АККУМУЛЯТОР ХОЛОДА

Полезная модель относится к области теплотехники, а именно к устройствам для аккумуляции холода, и может использоваться в различных отраслях промышленности, в том числе для кондиционирования и холодоснабжения общественных и административных зданий.
Известна установка для производства ледяной воды и аккумулирования холода (RU №2287749, кл. F25D 1/00, опубл. 2005), содержащая вертикально установленную теплоизолированную емкость с днищем, съемной и системой заправки и слива воды, в которой размещен изогнутый трубчатый испаритель холодильного устройства, выполненный в виде горизонтальных рядов изогнутых в форме кольцевой спирали труб, которые размещены по всему внутреннему объему емкости, она дополнительно снабжена устройством для охлаждения воды окружающим емкость холодным воздухом, выполненным в виде смонтированных в емкости вертикальных труб, открытые торцы которых сообщены с окружающим пространством, при этом нижние торцы труб перекрыты заслонкой, имеющей возможность поворота в горизонтальной плоскости и снабженной ручным приводом, а со стороны верхних торцов в каждой трубе смонтирован автономный вытяжной вентилятор с приводом от ветровой нагрузки или от электропривода.
Известно изобретение, относящееся к установке для кондиционирования воздуха с аккумулятором типа вода-лед (JP №4618529 В2, кл. F24F 5/00, опубл. 2011), содержащая бак-аккумулятор с расположенным в баке и погруженным в воду теплообменником, на поверхности которого в процессе испарения хладагента получают лед, расположенные в баке между теплообменными трубами вертикальные разделительные перегородки, формирующие зигзагообразный канал для воды, циркулирующей в баке, площадь сечения канала в каждой секции, разделенной перегородками, уменьшается по направлению потока воды.
Основным недостатком известных аккумуляторов холода является низкая эффективность теплообмена между холодоаккумулирующей жидкостью и хладагентом, это связано с тем, что теплообмен осуществляется через гладкую поверхность и мало турбулизован, что обуславливает значительную продолжительность времени замораживания холодоаккумулирующей жидкости.
Наиболее близким к заявленному является известный аккумулятор холода, содержащий теплоизолированный бак-аккумулятор, заполненный водой в качестве холодоаккумулирующей среды, в котором размещены тепло-обменные элементы в виде изогнутых труб, по которым протекает хладагент, каждый из которых выполнен в виде кассеты, содержащей змеевик с гофрированными линейными горизонтальными участками, размещенный между двумя металлическими листами и соприкасающийся с этими листами выступами гофрированных участков труб, а под каждой кассетой размещена металлическая барботажная трубка с отверстиями для подачи воздуха в холодоаккумулирующую среду.
Недостаток данного технического решения связан с падением интенсивности теплообмена в процессе зарядки аккумулятора по мере нарастания льда на трубках теплообменника из-за низкой теплопроводности льда.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение теплообмена между хладагентом и холодоаккумулирующей жидкостью и интенсификации процесса зарядки аккумулятора холода. Компактность и простота конструктивного исполнения аккумулятора холода позволят широко использовать заявленный аккумулятор холода не только в системах кондиционирования воздуха, но и в других отраслях промышленности.
2
Поставленная задача решена тем, что аккумулятор холода содержит теплоизолированный бак-аккумулятор, заполненный водой в качестве холодоаккумулирующей среды, в котором размещены теплообменные элементы с протекающим хладагентом, выполненные в виде кассет, каждая из которых состоит из металлического гофрированного змеевика, закрепленного на металлическом листе и соприкасающегося с ним выступами гофрированных стенок труб, а под каждой кассетой размещена барботажная трубка с отверстиями для подачи воздуха в холодоаккумулирующую среду, дополнительно снабжен системой периодического повышения давления от 5 до 10 кгс/см в металлических змеевиках, включающей насос высокого давления, запорные клапаны и обратный клапан на входе в аккумулятор и трехходовой клапан с электроприводом на выходе аккумулятора, причем змеевики выполнены с толщиной стенки от 0,3 до 0,5 мм.
Сущность полезной модели поясняется подробнее чертежом и описанием к нему.
На фиг.1 схематично изображен аккумулятор холода.
2
Аккумулятор холода содержит металлический теплоизолированный бак-аккумулятор 1, заполненный водой в качестве холодоаккумулирующей среды, в котором размещены теплообменные элементы с протекающим хладагентом, выполненные в виде кассет 2, каждая из которых состоит из металлического гофрированного змеевика 3, закрепленного на металлическом листе 4 и соприкасающегося с ним выступами гофрированных стенок труб. Под каждой кассетой размещена барботажная трубка 5 с отверстиями для подачи воздуха в холодоаккумулирующую среду. Аккумулятор холода дополнительно снабжен системой периодического повышения давления от 5 до 10 кгс/см в металлических змеевиках, включающей насос высокого давления 6, запорные клапаны 7 и обратный клапан 8 на входе в аккумулятор и трехходовой клапан 9 с электроприводом на выходе аккумулятора. Змеевики выполнены с толщиной стенки от 0,3 до 0,5 мм.
Аккумулятор холода работает следующим образом.
