Способ производства холода и устройство для его осуществления

(51) 24 3/18 (2006.01) 25 29/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Разработанный способ производства холода за счет эффективного излучения и устройство для его осуществления относятся к области тепло- и хладоснабжения и могут быть применены в системах кондиционирования жилых,коммерческих,производственных и сельскохозяйственных зданий, а также для производства холода и тепла, используемого в технологических процессах пищевой промышленности. В изобретении предлагается производить охлаждение хладоносителя в аккумуляторе холода через промежуточный теплообменник, в который податся хладоноситель из радиаторов. Также в изобретении предлагается схема подключения дополнительной холодильной машины к разработанному устройству, которая позволяет накапливать холод, производимый дополнительной машиной в аккумуляторе холода. В результате возможно уменьшить количество антифриза, которое будет необходимо заправить в систему, увеличить надежности системы, снизить энергетические затраты на транспортирование хладоносителя,уменьшить требуемую холодопроизводительность дополнительной холодильной машины.(72) Цой Александр Петрович Грановский Александр Сергеевич Цой Диана Александровна(56) Цой А.П., Грановский А.С., Бараненко А.В.,Эглит А.Я. Анализ холодильных систем,использующих тепловое излучение земной поверхности в космическое пространство -я Международная научно-техническая конференция КАЗАХСТАНХОЛОД 2013. 28.02.2013.,./(54) СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к области тепло- и хладоснабжения, а также к энергосберегающим технологиям, использующим солнечную энергию, и может быть применено в системах кондиционирования жилых,коммерческих,производственных и сельскохозяйственных зданий,а также для производства холода и тепла,используемого в технологических процессах пищевой промышленности. Цели разработки все физические объекты,температура которых выше абсолютного нуля,излучают электромагнитные волны. В ночное время,когда приток электромагнитного излучения от Солнца отсутствует,любая поверхность,обращенная к небу, излучает за счет теплового излучения энергии больше, чем принимает обратно от окружающей атмосферы. В результате температура этой поверхности опускается ниже температуры воздуха в приземном слое атмосферы. Это явление можно использовать для отвода теплоты от различных объектов, т.е. создать холодильную систему, охлаждение в которой создается за счет эффективного излучения. Далее в тексте будут использоваться следующие определения. Антифриз - вещество, которое находится в жидком состоянии и не замерзает при температурах ниже 0 С. Эффективное излучение - разница между восходящим и нисходящим потоком теплового излучения в приземном слое атмосферы. Или другими словами часть теплового излучения поверхности тела, обращенной к ночному небу,которая уходит от охлаждаемого тела безвозвратно. Солнечный коллектор - устройство для сбора тепловой энергии, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. Дополнительная холодильная машина представляет собой устройство для понижения температуры хладоносителя,которая может работать за счет любого из известных способов получения холода, кроме эффективного излучения. Она включается в состав системы для поддержания требуемой температуры аккумулятора холода, когда радиаторы не могут выработать необходимое количество холода. Дополнительное устройство нагрева теплоносителя предназначено для нагрева теплоносителя до требуемой температуры, в случае,если радиаторы системы не могут выработать необходимое количество теплоты от солнечной радиации. Радиатор - устройство, в котором происходит охлаждение хладоносителя за счет теплового излучения в ночное небо (эффективного излучения),а также возможен процесс нагрева теплоносителя от солнечной радиации в течение светового дня. Теплообменник для передачи тепла или холода потребителям представляет собой устройство, в котором тепло или холод передается от тепло- или хладоносителя нагреваемому или охлаждаемому веществу. В качестве данного устройства может быть использован воздухоохладитель или жидкостной теплообменник. Устройства управления потоком тепло- и хладоносителя - совокупность элементов системы,таких как гидрораспределители, обратные краны,вентили,трехходовые краны дроссели,предназначенные для изменения направления движения и расхода тепло- или хладоносителя,циркулирующего в системе. Известен способ производства холода за счет эффективного излучения включающий охлаждение хладоносителя в радиаторах системы, его накопление в аккумуляторе холода и передачу в теплообменник А.с. 2009/0090488 А 1 - США./ Заявл. 03.10.2008 Опубл. 