УСТРОЙСТВО ДЛЯ АККУМУЛИРОВАНИЯ ХОЛОДА Российский патент 2012 года по МПК F25D1/00 F25D3/00 

Изобретение относится к холодильной технике, в которой используют естественно холодный воздух.

Известен аккумулятор-охладитель, аккумулирующий холод в зимнее время и охлаждающий жидкость в теплое время, в котором в зимнее время в режиме замораживания холодный наружный воздух, циркулируя по трубам замораживающей установки, намораживает лед на наружных поверхностях открытых вверху для доступа холодного воздуха вертикальных труб и горизонтальных труб, опущенных в воду. В качестве холодопереносящей жидкости используют воду, которая посредством насоса циркулирует через холодильную камеру, теплообменник и аккумулятор холода (SU №1615497, кл. F25D 3/00, 18.05.88).

Недостаток известного устройства заключается в сложности конструкции и в большом потреблении электроэнергии, необходимых для обеспечения циркуляции холодопереносящей жидкости и для обеспечения теплообмена. Кроме того, известное устройство не позволяет получить в холодильной камере отрицательную температуру, так как использует скрытую теплоту плавления льда. При этом продолжительность времени использования аккумулированного холода для заданного объема холодильной камеры определяется только объемом камеры аккумулятора холода, что не всегда позволяет увеличить продолжительность времени использования аккумулированного холода.

Таким образом, известная установка для охлаждения в результате ее осуществления не позволяет достичь технического результата, заключающегося в упрощении конструкции, в снижении количества потребляемой электроэнергии, в увеличении продолжительности времени использования аккумулированного холода.

Известно также устройство для аккумулирования холода, включающее льдохранилище, теплообменный контур, заполненный жидким холодопередающим агентом, включающий теплообменный узел, размещенный в льдохранилище, и теплообменный узел, размещенный в холодильной камере, подводящие каналы и насос (SU №1763820, кл. F25D 1/00, F25D 7/00, 23.09.92).

Недостаток известной установки заключается в сложности конструкции и в большом потреблении электроэнергии, необходимой для обеспечения принудительной циркуляции холодопереносящей жидкости в теплообменнике. Кроме того, установка не позволяет эффективно использовать природный потенциал генерирования холода, в условиях северных территорий, без использования специальных технологий и применения дорогостоящих материалов и их компонентов как холодоаккумулирующей среды.

Таким образом, известное устройство для аккумулирования холода не обеспечивает возможности аккумулирования холода в больших количествах при минимизации эксплуатационных издержек и материалоемкости конструкции.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в повышении хладоемкости устройства при минимизации эксплуатационных издержек и материалоемкости конструкции.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности создания устройства для аккумулирования холода при упрощении его конструкции и в снижении потребления электроэнергии, а также в увеличении продолжительности времени использования аккумулированного холода. При этом экономия материалов достигается за счет эффективного использования льда как холодоаккумулирующего материала при его глубоком охлаждении (4 м³ льда, охлажденного до -(50-60)°C, по объему накопленного холода соответствуют 1 м³ жидкого азота, с температурой -196°C), что реализуется при использовании заявленной конструкции теплообменного узла, размещенного в льдохранилище.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что устройство для аккумулирования холода, включающее льдохранилище, теплообменный контур, заполненный жидким холодопередающим агентом, содержащий теплообменный узел, размещенный в льдохранилище, и теплообменный узел, размещенный в холодильной камере, подводящий и отводящий каналы и насос, отличается тем, что использован холодопередающий агент с температурой замерзания -60°C и ниже, при этом теплообменный узел, размещенный в льдохранилище, включает первый и второй вертикальные коллекторы, размещенные у противоположных концов льдохранилища, каждый из которых снабжен и сообщен, по меньшей мере, с двумя горизонтальными коллекторами, размещенными параллельно друг другу на разных уровнях по высоте вертикальных коллекторов, в толще льда, причем полости горизонтальных коллекторов, расположенных в одной горизонтальной плоскости, сообщены с горизонтальным регистром, включающим, по меньшей мере, две трубы, при этом, поперечное сечение вертикального коллектора меньше суммы поперечных сечений горизонтальных коллекторов, которое в свою очередь меньше суммы поперечных сечений горизонтальных регистров, кроме того, трубы горизонтальных регистров снабжены оребрениями, кроме того, теплообменный узел, размещенный в холодильной камере, выполнен с возможностью работы в одном из двух режимов, либо с отбором холода из льдохранилища, либо с отбором холода из наружного воздуха при его температуре ниже -(40-60°C) и подачей его в льдохранилище. Кроме того, льдохранилище выполнено как часть здания, снабженного водонепроницаемой, теплоизолированной емкостью, объемом предпочтительно не менее 100 м³. Кроме того, льдохранилище выполнено в виде траншеи или подземной камеры, размещенной в вечномерзлом массиве пород, снабженной теплоизолирующим слоем и гидроизоляционным слоем. Кроме того, участки теплообменного контура, расположенные за пределами льдохранилища, снабжены теплоизоляционным кожухом.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

При этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.

Признак «использован холодопередающий агент с температурой замерзания -60°C и ниже» обеспечивает работоспособность системы аккумулирования холода при сверхнизких температурах окружающей среды. При этом использование в качестве холодоносителя жидкости, а не воздуха, увеличивает эффективность теплообмена при захолаживании, поскольку коэффициент теплопередачи от воздуха через металлическую стенку холодоносителя ниже коэффициента теплопередачи от жидкости к жидкости через металлическую стенку.

Признаки «теплообменный узел, размещенный в льдохранилище, включает первый и второй вертикальные коллекторы, размещенные у противоположных концов льдохранилища» обеспечивают максимальное использование объема льдохранилища по его длине для «накопления» запасов холода.

Признаки, указывающие, что каждый из вертикальных коллекторов «снабжен и сообщен, по меньшей мере, с двумя горизонтальными коллекторами, размещенными параллельно друг другу на разных уровнях по высоте вертикальных коллекторов, в толще льда», обеспечивают максимальное использование объема льдохранилища по его высоте для «накопления» запасов холода.

Признаки, указывающие, что «полости горизонтальных коллекторов, расположенных в одной горизонтальной плоскости, сообщены с горизонтальным регистром, включающим, по меньшей мере, две трубы», обеспечивают максимальное использование объема льдохранилища по его ширине для «накопления» запасов холода.

Признаки, указывающие, что «поперечное сечение вертикального коллектора меньше суммы поперечных сечений горизонтальных коллекторов, которое в свою очередь меньше суммы поперечных сечений горизонтальных регистров», обеспечивают минимизацию скоростей движения холодопередающего агента по длине труб горизонтальных регистров, что обеспечивает полноту отдачи холода от него льду аккумулятора в режиме «зарядки» его холодом и, соответственно, полноту отдачи холода от льда в холодопередающий агент в режиме «отбора» холода из теплоаккумулятора.

Признаки, указывающие, что «трубы горизонтальных регистров снабжены оребрениями», позволяют уменьшить число труб в горизонтальных регистрах при сохранении качества теплообмена в теплообменном узле, размещенном в льдохранилище.

Признаки, указывающие, что «теплообменный узел, размещенный в холодильной камере, выполнен с возможностью работы в одном из двух режимах, либо с отбором холода из льдохранилища, либо с отбором холода из наружного воздуха при его температуре ниже -(40-60°C) и подачей его в льдохранилище», обеспечивают возможность «зарядки» льдохранилища холодом или отбор холода на нужды потребителя.

Признаки второго и третьего пунктов формулы изобретения описывают варианты выполнения льдохранилища, исключающие его оттаивание (и потерю холода) при завершении холодного времени года.

