ХОЛОДИЛЬНИК

Заявляемая полезная модель относится к области холодильной техники. Предлагаемая полезная модель может быть применена в качестве бытового холодильника, содержащего, по меньшей мере, холодильное отделение.
В настоящее время главной задачей в области холодильной техники является снижение количества электроэнергии, потребляемой бытовым холодильником. Величина потребляемой электроэнергии находится в прямой зависимости от времени работы холодильного агрегата, которое необходимо для осуществления одного цикла охлаждения воздуха, а так же от интервала времени между отключением холодильного агрегата и его последующим включением.
2
2
Суть проблемы состоит в том, что в бытовых холодильниках используют испарители, функционально предназначенные для осуществления процесса охлаждения воздуха, при котором теплоту охлаждаемого воздуха подводят к испаряемому хладагенту через стенку испарительного канала. Указанный процесс теплопередачи осуществляется посредством работающего холодильного агрегата, время работы которого определяется величиной теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. Величина указанного теплового потока находится в прямой зависимости от его плотности (количества теплоты, подводимой к испаряемому хладагенту через единицу площади испарительного канала). Плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, определяется величиной коэффициента теплоотдачи охлаждаемого воздуха, потому что коэффициент теплоотдачи воздуха (1-3 Вт/м·К) меньше коэффициента теплоотдачи испаряемого хладагента (до 1000 Вт/м·К).
Низкая плотность теплового потока, отводимого от охлаждаемого воздуха к испаряемому хладагенту, увеличивает время работы холодильного агрегата, необходимое для охлаждения воздуха до заданной температуры.
Кроме того, величина теплового потока находится в прямой зависимости от площади стенки испарительного канала, через которую указанный тепловой поток подводится к испаряемому хладагенту. Поэтому теоретически можно осуществить увеличение теплового потока путем увеличения площади испарительных каналов. Однако в существующих испарителях увеличение площади каналов неизбежно сопровождается увеличением их длинны. При этом возрастает гидравлическое сопротивление испарительного канала, повышается давление паров хладагента и температура его испарения. Прямым следствием повышения температуры испарения является уменьшение температурного градиента (ΔТ) между охлаждаемым воздухом и охлаждающей поверхностью, что обеспечивает увеличение времени работы холодильного агрегата, которое необходимо для осуществления процесса охлаждения воздуха.
Низкая плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, является одним из главных факторов, снижающих величину теплового потока. При этом соответственно снижается холодопроизводительность холодильного агрегата, величина которой в современных бытовых холодильниках в полтора-два раза меньше номинальной холодопроизводительности компрессора, применяемого в указанном холодильном агрегате.
Из предшествующего уровня техники известен холодильник, описанный в патенте DE 3926250, испаритель которого охвачен "холодоаккумулятором" - аккумулятором теплоты, отводимой от охлаждаемого воздуха. В качестве аккумулирующего вещества используется "хладагент" с заданной температурой фазового перехода - эвтектическая жидкость. После отключения холодильного агрегата посредством эвтектической жидкости осуществляют охлаждение воздуха, теплота которого аккумулируется указанной жидкостью. Предварительное аккумулирование теплоты в сочетании с высоким значением коэффициента теплоотдачи эвтектической жидкости обеспечивает после включения холодильного агрегата значительное увеличение плотности теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. Кроме того, по мере понижения температуры эвтектическая жидкость переходит в твердое фазовое состояние. Фазовый переход сопровождается выделением значительного количества теплоты, что обеспечивает дополнительное увеличение теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту.
2
Однако процесс кристаллизации эвтектической жидкости сопровождается образованием на поверхности испарителя слоя льда, толщина (δ) которого постепенно увеличивается, а его тепловая проводимость (λ/δ) соответственно уменьшается. Например, тепловая проводимость слоя льда толщиной 10 мм равна 220 Вт/м·К, что в два раза меньше коэффициента теплоотдачи эвтектической жидкости. Очевидно, что положительный эффект фазового перехода носит кратковременный характер и при толщине слоя льда более δ=5 мм эффект от фазового перехода становится отрицательным, потому что по мере увеличения слоя льда уменьшается величина теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. При этом соответственно увеличивается время работы холодильного агрегата, необходимое для осуществления процесса кристаллизации эвтектической жидкости.