09.04.2009). Процесс охлаждения осуществляется следующим образом. В ночное время хладоноситель забирается из первого аккумулятора холода и подается последовательно в устройство испарительного охлаждения и затем в радиаторы, где происходит его охлаждение за счет эффективного излучения. После этого хладоноситель транспортируется во второй аккумулятор холода, где хранится до момента, когда требуется создать охлаждение. В необходимое время он из второго аккумулятора холода подается в первый теплообменник, где забирает тепло от охлаждаемого объекта, а сам нагревается, после чего возвращается обратно в первый аккумулятор. В случае если охлаждения, создаваемого радиаторами,не достаточно для достижения требуемой температуры,включается дополнительная холодильная машина, которая подает хладагент во второй теплообменник, стоящий после первого теплообменника на пути транспортирования охлаждаемой среды. В патенте речь идет об охлаждении воздуха для системы кондиционирования воздуха, но при помощи такой схемы можно охлаждать и другие объекты. В случае использования устройства,реализующего данный способ в условиях, когда температура атмосферного воздуха опускается ниже 0 С, во все контурах будет необходимо использовать в качестве хладоносителя раствор антифриза, чтобы предотвратить возможность замерзания хладоносителя в радиаторах устройства. Заправка всех контуров системы раствором антифриза может быть неоправданной из следующих соображений. Во-первых, все известные антифризы имеют теплоемкость ниже, чем у обыкновенной воды. Уменьшение теплоемкости хладоносителя вызывает увеличение объема аккумулятора холода. Во-вторых, доступные растворы антифризов имеют вязкость более высокую, чем у воды. Из-за этого для циркуляции антифриза требуется затрачивать большее количество энергии. В-третьих,растворы антифризов имеют высокую коррозионную активность, если в их состав не включены ингибиторы коррозии. Это вызывает ускоренное разрушение элементов гидроаппаратуры устройства для осуществления способа. В-четвертых,себестоимость антифризов значительно выше, чем у воды, и их использование в аккумуляторе холода может значительно увеличить экономические затраты на обслуживание устройства. Другим недостатком описанного в патенте способа для его осуществления является тот факт,что дополнительная холодильная машина не связана с аккумулятором холода и не может накапливать холод в аккумуляторе заранее. Если устройство,работающее на основе описанного способа производства холода, эксплуатируется в регионе с дифференцированными по времени тарифами на электроэнергию,целесообразно включать дополнительную холодильную машину только в тот период времени, когда тариф на электроэнергию минимален, а холод, вырабатываемый данной машиной необходимо аккумулировать до момента,когда возникнет необходимость в его использовании. Стоит также отметить, что в приведенном выше патенте описывается способ и устройство для его осуществления,в которых радиаторы предполагается использовать исключительно в режиме охлаждения. При этом конструкция большинства радиаторов позволяет, производить в них не только охлаждение за счет эффективного излучения в ночное время, но и нагрев теплоносителя от солнечной радиации,поступающей на поверхность радиатора в дневное время. В связи с этим целесообразно разрабатывать способ производства холода за счет эффективного излучения и устройство для его осуществления, в которых сразу предусмотрена возможность производства тепла. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для производства холода и тепла,состоящее из радиаторов, производящих нагрев и охлаждение тепло- и хладоносителя, системы трубопроводов, насосов, устройств управления потоком тепло- и хладоносителя, аккумулятора тепла и теплообменников для передачи холода и тепла потребителям ( ,./, -,2006, .72). Способ получения холода в радиаторах и его передачи к потребителю в данном устройстве аналогичен способу, описанному выше, и имеет те же недостатки. В ночное время происходит циркуляция хладоносителя через радиаторы системы, где он охлаждается. После этого он поступает в систему трубопроводов в полах помещения здания, в котором необходимо поддерживать определенную температуру. Эти трубопроводы в полах охлаждаемого помещения выполняют одновременно и функцию аккумулятора холода и теплообменника для охлаждения воздуха в помещении. В дневное время хладоноситель забирает тепло, поступающее в помещение, и тем препятствует повышению температуры воздуха. В дневное время радиаторы данного устройства могут быть использованы для производства тепла от солнечной радиации. При этом теплоноситель нагревается в радиаторах, после чего поступает в теплообменник, через который тепло передается потребителю. У данного устройства есть ряд недостатков. Вопервых, холодильные системы, использующие эффективное излучение не способны охлаждать хладоноситель до низких температур. Известные установки