ХОЛОДИЛЬНИК КАШЕВАРОВА ХК Российский патент 1997 года по МПК F25B1/00 

ХК является комплексным изобретением, в которое входит холодильный шкаф с радиатором и роторный компрессор Кашеварова РКК.

Так как РКК имеет самостоятельное применение, то на него будет подана заявка на патент через месяц после данной заявки.

ХК относится к бытовым приборам и предназначается взамен квартирных холодильников, которые используют фреон, являющийся одним из основных разрушителей озонового слоя атмосферы Земли.

Аналогом ХК является квартирный бытовой холодильник (БСЭ, второе изд. т. 46, стр. 289) и холодильные агрегаты (там же стр. 291), включающие компрессор, электродвигатель, конденсатор и испаритель.

Основные недостатки вышеупомянутых аналогов заключаются в использовании фреона, как холодильного агента и большое потребление электроэнергии.

За прототип ХК принят бытовой (квартирный) холодильник типа К III-300/45 (Ока-6М), которому присущи вышеупомянутые недостатки, а также малый диапазон температур (от +16 до +32^o), в которых допустимо его применение.

ХК не использует фреон, существенно меньше потребляет электроэнергии на выработку 1 ккал холода и может работать при температурах наружного воздуха от -50^o до +50^o. Актуальность создания квартирного холодильника с большим КПД и не использующего фреон, из-за которого озоновый слой Земли уже "похудел" на 10% многократно отмечалась в мировой печати и на соответствующих международных конференциях ученых экологов. Например, в США на работу квартирных холодильников уходит 20% всего вырабатываемого электричества (журнал Энергия N 3 за 1992 год, стр. 33, 34). При этом 110 миллионов холодильников за год выделяют 100 тыс. т. озоноразрушающих веществ и потребляют 77 млрд. кВт-ч электроэнергии.

ХК имеет холодильный шкаф, радиатор и роторный компрессор, а в качестве холодильного агента используют воздух и соляной рассол. В нижней части холодильного шкафа в соляном рассоле установлена морозильная камера, переходящая в холодильную камеру. Камера с соляным рассолом переходит в камеру с воздухом, которая соединена патрубком с компрессором, поддерживающим в ней нормальное атмосферное давление 1 кг/см². Компрессор соединен с радиатором, из которого сжатый компрессором воздух и охлажденный в радиаторе поступает в трубку с мелкими отверстиями, установленную в соляном рассоле под дном морозильной камеры. Сжатый воздух из отверстий этой трубки выходит мелкими пузырьками, расширяется, охлаждаясь отдает большую часть холода соляному рассолу и выходит в камеру с воздухом при температуре соляного рассола, которая может понижаться до 15^o, если соляной рассол образован поваренной солью и до -30, если это рассол хлористого калия.

Камера с воздухом установлена в задней части холодильной камеры, от которой воздух нагревается до нулевой температуры, отдавая ей свой холод. В результате одного цикла прохода воздуха через устройства холодильника воздух отдает в радиаторе столько тепла, сколько получает от рассола и от стенок воздушной камеры.

Весь цикл передачи тепла из холодильного шкафа в радиатор под действием компрессора является замкнутым и проходит без выделения в атмосферу каких-либо веществ. При этом исходные вещества, участвующие в передаче тепловой энергии их холодильного шкафа в радиатор воздух и водяной раствор поваренной соли (NaCl) также не имеют какого-либо отрицательного воздействия на атмосферу и тем более на ее озоновый слой.

Радиатор в ХК отделен от холодильного шкафа и может быть установлен за окном кухни, в которой стоит холодильный шкаф. В результате этого в зимнюю половину года, а также в ночное время большей части года затрата электроэнергии для работы ХК уменьшается более чем в 1,5 раза.

Роторный компрессор РКК холодильника ХК имеет КПД выше чем известный, что позволяет получить в КПД холодильника ХК существенно больший, чем у известных холодильников.

Таким образом, предлагаемый холодильник ХК не требует для своей работы холодильных агентов, разрушающих озоновый слой и за год своей эксплуатации потребляет в 1,5 2 раза меньше электроэнергии, чем известные холодильники с таким же объемом холодильной и морозильной камер.