э
э
2
2
Кроме того, коэффициент теплоотдачи эвтектической жидкости (α) равен примерно 500 Вт/м·К, следовательно, плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту от эвтектической жидкости (α×ΔТ), значительно меньше своего максимально возможного значения, которое достигается только в том случае, когда величина указанного теплового потока определяется величиной коэффициента теплоотдачи испаряемого хладагента (до 1000 Вт/м·К).
Из предшествующего уровня техники известен бытовой холодильник "STINOL - 103" (см. справочник "Бытовые холодильники и морозильники" Б.С.Бабакин, В.А.Выгодин, Москва, изд. Колос, 1998, стр.351…352). Испаритель, предназначенный для охлаждения воздуха, содержащегося в полости холодильной камеры, представляет собой алюминиевую трубку, которая приклеена к алюминиевому листу толщиной около 1 мм. Испаритель расположен в задней стенке холодильной камеры, при этом алюминиевый лист посредством клейкой пленки приклеен к облицовочной панели холодильной камеры. Облицовочная панель выполнена из ударопрочного полистирола толщиной 1-2 мм и выполняет функцию охлаждающей поверхности по отношению к охлаждаемому воздуху.
Относительно небольшая площадь соприкосновения трубки испарительного канала с плоскостью алюминиевого листа снижает величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. Обеспечить увеличение указанного теплового потока можно только путем понижения температуры охлаждающей поверхности или путем увеличения ее площади. В рассматриваемом холодильнике "STINOL - 103", как и в других холодильниках с подобным испарителем (например, таких как BOSCH KGS 39V25), площадь охлаждающей поверхности конструктивно ограничена максимально возможной длинной испарительных каналов. Поэтому, чтобы обеспечить необходимую величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, понижают температуру испарения хладагента до -22°С и ниже (при минимальной температуре охлаждаемого воздуха ±0°С). При этом снижение температуры испарения хладагента неизбежно увеличивает время работы холодильного агрегата.
В основу изобретения поставлена задача создания холодильника, существенные признаки которого обеспечивают снижение количества электроэнергии, потребляемой предлагаемым холодильником по сравнению с его аналогами.
Поставленная задача решена путем создания холодильника, содержащего холодильную камеру и холодильный агрегат, испаритель которого расположен в стенке холодильной камеры, при этом согласно полезной модели испаритель содержит аккумулятор теплоты, тело которого выполнено в виде металлического листа из алюминия или алюминиевого сплава, представляющего собой аккумулирующее вещество, и металлическую трубку, которая расположена в теле аккумулятора теплоты и представляет собой канал для испарения хладагента, при этом поверхность трубки плотно соприкасается с аккумулирующим веществом, а тепловая проводимость ее стенки превышает коэффициент теплоотдачи испаряемого хладагента; боковая поверхность аккумулятора теплоты соприкасается непосредственно с охлаждаемым воздухом или с облицовочной панелью, которая отделяет аккумулятор теплоты от охлаждаемого воздуха, при этом облицовочная панель плотно соприкасается с боковой поверхностью аккумулятора теплоты, а ее тепловая проводимость превышает коэффициент теплоотдачи охлаждаемого воздуха.
Применение аккумулятора теплоты, в теле которого расположены трубки испарителя, а так же применение в качестве аккумулирующего вещества алюминия обеспечивает, максимально возможную плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. Это объясняется тем, что, во-первых, указанное расположение испарительных каналов, обеспечивает теплообмен испаряемого хладагента только с аккумулирующим веществом, посредством которого затем осуществляют процесс охлаждения воздуха, содержащегося в полости холодильной камеры.
Во-вторых, посредством аккумулирующего вещества предварительно концентрируют необходимое количество теплоты, которое после включения холодильного агрегата обеспечит, максимальную величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту.
x
Al
В-третьих, плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, определяется величиной коэффициента теплоотдачи испаряемого хладагента. Потому что коэффициент теплоотдачи хладагента α меньше коэффициента теплоотдачи аккумулирующего вещества α, величина которого равна средней величине тепловой проводимости слоя алюминия, охлаждаемого посредством испарительного канала. Средняя тепловая проводимость слоя алюминия определяется как отношение коэффициента теплопроводности алюминия λ=209 Вт/м·К к половине толщины его слоя δ/2. Например, в том случае, когда толщина слоя алюминия, охлаждаемого посредством испарительного канала, составляет δ=0.04 м коэффициент теплоотдачи алюминия
Al
2
α=209 Вт/м·К:0.02 м=10 450 Вт/м·К.
