ХОЛОДИЛЬНИК Российский патент 1997 года по МПК F25D3/00 

Изобретение относится к области холодильных установок и агрегатов и устройств для получения воды путем конденсации влаги из воздуха.

Изобретениеможет быть использовано при создании крупных холодильных установок и хладоцентралей для обслуживания промышленных и с/х предприятий, жилых микрорайонов и т.д. а также для создания мерзлых противофильтрационных завес в теле, основании и берегах грунтовых и других типов плотин, укрепления путем замораживания слабоустойчивых и оползневых склонов и откосов, на объектах промышленной гидротехники, при захоронении токсичных и радиоактивных отходов, в охлаждающих системах атомных и тепловых электростанций, металлургических заводов и для охлаждения защитных оболочек аварийных атомных объектов, в частности, "саркофага" Чернобыльской АЭС, а также для кондиционирования крупных зрелищных и общественных сооружений и помещений (открытых и закрытых стадионов, концертных залов, метро и т.д.).

Известен холодильник-конденсатор, включающий воздушную турбину, охлаждающую среду (землю) и накопитель воды (см. например, [1, c. 155]).

Недостатком такого холодильника-конденсатора является незначительный охлаждающий эффект и невысокая производительность его работы.

Известен холодильник-конденсатор, включающий вентилятор, морозильную камеру, холодильные блоки и накопитель воды (см. там же, абзац 2).

Недостатком этого холодтльника является невысокая производительность его работы в связи с отсутствием свободной емкости в морозильной камере, а также применения других (автономных) холодильных установок для охлаждения морозильной камеры. Кроме того наличие холодильных установок с хладагентами в виде фреона или водного раствора аммиака являются потенциальными источниками загрязнения окружающей среды, в частности, известно, что фреон разрушает жизненно важный озоновый слой атмосферы.

Известен также холодильник, содержащий побудитель потока газа (фреона) и отводящий воздуховод, соединяющий его с морозильной камерой (см. например, [2, с. 249, рис. 4А]).

Недостатком такого холодильника является невысокая производительность его работы в связи с необходимостью использования в качестве хладагента фреона, вследствие этого малым объемом морозильной камеры. Увеличение объема морозильной камеры, а следовательно, и объема циркулируемого хладагента (фреона), ограничивается, в частности, экологическими требованиями, так как фреон представляет серьезную опасность окружающей среде в связи с разрушением им озонового слоя атмосферы.

Прототипом предлагаемого технического решения является холодильник, содержащий побудитель потока воздуха, отводящий воздуховод, соединяющий побудитель потока с морозильной камерой (см. например, [3]).

Недостатком данного холодильника является невысокая производительность его работы, обусловленная возможностью получения воздухоприемником холодного воздуха только в ограниченный период времени года с отрицательными температурами воздуха и полная зависимость от температуры окружающей среды.

Цель изобретения повышение производительности работы холодильника и получение воды из атмосферы за счет использования в холодильнике холодного воздуха из средних и верхних слоев тропосферы и конденсации влаги на наружных поверхностях воздуховодов с холодным воздухом.

Поставленная цель достигается тем, что холодильник снабжен средством для подвода воздуха из средних и верхних слоев тропосферы, включающим подводящий воздуховод, преимущественно вертикального расположения, который соединен нижним концом с побудителем потока воздуха и верхним концом с тонкостенной емкостью из гибкого материала, заполненной газом с удельным весом меньше удельного веса воздуха, и средством для конденсации влаги из воздуха, содержащую разветвленную сеть воздуховодов преимущественно горизонтального расположения и размещенный под ним накопитель воды.

ПРи этом тонкостенная емкость из гибкого материала выполнена в виде трубы с двойными стенками, а заполненная газом полость образована между последними, при этом нижний конец трубы герметично соединен с верхним концом подводящего воздуховода.

Емкость выполнена из набора кольцевых торовых элементов, герметично прикрепленных один к другому, а заполненная газом полость образована полостями этих элементов.

