Система охлаждения с модульными аккумуляторами холода
COOLING SYSTEM WITH MODULAR COLD ACCUMULATORS

Область техники
Предлагаемое устройство относится к области холодильной техники, а именно с применением тел, аккумулирующих холод, и может использоваться для поддержания требуемых температурных условий функционирования отдельных элементов и помещений.
Уровень техники
Известно применение тепловых аккумуляторов для обеспечения необходимого температурного режима потребителей холода (тепла), компенсации пиковых тепловыделений и оптимизации затрат на производство холода, в том числе, использование в подобных аккумуляторах теплоты фазового перехода [Чумак И.Г., Чепурненко В.П. и др. Холодильные установки. - М.: ВО «Агропромиздат», 1991.].
Аналогами к предлагаемому устройству можно считать:
1. «Холодильник с аккумулятором холода», снижающий
потребление электроэнергии, заявка на изобретение РФ №2002135505 по МПК F25D 11/00, оп. 27.06.2004 г., включающий охлаждающую камеру, образованную панелями, заполненными жидкостью, накапливающей холод за счет теплоты фазовых переходов, при этом панели выполнены из модульных съемных элементов.
В таком устройстве для «зарядки» аккумуляторов холода необходимо организовывать перемещение их в зону минусовых температур, и, соответственно, их последующую установку в камеру для работы. Кроме того, подобная конструкция не предусматривает возможности поддержания заданной температуры потребителей. А размещение аккумуляторов холода непосредственно в охлаждающей камере сужает (или уменьшает) температурный диапазон применения аккумуляторов и, следовательно, эффективность всего устройства.
2. «Холодильная установка», патент РФ №2199706 по МПК F25B 5/02, оп. 27.02.2003 г., включающая испарители, установленные в контуре хладагента, и выполненные в виде технологического и режимного аккумуляторов холода.
Использование такой установки позволяет увеличить ее термодинамическую эффективность. Однако адаптация такой установки к изменяющимся условиям функционирования и взаимодействия с окружающей средой требует существенного изменения всей конструкции, особенно в случае необходимости поддержания требуемой холодопроизводительности холодильной установки или температуры потребителей.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является система охлаждения из «Система охлаждения, способ эксплуатации такой системы и резервное устройство охлаждения», патент РФ №2592883 по МПК G12B 15/02, оп. 10.03.2015 г., включающая блок охлаждения, теплообменник, магистрали и насос для перекачки теплоносителя, модули аккумуляторов холода, запорную и/или регулирующую арматуру.
Особенностями наиболее близкого аналога являются невозможность выборочного задействования отдельных аккумуляторов, и использование в них одинаковых теплоаккумулирующих веществ. Это может привести к завышению мощности используемой насосной установки и, как следствие, увеличению энергозатрат на функционирование системы охлаждения. При этом адаптация системы к различным условиям эксплуатации, например, температурам окружающей среды или потребителя, потребует изменения конструкции аккумулятора холода, вплоть до его замены. Следует также отметить, что включение аккумуляторов холода в контур «источник холода - потребитель», снижает эффективность использования накопленных в них запасов холода и предъявляет повышенные требования к системе подготовки теплоносителя для обеспечения требуемых его параметров.
Недостатками аналогов являются: недостаточное обеспечение номинальной холодопроизводительности холодильной машины и эффективности системы охлаждения при различных условиях окружающей среды и уровнях тепловых нагрузках на систему охлаждения.
Сущность изобретения
Известно применение в системах охлаждения аккумуляторов холода, использующих теплоту фазового перехода различных веществ. При этом, водоледяные аккумуляторы холода в силу наибольшей из применяемых веществ теплоты фазового перехода обладают лучшими удельными или объемными характеристиками по сравнению, например, с различными типами парафинов. Однако при этом (в случае температуры окружающей среды выше 0°С) требуют дополнительных условий для их зарядки и хранения перед применением. Парафины же могут применяться в более широком диапазоне температур окружающей среды, однако, при меньших удельных запасах холода.
