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:
а
В
В
где  - коэффициент теплоотдачи охлаждаемого воздуха, а ΔТ - градиент между температурой охлаждаемого воздуха и температурой испарителя.
а
В
2
В условиях свободной конвенции охлаждаемого воздуха коэффициент его теплоотдачи  равен 5-8 Вт/(м·К), что обеспечивает относительно низкую плотность и величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту непосредственно от охлаждаемого воздуха.
В
В
В
В
Согласно (1) плотность теплового потока q, подводимого к испаряемому хладагенту, находится в прямой зависимости от величины температурного градиента ΔТ. 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 ΔТ 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 известно холодильное устройство, описанное в заявке WO 2006/008276 А1. Рассматриваемое холодильное устройство содержит контейнер с теплоаккумулирующей средой. Верхняя стенка контейнера представляет собой полку для размещения продуктов, а нижняя стенка контейнера выполнена из гибкого материала и соприкасается с верхней частью испарителя, который выполнен из металлической трубы. Посредством верхней части испарителя осуществляют охлаждение теплоаккумулирующей среды, а посредством нижней части испарителя осуществляют охлаждение воздуха содержащегося в полости холодильного шкафа. В качестве теплоаккумулирующей среды применяют водо-этаноловую смесь с заданной температурой фазового перехода (эвтектическую жидкость), которая по мере ее охлаждения переходит в твердое фазовое состояние. Значительное количество теплоты, которая выделяется в процессе кристаллизации эвтектической жидкости, в сочетании с более высоким (по сравнению с воздухом) значением коэффициента ее теплоотдачи обеспечивает увеличение плотности теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту.
а
а
а
э
э
э
э
э
э
э
э
э
2
В рассматриваемом устройстве охлаждение эвтектической жидкости осуществляют путем ее теплообмена с испаряемым хладагентом. Время охлаждения жидкости определяется величиной коэффициента ее теплоотдачи - , площадью верхней части испарительного канала, с которой соприкасается эвтектическая жидкость, а так же величиной температурного градиента между эвтектической жидкостью и поверхностью испарителя - ΔТ. Величина коэффициента теплоотдачи эвтектической жидкости  равна тепловой проводимости слоя охлаждаемой жидкости, которая определяется как отношение λ/0.5-δ, где λ - коэффициент теплопроводности эвтектической жидкости, а 0.5·δ - средняя толщина слоя охлаждаемой жидкости. Для эвтектического раствора величина коэффициента теплопроводности λ не превышает 0.5 Вт/(м·К). Следовательно, в том случае, когда толщина слоя эвтектической жидкости составляет, например 0.01 м, коэффициент ее теплоотдачи  будет равен 100 Вт/(м·К), что обеспечивает увеличение теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, по сравнению с испарителем, поверхность которого соприкасается только с охлаждаемым воздухом.
а
а
а
х
э
э
2
э
э
Однако коэффициент теплоотдачи испаряемого хладагента -  может достигать значения 1000 Вт/(м·К), что на порядок превышает расчетную величину коэффициента теплоотдачи эвтектической жидкости. Следовательно, даже в том случае, когда расстояние между трубками рассматриваемого испарителя не превышает 20 мм, плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту от эвтектической жидкости (×ΔТ), на порядок меньше своего максимального значения, величина которого равна ×ΔТ.
Применение в качестве аккумулирующего вещества эвтектической жидкости не позволяет обеспечить максимально возможную плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. Прямым следствием относительно низкой плотности указанного теплового потока является относительно низкая холодопроизводительность холодильного агрегата, а так же увеличение времени его работы, необходимого для кристаллизации эвтектической жидкости.
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, аккумулирующее вещество, представляющее собой эвтектическую жидкость, при этом согласно полезной модели испаритель содержит металлическую плиту, выполненную предпочтительно из алюминия, и каналы для испарения хладагента, расположенные в теле указанной плиты испарителя с возможностью передачи теплоты от материала, из которого выполнена плита, к испаряемому хладагенту; одна сторона плиты испарителя соприкасается с охлаждаемым воздухом или с облицовочной панелью, которая соприкасается с охлаждаемым воздухом, а на противоположной стороне плиты расположена, по меньшей мере, одна полость, которая содержит эвтектическую жидкость или контейнер с эвтектической жидкостью, при этом эвтектическая жидкость соприкасается с поверхностью плиты испарителя, которая представляет собой поверхность теплообмена жидкости с материалом плиты, при этом площадь указанной поверхности теплообмена превышает площадь поверхности испарительных каналов.
