Способ получения искусственого снега и устройство для его осуществления

 

Использование: в области получения искусственного снега для хранения пищевых и сельскохозяйственных продуктов и для искусственных снежных покрытий. Сущность: при получении искусственного снега в устройстве для его получения текущий в пленочном режиме в поле центробежных сил слой воды диспергируют сверхзвуковым пульсирующим газовым потоком в поле ультразвуковых колебаний одновременно с диспергированием жидкой двуокиси углерода, обеспечивающей образование центров кристаллизации в камере смешения, а образующийся снег отводят через канал в полом приводном валу, на котором осуществляют вращение камеры смешения. Расход воды задают не более значения по установленной формуле. Предусмотрена возможность диспергирования жидкой двуокиси углерода в поле ультразвуковых колебаний и нанесение на дисперсные воду и двуокись углерода статических электрических зарядов противоположных потенциалов. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технике и технологии получения искусственного снега для снегования при хранении в буртах или ямах плодов и овощей, охлаждения пищевых продуктов и изготовления искусственных снежных покрытий при положительной и отрицательной температуре.

Известен способ получения искусственного снега, предусматривающий подачу в камеру смешения сверхзвукового потока газа, введение в нее и диспергирование воды и жидкой двуокиси углерода для получения аэрозоли с образованием центров кристаллизации [1] Недостатками этого способа являются экстенсивность снегообразования и низкое качество получаемого снега из-за неоднородного гранулометрического состава и неодинакового холодильного потенциала.

Известно устройство для получения искусственного снега, включающее смесительную камеру, источник подачи воды, приспособления для введения в нее жидкой двуокиси углерода и сверхзвукового потока газа, выполненные в виде сопел, а также канал для отвода снега.

Это устройство полностью сохраняет недостатки реализуемого им способа.

Задачей изобретения является интенсификация снегообразования и повышение качества получаемого снега.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения искусственного снега, предусматривающем подачу в камеру смешения сверхзвукового потока газа, введении в нее и диспергирование воды и жидкой двуокиси углерода для получения аэрозоля с образованием центров кристаллизации, согласно изобретению, воду подают в камеру смешения с образованием пленочного режима течения в поле центробежных сил, газ подают в пульсирующем режиме через сопла Лаваля в пленку воды для создания ультразвуковых колебаний в водогазовой смеси, при этом расход воды задают не более значения, определяемого по формуле: где q максимальный расход воды, кг/с; Q расход газа, кг/с; R расстояние от оси вращения до пленки воды в поле центробежных сил, м; μ_в, μ_г вязкость воды и газа соответственно, Па·с; ω частота вращения, с^-1; r_в плотность воды, кг/м³.

Это позволяет диспергировать воду при одновременной генерации в потоке аэрозоля ультразвуковых колебаний, что увеличивает вероятность взаимодействия диспергируемых частиц воды и двуокиси углерода, и интенсифицировать процесс снегообразования за счет ускоренной коагуляции частиц смеси в камере и повысить качество снега, снизив разброс дисперсности его холодильного потенциала, и увеличения срока хранения при гарантированном образовании сплошной ледяной корки на ядре из двуокиси углерода.

Предпочтительным вариантом воплощения изобретения предусмотрено диспергирование жидкой двуокиси углерода в поле ультразвуковых колебаний, что дополнительно интенсифицирует процесс снегообразования и повышает качество снега за счет описанных выше эффектов.

Другим предпочтительным вариантом предусмотрено нанесение при диспергировании воды и жидкой двуокиси углерода на них статических зарядов противоположных потенциалов.

Это позволяет интенсифицировать процесс снегообразования за счет взаимного притяжения дисперсных частиц воды и жидкой двуокиси углерода в поле электростатических сил, что одновременно позволяет выровнять гранулометрический состав снега регулировкой величины заряда, наносимого на диспергируемые компоненты, чем повысить качество снега.

Указанная задача также решается тем, что устройство для получения искусственного снега, включающее смесительную камеру, источник подачи воды, приспособления для введения в нее жидкой двуокиси углерода и сверхзвукового потока газа, а также канал для отвода снега, согласно изобретению, снабжено кожухом с размещенным в нем с образованием кольцевой камеры перфорированным статором, а смесительная камера выполнена в виде барабана, установленного в статоре с возможностью вращения от привода на соосных полых валах, закрепленных в торцевых стенках кожуха, приспособление для введения потока газа представляет собой выполненные по боковой поверхности барабана сопла Лаваля, расположенные по соосным с отверстиями перфорации статора окружностям с неравным и некратным окружным шагом, один из валов сообщен с источником подачи воды, а канал для отвода снега образован в другом валу, причем в кожухе со стороны этого канала образована изолированная от газовой камеры полость для жидкой двуокиси углерода, а в торцевой стенке барабана, смежной с указанной полостью, выполнены отверстия из дисперсного ввода в камеру смешения жидкой двуокиси углерода.

Такая конструкция устройства позволяет реализовать более надежный режим создания пленочного течения, при котором гравитационные и фрикционные силы способствуют его образованию, а не препятствуют ему, как в случае тангенциального ввода жидкости с высокой линейной скоростью в камеру, выполненную по форме тела вращения, где гравитационные и фрикционные силы вносят изменения в режим течения в зависимости от пройденного пути от места ввода, что позволяет надежно осуществлять предлагаемый способ.

