Область техники

Настоящее изобретение относится к области холодильной техники, а более конкретно - к способу охлаждения объекта и устройству для его осуществления.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время в области холодильной техники имеется проблема снижения суточного расхода электроэнергии, потребляемой холодильным агрегатом (далее охлаждающее устройство). Величина суточного расхода электроэнергии находится в прямой зависимости от длительности интервала рабочего времени (интервал времени между включением и последующим отключением охлаждающего устройства). Длительность интервала рабочего времени определяется количеством теплоты, которую необходимо отвести от охлаждаемого объекта, чтобы понизить его температуру до заданного значения, и величиной теплового потока, посредством которого отводимую от охлаждаемого объекта теплоту подводят к испаряемому хладагенту.

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. Бабакин, В.А. Выгодин, Москва, Изд. Колос, 1998, стр. 20. Указанный способ охлаждения состоит в том, что пары хладагента сжимают в компрессоре, затем сжатые пары охлаждают в конденсаторе, при этом пары хладагента конденсируют. Затем осуществляют процесс дросселирования сконденсированного хладагента и последующий процесс его испарения в испарителе, при этом испаряемый хладагент поглощает определенное количество теплоты от объекта охлаждения (холодильной камеры).

Указанный способ охлаждения применяют в большинстве холодильных установок различного назначения, выпускаемых холодильной промышленностью в настоящее время. При этом объектом охлаждения является, как правило, воздух, содержащийся в полости холодильного шкафа и непосредственно соприкасающийся с поверхностью испарителя. В современный бытовой холодильник помещают, в основном, предварительно охлажденные продукты. При этом к испаряемому хладагенту подводят теплоту от воздуха, расположенного в полости холодильного шкафа, который периодически нагревается, "поглощая" теплоту, поступающую из окружающей среды через стенки холодильного шкафа или через уплотнения двери. Кроме того, в полость холодильного шкафа через периодически открываемую дверь поступает значительное количество теплого воздуха, который так же становится объектом охлаждения. В том случае, когда в полость холодильного или низкотемпературного отделения бытового холодильника помещают продукты, которые необходимо охладить или заморозить, воздух, расположенный в указанных отделениях, является объектом охлаждения в качестве промежуточного теплоносителя. В низкотемпературном отделении бытового холодильника кроме воздуха объектом охлаждения могут быть замораживаемые продукты, непосредственно соприкасающиеся с поверхностью испарителя.

В указанном способе охлаждения и в холодильных установках, реализующих указанный способ, теплоту от охлаждаемого объекта подводят к испаряемому хладагенту. Поэтому процесс охлаждения объекта может быть осуществлен только при работающем охлаждающем устройстве, которое реализует обратный термодинамический цикл, завершающийся процессом испарения хладагента. При этом эффективность реализуемого цикла находится в прямой зависимости от величины теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту.

В указанном способе охлаждения величина теплового потока определяется коэффициентом теплоотдачи охлаждаемого воздуха или коэффициентом теплоотдачи замораживаемых продуктов. В условиях естественной конвекции величина коэффициента теплоотдачи охлаждаемого воздуха составляет 3 - 5 Bт/м ² *K, а величина коэффициента теплоотдачи охлаждаемых продуктов составляет 10 - 20 Bт/м ² *K. При этом коэффициент теплоотдачи испаряемого хладагента может достигать значения 1000 Bт/м ^2« K. Следовательно испаряемый хладагент способен воспринимать тепловой поток, значительно превышающий по величине количество теплоты, которое можно подвести к хладагенту от охлаждаемого воздуха или замораживаемых продуктов.

В указанном способе охлаждения низкие теплофизические свойства охлаждаемого объекта снижают величину теплового потока, посредством которого отводимую от охлаждаемого объекта теплоту подводят к испаряемому хладагенту. Снижение величины указанного теплового потока неизбежно увеличивает интервал времени, необходимый для охлаждения объекта до заданной температуры.