Al
В заявленном испарителе поверхность испарительных каналов представляет собой поверхность теплообмена испаряемого хладагента с материалом плиты испарителя, которая выполнена предпочтительно из алюминия, коэффициент теплопроводности которого λ равен 209 Вт/(м·К), что обеспечивает высокую тепловую проводимость участков плиты, расположенных между испарительными каналами. Например, в том случае, когда расстояние между каналами составляет 0.1 метра, толщина слоя алюминия, охлаждаемого посредством каждого из указанных каналов, равна 0.05 метра, а тепловая проводимость охлаждаемого слоя будет равна
,
что превышает коэффициент теплоотдачи не только эвтектической жидкости, но и испаряемого хладагента.
Высокая тепловая проводимость алюминия, обеспечивает передачу теплоты от эвтектической жидкости к испаряемому хладагенту, посредством участков плиты, расположенных между испарительными каналами. При этом тепловая проводимость указанных участков плиты испарителя превышает коэффициент теплоотдачи испаряемого хладагента. Поэтому плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту в заявленном испарителе, определяется величиной коэффициента теплоотдачи испаряемого хладагента ах, что обеспечит максимальную плотность указанного теплового потока.
Кроме того, высокая тепловая проводимость алюминия позволяет располагать испарительные каналы на таком расстоянии друг от друга, при котором площадь поверхности плиты, соприкасающейся с эвтектической жидкостью, превышает площадь поверхности испарительных каналов. Указанная поверхность плиты испарителя представляет собой охлаждающую поверхность по отношению к эвтектической жидкости и чем больше ее площадь превышает площадь испарительных каналов, тем больше теплоты, отводимой от эвтектической жидкости, подводится к испаряемому хладагенту в единицу времени через единицу площади испарительного канала.
р
Эвтектическая жидкость отличается высоким значением удельной теплоемкости С=4.2 КДж/(кг·К) и удельной теплоты плавления льда Q=335 КДж/кг, что обеспечивает высокую тепловую емкость эвтектической жидкости. Например, тепловая емкость 1.0 кг воды (в виде льда), которую нагревают с -10 до +10°С, составляет 400 КДж. В качестве сравнения - аккумулятор теплоты равной тепловой емкости, выполненный из алюминия, весит более 22 кг.
Применение в качестве аккумулятора теплоты эвтектической жидкости в сочетании с высокой тепловой проводимостью плиты испарителя обеспечивает увеличение холодопроизводительности холодильного агрегата до значения, равного максимальной холодопроизводительности компрессора. Прямым следствием увеличения холодопроизводительности холодильного агрегата является сокращение времени его работы, в течение которого осуществляют один цикл охлаждения и последующей кристаллизации эвтектической жидкости.
Для дополнительного увеличения теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, целесообразно, плиту испарителя располагать в полости холодильного шкафа горизонтально, предпочтительно под полкой для хранения охлажденных продуктов, при этом полость, содержащая эвтектическую жидкость или контейнер с эвтектической жидкостью, выполнена в теле плиты испарителя и расположена между прямолинейными участками испарительного канала.
в
Горизонтально расположенная плита испарителя делит полость холодильного шкафа на несколько отделений. Воздух, содержащийся в каждом из указанных отделений, поглощает теплоту, поступающую от охлаждаемых или замораживаемых продуктов, а также теплоту, поступающую из окружающей среды в полость шкафа через его стенки или уплотнения дверцы. По мере поглощения теплоты воздух нагревается и поднимается в верхнюю часть отделения, где он охлаждается путем его теплообмена с плитой испарителя. При этом в верхнюю часть отделения поступает самый теплый воздух, что обеспечивает увеличение температурного градиента ΔТ и соответствующее увеличение теплового потока, подводимого от охлаждаемого воздуха к плите испарителя, а так же увеличение теплового потока, подводимого от плиты испарителя к испаряемому хладагенту.
Величины теплового потока - Q, подводимого от охлаждаемого воздуха к плите испарителя определятся по формуле:
,
где S - площадь нижней поверхности плиты испарителя, которая представляет собой охлаждающую поверхность по отношению к охлаждаемому воздуху. В заявленном испарителе полости, содержащие эвтектическую жидкость, выполнены в теле плиты испарителя, и расположены между прямолинейными участками испарительного канала. Поэтому толщина участков плиты испарителя, расположенных между прямолинейными участками испарительного канала, меньше толщины участков плиты, расположенных вокруг испарительного канала, что обеспечивает увеличение площади (S) нижней поверхности плиты при неизменной массе аккумулирующего вещества. При этом в соответствие с формулой (2) возрастает величина теплового потока Q, подводимого к плите испарителя от охлаждаемого воздуха.
