СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ ХОЛОДА Российский патент 2023 года по МПК F25D3/00 

Изобретение относится к области холодильной техники, а именно к способам аккумулирования холода, который может быть использован в системах кондиционирования.

Известен способ аккумулирования холода, предусматривающий понижение температуры смеси, включающей гидратообразующий и водосодержащий компоненты, с образованием и накоплением гидратов, с целью снижения энергозатрат и интенсификации процесса при температурном уровне саккумулированного холода от 0 до минус 5°С, в качестве гидратов образующего компонента используют жидкие хлористый метилен или изобутан, а в качестве водосодержащего - водный раствор хлорида натрия или водные растворы одноатомных алифатических спиртов, при этом при смешении с хлористым метиленом водный раствор хлорида натрия берут с концентрацией 0,84-3,3 мол. %, а водный раствор спиртов - с концентрацией 1,6-6,1 мол. % и процесс ведут при атмосферном давлении, а при смешении с изобутаном водньй раствор хлорида натрия берут с концентрацией 0,91-3,4 мол. %, а водный раствор спиртов - с концентрацией 1,8-6,3 мол. % и процесс ведут при давлении не ниже 154 кПа (а.с. СССР №1409830, 1988 г.). Однако, данный способ обладает низкой эффективностью и потенциально опасен, так как в качестве хладагента используются горючие вещества.

Наиболее близким по технической сути является способ аккумулирования холода, предусматривающий понижение температуры смеси, включающей водосодержащий компонент- водный раствор хлорид натрия, используют водный раствор хлорида натрия в концентрации 2-3 масс. %, а в качестве льдообразующего компонента применяют октафторциклобутан, процесс ведут при давлении не выше 105 кПа, после процесса дросселирования октофторциклобутан подают в водный раствор хлорида натрия и интенсивно перемешивают, полученный лед аккумулируют. Устройство для аккумулирования холода, состоящее из кристаллизатора, соединенного с конденсатором и насосами с помощью трубопроводов, теплообменника соединенного с насосами, дополнительно оснащено компрессором, соединенным всасывающим трубопроводом с кристаллизатором, охладителем для отвода теплоты конденсации, оснащенным насосом, снабжено насосом подачи смеси льда, раствора хлорида натрия и жидкого холодильного агента и насосом подачи раствора хлорида натрия, соединенными трубопроводом с кристаллизатором и баком-аккумулятором, гидроциклоном, установленным на жидкостной линии для отвода хладагента, уравнительной линией, соединяющей бак-аккумулятор и кристаллизатор для выравнивая давления, отделителем жидкости, установленным на всасывающем трубопроводе, кристаллизатор оснащен мешалкой для интенсификации процесса льдообразования, устройство оснащено расширительным вентилем, установленным на жидкостной линии для дросселирования хладагента при его подаче в кристаллизатор, запорными вентилями, установленными на линии подачи смеси, на входе в теплообменник и на линии подачи раствора, запорными вентилями, установленными на уравнительной линии и на линии возврата хладагента (патент РФ №2766952, 2021 г.). Однако данный способ обладает высокими энергозатратами на аккумулирование.

Технический результат - снижение энергозатрат на аккумулирование холода и уменьшение габаритов оборудования.

Он достигается тем, что в известном способе, предусматривающим понижение температуры смеси, включающей водный раствор хлорида натрия в концентрации 2-3% от массы раствора, а в качестве льдообразующего компонента применяют оксофторциклобутан, процесс ведут при давлении не выше 120 кПа, хладагент предварительно дросселируют, диспергируют и смешивают с раствором в эжекторе, затем хладагент с раствором дросселируют до температуры -1,7 - -8°С, в льдоаккумуляторе испаряют хладагент для охлаждения и кристаллизации раствора, перемешивая его направленной струей смеси, а образующиеся пары хладагента подают через слой ледяной шуги вверх, затем раствор возвращают в эжектор и снова смешивают с дросселированным хладагентом, цикл замыкается.

Способ осуществляют следующим образом.

