ХОЛОДОИСТОЧНИК
SOURCE OF COLD

Изобретение относится к области теплообменных устройств, предназначенных для получения низкопотенциальных жидкостных теплоносителей, в частности для утилизации холода нетрадиционных источников в виде тающего льда или снега, и может быть использовано в системах хладоснабжения помещений.
Известен холодоисточник, включающий помещение прямоугольной формы, заглубленное в грунт, стены которого покрыты тепло- и гидроизоляцией, а в приямке размещен запас тающего льда с трубой для отвода талой воды (Страшнов В.Г. Сельский жилой дом. - М.: Агропромиздат, 1989 г., рис.34).
Недостатком данной конструкции является низкая холодопроизводительность и ограниченные возможности по восстановлению регенерационной способности источника холода.
Известен также холодоисточник, включающий теплоизолированный герметичный корпус с теплоизолированной герметичной крышкой и камеру для размещения льда (см. а.с. №1262221, МПК F25D 3/02, 1986 г.).
Недостатком известной конструкции является низкая холодопроизводительность, низкие коэффициенты теплопередачи от тающего массива и воздушной среды к охлаждаемой жидкости, а также в силу особенности конструкции - малый межрегенерационный период.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение холодопроизводительности за счет увеличения регенерационной способности источника холода.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в интенсификации процессов теплообмена между талой водой снежно-ледяного массива и охлаждаемой жидкостью, разделенными поверхностями теплопередачи, что приводит к повышению холодопроизводительности.
Поставленная задача решается тем, что холодоисточник, включающий теплоизолированный герметичный корпус с теплоизолированной герметичной крышкой и камеру для размещения льда, отличается тем, что камера выполнена в верхней части корпуса хладоисточника, при этом дно камеры выполнено в виде горизонтального ряда труб контактного теплообменника, расположенных параллельно друг другу с зазором, достаточным для стекания талой воды, при этом под каждой трубой контактного теплообменника размещены горизонтальные ряды труб промежуточного теплообменника, ниже которых, в свою очередь, размещен ряд труб, образующих экономайзер, при этом экономайзер снабжен патрубком подвода охлаждаемой жидкости, который через входной коллектор связан с входными отверстиями труб экономайзера, выходные отверстия которых связаны с выходным коллектором экономайзера, связанным с входным коллектором соседнего вышележащего ряда труб промежуточного теплообменника, связанных с выходным коллектором этого ряда, при этом выходной коллектор каждого нижележащего ряда труб промежуточного теплообменника связан с входным коллектором вышележащего ряда труб промежуточного теплообменника, кроме того, выходной коллектор самого верхнего ряда труб промежуточного теплообменника связан с входным коллектором труб контактного теплообменника, выходной коллектор которого снабжен патрубком для отвода охлажденной жидкости, при этом нижние части труб контактного и промежуточного теплообменников снабжены гребнями, причем трубы контактного и промежуточного теплообменников установлены так, что их продольные оси и гребни принадлежат одной вертикальной плоскости, кроме того, верхние поверхности труб промежуточного теплообменника снабжены каплеуловителями, выполненными в виде двух симметричных продольных профилированных пластин, размещенных с зазором по отношению к поверхностям этих труб, кроме того, трубам промежуточного теплообменника придана каплевидная форма, обращенная округлой частью вверх, кроме того, трубы экономайзера снабжены оребриями, кроме того, нижняя часть полости корпуса снабжена водоотводящим патрубком, снабженным краном.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «…камера выполнена в верхней части корпуса хладоисточника…» обеспечивает движение охлаждающей жидкости (талой воды) сверху вниз под действием силы тяжести.
Признаки «…дно камеры выполнено в виде горизонтального ряда труб контактного теплообменника, расположенных параллельно друг другу с зазором, достаточным для стекания талой воды, при этом под каждой трубой контактного теплообменника размещены горизонтальные ряды труб промежуточного теплообменника, ниже которых, в свою очередь, размещен ряд труб, образующих экономайзер…» позволяют последовательно реализовать различные виды теплосъема, с обеспечением максимального перепада температур охлаждающего агента и охлаждаемой жидкости в пределах каждого типа работы теплообменника (наиболее нагретая охлаждаемая жидкость взаимодействует с более нагретой охлаждающей жидкостью).
