СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ (ПРИРОДНЫХ) РЕСУРСОВ ХОЛОДА ДЛЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОДУЛЬНЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF USE OF NATURAL COLD RESOURCES FOR FUNCTIONING OF MODULAR REFRIGERATORS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к холодильной технике, а именно к аккумуляторам холода для использования в передвижных (модульных) холодильниках для хранения скоропортящихся продуктов.
Важнейшей задачей в холодильной промышленности является сокращение затрат электрической энергии на функционирование холодильников. Эта задача решается путем обеспечения холодильных камер эффективной теплоизоляцией, применением современных хладоагентов и использованием сложных дорогостоящих холодильных агрегатов, гарантирующих при этом их надежную эксплуатацию.
Еще более сложной задачей является создание и функционирование мобильных холодильников промышленного назначения по причине того, что передвижные холодонакапливающие объекты привязаны либо к источникам электрической энергии, либо обеспечиваются двигателями внутреннего сгорания для осуществления работы холодильных компрессоров, либо часть их объема заполняется заготовленным в зимнее время льдом в промежутках между циклами использования.
Известен способ использования природных ресурсов холода для функционирования холодильников, заключающийся в строительстве холодильников в вечной мерзлоте (см. Бобков В.А. «Производство и применение льда». - М.: «Пищевая промышленность», 1977 г., стр. 42).
Недостатком этого способа является ограниченность регионов его использования.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ, заключающийся в заготовке льда зимой на реках и водоемах, его накопление в бунтах и расходование по мере надобности в дробленом виде путем загрузки в холодоаккумулирующие емкости в виде баков, помещенных в теплоизолированный корпус вагона-ледника (см. Бобков В.А. «Производство и применение льда», «Пищевая промышленность», М., 1977 г., стр. 87).
Недостатком этого способа является необходимость в предварительной заготовке льда и многократной его заправке в холодильник в процессе его эксплуатации.
Технической задачей настоящего изобретения является зарядка модульного холодильника путем использования природных ресурсов холода для прямого его накопления непосредственно в модульном холодильнике.
В основу изобретения на устройство поставлена задача создать холодильник, работающий на природном, в том числе возобновляемом, источнике холода.
Краткое изложение сущности изобретения
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе функционирования модульных холодильников промышленного назначения, включающем заимствование холода из источника в зоне минусовых температур в количестве, обеспечивающем их длительную работу в условиях плюсовых температур, аккумулирование холода во встроенном в корпус холодильника накопителе холода, а также рациональное управление расходованием холода, согласно изобретению встроенные накопители холода выполняют в виде герметичных емкостей с постоянно находящейся внутри холодоаккумулирующей жидкостью, а аккумулирование холода в холодильнике осуществляют путем периодического помещения холодильника со встроенным в корпус накопителем холода в зону естественных минусовых температур до достижения необходимой температуры холодоаккумулирующей жидкости, после чего холодильник перемещают на место эксплуатации или хранения.
В качестве источника холода в зоне минусовых температур используют неотапливаемые сооружения и (или) открытые площадки в зимнее время.
Также в качестве источника холода в зоне минусовых температур используют высокогорные площадки с постоянными минусовыми температурами.
При этом в качестве источника холода в зоне минусовых температур используют естественные или искусственные подземные полости в ледниках или в вечной мерзлоте.
Можно в качестве источника холода в зоне минусовых температур использовать зону минусовых температур в тропосфере.
При этом модульные холодильники группируют в секции, помещаемые в специальный теплоизолированный наземный накопитель или теплоизолированный приямок, а затем по мере надобности передают в эксплуатацию.
Также перед установкой модулей наземный накопитель или приямок подвергают предварительной заморозке естественным холодом в зимний период.
Технический результат достигается также тем, что в известной конструкции модульного холодильника, предназначенного для реализации вышеприведенного способа использования естественных (природных) ресурсов холода, включающем теплоизолированный корпус, средства управления тепловым режимом и накопитель холода, согласно изобретению накопители (-ль) холода выполнены в виде герметичных холодонакопительных емкостей с постоянно находящейся в них холодоаккумулирующей жидкостью, размещаемых внутри рабочего пространства холодильника, при этом холодоаккумулирующую емкость (-ти) размещают внутри рабочего пространства холодильника по периметру стенок и (или) в донной и (или) потолочной частях, и (или) устанавливаемых внутри холодильника.
