stable film separated flow mode. 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.2. A device for implementing the water cooling method according to claim 1, containing a refrigeration machine, a water pump, a sprinkler, a water tank and a heat exchanger, wherein the pitch angle of the turns of at least two heat exchanger pipes coaxially curled in one direction is determined by the ratio and in the lower part of the tank there is a mesh catcher for ice fragments that break off during the cooling process of the water. 3. Устройство по п. 2, в котором оптимальные размеры бака подбираются из расчета dвитка max + rтрубки + rльда + 1зазора с-л.3. The device according to claim 2, in which the optimal dimensions of the tank are selected based on d turn max + r tube + r ice + 1 gap s-l .
RU2022128198A 2022-11-14 Water cooling method and device for its implementation RU2814476C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2814476C1 true RU2814476C1 (en) 2024-02-29

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3271968A (en) * 1964-06-03 1966-09-13 Kurt Karnath Dipl Ing Dr Methods and apparatus for cooling milk for use with milking machines
SU1455182A1 (en) * 1986-10-21 1989-01-30 Сибирское научно-производственное объединение "Колос" Method of operation of ice refrigerant accumulator
SU1537989A1 (en) * 1988-04-25 1990-01-23 Сибирское научно-производственное объединение "Колос" Cooling arrangement
RU2402899C2 (en) * 2008-11-26 2010-11-10 Общество с ограниченной ответственностью "Хладотехника" Method for cooling of fluid and device for its realisation
RU2484396C1 (en) * 2012-05-25 2013-06-10 Виктор Иванович Велюханов Ice accumulator for production of ice water

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3271968A (en) * 1964-06-03 1966-09-13 Kurt Karnath Dipl Ing Dr Methods and apparatus for cooling milk for use with milking machines
SU1455182A1 (en) * 1986-10-21 1989-01-30 Сибирское научно-производственное объединение "Колос" Method of operation of ice refrigerant accumulator
SU1537989A1 (en) * 1988-04-25 1990-01-23 Сибирское научно-производственное объединение "Колос" Cooling arrangement
RU2402899C2 (en) * 2008-11-26 2010-11-10 Общество с ограниченной ответственностью "Хладотехника" Method for cooling of fluid and device for its realisation
RU2484396C1 (en) * 2012-05-25 2013-06-10 Виктор Иванович Велюханов Ice accumulator for production of ice water

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5072596A (en) Ice building chilled water system and method
US5168724A (en) Ice building, chilled water system
RU1794234C (en) Method and device for cold accumulation and consumption
US4928493A (en) Ice building, chilled water system and method
US11542147B2 (en) Beverage dispensers with heat exchangers
CN107906835A (en) Method for Improving Refrigeration Efficiency of Water Dispenser and Water Dispenser
KR200393464Y1 (en) Ice making system
CN105758078A (en) Direct evaporation type supercooled water ice slurry manufacturing device adopting ammonia refrigeration system
JPH0646127B2 (en) Supercooled ice heat storage device
US6101837A (en) Ice thermal storage type air-conditioner and ice thermal storage tank
JP5777054B2 (en) Dry evaporator and COP improvement method for existing dry evaporator
US20060196631A1 (en) Thermal storage device
RU2814476C1 (en) Water cooling method and device for its implementation
RU131465U1 (en) COLD BATTERY
CN216048498U (en) Heat exchanger and storage device
CN213599898U (en) Heat exchanger and heat exchanger system
CN205561366U (en) Adopt direct expansion formula subcooling water -ice thick liquid manufacturing installation of ammonia refrigeration system
CN213172456U (en) Water circulation cooling system of quenching tank
CN219015032U (en) Heat exchange tube and immersion type refrigerator
CN218884338U (en) Liquid storage tank and cold chain equipment
CN219141173U (en) Refrigerating device and water dispenser
RU2792781C1 (en) Method for adaptive increase of efficiency of heat exchange processes in cold accumulators
CN217636364U (en) High-efficient air-cooler
RU51417U1 (en) COLD ACCUMULATION DEVICE
CN207674750U (en) A kind of liquid refrigeration system including spiral coil evaporator