СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА В ЗАМКНУТОЙ ПОЛОСТИ БЫТОВОГО ХОЛОДИЛЬНИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УКАЗАННОГО СПОСОБА
AIR COOLING METHOD IN CLOSED CAVITY OF DOMESTIC REFRIGERATOR AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION OF ABOVE METHOD

Заявляемое изобретение относится к области холодильной техники.
Настоящее изобретение может быть применено для охлаждения воздуха, содержащегося в полости холодильного шкафа бытового холодильника и других холодильных установок с относительно небольшим объемом холодильного шкафа.
3
В настоящее время главной проблемой в области холодильной техники является крайне низкая эффективность бытовых холодильников. В установившемся режиме работы холодильника на каждые 100 Вт потребляемой мощности от охлаждаемого воздуха может быть отведено только небольшое количество теплоты - порядка 2-5 Дж в секунду. Вследствие этого холодильный коэффициент процесса охлаждения воздуха составляет не более 0,02-0,05. Однако в существующих холодильных установках торгового назначения с холодильной камерой большего объема (от 6 м), использующих аналогичные холодильные машины, эффективность процесса охлаждения воздуха в десятки раз выше, чем в бытовом холодильнике, при этом величина холодильного коэффициента может достигать значения, равного 1,0 (и выше).
Из предшествующего уровня техники известен способ охлаждения воздуха, основанный на изменении агрегатного состояния хладагента, циркулирующего по замкнутому контуру парокомпрессионной холодильной машины, описанный в справочнике "Бытовые холодильники и морозильники", Б.С.Бабкин, В.А.Выгодин, Москва, Изд. Колос, 1998, стр.19 - 23. Указанный способ охлаждения включает сжатие паров хладагента в компрессоре, при этом концентрация паров повышается, охлаждение сконцентрированных паров хладагента в конденсаторе, сопровождаемое их конденсацией, дросселирование сконденсированного хладагента и последующее его испарение в теплообменнике, предназначенном для подвода теплоты от охлаждаемого воздуха к хладагенту.
Охлаждение воздуха, расположенного в полости холодильного шкафа, осуществляют в процессе циркуляции хладагента по замкнутому контуру холодильной машины путем отвода теплоты от охлаждаемого воздуха непосредственно к испаряемому хладагенту, осуществляемого посредством теплообменного аппарата (испарителя). Когда температура охлаждаемого воздуха понижается до заданного минимального значения (определяемого условиями хранения продуктов), циркуляцию хладагента по замкнутому контуру холодильной машины прекращают (отключают привод холодильной машины от электрической сети). Процесс охлаждения воздуха возобновляют, когда его температура поднимается до максимально допустимого уровня вследствие теплопритоков из окружающей среды в полость холодильного шкафа.
Низкая эффективность рассматриваемого процесса охлаждения воздуха определяется очень незначительной величиной теплопроводности воздуха, что снижает величину тепловой энергии, передаваемой от охлаждаемого воздуха к испаряемому хладагенту в единицу времени через единицу площади поверхности теплообмена (поверхности испарителя). Кроме того, эффективность рассматриваемого процесса охлаждения воздуха в бытовом холодильнике дополнительно снижается по следующим причинам:
- недостаточная площадь поверхности теплообмена охлаждаемого воздуха с испаряемым хладагентом, поскольку теплообменник, предназначенный для охлаждения воздуха, можно разместить только по периметру охлаждаемого объема или вдоль одной из стенок холодильного шкафа (указанное расположение определяется функциональными особенностями морозильного и холодильного отделений бытового холодильника);
- ограниченная величина температурного градиента между охлаждаемым воздухом и испаряемым хладагентом, определяемая температурой кипения хладагента и заданной температурой воздуха, содержащегося в морозильном и холодильном отделениях бытового холодильника;
- ограниченная скорость перемещения охлаждаемого воздуха относительно поверхности теплообмена (не более 0.5 м/с).
3
В своей совокупности перечисленные причины приводят к тому, что процесс охлаждения воздуха, содержащегося в морозильном и холодильном отделениях бытового холодильника, осуществляют в течение 10-12 минут. При этом от охлаждаемого воздуха отводят около 3500 Дж тепловой энергии при подводимой мощности 200 Вт (двухкамерный холодильник объемом 300 дм). С учетом вышеприведенных показателей холодильный коэффициент процесса охлаждения воздуха равен 0.03-0.04 (3500 Дж : 600 с : 200 Вт).
