ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2012 года по МПК F25D13/00 F25D19/00 

Изобретение относится к охлаждающим установкам, а точнее к устройствам, обеспечивающим аккумулирование естественного холода.

Известны подземные холодильные установки различной конструкции, выполненные в толще многолетнемерзлого грунта с аккумуляцией зимнего холода за счет принудительной или естественной вентиляции, с облицовкой внутренних поверхностей льдом (Миронов Н.Г. Строительство и эксплуатация подземных холодильников. Труды Северо-восточного комплексного научно-исследовательского института, выпуск 15, издательство «Наука», Москва, 1967).

Недостатком таких холодильников является то, что во многих регионах Крайнего Севера достаточно низкие температуры (-9°С и ниже) сохраняются в них только до июля или августа, в дальнейшем температура в них повышается до (-5)-(-6)°С, что недопустимо для длительного хранения многих замороженных пищевых продуктов. Кроме того, массогабаритные характеристики таких устройств зачастую весьма значительны.

Известна также холодильная установка, содержащая источник холода, выполненный в виде испарителя, наполненного низкокипящей жидкостью, выход которого сообщен паропроводом с конденсатором, конденсатный выход которого трубопроводом связан с испарителем, и средства управления работой установки (см. RU №2324123, МПК F25D 13/00, F25B 1/00, 2006 г.).

Недостатками известного решения являются достаточно высокая энергоемкость процесса выработки холода, поскольку «выработка» холода осуществляется путем изменения термодинамических характеристик системы искусственно, посредством компрессора (за счет изменения объема рабочего тела) при этом одновременно обеспечивается перемещение рабочего тела из испарителя в конденсатор. Таким образом, для обеспечения возможности функционирования системы необходим подвод электрической энергии.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение возможности функционирования системы без подвода электрической энергии.

Достигаемым техническим результатом является то, что обеспечивается возможность изменения термодинамических характеристик системы естественным путем с предварительной аккумуляцией холода в период отрицательных температур.

Поставленная задача решается тем, что холодильная установка, содержащая источник холода, выполненный в виде испарителя, наполненного низкокипящей жидкостью, выход которого сообщен паропроводом с конденсатором, конденсатный выход которого трубопроводом связан с испарителем, и средства управления работой установки, отличается тем, что испаритель и конденсатор выполнены в виде герметичных баков, при этом испаритель размещен под конденсатором, при этом испаритель, конденсатор, трубопровод и паропровод выполнены с возможностью работы при давлении до 2,5 МПа, причем трубопровод снабжен управляемым, нормально закрытым клапаном, паропровод снабжен управляемым перепускным клапаном, кроме того, испаритель снабжен средством отвода энергии холода, а конденсатор снабжен средством отвода энергии тепла, причем испаритель и конденсатор снабжены теплоизолирующими кожухами, снабженными герметичными люками, выполненными с возможностью сообщения поверхности испарителя и конденсатора с атмосферой. Кроме того, в канале паропровода размещена турбина электрогенератора.

Сравнение признаков заявленного решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:

Признаки «…испаритель и конденсатор выполнены в виде герметичных баков…» обеспечивают возможность размещения в их полости низкокипящей жидкости и последующее их использование для выработки холода и тепла.

Признак «…испаритель размещен под конденсатором…» обеспечивает возможность самотечного перемещения низкокипящей жидкости или ее конденсата из конденсатора в испаритель.

Признаки, указывающие, что «испаритель, конденсатор, трубопровод и паропровод выполнены с возможностью работы при давлении до 2,5 Мпа», обеспечивают работоспособность системы и аккумулирование достаточно больших объемов энергии холода.

Признак «…трубопровод снабжен управляемым, нормально закрытым клапаном…» обеспечивает возможность контролируемого самотечного перемещения низкокипящей жидкости или ее конденсата из конденсатора в испаритель (т.е. перемещения в необходимые моменты времени).

Признак «…паропровод снабжен управляемым перепускным клапаном…» обеспечивает отвод паров низкокипящей жидкости из испарителя в конденсатор и тем самым возможность реализации процесса «выработки холода».

Признак «…испаритель снабжен средством отвода энергии холода…» обеспечивает отбор холода от испарителя и, соответственно, подвод к нему тепла, инициирующего, в свою очередь, процесс генерации холода (его отбора из аккумулированных в низкокипящей жидкости запасов холода).