При этом средства для управления тепловым режимом эксплуатации холодильника выполнены в виде теплоизолированных окон со средствами управления степенью их открывания, размещенных в теплоизоляции холодоаккумулирующих емкостей либо в их общей теплоизоляции, обращенной внутрь рабочего пространства холодильника.
Кроме того, средства для управления тепловым режимом зарядки холодильника выполнены в виде сквозных теплоизолированных окон со средствами управления степенью их открывания, размещенных с возможностью открывания наружу или внутрь в стенках, дне и крыше холодильника,
Желательно холодоаккумулирующие емкости снабжать вертикально установленными в них герметичными трубчатыми охладителями, заполненными транспортирующим холод агентом, обеспечивающим передачу холода при наличии отрицательных температур окружающей среды от головок трубчатых охладителей, выдвинутых в атмосферу вверх за пределы холодильника, к нижним их частям помещенным в емкости с холодоаккумулирующей жидкостью.
Эти нововведения в способе позволяют обеспечить работу холодильника, используя для периодической зарядки холодом как ежегодное наступление зимних холодов, так и круглогодично ресурсы холода в вечной мерзлоте, на высокогорных участках в горной местности и в тропосфере.
Причем группирование холодильных модулей в секции с помещением их в теплоизолированный наземный накопитель или приямок позволяет лучше сохранить холод и обеспечить выдачу в эксплуатацию модулей по мере потребности.
При этом, по возможности, наземный накопитель или приямок либо перед установкой модулей подвергают предварительной заморозке, либо замораживают вместе с установленными в них модулями.
Кроме того, нововведения в конструкции модульного холодильника в виде размещенных в его корпусе в различных его зонах герметичных холодоаккумулирующих емкостей с постоянно находящейся в них холодоаккумулирующей жидкостью позволяют оперативно его перемещать в зону зарядки холодом и на место эксплуатации без затрат ручного труда на заготовку и загрузку холодоаккумулирующего материала.
При этом устройство теплоизолированных окон в теплоизоляции холодонакопительных емкостей позволяет регулировать температуру внутри рабочего пространства холодильника и обеспечивать экономное расходование холода.
В то же время выполнение теплоизолированных окон в наружной изоляции и корпусе и снабжение их средствами управления позволяют управлять режимом зарядки холодом.
При этом снабжение холодонакопительных емкостей вертикальными герметичными трубчатыми охладителями, заполненными транспортирующим холод агентом, головки которых выдвинуты наружу в атмосферу, а нижняя часть этих труб размещена в холодоаккумулирующей жидкости, позволяет управлять процессом зарядки холодом, обеспечивая температуру холодоаккумулирующей жидкости, соответствующей минимальной температуре воздуха за пределами холодильника за период зарядки.
Предлагаемые способ и устройство поясняются чертежами, где на фиг. 1 изображен упрощенный модульный холодильник в разрезе, а на фиг. 2 модульный холодильник с установленными в нем трубчатыми охладителями.
Холодильник на фиг. 1 содержит корпус 1, внутреннюю теплоизоляцию корпуса 2, входную дверь 3, наружные окна 4 с теплоизолированными створками 5, холодоаккумулирующие емкости 6, заполненные холодоаккумулирующим жидким агентом, например, водой, морской водой, растворами солей, таких как NaCl и КСl. Наружная поверхность емкостей 6 покрыта теплоизоляцией, в которой выполнены нетеплоизолированные окна, закрываемые, например, гибкими теплоизоляционными шторками 7, крепящимися по контуру окон при помощи застежек-липучек. Внутри емкостей 6 подвешены компенсаторы температурного расширения холодоаккумулирующей жидкости 8 в виде брусков дерева, микропористых эластичных изделий с замкнутыми порами или пустотелых эластичных изделий. Холодонакопительные емкости 6 могут быть выполнены из конструкционного металла с компенсационными вставками, могут иметь в поперечном сечении круглую или прямоугольную форму. Они также могут быть изготовлены из пластика, например, методом формования с предусмотренными в их конструкции изгибами для компенсации объемного расширения жидкости при замерзании.
