СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ИНЕЯ В ВОЗДУШНОМ ИСПАРИТЕЛЕ Российский патент 2016 года по МПК F25D21/06 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к способам удаления снеговой шубы воздушных испарителей холодильных установок.

На всех испарителях, предназначенных для охлаждения воздуха, при отрицательных температурах окружающего воздуха образуется иней, заметно уменьшающий их холодопроизводительность по следующим причинам. Во-первых, слой инея представляет собой термическое сопротивление, снижающее коэффициент теплоотдачи между хладагентом внутри трубок и окружающим воздухом, во-вторых, за счет нарастания инея уменьшается проходное сечение воздушного потока, что ведет к уменьшению расхода воздуха, проходящего через испаритель. А это ведет повышенному энергопотреблению при эксплуатации холодильных установок. Поэтому иней периодически необходимо удалять путем его оттаивания.

Известны различные способы оттаивания инея с поверхности воздушного испарителя. В коммерческих холодильных установках широко применяется оттаивание испарителей при помощи электронагревателей, равномерно установленных в объеме теплообменной батареи испарителя между трубками. При этом значения мощностей электронагревателей находятся в пределах от 1200 до 1800 Вт на 1 м² теплообменной поверхности (см. с. 76 в книге «Учебник по холодильной технике ПОЛЬМАН» авторов В Мааке и др. Издательство МГУ, 1998 г.). Ограниченное число нагревателей большой единичной мощности ведет к тому, что температура поверхности испарителя становится неравномерной и в местах установки нагревателей достаточно высокой (до 100°C). При этом возрастают потери тепла на излучение от воздушного испарителя в объем холодильной камеры, что ведет к нежелательному повышению температуры внутри нее. Кроме того, высокая температура поверхности испарителя порождают большое количество пара, который оседая на стенах и потолке вблизи испарителя, может превращаться в ледяную корку.

Известен также способ оттаивания инея горячими парами хладагента, например, описанный на с. 760-761 упомянутой выше книги. Этот способ предполагает, что холодильная установка оснащена несколькими испарителями, один из которых можно по отдельности оттаивать, подавая в него часть горячего сжатого хладагента из компрессора, в то время как другие испарители продолжают работать. Если испаритель в холодильной машине один, то для реализации оттаивания инея горячими парами, испаритель выполняется двухсекционным и оттаивание каждой секции осуществляется по очереди. Этот способ на порядок более экономичен по сравнению с электрооттайкой, поскольку тепловая мощность, необходимая для оттаивания горячими газами испарителя с оребренными трубками, составляет примерно 150-180 Вт/м². Однако такая схема оттаивания сложна в монтаже и эксплуатации, кроме того, ее трудно использовать в холодильных установках с одним испарителем.

В российском патенте №2067269, F25D 21/06, «Способ оттаивания инея с батарей холодильной камеры» оттаивание осуществляется орошением инея на поверхности батареи гидрофобной жидкостью с плотностью не менее 0,95 г/см³ и температурой +2°C÷+5°C, при этом одновременно 20÷25% этой жидкости подается в поддон батареи для расплавления упавшего в поддон инея. Жидкость из поддона отводят в отстойник для отделения и вывода талой воды из установки, а гидрофобную жидкость из верхней части отстойника нагревают и повторно насосами подают на оттаивание.

Недостатками такой схемы является существенное повышение влажности в холодильной камере после оттаивания, где наряду с водяными парами будут присутствовать пары гидрофобной жидкости. Кроме того, такой способ требует установки системы отделения гидрофобной жидкости от талой воды для ее повторного использования, поскольку такие жидкости достаточно дорогие.

В патенте SU №450060, F25D 21/06, «Способ удаления инея с охлаждающих приборов холодильных камер» авторы предлагают для удаления инея с поверхности охлаждающих приборов нагревать охлаждающее приборы до момента достижения поверхностью прибора температуры плавления инея, а затем к этой поверхности прикладывают электрический силовой импульс. Существенным недостатком предложенного способа является само воздействие этого импульса на поверхность с инеем, поскольку в этом случае вся холодильная установка, как единая металлическая конструкция, будет на несколько долей секунд под высоким напряжением, что может вызвать поражения током персонала. Кроме того, такие электрические разряды могут вывести из строя автоматику охлаждающего прибора и шкаф управления холодильной установки. Кроме того, масса воздушных испарителей, в зависимости от производительности, может составлять от несколько десятков до сотен килограмм, что потребует значительных энергетических затрат на разогрев этой массы металла до температуры плавления льда.