В кристаллизатор и бак-аккумулятор заливают раствор хлорида натрия концентрацией 2 - 3% от массы раствора. Затем в раствор подают фреон RC318 и перемешивают в эжекторе, процесс ведут при давлении близком к атмосферному, не выше 120 кПа. Фреон предварительно дросселируют, диспергируют и смешивают с раствором в эжекторе, затем хладагент с раствором дросселируют до температуры -1,7 - -8°С, в льдоаккумуляторе испаряют хладагент для охлаждения и кристаллизации раствора, перемешивая его направленной струей смеси, а образующиеся пары хладагента подают через слой ледяной шуги вверх, затем раствор возвращают в эжектор и снова смешивают с дросселированным хладагентом, цикл замыкается. В растворе образуются кристаллы льда с увеличением концентрации хлорида натрия до 8-12%. Аккумулированный лед используют для создания необходимого запаса холода для потребителя.

Пример 1 осуществления способа

В льдоаккумулятор заливают раствор хлорида натрия концентрацией 2%. Затем фреон RC318 предварительно дросселируют, процесс ведут при давлении близком к атмосферному, не выше 120 кПа, диспергируют и смешивают с раствором в эжекторе, затем хладагент с раствором дросселируют до температуры -1,7 - -5,5°С, в льдоаккумуляторе испаряют хладагент для охлаждения и кристаллизации раствора, перемешивая его направленной струей смеси, а образующиеся пары хладагента подают через слой ледяной шуги вверх, затем раствор возвращают в эжектор и снова смешивают с дросселированным хладагентом, цикл замыкается. В растворе образуются кристаллы льда с увеличением концентрации хлорида натрия до 8%. Аккумулированный лед используют для создания необходимого запаса холода для потребителя.

Пример 2 осуществления способа

В кристаллизатор и бак-аккумулятор заливают раствор хлорида натрия концентрацией 3%. Затем фреон RC318 предварительно дросселируют, процесс ведут при давлении близком к атмосферному, не выше 120 кПа, диспергируют и смешивают с раствором в эжекторе, затем хладагент с раствором дросселируют до температуры -2,3 - -8°С, в льдоаккумуляторе испаряют хладагент для охлаждения и кристаллизации раствора, перемешивая его направленной струей смеси, а образующиеся пары хладагента подают через слой ледяной шуги вверх, затем раствор возвращают в эжектор и снова смешивают с дросселированным хладагентом, цикл замыкается. В растворе образуются кристаллы льда с увеличением концентрации хлорида натрия до 12%. Аккумулированный лед используют для создания необходимого запаса холода для потребителя.

Известно устройство для аккумулирования холода, состоящее из кристаллизатора, соединенного с компрессором, конденсатором, льдоаккумулятором и насосами с помощью трубопроводов, теплообменника, соединенного с насосами (см. а.с. СССР №1409830, 1988 г.). Однако данное устройство обладает низкой эффективностью аккумулирования холода и использует в своей работе опасные хладагенты.

Наиболее близким по технической сути является устройство, состоящее из кристаллизатора, соединенного с конденсатором и насосами с помощью трубопроводов, теплообменника соединенного с насосами, дополнительно оснащено компрессором, соединенным всасывающим трубопроводом с кристаллизатором, охладителем для отвода теплоты конденсации, оснащенным насосом, насосом подачи смеси льда, раствора хлорида натрия и остатков холодильного агента и насосом подачи раствора хлорида натрия, соединенными трубопроводом с кристаллизатором и баком-аккумулятором, гидроциклоном, установленным на жидкостной линии для отвода хладагента, уравнительной линией, соединяющей бак-аккумулятор и кристаллизатор для выравнивая давления, отделителем жидкости, установленным на всасывающем трубопроводе, кристаллизатор оснащен мешалкой для интенсификации процесса льдообразования, расширительным вентилем, установленным на жидкостной линии для дросселирования хладагента при его подаче в кристаллизатор, запорными вентилями, установленными на линии подачи смеси, на входе в теплообменник и на линии подачи раствора, запорными вентилями, установленными на уравнительной линии и на линии возврата хладагента (патент РФ №2766952, 2021 г.). Однако данное устройство обладает большими габаритами и низкой производительностью.

