ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ПАРОВОЙ НАСОС ВЫТЕСНЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1994 года по МПК F25B1/00 

Изобретение относится к холодильной технике, более конкретно к холодильным компрессорным установкам, применяемым в различных отраслях народного хозяйства, например энергетике, а также где требуется относительно несложное оборудование при достаточной простоте его эксплуатации.

Цель изобретения заключается в создании холодильной установки и насоса, предназначенного для использования в такой установке, обеспечивающей повышение ресурса работы и надежность при одновременном снижении энергозатрат. Кроме использования в такой установке, предлагаемый насос может применяться самостоятельно, например для пульсирующего нагнетания хладагента из одной емкости в другую.

Известны холодильные установки, содержащие гелиоиспаритель, конденсатор, размещенный в баке-аккумуляторе, конденсатосборник в виде мембранного насоса и бачок-дозатор, который по существу служит жидкостным насосом нагнетания авт. св. N 1084554, кл. F 04 F 1/04, 1982). Несмотря на то, что эта установка может быть отнесена к холодильной, по существу, она предназначена для аккумуляции тепла, что характерно для установок, использующих солнечную энергию.

Известна холодильная установка, содержащая парогенератор, конденсатор, испаритель и двухфазные эжекторы, использующие пар для обеспечения циркуляции хладагента (авт. св. N 1011958, кл. F 25 B 1/06, 1982). Такие установки характеризуются низким КПД и недостаточной надежностью в настройке и эксплуатации.

Наиболее близкой к предлагаемой является холодильная установка, содержащая высокотемпературную линию от компрессора до дроссельного устройства, и низкотемпературный контур с нагнетателем, испарителем и жидкостной полостью циркуляционного ресивера, нагнетатель в такой установке выполнен в виде центробежного насоса, что приводит к недостаточно высокому ресурсу работы и надежности в эксплуатации, вызванному особенностями использования механического насоса [1] .

Цель - увеличение ресурса работы, повышение надежности при одновременном снижении энергозатрат и устранение примесей хладагента.

Достигается, это тем, что в известной холодильной установке, содержащей высокотемпературную линию от компрессора до дроссельного устройства и низкотемпературный контур с нагнетателем, испарителем и жидкостной полостью циркуляционного ресивера, нагнетатель выполнен в виде парового насоса вытеснения, имеющего линию сброса с приемником примесей, при этом насос и приемник снабжены аналогичными выхлопными паровыми магистралями, непосредственно соединенными с паровой полостью ресивера.

Известен жидкостной насос вытеснения, используемый в холодильной системе, содержащий рабочую емкость, соединенную всасывающим клапаном с резервуаром для рабочей жидкости, а нагнетательным - с потребителем, и источник пара, который непосредственно не связан с рабочей емкостью (авт. св. N 1084554, кл. F 04 F 1/04, 1982). Таким насосом является бачок-дозатор.

Недостатком такого насоса заключается в ненадежности эксплуатации и низком ресурсе работы, поскольку его работа зависит от промежуточного бака-аккумулятора и мембранного насоса, которые не могут обеспечить достаточной стабильности поступления жидкости. Кроме того, этот насос требует дополнительного источника тепла (солнечная радиация).

Известен пневматический насос вытеснения (замещения), содержащий рабочую емкость, соединенную всасывающим клапаном с резервуаром для рабочей жидкости, а нагнетательным - с потребителем, а также источник газа с высоким давлением (авт. св. N 976137, кл. F 04 F 1/00, 1980). Данный насос требует высоких энергетических затрат, а также характеризуется недостаточной надежностью из-за наличия сложной переключающей аппаратуры и возможности замасливания перекачиваемой среды.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является паровой насос вытеснения холодильной установки, содержащий рабочую емкость, соединенную всасывающим клапаном с резервуаром для рабочей жидкости и нагнетательным клапаном - с потребителем, а также источник пара, непосредственно соединенный с емкостью нагнетательной магистралью. Этот насос снабжен также испарителем-конденсатором, установленным на входе в рабочую емкость [2] .

Недостаток этого насоса - наличие автономного источника пара, а также высокая частота колебаний и малый расход жидкости, что приводит к малому ресурсу работы и небольшой надежности в эксплуатации.

Цель - увеличение ресурса работы и повышение надежности при одновременном снижении энергозатрат и устранении примесей хладагента.

Достигается это тем, что в известном паровом насосе вытеснения холодильной установки, содержащем рабочую емкость, соединенную всасывающим клапаном с резервуаром для рабочей жидкости и нагнетательным - с потребителем, а также источник пара, непосредственно соединенный с емкостью нагнетательной магистралью; источник пара выполнен в виде обогреваемого сосуда с двойными стенками, а нагнетательная магистраль - в виде трубопровода, одним концом соединенного с сосудом, а другим - встроенного снизу в рабочую емкость, при этом межстеночное пространство может быть подключено к высокотемпературной линии компрессорной холодильной установки на участке между компрессором и конденсатором, а резервуар рабочей жидкости выполнен в виде циркуляционного ресивера, сосуд также может быть снабжен автономным нагревателем. Кроме того, длина участка трубопровода, размещенного в рабочей емкости, должна быть выполнена больше 3/4 ее высоты, а его диаметр меньше диаметра рабочей емкости в 6 раз.