в
в
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 нижней 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.
Прямым следствием увеличения теплового потока Q, подводимого к плите испарителя от охлаждаемого воздуха, является сокращение времени работы холодильного агрегата, необходимого для осуществления процесса охлаждения воздуха до заданной температуры.
Для дополнительного увеличения теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, целесообразно, чтобы плита испарителя была расположена вертикально, при этом одна сторона плиты представляет собой плоскость, которая соприкасается с охлаждаемым воздухом или с облицовочной панелью, которая соприкасается с охлаждаемым воздухом, а с противоположной стороны плиты между прямолинейными участками испарительного канала выполнены полости, при этом, по меньшей мере, в одной из указанных полостей расположена эвтектическая жидкость или контейнер, содержащий эвтектическую жидкость.
а
в
Вертикальное расположение плиты испарителя обеспечивает возникновение конвективного потока охлаждаемого воздуха, который по мере его охлаждения перемещается сверху вниз вдоль поверхности плиты испарителя. При этом возрастает величина коэффициента теплоотдачи охлаждаемого воздуха (), что обеспечивает соответствующее увеличение теплового потока, подводимого от охлаждаемого воздуха к плите испарителя, а так же - увеличение теплового потока, подводимого от плиты испарителя к испаряемому хладагенту.
Величины теплового потока - Q, подводимого от охлаждаемого воздуха к плите испарителя определятся по формуле (2), где S - площадь боковой поверхности плиты испарителя, которая представляет собой охлаждающую поверхность по отношению к охлаждаемому воздуху. В заявленном испарителе полости, содержащие эвтектическую жидкость, выполнены в теле плиты испарителя, и расположены между прямолинейными участками испарительного канала. Поэтому толщина участков плиты испарителя, расположенных между прямолинейными участками испарительного канала, меньше толщины участков плиты, расположенных вокруг испарительного канала, что обеспечивает увеличение площади (S) боковой поверхности плиты при неизменной массе аккумулирующего вещества. При этом в соответствие с формулой (2) возрастает величина теплового потока Q, подводимого к плите испарителя от охлаждаемого воздуха.
В
в
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.
Прямым следствием увеличения теплового потока Q, подводимого к плите испарителя от охлаждаемого воздуха, является сокращение времени работы холодильного агрегата, необходимого для осуществления процесса охлаждения воздуха до заданной температуры.
Для увеличения теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту в конце процесса охлаждения плиты испарителя, целесообразно эвтектическую жидкость располагать в нескольких полостях, при этом, чем ниже расположена полость, тем ниже температура кристаллизации эвтектической жидкости, которая в ней содержится.
По мере охлаждения плиты испарителя уменьшается градиент между температурой плиты и температурой испарения хладагента. Соответственно уменьшается и величина теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. При этом процесс охлаждения плиты испарителя замедляется, а большая часть хладагента концентрируется в нижней части испарительного канала. В предлагаемом испарителе в его нижней части располагается эвтектическая жидкость с самой низкой температурой кристаллизации. Целесообразно, чтобы указанная температура кристаллизации эвтектической жидкости превышала минимальную температуру плиты испарителя примерно на 5-10 градусов. Процесс кристаллизации жидкости сопровождается выделением значительного количества теплоты, что обеспечивает увеличение теплового потока, подводимого от эвтектической жидкости к плите испарителя, а так же увеличение теплового потока, подводимого от плиты к испаряемому хладагенту.
Для дополнительного увеличения холодопроизводительности холодильного агрегата 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 прототипом. При этом процесс охлаждения нижней части плиты испарителя можно осуществлять при более высоком значении температуры испарения хладагента, а более высокой температуре испарения хладагента соответствует более высокая холодопроизводительность холодильного агрегата.
После отключения холодильного агрегата весь жидкий хладагент вытесняется из конденсатора в полость испарительного канала. Расположение входного и выходного отверстий канала обеспечивает 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 указанной плиты по сравнению с испарителем прототипа.
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 расположения испарителя, выполненного согласно полезной модели, в полости холодильного шкафа;
фиг.3 схематично изображает вариант расположения испарителя, выполненного согласно полезной модели, в стенке холодильного шкафа;
фиг.4 схематично изображает вариант испарителя, выполненный согласно полезной модели.