Из предшествующего уровня техники известен холодильник с устройством, аккумулирующим холод для быстрого замораживания (WO 95/28608). Указанный холодильник содержит отделение, предназначенное для быстрого замораживания, сообщающееся с отделением, в полости которого расположены испаритель и масса эвтектического материала, распределенного между множеством маленьких аккумуляторов холода. Указанные аккумуляторы холода расположены на расстоянии друг от друга и на расстоянии от поверхности испарителя и стенок рассматриваемого отделения для того, чтобы оставался свободный проход для охлаждаемого воздуха, который должен соприкасаться с поверхностью испарителя и с поверхностью аккумуляторов холода.

Процесс охлаждения воздуха в рассматриваемом холодильнике осуществляют следующим образом. Предварительно, посредством испарителя, охлаждают воздух, окружающий аккумуляторы холода и эвтектический материал, содержащийся в указанных аккумуляторах. Затем включают вентилятор и перемещают охлажденный воздух в отделение для быстрого замораживания продуктов. Одновременно в отделение, в полости которого расположены испаритель и аккумуляторы холода, перемещают воздух из отделения, предназначенного для быстрого замораживания продуктов. Перемещаемый воздух охлаждают посредством его теплообмена с поверхностью испарителя и поверхностью аккумуляторов холода.

Применение эвтектической жидкости, распределенной между множеством аккумуляторов холода, и их расположение позволяют увеличить общую площадь поверхности, посредством которой охлаждают воздух, поступающий затем в отделение для быстрого замораживания продуктов. Увеличение площади охлаждающей поверхности позволяет соответственно увеличить количество теплоты, отводимой от охлаждаемого воздуха в единицу времени. Увеличение теплового потока, отводимого от охлаждаемого воздуха, позволяет сократить интервал времени, необходимый для осуществления последующего процесса замораживания продуктов, и обеспечивает сохранение их пищевой ценности.

Однако в указанном холодильнике величина теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, находится в прямой зависимости от величины коэффициента теплоотдачи воздуха. Низкие теплофизические свойства охлаждаемого воздуха увеличивают количество электроэнергии, потребляемой рассматриваемым холодильником, для осуществления процесса быстрого замораживания продуктов.

Из предшествующего уровня техники известен холодильник, описанный в патенте DE 39 26 250. Указанный холодильник содержит расположенное вверху холодильника морозильное отделение и находящееся под ним холодильное отделение. Расположенный в морозильном отделении испаритель окружен эвтектической жидкостью, теплоемкость которой соответствует количеству теплоты, которое необходимо отвести от охлаждаемого воздуха за длительное время.

Указанный холодильник позволяет осуществлять процесс охлаждения объекта (воздуха) в интервале времени между отключением и последующим включением охлаждающего устройства. Теплота, отводимая при этом от охлаждаемого объекта, аккумулируется эвтектической жидкостью. После включения охлаждающего устройства аккумулированную теплоту подводят к испаряемому хладагенту. При этом плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, определяется коэффициентом теплоотдачи эвтектической жидкости, величина которого может достигать значения 500 Bт/м ² -K, что обеспечивает существенное увеличение теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту. Кроме того, в момент кристаллизации эвтектической жидкости, непосредственно соприкасающейся с поверхностью испарителя, величина теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, будет значительно возрастать. Однако по мере образования на поверхности испарителя слоя льда величина теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, будет определяться тепловой проводимостью указанного слоя льда. Тепловая проводимость слоя льда определяется как отношение коэффициента теплопроводности льда (λ = 2,2 Bт/м*K) к толщине его слоя. При толщине слоя льда δ = 0,01 метра тепловая проводимость будет равна 220 Bт/м ² *K, а при увеличении слоя льда до 0,02 метра, величина тепловой проводимости уменьшится до ПО Bт/м ^2# K. Очевидно, что несмотря на уменьшение тепловой проводимости слоя льда, которое происходит по мере увеличения его толщины, плотность теплового потока, подводимого к хладагенту в испарителе рассматриваемого холодильника, будет значительно выше, чем в том случае, когда с испарителем соприкасается охлаждаемый воздух. Однако плотность теплового потока, который может воспринимать испаряемый хладагент (до 1000

Bт/м ^2# K), значительно превышает величину тепловой проводимости слоя льда.

