Способ аккумулирования холода и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2766952:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Астраханский государственный технический университет, ФГБОУ ВО «АГТУ» (RU)
Изобретение относится к области холодильной техники и может быть использовано в системах вентиляции и кондиционирования. Способ аккумулирования холода предусматривает понижение температуры смеси, включающей водный раствор хлорида натрия в концентрации 2-3 масс.%. В качестве льдообразующего компонента применяют октафторциклобутан. Процесс ведут при давлении не выше 105 кПа. После процесса дросселирования октофторциклобутан подают в водный раствор хлорида натрия и интенсивно перемешивают, полученный лед аккумулируют. Устройство для аккумулирования холода включает кристаллизатор, соединенный с конденсатором и насосами, и теплообменник,. Устройство оснащено компрессором, соединенным всасывающим трубопроводом с кристаллизатором, охладителем, насосом подачи смеси льда, раствора хлорида натрия и жидкого холодильного агента и насосом подачи раствора хлорида натрия, соединенными с кристаллизатором и баком-аккумулятором, гидроциклоном, установленным на жидкостной линии с расширительным вентилем, уравнительной линией, соединяющей бак-аккумулятор и кристаллизатор, отделителем жидкости на всасывающем трубопроводе. Кристаллизатор оснащен мешалкой. Технический результат - снижение энергозатрат на аккумулирование холода и интенсификация процесса без использования опасных веществ. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области холодильной техники, а именно к способам аккумулирования холода, который может быть использован в системах вентиляции и кондиционирования.
Известен способ и устройство для его осуществления, включающий пропускание в холодное время года хладагента через замкнутый контур с созданием аккумулятора холода с последующей передачей в теплое время года холода от аккумулятора потребителю, используют замкнутый контур, содержащий более одной конструкции «труба в трубе», при этом последние полностью или частично располагают в грунте и соединяют трубопроводом в их верхней части в замкнутый контур, выполненный с возможностью подключения к нему потребителя. Устройство аккумулирования холода, содержащее замкнутый контур для циркулирования хладоагента, проходящий через аккумулятор холода, и ветвь контура, отводящую холод потребителю, отличающееся тем, что замкнутый контур содержит более одной конструкции «труба в трубе», полностью или частично расположенных в грунте и соединенных в верхней части трубопроводом, а ветвь контура, отводящая холод потребителю, выполнена с возможностью отключения от замкнутого контура. (патент РФ №2123648, 1997 г.) Однако, данное устройство обладает низкой производительностью.
Наиболее близким по технической сути является способ аккумулирования холода, предусматривающий понижение температуры смеси, включающей гидратообразующий и водосодержащий компоненты, с образованием и накоплением гидратов, с целью снижения энергозатрат и интенсификации процесса при температурном уровне с аккумулированного холода от 0 до минус 5°С, в качестве гидратов образующего компонента используют жидкие хлористый метилен или изобутан, а в качестве водосодержащего - водный раствор хлорида натрия или водные растворы одноатомных алифатических спиртов, при этом при смешении с хлористым метиленом водный раствор хлорида натрия берут с концентрацией 0,84-3,3 мол.%, а водный раствор спиртов - с концентрацией 1,6-6,1 мол.% и процесс ведут при атмосферном давлении, а при смешении с изобутаном водный раствор хлорида натрия берут с концентрацией 0,91-3,4 мол.%, а водный раствор спиртов - с концентрацией 1,8-6,3 мол.% и процесс ведут при давлении не ниже 154 кПа (а.с. СССР №1409830, 1988 г.). Однако данный способ обладает низкой эффективностью и потенциально опасен, так как в качестве хладагента используются горючие вещества.
Технический результат - снижение энергозатрат на аккумуллирование холода, и интенсификация процесса без использования опасных веществ.
Он достигается тем, что в известном способе, предусматривающем понижение температуры смеси, включающем водосодержащий компонент - водный раствор хлорида натрия в концентрации 2-3 масс.%, а в качестве льдообразующего компонента применяют октафторциклобутан, процесс ведут при давлении не выше 105 кПа, после процесса дросселирования октафторциклобутан подают в водный раствор хлорида натрия и интенсивно перемешивают, полученный лед аккумулируют.
Применение октафторциклобутана, имеющего более низкие рабочие давления и не влияющего на окружающую среду (нулевой GWP), позволяет избежать появления гидратов в кристаллизаторе и использовать для аккумулирования холода чистый лед, что позволяет увеличить эффективность процесса, за счет большей теплоты фазового перехода. Кроме того, данный хладагент не токсичен и не горюч. Полученный лед собирают и используют для снятия пиковых нагрузок потребителя, в течении короткого времени, весь процесс аккумулирования льда проводят в период наименьшего потребления холода и наименьшей стоимости электроэнергии в ночное время суток.
