ИСПАРИТЕЛЬ

Заявляемая полезная модель относится к области холодильной техники и может быть применена в качестве испарителя бытового холодильника, а так же в качестве испарителя любого холодильного устройства промышленного или торгового назначения.
В настоящее время главной задачей в области холодильной техники является снижение количества электроэнергии, потребляемой бытовым холодильником и другими холодильными устройствами. Количество потребляемой электроэнергии находится в прямой зависимости от времени работы холодильного агрегата, в течение которого осуществляют процесс охлаждения воздуха, содержащегося в полости холодильного шкафа, а так же от длительности интервала времени между отключением холодильного агрегата и его последующим включением.
Суть проблемы состоит в том, что в большинстве бытовых холодильников, выпускаемых современной промышленностью, применяют испарители, которые функционально предназначены для охлаждения воздуха посредством хладагента, испаряемого в полости каналов испарителя. При этом теплоту к испаряемому хладагенту подводят через стенку испарительного канала непосредственно от охлаждаемого воздуха. Поэтому, холодопроизводительность холодильного агрегата и время его работы определяется величиной теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту от охлаждаемого воздуха. Величина указанного теплового потока находится в прямой зависимости от его плотности, которая определяется по формуле:
B
B
где α - коэффициент теплоотдачи охлаждаемого воздуха, а ΔT - градиент между температурой охлаждаемого воздуха и температурой испарителя.
B
2
В условиях свободной конвенции охлаждаемого воздуха коэффициент его теплоотдачи α равен 5-8 Вт/(м·К), что обеспечивает относительно низкую плотность и величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту непосредственно от охлаждаемого воздуха.
B
B
B
B
Согласно (1) плотность теплового потока q, подводимого к испаряемому хладагенту, находится в прямой зависимости от величины температурного градиента ΔT. Когда холодильный агрегат включают после длительного периода его отключения, температура воздуха, содержащегося в полости холодильной камеры, равна температуре окружающей среды (например, +25°С), а величина температурного градиента ΔT достигает своего максимального значения, равного 35 - 40 градусам. Максимальная величина ΔТ обеспечивает максимальную плотность и величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту от охлаждаемого воздуха. При этом холодопроизводительность холодильного агрегата так же достигает своего максимального значения, равного максимальной холодопроизводительности компрессора. Однако после выхода холодильника на рабочий режим средняя температура воздуха, содержащегося в полости холодильной камеры, опускается до +5°С.При этом величина температурного градиента ΔТ уменьшается до 15-20 градусов, а плотность и величина теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту от охлаждаемого воздуха, снижается в 2-2,5 раза. Соответственно снижается и холодопроизводительность холодильного агрегата.
Низкая плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту непосредственно от охлаждаемого воздуха, является основной причиной относительно низкой холодопроизводительности холодильного агрегата. Прямым следствием низкой холодопроизводительности холодильного агрегата является увеличение времени его работы, необходимого для осуществления одного цикла охлаждения воздуха.
Из предшествующего уровня техники известен испаритель, который применяется в холодильном отделении бытового холодильника BOSCH KGS 39V25. Рассматриваемый испаритель описан в патенте DE 102004027706, а так же в патенте RU 2386087 С2. Испаритель представляет собой алюминиевую трубку, которая приклеена к алюминиевому листу и выполняет функцию испарительного канала. В качестве клеящего вещества применяют бутилкаучук. Что бы увеличить площадь соприкосновения трубки с плоскостью алюминиевого листа поперечному сечению трубки придают форму эллипса. Рассматриваемый испаритель расположен в задней стенке холодильной камеры, при этом алюминиевый лист приклеен к облицовочной панели холодильной камеры. Указанная облицовочная панель выполняет функцию охлаждающей поверхности по отношению к воздуху, который содержится в полости холодильной камеры.
2
Несмотря на форму поперечного сечения трубки испарителя площадь ее соприкосновения с поверхностью алюминиевого листа составляет не более 1-3% от площади испарительного канала. Поэтому основная часть теплоты подводится к испарительному каналу через слой бутилкаучука, который охватывает 40-50% внешней поверхности трубки. Бутилкаучук отличается хорошей адгезией и малой водопроницаемостью, что создает необходимые условия для передачи теплоты от алюминиевого листа к поверхности испарительного канала. Плотность теплового потока, подводимого к поверхности испарительного канала через слой бутилкаучука, находится в прямой зависимости от коэффициента его теплопроводности, величина которого равна 0.091 Вт/(м·К). Средняя толщина слоя бутилкаучука в рассматриваемом испарителе равна 0.002 метра, следовательно, его тепловая проводимость, не превышает 45 Вт/(м·К), что примерно в 20 раз меньше коэффициента теплоотдачи испаряемого хладагента.