Задачей изобретения является обеспечение номинальной холодопроизводительности холодильной машины и эффективности системы охлаждения, обеспечение рационального использования объемов помещений для размещения оборудования системы охлаждения при различных условиях окружающей среды, в том числе, при расширении ожидаемых, диапазонов условий функционирования системы охлаждения как в части температуры окружающей среды, так и уровней отводимых тепловых выделений.
Под уровнями отводимых тепловых выделений следует понимать мощность теплового потока, отводимого от потребителя холода и температуру потребителя холода, как начальное значение.
Технические результаты изобретения:
1) обеспечение номинальной холодопроизводительности холодильной машины при различных условиях окружающей среды;
2) обеспечение эффективности системы охлаждения при различных условиях окружающей среды и уровнях отводимых тепловых выделений за счет поддержания работоспособности теплообменника сброса тепла в окружающую среду.
Технические результаты достигаются тем, что система охлаждения с модульными аккумуляторами холода, содержит холодильную машину, которая включает контур «блок охлаждения - теплообменник сброса тепла в. окружающую среду» и контур «блок охлаждения - потребитель холода», и содержит, по меньшей мере, один контур «теплообменник сброса тепла в окружающую среду - аккумуляторы холода», в который включены параллельно или последовательно, по меньшей мере, два модульных аккумулятора холода с, по меньшей мере, двумя теплоаккумулирующими веществами с различными температурами фазового перехода, магистрали для перемещения теплоносителя, устройство для перемещения теплоносителя через аккумуляторы холода, блок управления холодильной машиной, запорной и/или регулирующей арматурой модульных аккумуляторов холода и устройством для перемещения теплоносителя, при этом количество модулей с различными теплоаккумулирующими веществами, а также порядок их использования могут варьироваться в ходе функционирования системы охлаждения.
Технические результаты достигаются также тем, что аккумулятор холода, по меньшей мере, с тремя теплоаккумулирующими веществами с различными температурами фазового перехода может быть выполнен с веществами с различными температурами фазового перехода, у которых разница температуры фазового перехода k-го вещества и температуры фазового перехода k+1 вещества близка к разнице температуры фазового перехода k+1 вещества и температуры фазового перехода k+2 вещества, где k - целое число.
Технические результаты достигаются также тем, что аккумулятор холода, по меньшей мере, с тремя теплоаккумулирующими веществами с различными температурами фазового перехода может быть выполнен с веществами с различными температурами фазового перехода, у которых разница температуры фазового перехода k-го вещества и температуры фазового перехода k+1 вещества возрастает по сравнению с разницей температуры фазового перехода k+1 вещества и температуры фазового перехода k+2 вещества.
Технические результаты достигаются также тем, что аккумулятор холода, по меньшей мере, с тремя теплоаккумулирующими веществами с различными температурами фазового перехода может быть выполнен с веществами с различными температурами фазового перехода, у которых разница температуры фазового перехода k-го вещества и температуры фазового перехода k+1 вещества уменьшается по сравнению с разницей температуры фазового перехода k+1 вещества и температуры фазового перехода k+2 вещества.
Технические результаты достигаются также тем, что один теплоноситель может быть использован как в холодильной машине, так и в контуре «теплообменник сброса тепла в окружающую среду - аккумуляторы холода».
Технические результаты достигаются также тем, что в холодильной машине и в контуре «теплообменник сброса тепла в окружающую среду - аккумуляторы холода» могут быть использованы разные теплоносители.
Следует отметить, что общее количество аккумуляторов и отдельных модулей с различными теплоаккумулирующими веществами, а также порядок их использования может выбираться исходя из ожидаемых циклограммы работы потребителя холода и колебаний температур окружающей среды, с учетом обеспечения наилучшего использования объемов помещений, выделяемых для размещения системы.
Сведения, подтверждающие возможность
осуществления изобретения
Возможность практической реализации изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема варианта системы охлаждения с модульными аккумуляторами холода при параллельном подключении аккумуляторов холода.
На фиг. 2 представлена схема варианта системы охлаждения с модульными аккумуляторами холода при последовательном подключении аккумуляторов холода.