Способ осуществляют следующим образом.
В кристаллизатор и бак-аккумулятор заливают раствор хлорида натрия концентрацией 2-3 масс.%. Затем в раствор подают октафторциклобутана (RC318) и перемешивают, процесс ведут при давлении близком к атмосферному (не выше 105 кПа) и температуре -1°С. Хладагент выкипает, понижая температуру смеси. В растворе образуются кристаллы льда с увеличением концентрации хлорида натрия до 13-21%. Затем из смеси льда, раствора и унесенного жидкого хладагента отделяют холодильный агент, а полученный лед и раствор хлорида натрия разделяют за счет разности плотностей. Затем отделенный раствор хлорида натрия подают в кристаллизатор. Аккумулированный лед используют для создания необходимого запаса холода.
Пример 1 осуществление способа
В кристаллизатор и бак-аккумулятор заливают раствор хлорида натрия в концентрации 2 масс%. Затем в раствор подают октафторциклобутан (RC318) и перемешивают, процесс ведут при давлении 1,065 атм. Хладагент выкипает, понижая температуру смеси, до -1,3°С. В растворе образуются кристаллы льда и постепенно увеличивается концентрация соли в растворе до 16-18%. После этого смесь льда, раствора и унесенного жидкого холодильного агента откачивают в бак-аккумулятор, разделяя холодильный агент, полученный лед и раствор соли за счет разности плотностей. Далее отделенный раствор из бака-аккумулятора насосом подают в кристаллизатор. Аккумулированный лед используют для создания необходимого запаса холода. Раствор с кристаллами льда подают насосом в теплообменник потребителя, раствор из теплообменника потребителя возвращают для охлаждения в бак-аккумулятор.
Пример 2 осуществления способа:
В кристаллизатор и бак-аккумулятор заливают раствор хлорида натрия в концентрации 3 масс%. Затем в раствор подают октафторциклобутан (RC318) и перемешивают, процесс ведут при давлении 1,043 атм. Хладагент выкипает, понижая температуру смеси до -1,7°С. В растворе образуются кристаллы льда с увеличением концентрации соли в растворе до 15-20%. После этого смесь льда, раствора и унесенного жидкого холодильного агента откачивают в бак-аккумулятор, разделяя холодильный агент, полученный лед и раствор соли за счет разности плотностей. Далее отделенный раствор из бака-аккумулятора насосом подают в кристаллизатор. Аккумулированный лед используют для создания необходимого запаса холода. Раствор с кристаллами льда подают насосом в теплообменник потребителя, раствор из теплообменника потребителя возвращают для охлаждения в бак-аккумулятор.
Способ осуществляют с помощью устройства для аккумулирования холода.
Известно устройство для аккумулирования холода, состоящее из металлического бака с тепловой изоляцией, испарителя холодильной машины, патрубков подачи и отвода жидкости, устройств для снятия льда с поверхности испарителя, емкости для накопления льда, вала, электродвигателя, электрического привода, при этом патрубки подачи и отвода жидкости расположены в верхней и нижней частях металлического бака соответственно, металлический бак заполнен жидкостью, испаритель холодильной машины выполнен в форме полого тора прямоугольного сечения и погружен в жидкость, в нижней части испарителя расположены патрубки для подачи и отвода фреона, устройства для снятия льда с поверхности испарителя, вращение которых обеспечивает электродвигатель привода, закреплены на валу и расположены соосно с испарителем, испаритель холодильной машины, устройство для снятия льда с поверхности испарителя и емкость для накопления льда расположены в едином корпусе внутри металлического бака (патент РФ №150772,2014 г.). Однако данное устройство обладает энергетически низкой эффективностью из-за большой разности температур при аккумуляции холода и небольшой поверхности контакта сред.
Наиболее близким по технической сути является устройство, состоящее из кристаллизатора, соединенного с конденсатором и насосами с помощью трубопроводов, теплообменника, соединенного с насосами (см. а.с. СССР №1409830, 1988 г.). Однако данное устройство обладает невысокой эффективностью аккумулирования холода и использует в своей работы опасные компоненты.