При этом он имеет еще преимущества перед известными холодильниками, обусловленные тем, что его электродвигатель имеет в 2 раза меньшую мощность, следовательно, в 2 раза меньшую стоимость, массу и уровень шума при работе. Такие же преимущества имеет и компрессор холодильника ХК по сравнению с одним компрессором известных холодильников.

Следовательно, стоимость холодильника ХК меньше стоимости известных холодильников, стоимость его эксплуатации в 2 раза меньше, а главное, его производство и применение не только не повредит озоновому слою Земли, но также уменьшит в 2 раза отрицательное воздействие на окружающую среду в результате 2-х кратного потребления электроэнергии.

Существенным преимуществом ХК перед прототипом является возможность его работы без периодического размораживания, которое является условием работы прототипа и других комнатных холодильников. Вместо размораживания ХК из его морозильной камеры раз в месяц и даже реже вынимается камера-поддон и на нее вытряхивается снег и лед после чего она устанавливается на прежнее место. При этом ХК не выключается.

Устройство ХК поясняется чертежами, где на фиг. 1 даны сечения по А-А, Б-Б и В-В шкафа 1, на фиг. 2, на фиг. 3 вид сверху и снизу шкафа 1; на фиг. 3 места Л.М.Н. и O на фиг. 1 увеличенные в 4 раза по сравнению с фиг. 1; на фиг. 4 продольное сечение радиатора; на фиг. 5 сечение по Г-Г на фиг. 4; на фиг. 6 место П на фиг. 5, увеличенное в 4 раза по сравнению с фиг. 5; на фиг. 7 сечение по Д-Д на фиг. 4.

ХК выполнен в виде шкафа, образованного наружным металлическим корпусом 1 со слоем теплоизолирующего материала и установленного вдоль всей внутренней поверхности корпуса 1, в котором размещены холодильная и морозильная 4 камеры для помещения продуктов, рассольная 5 и атмосферная 6 камеры, заполненные соответственно рассолом (или разбавленным метиловым спиртом) и воздухом атмосферного давления 1 кг/см². При этом наружная стенка рассольной камеры 5 образует морозильную камеру 4, а наружная стенка атмосферной камеры 6 образует заднюю стенку холодильной камеры 3. В рассольной камере 5 на границе с атмосферной камерой 6 установлен электродатчик температуры рассола, по электросигналам которого включается и выключается электродвигатель компрессора. Внутренние стенки камер 5 и 6 отделены от корпуса 1 шкафа теплоизолирующим слоем 2. Морозильная камера 4 отделена от холодильной камеры 5 съемной перегородкой 7 с дверцей 8. Холодильная камера 3 имеет дверь 9 с резиновой прокладкой 10, установленную наклонно на передней стороне шкафа, что обеспечивает закрытое положение холодильной камеры 3. Дверь имеет термоизолирующий слой 2 и полочки для установки продуктов в мелкой упаковке. Камера 3 имеет металлические решетчатые полки обычного типа, установленные на заданной высоте.

На потолочной стенке корпуса шкафа 1 закреплена панель с установленными на ней роторным компрессором П и электродвигателем 12, которые закрыты съемным кожухом 13. На донной стенке корпуса 1 шкафа имеются каблучки 14 с нижней цилиндрической поверхностью, геометрическая ось которой перпендикулярна боковым стенкам шкафа, а также патрубок клапан 15 ввода сжатого и охлажденного воздуха в патрубок 16, перфорированный мелкими отверстиями и установленный вдоль ребра соединения передней боковой и донной стенок рассольной камеры 5. Патрубок клапан 15 соединен со шлангом 17 радиатора 18.

Патрубок-клапан 15 и шланг 17 имеют теплоизоляцию. Клапан пропускает воздух в патрубок 16 тогда, когда его давление превышает заданную величину. Атмосферная камера 6 в верхней части соединена с компрессором 11 патрубком 19, а компрессор 11 соединен шлангом 20 с радиатором 18, который установлен за кухонным окном 21.

Радиатор 18 имеет змеевик 22 с поперечным сечением в виде овала большая ось которого в несколько раз больше чем его малая ось (фиг. 6), и пластины 23, соединенные с корпусом радиатора 18, в нижнюю часть которого входит холодный воздух, а из верхней его части выходит уже нагретый от радиатора 18. Наружная плоскость 24 корпуса радиатора 18 представляет собой экран, отражающий тепловое ( в том числе солнечное ) излучение.