Следовательно, применение эвтектической жидкости не позволяет увеличить плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, до максимально возможного значения, величина которого определяется коэффициентом теплоотдачи хладагента, а так же не позволяет сократить до соответствующего уровня интервал рабочего времени охлаждающего устройства.

Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа охлаждения объекта и устройства для его осуществления, конструктивные особенности и приемы которых обеспечивают сокращение количества электроэнергии, расходуемой на охлаждение объекта.

Поставленная задача решена путем создания способа охлаждения объекта, заключающегося в том, что пары хладагента, который циркулирует по замкнутому контуру работающего охлаждающего устройства, сжимают посредством компрессора, охлаждают и конденсируют в полости каналов конденсатора, затем осуществляют процесс дросселирования сконденсированного хладагента, после завершения которого хладагент испаряют, при этом, согласно изобретению, посредством испаряемого хладагента охлаждают твердое аккумулирующее вещество, соприкасающееся со стенкой испарительного канала или непосредственно с хладагентом и имеющее коэффициент теплоотдачи более высокий, чем коэффициент теплоотдачи испаряемого хладагента, одновременно посредством аккумулирующего вещества охлаждают объект, непосредственно соприкасающийся с поверхностью указанного аккумулирующего вещества или с промежуточным элементом, тепловая проводимость которого, по меньшей мере, равна коэффициенту теплоотдачи охлаждаемого объекта, при этом аккумулирующее вещество посредством испаряемого хладагента охлаждают до заданной температуры, затем охлаждающее устройство отключают и в интервале времени между отключением и последующим включением охлаждающего устройства объект охлаждают посредством твердого аккумулирующего вещества, которое при этом нагревают до заданной температуры, затем охлаждающее устройство включают и повторно осуществляют описанную выше последовательность действий. Непосредственное соприкосновение охлаждаемого объекта с поверхностью аккумулирующего вещества или с промежуточным элементом, тепловая проводимость которого, по меньшей мере, равна коэффициенту теплоотдачи охлаждаемого объекта, является необходимым условием для осуществления процесса теплоотдачи от охлаждаемого объекта к аккумулирующему веществу без участия промежуточного теплоносителя, и обеспечивает осуществление процесса охлаждения объекта при отключенном охлаждающем устройстве. При этом аккумулирующее вещество нагревают, следовательно, теплоту, отводимую от охлаждаемого объекта, аккумулируют указанным веществом.

Соприкосновение аккумулирующего вещества со стенкой испарительного канала или непосредственно с испаряемым хладагентом является необходимым условием для осуществления процесса теплоотдачи от аккумулирующего вещества непосредственно к испаряемому хладагенту, что исключает потери, связанные с применением промежуточного теплоносителя. А применение аккумулирующего вещества, имеющего более высокий коэффициент теплоотдачи по сравнению с испаряемым хладагентом, позволяет увеличить плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, до максимально возможного значения, величина которого, определяется величиной коэффициента теплоотдачи хладагента.

Максимально возможная плотность теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, в совокупности с предварительным аккумулированием теплоты, отведенной от охлаждаемого объекта, обеспечивает получение технического результата, заключающегося в увеличении теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту.

Кроме того, технический результат от применения предлагаемого изобретения заключается в сокращении интервала времени, необходимого для подвода к испаряемому хладагенту теплоты, равной по величине количеству теплоты, которое необходимо отвести от охлаждаемого объекта, чтобы понизить его температуру до заданного значения.