Признаки четвертого пункта формулы изобретения исключают потерю холода на подводящем-отводящем участках прохода холодопередающей жидкости.

На фиг.1 показана схема установки для охлаждения; на фиг.2 показана конструкция теплообменного узла, размещенного в льдохранилище.

На чертежах показано устройство для аккумулирования холода, включающее льдохранилище 1, теплообменный контур 2, включающий теплообменный узел 3, размещенный в льдохранилище 1, и теплообменный узел 4, размещенный в холодильной камере 5, подводящий 6 и отводящий 7 каналы, насос 8, первый 9 и второй 10 вертикальные коллекторы, размещенные у противоположных концов 11 льдохранилища 1, горизонтальные коллекторы 12 и горизонтальные регистры, включающие трубы 13 с оребрениями 14, радиаторы 15, траншею 16, вечномерзлый массив пород 17, теплоизолирующий слой 18, участки 19 теплообменного контура 2, расположенные за пределами льдохранилища 1 их теплоизоляционные кожухи 20, гидроизоляционный слой 21. Обустройство траншеи (подземной камеры) льдохранилища определяется наличием-отсутствием массива вечномерзлых пород (при его наличии гидроизоляция и теплоизоляция траншеи (камеры) не требуются). Теплоизолирующий слой 18 формируют известным образом из материалов, имеющихся в распоряжении, в качестве которых можно использовать опилки, шлак, солому, пенопласт и т.п. Гидроизоляционный слой 21 формируют известным образом из глины, битума, синтетических и других материалов.

Холодильную камеру 5 формируют известным образом в виде помещения, теплоизолированного помещения в ангаре, контейнере или здании, выполненных из теплоизоляционных материалов, например многослойных панелей, пенобетонов, дерева и т.п. В здании, вмещающем холодильную камеру 5, монтируют теплообменный узел 4 (включающий систему радиаторов 15, распределенных по объему помещения), размещенный в холодильной камере 5, подводящий 6 и отводящий 7 каналы, соединяющие теплообменный узел 4 с теплообменным узлом 3, размещенным в льдохранилище 1, а также насос 8. Целесообразно, чтобы радиаторы 15 были снабжены вентилятором (не показан), обеспечивающим их обдув. Кроме того, в объеме холодильной камеры монтируют известным образом стеллажи (не показаны) или контейнеры, обеспечивающие возможность их размещение в штабеле, для размещения продуктов подлежащих заморозке и/или хранению.

Возможен вариант, когда льдохранилище 1 выполнено как часть здания, размещенного на поверхности. При этом помещение, предназначенное для размещения льдохранилища, оборудуют водонепроницаемой, теплоизолированной емкостью (не показана), объемом, предпочтительно не менее 100 м³. Причем в качестве теплоизолятора стен и дна используют слой пенопласта толщиной до 50 см. Верхнее покрытие 22 (настил, образующий пол холодильной камеры 5) формируют после промерзания слоя воды, залитой в траншею 16.

В качестве жидкого холодопередающего агента используют антифриз, тосол, спирт, керосин и т.п. материалы.

Теплообменный узел 3, размещенный в льдохранилище 1, включает первый 9 и второй 10 вертикальные коллекторы, размещенные у противоположных концов 11 льдохранилища 1, каждый из которых снабжен и сообщен, по меньшей мере, с двумя горизонтальными коллекторами 12, размещенными параллельно друг другу на разных уровнях по высоте вертикальных коллекторов 9 и 10 в толще льда, заполняющего льдохранилище 1. Полости горизонтальных коллекторов 12, расположенных в одной горизонтальной плоскости (т.е. на одном уровне), сообщены с горизонтальным регистром, включающим, по меньшей мере, две параллельные друг другу горизонтальные трубы 13 с оребрениями 14.