Известна холодильная машина бытового холодильника, описанная в патенте RU 2162576, которая содержит компрессор, конденсатор, капиллярную трубку и испаритель. При этом испаритель помещен в герметичный кожух, наполненный незамерзающей холодонакопительной жидкостью. При работе компрессора сжатые до высокого давления пары холодильного агента охлаждают в конденсаторе, затем образовавшийся конденсат дросселируют в капиллярной трубке и испаряют в испарителе, при этом «передают холод» от охлажденной поверхности испарителя в охлаждаемую среду (холодонакопительную жидкость) и далее в камеру низкотемпературного отделения рассматриваемого холодильника.
Процесс «накопления холода» холодонакопительной жидкостью осуществляют при длительной работе компрессора. Большой объем холодонакопительной жидкости и низкая (до -55°С) температура ее замерзания позволяют при малой величине теплопритоков снаружи увеличивать временной период между отключением и следующим включением электродвигателя холодильной машины.
Однако в нормальном режиме эксплуатации бытового холодильника температура внутри холодильного шкафа повышается не вследствие теплопритоков через стенку холодильного шкафа. Главная причина указанного повышения температуры состоит в том, что при открывании дверок холодильного шкафа в полость морозильного и холодильного отделений поступает теплый воздух из окружающей среды. При этом температура охлажденного воздуха может повышаться до максимально допустимого значения менее чем за одну минуту. Очевидно, что холодонакопительная жидкость не сможет так же быстро отвести от воздуха необходимое количество теплоты, что неизбежно приведет к включению электродвигателя холодильной машины для осуществления процесса охлаждения воздуха посредством его теплообмена с хладагентом, циркулирующим по замкнутому контуру холодильной машины. Низкая скорость охлаждения воздуха, осуществляемого путем его теплообмена с холодонакопительной жидкостью, определяется низкой теплопроводностью воздуха, а также недостаточной площадью теплообмена. Попытка же повысить скорость охлаждения воздуха за счет снижения минимальной температуры охлаждаемой жидкости до уровня -55°С неизбежно приведет к резкому уменьшению величины холодильного коэффициента обратного термодинамического цикла, осуществляемого рассматриваемой холодильной машиной. Кроме того, потребительские качества домашнего холодильника исключают возможность применения столь низких температур.
Применение холодонакопительной жидкости позволит поддержать температуру охлажденного воздуха на нужном уровне только в том случае, если дверки холодильника не будут открываться достаточно длительное время. В условиях нормальной эксплуатации рассматриваемого холодильника применение холодонакопительной жидкости не позволит увеличить интервал между включениями холодильной машины и снизить за счет увеличения указанных интервалов количество потребляемой бытовым холодильником электроэнергии.
В основу изобретения поставлена задача создания способа охлаждения воздуха и устройства, реализующего указанный способ, которые осуществляют охлаждение воздуха в замкнутой полости бытового холодильника с меньшими затратами электроэнергии.
Поставленная задача решена путем создания способа охлаждения воздуха в замкнутой полости бытового холодильника, заключающегося в том, что осуществляют процесс концентрации паров хладагента, циркулирующего по замкнутому контуру устройства для охлаждения воздуха, концентрированные пары хладагента охлаждают и конденсируют, затем осуществляют процесс дросселирования сконденсированного хладагента, затем к хладагенту подводят теплоту и переводят из жидкого состояния в газообразное с образованием паров хладагента с заданной минимальной температурой и осуществляют последующее охлаждение воздуха, при этом согласно изобретению охлаждение воздуха осуществляют посредством приспособления для аккумулирования его теплоты, которое предварительно, в процессе циркуляции хладагента по замкнутому контуру холодильной машины, охлаждают путем теплообмена с циркулирующим хладагентом до температуры более низкой, чем заданная минимальная температура охлаждения воздуха, затем процесс циркуляции хладагента по замкнутому контуру холодильной машины прекращают и осуществляют процесс охлаждения воздуха путем отвода теплоты от охлаждаемого воздуха к указанному приспособлению для аккумулирования его теплоты.
Осуществление процесса охлаждения воздуха путем его теплообмена с приспособлением, аккумулирующим теплоту охлаждаемого воздуха, которое предварительно охлаждают хладагентом, циркулирующим по замкнутому контуру холодильной машины, обеспечивает увеличение количества теплоты, подводимой к циркулирующему хладагенту в единицу времени. Это объясняется тем, что любой аккумулятор теплоты независимо от фазового состояния аккумулирующего вещества (жидкого или твердого) обладает большей теплоемкостью единицы объема указанного вещества и большей теплопроводностью по сравнению с воздухом, что позволяет за более короткий промежуток времени осуществить передачу заранее аккумулированной теплоты к хладагенту, чем в случае непосредственного теплообмена охлаждаемого воздуха с хладагентом. А сокращение времени процесса теплопередачи аккумулированной теплоты охлаждаемого воздуха от аккумулирующего устройства к хладагенту позволяет сократить время работы холодильной машины в каждом цикле охлаждения воздуха, что обеспечивает снижение электропотребления бытового холодильника.