Внутренняя теплоизоляция корпуса 1 может быть выполнена из вспененных материалов, обладающих низким коэффициентом теплопроводности, таких как пенопласт, пенополистирол, пеностекло, а также выполнена в виде плоских секционированных надувных матрацев.
Для предотвращения потерь холода при открывании входных дверей корпуса 1 целесообразно сооружать теплоизолированный тамбур, например, из надувных секционированных панелей.
Модульный холодильник, показанный на фиг. 2 дополнительно к конструктивным элементам, показанным на фиг. 1, содержит установленные в емкость 6 герметичные трубчатые охладители 7, в которые залит хладоагент, например, хладон или керосин. При этом трубчатые охладители 7 нижним концом заглублены в холодоаккумулирующие емкости 6, а верхние части выведены за пределы холодильной камеры в зону, сообщающуюся с окружающим пространством. Внутрь трубчатых охладителей заливается хладоагент, например, хладон или керосин, причем керосином заполняют практически все пространство трубчатого охладителя, оставляя только свободное пространство для его расширения при нагревании. Хладоном же заполняют только нижнюю часть трубы, оставляя при этом свободное пространство для его испарения и конденсации его паров в зоне, контактирующей с холодной атмосферой. Верхняя часть трубчатых охладителей может снабжаться радиаторами для ускорения процесса передачи холода хладоагенту.
Способ осуществляется следующим образом.
Герметичные холодонакопительные емкости, являющиеся составной частью модульного холодильника, заполняют холодоаккумулирующей жидкостью и при открытых наружных окнах и (или) дверях размещают на открытой площадке или в неотапливаемом помещении в зимнее время. После замерзания холодоаккумулирующей жидкости холодильник выдерживают до достижения наиболее низких температур окружающего воздуха, после чего герметизируют, закрывая окна и двери, и при наличии наземного или подземного накопителя после захолаживания последнего естественным холодом в открытом состоянии помещают модуль на хранение.
Последовательно в накопитель устанавливают расчетное количество модулей, обеспечивают теплоизоляцию накопителя и передают модули в эксплуатацию по мере надобности.
В процессе эксплуатации модуля открывают окна в теплоизоляции холодоаккумулирующих емкостей для обеспечения нужного температурного режима внутри холодильника.
В качестве источника холода для зарядки модульных холодильников холодом используют холодные зоны, оборудованные в виде площадок на высокогорье со стабильными минусовыми температурами в весенний, летний и осенний периоды. Доставку модулей на зарядку холодом осуществляют при помощи канатной дороги, скипового подъемника или вертолетов.
Высоты 5-6 км достаточно для размещения такой площадки.
Для создания зоны замораживания можно использовать подземные полости в ледниках и вечной мерзлоте, где стабильная температура сохраняется весь период плюсовых температур окружающего воздуха на уровне минус 5 - минус 10°С.
Также при соответствующем инженерном обеспечении в качестве зоны зарядки холодом, например в летний период, можно использовать тропосферу, окружающую Землю, где даже в 40-градусную жару на поверхности земли в экваториальной зоне, температура на высоте 5 км устанавливается ниже нуля градусов, а на высоте 8 км составляет минус 30-40°С. Зона приведенных минусовых температур в тропосфере для средней полосы земного шара опускается до 5-6 км.
3
На современном уровне техники модули можно поднимать при помощи аэростатов, используя в качестве удерживающих средств тросы из углеродных волокон, обладающих малым удельным весом (1,7-1,9 г/см) и повышенной прочностью, составляющей для этих волокон величину от 0,5 до 5 ГПа.
Модульный холодильник, показанный на фиг. 1, работает следующим образом.
Холодильник при заполненных холодоаккумулирующих емкостях 6 и при открытых створках 5 окон 4, а также дверях 3 помещается в одну из зон минусовых температур. После замораживания холодоаккумулирующей жидкости и достижения запланированной температуры створки окон 5 и двери 3 закрывают и передают холодильник либо в эксплуатацию, либо помещают в накопитель модулей. В процессе эксплуатации при открытых на нужный размер шторках 7 устанавливают нужную температуру внутри корпуса 1. В процессе эксплуатации после подъема температуры в холодильнике выше допустимой для хранения продуктов, холодильник вновь помещают на зарядку в зону минусовых температур.
