ПАРОКОМПРЕССИОННАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ДРОССЕЛЬНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ РАСХОДА ХЛАДАГЕНТА Российский патент 1995 года по МПК F25B41/06 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в парокомпрессионных холодильных установках (ПХУ) различного назначения для регулирования расхода жидкого хладагента в цикле с одновременным дросселированием.

Известны парокомпрессионные холодильные установки, в которых в качестве дроссельного регулирующего устройства применяется капиллярная трубка постоянного сечения. Капиллярная трубка устанавливается в холодильном контуре между конденсатором и испарителем. Принцип действия таких регуляторов основан на известном свойстве капиллярных трубок изменять свое гидравлическое сопротивление в зависимости от переохлаждения или паросодержания хладона перед дросселем (в конденсаторе). Применение в качестве регулятора расхода капиллярной трубки позволяет обеспечить полную герметичность холодильного контура, существенно повышает надежность холодильной установки.

Однако существующие конструкции холодильных установок с капиллярной трубкой в качестве дроссельного устройства неполностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым в ним. Наиболее существенным недостатком является то, что капиллярная трубка обеспечивает эффективную работу холодильной установки лишь в ограниченном интервале тепловых нагрузок на испаритель и температур среды, охлаждающей конденсатор. При значительных отклонениях рабочих условий от оптимальных, через капиллярную трубку протекает недостаточное, либо избыточное количество хладона. В первом случае резко снижается эффективность работы ПХУ, во втором создается возможность аварии компрессора. К недостаткам ПХУ с капиллярными трубками также следует отнести высокую чувствительность к количеству хладагента в системе, что усложняет процесс изготовления и обслуживания, снижает надежность работы.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является регулятор расхода хладагента. В данном устройстве регулирование расхода через капиллярную трубку обеспечивается путем нагрева последней внешним источником тепла (электронагревателем).

Регулятор расхода хладагента, устанавливаемый в холодильном контуре между конденсатором и испарителем (см. фиг.1), состоит из капиллярной трубки 1, электронагревателя 2, импульсно-фазового регулятора 3 c датчиком температуры капилляра 4, коммутатора 5, программного блока 6. Электронагреватель 2 является индукционным и состоит из секций 7-8.

Регулятор расхода работает следующим образом.

В зависимости от значения холодопроизводительности и законов ее изменения, с выхода программного блока 6 подается сочетание сигналов, управляющих коммутатором 5, в соответствии с которыми включается в работу различное количество секций электронагревателя 2. Температура капиллярной трубки 1 измеряется датчиком 4 и поддерживается импульсно-фазовым регулятором 3 на заданном уровне, изменением мощности тепловыделений подключенных к нему коммутатором 5 секций электронагревателя 7-8, чем достигается требуемая степень запирания капилляра паровой пробкой и обеспечивается требуемое значение расхода хладона в цикле и холодопроизводительности системы.

Важным достоинством известного устройства является возможность обеспечения требуемого расхода хладагента в цикле в широком диапазоне рабочих условий.

Однако ему присущ ряд существенных недостатков, а именно:
наличие дополнительного нагревателя увеличивает потребляемую мощность и существенно снижает эффективность работы ПХУ;
в процессе регулирования нагревается весь поток, протекающий через капиллярную трубку, что вызывает необходимость применения нагревателя большой мощности.

Целью предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат, повышение эффективности холодильной установки за счет обеспечения требуемого расхода в цикле путем изменения степени охлаждения основного потока, дросселируемого в основной капиллярной трубке, регулированием расхода байпасного потока, дросселируемого в дополнительной капиллярной трубке, посредством изменения мощности электронагревателя, установленного в тепловом контакте с дополнительной капиллярной трубкой.

Поставленная цель достигается тем, что холодильная установка, содержащая объединенные в контур компрессор, конденсатор, испаритель, основную капиллярную трубку, электронагреватель, отличающаяся тем, что, с целью снижения энергозатрат и повышения эффективности холодильного цикла, она снабжена дополнительной капиллярной трубкой и двухполостным теплообменником, одна полость которого выполнена в виде змеевика основной капиллярной трубки, а другая полость включена к контур между выходом из дополнительной капиллярной трубки и всасывающей линией компрессора, причем дополнительная капиллярная трубка соединена жидкостным трубопроводом с выходом из конденсатора и имеет большее гидравлическое сопротивление, чем основная капиллярная трубка, а электронагреватель служит для подогрева дополнительной капиллярной трубки, поверхность основного и дополнительного дросселей имеет вид пустотелой втулки с винтовой нарезкой на внешней поверхности, установленной в цилиндрическом корпусе и образуемой с последним закрытые капиллярные каналы произвольного профиля.