Технический результат достигается тем, что известное устройство, состоящее из льдоаккумулятора, соединенного с конденсатором и насосами с помощью трубопроводов, теплообменника, соединенного с насосами, устройство оснащено компрессором, соединенным всасывающим трубопроводом с льдоаккумулятором, насосом подачи раствора хлорида натрия, отделителем жидкости, установленным на всасывающем трубопроводе, регулирующим вентилем, установленным на жидкостной линии для дросселирования хладагента, теплообменником, установленным на линии раствора, дополнительно оснащено эжектором, установленным после насоса подачи раствора хлорида натрия и расширительного вентиля, соединенного с ним, дополнительным регулирующим вентилем, установленным после эжектора и соединенным с льдоккумулятором, запорными вентилями установленными после насоса подачи раствора хлорида натрия и соединенными с эжектором и теплообменником, линией возврата раствора, соединенной с отстойником, установленным на льдоаккумуляторе и теплообменником, рекуперативным теплообменником, соединенным с компрессором и отделителем жидкости, установленным на льдоаккумуляторе.

На чертеже схематично изображено предлагаемое устройство для аккумулирования холода:

фиг. 1 - общий вид устройства

Устройство содержит льдоаккумулятор 1, соединенный всасывающим трубопроводом 2 с компрессором 3, конденсатор 4, соединенный трубопроводом с компрессором 3, жидкостную линию 5, установленную после конденсатора и соединенную с регулирующим вентилем 6, эжектор 7, установленный после регулирующего вентиля 6, регулирующий вентиль 8, соединенный с эжектором 7 и льдоаккумулятором 1, соединенный всасывающим трубопроводом 2 с компрессором 3, конденсатор 4, соединенный трубопроводом с компрессором 3, насос подачи раствора хлорида натрия 9, установленный после льдоаккумулятора 1 на линии раствора 10, запорный вентиль 11, установленный перед эжектором 7, на линии раствора 10, запорный вентиль 12, установленный перед теплообменником 13, линии возврата раствора 14, установленный после теплообменника 13 и соединенный с льдоаккумулятором 1, отделитель жидкости 15 установленный на всасывающем трубопроводе 2, отстойник 16, установленный перед насосом подачи раствора хлорида натрия 9, рекуперативный теплообменник 17, установленный после отделителя жидкости 15.

Устройство работает следующим образом:

В режиме аккумулирования запорный вентиль 11 открыт, а вентиль 12 закрыт. Хладагент подается из конденсатора 4 в рекуперативный теплообменник 17 и далее по жидкостному трубопроводу 5 через регулирующий вентиль 6 в эжектор 7, где смешивается с подаваемым раствором и направляется через регулирующий вентиль 8 в аккумулятор 1, там капли хладагента выкипают, а раствор кристаллизуется, образуя пульпу, пары хладагента поступают в отделитель жидкости 15, где удаляются унесенные капли жидкости и возвращаются в льдоаккумулятор 1. Затем хладагент всасывается компрессором 3 и подается в конденсатор 4, где конденсируется и снова направляется на эжектор 7. Производительность установки регулируется с помощью регулирующего вентиля 8. Раствор подается насосом подачи раствора хлорида натрия 9 на эжектор 7, через запорный вентиль 11, где смешивается с хладагентом и поступает в кристаллизатор 1, через отстойник и регулирующий вентиль 8, из раствора кристаллизуется лед и далее раствор поступает в отстойник 16, откуда снова забирается насосом 9.

В режиме разрядки запорный вентиль 12 открыт, а вентиль 11 закрыт.Раствор подается насосом подачи раствора хлорида натрия 9 в теплообменник 13, где поглощает теплоту и отдает холод потребителю, затем возвращается по линии возврата раствора 14 в льдоаккумулятор 1, где, проходя через слой пульпы, охлаждается, расплавляя лед, и поступает в отстойник 16, откуда снова забирается насосом 9.

Компрессор работает только в период аккумулирования холода. Использование льдоаккумулятора и для кристаллизации, и для аккумулирования позволяет снизить габариты установки. А применение эжектора интенсифицировать диспергирование, перемешивание и скорость кристаллизации, что позволяет повысить эффективность процесса и снизить затраты энергии. Использование двух регулирующих вентилей позволяет увеличить точность регулирования подачи хладагента в кристаллизатор, что минимизирует потери энергии. Установка рекуперативного теплообменника позволяет снизить количество балластного пара при дросселировании.