Подводящий воздуховод выполнен из гибкого материала и снабжен кольцевыми ребрами жесткости, а под ним устроен накопитель воды.

На выходах воздуховодов из морозильной камеры и разветвленной сети воздуховодов установлены дополнительные побудители потока воздуха.

К подводящему воздуховоду и тонкостенной емкости прикреплены канаты, противоположные концы которых закреплены у поверхности Земли в направлении разных сторон света, а суммарная длина подводящего воздуховода l_подв и трубы l_тр составляет
0,2(Т_ср-Т)≅(l_подв+l_тр)≅(18.20)км,
где Т_ср среднемесячная температура воздуха наиболее жаркого месяца у поверхности земли в заданном районе строительства; Т требуемая температура холодного воздуха в подводящем воздуховоде.

Кроме того к верхнему концу трубы шарнирно прикреплен коленообразный патрубок с вертикальной лопастью, расположенной со стороны, противоположной входному отверстию патрубка, при этом последний выполнен так, что входное отверстие выполнено в вертикальной плоскости.

Известна вентиляционная система в промышленных и гражданских зданиях, включающая подводящие и отводящие воздуховоды и устройство для перекачки воздуха (вентилятор).

В известной вентиляционной системе вентилятор с присоединенным к нему подводящим и отводящим воздуховодами служит для удаления из помещений, производственных цехов и др. задымленного, запыленного, загазованного и пр. воздуха. При этом подводящий и отводящий воздуховоды могут быть иметь как вертикальное (в пределах высоты зданий), так и горизонтальное расположение.

В предлагаемом же устройстве холодильнике- конденсаторе соединение нижнего конца подводящего воздуховода с побудителем потока воздуха и прикрепление его верхнего конца к тонкостенной емкости из гибкого материала, заполненной газом с удельным весом меньше удельного веса воздуха, а также соединение отводящих воздуховодов соответственно с морозильной камерой и разветвленной сетью воздуховодов, преимущественно горизонтального расположения с находящимся под ними накопителем воды, обеспечивает повышение производительности работы холодильника за счет использования холодного воздуха из средних и верхних слоев тропосферы и конденсации влаги на наружных поверхностях воздуховодов с холодным воздухом.

Учитывая, что в тропосфере температура убывает в среднем на 0,5-0,6^oC на 100 м [4, с. 71-72] высота воздухозабора зависит от необходимой требуемой температуры холодного воздуха. При этом устойчивость подводящего воздуховода в преимущественно вертикальном положении повышает прикрепление к его верхнему концу тонкостенной емкости из гибкого материала, заполненной газом с удельным весом меньше удельного веса воздуха. Включение в работу побудителя потока воздуха создает пониженное давление в нижней части подводящего воздуховода, в результате чего происходит всасывание холодного воздуха через отверстие подводящего воздуховода из холодных средних и верхних слоев тропосферы. Отводящие воздуховоды обеспечивают подачу холодного воздуха соответственно в морозильную камеру и в разветвленную сеть воздуховодов преимущественно горизонтального расположения с находящимися под ними накопителями воды. В результате этого в морозильной камере температура понижается по сравнению с температурой окружающей среды. При подаче же холодного воздуха в разветвленную сеть воздуховодов стенки воздуховодов охлаждаются и влага, содержащаяся в воздухе окружающей среды, конденсируется на их наружных поверхностях и стекает в накопители воды, расположенные под этими воздуховодами. Для обеспечения проточности холодного воздуха морозильная камера и разветвленная сеть снабжены выходными воздуховодами. Выполнение тонкостенной емкости из гибкого материала в виде трубы с двойными стенками, в которой заполненная газом полость образована между последними, и герметичное соединение нижнего конца трубы с верхним концом подводящеговоздуховода превращает трубу в продолжение подводящего воздуховода и обеспечивает преимущественно вертикальное положение за счет подъемной силы газа с удельным весом меньше удельного веса воздуха, которым заполнена емкость, образованная двойными стенками цилиндрической трубы.