Известен также способ оттаивания снеговой шубы испарителя холодильника описанный в патенте SU 235777, F28F 17, заключающийся в том, что при нарастании на поверхности испарителя снеговой шубы до заданной заранее величины включают устройство, например понижающий трансформатор, индуктирующий вихревые токи в испарителе. Это устройство работает до тех пор, пока полностью не растает снеговая шуба, после чего его отключают и включают холодильник на нормальный режим. Предлагаемый способ позволяет подводить к испарителю тепловую энергию бесконтактно при низком напряжении. Время оттаивания снеговой шубы можно сократить до минимального, так как к испарителю можно подвести любое количество тепла. Недостатком данного устройства является его энергоемкость, поскольку вихревые токи наводятся только в металлических элементах испарителя, т.е. на ребрах и трубках испарителя и лишь после того, как нагреются металлические элементы, начнется плавление инея. Другим недостатком является то, что он имеет применение только в бытовых холодильниках со статическим испарителем, выполненным в виде замкнутого объема без вентиляторов.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ оттаивания снеговой шубы испарителя, предусматривающий прогрев льда на его поверхности посредством воздействия на испаритель электромагнитным полем по патенту SU №1083042, 1972 г., F25D 21/06, выбранный авторами за прототип. Способ включает прогрев льда и инея на поверхности испарителя посредством воздействия на испаритель электромагнитного поля в диапазоне сверхвысоких частот, при этом на поверхность испарителя предварительно наносят частицы с малой глубиной проникновения сверхвысокочастотного поля и удельным электрическим сопротивлением, максимально превышающим удельное электрическое сопротивление материала испарителя. При этом воздействие электромагнитного поля в диапазоне СВЧ на испаритель осуществляют в закрытой резонансной камере.

Недостатками прототипа являются значительные энергозатраты, связанные с разогревом всей конструкции испарителя, и сложность его практической реализации. Как известно, СВЧ-частоты очень вредны для человека, поэтому при обработке СВЧ-частотами обязательно используются металлические экраны, исключающие распространение этих частот за пределы рабочей зоны. Автор предлагает осуществлять оттаивание снеговой шубы на поверхности испарителя в резонансной камере. Это практически невозможно реализовать для испарителей, установленных в обычных холодильных камерах, ибо испаритель с накопившимся инеем (обычно весом от 50 до 1000 кг) необходимо отключить от гидравлического контура холодильной установки, снять с удерживающих его на стенах или потолке крепежных элементов и доставить в резонансную камеру. После оттаивания инея на поверхности воздухоохладителя все надо сделать в обратном порядке, чтобы установить воздухоохладитель на свое место. Поэтому этот способ можно реально осуществить только в специальных испытательных низкотемпературных резонансных камерах с установленными там испарителями. Таких камер в испытательных центрах, как правило, очень мало (очень узкая область испытаний), поэтому применение такого способа ограничено. Основным недостатком такого способа оттаивания является значительные энергетические затраты на разогрев конструкции теплообменной батареи, самого корпуса испарителя и металлических стенок резонансной камеры СВЧ-излучением. Учитывая, что по статистике масса инея, намороженного в теплообменнике, составляет до 50% от массы воздушного испарителя, энергозатраты будут в разы больше, чем нужно для оттаивания инея. При этом на последующее охлаждение испарителя после оттаивания потребуется дополнительная холодопроизводительность холодильной установки, т.е. дополнительные затраты энергии.

Целью предлагаемого изобретения является снижение затрат энергии в процессе удаления инея в воздушных испарителях холодильных установок.

Техническая сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в способе удаления инея в воздушном испарителе с оребренными трубками, включающим периодическое воздействие на иней электромагнитным излучением, направленное электромагнитное излучение осуществляют в ифракрасном диапазоне частот, энергии которого достаточно для расплавления инея, при этом границы сечения направленного инфракрасного потока не выходят за периметр облучаемой площади испарителя, а направление воздействия электромагнитного излучения перпендикулярно продольной оси оребренных трубок испарителя по направлению движения воздуха.