Приводится расчет производительности и габаритных размеров установки.

Исходные данные для расчета следующие: начальная концентрация раствора хлорида натрия - 2%, начальная масса раствора - 1000 кг, процент накопления льда - 75%, разность температуры кипения раствора - 0,5°С, время работы в режиме аккумуляции льда - t=6 ч., удельная теплота льдообразования -r =335 кДж/кг, холодильный коэффициент - ε=15 (рассчитан по программе CoolPack), КПД индикаторный η_и=0,8, КПД эффективный- η_эф=0,95, КПД электрический -η_эл=0,95, диаметр трубопровода на входе в насос D_bx=49 мм диаметр сопла эжектора D_coп=20 мм, диаметр смесителя D_см=40 мм, скорость на входе в эжектор w_вx=1 м/с

Производительность по льду, кг/ч:

Тепловая производительность, кВт:

Тепловая холодопроизводительность, кВт:

Q₀=Q_л=11,6

Теоретическая мощность компрессора, кВт:

Потребляемая электрическая мощность компрессора, кВт:

Расход раствора через теплообменник потребителя, кг/ч:

где τ - время льдоаккумулятора, t₁ и t₂ - температура теплоносителя на выходе из теплообменника и на входе в теплообменник от потребителя, скудельная теплоемкость раствора NaCl;

Потребляемая мощность насоса при напоре насоса 2 бар, Вт:

Расход холодильного агента, кг/ч:

Объем льдоаккумулятора, м³:

где V_h - конечный объем смеси, м³;

Диаметр льдоаккумулятора при высоте Н=2,5 м, м:

Совмещение кристаллизатора и льдоаккумулятора позволяет сократить размеры установки на объем кристаллизатора.

Скорость на выходе из эжектора, м/с:

где w_вых - скорость на выходе из эжектора, w_вх - скорость на входе в эжектор, D_вх - диаметр на входе в эжектор, D_вых - диаметр на выходе из эжектора.

Использование эжектора позволяет создать условия активного перемешивания, диспергирования холодильного агента, и перемешивания в льдоаккумуляторе без использования кристаллизатора с перемешивающим устройством, по сравнению с прототипом.

Положительный эффект - предлагаемый способ позволяет повысить энергоэффективность и снизить габариты используемого устройства. Устройство позволяет аккумулировать холод и отдавать его потребителю при пиковых нагрузках.

Изобретение относится к области холодильной техники, а именно к способам аккумулирования холода, который может быть использован в системах кондиционирования. Способ аккумулирования холода, предусматривающий понижение температуры смеси, включающей водный раствор хлорида натрия в концентрации 2-3% от массы раствора, а в качестве льдообразующего компонента применяют октафторциклобутан, процесс ведут при давлении не выше 120 кПа. Хладагент предварительно дросселируют, диспергируют и смешивают с раствором в эжекторе. Затем хладагент с раствором дросселируют до температуры -1,7…-8°С, в льдоаккумуляторе испаряют хладагент для охлаждения и кристаллизации раствора, перемешивая его направленной струей смеси, а образующиеся пары хладагента подают через слой ледяной шуги вверх. Затем раствор возвращают в эжектор и снова смешивают с дросселированным хладагентом, цикл замыкается. Снижаются энергозатраты на аккумулирование холода и уменьшаются габариты оборудования. 1 ил.

Способ аккумулирования холода, предусматривающий понижение температуры смеси, включающей водный раствор хлорида натрия в концентрации 2-3% от массы раствора, а в качестве льдообразующего компонента применяют октафторциклобутан, процесс ведут при давлении не выше 120 кПа, отличающийся тем, что хладагент предварительно дросселируют, диспергируют и смешивают с раствором в эжекторе, затем хладагент с раствором дросселируют до температуры -1,7…-8°С, в льдоаккумуляторе испаряют хладагент для охлаждения и кристаллизации раствора, перемешивая его направленной струей смеси, а образующиеся пары хладагента подают через слой ледяной шуги вверх, затем раствор возвращают в эжектор и снова смешивают с дросселированным хладагентом, цикл замыкается.