На фиг. 1 - схематически показана предлагаемая установка с паровым насосом вытеснения; на фиг. 2 - вариант использования парового насоса вытеснения для перекачки хладагента.

Установка содержит высокотемпературную линию от компрессора 1 до дроссельного устройства 2, низкотемпературный контур с нагнетателем - паровым насосом 3 вытеснения, испарителем 4 и жидкостной полостью 5 циркуляционного ресивера 6. Нагнетатель имеет линию 7 сброса с приемником 8 примесей. Насос и приемник снабжены выхлопными магистралями 9 и 10, которые связывают их с паровой полостью 11 циркуляционного ресивера.

Паровой насос 3 вытеснения (нагнетатель) содержит рабочую емкость 12, соединенную всасывающим клапаном 13 с жидкостной полостью резервуара (ресивера 6) и нагнетательным клапаном 14 с потребителем (испарителем 4), а также источник пара (сосуд 15 с двойными стенками). Рабочая емкость 12 и сосуд 15 соединены нагнетательной магистралью 16. Межстеночное пространство 17 сосуда подключено к высокотемпературной линии на участке между компрессором 1 и конденсатором 18.

Сосуд 15 может быть снабжен автономным нагревателем (электронагревателем 19), который обеспечит генерацию пара внутри сосуда 15. В этом случае предусматривается обводная магистраль 20 или клапаны 21, 22. При работе в составе холодильной установки электронагреватель используется как аварийный или отсутствует.

На фиг. 2 показана емкость 23, из которой перекачивается хладагент при самостоятельной работе насоса 3, и приемная емкость 24, а также магистраль 25 высокотемпературного теплоносителя с клапаном 26.

Холодильная установка работает следующим образом.

Пар рабочей жидкости, образовавшийся в испарителе 4 за счет подвода низкопотенциальной теплоты от потребителя, через паровую полость 11 циркуляционного ресивера 6 засасывает в компрессор 1, где его сжимают до высокого давления. Из компрессора пар направляют в конденсатор 18. При этом он проходит нагнетатель 3, частично отдавая теплоту сжатия и нагревая источник пара 15. Сконденсировавшуюся рабочую жидкость в конденсаторе после дросселирования в дроссельном устройстве 2 собирают в жидкостной полости 5 ресивера 6, откуда ее подают в рабочую емкость 12 нагнетателя 3. Благодаря выхлопным магистралям 9 и 10 в нагнетателе осуществляют процесс заполнения рабочей емкости испарения части жидкости вытеснения, затем всей жидкости в испаритель 4. Оставшиеся после испарения и вытеснения рабочей жидкости примеси через линию сброса 7 собирают в приемнике 8.

Таким образом, представленная холодильная установка имеет нагнетатель, выполненный в виде парового насоса, который перекачивает рабочую жидкость из циркуляционного ресивера в испаритель, используя теплоту сжатого в компрессоре пара, т. е. перекачка происходит без дополнительных затрат энергии. Кроме того, вытеснитель осуществляет очистку рабочей жидкости от посторонних примесей (машинное масло, вода).

Работу парового насоса вытеснения холодильной установки можно представить следующим образом. Рабочую емкость 12 нагнетателя 3 заполняют жидкостью из ресивера 6 через всасывающий клапан 13. Этот процесс протекает при отводе пара через выхлопные магистрали 9 и 10. Заполнение рабочей емкости осуществляют до тех пор, пока порция жидкости по нагнетательной магистрали 16 не попадает в источник пара 15. Последний нагрет проходящим в его межстеночном пространстве 17 сжатым паром из компрессора 1. Порция легкокипящей жидкости в источнике 15 интенсивно испаряется и давление в нагнетателе резко повышается. При этом закрывается всасывающий клапан 13, прекращая подачу рабочей жидкости в емкость. Одновременно открывается нагнетательный клапан 14 и рабочую жидкость вытесняют в испаритель 4, откуда она в виде двухфазного потока возвращается в ресивер. В источнике пара остаются примеси, которые через линию сброса 7 отводят в приемник 8. Остатки пара из нагнетателя по выхлопным магистралям 9, 10 уходят в полость 11 ресивера. Давление в нагнетателе падает, клапан 14 закрывается, а всасывающий клапан 13 открывается, и цикл повторяется.