Отличительными признаками предлагаемой парокомпрессионной холодильной установки с дроссельным регулятором расхода хладагента от прототипа является наличие двухполостного теплообменника и дополнительной капиллярной трубки, причем одной полостью двухполостного теплообменника является выполненная в виде змеевика основная капиллярная трубка, соединяющая испаритель и конденсатор, а другая полость включена в контур между выходом из дополнительной капиллярной трубки, имеющей большее гидравлическое сопротивление, чем основная, и всасывающей линией компрессора. Дополнительная капиллярная трубка установлена в тепловом контакте с электронагревателем, а вход в нее соединен с выходом из конденсатора.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "Новизна".

В известных решениях, использующих в качестве регулятора расхода хладагента капиллярную трубку, установленную между испарителем и конденсатором, регулирование расхода происходит за счет изменения гидравлического сопротивления в зависимости от переохлаждения или паросодержания хладагента перед дросселем.

Предлагаемое дроссельное устройство для парокомпрессионных холодильных машин благодаря описанному конструктивному выполнению приобретает иное свойство, не присущее известным решениям.

Благодаря этому обеспечивается эффективная работа холодильной установки в широком диапазоне тепловых нагрузок на испаритель и температур среды, охлаждающей конденсатор, и исключена возможность попадания пара в испаритель.

При изучении других технических решений было установлено, что заявляемое техническое решение имеет признаки, отличающие его от известных решений, и потому соответствует критерию "Изобретательский уровень".

В МГТУ им. Н.Э.Баумана изготовлен опытный образец регулятора расхода хладагента с основной и дополнительной капиллярными трубками. Опытный образец представляет собой двухполостной теплообменник диаметром 50 мм и длиной 150 мм, внутрь которого помещена выполненная в виде змеевика длиной 5 метров и внутренним диаметром 3,6 мм основная капиллярная трубка. Трубка намотана на пустотелую втулку так, что между корпусом теплообменника и наружной поверхностью змеевика остается зазор δ= 2 мм, образующий испарительную полость теплообменника. Дополнительная капиллярная трубка длиной 40 мм и внутренним диаметром 0,7 мм припаяна на всей своей длине к электронагревателю мощностью 200 Вт. При испытании опытный образец обеспечивал изменение расхода хладагента от 80 кг/ч до 142 кг/ч при изменении мощности электронагревателя от 0 до 150 Вт. В связи с высокой стоимостью терморегулирующих вентилей (Т.Р.В.), используемых в настоящее время в качестве основного регулятора расхода хладагента, предприятия, выпускающие холодильные установки (Одессахолодмаш, Мелитопольхолодмаш), могут применять предлагаемое изобретение в качестве замены Т.Р.В.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "Промышленная применимость".

На фиг.1 представлена конструктивная схема прототипа; на фиг.2 - конструктивная схема холодильной установки с регулятором расхода хладагента, общий вид; на фиг.3 - регулятор расхода хладагента с основной и дополнительной капиллярными трубками; на фиг.4 - вариант конструктивного исполнения регулирующего устройства.

Парокомпрессионная холодильная установка с дроссельным регулятором расхода хладагента (см. фиг.2) состоит из основной капиллярной трубки 1, дополнительной капиллярной трубки 2, теплообменника 3, маломощного электронагревателя 4, блока управления 5, термометров сопротивления 6, 7, испарителя 8, конденсатора 9, компрессора 10. Одной полостью теплообменника 3 является выполненная в виде змеевика основная капиллярная трубка 1, соединяющая испаритель 8 и конденсатор 9, а другая полость включена в контур между выходом из дополнительной капиллярной трубки 2 и всасывающей линией компрессора 10. Вход в дополнительную капиллярную трубку 2 соединен с выходом конденсатора 9, а сама дополнительная капиллярная трубка 2 установлена в тепловом контакте с электронагревателем 4.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В установившемся режиме работы значение перегрева пара на выходе из испарителя 8, измеряемое термометрами сопротивления 6, 7 или любыми другими устройствами, совпадает с заданным. При изменении условий работы (изменение тепловой нагрузки на испаритель 8, изменение давления конденсации), блок управления 5 по разнице температур кипения и пара на выходе из испарителя 8 выдает сигнал на изменение мощности нагревателя 4, вследствие чего изменяется сопротивление дополнительной капиллярной трубки 2 и подача хладагента в испарительную полость теплообменника 3. Изменение количества хладона, подаваемого в испарительную полость, приводит к изменению охлаждения основного потока, дросселируемого в основной капиллярной трубке 1 и соответственно расхода в цикле, в результате чего восстанавливается нормальное заполнение испарителя 8 (заданное значение перегрева пара). Как показывают выполненные авторами расчеты для регулирования расхода хладагента в цикле ПХУ от 50 до 100% (диапазон регулирования Т.Р.В.), необходимо обеспечить изменение расхода через дополнительную капиллярную трубку 2 в диапазоне от 0 до 10% от расхода прямого потока, что позволяет снизить мощность электронагревателя 4 по сравнению с прототипом в 10 раз.

