ПАРОЭЖЕКТОРНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДА В НЕЙ Российский патент 1996 года по МПК F25D31/00 F25B1/06 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к холодильным установкам и способам производства в них холода, или используемым, например, в камерах для хранения пищевых продуктов, для кондиционеров, для охлаждения элементов электронного оборудования транспортных средств, для теплоизолирующих систем предприятий.

Известна пароэжекторная холодильная машина, используемая для охлаждения овощей в вакууме (США), в льдогенераторах специального типа, для кондиционирования воздуха [1] Как и в других машинах этого типа, в ней одновременно осуществляются два цикла: прямой с превращением подводимой энергии в механическую, и обратный с использованием механической энергии для производства холода. В этой установке эжектор пароструйный компрессор сжимает холодные пары хладагента из испарителя до давления в конденсаторе и преобразует тепловую энергию рабочего пара в механическую энергию движения струи. В качестве холодильного агента в этой установке используется вода. Рабочий пар поступает в эжектор из котла. За счет кинетической энергии струи этого пара в камеру смешения эжектора засасываются из испарителя пары холодильного агента с низкой температурой и сжимаются рабочим паром до давления конденсации. Получаемый конденсат поступает через регулирующий вентиль частично в испаритель и через насос в паровой котел.

Известна пароэжекторная холодильная установка, содержащая парогенератор, последовательно связанные трубопроводами конденсатор, дроссельный вентиль и испаритель, а также эжектор, рабочее сопло которого подключено трубопроводом к парогенератору, приемная камера к испарителю, а диффузор к конденсатору [2] Последний связан с парогенератором через конденсатный насос.

Известен способ производства холода в этой пароэжекторной холодильной установке, предусматривающий кипение хладагента в испарителе с получением низкотемпературных паров за счет отвода тепла от охлаждаемого объекта, отсос и сжатие их в эжекторе до давления конденсации, ожижение в конденсаторе, дросселирование части образовавшейся жидкости в дроссельном вентиле до давления кипения и последующий подвод ее в испаритель, подачу, нагрев и кипение остальной части сконденсированной жидкости в парогенераторе за счет подвода к нему тепла с получением высокотемпературного пароэнергоносителя, поступающего к рабочему соплу эжектора [2] Тепло конденсации Q_к отдается в окружающую среду. Часть жидкости после конденсатора, предназначенная для подачи в парогенератор, сжимается до максимального в заданном диапазоне температур давления и подается туда посредством насоса.

Установки [1] и [2] и способ производства в них холода позволяют при их реализации отказаться от сжатия паров хладагента в сложном механическом устройстве с движущимися частями компрессора. Последний заменен достаточно простым струйным аппаратом-эжектором. Кроме того, в такой пароэжекторной холодильной установке основным источником энергии является тепло невысокого потенциала (80. 250^оС), что позволяет утилизировать в ней тепловые стоки промышленных производств.

Недостатком этих технических решений является то, что в них сжатие жидкого хладагента перед парогенератором осуществляют посредством насоса, что не позволяет окончательно отказаться от механических устройств с движущимися частями и использовать для них только один источник энергии тепло невысокого потенциала. Все это снижает их надежность и нарушает принцип автономности.