В предпочтительном варианте в полости для жидкой двуокиси углерода в зоне торцевой стенки барабана выполнена перпендикулярная оси барабана перегородка с отверстиями, профиль которых совпадает с профилем отверстий в торцевой стенки барабана, при этом отверстия перегородки торцевой стенки барабана размещены по концентричным окружностям с неравным и некратным окружным шагом.

Этот вариант выполнения устройства позволяет при минимальном усложнении конструкции в отличие от установки ультразвуковых распылителей осуществлять наложение ультразвуковых колебаний на поток дисперсной двуокиси углерода.

Другим предпочтительным вариантом предусмотрено выполнение поверхностей отверстий в торцевой стенке барабана и сопел Лаваля из разнополюсных электретов.

Этот вариант выполнения устройства позволяет при отсутствии внешнего энерговвода и минимальном усложнении конструкции в отличие от установки электродов или ионизирующих излучателей осуществлять нанесение электростатических зарядов противоположных потенциалов на диспергируемые воду и жидкую двуокись углерода.

На фиг. 1 показана схема устройства для реализации способа; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 узел I на фиг.1; на фиг.4 узел II на фиг.1.

Устройство для получения искусственного снега содержит кожух 1, в котором с образованием кольцевой газовой камеры 2 установлен перфорированный статор 3 и образована полость 4 для жидкой двуокиси углерода, изолированная от газовой камеры 2, смесительную камеру, выполненную в виде барабана 5, установленного в статоре 3 с возможностью вращения от привода (не показан) на соосных полых валах 6 и 7, закрепленных в торцевых стенках кожуха 1, приспособление для введения потока газа в смесительную камеру в виде выполненных по боковой поверхности барабана 5 сопел 8 Лаваля, размещенных по соосным окружностям с отверстиями 9 перфорации статора 3 с неравным и некратным окружным шагом, источник 10 подачи воды, сообщенный с полостью 11 барабана 5 через полость 12 вала 6, канал 13 для отвода снега, образованный полостью вала 7, источник 14 жидкой двуокиси углерода, сообщенный с полостью 4, и средства ее дисперсной подачи в смесительную камеру, выполненные в виде отверстий 15 в торцевой стенке барабана 5.

В предпочтительном варианте в полости 4 в зоне торцевой стенки барабана 5 возможно выполнение перпендикулярной оси последнего перегородки 16 с отверстиями 17, профиль которых совпадает с профилем отверстий 15, при этом отверстия 15 и 17 размещены по концентрическим окружностям с неравным и некратным шагом, и/или выполнение отверстий 15 и сопел 8 Лаваля из разнополюсных электретов 18 и 19 соответственно.