Следует отметить, что работа парового насоса вытеснения циклична. Величина одного цикла зависит от геометрических соотношений элементов нагнетателя. Длина участка трубопровода, размещенного в рабочей емкости, и его диаметр оказывают существенное влияние на такие показатели нагнетателя, как эффективность и надежность. Оптимальной является длина трубопровода, большая либо равная 3/4 высоты рабочей емкости, а его диаметр должен быть меньше условного диаметра рабочей емкости в 5-7 раз. Срабатывание клапанов всасывания и нагнетания зависит только от перепада давлений между рабочей емкостью и циркуляционным ресивером, от гидравлического сопротивления трубопроводов и аппаратов холодильной установки и не требует дополнительного управления и контроля. Следует также отметить, что подвод теплоты к источнику 15 может осуществляться не только сжатым паром от компрессора, а также любым другим способом (электронагреватель, солнечная радиация, проточная вода и т. д. ).

При использовании насоса вне холодильной установки (фиг. 2) включается электронагреватель 19 и жидкий хладагент перекачивается из емкости 23 в емкость 24. Возможен и вариант подвода высокотемпературного агента в межтрубное пространство, в этом случае электронагреватель может отсутствовать, либо использоваться как резервный. В обоих случаях (при включенном электронагревателе 19 или при открытии клапанов 21, 22) работа насоса будет аналогична вытеснению.

П р и м е р . В настоящее время разработан паровой насос вытеснения. Рабочая жидкость - аммиак ГОСТ 6221-82. Металлические детали насоса изготовлены из углеродистой качественной конструкционной стали по ГОСТ 1050-74. Марки сталей фланцев клапанов и крепежных деталей, входящих в монтажные части, согласно ГОСТ 12816-80. Материал колец для уплотнения затвора клапана - фторопласт 4 ГОСТ 10007-80. Материал прокладок для уплотнения фланцевых соединений насоса и клапанов с трубопроводами - паронит марки ПМБ ГОСТ 481-80. Рабочая емкость представляет из себя баллон размером 1,2х0,3 м. Источник пара - кожухоструйный, с прямыми ребрами теплообменный аппарат.

Проведенные испытания парового насоса вытеснения на хладокомбинате показали, что расход электроэнергии уменьшился на 4,5 кВт по сравнению с той же холодильной установкой, где в качестве нагнетателя использовался центробежный насос. Эффективно проходила очистка рабочей жидкости от примесей - 10^-3 м³/сутки. Объемная подача насоса составила 6 м³/ч; давление на нагнетании - до 0,4 МПа; подпор жидкости на входе - 1 м; температура перекачиваемой жидкости до минус 40^оС. (56) Справочник механика по холодильным установкам. Агропромиздат, 1989, с. 177-182. А. В. Пономаренко, В. М. Бродянскимй. Экспериментальные исследование термоавтоколебательного насоса. Холодильная техника, 1982, N 5, с. 23-27.

Использование: в холодильной технике, в холодильных компрессорных установках. Сущность изобретения: в холодильной установке, содержащей высокотемпературную линию от компрессора до дроссельного устройства и низкотемпературный контур с нагнетателем, испарителем и жидкостной полостью циркуляционного ресивера, нагнетатель выполнен в виде парового насоса вытеснения, имеющего линию сброса с приемником примесей, при этом источник пара выполнен в виде обогреваемого сосуда с двойными стенками и межстеночное пространство подключено к высокотемпературной линии холодильной установки. Источник пара соединен с рабочей емкостью трубопроводом, длина участка трубопровода, встроенного в рабочую емкость больше 3/4 ее высоты, а его диаметр меньше условного диаметра рабочей емкости в 5 - 7 раз. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Холодильная установка, содержащая высокотемпературную линию от компрессора через конденсатор до дроссельного устройства и низкотемпературный контур с нагнетателем, испарителем и жидкостной полостью циркуляционного ресивера, отличающаяся тем, что нагнетатель выполнен в виде парового насоса вытеснения, имеющего линию сброса с приемником примесей, при этом насос и приемник снабжены выхлопными паровыми магистралями, соединенными с паровой полостью ресивера. 2. Паровой насос вытеснения холодильной установки, содержащий рабочую емкость, соединенную всасывающим клапаном с резервуаром для рабочей жидкости и нагнетательным клапаном - с потребителем, а также источник пара, соединенный с емкостью нагнетательной магистралью, отличающийся тем, что источник пара выполнен в виде обогреваемого сосуда, а нагнетательная магистраль - в виде трубопровода, одним концом соединенного с сосудом, а другим встроенного снизу в рабочую емкость. 3. Насос по п. 2, отличающийся тем, что сосуд снабжен автономным нагревателем. 4. Насос по п. 2, отличающийся тем, что сосуд выполнен с двойными стенками и межстеночное пространство подключено к высокотемпературной линии холодильной установки на участке между компрессором и конденсатором, а резервуар рабочей жидкости выполнен в виде ресивера. 5. Насос по п. 2, отличающийся тем, что длина участка трубопровода, встроенного в рабочую емкость, больше 3/4 ее высоты, а его диаметр меньше условного диаметра рабочей емкости в 5 - 7 раз.