Поставленная задача решена так же путем создания охлаждающего устройства, содержащего, по меньшей мере, компрессор, конденсатор, дросселирующее приспособление и приспособление для испарения хладагента, которое расположено в полости холодильного шкафа и представляет собой аккумулятор теплоты, при этом, согласно изобретению, аккумулятор теплоты содержит твердое аккумулирующее вещество, коэффициент теплоотдачи которого превышает коэффициент теплоотдачи хладагента, и испарительные каналы, по меньшей мере, часть поверхности которых представляет собой поверхность теплообмена испаряемого хладагента с аккумулирующим веществом, аккумулятор теплоты расположен в полости холодильного шкафа с возможностью непосредственного соприкосновения охлаждаемого объекта с поверхностью аккумулирующего вещества или с промежуточным элементом, тепловая проводимость которого, по меньшей мере, равна коэффициенту теплоотдачи охлаждаемого объекта.

Применение в качестве приспособления для испарения хладагента аккумулятора теплоты, который содержит аккумулирующее вещество, имеющее более высокий коэффициент теплоотдачи по сравнению с испаряемым хладагентом, обеспечивает увеличение плотности теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту, до максимально возможного значения. А увеличение плотности указанного теплового потока в совокупности с предварительным аккумулированием теплоты, отведенной от охлаждаемого объекта, обеспечивает получение технического результата, заключающегося в увеличении теплового потока, подводимого к испаряемому хладагенту.

Кроме того, технический результат от применения предлагаемого изобретения заключается в сокращении времени работы охлаждающего устройства, необходимого для охлаждения объекта до заданной температуры, а так же в снижении суточного потребления электроэнергии предлагаемым охлаждающим устройством.

Предлагаемый способ охлаждения объекта осуществляют следующим образом.

При первом включении охлаждающего устройства посредством испаряемого хладагента охлаждают аккумулирующее вещество. По мере понижения температуры аккумулирующего вещества осуществляют охлаждение объекта, непосредственно соприкасающегося с его поверхностью. Целесообразно охлаждать аккумулирующее вещество до температуры более низкой, чем заданная температура охлаждения объекта. Например, когда посредством аккумулирующего вещества охлаждают замораживаемое мясо, заданная температура его охлаждения может составлять минус 18°C. В этом случае аккумулирующее вещество охлаждают до температуры минус 24°C - 28°C. При этом величина теплового потока, отводимого от охлаждаемого мяса к аккумулирующему веществу, будет значительно меньше величины теплового потока, который в то же время отводится от аккумулирующего вещества к испаряемому хладагенту. Это происходит потому, что величина теплового потока, отводимого от охлаждаемого мяса, определяется коэффициентом теплоотдачи мяса, а величина теплового потока, отводимого от аккумулирующего вещества, определяется коэффициентом теплоотдачи испаряемого хладагента. При этом в зависимости от стадии процесса замораживания коэффициент теплоотдачи испаряемого хладагента может превышать коэффициент теплоотдачи замораживаемого мяса в десятки раз. Указанное соотношение коэффициентов теплоотдачи обеспечивает условия для одновременного осуществление процесса охлаждения аккумулирующего вещества (посредством испаряемого хладагента) и процесса охлаждения замораживаемого мяса (посредством аккумулирующего вещества).

Охлаждающее устройство отключают, когда температура аккумулирующего вещества опустится до заданного значения. В интервале времени между отключением и последующим включением охлаждающего устройства объект охлаждают посредством аккумулирующего вещества. Теплоту, отводимую от охлаждаемого объекта, аккумулируют, повышая при этом температуру аккумулирующего вещества. Например, в том случае, когда посредством аккумулирующего вещества охлаждают замораживаемое мясо, температуру аккумулирующего вещества повышают до минус 20 ⁰ C. Затем охлаждающее устройство включают и вновь осуществляют процесс охлаждения аккумулирующего вещества до температуры минус 24°C - 28°C.