Радиатор 18 закрепляют на наружной стенке 25 здания с правой или с левой стороны от окна 26 со шлангами 17 и 20 в металлической обмотке, проходящими через раму 27 окна 26 (фиг. 5 и 7).

На потолочной стенке шкафа 1 имеется отверстие, перекрытое завинчивающейся пробкой 28, предназначенное для залива рассола или разведенного метилового спирта. Пробка 28 имеет клапан пропускающий воздух в камеру 6, если давление в ней будет менее атмосферного на 10%
В морозильную камеру 4 вставляется металлическая камера 30 в виде поддона устанавливаемая на дно камеры 4, а в камеру 30 укладываются продукты. С этой целью камера 30 имеет высоту бортов в 2 раза меньшую чем камера 4. Наличие камеры 30 позволяет исключить из работы холодильника процесс его размораживания, который надлежит выполнять, например, для прототипа каждую неделю. ХК может работать любое время без его размораживания. Если в камере 30 накопится много снега и льда, камера 30 вынимается из морозильной камеры и снег и лед из нее удаляется, после чего камера 30 устанавливается в камеру 4. При этом холодильник может не выключаться.

Верхний край камеры 30 имеет резиновую прокладку, исключающую возможность попадания влаги между стенками камер 30 и 5. Камера 30 имеет ручки на петлях для удобства ее вынимания из камеры 4, после того как будет снята перегородка 7 с дверцей 8. После установки камеры 30 в камеру 4 устанавливается перегородка 7 с дверцей 8. Камера 30 может быть использована также для приготовления льда.

Ориентировочный расчет основных характеристик ХК, его работа и эффективность.

Для расчета примем, что ХК изображен на фиг. 1, 2 и 4 в масштабе 1:20 и роторный компрессор 11 затрачивает за сутки 1 кВт-ч электроэнергии на повышение давления воздуха от 1 кг/см² в атмосферной камере 6 до 8 кг/см² в радиаторе 18 при КПД=0,9.

На сжатие 1 м³ воздуха от 1 кг/см² до 8 кг/см² затрачивается 13000 кгм работы (при КПД=1) при этом температура воздуха повышается на
(13000 кгм 427 кгм/ккал) (0,24 ккал/кгград•1,4кг/м³) 90^o
Компрессор 11 затратит за сжатие 1 м³ воздуха
13000 кгм 0,9 14500 кгм
При времени работы компрессора 11 за сутки равном 12 часам, мощность электродвигателя 12 будет равна
1 кВт-ч 12 часов 83 ватт 8,5 кгм/сек,
т.к. один квт-ч равен 366000 кгм, то затрачивая 14500 кгм на сжатие 1 м³ до давления 8 кг/см² при КПД 0,9 компрессор 11 сожмет за сутки (вернее за 12 часов) воздух в объеме
366000 кгм 14500 кгм/м³ 25 м³ до объема
25 м³ 8 3,1 м³
При среднем значении охлажденного в радиаторе воздуха (в объеме 3,1 м³ при давлении 8 кг/см²) от 90^o, поступившего из компрессора, до 0^o, полученного из радиатора 18 по шлангу 17, в радиаторе выделится теплота в количестве
25 м³•1,4 кг/м³•0,24 ккал/кгград•90^o 750 ккал
Тогда КПД холодильника будет равно
750 ккал (1 кВт-ч•861 ккал/квт-ч) 0,88
При температуре +20^o воздуха, охлажденного в радиаторе 11, получим КПД 0,7, а при температуре -20^o получим КПД более единицы. Это означает, что холодильник часть холода получает непосредственно от внешнего воздуха без затрат электроэнергии компрессором на его сжатие. Учитывая, что в средней полосе России более половины года средняя температура наружного воздуха за сутки ниже нуля, можно считать, что за год затраты электроэнергии на работу ХК будут существенно меньшими (до 30 40% ) при установке радиатора за окном кухни, чем в самой кухне. Для сравнения напомню, что холодильник-прототип не может работать при температуре менее +16^o.