Таким образом, в предлагаемый способ по сравнению с прототипом введены следующие отличительные признаки.

Первый отличительный признак - на иней воздействуют направленным электромагнитным инфракрасным излучением, позволяющим создать плоскопараллельное излучение и повысить мощность этого излучения за счет его концентрации в одном направлении. Второй отличительный признак - излучение осуществляется в инфракрасном диапазоне частот, энергии которого достаточно для расплавления инея. Инфракрасное электромагнитное излучение выбрано вследствие того, что оно в достаточной для прогрева степени проходит через лед и иней, разогревая его в течение короткого времени, таким образом, плавление инея начинается сразу после попадания инфракрасного излучения на поверхность инея. При этом металл ребер и трубок теплообменной батареи остаются холодными и нагреваются лишь тогда, когда растаял лед. При этом осуществляется осушка теплообменной поверхности после стекания талой воды. Третий отличительный признак - границы сечения направленного инфракрасного потока не выходят за периметр облучаемой площади испарителя. Это позволяет сконцентрировать инфракрасное излучение на строго определенной зоне, что снижает непроизводительные потери тепла. Четвертый отличительный признак -направление воздействия электромагнитного излучения осуществляется перпендикулярно продольной оси трубок оребренных трубок испарителя по направлению движения воздуха. Это позволяет направить плоскопараллельное инфракрасное излучение вдоль ребер испарителя, которые установлены на трубках перпендикулярно их продольной оси. Воздействие излучения в направлении движения воздуха позволяет начать процесс оттаивания инея в зоне его максимального образования - на входе в испаритель. На входе в испаритель воздух имеет наибольшую влажность, которая, конденсируясь, превращается в иней, в первую очередь, на первом ряду трубок и ребер на входе в испаритель. В дальнейшем процесс образования инея распространяется вглубь теплообменной решетки испарителя. И если начать инфракрасное облучение плоскопараллельным потоком со стороны входа воздуха в испаритель, этот поток будет распространяться преимущественно через толщу инея, намороженного на каждом ряду ребер. Поскольку наибольшая толщина инея образуется именно в теплообменной решетке на входе воздуха в испаритель, то при таком расположении инфракрасного излучателя время оттаивания инея будет минимальным, поскольку максимальное количество инея будет расположено на минимальном расстоянии от инфракрасного излучателя. Если толщина ребра составляет обычно 0,3 мм, то на него с двух сторон намораживается по 1,5-2,0 мм инея или льда. При этом инфракрасное излучение может проникать в толщу льда на несколько сантиметров, разогревая его внутри. Поэтому основная мощность инфракрасного излучения будет идти на разогрев и растапливание льда.

Совокупность указанных четырех отличительных признаков позволяют достичь поставленной задачи, а именно снизить энергопотребление в процессе удаления инея воздушного испарителя.

Конкретную реализацию предлагаемого способа удаления инея в воздушном испарителе рассмотрим на следующем примере.

На фиг. 1 схематично представлен воздушный испаритель 1 перед циклом оттаивания. Корпус воздушного испарителя 1 представляет собой большое число параллельных трубок 2, расположенных в шахматном порядке по объему воздушного испарителя, внутри которых кипит хладагент 3. Снаружи трубок 2 установлены ребра 4 с определенным шагом, например 10 мм, предназначенные для интенсификации теплообмена между хладагентом 3 и воздухом, проходящим поперек труб вдоль ребер 4. На поверхности трубок 2 и ребрах 4 наморожен иней 5. Инфракрасный излучатель 6 установлен со стороны входа воздуха в испаритель. На фиг. 2 схематично показан воздушный испаритель 1 после цикла оттаивания с указанием направления движения хладагента 3 и воздуха.

Реализация предложенного способа удаления инея в воздушном испарителе осуществляется следующим образом.