Реально количество горизонтальных коллекторов 12 (регистров) и количество труб 13 в каждом из регистров определяется размерами траншеи (ее шириной и глубиной, поскольку в качестве труб регистров используют металлические трубы, предпочтительно коррозионно-стойкие бесшовные, предпочтительно по ГОСТ 9940,9941-81, изготовленные из стали Ст0812х18Н10Т, при этом горизонтальные трубы 13 выполнены из труб диаметром 14-20 мм (с толщиной стенок порядка 2,5 мм), горизонтальные коллекторы 12 выполнены из труб диаметром 30-36 мм (с толщиной стенок порядка 3 мм), первый 9 и второй 10 вертикальные коллекторы выполнены из труб диаметром 60-70 мм (с толщиной стенок порядка 7 мм). Оребрения 14 горизонтальных труб 13 выполнены из стальной ленты толщиной 2-3 мм, шириной до 40 мм, которые посредством электросварки, в количестве 4 штук скреплены с каждой из названных труб, при этом два оребрения ориентированы вертикально, а два - горизонтально. Расстояния между продольными осями горизонтальных труб 13 в регистре и расстояния между регистрами составляют 10 см. При большой длине траншеи, превышающей 3 м, целесообразно формировать поддерживающие решетки на расстояниях 2-2,5 м друг от друга, опертые на дно траншеи и поддерживающие трубы 13 в горизонтальном положении.

Теплообменный узел 3 для льдохранилища шириной 2,1 м и глубиной 1,1 м имеет следующие характеристики: регистр составляют двадцать труб диаметром 20 мм, по высоте льдохранилища имеется десять коллекторов из труб диаметром 36 мм, при этом входной вертикальный коллектор - труба диаметром 70 мм. С учетом этого суммарное пропускное сечение горизонтальных труб 13 одного регистра составляет 3560 мм² (при сечении его горизонтального коллектора 706 мм²), суммарное пропускное сечение горизонтальных коллекторов 12 составляет 3560 мм² (при сечении вертикального коллектора 2461 мм²). Таким образом, скорость движения холодопередающего агента по вертикальному коллектору выше скорости движения по горизонтальному коллектору в 1,45 раза, в свою очередь скорость движения холодопередающего агента по горизонтальному коллектору выше скорости его движения по горизонтальным трубам в 5 раз, таким образом скорость движения холодопередающего агента по горизонтальным трубам в 7,5 раз меньше скорости его движения по вертикальному коллектору.

При необходимости это соотношение еще более может быть увеличено, за счет изменения глубины, ширины льдохранилища и соотношения сечений труб, используемых в элементах 9, 10, 12 и 13.

Заявленное устройство работает следующим образом.

В режиме накопления холода. В ночное время, когда температура наружного воздуха падает до -(50-60)°C, помещение холодильной камеры 5 сообщают с внешней средой, например, открывая его наружные двери или люки (в декабре, январе-феврале). При этом радиаторы 15, распределенные по объему здания, воспринимают холод, передавая его холодопередающему агенту (интенсивность теплообмена стимулируют включением обдува радиаторов посредством вентилятора - не показан). При работе насоса 8 охлажденный холодопередающий агент подается в подводящий канал 6 теплообменного узла 4, по которому попадает в теплообменный узел 3 (вначале в первый 9 вертикальный коллектор, затем горизонтальные коллекторы, связанные непосредственно с ним, откуда попадает в регистры, сообщенные с упомянутыми горизонтальными коллекторами). Далее, пройдя по трубам 13 горизонтальных регистров, холодопередающий агент попадает в соответствующие горизонтальные коллекторы 12, сообщенные со вторым вертикальным коллектором 10, после чего по отводящему каналу 7 возвращается в теплообменный узел 4, где в радиаторах 15 вновь охлаждается до уровня -(50-60)°C. Целесообразно в составе устройства использовать насос, оснащенный автоматической системой запуска в работу и выключения, выполненной известным образом и настроенной на поддержание температуры в холодильной камере в каких-то заданных пределах, например -(5-10)°C.