Технический результат достигается тем, что устройство, состоящее из кристаллизатора, соединенного с конденсатором и насосами с помощью трубопроводов, теплообменника соединенного с насосами, дополнительно оснащено компрессором, соединенным всасывающим трубопроводом с кристаллизатором, охладителем для отвода теплоты конденсации, оснащенным насосом, снабжено насосом подачи смеси льда, раствора хлорида натрия и жидкого холодильного агента и насосом подачи раствора хлорида натрия, соединенными трубопроводом с кристаллизатором и баком-аккумулятором, гидроциклоном, установленным на жидкостной линии для отвода хладагента, уравнительной линией, соединяющей бак-аккумулятор и кристаллизатор для выравнивая давления, отделителем жидкости, установленным на всасывающем трубопроводе, кристаллизатор оснащен мешалкой для интенсификации процесса льдообразования, устройство оснащено расширительным вентилем, установленным на жидкостной линии для дросселирования хладагента при его подаче в кристаллизатор, запорными вентилями, установленными на линии подачи смеси, на входе в теплообменник и на линии подачи раствора, запорными вентилями, установленными на уравнительной линии и на линии возврата хладагента.
На чертеже схематично изображено предлагаемое устройство для аккумулирования холода:
фиг. 1 - общий вид.
Устройство содержит кристаллизатор 1, соединенный всасывающим трубопроводом 2 с компрессором 3, конденсатор 4, соединенный нагнетательным трубопроводом 5 с компрессором 3 и чиллером 6, регулирующий вентиль 7 установленный на жидкостной линии холодильного агента 8, насос 9 для подачи смеси раствора хлорида натрия, льда и унесенного холодильного агента, установленный на выходе из кристаллизатора 1, и соединенный трубопроводами с кристаллизатором 1 и с баком-аккумулятором 10, насос 11 для подачи и возврата смеси жидкого хладагента и раствора хлорида натрия, соединенный трубопроводами с теплообменником 12 и с баком аккумулятором 10, запорный вентиль 13, установленный на входе в теплообменник 12, запорный вентиль 14, установленный на выходе из теплообменника 12, запорный вентиль 15, установленный на входе в кристаллизатор 1, запорный вентиль 16, установленные на выходе кристаллизатора 1, гидроциклон 17, установленный за насосом 9 и соединенный с кристаллизатором 1 и баком-аккумулятором 10, запорный вентиль 18, установленный за гидроциклоном, отделитель жидкости 19 установленный на всасывающем трубопроводе 2, уравнительная линия 20, оснащенная запорным вентилем 21, служащая для уравнивания давления между кристаллизатором 1 и баком-аккумулятором 10, соединяющая кристаллизатор и бак-аккумулятор 10, насос 22 чиллера, установленный на чиллере 6 для подачи охлаждающей жидкости в конденсатор 4, линия возврата хладагента 23, соединяющая гидроциклон 17 с кристаллизатором 1, линия подачи хладоносителя 24 потребителю, линия возврата хладоносителя 25, мешалка 26, установленная внутри бака кристаллизатора 1. Устройство работает следующим образом:
Хладагент подается в кристаллизатор 1 из конденсатора 4 через регулирующий вентиль 7, где вскипает, забирая тепло из раствора хлорида натрия, образуя кристаллы льда, меньшая часть жидкого хладагента уносится насосом 9, а большая часть в виде парожидкостной смеси поступает в отделитель жидкости 19, где отделяется жидкий хладагент. Затем пар хладагента сжимается в компрессоре 3 и конденсируется в конденсаторе 4, после чего дросселируется и поступает в кристаллизатор 1. Раствор хлорида натрия с образовавшимися кристаллами льда и каплями жидкого хладагента подается насосом 9 через открытый вентиль 16 в гидроциклон 17, где из смеси отделяется хладагент и возвращается в кристаллизатор 1 через запорный вентиль 18. Раствор со льдом подается в бак-аккумулятор 10, где лед накапливает в верхней части. В режиме аккумулирования холода запорные вентили 13 и 14 закрыты. Раствор хлорида натрия забирается помощью насоса 11 из нижней части бака-аккумулятора 10 и подается в кристаллизатор 1, где снова смешивается с хладагентом для образования льда. В режиме подачи холода потребителю вентили 15 и 16 закрыты, а вентили 13 и 14 открыты, теплый раствор подается в верхнюю часть бака-аккумулятора 10, где охлаждается льдом, и холодный раствор с помощью насоса 11 направляется в теплообменник 12, где нагревается теплом от потребителя, а затем возвращается в бак-аккумулятор 10. Тепло конденсации хладагента отводиться с помощью чиллера 6, оснащенного насосом 22, подающего холодную жидкость в конденсатор 4. Для выравнивания давления в кристаллизаторе 1 и баке-аккумуляторе 10 имеется уравнительная линия 20 с запорным вентилем 21. Для интенсификации процесса раствор в кристаллизаторе 1 постоянно перемешивается мешалкой 26.