Al
Указанная толщина слоя охлаждаемого алюминия (0.04 м) соответствует расстоянию между испарительными каналами, равному 80 мм. При этом коэффициент теплоотдачи алюминия α примерно на порядок превышает коэффициент теплоотдачи испаряемого хладагента. Указанные коэффициенты станут равными по величине только в том случае, когда расстояние между каналами возрастет до 800 мм, что значительно превышает конструктивно целесообразное расстояние между испарительными каналами, оптимальная величина которого в испарителе бытового холодильника составляет до 100 мм.
Плотное соприкосновение трубки испарителя с аккумулирующим веществом исключает образование зазоров между поверхностью трубки и аккумулирующим веществом, что предотвращает снижение плотности теплового потока, подводимого от аккумулирующего вещества к испаряемому хладагенту.
Тепловая проводимость стенки испарительного трубопровода, превышающая по величине коэффициент теплоотдачи испаряемого хладагента, также позволяет предотвратить снижение плотности теплового потока, подводимого от аккумулирующего вещества к испаряемому хладагенту через стенку трубки.
Максимально плотность теплового потока обеспечивает и максимальную величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, которая может быть получена при минимальной длине испарительных каналов, что позволит снизить величину гидравлического сопротивления указанных каналов.
Предлагаемый аккумулятор теплоты выполнен в виде металлического листа, толщина которого должна быть достаточной только для того, что бы обеспечить расположение в теле аккумулирующего вещества испарительных каналов. Предлагаемая форма аккумулятора теплоты обеспечивает максимально возможную (для данной массы аккумулирующего вещества) площадь его боковой поверхности, которая является поверхностью теплообмена охлаждаемого воздуха с аккумулирующим веществом. Указанный" процесс теплообмена можно осуществлять и через облицовочную панель, которая плотно соприкасается с поверхностью аккумулятора теплоты, а ее тепловая проводимость превышает коэффициент теплоотдачи охлаждаемого воздуха. При этом количество теплоты, отводимой, от охлаждаемого воздуха, находится в прямой зависимости от площади охлаждающей поверхности и от величины температурного градиента между охлаждаемым воздухом и аккумулирующим веществом. Следовательно, увеличение площади охлаждающей поверхности до максимально возможного значения позволяет осуществлять охлаждение воздуха при минимальном значении градиента температур между охлаждаемым воздухом и аккумулирующим веществом. При этом уменьшение указанного температурного градиента может осуществляться только путем увеличения минимальной температуры испарения хладагента, что обеспечивает увеличение холодопроизводительности обратного термодинамического цикла, величина которой соответствует величине теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту.
Совокупность существенных признаков предлагаемого холодильника обеспечивает увеличение теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту до максимально возможного значения, величина которого ограничивается только номинальной холодопроизводительностью компрессора. Прямым следствием указанного технического результата является сокращение количества электроэнергии, потребляемой бытовым холодильником. При этом сокращение потребляемой электроэнергии может достигаться путем сокращения времени работы холодильного агрегата и/или путем увеличения тепловой емкости аккумулирующего вещества.
В предлагаемом холодильнике целесообразно применять испаритель, в котором толщина металлического листа равна, по меньшей мере, диаметру испарительного канала.
Предлагаемая толщина металлического листа, который представляет собой аккумулятор теплоты, обеспечивает расположение аккумулирующего вещества со всех сторон испарительного канала. Указанное расположение аккумулирующего вещества обеспечивает необходимую величину теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, при минимальной длине испарительного канала, что позволяет снизить величину гидравлического сопротивления указанного канала.
В предлагаемом холодильнике целесообразно применять испаритель, содержащий трубку, расположенную в канавке, которая выполнена в теле аккумулятора теплоты, при этом трубка плотно прижата к поверхности канавки посредством ее внешних кромок, которые деформированы путем механического воздействия.