При максимальном значении давления конденсации основная капиллярная трубка 1 полностью обеспечивает нормальное заполнение испарителя 8 хладоном. В этом режиме электронагреватель 4 обеспечивает полное запирание паровой пробкой дополнительного капилляра 2. Массовый расход пара через дополнительную капиллярную трубку 2 в случае ее полного запирания пренебрежимо мал вследствие ее высокого гидравлического сопротивления. При необходимости максимального расхода хладагента в цикле, например при минимальном значении давления конденсации или максимальной тепловой нагрузкой на испаритель 8, нагреватель 4 отключается. В данном режиме обеспечивается максимальное охлаждение основного потока и максимальный расход хладона в цикле.

Предлагаемая схема обладает следующими достоинствами:
существенное (до 10 раз) по сравнению с прототипом снижение мощности, потребляемой электронагревателем в процессе регулирования;
малые геометрические размеры, вес, металлоемкость теплообменника, что обеспечивается высоким коэффициентом теплоотдачи, как со стороны кипящего в испарительной полости хладагента, так и со стороны потока хладона, дросселируемого в основной капиллярной трубке, а также за счет большего температурного напора в теплообменнике;
исключение попадания пара из испарительной полости теплообменника в испаритель, что предотвращает снижение эффективности работы ПХУ.

Вместо основной и дополнительной капиллярных трубок может быть использовано дроссельное устройство, изображенное на фиг.4. Оно состоит из тонкостенного цилиндрического корпуса 1, внутрь которого с натягом вставлена пустотелая втулка 2, внешняя поверхность которой образует с корпусом закрытые капиллярные каналы 3 любого профиля. Изменяя шаг и глубину резьбы, можно получить практически любые характеристики дроссельного устройства.

Таким образом, предлагаемый регулятор расхода хладагента по сравнению с известными позволяет существенно снизить энергозатраты и повысить эффективность ПХУ.

Использование: в холодильной технике. Сущность изобретения: предлагаемая холодильная установка состоит из основной капиллярной трубки, дополнительной капиллярной трубки 2, теплообменника 3, маломощного электронагревателя 4, блока управления 5, термометров сопротивления 6, 7, испарителя 8, конденсатора 9, компрессора 10. Одной полостью теплообменника 3 является выполненная в виде змеевика основная капиллярная трубка, соединяющая испаритель 8 и конденсатор 9, а другая полость включена в контур между выходом из дополнительной капиллярной трубки 2 и всасывающей линии компрессора 10. Вход в дополнительную капиллярную трубку 2 соединен с выходом конденсатора 9, а сама дополнительная капиллярная трубка 2 установлена в тепловом контакте с электронагревателем 4. В установившемся режиме работы значение перегрева пара на выходе из испарителя 8, измеряемое термометрами сопротивления 6, 7, совпадает с заданным. При изменении условий работы блок управления 5 по разнице температур кипения и пара на выходе из испарителя 8 выдает сигнал на изменение мощности нагревателя 4, вследствие чего изменяется сопротивление дополнительной капиллярной трубки 2 и подача хладагента в испарительную полость теплообменника 3. Изменение количества хладона, подаваемого в испарительную полость, приводит к изменению охлаждения основного потока, дросселируемого в основной капиллярной трубке, и соответственно расхода в цикле, в результате чего восстанавливатся нормальное заполнение испарителя 8 (заданное значение перегрева пара). При максимальном значении давления конденсации основная капиллярная трубка 1 полностью обеспечивает нормальное заполнение испарителя 8 хладоном. В этом режиме электронагреватель 4 обеспечивает полное запирание паровой пробкой дополнительного капилляра 2. При необходимости максимального расхода хладагента в цикле нагреватель 4 отключается. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ПАРОКОМПРЕССИОННАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ДРОССЕЛЬНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ РАСХОДА ХЛАДАГЕНТА, содержащая объединенные в контур компрессор, конденсатор, испаритель, основную капиллярную трубку, электронагреватель, отличающаяся тем, что установка снабжена дополнительной капиллярной трубкой с гидравлическим сопротивлением большим, чем в основной капиллярной трубке, и двухполостным теплообменником, одна полость которого выполнена в виде змеевика основной капиллярной трубки, а другая полость включена в контур между выходом из дополнительной капиллярной трубки и всасывающей линией компрессора, причем дополнительная капиллярная трубка соединена жидкостным трубопроводом с выходом из конденсатора, а электронагреватель служит для подогрева дополнительной капиллярной трубки. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что поверхность основного и дополнительного дроссельных каналов имеет вид пустотелой втулки с винтовой нарезкой на внешней поверхности, установленной с натягом в цилиндрическом корпусе и образующей с последним закрытые капиллярные каналы произвольного профиля.