Известна пароэжекторная холодильная установка, содержащая конденсатор, связанный одним жидкостным трубопроводом через дроссельный вентиль с испарителем, блок накапливания жидкого хладагента и образования высокотемпературного пара-энергоносителя, включающий парогенератор, подсоединенный к рабочему соплу эжектора, приемная камера которого связана с испарителем [3]
Известен способ производства холода в этой пароэжекторной холодильной установке, предусматривающий ожижение паров хладагента в конденсаторе, дросселирование образовавшейся жидкости в дроссельном вентиле, подвод и кипение ее в испарителе с получением низкотемпературных паров за счет отвода тепла от охлаждаемого объекта, отсос и сжатие их в эжекторе додавления конденсации, аккумулирование, нагрев и кипение сконденсированной жидкости в парогенераторе за счет подвода к нему тепла с получением высокотемпературного пара-энергоносителя [3]
Эти технические решения по выполняемой функции и достигаемому результату являются наиболее близкими к заявленным по выполняемой функции и достигаемому результату. Они приняты в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Эта установка (прототип) содержит второй конденсатор, подсоединенный паровым трубопроводом к диффузору эжектора, а блок накапливания жидкого хладагента и образования высокотемпературного пароэнергоносителя в этой установке содержит второй парогенератор, подсоединенный также как и первый парогенератор к рабочему соплу эжектора. При этом второй конденсатор жидкостным трубопроводом подсоединен к первому и второму парогенераторам.

При производстве холода в прототипе парогенераторы поочередно заполняются жидким хладагентом из второго конденсатора, и тепло подается к заполненному парогенератору. После парогенератора хладагент разделяют на два потока. Один из них подают в рабочее сопло эжектора, другой к первому конденсатору.

Недостатком прототипа является наличие двух парогенераторов и двух конденсаторов, что приводит к усложнению установки и к увеличению ее массогабаритов. Связанная с этим практически непрерывная работа холодильного контура приводит к дополнительным затратам энергии, излишним для поддержания температуры охлаждаемого объекта на необходимом уровне. Кроме того, нецелесообразно кипятить и выпаривать жидкий хладагент в парогенераторе, а затем часть его вновь конденсировать в следующем по ходу потока элементе-конденсаторе. Наличие двух конденсаторов и двух парогенераторов приводит к усложнению установки и энергетическим потерям.

Настоящее изобретение направлено на устранение этих недостатков и решает техническую задачу повышения энергетической эффективности пароэжекторной холодильной установки и снижения ее массогабаритов.

Для решения этой технической задачи пароэжекторная холодильная установка, содержащая конденсатор, связанный одним жидкостным трубопроводом через дроссельный вентиль с испарителем, блок накапливания жидкого хладагента и образования высокотемпературного пароэнергоносителя, включающий парогенератор, подсоединенной к рабочему соплу эжектора, приемная камера которого связана с испарителем, отличается тем, что блок накапливания жидкого хладагента и образования высокотемпературного пара содержит подсоединенный другим жидкостным трубопроводом к конденсатору промежуточный сосуд, объем которого соответствует объему парогенератора, и установленный выше последнего, причем полости промежуточного сосуда и парогенератора сообщены трубопроводами в верхней и нижней зонах, а конденсатор паровым трубопроводом соединен с диффузором эжектора. На трубопроводе, связывающем промежуточный сосуд с конденсатором и парогенератором и последний с эжектором, установлены автоматические клапаны.

Для решения этой технической задачи способ производства холода в пароэжекторной холодильной установке, предусматривающей ожижение паров хладагента в конденсаторе, дросселирование образовавшейся жидкости в дроссельном вентиле до давления кипения, подвод и кипение ее в испарителе с получением низкотемпературных паров за счет отвода тепла от охлаждаемого объекта, отсос и сжатие их в эжекторе до давления конденсации, аккумулирование, нагрев и кипение сконденсированной жидкости в парогенераторе за счет подвода к нему тепла с получением высокотемпературного пароэнергоносителя, отличается тем, что после конденсатора жидкость разделяют на два потока и в испаритель направляют один поток, а в парогенератор другой, при этом перед парогенератором часть жидкости, предназначенную для получения пароэнергоносителя накапливают в промежуточном сосуде, а подачу жидкости в парогенератор, образование пароэнергоносителя и подачу его в эжектор осуществляют периодически в три этапа, на первом из которых при минимально допустимом уровне жидкости в парогенераторе отключают подвод к нему тепла, соединяют с промежуточным сосудом, уравновешивают давление в них и перепускают в парогенератор накопленную жидкость до максимально допустимого уровня, на втором этапе отсоединяют парогенератор от промежуточного сосуда и эжектора и подвод тепла и получение пароэнергоносителя обеспечивают на этом этапе до достижения в парогенераторе заданного максимального давления пара, а на третьем этапе продолжают подводить тепло к парогенератору и соединяют его с рабочим соплом эжектора, обеспечивая поступление пара к последнему и отсос им низкотемпературного пара из испарителя, при этом накапливание жидкости в промежуточном сосуда осуществляют до тех пор, пока уровень жидкости в парогенераторе не понизится до минимально допустимого.

