СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА СТОРОНЕ НАГНЕТАНИЯ В УСТАНОВКЕ ПАРОКОМПРЕССИОННОГО ЦИКЛА СО СВЕРХКРИТИЧЕСКИМ СЖАТИЕМ ПАРА (ВАРИАНТЫ) И УСТАНОВКА ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F25B41/06 F25B1/00 F25B30/02 

Изобретение касается устройств с циклом паровой компрессии, как например, холодильные установки, установки кондиционирования воздуха и теплонасосные установки, работающие в транскритических режимах, и, в частности способа регулирования давления на стороне нагнетания, поддерживая тем самым оптимальный режим работы в отношении расхода энергии.

В одновременно рассматриваемой заявке РСТ, публикация NWO 90/07683, описывается устройство с транскритическим циклом паровой компрессии и способ регулирования его производительности, основанный на модуляции сверхкритического давления на стороне нагнетания. Устройство содержит компрессор, газоохладитель (конденсатор), внутренний теплообменник, испаритель и ресивер. Регулирование производительности достигается за счет изменения наличного количества жидкости в приемнике хладагента низкого давления, установленного посередине между испарителем и компрессором, где между выходом стороны нагнетания внутреннего теплообменника и впуском испарителя дроссельный клапан используется в качестве средства управления.

Обширные испытания, проведенные недавно на прототипе устройства с транскритической компрессией пара, показали, что для некоторых специфических применений настоящего изобретения, например, в передвижных установках кондиционирования воздуха, работающих при изменяющихся нагрузках и режимах, давление на стороне нагнетания меньше, чем при полной производительности, должно регулироваться в соответствии с действительными режимами работы (нагрузкой) устройства, чтобы достичь минимального расхода энергии при заданном требовании к производительности. Действительные режимы работы могут определяться температурами или требованиями к производительности. Может использоваться любая имеющаяся в данной области система регулирования производительности, как отдельно и независимо от дроссельного клапана, осуществляющего управление в описанной схеме для регулирования холодопроизводительности или теплопроизводительности. Следовательно, было необходимо разработать новую стратегию управления дроссельным клапаном для достижения оптимальной работы в отношении расхода энергии описанного устройства с паровой компрессией.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание нового простого способа и средства для регулирования давления на стороне нагнетания в схеме транскритического сжатия пара для достижения минимального расхода энергии и оптимального режима работы системы.

Вышеуказанная и другие цели настоящего изобретения достигаются благодаря предусмотрению стратегии управления для дроссельного клапана в схеме транскритического сжатия пара, основанной на использовании заданных величин оптимального давления на стороне нагнетания, соответствующих установленным фактическим режимом работы схемы. В предпочтительном варианте настоящего изобретения определение режимов работы осуществляется путем измерения температуры на выходе из газоохладителя (конденсатора) или возле него и положение клапана модулируется на заданное установленное давление с помощью соответствующей системы управления. 1
На фиг.1 графически изображена теоретическая зависимость между холодопроизводительностью (Q_o), мощностью на валу компрессора (F) и их соотношением (COP) в цикле транскритического цикла сжатия пара при изменяющихся давлении на стороне нагнетания, при постоянных температуре испарения и температуре выходящего из газоохладителя хладагента
На фиг. 2 графическое изображение теоретической зависимости между оптимальным давлением на стороне нагнетания, обеспечивающим максимальное соотношение между хладопроизводительностью и мощностью на валу, и температурой выходящего из газоохладителя (конденсатора) хладагента при трех различных температурах испарения.

На фиг. 3 схематичное изображение устройства с транскритическим циклом сжатия пара, выполненного в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения.

Хорошо известной особенностью транскритических циклов (работающих с хладагентом, который сжимается до сверхкритического давления на стороне нагнетания) является то, что холодильный коэффициент COP, определяемый как отношение холодопроизводительность к мощности, прикладываемой к валу компрессора, может быть повышена за счет увеличения давления на стороне нагнетания, тогда как температура хладагента на выходе из газоохладителя (конденсатора) поддерживается в основном постоянной. Это может быть проиллюстрировано с помощью обычной P1-диаграммы. Однако, COP увеличивается с увеличением давления на стороне нагнетания только до определенного уровня, а затем начинает уменьшаться, так как чрезмерное охлаждающее действие больше не компенсируется полностью за счет дополнительной работы сжатия.