Признак «…конденсатор снабжен средством отвода энергии тепла…» обеспечивает утилизацию тепла, генерируемого в процессе «выработки» холода, и ускоряет процесс конденсирования паров низкокипящей жидкости.

Признаки «…испаритель и конденсатор снабжены теплоизолирующими кожухами…» минимизируют потери холода и тепла, генерируемых при работе холодильной установки, причем в отношении испарителя эти признаки увеличивают ресурс его работы в режиме холодоисточника.

Признаки, указывающие, что «теплоизолирующий кожух конденсатора снабжен герметичным люком, выполненным с возможностью сообщения поверхности конденсатора с атмосферой», обеспечивают возможность «зарядки» холодильной установки естественным холодом в холодное время года (конденсирование паров в полости конденсатора и слива конденсата в полость испарителя).

Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают возможность выработки электроэнергии.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана схема установки.

На чертеже показаны испаритель 1, конденсатор 2, трубопровод 3, паропровод 4, управляемый нормально закрытый клапан 5, управляемый перепускной клапан 6, средство отвода энергии холода 7, средство отвода энергии тепла 8, теплоизолирующие кожухи 9, герметичные люки 10, выполненные с возможностью сообщения поверхности 11 и 12, соответственно, испарителя 1 и конденсатора 2. Кроме того, показаны средство 13 управления работой установки и средства контроля рабочих параметров 14, турбина 15 электрогенератора 16.

Использование данной установки целесообразно в переходные и теплый периоды года (весна, лето, осень) для систем холодоснабжения, предпочтительно, в районах с температурой наиболее холодной пятидневки в зимнее время менее 20°С. В качестве рабочего тела в холодильной установке используется низкокипящее вещество (различные виды фреонов, аммиак и т.д.). В средствах отвода энергии холода 7 и тепла 8 использованы незамерзающая жидкость (антифриз) или вода. В данной системе извлечение энергии холода из аккумулятора, находящегося в заряженном состоянии, производится благодаря испарению низкокипящего вещества в испарителе 1 при изменении термодинамических характеристик системы благодаря открытию перепускного клапана 6 в паропроводе 4 (давление в конденсаторе 2 в это время значительно меньше давления в испарителе 1).

Испаритель 1, конденсатор 2, трубопровод 3 и паропровод 4 выполнены с возможностью работы при давлении до 2,5 МПа. Нормально закрытый клапан 5, при своем открытии, обеспечивает возможность самотечного перемещения низкокипящей жидкости или ее конденсата из конденсатора 2 в испаритель 1. Конструктивно нормально закрытый клапан 5 и управляемый перепускной клапан 6 не отличаются от известных устройств сходного назначения. Средство 13 управления работой установки может быть выполнено на основе известных контрольно-измерительных устройств сходного назначения. Средства контроля рабочих параметров 14 (манометры, термометры и т.п.) выполнены известным образом с возможностью передачи данных на средство 13 управления работой установки (в принципе, узлы 13 и 14 подобны используемым в конструкциях парокомпрессионных холодильников).

Теоретической основой для работы данной холодильной установки является второе начало термодинамики. Основная передача тепла основана на фазовых переходах - испарении и конденсации. Работа холодильной установки основана на тех же термодинамических законах, что и работа парокомпрессионного холодильника. Принципиальное отличие заключается в том, что в предлагаемой холодильной установке изменение термодинамических характеристик системы происходит естественным путем, в парокомпрессионном холодильнике это изменение обеспечивается искусственным образом, посредством компрессора (изменение температуры и объема рабочего тела за счет изменения его удельного объема с подводом электрической энергии).