Признаки «…экономайзер снабжен патрубком подвода охлаждающей жидкости, который через входной коллектор связан с входными отверстиями труб экономайзера, выходные отверстия которых связаны с выходным коллектором экономайзера, связанным с входным коллектором соседнего вышележащего ряда труб промежуточного теплообменника, связанных с выходным коллектором этого ряда, при этом выходной коллектор каждого нижележащего ряда труб промежуточного теплообменника связан с входным коллектором вышележащего ряда труб промежуточного теплообменника, кроме того, выходной коллектор самого верхнего ряда труб промежуточного теплообменника связан с входным коллектором труб контактного теплообменника, выходной коллектор которого снабжен патрубком для отвода охлажденной жидкости…» позволяют последовательно (при прокачке охлаждающей жидкости) использовать все виды теплообменников, тем самым увеличить КПД источника холода.
Признаки «…нижние части труб контактного и промежуточного коллекторов снабжены гребнями, причем трубы контактного и промежуточного теплообменников установлены так, что их продольные оси и гребни принадлежат одной вертикальной плоскости…» позволяют организовать последовательное использование талой воды, образующейся на контакте льда с контактным теплообменником, в каждом из рядов труб промежуточного теплообменника (т.е. талая вода не стекает сразу в «зону работы» экономайзера, а последовательно взаимодействует с трубами каждого ряда промежуточного теплообменника.
Признаки «…верхние поверхности труб промежуточного теплообменника снабжены каплеуловителями, выполненными в виде двух симметричных продольных профилированных пластин, размещенных с зазором по отношению к поверхностям этих труб…» направлены на улавливание талой воды, капающей с труб вышележащего регистра, и обеспечение ее пленочного взаимодействия (при растекании уловленных капель) по поверхности труб соответствующего ряда, что обусловливает интенсивный теплообмен.
Признаки «…трубам промежуточного теплообменника придана каплевидная форма, обращенная округлой частью вверх…» позволяют талой воде в пленочном турбулентном режиме стекания омывать нижний каплеобразный профиль, обеспечивая дополнительный теплосъем.
Признак «…трубы экономайзера снабжены оребриями…» повышает интенсивность процесса теплоотдачи тепла от объема талой воды жидкости, прокачиваемой через экономайзер.
Признак «…нижняя часть полости корпуса снабжена водоотводящим патрубком, снабженным краном…» исключает подтапливание нижних рядов труб промежуточного теплообменника растаявшей водой.
На фиг.1 изображен поперечный разрез холодоисточника; на фиг.2 - то же, продольный разрез; на фиг.3 - узел 1 фиг.1; на фиг.4 - узел 2 фиг.1; на фиг.5 - узел 3 фиг.2.
Холодоисточник состоит из теплоизолированного герметичного корпуса 1 с теплоизолированной герметичной крышкой 2 и камеры 3 для размещения льда. Теплоизолированный герметичный корпус 1 выполнен с двойными стенками, полость 4 между которыми вакууммирована с давлением воздуха внутри полости 0,003 МПа. Герметичная крышка 2 покрыта теплоизоляцией на наружных стенках. Камера 3 выполнена в верхней части корпуса 1 холодоисточника, при этом дно камеры 3 выполнено в виде горизонтального ряда труб контактного теплообменника 5, расположенных параллельно друг другу с зазором, достаточным для стекания талой воды, при этом под каждой трубой контактного теплообменника 5 размещены трубы промежуточного теплообменника 6, ниже которых размещены трубы экономайзера 7.
Контактный теплообменник 5 выполнен в виде труб 8 большого диаметра, установленных с малым горизонтальным зазором, в нижних образующих которых установлены гребни 9, обеспечивающие поступление талой воды в виде капель на промежуточный теплообменник 6.