Эффективность отбора холода в льдохранилище обеспечивается небольшой скоростью прокачки холодопередающего агента при высокой площади теплообмена, что позволяет эффективно использовать лед в качестве материала, аккумулирующего холод, охлаждая его до столь низких температур.

В теплое время года накопленный запас холода используют. При этом направление прокачки холодопередающего агента остается неизменным, но на радиаторах 15 происходит отбор холода из него, а в льдохранилище начинается отбор холода, накопленного проморозкой льда до температур -(50-60)°C (разумеется, если температура прокачиваемого через теплообменный узел 3 холодопередающего агента становится выше температуры льда в льдохранилище).

Устройство для аккумулирования холода включает льдохранилище, теплообменный контур, который заполнен жидким холодопередающим агентом с температурой замерзания -60°C, теплообменный узел размещенный в льдохранилище и теплообменный узел, размещенный в холодильной камере, подводящий и отводящий каналы и насос. Теплообменный узел, который размещен в льдохранилище, включает первый и второй вертикальные коллекторы с, по меньшей мере, двумя горизонтальными коллекторами и размещенными в толще льда параллельно друг другу на разных уровнях по высоте. Полости горизонтальных коллекторов сообщены с горизонтальным регистром, имеющим оребрение и включающим, по меньшей мере, две трубы. Поперечное сечение вертикального коллектора меньше суммы поперечных сечений горизонтальных коллекторов, которое в свою очередь меньше суммы поперечных сечений горизонтальных регистров. Теплообменный узел, который размещен в холодильной камере, выполнен с возможностью работы в одном из двух режимах либо с отбором холода из льдохранилища, либо с отбором холода из наружного воздуха при его температуре ниже -(40-60°C) и подачей его в льдохранилище. Использование заявленного изобретения обеспечивает возможность создания устройства для аккумулирования холода при упрощении его конструкции и снижении потребления электроэнергии. Кроме того, увеличивается продолжительность времени использования аккумулированного холода. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для аккумулирования холода, включающее льдохранилище, теплообменный контур, заполненный жидким холодопередающим агентом, содержащий теплообменный узел, размещенный в льдохранилище, и теплообменный узел, размещенный в холодильной камере, подводящий и отводящий каналы и насос, отличающееся тем, что использован холодопередающий агент с температурой замерзания -60°C и ниже, при этом теплообменный узел, размещенный в льдохранилище, включает первый и второй вертикальные коллекторы, размещенные у противоположных концов льдохранилища, каждый из которых снабжен и сообщен, по меньшей мере с двумя горизонтальными коллекторами, размещенными параллельно друг другу на разных уровнях по высоте вертикальных коллекторов, в толще льда, причем полости горизонтальных коллекторов, расположенных в одной горизонтальной плоскости, сообщены с горизонтальным регистром, включающим, по меньшей мере, две трубы, при этом поперечное сечение вертикального коллектора меньше суммы поперечных сечений горизонтальных коллекторов, которое в свою очередь меньше суммы поперечных сечений горизонтальных регистров, кроме того, трубы горизонтальных регистров снабжены оребрениями, кроме того, теплообменный узел, размещенный в холодильной камере, выполнен с возможностью работы в одном из двух режимов, либо с отбором холода из льдохранилища, либо с отбором холода из наружного воздуха при его температуре ниже -(40-60°C) и подачей его в льдохранилище.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что льдохранилище выполнено как часть здания, снабженного водонепроницаемой, теплоизолированной емкостью, объемом, предпочтительно не менее 100 м³.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что льдохранилище выполнено в виде траншеи или подземной камеры, размещенной в вечномерзлом массиве пород, снабженной теплоизолирующим слоем и гидроизоляционным слоем.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что участки теплообменного контура, расположенные за пределами льдохранилища, снабжены теплоизоляционным кожухом.