Относительно низкая тепловая проводимость слоя бутилкаучука снижает плотность и величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. Увеличить указанный тепловой поток можно путем увеличения длины испарительного канала, и/или путем понижения температуры испарения хладагента. В рассматриваемом испарителе длина трубки испарительного канала составляет более 10 метров, но площадь ее соприкосновения с алюминиевым листом и слоем бутилкаучука все равно недостаточно большая для того, чтобы обеспечить необходимую величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. Поэтому с целью увеличения указанного теплового потока увеличивают температурный градиент между охлаждающей поверхностью и охлаждаемым воздухом. Увеличение указанного температурного градиента можно осуществить только путем понижения температуры испарения хладагента, которую в рассматриваемом испарителе снижают до -25°С, что обеспечивает увеличение теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. Однако величина полученного технического результата уменьшается вследствие того, что по мере понижения температуры испарения хладагента снижается холодопроизводительность компрессора, которая определяет холодопроизводительность холодильного агрегата в целом. Кроме того, прямым следствием снижения температуры испарителя является увеличение теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту из окружающей среды через слой теплоизоляции, с которым соприкасается задняя поверхность рассматриваемого испарителя. При этом уменьшается количество теплоты, подводимой к испаряемому хладагенту от охлаждаемого воздуха, содержащегося в полости холодильной камеры, и соответственно увеличивается время работы холодильного агрегата.
Кроме того, в рассматриваемом испарителе прямолинейные участки испарительного канала расположены горизонтально. Поэтому испаряемый хладагент, представляющий собой смесь жидкости и пара, может перемещаться по горизонтальным участкам испарительного канала только под воздействием компрессора, что ограничивает скорость перемещения жидкого хладагента по испарительному каналу. Прямым следствием относительно низкой скорости перемещения жидкого хладагента является его интенсивное испарение в верхней части испарительного канала, в который поступает жидкий хладагент из конденсатора. Процесс интенсивного испарения хладагента в верхней части испарителя прекращается, когда температура материала испарителя снижается до значения близкого к температуре испарения хладагента, что обеспечивает поступление неиспарившегося (жидкого) хладагента в нижнюю часть испарителя. В рассматриваемой холодильной камере после включения холодильного агрегата верхняя часть испарителя охлаждается до -15°С, и только после этого жидкий хладагент начинает поступать в нижнюю часть испарителя, температура которой в это время равна +4°С. Следовательно, процесс охлаждения нижней части испарителя начинается, когда температура испарения хладагента равна -20°С, что ниже оптимальной температуры испарения, по меньшей мере, на 10 градусов. При этом более низкому значению температуры испарения хладагента, соответствует более низкая холодопроизводительность компрессора. Прямым следствием снижения холодопроизводительности компрессора является дополнительное увеличение времени работы холодильного агрегата, необходимого для охлаждения нижней части испарителя, а так же для охлаждения воздуха, содержащегося в нижней части холодильной камеры.
В основу заявленной полезной модели поставлена задача создания испарителя, существенные признаки которого обеспечивают снижение количества электроэнергии, потребляемой холодильным устройством.
Поставленная задача решена путем создания испарителя, содержащего аккумулятор теплоты и канал для испарения хладагента, выполненный из стальной или медной трубы, при этом согласно полезной модели аккумулятор теплоты представляет собой металлическую плиту, выполненную предпочтительно из алюминия методом литья, в теле которой расположен канал для испарения хладагента, при этом толщина участков плиты, расположенных между прямолинейными участками испарительного канала, меньше толщины участков плиты, расположенных вокруг испарительного канала.
х
x
х
х
Ak
Ak
2
2
Ak
В заявленном испарителе с внешней поверхностью трубки испарительного канала плотно соприкасается аккумулирующее вещество, которое охлаждают путем его теплообмена с испаряемым хладагентом. В качестве аккумулирующего вещества применяют предпочтительно алюминий или алюминиевый сплав. Коэффициент теплоотдачи алюминия превышает коэффициент теплоотдачи испаряемого хладагента α. Следовательно, плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, определяется как произведение α×ΔT, где ΔT - градиент между температурой аккумулирующего вещества и температурой испарения хладагента. Величина коэффициента теплоотдачи испаряемого хладагента α может достигать значения, равного 1000 Вт/(м·К), что на два порядка превышает коэффициент теплоотдачи охлаждаемого воздуха, величина которого в холодильной камере не превышает 5-8 Вт/(м·К). Высокое значение α обеспечивает более высокую (по сравнению с прототипом) плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. При этом независимо от величины температурного градиента ΔT, величина теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, возрастет до значения, равного максимальной холодопроизводительности компрессора.