охлаждают хладоноситель до температуры всего 5-10 С ниже ночной температуры воздуха. В связи с этим для накопления достаточного количества холода при малом температурном перепаде требуется использовать значительное количество хладоносителя. Массы хладоносителя, накопленного в трубопроводах, как это предполагается сделать в указанной работе, может быть в некоторых случаях недостаточно для создания необходимой величины охлаждения в последующий день. Во-вторых, если в регионе, где используется данная система, наблюдаются резкие суточные изменения температуры, возможно возникновение ситуаций, в которых хладоноситель в радиаторах ночью получает чрезмерное охлаждение. В результате температура в охлаждаемом помещении ночью опускается ниже допустимой. Другим недостатком представленного устройства является то, что в нем не учитывается возможная ситуация, когда из-за неблагоприятных погодных условий охлаждающий эффект за счет эффективного излучения ограничен. Такая ситуация может возникнуть в случае, если наблюдается высокая влажность воздуха в приземном слое атмосферы или же высока облачность. Тогда радиаторы не могут обеспечить требуемого охлаждения и необходимо использовать дополнительную холодильную машину, которая в данной схеме не предусмотрена. Главной задачей изобретения является разработка способа производства холода за счет эффективного излучения и устройства для его осуществления, в которых исключается риск замерзания хладоносителя в контурах, проходящих через радиаторы. Другой задачей изобретения является разработка способа производства холода за счет эффективного излучения, при котором в устройстве для его осуществления можно будет использовать малое количество антифриза. Другой задачей изобретения является разработка способа производства холода за счет эффективного излучения и устройства для его осуществления, в которых совместно с радиаторами будет использоваться дополнительная холодильная машина, которая обеспечивает производство холода в моменты времени, когда эффективное излучение не может создать необходимое количество холода. Другой задачей изобретения является разработка способа производства холода за счет эффективного излучения и устройства для его осуществления, в которых дополнительная холодильная машина будет создавать и накапливать холод в аккумуляторе холода в то время, когда радиаторы системы производят нагрев теплоносителя. 3 Технический результат от реализации способа производства холода за счет эффективного излучения уменьшение требуемого количества антифриза, заправляемого в контуры устройства. Технический результат от реализации устройства для осуществления способа увеличение надежности системы, снижение энергетических затрат на транспортирование хладоносителя, уменьшение скорости коррозионного разрушения элементов устройства,уменьшение требуемой холодопроизводительности дополнительной холодильной машины,упрощение процесса управления. В соответствии с перечисленными задачами предлагается следующий способ производства холода. Хладоноситель охлаждается за счет эффективного излучения в радиаторах. После этого он поступает в промежуточный теплообменник, где охлаждает второй хладоноситель. Второй хладоноситель накапливается в аккумуляторе холода. В моменты, когда требуется охлаждение,хладоноситель из аккумулятора холода подается в теплообменники,где забирает тепло от охлаждаемого объекта, а сам нагревается. В качестве первого хладоносителя,циркулирующего в контуре радиаторов, может быть использован раствор антифриза. Например, можно использовать водный раствор пропиленгликоля. В остальных контурах может быть заправлена обыкновенная вода. В случае, если радиаторы не могут создавать охлаждение первого хладоносителя, включается дополнительная холодильная машина, которая охлаждает хладоноситель в аккумуляторе холода. Устройство, работающее на основе описанного способа, содержит радиаторы для производства холода за счет эффективного излучения и нагрева за счет солнечной радиации, аккумулятор холода,аккумулятор тепла, насос для подачи тепло- или хладоносителя в радиаторы, насос для подачи теплоили хладоносителя к теплообменникам,гидроаппаратуру для управления потоком тепло- и хладоносителя, трубопроводы для соединения элементов системы, теплообменник для передачи тепла или холода к потребителям. Предлагаемое устройство теплои хладоснабжения может работать в следующих основных режимах 1. В режиме охлаждения хладоносителя 2. В режиме нагрева теплоносителя. Устройство в режиме охлаждения хладоносителя в радиаторах работает следующим образом (фиг.1). Гидрораспределители 17, 18 и 20 устанавливаются в положения как показано на фиг.1. После этого включается насос 19 и начинает прокачивать хладоноситель из теплообменника 2 в аккумуляторе холода 1 по трубопроводу 29 через гидрораспределители 17 и 20 в радиаторы 22. Здесь происходит процесс охлаждения хладоносителя,после чего хладоноситель проходит через гидрораспределители 20 и 18, а затем по трубопроводу 3, возвращаясь в теплообменник 2. 