СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА
METHOD FOR COLD GENERATION

Изобретение относится к способам охлаждения к охлаждающим установкам, а точнее к устройствам, обеспечивающим аккумулирование естественного холода.
Известен способ получения холода, включающий последовательно производимые в замкнутом цикле расширение, подвод тепла, сжатие и отвод тепла от рабочего тела (Червяков С.С. Кулаковский А.И. Основы холодильного дела, М.: Высшая школа, 1988, с.33-34).
Недостаток известного способа заключается в том, что его холодильный коэффициент меньше теоретического холодильного коэффициента из-за объемных и энергетических потерь в процессе сжатия. Объемные потери холодопроизводительности связаны, прежде всего, с так называемым "мертвым" пространством между поршнем компрессора и крышкой цилиндра. При работе компрессора в этом "мертвом" пространстве остается невытолкнутым некоторое количество рабочего тела. Кроме потерь холодопроизводительности из-за "мертвого" пространства, существуют потери, вызываемые тем, что рабочее тело встречает сопротивление при прохождении всасывающих и нагнетательных клапанов. При этом происходит частичное дросселирование (понижение давления) рабочего тела, что также ведет к энергетическим потерям и задерживанию полного выхода рабочего тела из цилиндра компрессора. На уменьшение холодопроизводительности влияет также теплообмен между горячими стенками цилиндра и оставшимся в нем рабочим телом, между охлажденными стенками цилиндра и наружным воздухом, а также неплотности в клапанах, поршневых кольцах и т.д. (там же, с.39).
Таким образом, недостатками известного решения являются достаточно высокая энергоемкость процесса выработки холода, поскольку «выработка» холода осуществляется путем изменения термодинамических характеристик системы искусственно, посредством компрессора (за счет изменения объема рабочего тела), которым одновременно обеспечивается перемещение рабочего тела из испарителя в конденсатор. Таким образом, для производства холода необходим подвод электрической энергии.
Известен также способ получения холода, включающий накопление в холодный период года энергии холода в объеме рабочего тела его теплообменом с окружающей средой, термоизолирование объема рабочего тела, отбор аккумулированного холода в теплоноситель, прокачкой последнего, выполняемой с возможностью теплообмена с объемом рабочего тела, аккумулировавшего холод (Миронов Н.Г. Строительство и эксплуатация подземных холодильников. Труды Северо-Восточного комплексного научно-исследовательского института, выпуск 15, издательство «Наука», Москва, 1967).
Недостаток этого способа - низкая эффективность по холодопроизводительности, поскольку в качестве рабочего тела используют воду. Извлечение энергии холода данным способом происходит благодаря изменению агрегатного состояния рабочего тела, в частности воды (таяние льда, снега), и его температуры. Скрытая теплота, поглощаемая определенным количеством вещества при смене его агрегатного состояния (из твердого в жидкое), намного ниже (в зависимости от рассматриваемого вещества), чем теплота фазового перехода из жидкого состояния в газообразное. Например, для воды скрытая теплота плавления при атмосферном давлении и температуре 0 град. Цельсия равна 80 ккал/кг, в то время как скрытая теплота парообразования при 100 град Цельсия равна 539 ккал/кг. Таким образом, использование для получения энергии холода изменения температуры и агрегатного состояния рабочего тела менее эффективно, чем использование скрытой теплоты фазового перехода из жидкого состояния в газообразное, вследствие чего холодильные машины, работающие на воде, имеют высокие массогабаритные характеристики.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение эффективности способа по холодопроизводительности.
Достигаемым результатом является повышение эффективности холодопроизводительности установки, обеспечивающей реализацию способа и снижение ее массо-габаритных характеристик. Кроме того, работа установки не сказывается на состоянии окружающей среды. При этом обеспечивается возможность попутного производства тепловой энергии и/или электрической энергии.
Поставленная задача решается тем, что способ получения холода, включающий накопление в холодный период года энергии холода в объеме рабочего тела, его теплообменом с окружающей средой, термоизолирование объема рабочего тела, отбор аккумулированного холода в теплоноситель, прокачкой последнего, выполняемой с возможностью теплообмена с объемом рабочего тела, аккумулировавшего холод, отличается тем, что в качестве рабочего тела используют низкокипящую жидкость, при этом используют два герметичных бака, выполненных с возможностью работы при давлении до 2,5 МПа, которые сообщаются друг с другом паропроводом, снабженным управляемым перепускным клапаном, при этом в первом из них размещают низкокипящую жидкость при температуре окружающей среды, предпочтительно, ниже -20°С и давлении около 0,5 МПа, после чего, теплоизолируют названные герметичные баки и организуют теплообмен поверхности бака, заполненного низкокипящей жидкостью, с потоком теплоносителя, имеющего температуру, большую температуры окружающей среды во время заполнения бака низкокипящей жидкостью, после чего, при достижении давления паров низкокипящей жидкости в полости первого бака уровня предпочтительно, 2,0 МПа производят сброс паров из него в полость второго бака, при этом организуют отвод тепла с поверхности второго бака в поток хладагента с температурой, меньшей температуры паров низкокипящего вещества, или в окружающую среду. Кроме того, кинетическую энергию потока паров низкокипящей жидкости используют для вращения турбины электрогенератора. Кроме того, после выравнивания термодинамических характеристик рабочего тела в обоих баках и перед восстановлением запаса холода в первом баке конденсат возвращают в его полость, освобождая от него второй бак.