Известные комнатные холодильники имеют КПД менее 50% (например, прототип). При этом, если температура воздуха в помещении поднимается до 30^o их КПД резко снижается, а при температуре выше 32^o они должны быть выключены. Предлагаемый ХК может работать практически при любых температурах воздуха (даже при 50^o), т.к. воздух, поступающий в радиатор имеет температуру +90^o, а тепловой агент, поступающий в радиатор холодильника-прототипа имеет температуру менее +50^o.

Для расчета диаметра трубок радиатора примем, что скорость движения воздуха в них равна 0,2 м/сек, тогда радиус P трубки можно получить из уравнения
3,1 м³ 3,14 P²•0,2 м/сек•12 ч 3600 сек, откуда P 1,07 см
Диаметры свободного отверстия патрубков 15 и шлангов 17 и 20 будет равен 2 см, диаметр трубки 19 равен 3 см, расстояние между стенками камер 5 и 6 равно 1 см.

Для увеличения поверхности трубок с целью более интенсивной теплоотдачи в радиаторе 18 трубки 22 сплющены так, что поперечное сечение свободного прохода воздуха то же что и у рассчитанных трубок ( с круговым сечением) т. е. равно 3,14 (1,07 см)² 3,36 см², но им предана форма в виде овала с расстоянием между ближними поверхностями в 5 6 раз меньшим чем между дальними поверхностями (фиг. 6).

Рассольная камера имеет объем равный
(2,5 см•2,5 см + 4•1,0 см •2,5 см)•20²•1 см 6500 см³ 6 литров
Для приготовления рассола используется любая емкость с горячей водой, в которую засыпается соль насыщения, охлажденный раствор заливается через воронку в отверстие в потолочной стенке шкафа при вывернутой пробке 28. После чего пробка 28 завертывается до ее прижима к резиновой шайбе, закрепленной на ней.

В районах Сибири, где температура наружного воздуха может опускаться до -50^o вместо рассола в камеру 5 следует заливать метиловый спирт (денатурат), разбавленный водой.

Использование: в качестве бытового квартирного холодильника. Сущность изобретения: холодильник ХК, работает в результате сжатия воздуха компрессором, охлаждения сжатого воздуха в радиаторе, установленном за окном помещения, в котором находится холодильный шкаф, шкаф, расширения сжатого и охлажденного воздуха в камере с соляным рассолом, в который погружена морозильная камера, охлаждения холодильной камеры воздухом выходящим из соляного рассола в атмосферную камеру, установленную вдоль задней стенки холодильной камеры над рассольной камерой и поступлением воздуха с давлением 1 кг/см² из атмосферной камеры в компрессор, установленный на шкафу холодильника. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Холодильник ХК, имеющий холодильный шкаф с морозильной и холодильной камерами, радиатор, компрессор с электродвигателем и патрубками, заполненный хладагентом, электропроводку с датчиками температуры и системой управления работой холодильника, отличающийся тем, что в качестве холодильного агента использован воздух, а холодильник снабжен рассольной и атмосферной камерами, съемной камерой-поддоном, съемной перегородкой с дверцей, шлангами и патрубком-клапаном, при этом рассольная камера заполнена соляным рассолом или водным раствором метилового спирта и установлена в нижней части холодильного шкафа, в рассольной камере размещена морозильная камера, а в ней съемная камера-поддон, над морозильной камерой расположена холодильная камера, отделенная от морозильной камеры съемной перегородкой с дверцей, задняя стенка холодильной камеры образована атмосферной камерой, нижняя часть которой соединена с рассольной камерой, а верхняя часть с патрубком компрессора, установленного на потолочной стенке холодильного шкафа вместе с электродвигателем, компрессор соединен шлангом с радиатором, установленным на наружной стенке помещения, в котором размещен холодильный шкаф, причем радиатор имеет змеевик, верхний конец которого соединен шлангом с компрессором, а нижний с патрубком-клапаном и далее с патрубком, перфорированным мелкими отверстиями и установленным в рассольной камере. 2. Холодильник ХК по п.1, отличающийся тем, что радиатор имеет змеевик с овальной или эллипсной формой поперечного сечения, большая ось которого в несколько раз больше чем его малая ось, пластины, установленные вертикально и соединенные с горизонтальными трубками змеевика, шланг, соединяющий верхний конец змеевика с компрессором, шланг, соединяющих нижний конец змеевика с рассольной камерой, защитный экран, отражающий солнечные лучи.