Как показывают расчеты, в холодильник, созданный на базе 5-тонного ж/д контейнера при ширине аккумулирующих холод емкостей 0,3 м, можно накопить приблизительно 5 м замороженного рассола NaCl с температурой образования льда минус 15°С. При температуре заморозки минус 20°С и при пневмоизоляции в виде надувных матрацев толщиной 100 мм время разморозки до 0°С составит 8 месяцев. Холодильник, показанный на фиг. 2, работает следующим образом. Холодоаккумулирующие емкости 6 заполняют холодоаккумулирующей жидкостью, способной менять агрегатное состояние в нужном диапазоне минусовых температур, а холодопроводящие герметичные трубчатые охладители 9 заполняют агентом, транспортирующим холод сверху вниз за счет конвекции или конденсации паров.
В качестве холодопередающего агента используют незамерзающую жидкость, например, керосин или низкокипящую жидкость, например, сжиженные хладон или пропан.
При использовании керосина в трубчатом охладителе 9 при зарядке холодильника в зоне с низкими температурами окружающего воздуха, более низкими, чем температура внутри корпуса холодильника 1, верхние слои керосина охлаждаются окружающим воздухом и за счет большей плотности опускаются вниз по трубчатому охладителю 9, вытесняя из его нижней части более теплый керосин и одновременно через его стенку отбирая тепло у холодоаккумулирующей жидкости, находящейся в холодоаккумулирующей емкости 4.
В свою очередь, «теплые» слои керосина поднимаются вверх, в зону низких температур, отдают тепло окружающему головку трубчатого охладителя 9 воздуху и, охладившись, опускаются вниз по трубчатому охладителю 9.
Происходит так называемый конвективный перенос тепла. Этот перенос продолжается до тех пор, пока температура воздуха наверху не станет выше установившейся температуры внизу. В этом случае конвекция прекращается и транспортирующие холод трубчатые охладители 9 прекращают работу, то есть самозапираются до наступления более низких температур окружающего холодильник воздуха либо до следующего зимнего сезона.
В процессе захолаживания холодонакапливающая жидкость замерзает при минусовых температурах, что позволяет накопить намного большее количество холода при изменении ее агрегатного состояния, чем при простом ее охлаждении. При этом для создания упорядоченного движения по вертикали слоев «холодного» и «теплого» керосина трубчатый охладитель необходимо отклонить от вертикали, что увеличивает конвекцию и, как следствие, скорость накопления холода.
Внутри холодоаккумулирующих емкостей необходимо устанавливать компенсаторы 8 для предотвращения размораживания емкостей в процессе температурного расширения холодоаккумулирующей жидкости при замерзании.
При использовании низкокипящих жидкостей в качестве переносчиков холода температуру их конденсации выбирают в нижнем диапазоне среднестатистических минусовых температур места холодонакопления. При этом находящаяся в нижней части трубчатого охладителя 9 жидкость испаряется, пары ее поднимаются вверх, под действием холода окружающего головки пространства конденсируются, отдавая тепло, и стекают по стенкам трубчатого охладителя 9 вниз, где отдают холод холодоаккумулирующей жидкости, а затем вновь испаряются.
При потеплении наружного воздуха конденсация паров прекращается и трубчатый охладитель 9 прекращает работу.
Во избежание передачи тепла по металлу трубчатого охладителя 9 в весенний, летний и осенний сезоны рекомендуется на верхние головки трубчатого охладителя 9 надевать теплоизолирующие чехлы.
Применение показанной на фиг. 2 конструкции холодильника позволяет автоматизировать процесс зарядки холодильника без применения электроники с достижением температур зарядки, соответствующих минимальным температурам зоны холодонакопления при любых ее колебаниях.
Применение предлагаемых способа и устройств позволяет организовать обеспечение холодильниками нового типа удаленных от источников энергии объектов, таких как отгонные пастбища, рыболовецкие базы, полевые станы, обеспечивать холодильниками торговые точки при выездной торговле, использовать их при транспортировке скоропортящихся продуктов и т.п.