Таким образом, для каждой группы фактических режимов работы, определенных, например, с помощью температуры испарения и температуры хладагента на выходе газоохладителя (конденсатора) может быть получен график, показывающий хладопроизводительность (Q_o), мощность (P) на валу компрессора и их отношение (COP) в зависимости от давления на стороне нагнетания. На фиг.1 представлен такой график, построенный для хладагента CO₂ при постоянных температурах испарения и на выходе газоохладителя, основанный на расчетах теоретического цикла. При определенном давлении на стороне нагнетания, соответствующем p' на фиг.1, COP достигает максимума, как показано.

Путем объединения этих результатов, т. е. соответствующих данных для температуры хладагента на выходе из газоохладителя (конденсатора), температуры испарения и давления на стороне нагнетания, обеспечивающим максимальный COP (p') при изменяющихся режимах работы, получается новая группа данных, как показано на фиг.2, которая может быть использована в стратегии управления дроссельного клапана. Путем регулирования давления на стороне нагнетания в соответствии с этим графиком будет всегда поддерживаться максимальное соотношение между хладопроизводительностью и мощностью на валу компрессора.

При режимах максимальной нагрузки по-прежнему будет целесообразно, чтобы система работала при давлении на выходе или нагнетании, которое выше уровня, соответствующего максимальному COP для короткого периода времени с целью ограничения требуемого объема компрессора и тем самым капитальных затрат, а также общего расхода энергии. Однако в режимах низких нагрузок сочетание уменьшенного давления на стороне нагнетания до заданного оптимального уровня и регулирование производительности, осуществляемое отдельной системой управления, будет обеспечивать минимальный расход энергии.

Поскольку изменяющаяся температура испарения оказывает существенное воздействие только на температуру хладагента на выходе из газоохладителя (конденсатора), то ею можно пренебречь на практике. Таким образом, выявленная температура хладагента на выходе газоохладителя (конденсатора) или какая-либо другая температура или параметр, соответствующие им (например, температура подаваемой охлаждающей воды, температура окружающего воздуха, тепловая нагрузка или расход холода) будет единственно важным параметром, необходимым в качестве вводных данных для управления дроссельным клапаном.

Использование регулятора противодавления (всасывания) в качестве дроссельного клапана может дать ряд преимуществ, заключающихся в том, что достигается внутренняя компенсация изменяющихся потока массы холодильного агента и плотности. Дроссельный клапан с регулированием противодавления будет поддерживать давление на выходе, т.е. давление на стороне нагнетания, на заданной величине независимо от потока массы холодильного агента и температуры поступающего хладагента. Затем, контрольная точка регулятора противодавления регулируется с помощью привода, работающего в соответствии с заданной схемой регулирования, приведенной выше.

Пример 1. На фиг.3 изображен предпочтительный вариант транскритической холодильной схемы, содержащей компрессор 10, последовательно соединенный с газоохладителем 11 (конденсатором), внутренний противоточный теплообменник 12 и дроссельный клапан 13. Испаритель 14 и приемник 16 (ресивер) жидкости низкого давления соединены между дроссельным клапаном и компрессором. Температурный датчик на выходе 5 холодильного агента из газоохладителя (конденсатора) дает информацию о режимах работы схемы в систему управления 7, например, в микропроцессор. Дроссельный клапан 13 снабжен приводом 9 и положение клапана автоматически регулируется в соответствии с заданными характеристиками установленного давления с помощью системы управления.

Пример 2. Как показано на фиг.3, схема теперь снабжена дроссельным клапаном 13, основанным на простом механическом регулировании противодавления, что позволяет обойтись без микропроцессора и электронного управления клапаном, показанным на фиг.1. Регулятор снабжен термочувствительным баллоном 5, установленным на или возле выхода холодильного агента из газоохладителя (конденсатора).

С помощью мембранного устройства давление, получаемое от термочувствительного баллона, механически регулирует контрольную точку регулятора обратного давления в соответствии с температурой холодильного агента, выходящего из газоохладителя (конденсатора). За счет регулирования усилий пружин и заряда в баллоне 5 может быть достигнута соответствующая зависимость между температурой и давлением в фактическом диапазоне регулирования.