х
Кроме того, высокое значение α обеспечивает максимальную величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, при меньшей (по сравнению с прототипом) площади поверхности испарительного канала. Уменьшение площади испарительного канала достигается путем уменьшения его длины. Прямым следствием сокращения длины испарительного канала является снижение его гидравлического сопротивления. При этом соответственно уменьшается соотношение давления нагнетания, при котором открывается выпускной клапан компрессора, и давления всасывания, при котором открывается впускной клапан компрессора, что обеспечивает увеличение полезного объема рабочего цилиндра компрессора, а так же соответствующее увеличение его холодопроизводительности.
Увеличение теплового потока, подводимого в заявленном испарителе к испаряемому хладагенту, обеспечивает сокращение времени работы холодильного агрегата, необходимого для охлаждения плиты испарителя до заданной температуры.
Время работы холодильного агрегата так же находится в прямой зависимости от величины теплового потока - Q, подводимого от охлаждаемого воздуха к аккумулирующему веществу. Величина указанного теплового потока определятся по формуле:
,
где S - площадь боковой поверхности плиты испарителя, которая представляет собой охлаждающую поверхность по отношению к охлаждаемому воздуху. В заявленном испарителе толщина участков плиты, расположенных между прямолинейными участками испарительного канала, меньше толщины участков плиты, расположенных вокруг испарительного канала, что обеспечивает увеличение площади боковой поверхности плиты S при неизменной массе аккумулирующего вещества. При этом в соответствие с формулой (2) возрастает и величина теплового потока Q.
B
B
Кроме того, величина теплового потока Q, находится в прямой зависимости от температурного градиента ΔТ. Величина указанного температурного градиента возрастает по мере понижения температуры плиты испарителя, и чем быстрее понижается температура плиты, тем выше средняя величина ΔТ. При этом в соответствие с формулой (2) возрастает и средняя величина теплового потока Q. Большая часть боковой поверхности плиты испарителя состоит из участков, расположенных между прямолинейными участками испарительного канала. Скорость охлаждения указанных участков плиты находится в прямой зависимости от их массы. Поэтому чем меньше толщина участков плиты, расположенных между прямолинейными участками испарительного канала, тем быстрее понижается их температура и возрастает средняя величина теплового потока Q.
Совокупность существенных признаков заявленного испарителя обеспечивает увеличение теплового потока, подводимого от аккумулирующего вещества к испаряемому хладагенту, а так же - увеличение теплового потока, подводимого от охлаждаемого воздуха к аккумулирующему веществу. Прямым следствием увеличения указанных тепловых потоков является сокращение времени работы холодильного агрегата, необходимого для охлаждения плиты испарителя, а так же - сокращение времени работы холодильного агрегата, необходимого для охлаждения воздуха, содержащегося в полости холодильного шкафа.
Для того, что бы обеспечить максимальную величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, при минимальной длине испарительного канала необходимо, чтобы толщина участков плиты, расположенных вокруг испарительного канала, была равной, по меньшей мере, диаметру испарительного канала.
Предлагаемая толщина участков плиты, расположенных вокруг испарительного канала, обеспечивает теплообмен испаряемого хладагента только с алюминием, из которого выполнена плита испарителя. Следовательно, по всему периметру испарительного канала плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, будет достигать своего максимального значения, так как его величина будет определяться коэффициентом теплоотдачи испаряемого хладагента. Поэтому величина теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту через стенки испарительного канала, может достигать значения, равного максимальной холодопроизводительности компрессора, при меньшей площади испарительного канала по сравнению с прототипом. Кроме того, уменьшение площади испарительного канала целесообразно осуществлять путем сокращения его длинны, что обеспечивает сокращение гидравлического сопротивления канала. Прямым следствием снижения гидравлического сопротивления испарительного канала является увеличение холодопроизводительности холодильного агрегата, и соответствующее сокращение времени его работы, необходимого для охлаждения плиты испарителя.
Для дополнительного увеличения холодопроизводительности компрессора, целесообразно, что бы заявленный испаритель, содержал прямолинейные участки испарительного канала, расположенные в теле плиты испарителя с уклоном, при этом входное отверстие канала расположено в верхней части плиты испарителя, а его выходное отверстие расположено выше уровня жидкого хладагента, содержащегося в нижней части испарительного канала после отключения холодильного агрегата.
Входное отверстие испарительного канала расположено в верхней части аккумулятора теплоты, а прямолинейные участки канала выполнены с уклоном. Уклон прямолинейных участков обеспечивает дополнительное воздействие силы тяжести на жидкий хладагент, который перемещается сверху вниз по наклонному каналу с более высокой скоростью по сравнению с испарителем прототипа. Более высокая скорость перемещения жидкого хладагента по испарительному каналу в сочетании с меньшей длиной указанного канала создает необходимые условия для более быстрого поступления жидкого хладагента в нижнюю часть испарительного канала. Следовательно, процесс испарения хладагента будет осуществляться одновременно по всей длине испарительного канала, что обеспечивает более равномерное охлаждения всех частей плиты испарителя по сравнению с испарителем прототипа. При этом процесс охлаждения нижней части плиты испарителя можно осуществлять при более высоком (по сравнению с прототипом) значении температуры испарения хладагента, а более высокой температуре испарения хладагента соответствует более высокая холодопроизводительность компрессора.