4 Устройство в режиме нагрева теплоносителя в радиаторах работает следующим образом. Гидрораспределители 17, 18 и 20 устанавливаются в положение, противоположное указанному на фиг.1. В результате насос 19 начинает перекачивать теплоноситель из теплообменника 5 в аккумуляторе тепла 4 через гидрораспределители 17 и 20 по трубопроводу 21 в радиаторы 22. Здесь производится нагрев теплоносителя за счет солнечной радиации. После этого нагретый теплоноситель возвращается в теплообменник 5 в аккумуляторе 4, и отдает содержащееся в нем тепло теплоносителю в аккумуляторе. Гидрораспределитель 20 служит для изменения направления движения тепло- или хладоносителя через радиаторы. Это необходимо для улучшения условий теплообмена в радиаторах. При нагреве теплоносителя предпочтительно прокачивать теплоноситель через радиаторы снизу вверх. При охлаждении хладоносителя он должен прокачиваться в обратном направлении. В любом из режимов работы системы, возможна подача в теплообменники 9 либо тепла из аккумулятора тепла 4, либо холода из аккумулятора холода 1. Процесс передачи холода в теплообменник 9 осуществляется следующим образом. Гидрораспределители 8 и 11 устанавливаются в положение, как показано на фиг.1. При этом включается насос 10. Он забирает хладоноситель из аккумулятора 1 по трубопроводу,через гидрораспределитель 11 и подает его в теплообменник 9. Здесь хладоноситель принимает тепло от охлаждаемого потребителя холода, а сам нагревается. После этого хладоноситель возвращается в аккумулятор холода 1. Процесс передачи тепла в теплообменник 9 осуществляется следующим образом. Гидрораспределители 8 и 11 устанавливаются в положение, противоположное показанному на фиг.1. Включается насос 10. Теплоноситель начинает поступать из аккумулятора тепла 4 по трубопроводу 12 через гидрораспределитель 11 в теплообменник 9. Здесь теплоноситель отдает содержащееся в нем тепло потребителю тепла, а сам остывает. После этого теплоноситель возвращается в аккумулятор тепла 4 по трубопроводу 6. В качестве теплообменника 9 в случае использования устройства в системе кондиционирования могут быть использованы трубопроводы в полах помещения, подобные тем,что используются для отопления. Преимуществом теплообменников такой конструкции является то,что из-за их большой площади, нет необходимости создавать значительный перепад между температурой воздуха в помещении и температурой тепло- или хладоносителя, поступающего в теплообменник. При использовании теплообменника 2 возможно при необходимости использовать в контуре,проходящем через радиаторы раствора антифриза,который не замерзает при температурах атмосферного воздуха ниже 0 С, а во всех остальных контурах обыкновенную воду или любое другое вещество. Такое решение позволяет значительно сократить количество антифриза,используемого в системе. Согласно другому варианту реализации изобретения (фиг.2) в устройстве тепло- и хладоснабжения установлен дополнительный теплообменник 25, в котором производится охлаждение хладоносителя, поступающего из аккумулятора холода 1, а также дополнительное устройство нагрева теплоносителя 7. Процесс охлаждения в теплообменнике происходит следующим образом. Включается насос 27 и начинает прокачивать хладоноситель из аккумулятора холода 1 в теплообменник 25. Здесь происходит охлаждение хладоносителя при помощи хладагента поступающего от дополнительной холодильной машины (на схеме не показана). После этого охлажденный хладоноситель возвращается по трубопроводу 28 в аккумулятор холода 1. При такой схеме работы дополнительная холодильная машина может аккумулировать холод заранее. Если устройство устанавливается на объекте с неравномерной потребностью в холоде,таким образом можно уменьшить требуемую холодопроизводительность дополнительной холодильной машины. Устройство нагрева теплоносителя включается в случае, если теплоноситель в аккумуляторе тепла 4 не нагревается достаточно за счет тепловой энергии,поступающей от солнечной радиации. При этом теплоноситель из аккумулятора тепла 4 поступает в дополнительное устройство нагрева теплоносителя 7, где его температура доводится до требуемой. После этого теплоноситель проходит через гидрораспределитель 11 и насосом 10 подается в теплообменник 9, где тепло от теплоносителя передается потребителю. Предлагаемая схема позволяет при необходимости возвращать теплоноситель из дополнительного устройства нагрева теплоносителя 7 по трубопроводу 30 сразу в аккумулятор 4 минуя теплообменник 9. Это дает возможность заранее запасать тепло аккумуляторе 4. При этом может быть уменьшена требуемая мощность дополнительного устройства нагрева