Способ адаптивного повышения эффективности теплообменных процессов в аккумуляторах холода
METHOD FOR ADAPTIVE INCREASE OF EFFICIENCY OF HEAT EXCHANGE PROCESSES IN COLD ACCUMULATORS

Изобретение относится к способам охлаждения тепловыделяющих объектов, в частности сооружений с автономным режимом работы, и может быть использовано для интенсификации теплообменных процессов в аккумуляторах холода путем внедрения в их объем специальных теплопроводящих элементов - адаптивных динамических тепловых мостов с развитой поверхностью теплообмена.
Аккумуляторы холода в настоящее время достаточно широко применяются в составе систем обеспечения температурно-влажностного режима различного рода сооружений. Самый простой аккумулятор холода представляет собой теплоизолированную емкость, заполненную рабочим телом, например, водой, которую предварительно замораживают с помощью холодильной установки любого типа, а затем в процессе отвода тепла от тепловыделяющего объекта плавят.
Также существует конструктивно более сложные системы, представляющие собой теплоизолированную емкость, внутри которой находится трубчатый теплообменник [Ефремов В.В., Наумов А.Л., Серов С.Ф. Использование аккумуляторов холода в системах кондиционирования воздуха / Интернет вестник ВолгГАСУ. Политематическая сер., Вып. 3 (13), 2010. (www.vestnik.vgasu.ru)]. Теплообменник состоит из отдельных кассет, которые устанавливаются в емкости параллельно на фиксированном расстоянии друг от друга. Кассеты объединяются коллекторами в единый теплообменник. Каждая кассета представляет собой змеевик из труб, уложенных определенным образом. Принцип его работы состоит в том, что емкость аккумулятора заполняется водой, а по трубкам теплообменника циркулирует хладогент (фреон или раствор этиленгликоля) с отрицательной температурой. В результате на поверхности труб теплообменника, а затем и в объеме аккумулятора холода образуется лед.
Процессы заморозки (режим зарядки) и плавления льда (автономный режим) в аккумуляторе холода осуществляются циклически.
В режиме зарядки аккумулятора холода у охлаждаемой поверхности аккумулятора образуется прослойка льда, толщина которой с течением времени растет. В связи с тем, что теплопроводность льда невысока, эта прослойка имеет значительное термическое сопротивление, которое увеличивается с течением времени прямо пропорционально толщине намороженного слоя [Брюханов О.Н., Шевченко С.Н. Тепломассообмен: Учебник. - М.; ИНФРА-М, 2012. - 464 с., Чумаченко А.Д. Исследование процесса фазового перехода в льдоаккумуляторе. //Химическое и нефтяное машиностроение, №12, 1994. - с. 14-15]. Это приводит к росту времени заморозки воды в объеме аккумулятора холода и увеличению энергозатрат в процессе зарядки аккумулятора холода.
0
Отвод теплоты от тепловыделяющего объекта в автономном режиме также имеет свою специфику. У поверхности тепловыделяющего объекта образуется жидкостная прослойка, существенно ухудшающая отвод теплоты. Это объясняется низкой теплопроводностью воды. Она составляет величину 0,556 Вт/(мС), что по своему значению близко к теплопроводности материалов, используемых в качестве теплоизоляционных. Поэтому с течением времени температура тепловыделяющего объекта растет, то есть теплоотвод от объекта осуществляется при переменной разности температур между тепловыделяющим объектом и плавящимся рабочим телом, что не позволяет в ряде случаев осуществлять охлаждение тепловыделяющего объекта в пределах заданного допуска изменения температуры и ведет к сокращению времени работы аккумулятора холода в автономном режиме.
Известна система содержащая воздухоохладитель, обеспечивающий поглощение теплоизбытков, выделяющихся в сооружении, насос, обеспечивающий прокачку талой воды через воздухоохладитель и емкость аккумулятора холода, теплообменник, обеспечивающий наморозку и поддержание льда, теплообменник связан с внешней холодильной машиной.
В режиме автономной работы системы нагретая вода из воздухоохладителя поступает в испарительный участок термосифона, где охлаждается за счет кипения рабочего тела термосифона, и снова поступает в воздухоохладитель. Пары рабочего тела термосифона по адиабатному участку поступают в участок конденсации, где, попадая на наружную поверхность стенки емкости, конденсируются и стекают в испарительный участок. При этом происходит таяние льда в емкости.
В режиме зарядки холодоноситель, охлаждаемый холодильной машиной, поступает в теплообменник, дополнительный теплообменник и снова в холодильную машину. Дополнительный теплообменник служит для уменьшения размеров талой зоны, и, следовательно, увеличения объема запаса льда в аккумуляторе холода в автономном режиме работы. Работа термосифона аналогична его работе в режиме автономии. В качестве рабочей жидкости термосифона может быть использована, например, азеотропная смесь фреонов, кипящая при 0°С при давлении, близком к атмосферному. Расширительный бачок служит для компенсации объемного расширения воды при ее замерзании.
Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность теплообменных процессов, протекающих в нем, в результате чего в обоих режимах работы возникает разность температур между тепловыделяющим объектом и рабочим телом аккумулятора холода, ведущая к значительному росту времени режима зарядки аккумулятора и малому времени автономной работы из-за невозможности использовать в полной мере запасенный в аккумуляторе холод.
Наиболее близким к изобретению и простым по составу являются блоки-аккумуляторы холода, состоящие из емкостей различных форм и размеров, заполненных рабочим телом, например, водой, которую предварительно замораживают с помощью холодильной установки любого типа, а затем в процессе отвода тепла от тепловыделяющего объекта плавят.
Недостатком данной системы является неравномерность таяния льда, вызванная удаленностью от места подвода тепла в емкости, при этом быстрее тает лед, который находится ближе к месту подвода тепла, а медленнее всего тает лед, который находится максимально далеко в емкости от места подвода тепла. Это приводит к уменьшению запаса автономной работы из-за невозможности использовать в полной мере запасенный в аккумуляторе лед в связи с образованием прослойки из воды, которая менее теплопроводна, что может привести к резкому скачку температур на тепловыделяющем объекте и вывести его из строя.
Задачей настоящего изобретения является создание способа, позволяющего в автономном режиме эксплуатации увеличить время автономной работы аккумулятора холода с учетом допустимого диапазона изменения температур тепловыделяющего объекта за счет повышения равномерности таяния льда и максимального его использования, снизить время режима зарядки аккумулятора холода, и соответственно, уменьшить энергозатраты на заморозку льда в этом режиме.
Технический результат, на достижение которого направлен предлагаемый способ, заключается в повышении эффективности процессов теплообмена, в частности процесса теплопередачи, в аккумуляторах холода за счет применения адаптивной динамической системы тепловых мостов с развитой поверхностью теплообмена (далее по тексту система сеток). Например, металлическая рамка с закрепленной внутри нее металлической сеткой (например, медной или стальной) или стальной решеткой, обладающей высокой теплопроводностью или несколько аналогичных рамок скрепленных между собой неподвижно на разной высоте.
Под адаптивностью системы тепловых мостов мы понимаем их приспособленность к эффективной работе в двух режимах (зарядки и автономной работы). Динамическая система - подвижная система.
Согласно уравнению теплопроводности, введение в объем аккумулятора теплопроводящих элементов из материалов, в частности металлов, с высокой теплопроводностью и развитой поверхностью позволяет в значительной мере распределить тепловой поток по всему объему аккумулятора и существенно выровнять температурное поле в нем [Грачев А.Б., Катенев Г.М., Лесюк Е.А. Оптимизация криоаккумулятора. // Химическое и нефтегазовое машиностроение, №3, 1998. - с. 35-37]. Режим зарядки укорачивается, снижая тем самым энергозатраты на заморозку воды.
Предложенный способ реализуется следующим образом.
В режиме зарядки система сеток посредствам любого возможного решения поднимается на максимально возможную высоту внутри емкости аккумулятора холода и фиксируется в этом положении. Хорошо передавая не только тепло, но и холод, поступающий от холодильной машины на систему сеток быстрее и равномернее формируется запас льда, при этом равномерно прирастая вплоть до самого дна. При этом чем более разветвлена поверхность теплообмена системы сеток или чем больше слоев этих сеток, тем быстрее происходит процесс образования льда, тем самым снижая энергозатраты на заморозку воды.
При переходе в автономный режим фиксирующие в верхнем положении систему сеток устройства отключаются, например, ослабляется натяжение системы тросов, и она получает вертикальную степень свободы (подвижность). Подвижность системы сеток в автономном режиме эксплуатации, приводит к положительному влиянию. В процессе плавления льда аккумулятора холода системы сеток под действием собственной силы тяжести находится в постоянном контакте со льдом, нивелируя тем самым негативное влияние на процесс теплопередачи водяной прослойки. Скорость роста разности температур между тепловыделяющим объектом и плавящимся льдом снижается, происходит равномерное и полное таяние льда и, таким образом, увеличивается длительность автономного режима работы аккумулятора холода.
Сущность способа адаптивного повышения эффективности теплообмена в аккумуляторах холода заключается в том, что наличие подвижной сетки или системы сеток в режиме зарядки аккумулятора холода способствует более быстрому и равномерному образованию льда сначала вокруг системы сеток и далее по всему внутреннему объему аккумулятора холода за счет существенного улучшения условий теплопередачи, а в автономном режиме позволяет осуществлять более равномерное и полное использование льда по назначению.