Способ осуществляется следующим образом. Воду подают на источник 10 через полость 12 вала 6 в количестве, не большем рассчитанного по формуле (1), полученной эмпирическим путем, в полость 11 барабана 5. Увеличение расхода воды выше расчетного приводит к застаиванию воды в барабане 5 из-за невозможности ее распыления, что приводит к образованию единого ледяного блока в барабане 5. Расчетное значение расхода воды соответствует максимальному значению газодинамического выноса жидкости при заданных расходе диспергирующего газа и характеристиках поля центробежных сил, создаваемом вращением барабана 5 на валах 6 и 7 от привода (не показан),что приводит к образованию пленочного режима течения жидкости на внутренней поверхности барабана 5. Одновременно в кольцевую камеру 2 подают диспергирующий газ под давлением выше давления пленки воды на внутреннюю поверхность барабана 5. При периодическом совпадении отверстий 9 перфорации статора 3 и сопел 8 Лаваля на боковой поверхности барабана 5 диспергирующий газ из камеры 2 поступает через отверстия 9 в сопла 8 Лаваля, в которых при адиабатном расширении охлаждается до отрицательных температур и достигает сверхзвуковой скорости истечения, а затем поступает в пленку воды на внутренней поверхности барабана 5. На выходе сверхзвукового потока газа из сопел 8 Лаваля в пленку воды происходит турбулентный срыв потока газа с образованием и схлопыванием кавитационных полостей с ультразвуковой частотой, при этом наиболее энергоемкие колебания генерируются в момент перекрытия сопел 8 Лаваля статором 3. За счет энергии ультразвуковых колебаний и газодинамического выноса вода диспергируется и поступает из пленки в полость 11 барабана 5 в виде дисперсных частиц, которые являются носителями ультразвуковой волны, генерируемой в пленке воды газовым потоком. При выполнении сопел 8 Лаваля из электрета 19 пересечение дисперсными частицами воды электромагнитных силовых линий электрета 19 в момент каплеотделения приводит к нанесению на каждую каплю воды статического электрического заряда, потенциал которого одинаков по знаку для всех капель, а по величине соответствует размеру каждой капли. Одновременно при подаче из источника 14 в полость 4 кожуха 1 жидкой двуокиси углерода происходит ее истечение через отверстия 15 в полость 11 барабана 5. В процессе истечения на выходе из отверстий 15 жидкая двуокись углерода попадает в зону пониженного давления, в которой при дросселировании через отверстия 15 происходит ее частичное испарение с поглощением теплоты и одновременным диспергированием и частичный переход в твердое фазовое состояние с образованием центров кристаллизации. При выполнении в полости 4 перегородки 16 с отверстиями 17 аналогично описанному выше при периодическом совпадении отверстий 17 с отверстиями 15 и перекрытии последних перегородкой 16 происходит образование и схлопывание кавитационных полостей с генерированием колебаний ультразвуковой частоты, которые увеличивают дисперсность двуокиси углерода, переходящей из жидкого фазового состояния в твердое, и повышает количество центров кристаллизации в полости 11 барабана 5, интенсифицируя процесс снегообразования. При выполнении отверстий 17 перегородки 16 из электрета 18 на диспергируемую жидкую двуокись углерода аналогично воде наносят статический электрический заряд, но противоположного потенциала, который сохраняется при переходе двуокиси углерода в твердое фазовое состояние. В полости 11 барабана 5 происходит взаимодействие воды и двуокиси углерода с образованием снега с ядром из твердой фазы двуокиси углерода и ледяной оболочки, интенсифицированное наличием поля ультразвуковых колебаний. При дисперсности компонентов снега порядка 1-5 мкм (для сравнения в прототипе дисперсность до 20 мкм) взаимодействие дисперсных частиц двуокиси углерода и воды приводит к гарантированному образованию ледяной корки на ядре из твердой двуокиси углерода, что выравнивает холодильный потенциал и срок хранения получаемого снега. При нанесении на воду и двуокись углерода статических зарядов противоположных потенциалов процесс снегообразования дополнительно интенсифицируется наличием сил электростатического притяжения и отталкивания. В этом случае за счет изменения величины зарядов дисперсных частиц компонентов снега при их взаимодействии получают наиболее однородный гранулометрический состав и холодильный потенциал изготавливаемого снега. Полученный таким образом снег выносится потоком отработанного газа из полости 11 барабана 5 через канал 13 отвода снега, образованный в полом валу 7.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство получения искусственного снега позволяют интенсифицировать процесс снегообразования и повысить качество снега за счет коагулирующего воздействия на реакционную смесь ультразвука и электростатических зарядов, обеспечивающих с высокой вероятностью образование ледяной корки вокруг низкотемпературного ядра из твердой фазы двуокиси углерода и получение снега с однородным гранулометрическим составом и холодильным потенциалом, что повышает качество снега за счет стабилизации его технологических свойств.

Формула изобретения

1. Способ получения искусственного снега, предусматривающий подачу в камеру сверхзвукового потока газа, введение в нее и диспергирование воды и жидкой двуокиси углерода для получения аэрозоля с образованием центров кристаллизации, отличающийся тем, что воду подают в камеру смешения с образованием пленочного режима течения в поле центробежных сил, газ подают в пульсирующем режиме через сопла Лаваля в пленку воды для создания ультразвуковых колебаний в водогазовой смеси, при этом расход воды задают не более значения, определяемого по формуле

где q максимальный расход воды, кг/с;
Q расход газа, кг/с;
R расстояние от оси вращения до пленки воды в поле центробежных сил, м;
μ_в, μ_г- вязкость воды и газа соответственно, Па·с;
ω - частота вращения, с^-1;
ρ_в- плотность воды, кг/м³.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диспергирование жидкой двуокиси углерода осуществляют в поле ультразвуковых колебаний.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при диспергировании воды и жидкой двуокиси углерода их заряжают разноименными статическими зарядами.

4. Устройство для получения искусственного снега, включающее смесительную камеру, источник подачи воды, приспособления для введения в нее жидкой двуокиси углерода и сверхзвукового потока газа, канал для отвода снега, отличающееся тем, что оно снабжено кожухом с размещенным в нем с образованием кольцевой камеры перфорированным статором, а смесительная камера выполнена в виде барабана, установленного в статоре с возможностью вращения от привода на соосных полых валах, закрепленных в торцевых стенках кожуха, приспособление для введения потока газа представляет собой выполненные по боковой поверхности барабана сопла Лаваля, размещенные по соосным с отверстиями перфорации статора окружностям с неравным и некратным окружным шагом, один из валов сообщен с источником подачи воды, а канал для отвода снега образован в другом валу, причем в кожухе со стороны этого канала образована изолированная от газовой камеры полость для жидкой двуокиси углерода, а в торцевой стенке барабана, смежной с указанной полостью, выполнены отверстия для дисперсного ввода в камеру смешения жидкой двуокиси углерода.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в полости для жидкой двуокиси углерода в зоне торцевой стенки барабана выполнена перпендикулярная оси барабана перегородка с отверстиями, профиль которых совпадает с профилем отверстий в торцевой стенке барабана, при этом отверстия перегородки и торцевой стенки барабана размещены по концентричным окружностям с неравным и некратным окружным шагом.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что поверхность отверстий в торцевой стенке барабана и сопл Лаваля выполнена из разнополюсных электретов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4