теплоносителя. К примеру, в данной схеме в качестве дополнительного устройства нагрева теплоносителя может быть использован газовый проточный водонагреватель Описанная схема дает следующие преимущества. В случае использования в составе системы дополнительной холодильной машины, она может работать независимо от других компонентов системы. В случае использования в составе системы дополнительной нагревательной установки, она может работать независимо от других компонентов системы. Предлагаемая система тепло- и хладоснабжения состоит из отдельных элементов таких как насосы,гидрораспределители,аккумуляторы,вентили,работа которых может контролироваться средствами автоматического управления. В качестве данных средств могут быть использованы любые доступные электронные компоненты. Все средства управления могут быть объединены в единую систему, работа которой будет контролироваться вычислительной машиной. Согласно другому варианту реализации изобретения (фиг.3) в устройстве используется отдельный теплообменник для передачи холода потребителям и отдельный теплообменник для передачи тепла потребителям. В данном случае хладоноситель из аккумулятора холода 1 прокачивается по трубопроводу 16 насосом 32 в теплообменник 13 после чего возвращается в аккумулятор холода по трубопроводу 13. Теплоноситель из аккумулятора тепла 4 прокачивается насосом 10 через теплообменник 9. В остальном работа системы аналогична варианту рассмотренному выше. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ производства холода за счет эффективного излучения, включающий в себя охлаждение хладоносителя в радиаторах за счет эффективного излучения,его передачу в аккумулятор холода и последующее использование накопленного в аккумуляторе хладоносителя для охлаждения потребителей, отличающийся тем, что хладоноситель из радиаторов подают в промежуточный теплообменник, в котором он охлаждает другой хладоноситель, накапливаемый в аккумуляторе холода. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что хладоноситель в аккумуляторе холода охлаждают дополнительной холодильной машиной в условиях,когда охлаждение за счет эффективного излучения в радиаторах затруднено или невозможно. 3. Устройство для создания охлаждения за счет эффективного излучения и нагрева от солнечной радиации, включающее в себя радиаторы, насосы,теплообменник для передачи тепла или холода потребителю, устройства управления потоком тепло- и хладоносителя, отличающееся тем, что в нем установлен промежуточный теплообменник, в котором производится охлаждение хладоносителя находящегося в аккумуляторе холода хладоносителем, поступающим из радиаторов. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в нем также имеется дополнительный теплообменник,в котором происходит охлаждение хладоносителя,поступающего из внутреннего пространства аккумулятора холода, хладагентом дополнительной холодильной машины трубопровод, соединяющий линию слива хладоносителя из внутреннего пространства аккумулятора холода с дополнительным теплообменником и трубопровод,соединяющий дополнительный теплообменник с линией возврата хладоносителя из теплообменников для подачи тепла и холода потребителю, по которому хладоноситель возвращается в аккумулятор холода. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в нем также имеется дополнительное устройство 5 нагрева теплоносителя, которое подключено к линии слива теплоносителя из внутреннего пространства аккумулятора тепла, трубопровод,соединяющий дополнительное устройство нагрева теплоносителя с теплообменниками для подачи тепла или холода потребителю, трубопровод для возврата теплоносителя из дополнительного устройства нагрева теплоносителя в линию слива теплоносителя во внутреннее пространство аккумулятора тепла. 6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в нем одновременно имеется дополнительный теплообменник, в котором происходит охлаждение хладоносителя, поступающего из внутреннего пространства аккумулятора холода, хладагентом дополнительной холодильной машины трубопровод,соединяющий линию слива хладоносителя из внутреннего пространства аккумулятора холода с дополнительным теплообменником, трубопровод, соединяющий дополнительный теплообменник с линией возврата хладоносителя из теплообменников для подачи тепла и холода потребителю, по которому хладоноситель возвращается в аккумулятор холода,а также дополнительное устройство нагрева теплоносителя, которое подключено к линии слива теплоносителя из внутреннего пространства аккумулятора тепла, трубопровод, соединяющий дополнительное устройство нагрева теплоносителя с теплообменниками для подачи тепла или холода потребителю,трубопровод для возврата теплоносителя из дополнительного устройства нагрева теплоносителя в линию слива теплоносителя во внутреннее пространство аккумулятора тепла.