При осуществлении процесса охлаждения аккумулирующего вещества посредством испаряемого хладагента от аккумулирующего вещества отводят количество теплоты, достаточное для того, что бы после отключения охлаждающего устройства обеспечить охлаждение объекта в течение заданного интервала времени. Например, в интервале времени между включением и последующим отключением охлаждающего устройства от аккумулирующего вещества к испаряемому хладагенту отводят 20 000 Дж теплоты, при этом аккумулирующее вещество охлаждают до температуры минус 28°C. Одновременно от охлаждаемого мяса, коэффициент теплоотдачи которого в два раза меньше коэффициента теплоотдачи испаряемого хладагента, отводят к аккумулирующему веществу 10 000 Дж теплоты. После отключения охлаждающего устройства от охлаждаемого мяса дополнительно отводят к аккумулирующему веществу 10 000 Дж теплоты, при этом аккумулирующее вещество нагревают до заданной температуры, например до минус 20°C.

В современных бытовых холодильниках, если масса замораживаемого мяса равна суточной производительности холодильника по замораживанию продуктов, охлаждающее устройство может работать непрерывно в течение 24 часов до первого отключения.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять процесс замораживания мяса в прерывистом режиме. При этом по мере кристаллизации жидкости, которая содержится в волокнах замораживаемого мяса, величина коэффициента теплоотдачи мяса снижается, а соотношение коэффициентов теплоотдачи испаряемого хладагента и замораживаемого мяса увеличивается. По мере увеличения указанного соотношения интервал рабочего времени охлаждающего устройства будет сокращаться, а интервал времени между его отключением и последующим включением будет увеличиваться, что обеспечит соответствующее сокращение количества электроэнергии, которую необходимо израсходовать для осуществления процесса замораживания мяса.

В том случае, когда охлаждаемым объектом является воздух, содержащийся в полости холодильного шкафа, экономия электроэнергии будет более значительной, потому что коэффициент теплоотдачи воздуха в несколько раз меньше коэффициента теплоотдачи замораживаемых продуктов.

Краткое описание чертежей

Для более полного понимания сути предлагаемого изобретения ниже приведены варианты охлаждающего устройства, реализующего предлагаемый способ охлаждения объекта, со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором: фиг. 1 схематично изображает предлагаемое устройство, выполненное согласно изобретению, частичный фрагмент в разрезе.

Лучший вариант осуществления изобретения На фиг. 1 изображен фрагмент холодильного шкафа 1, который содержит низкотемпературное отделение 2 и холодильное отделение 3. В полости низкотемпературного отделения 2 расположен охлаждаемый объект 4, представляющий собой, например, свежее мясо, которое необходимо заморозить.

В низкотемпературном отделении 2 расположено приспособление 5 для охлаждения замораживаемых продуктов, которое представляет собой аккумулятор теплоты, содержащий аккумулирующее вещество 6 и испарительные каналы 7. Аккумулирующее вещество 6 соприкасается непосредственно с поверхностью испарительных каналов 7 и с охлаждаемым объектом 4.

Кроме того, в низкотемпературном отделении 2 расположено приспособление 8 для охлаждения воздуха, которое представляет собой аккумулятор теплоты, содержащий аккумулирующее вещество 9 и испарительные каналы 10. Аккумулирующее вещество 9 соприкасается непосредственно с поверхностью испарительных каналов 10, а от охлаждаемого воздуха отделено промежуточным элементом - задней стенкой 11 низкотемпературного отделения 2, тепловая проводимость которой превышает коэффициент теплоотдачи охлаждаемого воздуха. Например, стенка 11 может быть выполнена из ударопрочного полистирола толщиной 1 мм, при этом тепловая проводимость стенки 11 будет составлять более 500 Bт/м ² -K.