В процессе эксплуатации воздушного испарителя 1 в составе холодильной установки, внутри трубок 2 кипит хладагент 3, причем температура кипения его составляет -18°C. Наружная поверхность трубок 2 имеет температуру на 2-3°C выше температуры кипения, т.е. -15÷-16°C. Поэтому при прохождении воздуха холодильной камеры между трубок 2 и ребер 4 на их поверхности конденсируется влага, которая затем превращается в иней 5. Когда толщина инея 5 достигает критического значения 2-5 мм (в зависимости от шага ребра и режима работы воздухоохладителя), производительность воздушного испарителя начинает уменьшаться из-за термического сопротивления слоя инея. Это ведет к более частому включению холодильной установки и более продолжительному периоду ее непрерывной работы. В этот момент прекращают циркуляцию воздуха через воздушный испаритель и начинают процесс оттаивания путем создания достаточного для растапливания инея излучения от установленного на период оттаивания инфракрасного излучателя 6.

Допустим, размеры этого воздушного испарителя составляют: длина 1470 мм, высота 670 мм и глубина (можно также назвать шириной) 600 мм. При этом размер теплообменной батареи (секция оребренных трубок) в воздушном испарителе будет длиной 1400 мм и высотой 600 мм. Тогда для удаления инея в этом воздушном испарителе используется инфракрасный нагреватель с размерами излучающей поверхности, равной площади продольного сечения теплообменной батареи. При этом инфракрасный излучатель должен быть установлен таким образом, чтобы его тепловое излучение было направлено перпендикулярно продольной оси трубок, т.е. параллельно поверхности ребер. В рассматриваемом случае длина излучающей поверхности будет 1400 мм, а ширина 600 мм, тогда площадь инфракрасного потока будет составлять 0,84 м². Расчетно-экспериментальная отработка, проведенная авторами, показала, что для этой площади и массы намороженного инея достаточно поставить два инфракрасных нагревателя с рабочей длиной излучателя 1400 мм и шириной 300 мм и мощностью каждого 1300 Вт. Тогда общая мощность инфракрасных нагревателей будет составлять 2600 Вт.Оттаивание инея будет проходить как за счет прямого воздействия теплового потока на первые ряды оребренных трубок, так и за счет проникновения инфракрасных лучей в последующие за первым ряды трубок. Когда иней с первого ряда трубок с ребрами будет удален, инфракрасное излучение будет проникать в иней следующих слоев, при этом трубки и ребра первого ряда будут сушиться от влаги. Таким же образом происходит оттаивание и высушивание оребренных трубок 2 по всему объему воздушного испарителя 1. После этого инфракрасный излучатель 6 выключают, временно (до следующего цикла оттаивания удаляют из рабочей зоны, открывая теплообменную поверхность воздушного испарителя 1 потоку воздуха, как показано на фиг. 2.

Таким образом, использование предложенного способа позволяет удалять иней с теплообменной поверхности воздушного испарителя с меньшими энергетическими затратами за счет инфракрасного воздействия именно на слои инея, а не путем предварительного разогрева всей конструкции испарителя. Расчеты показывают, что удаление инея по предложенному способу позволяет снизить мощность системы оттаивания воздушного испарителя с размерами, аналогичными рассмотренному выше с 5 кВт до 2,6 кВт.

По сравнению с аналогами предложенный способ позволяет снизить потребную мощность при удалении инея примерно на 30-40%.

Способ удаления инея в воздушном испарителе заключается в периодическом воздействии на иней направленным электромагнитным излучением в инфракрасном диапазоне частот, энергии которого достаточно для расплавления инея. Границы сечения направленного инфракрасного потока не выходят за периметр облучаемой площади испарителя, а направление воздействия инфракрасного излучения перпендикулярно продольной оси оребренных трубок испарителя по направлению движения воздуха. Данный способ позволяет снизить потребную мощность в процессе удаления инея примерно на 30-40%. 2 ил.

Способ удаления инея в воздушном испарителе с оребренными трубками, включающий периодическое воздействие на иней электромагнитным излучением, отличающийся тем, что направленное электромагнитное излучение осуществляют в инфракрасном диапазоне частот, энергии которого достаточно для расплавления инея, при этом границы сечения направленного инфракрасного потока не выходят за периметр облучаемой площади испарителя, а направление воздействия электромагнитного излучения осуществляется перпендикулярно продольной оси оребренных трубок испарителя по направлению движения воздуха.