Сравнение признаков заявленного решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
Признак «…в качестве рабочего тела используют низкокипящую жидкость…» обеспечивает возможность использования скрытой теплоты парообразования низкокипящего вещества для извлечения энергии холода, кроме того, обеспечивается возможность многократной зарядки холодопроизводящей установки холодом, с последующим использованием последнего для решения задач охлаждения. Кроме того, обеспечивается возможность использования холодильной установки для целей выработки тепла и электроэнергии.
Признаки, указывающие на необходимость использования для реализации способа двух герметичных баков «выполненных с возможностью работы при давлении до 2,5 МПа, которые сообщаются друг с другом паропроводом», обеспечивают возможность сброса паров низкокипящей жидкости из первого бака и, тем самым, поддержание процесса парообразования и способствуют сохранению работоспособности оборудования. Кроме того, обеспечивается возможность аккумулирования достаточно больших объемов энергии холода.
Признак, указывающий, что паропровод снабжают «управляемым перепускным клапаном», обеспечивает работу системы охлаждения, реализующей заявленный способ в области эффективных для нее параметров.
Признаки, указывающие, что в первом из баков «размещают низкокипящую жидкость при температуре окружающей среды, предпочтительно, ниже -20°С и давлении около 0,5 МПа» обеспечивают возможность аккумулирования в первом баке достаточно большого запаса холода.
Признаки, указывающие, что после заполнения первого бака «теплоизолируют названные герметичные баки», минимизируют потери холода и тепла, генерируемые при работе холодильной установки, реализующей заявленный способ, а также способствуют увеличению ресурса его работы «холодоисточника».
Признаки, указывающие, что после заполнения первого бака «организуют теплообмен поверхности бака, заполненного низкокипящей жидкостью с потоком теплоносителя, имеющего температуру, большую температуры окружающей среды во время заполнения бака низкокипящей жидкостью», обеспечивают отвод холода потребителю и стимулируют работу системы в качестве холодоисточника, поскольку изменяют параметры термодинамического состояния в полости первого бака.
Признаки «…при достижении давления паров низкокипящей жидкости в полости первого бака уровня предпочтительно, 2,0 МПа производят сброс паров из него в полость второго бака…» обеспечивают сброс давления в полости первого бака и тем самым продолжение процесса парообразования (сопровождающегося поглощением тепла) в первом баке. При этом оптимизируются рабочие параметры холодильной установки, реализующей заявленный способ охлаждения).
Признаки «…организуют отвод тепла с поверхности второго бака в поток хладагента с температурой, меньшей температуры паров низкокипящего вещества, или в окружающую среду…» обеспечивают утилизацию тепла генерируемого в процессе «выработки» холода и ускоряют процесс конденсирования паров низкокипящей жидкости, оказавшихся во втором баке.
Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают возможность выработки электроэнергии.
Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают возможность повторения процесса зарядки холодом холодильной установки, реализующей способ.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана схема установки, реализующей способ.
На чертеже показаны испаритель 1 (первый бак), конденсатор 2 (второй бак), трубопровод 3, паропровод 4 управляемый, нормально закрытый клапан 5, управляемый перепускной клапан 6, средство отвода энергии холода 7, средство отвода энергии тепла 8, теплоизолирующие кожухи 9, герметичные люки 10, выполненные с возможностью сообщения поверхности 11 и 12, соответственно, испарителя 1 и конденсатора 2. Кроме того, показаны средство 13 управления работой установки и средства контроля рабочих параметров 14, турбина 15 электрогенератора 16.
Использование заявленного способа целесообразно в переходные и теплый периоды года (весна, лето, осень) для систем холодоснабжения, предпочтительно, в районах с температурой наиболее холодной пятидневки в зимнее время менее 20°С. В качестве рабочего тела в холодильной установке, реализующей заявленный способ, используют низкокипящее вещество (различные виды фреонов, аммиак и т.д.). В средствах отвода энергии холода 7 и тепла 8 использованы незамерзающая жидкость (антифриз) или вода. В данной системе извлечение энергии холода из аккумулятора, находящегося в заряженном состоянии, производится благодаря испарению низкокипящего вещества в испарителе 1 при изменении термодинамических характеристик системы благодаря открытию перепускного клапана 6 в паропроводе 4 (давление в конденсаторе в это время значительно меньше давления в испарителе 2).