Выполнение цилиндрической трубы с двойными стенками в виде набора кольцевых торовых элементов, герметично прикрепленных один к другому и образованием заполненной газом полости полостями этих элементов, позволяет повысить технологичность устройства трубы за счет изготовления кольцевых торовых элементов в заводских условиях и монтажа на строительной площадке путем наполнения их газом с удельным весом меньше удельного веса воздуха и герметичного прикрепления друг к другу.

Выполнение подводящего воздуховода из гибкого материала с кольцевыми ребрами жесткости позволяет облегчит вес подводящего воздуховода и обеспечить постоянное цилиндрическое пространство внутри воздуховода при создании в нем пониженного давления работой побудителя потока воздуха.

Выполнение под подводящим воздуховодом преимущественно вертикального расположения накопителя воды позволяет аккумулировать влагу, сконденсировавшуюся на наружной поверхности подводящего воздуховода и стекающую по ней.

Установка дополнительных побудителей потока воздуха на выходах воздуховодов из морозильной камеры и разветвленной сети воздуховодов преимущественно горизонтального расположения предотвращает возможное повышение температуры холодного воздуха, подаваемого в морозильную камеру и разветвленную сеть воздуховодов преимущественно горизонтального расположения, за счет некоторого повышения давления воздуха в последних при работе побудителя потока воздуха, соединенного с подводящим воздуховодом преимущественно вертикального расположения.

Прикрепление канатов к подводящему воздуховоду и тонкостенной емкости и закрепление их противоположных концов у поверхности Земли в направлении разных сторон света позволяет повысить устойчивость в вертикальном положении подводящего воздуховода и тонкостенной емкости.

Выполнение подводящего воздуховода и трубы суммарной длиной (l_подв+l_тр), определенной по формуле
0,2(Т_cр-Т)≅(l_подв+l_тр)≅(18.20)км,
где Т_ср среднемесячная температура воздуха наиболее жаркого месяца у поверхности Земли в заданном районе строительства, позволяет получить в подводящем воздуховоде холодный воздух с температурой не менее требуемого охлаждения (Т).

Шарнирное прикрепление к верхнему концу цилиндрической трубы коленообразного патрубка с вертикальным входным отверстием и лопастью в вертикальной плоскости, установленной с противоположной стороны патрубка в направлении входного отверстия, обеспечивает разворот входного отверстия навстречу ветровому потоку и создание тем самым повышенного давления в подводящем воздуховоде, а следовательно, и более производительной работы побудителя потока воздуха.

На фиг. 1 изображено продольное сечение предлагаемой конструкции холодильника-конденсатора, включающего подводящий 1 и отводящий 2 воздуховоды, побудитель потока воздуха 3, морозильную камеру 4 и накопитель воды 5, в котором подводящий воздуховод 1 преимущественно вертикального расположения соединен нижним концом с побудителем потока воздуха 3 и верхним концом прикреплен к тонкостенной емкости 6 из гибкого материала, заполненной газом 7 с удельным весом меньше удельного веса воздуха, а отводящие воздуховоды 2 соединены соответственно с морозильной камерой 4 и разветвленной сетью воздуховодов 5 преимущественно горизонтального расположения с находящимся под ними накопителем воды 5. Показаны также канаты 10, прикрепленные к подводящему воздуховоду и закpепленные пpотивоположными концами у поверхности Земли в направлении разных сторон света.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение тонкостенной емкости 6 из гибкого материала, выполненной в виде трубы с двойными стенками, образующими полость, заполненную газом 7 с удельным весом меньше удельного веса воздуха.

На фиг. 3 изображено продольное сечение трубы, выполненной из кольцевых торовых элементов 9, заполненных газом 7 из герметично прикрепленных друг к другу.