Применение мешалки позволяет интенсифицировать процесс кипения хладагента и льдообразования. Отвод теплоты конденсации с помощью чиллера позволяет работать холодильной машине всегда при наиболее энергоэффективном режиме с расчетным давлением конденсации. Для выравнивания давления между кристаллизатором и баком-аккумулятором предусмотрена уравнительная линия. Наличие запорных вентилей позволяет переключать устройство с режима аккумулирования на режим использования холода, тем самым уменьшает затраты холода при работе потребителей. Малая разность температур при непосредственном контакте сред, по сравнению с обычным испарителем, позволяет снизить затраты на охлаждение. А малая разность давлений кипения и конденсации за счет использования октафторциклобутана позволяет снизить затраты энергии на производство холода.
Устройство позволяет аккумулировать холод и отдавать его потребителю при пиковых нагрузках.
Энергозатраты на производство холода показаны на примере расчета параметров при работе установки аккумулирования холода:
Исходные данные для расчета следующие: начальная концентрация раствора хлорида натрия - 2%, начальная масса раствора - 1000 кг, процент накопления льда - 75%, разность температуры кипения раствора - 0,5°С, время работы в режиме аккумуляции льда - τак=6 ч., время работы в режиме разрядки - τр=3 ч., удельная теплота льдообразования - r=335 кДж/кг, содержание льда в смеси льда и раствора - g=10%, холодильный коэффициент - ε=15 (рассчитан по программе CoolPack), КПД индикаторный ηи=0,8, КПД эффективный - ηэф=0,95, КПД электрический - ηэл=0,95, конечный объем смеси в баке-аккумуляторе - Vk=1,054.
Производительность по льду, кг/ч
Тепловая производительность, кВт
Тепловая холодопроизводительность, кВт
Теоретическая мощность компрессора, кВт
Потребляемая мощность компрессора, кВт
Расход холодильного раствора через теплообменник потребителя, кг/ч
где τр - время использования бака-аккумулятора, t1 и t2 - температура на выходе и входе в теплообменник потребителя (12°С и 7°С), ср- удельная теплоемкость раствора NaCl (3806 Дж/(кг*К)).
Объем активной части кристаллизатора, м3
где qν - объемная холодопроизводительность бака аккумулятора равная 400 кВт/м3.
Диаметр кристаллизатора, м
Объем бака-аккумулятора, м3
Диаметр бака-аккумулятора, м
На основании расчетов можно сделать вывод, что затраты на потребляемую энергию по предлагаемому способу снижаются.
Положительный эффект - предлагаемый способ позволяет повысить энергоэффективность и снизить затраты на аккумулирование холода, а также интенсифицировать процесс при том же температурном уровне без использования опасных веществ. Устройство позволяет аккумулировать холод и отдавать его потребителю при пиковых нагрузках.
1. Способ аккумулирования холода, предусматривающий понижение температуры смеси, включающей водосодержащий компонент - водный раствор хлорида натрия, отличающийся тем, что используют водный раствор хлорида натрия в концентрации 2-3 масс. %, а в качестве льдообразующего компонента применяют октафторциклобутан, процесс ведут при давлении не выше 105 кПа, после процесса дросселирования октофторциклобутан подают в водный раствор хлорида натрия и интенсивно перемешивают, полученный лёд аккумулируют.
2. Устройство для аккумулирования холода, состоящее из кристаллизатора, соединённого с конденсатором и насосами с помощью трубопроводов, теплообменника, соединённого с насосами, отличающееся тем, что дополнительно оснащено компрессором, соединённым всасывающим трубопроводом с кристаллизатором, охладителем для отвода теплоты конденсации, оснащённым насосом, снабжено насосом подачи смеси льда, раствора хлорида натрия и жидкого холодильного агента и насосом подачи раствора хлорида натрия, соединёнными трубопроводом с кристаллизатором и баком-аккумулятором, гидроциклоном, установленным на жидкостной линии для отвода хладагента, уравнительной линией, соединяющей бак-аккумулятор и кристаллизатор для выравнивания давления, отделителем жидкости, установленным на всасывающем трубопроводе, кристаллизатор оснащён мешалкой для интенсификации процесса льдообразования, устройство оснащено расширительным вентилем, установленным на жидкостной линии для дросселирования хладагента при его подаче в кристаллизатор, запорными вентилями, установленными на линии подачи смеси, на входе в теплообменник и на линии подачи раствора, запорными вентилями, установленными на уравнительной линии и на линии возврата хладагента.