Заявленное устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливается на открытом воздухе, защищается от попадания прямых солнечных лучей, осадков и других факторов, способных нарушить работу устройства. При исходных условиях (например, при температуре Т=20°С, Р=1,5 МПа) испаритель 1 и конденсатор 2 заполняются низкокипящим веществом (далее по тексту - фреон) в определенном количестве. Герметичные люки 10 при этом открыты, что обеспечивает возможность сообщения с окружающей средой (атмосферой) поверхности 11 и 12, соответственно, испарителя 1 и конденсатора 2. В процессе понижения температуры окружающего воздуха при смене времен года часть фреона, находящаяся в газообразном состоянии, конденсируется на стенках бака и стекает на дно сосудов. При достижении температуры окружающего воздуха, считающейся минимальной для данного населенного пункта, открывается клапан 5 и весь жидкий фреон из конденсатора 2 перетекает в испаритель 1 под действием сил гравитации, а часть газообразного фреона из испарителя 1 перемещается в конденсатор 2. Когда клапан 5 открыт, испаритель 1 и конденсатор 2 можно рассматривать как сообщающиеся сосуды, однако при его закрытии они становятся самостоятельными емкостями. Вследствие того, что основная часть хладагента, содержащаяся в конденсаторе 2, в жидком состоянии перетекла в испаритель 1, при температуре, при которой происходило перетекание рабочего тела, после закрытия клапана 5, давление в испарителе 1, где содержится значительно больше хладагента, будет равно давлению в конденсаторе 2, но при повышении температуры давления в их полостях будут изменяться неравномерно. При повышении температуры, например, до значения, при котором происходила заправка системы хладагентом, давление в испарителе 1, содержащем большее количество фреона, будет в несколько раз выше давления в конденсаторе 2. Это обеспечивает самостоятельное перемещение газообразной фазы хладагента (его паров) из испарителя 1 в конденсатор 2 посредством перепускного клапана 6, отрегулированного на определенный уровень давления, управление которым может осуществляться как в ручном, так и в автоматическом режиме. Система полостей испарителя 1 и конденсатора 2 будет стремиться к равновесию, таким образом, согласно законам термодинамики, в испарителе 1 хладагент, находящийся в жидком состоянии, будет испаряться, забирая тепловую энергию, равную скрытой теплоте парообразования для данного вещества, и перемещаться в конденсатор 2, тем самым вызывая остывание испарителя 1 и нагревание конденсатора 2. Для компенсации потерь теплоты испарителя 1 к нему посредством средства отвода энергии холода 7 подводится тепловая энергия, которую необходимо поглотить. Конденсатор 2 тем временем остывает благодаря конвективному теплообмену с окружающей средой, либо теплообмену через средство отвода энергии тепла 8 и его передачу любым иным потребителем тепловой энергии (например, системой горячего водоснабжения зданий, подогрева бассейнов и др. - не показаны), при этом может происходить частичная конденсация хладагента на стенках и дне конденсатора 2.

Устройство является многоразовым и после совершения одного цикла накопления и использования тепловой энергии может применяться повторно.

Изобретение может применяться как для получения энергии холода, так и для получения тепловой и электрической энергии. Получение электрической энергии возможно при установлении на паропроводе 4 турбины 15 электрогенератора 16.

Холодильная установка относится к устройствам, обеспечивающим аккумулирование естественного холода. Установка содержит испаритель с низкокипящей жидкостью, выход которого сообщен паропроводом с конденсатором, конденсатный выход которого трубопроводом связан с испарителем, и средства управления работой установки. Испаритель и конденсатор выполнены в виде герметичных баков, испаритель размещен под конденсатором. Испаритель, конденсатор, трубопровод и паропровод выполнены с возможностью работы при давлении до 2,5 МПа. Трубопровод снабжен управляемым, нормально закрытым клапаном, паропровод снабжен управляемым перепускным клапаном. Испаритель снабжен средством отвода энергии холода, а конденсатор снабжен средством отвода энергии тепла. Испаритель и конденсатор снабжены теплоизолирующими кожухами, которые снабжены герметичными люками, которые выполнены с возможностью сообщения поверхности испарителя и конденсатора с атмосферой. В канале паропровода размещена турбина электрогенератора. Использование данного изобретения позволяет обеспечить возможность изменения термодинамических характеристик системы естественным путем с предварительной аккумуляцией холода в период отрицательных температур. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Холодильная установка, содержащая источник холода, выполненный в виде испарителя, наполненного низкокипящей жидкостью, выход которого сообщен паропроводом с конденсатором, конденсатный выход которого трубопроводом связан с испарителем, и средства управления работой установки, отличающаяся тем, что испаритель и конденсатор выполнены в виде герметичных баков, при этом испаритель размещен под конденсатором, при этом испаритель, конденсатор, трубопровод и паропровод выполнены с возможностью работы при давлении до 2,5 Мпа, причем трубопровод снабжен управляемым, нормально закрытым клапаном, паропровод снабжен управляемым перепускным клапаном, кроме того, испаритель снабжен средством отвода энергии холода, а конденсатор снабжен средством отвода энергии тепла, причем испаритель и конденсатор снабжены теплоизолирующими кожухами, снабженными герметичными люками, выполненными с возможностью сообщения поверхности испарителя и конденсатора с атмосферой.

2. Холодильная установка по п.1, отличающаяся тем, что в канале паропровода размещена турбина электрогенератора.