Канавку целесообразно выполнять методом штамповки или фрезерования. Ширина канавки должна соответствовать диаметру трубки. Донная часть канавки должна иметь скругленную форму, радиус которой соответствует радиусу трубки. Поверхность канавки представляет собой поверхность аккумулирующего вещества. Плотное соприкосновение поверхности трубки с поверхностью аккумулирующего вещества обеспечивается путем деформации внешних кромок канавки. Вследствие чего трубка с большим усилием прижимается к поверхности канавки, что уменьшает вероятность образования зазоров между поверхностью трубки и поверхностью аккумулирующего вещества, и позволяет предотвратить или уменьшить величину возможного сокращения теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту.
В предлагаемом холодильнике целесообразно применять испаритель, аккумулятор теплоты которого выполнен методом литья из алюминия или алюминиевого сплава, а в его теле расположены испарительные каналы представляющие собой медную или стальную трубку.
Максимально плотное соприкосновение аккумулирующего вещества с внешней поверхностью трубки может достигаться только в испарителях, изготовленных методом литья. При этом температура расплава алюминия может достигать значения 750°С, что исключает возможность изготовления литого испарителя, в котором в качестве испарительного канала используется, например алюминиевая трубка. Применение медной или стальной трубки обеспечивает возможность изготовления литого испарителя, конструктивные особенности которого исключают появление зазора между трубкой и аккумулирующим веществом, что позволяет предотвратить сокращение теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту.
Для более полного понимания сути предлагаемого изобретения ниже приведено описание предлагаемого холодильника со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 схематично изображает фрагмент холодильной камеры с вариантом сборного испарителя, выполненного согласно полезной модели;
фиг.2 схематично изображает фрагмент холодильной камеры с вариантом литого испарителя, выполненного согласно полезной модели.
Предлагаемый бытовой холодильник (фиг.1) содержит холодильную камеру 1 и холодильный агрегат, испаритель 2 которого расположен в стенке 3, холодильной камеры 1. Испаритель 2 содержит аккумулятор теплоты 4, который выполнен из алюминиевого листа, и каналы для испарения хладагента, которые выполнены предпочтительно из алюминиевой трубки 5. Трубка 5 расположена в канавке, которая выполнена в теле аккумулятора теплоты 4. Плотное соприкосновение поверхности трубки 5 с поверхностью канавки (поверхностью аккумулирующего вещества) обеспечивают элементы 6, которые обжимают трубку 5 с внешней стороны. Боковая поверхность аккумулятора теплоты 4 плотно соприкасается с облицовочной панелью 7, которая выполняет функцию охлаждающей поверхности по отношению к воздуху, расположенному в полости холодильной камеры 1.
Второй вариант предлагаемого холодильника (фиг.2) содержит испаритель 8, аккумулятор теплоты 9 которого выполненный методом литья из алюминия или алюминиевого сплава. Испаритель 8 расположен в стенке 10 холодильной камеры 11. Каналы для испарения хладагента выполнены из медной или стальной трубки 12. Боковая поверхность аккумулятора теплоты 9 выполняет функцию охлаждающей поверхности по отношению по отношению к воздуху, расположенному в полости холодильной камеры 11.
Предлагаемый холодильник работает следующим образом. Когда температура воздуха/содержащегося в верхней части холодильного отделения 1, повышается до заданного максимального значения, равного, например, +10°С, включают холодильный агрегат и посредством испаряемого хладагента Охлаждают аккумулирующее вещество, из которого выполнен аккумулятор теплоты 4.
При этом по мере понижения температуры аккумулирующего вещества начинают осуществлять процесс охлаждения воздуха. Теплота, отводимая  от охлаждаемого воздуха, подводится к аккумулирующему веществу через облицовочную панель 7. Когда температура аккумулятора теплоты 4 понижается до заданного минимального значения, равного, например, -10°С÷-12°С холодильный агрегат отключают. Тепловая емкость аккумулятора теплоты 4 в совокупности с его температурой, обеспечивает охлаждение воздуха после отключения холодильного агрегата. При этом температура охлаждаемого воздуха понижается до заданного минимального значения, которое в нижней части холодильного отделения 1 может составлять ±0°С.
Тепловая емкость аккумулятора теплоты 4 обеспечивает поглощение теплоты, поступающей в полость холодильной камеры 1 из окружающей среды, поэтому температура воздуха содержащегося в указанной полости поднимается до заданного максимального значения в течение более длительного интервала времени по сравнению с прототипом. Затем включают холодильный агрегат и осуществляют очередной процесс охлаждения аккумулирующего вещества.
Вариант холодильника, содержащий литой испаритель 8 работает по выше описанному способу.