Заявленный испаритель (фиг.1) содержит металлическую плиту 1, выполненную предпочтительно из алюминия методом литья. В теле плиты 1 расположены каналы для испарения хладагента 2, которые представляют собой полость стальной или медной трубки 3. Материал, из которого выполнена плита 1, плотно соприкасается с внешней поверхностью трубки 3, что обеспечивает передачу теплоты от материала плиты 1 через стенку трубки 3 к хладагенту, испаряемому в полости каналов 2. Поверхность 4 плиты 1 соприкасается с охлаждаемым воздухом, а на противоположной стороне плиты 1 расположен, герметичный контейнер 5, содержащий эвтектическую жидкость 6. При этом поверхность 7 плиты 1 представляет собой поверхность теплообмена жидкости 6 с материалом плиты 1. Площадь поверхности 7 превышает площадь поверхности испарительных каналов 2.
Заявленный испаритель, изображенный на фиг.2, расположен в полости 8 холодильного шкафа 9. Плита 10 расположена горизонтально под полкой для хранения продуктов 11. Герметичный контейнер 12 содержит эвтектическую жидкость 13 и расположен между плитой 10 и полкой 11. Плита 10 выполнена переменной толщины, что позволяет дополнительно увеличить площадь поверхности 15, которая представляет собой поверхность теплообмена жидкости 13 с материалом плиты 10.
Заявленный испаритель, изображенный на фиг.3, расположен вертикально в задней стенке холодильного шкафа 16. Одна сторона плиты 17 представляет собой плоскость, с которой соприкасается облицовочная панель 18. Тепловая проводимость панели 18 превышает коэффициент теплоотдачи охлаждаемого воздуха. Толщина участков плиты 17, в теле которых расположены трубки канала 19, превышает толщину участков плиты 17, расположенных между прямолинейными участками канала 19. Лист 20, выполненный предпочтительно из материала с низкой теплопроводностью, в совокупности с поверхностью 21 плиты 17 образует полости, расположенные между прямолинейными участками испарительного канала 19. В указанных полостях расположена эвтектическая жидкость 22.
Заявленный испаритель, изображенный на фиг.4, содержит испарительный канал 23. Прямолинейные участки 24 указанного канала расположены с уклоном. Входное отверстие 25 канала 23 расположено в верхней части плиты испарителя 26, а его выходное отверстие 27 расположено выше уровня жидкого хладагента, который после отключения холодильного агрегата содержится в нижней части канала 23. Между прямолинейными участками 24 выполнены полости 28, в которых расположены контейнеры 29, содержащие эвтектическую жидкость.
Заявленный испаритель, расположенный, например, в полости холодильной камеры, работает следующим образом (фиг.1). Когда температура охлаждаемого воздуха, повышается до заданного максимального значения, равного +10°С, включают холодильный агрегат и посредством хладагента, испаряемого в полости канала 2, охлаждают плиту 1, при этом ее температуру понижают до -15°С. По мере охлаждения плиты 1 возникает процесс теплообмена между эвтектической жидкостью 6 и материалом, из которого выполнена плита 1. Следствием указанного процесса теплообмена является охлаждение и последующая кристаллизация эвтектической жидкости 6. Теплота, отводимая от эвтектической жидкости 6, посредством плиты 1 подводится к испаряемому хладагенту через стенку испарительного канала 2. Одновременно с охлаждением эвтектической жидкости 6 осуществляют охлаждение воздуха, содержащегося в полости холодильной камеры, путем его теплообмена с материалом плиты 1. Когда температура плиты 1 понижается до заданного значения, холодильный агрегат отключают. При этом процесс охлаждения воздуха будет продолжаться, потому что количество теплоты, отводимой от охлаждаемого воздуха в единицу времени, будет превышать количество теплоты, поступающей в единицу времени в полость холодильного отделения из окружающей среды. По мере повышения температуры плиты 1 температурный градиент между охлаждаемым воздухом и плитой 1 будет уменьшаться, и соответственно будет уменьшаться величина теплового потока, отводимого от охлаждаемого воздуха. Когда величина указанного теплового потока понизится до значения, равного тепловому потоку, поступающему из окружающей среды, температура воздуха достигнет своего минимального значения. После достижения минимальной температуры воздух под воздействием подводимой к нему теплоты будет нагреваться. Однако часть подводимой к воздуху теплоты будет отводиться к эвтектической жидкости 6 посредством плиты 1, что обеспечит увеличение интервала времени, необходимого для повышения температуры воздуха, содержащегося в полости холодильной камеры, до заданного максимального значения. Затем холодильный агрегат включают и осуществляют очередной процесс охлаждения плиты 1 и эвтектической жидкости 6.