Сравнительный анализ показал, что предлагаемый способ отличается от известных аналогов тем, что наличие динамического теплового моста приводит к интенсификации теплообменных процессов в аккумуляторах холода в обоих режимах эксплуатации и позволяет снизить энергозатраты на заморозку льда в одном режиме и повысить автономность работы системы в другом режиме эксплуатации.
Сущность предлагаемого способа поясняется схемами, на которых изображены:
на фиг. 1 - схема исходного положения при реализации способа адаптивного повышения эффективности теплообменных процессов в аккумуляторах холода,
на фиг. 2 - схема начала отвода тепла - заморозка воды в аккумуляторе холода (режим зарядки),
на фиг. 3 - схема окончания отвода тепла - заморозка воды в аккумуляторе холода (режим зарядки),
на фиг. 4 - схема начала подвода тепла - автономная работа аккумулятора холода (автономный режим),
на фиг. 5 - схема адаптивного перемещения системы сеток - автономная работа аккумулятора холода (автономный режим),
на фиг. 6 - схема дальнейшего перемещения системы сеток -автономная работа аккумулятора холода (автономный режим),
на фиг. 7 - схема заключительного положения при реализации способа адаптивного повышения эффективности теплообменных процессов в аккумуляторах холода (автономный режим).
В схемах применены следующие обозначения:
1 - корпус аккумулятора холода;
2 - система поддержки и натяжения;
3 - адаптивная динамическая система тепловых мостов с развитой поверхностью теплообмена (система сеток);
4 - штатная система охлаждения;
5 - вода;
6 - лед;
7 - штатную систему подвода тепла (охлаждаемый объект).
Способ может быть реализован следующим образом.
1. В режиме зарядки аккумулятора холода 1, посредством системы натяжения 2 (например, система тросов, закрепленных к четырем углам рамки системы сеток с возможностью их равномерного подъема/спуска при натяжении/ослаблении системы тросов) осуществить подъем системы сеток 3 на максимально возможную высоту (оставив запас до верхней крышки ≈10-15% от общего расстояния вертикальной степени свободы).
2. При помощи любой штатной системы охлаждения 4 осуществлять отвод тепла из аккумулятора холода до перехода воды 5 в максимально возможное количество льда 6. Далее прекратить работу системы охлаждения 4.
3. В режиме автономной работы максимально ослабить натяжение системы сеток, позволив ей под собственной тяжестью лежать на образованном льду 6.
4. Осуществлять подвод тепла к аккумулятору холода (через любую имеющуюся штатную систему подвода 7) для его последующего охлаждения за счет взаимодействия со льдом 6.
5. За счет более высокой теплопроводности разветвленной металлической системы сеток 3, расположенной в полости аккумулятора холода основная масса теплового потока 7 быстрее передастся на металлическую поверхность системы сеток 3, повышая ее температуру. Далее быстрее начинает таять лед 6 вблизи указанной системы. Вновь подаваемый тепловой поток продолжает быстрее нагревать систему сеток 3, через систему натяжения 2, чем образующуюся в процессе таяния воду 5.
Собственная сила тяжести и устойчивая форма системы сеток 3 позволяют постоянно контактировать с поверхностью льда 6, при этом уменьшая водяную прослойку 5 между льдом и системой сеток, и увеличивая эффективность теплообменного процесса за счет максимального использования всего объема льда в занимаемой площади.
6. По окончанию автономного режима эксплуатации за счет системы натяжения 2 выполнить операции по пункту 1.
Предлагаемый способ, за счет применения адаптивной динамической системы тепловых мостов с развитой поверхностью теплообмена, позволяет решить задачу повышения эффективности процессов теплообмена, в частности, интенсифицировать процессы теплопередачи, в аккумуляторах холода в обоих режимах эксплуатации, что ведет к снижению энергозатрат на заморозку льда в режиме зарядки и увеличению времени работы системы в автономном режиме эксплуатации.
Литература
1. Ефремов В.В., Наумов А.Л., Серов С.Ф. Использование аккумуляторов холода в системах кондиционирования воздуха / Интернет вестник ВолгГАСУ. Политематическая сер., Вып. 3 (13), 2010. (www.vestnik.vgasu.ru).
2. Брюханов О.Н., Шевченко С.Н. Тепломассообмен: Учебник. - М.; ИНФРА-М, 2012. - 464 с.
3. Чумаченко А.Д. Исследование процесса фазового перехода в льдоаккумуляторе. //Химическое и нефтяное машиностроение, №12, 1994. - с. 14-15.
4. Грачев А.Б., Катенев Г.М., Лесюк Е.А. Оптимизация криоаккумулятора // Химическое и нефтегазовое машиностроение, №3, 1998. - с. 35-37.