На фиг. 4 изображено поперечное сечение разветвленной сети воздуховодов 8 преимущественно горизонтального расположения, с находящимся под ним накопителем воды 5.

На фиг. 5 изображена схема установки дополнительных побудителей потока воздуха 11 на выходах воздуховодов из морозильной камеры 4 и разветвленной сети воздуховодов 8.

На фиг. 6 изображен подводящий воздуховод 1 из гибкого материала, снабженный кольцевыми ребрами жесткости 12.

На фиг. 7 изображен коленообразный патрубок 13 (шарнирно прикрепленный к верхнему концу трубы 6) с вертикальной лопастью, расположенной со стороны, противоположной входному отверстию патрубка, при выполнении последнего в вертикальной плоскости.

На фиг. 8 изображен накопитель воды 5, расположенный под подводящим воздуховодом 1.

Предлагаемаый холодильник-конденсатор работает следующим образом.

Для функционирования холодильника с морозильной камерой и конденсатора для получения воды из атмосферы необходим воздух с температурой, меньшей температуры окружающей среды. В предлагаемом устройстве в этом качестве используется холодный воздух из средних и верхних слоев тропосферы. Известно, что температура воздуха уменьшается в пределах тропосферы на 0,5 0,6^oС на каждые 100 м высоты [4] Для получения указанного холодного воздуха предусмотрено устройство подводящего воздуховода 1, для обеспечения устойчивости которого в преимущественно вертикальном положении к верхнему концу его прикреплена тонкостенная емкость из гибкого материала 6, заполненная газом 7 с удельным весом меньше удельного веса воздуха. В результате указанная тонкостенная емкость 6 создает подъемную силу, направленную вверх и обеспечивает преимущественно вертикальное положение подводящего воздуховода 1. Включение в работу побудителя потока воздуха 3 создает в подводящем воздуховоде 1 пониженное давление и в результате этого начинается движение холодного воздуха из высокорасположенных слоев вниз по подводящему воздуховоду. Этот поток холодного воздуха подается по отводящим воздуховодам 2 как в морозильную камеру холодильника 4, так и в разветвленную сеть воздуховодов 8 преимущественно горизонтального расположения (конденсатор) с находящимся под ними накопителем 5 сконденсировавшейся воды. Холодильник и конденсатор имеют выходы воздуховодов для обеспечения проточности холодного воздуха в них. При выполнении тонкостенной емкости 6 в виде трубы с двойными стенками последняя становится продолжением подводящего воздуховода 1. Заполнение газом 7 с удельным весом меньше удельного веса воздуха полости, образованной двойными стенками трубы 6, создает в последней подъемную силу, а прикрепление ее нижнего конца к верхнему концу подводящего воздуховода 1 вытягивает трубу 6 в преимущественно вертикальное положение. Таким образом обеспечивается забор холодного воздуха из средних и верхних слоев тропосферы. Выполнение трубы 6 из набора кольцевых торовых элементов 9, заполненных газом 7, позволяет повысить технологичность строительства за счет изготовления этих элементов в заводских условиях и монтажа их на строительной площадке. При герметичном прикреплении элементов 9 друг к другу они образуют цилиндрическую трубу, которая становится продолжением подводящего воздуховода 1 и обеспечивает забор холодного воздуха из средних и верхних слоев тропосферы.

Накопитель воды, устроенный под подводящим воздуховодом 1, позволяет аккумулировать воду, сконденсировавшуюся на наружной поверхности подводящего воздуховода 1 и стекающую по ней вниз. Конденсации воды из воздуха происходит в зависимости от разности температур холодного воздуха в подводящем воздуховоде 1 и окружающего его воздуха, а также в зависимости от теплопроводности материала подводящего воздуховода 1.

Установка дополнительных побудителей потока воздуха на выходах воздуховодов из морозильной камеры холодильника 4 и разветвленной сети воздуховодов (конденсатора) 8 позволяет предотвратить повышение давления воздуха на участках отводящих воздуховодов 2 от работы основного побудителя потока воздуха 3.