Поставленная задача решена также путем создания устройства для охлаждения воздуха в замкнутой полости бытового холодильника, содержащего замкнутый контур, включающий приспособление для повышения концентрации паров хладагента, конденсатор, дросселирующее приспособление и приспособление для подвода теплоты к хладагенту, при этом согласно изобретению приспособление для подвода теплоты к хладагенту расположено в верхней части замкнутой полости с охлаждаемым воздухом и представляет собой приспособление для аккумулирования теплоты охлаждаемого воздуха, тело которого выполнено из металла с высокой теплопроводностью и содержит по меньшей мере один канал, входное отверстие которого сообщено с дросселирующим приспособлением, а выходное отверстие сообщено с приспособлением для повышения концентрации паров хладагента, при этом на наружной поверхности приспособления для аккумулирования теплоты охлаждаемого воздуха выполнено оребрение, увеличивающее площадь его наружной поверхности.
Применение приспособления для аккумулирования теплоты охлаждаемого воздуха, выполненного из металла с высокой теплопроводностью (например, алюминия или меди), с внутренними каналами, предназначенными для перемещения испаряемого хладагента, обеспечивает увеличение количества теплоты, подводимой в единицу времени к циркулирующему хладагенту, по сравнению с «холодонакопительной жидкостью», применяемой в прототипе, теплопроводность которой примерно в четыре раза меньше, чем у алюминия.
Кроме того, применение металла в качестве аккумулирующего вещества позволяет выполнить на поверхности аккумулирующего приспособления оребрение, которое увеличивает площадь поверхности теплообмена и соответственно увеличивает количество теплоты, подводимой от охлаждаемого воздуха к приспособлению для аккумулирования его теплоты, что позволяет сократить время охлаждения воздуха.
Дополнительно сократить время охлаждения воздуха позволяет расположение аккумулирующего приспособления в верхней части замкнутой полости с охлаждаемым воздухом, что обеспечивает возникновение естественной циркуляции охлаждаемого воздуха, которая существенно увеличивает количество теплоты, подводимой в единицу времени от охлаждаемого воздуха к аккумулирующему приспособлению.
Сокращение времени охлаждения воздуха путем его теплообмена с аккумулирующим приспособлением позволяет достаточно быстро компенсировать возможные теплопритоки из окружающей среды и увеличить интервал времени между включениями привода предлагаемого устройства для охлаждения воздуха, что обеспечит снижение электропотребления бытового холодильника.
Предлагаемый способ охлаждения воздуха в замкнутой полости бытового холодильника осуществляют следующим образом.
После достижения максимально допустимой температуры воздуха, расположенного в замкнутой полости бытового холодильника, включают предлагаемое устройство для охлаждения воздуха и хладагент начинает циркулировать по замкнутому контуру указанного устройства. При этом с хладагентом осуществляют повторяющуюся последовательность термодинамических процессов (обратный термодинамический цикл), которые сопровождаются изменением его фазового состояния. В качестве хладагента предлагаемой холодильной машины могут использоваться различные фреоны или аммиак. Пары хладагента концентрируют путем их сжатия (фреон) или путем выпаривания из водоаммиачного раствора (аммиак) с последующим отделением паров воды. Затем концентрированные пары хладагента охлаждают, как правило, путем отвода теплоты в окружающую среду и конденсируют. Затем сконденсированный хладагент дросселируют с понижением его давления и температуры и испаряют путем подвода к нему теплоты от приспособления, предназначенного для аккумулирования теплоты охлаждаемого воздуха. При этом указанное приспособление охлаждают до температуры более низкой, чем заданная минимальная температура охлаждения воздуха. Например, минимальная температура охлаждения воздуха в низкотемпературном отделении бытового холодильника составляет -24°С, следовательно, в зависимости от массы аккумулирующее приспособление охлаждают до -25°С - -28°С (температура кипения хладагента). При этом от аккумулирующего приспособления отводят количество теплоты (Q), равное, по меньшей мере, количеству теплоты, которое необходимо отвести от охлаждаемого воздуха, чтобы понизить его температуру с максимально допустимого до минимального заданного значения. Затем устройство для охлаждения воздуха отключают, при этом прекращают процесс циркуляции хладагента по замкнутому контуру устройства для охлаждения воздуха и осуществляют процесс охлаждения воздуха путем его теплообмена с охлажденным аккумулирующим приспособлением. Указанный процесс теплообмена сопровождается отводом теплоты от охлаждаемого воздуха к аккумулирующему приспособлению, которое нагревают за счет аккумулируемой теплоты. Когда температура аккумулирующего приспособления повысится до уровня максимально допустимой температуры охлаждаемого воздуха, работу устройства для охлаждения воздуха возобновляют и осуществляют повторный процесс охлаждения аккумулирующего приспособления путем его теплообмена с хладагентом, циркулирующим по замкнутому устройству.