На стадии зарядки аккумулятора холода (в период, когда потребность в холоде незначительная или отсутствует совсем, например, в ночное время) охлажденный хладагент от холодильной машины (не показана) через линию с обратным клапаном 8 распределяется по металлическим гофрированным змеевикам 3 кассет 2, установленным в баке-аккумуляторе 1, заполненном водой. Через поверхность змеевика 3 осуществляется теплообмен хладагента с холодоаккумулирующей средой - водой, происходит охлаждение и заморозка воды. Металлические листы 4, на которых закреплены змеевики, контактируют с выступами гофрированных стенок труб и служат для увеличения теплообменной поверхности и более равномерного образования льда в объеме бака-аккумулятора 1. После прохождения змеевиковых труб 3 хладагент направляется в холодильную машину через линию с трехходовым клапаном 9. В нижней части бака-аккумулятора 1 под каждой кассетой 2 размещена барботажная трубка с отверстиями 5, через которую подается воздух. Пузырьки воздуха, проходя через зазоры, образованные гофрированной поверхностью змеевиков 3 и металлическими листами 4 кассет 2 интенсифицируют процесс теплообмена, способствуют более быстрому охлаждению воды, ускоряют превращение воды в лед. Процесс продолжается до полной заморозки холодоаккумулирующей среды - воды в объеме бака-аккумулятора 1. В обычном рабочем режиме зарядки трехходовой клапан 9 включен на проход А-АБ, циркуляционные насосы системы холодоснабжения (не показаны) включены, насос высокого давления 6 выключен.
В процессе зарядки аккумулятора на стенках змеевика 3 нарастает слой льда, имеющий низкую теплопроводность и снижающий интенсивность процесса теплообмена. Для предотвращения нарастания слоя льда большой толщины в схему аккумулятора холода включена система периодического повышения давления, действующая по следующему алгоритму: во время цикла разрушения ледяного слоя на змеевиковых трубках 3 трехходовой клапан 9 с электроприводом переключается в положение Б-АБ, включается насос высокого давления 6, циркуляционные насосы системы холодоснабжения (не показаны) продолжают работать. За счет повышения давления в змеевиковых трубках 3 теплообменных элементов они удлиняются и изгибаются в промежутках между местами креплений на пластинах, в результате чего слой льда на их поверхности разрушается.
Повышение давления в змеевиковых трубках обеспечивает их линейное обратимое расширение, приводящее к разрушению намороженного слоя льда. Разрушенный слой льда выпадает в виде фрагментов и шуги на дне бака-аккумулятора 1. Таким образом, толщина льда на змеевиковых трубках 3 в процессе зарядки аккумулятора холода ограничивается частотой циклов увеличения давления. Периодическое увеличение давления в трубках обеспечивается за счет установки на входном патрубке аккумулятора холода насоса высокого давления 6 и трехходового клапана 9 с электроприводом на выходе. Запорные клапаны 7 служат для удобства обслуживания насоса высокого давления 6, позволяя, в случае необходимости, демонтировать его без опорожнения системы и остановки работы аккумулятора, обратный клапан 8 служит для сохранения высокого давления в гофрированных змеевиковых трубках аккумулятора холода в период повышения давления и предотвращения перетекания хладагента обратно в подающий трубопровод.
В процессе разрядки аккумулятора холода (когда потребность в холоде возрастает, например, в дневное время) хладагент распределяется по змеевиковым элементам 3 кассет 2, установленным в баке-аккумуляторе 1, заполненном охлажденной водой или льдом. Хладагент контактирует с гофрированными стенками змеевиковых трубок, охлаждается и направляется далее в холодильную машину.
Цикл разрушения льда осуществляется с периодичностью от 10 до 30 минут из расчета намораживания льда толщиной не более 10 мм и длится около минуты. Большая толщина льда может привести к неполному разрушению и не осыпанию льда. Змеевиковые трубки выполнены из нержавеющей стали диаметром 15-25 мм с гофрированной стенкой толщиной от 0,3 до 0,5 мм, при таком диапазоне толщины стенки трубка может работать как сильфон при изменении давления. Толщина стенки более 0,5 мм препятствует  упругой деформации трубки, толщина менее 0,3 мм снижает максимальное допустимое давление в трубках.
2
2
2
2
В цикле разрушения слоя льда на поверхности насосом высокого давления 6 создается давление от 5 до 10 кгс/см, при котором относительное удлинение змеевиковых трубок 3 теплообменника составляет 0,5-1%, увеличение диаметра трубки - менее 0,5%. При давлении менее 5 кгс/см - деформация трубок становится недостаточной для разрушения слоя льда, при давлении более 10 кгс/см - создается слишком высокая нагрузка на трехходовой 9 и запорные клапаны 7, которые рассчитаны на условное давление 16 кгс/см, а также повышаются энергозатраты на создание давления и возрастают капитальные затраты, связанные с использованием насоса большей производительностью.
Удлинение 0,5-1% заставляет гофрированную трубку изгибаться в форме дуги между местами ее крепления с углом 5-15° между касательной к дуге в месте крепления и осью трубы в обычном положении. Совместно с увеличением диаметра трубок это приводит к разрушению льда и осыпанию его в виде шуги в пространство между кассетами аккумулятора холода.
Конструкция заявленного аккумулятора холода проста, компактна, эффективна, имеет высокую интенсивность теплообмена.
Предложенная конструкция аккумулятора холода по сравнению с известными аналогами обладает большой удельной аккумуляционной способностью, высокой скоростью зарядки аккумулятора. Простота конструкции позволяет снизить стоимость производства аккумуляторов холода по сравнению с известными зарубежными моделями.
Достигнутые результаты позволяют рекомендовать заявленное изобретение для широкого внедрения в различных областях холодоснабжения, в частности, для использования в системах кондиционирования, связанных с аккумуляцией холода.