Испаритель 1, конденсатор 2, трубопровод 3 и паропровод 4 выполнены с возможностью работы при давлении до 2,5 МПа. Нормально закрытый клапан 5, при своем открытии, обеспечивает возможность самотечного перемещения низкокипящей жидкости или ее конденсата из конденсатора 2 в испаритель 1. Конструктивно нормально закрытый клапан 5 и управляемый перепускной клапан 6 не отличаются от известных устройств сходного назначения. Средство 13 управления работой установки может быть выполнено на основе известных контрольно-измерительных устройств, сходного назначения. Средства контроля рабочих параметров 14 (манометры, термометры и т.п.) выполнены известным образом, с возможностью передачи данных на средство 13 управления работой установки (в принципе, узлы 13 и 14 подобны используемым в конструкциях парокомпрессионных холодильников).
Теоретической основой данного способа является второе начало термодинамики. Основная передача тепла основана на фазовых переходах - испарении и конденсации. Работа холодильной установки, реализующей заявленный способ, основана на тех же термодинамических законах, что и работа парокомпрессионного холодильника. Принципиальное отличие заключается в том, что в рамках заявленного способа изменение термодинамических характеристик системы происходит естественным путем, тогда как в парокомпрессионном холодильнике это изменение обеспечивается искусственным образом, посредством компрессора (изменение температуры и объема рабочего тела за счет изменения его удельного объема с подводом электрической энергии).
Заявленный способ реализуется следующим образом. Устройство, реализующее заявленный способ, устанавливают на открытом воздухе, защищая от попадания прямых солнечных лучей, осадков и других факторов, способных нарушить его работу. При исходных условиях (например, при температуре Т=20°С, Р=1,5 МПа) испаритель 1 (первый бак) и конденсатор 2 (второй бак) заполняют низкокипящим веществом (далее по тексту - фреон) в равных количествах. Герметичные люки 10 при этом открыты, что обеспечивает возможность сообщения с окружающей средой (атмосферой) поверхности 11 и 12, соответственно, испарителя 1 и конденсатора 2. В процессе понижения температуры окружающего воздуха при смене времен года, часть фреона, находящаяся в газообразном состоянии, конденсируется на стенках бака и стекает на дно сосудов. При достижении температуры окружающего воздуха, считающейся минимальной для данного населенного пункта, открывают клапан 3 и весь жидкий фреон из конденсатора 2 перетекает в испаритель 1 под действием сил гравитации, а часть газообразного фреона из испарителя 1 перемещается в конденсатор 2. Возможен вариант, при котором испаритель 1 (первый бак) сразу заполняют количеством фреона, необходимого для реализации способа (при этом в конденсатор 2 (второй бак) вообще не заполняют низкокипящим веществом), но этот вариант возможен при температуре наружного воздуха, соответствующей температуре зарядки испарителя холодом (при Т=-20°С).
Когда клапан 3 открыт, испаритель 1 и конденсатор 2 можно рассматривать как сообщающиеся сосуды, однако при его закрытии они становятся самостоятельными емкостями. Вследствие того, что основная часть хладагента, содержащаяся в конденсаторе 2 в жидком состоянии, перетекла в испаритель 1, при температуре, при которой происходило перетекание рабочего тела, после закрытия клапана 3, давление в испарителе 1, где содержится значительно больше хладагента, будет равно давлению в конденсаторе 2, но при повышении температуры давления в их полостях будут изменяться неравномерно. При повышении температуры, например, до значения, при котором происходила заправка системы хладагентом, давление в испарителе 1, содержащем большее количество фреона, будет в несколько раз выше давления в конденсаторе 2. Это обеспечивает самостоятельное перемещение газообразной фазы хладагента (его паров) из испарителя 1 в конденсатор 2 посредством перепускного клапана 4, отрегулированного на определенный уровень давления. Система полостей испарителя 1 и конденсатора 2 будет стремиться к равновесию, таким образом, согласно законам термодинамики, в испарителе 1 хладагент, находящийся в жидком состоянии, будет испаряться, забирая тепловую энергию, равную скрытой теплоте парообразования для данного вещества, и перемещаться в конденсатор 2, тем самым вызывая остывание испарителя 1 и нагревание конденсатора 2. Для компенсации потерь теплоты испарителя 1 к нему посредством средства отвода энергии холода 7 подводится тепловая энергия, которую необходимо поглотить. Конденсатор 2 тем временем остывает благодаря конвективному теплообмену с окружающей средой, либо теплообмену через средство отвода энергии тепла 8 и его передачу любым иным потребителем тепловой энергии (например, системой горячего водоснабжения зданий, подогрева бассейнов и др. - на чертежах не показаны), при этом может происходить частичная конденсация хладагента на стенках и дне конденсатора 2.
На описанной установке заявленный способ может повторяться многократно.
Изобретение может применяться как для получения энергии холода, так и для получения тепловой и электрической энергии. Получение электрической энергии возможно при установлении на паропроводе 4 турбины 15 электрогенератора 16.