Для лучшего понимания предлагаемого изобретения ниже приведен конкретный пример его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 схематично изображает предлагаемое устройство, осуществляющее процесс охлаждения аккумулятора теплоты, выполненное согласно изобретению;
фиг.2 схематично изображает процесс охлаждения воздуха, расположенного в полости холодильной камеры, предлагаемым устройством, выполненным согласно изобретению.
Предлагаемое устройство для охлаждения воздуха (см. фиг.1) содержит замкнутый контур, включающий приспособление 1 для повышения концентрации паров хладагента, конденсатор 2, дросселирующее приспособление 3 и приспособление 4 для аккумулирования теплоты охлаждаемого воздуха, расположенного в полости холодильной камеры 5 бытового холодильника, и последующего подвода указанной теплоты к хладагенту. Аккумулирующее приспособление 4 расположено в верхней части холодильной камеры 5 и представляет собой приспособление, выполненное из металла с высокой теплопроводностью, например из алюминия, с внутренними каналами 6, которые являются частью замкнутого контура холодильной машины. Входное отверстие каналов 6 посредством трубопроводов сообщает это приспособление 4 с дросселирующим приспособлением 3, а выходное отверстие каналов 6 посредством трубопроводов сообщает это приспособление 4 с приспособлением 1, предназначенным для повышения концентрации паров хладагента. Аккумулирующее приспособление 4 имеет массу, которая обеспечивает отвод от охлаждаемого воздуха количества теплоты (Q), достаточного для понижения температуры охлаждаемого воздуха до заданного минимального значения. Наружная поверхность аккумулирующего приспособления 4 выполнена с оребрением 7, увеличивающим площадь указанной наружной поверхности, которая является поверхностью теплообмена с охлаждаемым воздухом.
На фиг.2 изображено предлагаемое устройство для охлаждения воздуха в тот момент, когда циркуляция хладагента не осуществляется. При этом к аккумулирующему приспособлению 4 подводят теплоту (Q) от охлаждаемого воздуха.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
После достижения максимально допустимой температуры воздуха, расположенного в полости холодильной камеры 5 бытового холодильника, включают привод предлагаемого устройства и хладагент начинает циркулировать по замкнутому контуру этого устройства (см. фиг.1). При этом с хладагентом осуществляют повторяющуюся последовательность термодинамических процессов, которые сопровождаются изменением его фазового состояния. В качестве хладагента предлагаемой холодильной машины могут использоваться различные фреоны, и тогда в приспособлении 1 повышают концентрацию хладагента путем сжатия его паров, или аммиак, и тогда в приспособлении 1 повышают концентрацию хладагента путем его выпаривания из водоаммиачного раствора и последующего отделения паров воды. Затем концентрированные пары хладагента направляют в конденсатор 2, где их охлаждают и конденсируют, затем сконденсированный хладагент направляют в дросселирующее приспособление 3, где осуществляют процесс его дросселирования, затем хладагент направляют во внутренние каналы 6 аккумулирующего приспособления 4. По мере перемещения хладагента по внутренним каналам 6 к нему подводят теплоту от аккумулирующего приспособления 4, при этом хладагент переводят в газообразное состояние. Процесс теплообмена хладагента с аккумулирующим приспособлением 4 сопровождается охлаждением указанного приспособления до температуры, более низкой, чем заданная минимальная температура охлаждения воздуха. При этом от приспособления 4 отводят количество теплоты (Q), равное, по меньшей мере, количеству теплоты, которое необходимо отвести от охлаждаемого воздуха, чтобы понизить его температуру с максимально допустимого до минимального заданного значения. Затем привод устройства для охлаждения воздуха отключают, при этом прекращают процесс циркуляции хладагента по замкнутому контуру предлагаемого устройства (см. фиг.2) и осуществляют процесс охлаждения воздуха путем его теплообмена с охлажденным аккумулирующим приспособлением 4. Указанный процесс теплообмена сопровождается отводом теплоты от охлаждаемого воздуха к аккумулирующему приспособлению 4, которое нагревают за счет аккумулируемой теплоты. Когда температура аккумулирующего приспособления 4 повысится до уровня максимально допустимой температуры охлаждаемого воздуха, работу устройства возобновляют и осуществляют повторный процесс охлаждения аккумулирующего приспособления 4 путем его теплообмена с хладагентом, циркулирующим по замкнутому контуру предлагаемого устройства.