На фиг. 3 представлены схема варианта системы охлаждения с модульными аккумуляторами холода, позволяющая осуществить параллельно-последовательное подключение различного количества аккумуляторов холода.
Система охлаждения с модульными аккумуляторами холода, содержит холодильную машину, которая включает контур «блок охлаждения 1 - теплообменник сброса тепла в окружающую среду 2» и контур «блок охлаждения 1 - потребитель холода 3», кроме того, содержит, по меньшей мере, один контур «теплообменник сброса тепла в окружающую среду 2 - аккумуляторы холода 4», в который включены параллельно или последовательно, по меньшей мере, два модульных аккумулятора холода 4 с, по меньшей мере, двумя теплоаккумулирующими веществами с различными температурами фазового перехода, магистрали для перемещения теплоносителя, устройство 5 для перемещения теплоносителя через аккумуляторы холода 4, блок управления холодильной машиной, запорной и/или регулирующей арматурой 6-13 модульных аккумуляторов холода 4 и устройством для перемещения теплоносителя 5.
Изготовление элементов системы может быть осуществлено известными способами. Соединение элементов в единую систему может быть осуществлено известными способами.
Система охлаждения с модульными аккумуляторами холода работает следующим образом.
При отсутствии больших тепловыделений от потребителя холода 3 и температуре окружающей среды, соответствующей номинальной холодопроизводительности холодильной машины, осуществляется поддержание необходимой температуры теплоносителя, подаваемого к потребителю холода 3 от блока охлаждения 1. При этом выделяющееся тепло отводятся непосредственно в окружающую среду через теплообменник сброса тепла в окружающую среду 2.
По возможности проводится зарядка модулей аккумуляторов холода 4 за счет естественного отвода тепла от них в окружающую среду или путем прокачки охлажденного теплоносителя от блока охлаждения 1 холодильной машины через аккумуляторы холода 4 (контур на фигурах не показан). За счет естественного охлаждения обеспечивается первоначальная зарядка модулей аккумуляторов холода 4 с более высокой температурой фазового перехода теплоаккумулирующих веществ. Зарядка аккумуляторов холода 4 также может осуществляться и от внешней холодильной машины (на фигурах не показана).
В случае повышения температуры окружающей среды или тепловых выделений от потребителя холода 3 осуществляется прокачка теплоносителя по контуру «теплообменник сброса тепла в окружающую среду 2 - аккумуляторы холода 4». При этом тип и количество включаемых в контур модулей аккумуляторов холода 4 определяются исходя из поддержания достаточного теплоотвода от теплообменника сброса тепла в окружающую среду 2.
В варианте исполнения системы, представленном на фиг. 1, блоки аккумуляторов холода 4 задействованы в процессе параллельно. В варианте исполнения системы, представленном на фиг. 2, блоки аккумуляторов холода 4 задействованы в процессе последовательно. В варианте исполнения системы, представленном на фиг. 3, блоки аккумуляторов холода 4 задействованы в процессе как параллельно, так и последовательно: при открытых клапанах 6, 8, 9, 12, 13 и закрытых клапанах 7, 10, 11 ближайшие по схеме к теплообменнику сброса тепла в окружающую среду 2 два из трех аккумуляторов холода 4 задействованы последовательно и третий аккумулятор холода 4 задействован параллельно им; при открытых клапанах 6, 7, 10, 11, 13 и закрытых клапанах 8, 9, 12 ближайший по схеме к теплообменнику сброса тепла в окружающую среду 2 один из трех аккумуляторов холода 4 задействован параллельно со вторым и третьим аккумуляторами холода 4, которые задействованы последовательно.
Блок управления обеспечивает необходимое положение элементов запорной и/или регулирующей арматуры модульных аккумуляторов холода 4 и режим работы устройства 5 для перемещения теплоносителя через аккумуляторы холода 4.
Таким образом, применение предлагаемой системы позволяет поддерживать номинальную холодопроизводительность холодильной машины и эффективность системы охлаждения при различных условиях окружающей среды и уровне тепловыделений от потребителя холода. При этом обеспечивается рациональное использование объемов помещений, выделяемых для размещения оборудования системы охлаждения.