Прикрепление к подводящему воздуховоду 1 и тонкостенной емкости 6 канатов 10, противоположные концы которых закреплены у поверхности земли в направлении разных сторон света, повышает устойчивость подводящего воздуховода 1 и тонкостенной емкости 6 в преимущественно вертикальном положении.

Выполнение суммарной длины подводящего воздуховода l_подв и трубы с двойными стенками l_тр по формуле
0,2(Т_ср-Т)км≅(l_подв+l_тр)≅(18.20)км,
где T_cр среднемесячная температура наиболее жаркого месяца у поверхности земли в заданном районе строительства; Т требуемая температура охлаждения холодного воздуха, позволяет получать холодный воздух с температурой не менее требуемого в подводящем воздуховоде.

Нижний предел приведенной формулы определен из условия линейного убывания температуры воздуха с высотой в тропосфере в среднем на 0,5 0,6^oС на 100 м [4, стр. 72] Верхний предел определен из условия относительного постоянства температуры воздуха (около -60.-65^oС) на высоте 18.20 км [4, стр. 71-72, рис. 16]
Например, при среднемесячной температуре наиболее жаркого месяца равной Т_ср +15^oС и требуемой температуре холодного воздуха в подводящем воздуховоде равной Т -10^oС, суммарную длину подводящего воздуховода 1 и трубы с двойными стенками 6 необходимо выполнить равной (l_подв + l_тр) 0,2 (Т_ср Т) 0,2 [15 (-10)] 5 км.

В качестве газа с удельным весом меньше удельного веса воздуха для заполнения тонкостенной емкости из гибкого материала, а ровно трубы с двойными стенками или из кольцевых торовых элементов, может использоваться водород или гелий или другие газы с удельным весом, меньшим удельного веса воздуха. Избыточное давление газа в кольцевых торовых элементах повышает жесткость и устойчивость конструкции преимущественно в вертикальном положении.

Предлагаемое изобретение позволяет по сравнению с прототипом повысить производительность работы холодильника-конденсатора за счет использования холодного воздуха из средних и верхних слоев тропосферы.

Дополнительными преимуществами изобретения являются:
защита окружающей среды, а именно озонового слоя атмосферы, от разрушения, за счет отказа от применения фреона в холодильных установках;
защита окружающей среды, а именно охлаждающих водоемов атомных и тепловых электростанции, от радиоактивного и теплового загрязнений, а также снижение материалоемкости и стоимости эксплуатационных затрат указанных электростанций, металлургических заводов и т.д. за счет замены водного охлаждения заявленным техническим решением;
предотвращение оползневых процессов слабоустойчивых склонов за счет создания мерзлотных скелетных структур;
защита экологии за счет создания практически водонепроницаемых противофильтрационных завес при захоронении токсичных и радиоактивсодержащих отходов;
возможность получения криогенной электроэнергии за счет использования образующегося потенциала температур и т.д.

возможность кондиционирования крупных зрелищных и общественных сооружений и помещений (открытых и закрытых стадионов, концертных залов, метро и т. д.) за счет использования освежающего воздуха из тропосферы.

Литература
1. Лукин Н. Ф. "Дождь! Иди!", журн. "Памир", г. Душанбе, 6, 1990, с. 152-171.

2. Радость познания. Популярная энциклопедия, т.4. Человек и машины. М. "Мир", 1986.

3. Илюхин В.В. Холодильник. А.с. 1143947 (кл. F 25 D 3/00). БИ 9, 1985.

Дерпгольц В.Ф. Мир воды. Л. "Недра", Л.О. 1979, с. 254.