В холодильном отделении 3 расположено приспособление 12 для охлаждения воздуха, которое представляет собой аккумулятор теплоты, содержащий аккумулирующее вещество 13, в теле которого выполнены испарительные каналы 14, что обеспечивает непосредственное соприкосновение аккумулирующего вещества 13 с испаряемым хладагентом. Поверхность аккумулирующего вещества 13 соприкасается непосредственно с охлаждаемым воздухом, расположенным в полости каналов 15 и 16. Указанные каналы 15 и 16 обеспечивают перемещение охлаждаемого воздуха вдоль поверхности аккумулирующего вещества 13.

Компрессор, конденсатор и дросселирующее приспособление на фиг. 1 условно не показаны, а перемещение охлаждаемого воздуха изображено пунктирными стрелками.

Конструкция приспособления для охлаждения замораживаемых продуктов 5, а так же приспособлений 8 и 12 для охлаждения воздуха может быть иной относительно вариантов, изображенных на фиг. 1 по тем признакам, которые не являются существенными для получения заявляемого технического результата. Площадь поверхности теплообмена аккумулирующего вещества 6, 9 и 13 со стенкой испарительных каналов 7, 10, и 14 определяется коэффициентом рабочего времени охлаждающего устройства, его номинальной холодопроизводительностью, задаваемой величиной поверхности теплообмена аккумулирующего вещества 6, 9 и

13 с охлаждаемым объектом, а так же другими параметрами холодильной установки, которые могут изменяться в зависимости от ее назначения.

По совокупности теплофизических свойств, технических и технологических требований, предъявляемых к аккумулирующему веществу, целесообразно в качестве аккумулирующего вещества 6, 9 и 13 применять алюминий или алюминиевый сплав.

Предлагаемое охлаждающее устройство работает следующим образом.

После включения охлаждающего устройства в полости испарительных каналов 7, 10, и 14 осуществляют испарение хладагента. При этом посредством испаряемого хладагента осуществляют охлаждение аккумулирующего вещества 6, 9 и 13. Одновременно по мере понижения температуры аккумулирующего вещества 6, 9 и 13 осуществляют охлаждение объекта 4, а так же охлаждение воздуха, содержащегося в полости низкотемпературного отделения 2, и воздуха, содержащегося в полости холодильного отделения 3.

Объект 4 охлаждают путем осуществления процесса теплоотдачи от объекта 4 к аккумулирующему веществу 6, а воздух, содержащийся в полости низкотемпературного отделения 2, охлаждают путем осуществления процесса теплопередачи от охлаждаемого воздуха к аккумулирующему веществу 9 через стенку 11 низкотемпературного отделения 2. Воздух, содержащийся в полости холодильного отделения 3, охлаждают путем осуществления процесса теплоотдачи от охлаждаемого воздуха к аккумулирующему веществу 13.

Аккумулирующее вещество 6, 9 и 13 посредством испаряемого хладагента охлаждают до заданной температуры более низкой, чем заданная температура охлаждения объекта 4 и/или заданная температура охлаждения воздуха.

Затем охлаждающее устройство отключают, при этом процесс испарения хладагента прекращается и прекращается процесс охлаждения аккумулирующего вещества 6, 9 и 13. После отключения охлаждающего устройства охлаждение объекта 4 и воздуха, содержащегося в полости низкотемпературного отделения 2 и в полости холодильного отделения 3, осуществляют посредством соответствующего аккумулирующего вещества 6, 9 или 13. При этом аккумулирующее вещество 6, 9 и 13 нагревают до заданной максимальной температуры, затем охлаждающее устройство включают и осуществляют очередное охлаждение аккумулирующего вещества 6, 9 и 13 посредством испаряемого хладагента.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может быть использовано в бытовых холодильниках для охлаждения воздуха, содержащегося в полости холодильного отделения, и для охлаждения продуктов, размещенных в полости низкотемпературного отделения, а так же в холодильных установках торгового назначения.