На чертеже представлена схема пароэжекторной холодильной установки применительно к одному из вариантов ее использования для охлаждения воздуха в помещении (например, камере хранения продуктов).

Установка содержит конденсатор 1, связанный одним жидкостным трубопроводом 2 через дроссельный вентиль 3 с испарителем 4, блок накапливания жидкого хладагента и образования высокотемпературного пароэнергоносителя, включающий подсоединенный другим жидкостным трубопроводом 5 к конденсатору 1 промежуточный сосуд 6 и парогенератор 7.

Промежуточный сосуд 6 установлен выше парогенератора 7 и объем первого соответствует объему второго. Полости промежуточного сосуда 6 и парогенератора 7 сообщены трубопроводами 8 и 9 соответственно в верхней и нижней зонах. Парогенератор 7 посредством трубопровода 10 подсоединен к рабочему соплу эжектора 11, приемная камера которого связана трубопроводом 12 с испарителем 4, а конденсатор 1 паровым трубопроводом 13 соединен с диффузором эжектора 10. На трубопроводах 5, 8 и 9, связывающих промежуточный сосуд 6 с конденсатором 1 и парогенератором 7, и на трубопроводе 10, связывающем парогенератор 7 с эжектором 11, установлены автоматические клапаны соответственно 14-17. Промышленный сосуд 6 может быть выполнен с мерным стеклом 18. Подвод тепла Q_пг к парогенератору 7 может быть осуществлен, например, посредством электроподогрева. Также может быть использовано тепло от любого источника, в том числе от утилизируемых тепловых стоков. Для контроля давления в парогенераторе 7 может быть использован манометр 19.

Объемы парогенератора 7 и промежуточного сосуда 6, их первоначальное заполнение и расположение по высоте рассчитываются таким образом, чтобы полная заправка парогенератора 7 осуществлялась самотеком и в соответствии с временными характеристиками этапов работы. В целях безопасности парогенератор 7 снабжен предохранительным клапаном 20.

Способ производства холода в данной пароэжекторной холодильной установке осуществляют следующим образом.

Пары хладагента ожижаются в конденсаторе при давлении Р_к за счет отвода в окружающую среду через его оребренную наружную поверхность тепла конденсации Q_к. После конденсатора 1 жидкость разделяют на два потока. Один поток образовавшейся жидкости дросселируют в дроссельном вентиле 3 до давления кипения Р_о, подводят в испаритель 4, где она кипит с получением низкотемпературных паров за счет отвода тепла Q_о от охлаждаемого объекта, например из охлаждаемого помещения. Низкотемпературный пар отсасывается и сжимается до давления конденсации Р_к эжектором 11, откуда поступает в конденсатор 1.

Другой поток жидкого хладагента из конденсатора направляют в парогенератор 7 для образования высокотемпературного пара, и используемого в качестве энергоносителя для эжектора 11. При этом согласно данному способу предварительно проводят аккумулирование (накапливание) жидкого хладагента в промежуточном сосуде 6, для чего этот хладагент направляют из конденсатора 1 по трубопроводу 5 через автоматический клапан 14, регулирующий его расход, в отключенный от парогенератора посредством автоматических клапанов 15 и 16 промежуточный сосуд 6.

