Первый льдоаккумулятор: история изобретения МакКракена

В конце 1970-х годов перед специалистами по холодильной технике стояла задача, которая казалась парадоксальной: как эффективно использовать лёд для охлаждения зданий в дневные часы, если производить его дешевле ночью? Проблема заключалась не в термодинамике цикла — она была хорошо изучена, — а в физике фазового перехода. Вода при замерзании увеличивается в объёме примерно на 9%, а в замкнутом пространстве это приводит к давлению, достаточному для разрушения стенок резервуара.

Именно эту проблему блестяще решил американский изобретатель Кэлвин Д. МакКракен, чьё имя сегодня стоит в одном ряду с Уиллисом Карриером в Зале славы ASHRAE.

Инженерный путь: от авиационных двигателей к энергосберегающим технологиям

Кэлвин Додд МакКракен родился в 1919 году и с ранних лет проявлял интерес к технике. Получив инженерное образование, он начал карьеру в General Electric, где занимался проектированием камер сгорания для реактивных двигателей. Этот опыт дал ему глубокое понимание теплообменных процессов и работы оборудования в экстремальных режимах.

В 1947 году МакКракен основал собственную компанию Jet Heat Inc. (позже переименованную в CALMAC). На протяжении трёх десятилетий компания занималась разработками в различных областях: от солнечных коллекторов до гибких воздуховодов. Однако главное изобретение, принёсшее ему мировую известность в отрасли, было реализовано лишь в начале 1980-х годов.

Техническая проблема: почему лёд разрушал накопители

Идея аккумулирования холода с использованием фазового перехода вода–лёд привлекала инженеров с начала XX века. Теплота плавления льда составляет примерно 334 кДж/кг, что позволяет запасать значительное количество холода в относительно небольшом объёме. Однако практическая реализация упиралась в физическое ограничение: при замерзании вода расширяется на 9%. В замкнутом пространстве это создаёт давления, достаточные для разрушения резервуара.

Различные подходы к решению проблемы — использование эластичных ёмкостей, механическое перемешивание, применение антифризов — либо снижали эффективность, либо были технически сложны и дороги. Требовалось принципиально иное конструктивное решение, которое позволило бы управлять процессом намораживания, не вступая в прямое противодействие с силами расширения.

Патент 1981 года: принцип открытого намораживания

Кэлвин МакКракен подошёл к задаче системно. Он отказался от попыток сдерживать расширение льда и предложил конструкцию, в которой это расширение не создаёт разрушающих нагрузок. 13 октября 1981 года он получил патент US 4294078 на систему аккумулирования холода, реализованную под торговой маркой IceBank®.

Конструктивно льдоаккумулятор МакКракена представляет собой теплоизолированный бак-резервуар, внутри которого размещён погружной теплообменник змеевикового типа. Теплоноситель от чиллера циркулирует внутри змеевика, охлаждая его поверхность. Вода в баке, контактируя с этой поверхностью, начинает замерзать, образуя слой льда непосредственно на трубах теплообменника.

Суть патента — бак не заполнен водой полностью и не герметизирован. По мере намораживания льда его расширение компенсируется вытеснением незамерзшей воды в свободный объём. Таким образом, механические напряжения не передаются на стенки бака и сам теплообменник. Лёд нарастает контролируемым слоем, и при последующем таянии вода равномерно омывает ледяную массу, обеспечивая эффективный теплообмен.

Принцип работы и коммерческое внедрение

Система функционирует в суточном цикле. В ночные часы, при сниженных тарифах на электроэнергию, чиллер работает в режиме накопления холода, охлаждая теплоноситель в контуре льдоаккумулятора. На поверхности змеевиков намерзает расчётная масса льда. В дневное время циркуляционный насос подаёт тёплую воду из системы кондиционирования в бак, где она охлаждается при контакте со льдом и возвращается в контур.

Технология прошла практическую апробацию при поддержке Министерства энергетики США: пилотные установки были смонтированы в 50 домах на Лонг-Айленде, подтвердив заявленные характеристики надёжности и эффективности. По данным производителя, применение льдоаккумуляторов позволяет снизить эксплуатационные затраты на кондиционирование до 50% за счёт переноса электропотребления на ночные часы.

В настоящее время системы на базе патента МакКракена установлены более чем на 4000 объектах в 60 странах.

Льдоаккумуляторы Calmac IceBank в здании One Bryant Park, одном из «зелёных» небоскрёбов США.

Признание в профессиональном сообществе

За свою карьеру Кэлвин МакКракен получил 80 патентов и разработал более 250 продуктов. Его вклад в развитие систем аккумулирования холода был отмечен ASHRAE: в 2016 году он посмертно введён в Зал славы организации.

Сегодня компанию возглавляет его сын, Марк МакКракен, который продолжает развитие направления энергоэффективных технологий.

Изобретение МакКракена демонстрирует классический инженерный подход: не противодействовать физическому явлению, а использовать его особенности для создания управляемого и надёжного технологического процесса. Льдоаккумулятор остаётся одним из наиболее эффективных решений для снижения пиковых нагрузок в системах кондиционирования и на предприятиях, где в технологических процессах требуется вода с околонулевой температурой.