Пример 3. Схема основывается на одной из концепций управления дроссельного клапана, описанных в Примерах 1 или 2, за исключением только установки температурного датчика или чувствительной колбы на выходе холодильного агента из газоохладителя, при этом датчик или чувствительная колба замеряет температуру подаваемого холодильного агента, которому отдается тепло. За счет противоточного теплообмена существует связь между температурами выходящего из газоохладителя (конденсатора) холодильного агента и входящей охлаждающей среды, когда температура выходящего холодильного агента близко следует за температурой, входящей охлаждающей среды. Используемой охлаждающей средой обычно является окружающий воздух или охлаждающая вода.

Хотя настоящее изобретение было показано и описано на чертежах и в вышеприведенном описании с помощью предпочтительных вариантов, однако, будет очевидно, что могут иметь место различные изменения и модификации, не выходящие за пределы сущности и объема настоящего изобретения, как приведено в прилагаемой формуле изобретения, как приведено в прилагаемой формуле изобретения. Таким образом, например, в любой из концепций, описанных в Примерах 1 или 2, сигнал от температурного датчика или термочувствительного баллона может быть заменен сигналом, представляющим желаемую холодопроизводительность или теплопроизводительность системы. Вследствие соответствия между окружающей температурой и нагрузкой, этот сигнал может служить в качестве основы для регулирования заданного значения давления дроссельным клапаном.

Использование: в холодильной технике. Сущность изобретения: устройство с циклом сжатия пара, работающее при сверхкритическом давлении на стороне нагнетания схемы, содержащей компрессор (10), газоохладитель (11), внутренний теплообменник (12), дроссельный клапан (13), испаритель (14), приемник холодильного агента низкого давления, дополнительно снабжено средством (5) для определения по крайней мере одного режима работы схемы, предпочтительно для определения параметра, представляющего температуру холодильного агента возле выхода из газоохладителя (11). 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регулирования давления на стороне нагнетания в установке парокомпрессионного цикла со сверхкритическим сжатием пара, содержащей последовательно установленные в циркуляционном контуре компрессор, охладитель газа, внутренний теплообменник, дроссельный вентиль, испаритель и ресивер холодильного агента низкого давления, отличающийся тем, что определяют по меньшей мере один из фактических режимов цикла и регулируют сверхкритическое давление на стороне нагнетания в соответствии с заданной группой величин для достижения минимального расхода энергии установки при заданных требованиях к производительности. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулирование сверхкритического давления на стороне нагнетания осуществляют путем регулирования положения дроссельного вентиля. 3. Способ регулирования давления на стороне нагнетания в установке парокопрессионого цикла со сверхкритичнским сжатием пара, содержащей последовательно установленные в циркуляционном контуре компрессор, охладитель газа, внутренний теплообменник, дроссельный вентиль, испаритель и ресивер холодильного агента низкого давления, отличающийся тем, что определяют по меньшей мере один из фактических рабочих режимов цикла и регулируют положение дроссельного вентиля в соответствии с заданным набором величин для достижения минимального расхода энергии установкой при заданных требованиях к производительности. 4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что определение режимов работы осуществляют путем измерения температуры холодильного агента на выходе из охладителя газа. 5. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что в качестве холодильного агента используют двуокись углерода. 6. Установка парокомпрессионного цикла со сверхкритическим сжатием пара, содержащая последовадельно установленные в цикруляционном контуре компрессор, охладитель газа, внутренний теплообменник, дроссельный вентиль, испаритель и ресивер холодильного агента низкого давления, отличающаяся тем, что установка снабжена устройством для определения по меньшей мере одного режима работы цикла и средством управления, взаимодействующим с определяющим устройством и дроссельным клапаном для модуляции сверхкритического давления на стороне нагнетания путем регулирования величины открытия дроссельного клапана в зависимости от определенного режима работы в соответствии с заданной группой величин высокого давления. 7. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что определяющее устройство снабжено средством для измерения величины температуры холодильного агента на выходе из охладителя газа. 8. Установка по п. 6 или 7, отличающаяся тем, что дроссельный вентиль выполнен с возможностью регулирования противодавления с изменяющейся контрольной точкой, электронно регулируемой с помощью микропроцессора. 9. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что дроссельный вентиль выполнен с возможностью регулирования противодавления с изменяющейся контрольной точкой и снабжен термочувствительным баллоном, установленным на выходе из охладителя, или рядом с ним, или в другом месте, имеющем температуру, характеризующую режим работы контура, и мембранным устройством, регулирующим контрольную точку в требуемом соотношении температуры баллона.