Рабочий режим осуществляется до тех пор, пока уровень жидкого хладагента в промежуточном сосуде 6 не поднимется до верхнего заданного уровня (до отметки Н₁), а уровень в парогенераторе 7, расположенном ниже промежуточного сосуда 6, не снизится до минимально допустимого (от Н₂ до Н₃).

Подачу жидкости в парогенератор 7, образование высокотемпературного пароэнергоносителя и подачу его в эжектор 11 согласно данному способу осуществляют периодически в три этапа.

На первом этапе при минимально допустимом уровне жидкости в парогенераторе 7 отключают подвод к нему тепла, открывают автоматические клапаны 15 и 16 и соединяют его с промежуточным сосудом 6, выравнивая таким образом давление в них (при еще некоторое время продолжающийся затухающей работе эжектора 11), и перепускают в парогенератор 7 накопленную жидкость до максимально допустимого уровня Н₂.

На втором этапе закрывают клапаны 15-17, отсоединяют парогенератор 7 от промежуточного сосуда 6 и эжектора 11 и обеспечивают подвод тепла. За счет этого тепла жидкий хладагент кипит и давление в парогенераторе 7 поднимается до максимального в цикле давления Р_пг, определяемого по манометру 19. На третьем этапе продолжают подводить тепло к парогенератору 7.

Автоматический клапан 17 открывается и парогенератор 7 соединяется с рабочим соплом эжектора 11, обеспечивая поступление к последнему высокотемпературного пароэнергоносителя и отсос им низкотемпературного пара из испарителя 4. Начинается этап охлаждения. Установка вышла на рабочий режим. Накапливание жидкости в промежуточном сосуде 6 осуществляется до тех пор, пока уровень жидкости в парогенераторе 7 не понизится до минимально допустимого.

Способ производства холода на данной пароэжекторной холодильной установке иллюстрируется следующим примером.

В качестве хладагента использован толуол.

Температурный диапазон: температура кипения в испарителе t_o 1,5.8^оC, температура кипения в парогенераторе 7 t_пг80.100^оС, температура конденсации t_к ≈30^оС. Диапазоны давления (соответственно температурам): минимальное Р_о1,0. 1,5 кПа, максимальное Р_пг 40.80 кПа, конденсации Р_к ≈ 5,0.6,0 кПа. Подведенное подогревом тепло Q_пг 250.300 Вт, холодопроизводительность установки Q_o20.30 Вт, тепловой коэффициент ε_т(Q_п/Q_пг) 8.10% коэффициент эжекции U 0,1.

Время заправки и выхода на режим 30.40 мин, время работы в режиме охлаждения 1,5.2 ч.

Объемы парогенератора и промежуточного сосуда V_пг ≈ V_пс 5·10^-3 м³. Для устойчивой работы стенда в режиме охлаждения открытие клапана 14 должно быть таким, чтобы обеспечить уровень жидкости в конденсаторе Δ h_к 30.40 мм.

Как видно из этого примера, результаты свидетельствуют о работоспособности предлагаемой установки и возможности осуществления на ней предлагаемого способа производства холода. Полученные тепловой коэффициент и коэффициент эжекции находятся в пределах, характерных для пароэжекторной холодильной установки, работающей в приведенном диапазоне параметров. При этом установка работает без механического насоса с движущимися частями специальным приводом. Несмотря на периодичность работы, средняя температура охлаждаемого объекта не превышает 14.18^оС, что на 12.16^о ниже температуры окружающей среды.

Замена одного из парогенераторов в прототипе более простым и лишенным поверхности нагрева промежуточным сосудом, отказ от лишнего конденсатора, предлагаемая схема соединения элементов установки в организации периодической поэтапной подачи жидкости в парогенератор, образования высокотемпературного пароэнергоносителя и поступления его в эжектор обеспечивают снижение энергозатрат при производстве холода и снижение массы и габаритов установки.