После отключения холодильного агрегата весь жидкий хладагент вытесняется из конденсатора в полость испарительного канала. Расположение входного и выходного отверстий канала обеспечивает после отключения холодильного агрегата концентрацию всего поступающего хладагента в нижней части испарительного канала. После включения холодильного агрегата охлаждение верней части аккумулятора теплоты будет осуществляться путем испарения хладагента, поступающего в полость испарительного канала через капиллярную трубку. Одновременно путем испарения хладагента, расположенного в нижней части испарительного канала, будет охлаждаться нижняя часть плиты испарителя, что так же обеспечивает более равномерное охлаждения всех частей заявленного испарителя по сравнению прототипом.
Промышленная применимость заявленного испарителя обеспечивается тем, что для его изготовления могут использоваться технологии, широко применяемые в современной промышленности. Например, плита испарителя может выполняться методом литья в кокиль или литья под давлением. Кроме того, применение заявленной полезной модели в качестве испарителя холодильной установки не требует внесения изменений в конструкцию холодильного шкафа или холодильной машины, что облегчает внедрение заявленного испарителя.
Для более полного понимания сути полезной модели ниже приведено описание заявленного испарителя со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 схематично изображает испаритель, выполненный согласно полезной модели;
фиг.2 схематично изображает вариант испарителя, выполненного согласно полезной модели.
Заявленный испаритель 1 (фиг.1) расположен в задней стенке холодильного шкафа 2 и содержит металлическую плиту 3, которая выполнена методом литья из алюминия или алюминиевого сплава. В теле плиты 3 расположен канал для испарения хладагента 4, который представляет собой полость стальной или медной трубки 5. Материал, из которого выполнена плита 3, плотно соприкасается с внешней поверхностью трубки 5, что обеспечивает передачу теплоты от материала плиты 3 через стенку трубки 5 к хладагенту, испаряемому в полости канала 4. Толщина участков плиты 3, расположенных между прямолинейными участками трубки 5, меньше толщины участков плиты 3, расположенных вокруг трубки 5. Одна из боковых поверхностей плиты 3, представляет собой плоскость, которая плотно соприкасается с облицовочной панелью 6. При этом тепловая проводимость панели 6 превышает коэффициент теплоотдачи воздуха, расположенного в полости 7.
Заявленный испаритель, изображенный на фиг.2, содержит испарительный канал 8. Прямолинейные участки 9 указанного канала расположены с уклоном. Входное отверстие 10 канала 8 расположено в верхней части плиты испарителя 11, а его выходное отверстие 12 расположено выше уровня жидкого хладагента, который после отключения холодильного агрегата содержится в нижней части канала 8. Толщина участков 13 плиты 11, расположенных между прямолинейными участками 9, меньше толщины участков плиты 11, расположенных вокруг испарительного канала 8.
Заявленный испаритель, расположенный, например, в задней стенке 2 холодильной камеры 7 (фиг.1), работает следующим образом. Когда температура воздуха, содержащегося полости холодильной камеры 7, повышается до заданного значения, равного +10°С, включают холодильный агрегат и посредством хладагента, испаряемого в полости канала 4, охлаждают плиту 3, при этом ее температуру понижают до -15°С. По мере охлаждения плиты 3 начинается осуществление процесса теплопередачи между охлаждаемым воздухом и материалом плиты 3. Температура воздуха при этом понижается. Холодильный агрегат отключают, когда температура плиты 3 охладится до -15°С. После отключения холодильного агрегата процесс охлаждения воздуха продолжается. По мере повышения температуры плиты 3 температурный градиент между охлаждаемым воздухом и плитой 3 будет уменьшаться, и соответственно будет уменьшаться величина теплового потока, отводимого от охлаждаемого воздуха. Когда величина указанного теплового потока понизится до значения, равного величине теплового потока, поступающего в полость холодильной камеры 7 из окружающей среды, температура охлаждаемого воздуха достигнет своего минимального значения. Затем температура охлажденного воздуха под воздействием подводимой к нему теплоты будет повышаться. При этом часть подводимой к воздуху теплоты будет отводиться к материалу плиты 3, что обеспечит увеличение интервала времени, необходимого для повышения температуры воздуха, содержащегося в полости холодильной камеры 7, до заданного максимального значения. Затем холодильный агрегат включают и осуществляют очередной процесс охлаждения плиты 3 и воздуха, содержащегося в полости холодильной камеры 7.