Для обеспечения капельно-ударного способа теплообмена промежуточного теплообменника 6 его горизонтальные трубы 10 имеют каплеобразную форму путем приварки к нижней полуокружности профилированных треугольных каналов 11, сообщенных с полостью труб 10 путем продольных отверстий 12 в нижней образующих труб 10. На нижней образующей капельного профиля 11 установлены плоские распределительные гребни 13 для организованного и равномерного распределения стекающей талой воды на нижележащие трубы. Над верхней полуокружностью труб 10 располагается каплеуловитель от вышерасположенных труб, выполненный из двух симметричных продольных профилированных пластин 14, закрепленных на верхней половине профиля трубы 10 дистанционирующими цилиндрическими штырями 15. Каплеуловитель воспринимает ударную энергию падающих капель, обеспечивая интенсивный теплообмен в верхней зоне образующих труб 10 при растекании капель по поверхности труб. Далее профилированные пластины 14 и внешняя поверхность полуокружности труб 10 образуют щелевые каналы 16, в которых поддерживается высокая скорость движения воды за счет кинетической энергии падающих капель, что обусловливает интенсивный теплообмен. Затем талая вода в пленочном турбулентном режиме стекания омывает нижний каплеобразный профиль 11, обеспечивая дополнительный теплосъем.
Каждый теплообменник снабжен горизонтально расположенными коллекторами 17 для равномерной подачи и отвода жидкости.
Экономайзер 7 снабжен патрубком 19 подвода охлаждаемой жидкости, который через входной коллектор 17 связан с входными отверстиями труб 18 экономайзера 7, выходные отверстия которых связаны с выходными коллекторами 17 экономайзера 7, связанными с входным коллектором 17 соседнего вышележащего ряда труб 10 промежуточного теплообменника 6, связанного с выходным коллектором 17 этого ряда, при этом выходной коллектор 17 каждого нижележащего ряда труб промежуточного теплообменника 6 связан с входным коллектором 17 вышележащего ряда промежуточного теплообменника 6, кроме того, выходной коллектор 17 самого верхнего ряда труб 10 промежуточного теплообменника 6 связан с входным коллектором 17 труб 8 контактного теплообменника 5, выходной коллектор которого снабжен патрубком 19 для отвода охлажденной жидкости.
Трубы 8 и 10 контактного 5 и промежуточного 6 теплообменников установлены так, что их продольные оси и гребни 9 и 13 принадлежат одной вертикальной плоскости.
Трубы 18 экономайзера 7 размещены внутри теплоизоляции на наружных стенках крышки по ходу охлаждаемой воды, которые имеют наружное оребрение квадратной формы.
Кроме того, нижняя часть полости корпуса 1 снабжена водоотводящим патрубком 19, снабженным краном 20.
Данная конструкция обуславливает плотное прилегание тающего массива к поверхности теплообмена и распределение талой воды на нижерасположенную ступень.
Ледяной массив заготавливается в холодоисточнике путем постепенного наполнения его водой в течение зимнего периода года и хранится в нем до летнего периода. Отсек ледяного массива выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды с углом стенок к вертикали 1-2 градуса для предотвращения зависания его в процессе таяния.
Холодоисточник устанавливают на открытом воздухе под навесом с открытой крышкой 2, предварительно из водяного контура через водоотводящий патрубок 19 открытием крана 20 дренируется охлаждаемая вода. При устойчивой среднесуточной отрицательной температуре наружного воздуха щели в основаниях труб 8 контактного теплообменника 5 уплотняют снегом для предотвращения утечек воды при генерировании льда путем наморозки. Затем послойно происходит заполнение емкости путем разбрызгивания воды в ледяном отсеке с контролем процесса намораживания монолитного ледяного массива. После завершения процесса намораживания в холодное время года холодоисточник закрывают изолированной крышкой 2 и лед хранится в нем с температурой внутри не выше 0°С до теплого периода года. В теплый период года включается циркуляция охлаждаемой воды, обеспечивающая процесс таяния льда.
Талая вода попадает на поверхность контактного теплообменника 5 и через гребни 9 поступает в виде капель на промежуточный теплообменник 6.
Каплеуловитель 11 воспринимает ударную энергию падающих капель, обеспечивая интенсивный теплообмен в верхней зоне образующих труб 10 при растекании капель по поверхности труб. Далее через щелевые каналы 16, в которых поддерживается высокая скорость движения воды за счет кинетической энергии падающих капель, что обуславливает интенсивный теплообмен. Затем талая вода в пленочном турбулентном режиме стекания омывает нижний каплеобразный профиль 11, обеспечивая дополнительный теплосъем.