Использование: при производстве пароэжекторными холодильными установками холода для хранения пищевых продуктов, кондиционеров, охлаждения элементов электронного оборудования транспортных средств и так далее. Сущность: установка содержит конденсатор, связанный одним жидкостным трубопроводом через дроссельный вентиль с испарителем, подсоединенным к приемной камере эжектора, а другим жидкостным трубопроводом через промежуточный сосуд с парогенератором, подсоединенным к рабочему соплу эжектора. Паровым трубопроводом конденсатор соединен с диффузором эжектора. Объем промежуточного сосуда соответствует объему парогенератора, первый из них установлен выше второго. Полости их сообщены трубопроводами в верхней и нижней зонах. Способ производства холода пароэжекторной холодильной установки предусматривает ожижение паров хладагента в конденсаторе, дросселирование одного потока, подачу жидкости в испаритель, кипение ее с отводом тепла от охлаждаемого объема. Другой поток жидкости из конденсатора через промежуточный сосуд подают в парогенератор, где осуществляют нагрев и кипение жидкости с образованием высокотемпературного пароэнергоносителя, поступающего к рабочему соплу эжектора и обеспечивающего подсос низкотемпературных паров хладагента из испарителя. Пары хладагента поступают в конденсатор. При этом подачу жидкости в парогенератор, образование пароэнергоносителя и подачу его в эжектор осуществляют периодически в три этапа. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Пароэжекторная холодильная установка, содержащая конденсатор, связанный одним жидкостным трубопроводом через дроссельный вентиль с испарителем, блок накапливания жидкого хладагента и образования высокотемпературного пароэнергоносителя, включающий парогенератор, подсоединенный к рабочему соплу эжектора, приемная камера которого связана с испарителем, отличающаяся тем, что блок накапливания жидкого хладагента и образования высокотемпературного пароэнергоносителя содержит подсоединенный другим жидкостным трубопроводом к конденсатору промежуточный сосуд, объем которого соответствует объему парогенератора, установленный выше последнего, причем полости промежуточного сосуда и парогенератора сообщены трубопроводами в верхней и нижней зонах, а конденсатор паровым трубопроводом соединен с диффузором эжектора. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на трубопроводах, связывающих промежуточный сосуд с конденсатором и парогенератором и последний с эжектором, установлены клапаны. 3. Способ производства холода в пароэжекторной холодильной установке, предусматривающий ожижение паров хладагента в конденсаторе, дросселирование образовавшейся жидкости в дроссельном вентиле до давления кипения, подвод и кипение ее в испарителе с получением низкотемпературных паров за счет отвода тепла от охлаждаемого объекта, отсос и сжатие их в эжекторе до давления конденсации, аккумулирование, нагрев и кипение сконденсированной жидкости в парогенераторе за счет подвода с нему тепла с получением высокотемпературного пароэнергоносителя, отличающийся тем, что после конденсатора жидкость разделяют на два потока и в испарителе направляют один поток, а в парогенератор другой, при этом перед парогенератором часть жидкости, предназначенную для получения пароэнергоносителя, накапливают в промежуточном сосуде, а подачу жидкости в парогенератор, образование пароэнергоносителя и подачу его в эжектор осуществляют периодически в три этапа, на первом из которых при минимально допустимом уровне жидкости в парогенераторе отключают подвод к нему тепла, соединят с промежуточным сосудом, уравновешивают давление в них и перепускают в парогенератор накопленную жидкость до максимально допустимого уровня, на втором этапе отсоединяют парогенератор от промежуточного сосуда и эжектора и подвод тепла и получение пароэнергоносителя обеспечивают на втором этапе до достижения в парогенераторе заданного максимального давления пара, а на третьем этапе продолжают подводить тепло к парогенератору и соединяют его с рабочим соплом эжектора, обеспечивая поступление пара к последнему и отсос им низкотемпературного пара из испарителя, при этом накапливание жидкости в промежуточном сосуде осуществляют до тех пор пока уровень жидкости в парогенераторе не понизится до минимального допустимого.