Использование: в области холодильных установок и агрегатов и устройств для получения воды путем конденсации влаги из воздуха. Сущность изобретения: холодильник содержит морозильную камеру, связанную с побудителем потока воздуха, средство для подвода воздуха из средних и верхних слоев тропосферы, включающее подводящий воздуховод преимущественно вертикального расположения, соединенный нижним концом с побудителем потока воздуха и верхним концом с тонкостенной емкостью из гибкого материала, заполненной газом с удельным весом меньше удельного веса воздуха. Холодильник содержит средство для конденсации влаги из воздуха, включающее разветвленную сеть воздуховодов, преимущественно горизонтального расположения и размещенный под ними накопитель воды. Емкость выполнена в виде трубы с двойными стенками, а заполненная газом полость образована между последними, или емкость может быть выполнена из набора концевых торовых элементов, герметично прикрепленных один к другому, а заполненная газом полость образована полостями этих элементов. Подводящий воздуховод выполнен из гибкого материала и снабжен кольцевыми ребрами жесткости. Холодильник снабжен накопителем, расположенным под подводящим воздуховодом. Холодильник снабжен дополнительными побудителями потока воздуха, установленными на выходах воздуховодов из морозильной камеры и разветвленной сети горизонтально расположенных воздуховодов. К подводящему воздуховоду и к тонкостенной емкости прикреплены канаты, противоположные концы которых закреплены у поверхности земли в направлении разных сторон света. Суммарная длина подводящего воздуховода и трубы определяется по формуле. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Холодильник, содержащий побудитель потока воздуха, отводящий воздуховод, соединяющий побудитель потока с морозильной камерой, отличающийся тем, что для повышения производительности и получения воды из воздуха холодильник снабжен средством для подвода воздуха из средних и верхних слоев тропосферы, включающим подводящий воздуховод, преимущественно вертикального расположения, соединенный нижним концом с побудителем потока воздуха и верхним концом с тонкостенной емкостью из гибкого материала, заполненной газом с удельным весом меньше удельного веса воздуха и средством для конденсации влаги из воздуха, содержащим разветвленную сеть воздуховодов, преимущественно горизонтального расположения, и размещенный под ним накопитель воды. 2. Холодильник по п.1, отличающийся тем, что емкость выполнена в виде трубы с двойными стенками, а заполненная газом полость образована между последними, при этом нижний конец трубы герметично соединен с верхним концом подводящего воздуховода. 3. Холодильник по п.1, отличающийся тем, что емкость выполнена из набора кольцевых торовых элементов, герметично прикрепленных один к другому, а заполненная газом полость образована полостями этих элементов. 4. Холодильник по пп.1 3, отличающийся тем, что подводящий воздуховод выполнен из гибкого материала и снабжен кольцевыми ребрами жесткости. 5. Холодильник по пп.1 4, отличающийся тем, что снабжен накопителем, расположенным под подводящим воздуховодом. 6. Холодильник по пп.1 5, отличающийся тем, что снабжен дополнительными побудителями потока воздуха, установленными на выходах воздуховодов из морозильной камеры и разветвленной сети воздуховодов, преимущественно горизонтального расположения. 7. Холодильник по пп.1 6, отличающийся тем, что к подводящему воздуховоду и тонкостенной емкости прикреплены канаты, противоположные концы которых закреплены у поверхности земли в направлении разных сторон света. 8. Холодильник по пп.2 7, отличающийся тем, что суммарная длина подводящего воздуховода l_{п о д в} и трубы l_т р составляет, км:
0,2 (Т_с р Т) ≅ (l_{п о д в +}l_т р) ≅ 18 20,
где Т требуемая температура холодного воздуха в подводящем воздуховоде;
Т_с р среднемесячная температура воздуха наиболее жаркого месяца у поверхности Земли в заданном районе строительства. 9. Холодильник по пп.2 8, отличающийся тем, что снабжен шарнирно прикрепленным к верхнему концу трубы коленообразным патрубком с вертикальной лопастью, расположенной со стороны, противоположной входному отверстию патрубка, при этом последний выполнен так, что входное отверстие выполнено в вертикальной плоскости.