УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ТРАНСКРИТИЧЕСКОМ ПАРОКОМПРЕССИОННОМ ЦИКЛЕ Российский патент 1998 года по МПК F25B45/00 F25B1/00 

Настоящее изобретение относится к устройствам с парокомпрессионным циклом, таким как холодильные машины, устройства для кондиционирования воздуха и тепловые насосы, в которых используется холодильный агент, действующий в замкнутом контуре при транскритических условиях, и более точно к устройству и способу для переменного регулирования давления на стороне нагнетания в этих устройствах.

Изобретение относится к транскритическим парокомпрессионным устройствам, одно из которых является предметом заявки на Европейский патент N 89910211.5.

Обычная парокомпрессионная технология при докритических (субкритических) параметрах требует рабочего давления и температуры значительно ниже критических значений для определенного хладагента. При транскритических парокомпрессионных циклах критическое давление на стороне нагнетания циркуляционного контура превышается. Поскольку наиболее важной целью изобретения является разработка устройства и способа, облегчающих использование хладагентов, альтернативных неприемлемым для окружающей среды хладагентам, предпосылки изобретения лучше всего разъяснить, учитывая разработки, исходящие из обычной парокомпрессионной технологии.

Основные компоненты одноступенчатой паровой компрессионной установки включают компрессор, конденсатор, дроссельный или регулирующий вентиль и испаритель. К этим основным компонентам может быть добавлен регенеративный теплообменник.

Основной докритический цикл выполняется следующим образом. Жидкий хладагент частично испаряется и охлаждается, по мере того как его давление уменьшается в дроссельном вентиле. При входе в испаритель хладагент, состоящий из смеси жидкости и пара, поглощает тепло из охлаждаемой жидкости, кипит и полностью испаряется. Пар, находящийся под низким давлением, затем всасывается в компрессор, где давление поднимается до точки, при которой перегретый пар может быть подвергнут конденсации с помощью соответствующих охлаждающих сред. Сжатый пар затем поступает в конденсатор, в котором пар охлаждается и сжижается по мере того, как тепло передается в воздух, воду или другую охлаждающую текучую среду. После этого жидкость течет к дросселирующему вентилю.

Термин "транскритический цикл" обозначает холодильный цикл, который выполняется при давлении хладагента, частично ниже и частично выше критического давления хладагента. В надкритической зоне давление в большей или меньшей степени не зависит от температуры, поскольку здесь больше нет никакого состояния насыщения. Следовательно, давление можно выбирать свободно как переменный параметр. Ниже по ходу течения от выхода компрессора хладагент охлаждается, в основном, при постоянной температуре в теплообменнике с помощью хладоносителя. При охлаждении плотность однофазового хладагента постепенно увеличивается.

Изменение объема и/или мгновенного количества хладагента в системе на стороне нагнетания оказывает влияние на давление, которое определяется соотношением между мгновенным количеством и объемом.

Напротив, докритические системы функционируют (при значениях параметров) ниже критической точки хладагента и, следовательно, работают при двухфазном режиме в конденсаторе насыщенной жидкости и паре. Изменение объема на стороне нагнетания не окажет непосредственного влияния на равновесное давление насыщения.

В транскритических циклах давление на стороне нагнетания можно модулировать с целью регулирования производительности или с целью оптимизации холодильного коэффициента, и модуляция выполняется путем регулирования количества хладагента в системе и/или регулирования общего внутреннего объема системы на стороне нагнетания.

В патенте WO-A-90/07686 описывается одна из таких возможностей регулирования надкритического давления на стороне нагнетания, а именно изменение мгновенного количества хладагента в системе на стороне нагнетания контура, в то время как в настоящем изобретении используется регулирование надкритического давления, основанное на изменении объема.

Из патента Германии DE-C-898 751 известно применение сборника жидкости на стороне высокого давления для поддержания холодопроизводительности и для сглаживания колебаний температуры на стороне низкого давления во время периодов отключения компрессора. Описание относится к установке, работающей при докритическом давлении на стороне нагнетания, имеющей другое (отличное) назначение и механизм по сравнению с регулированием надкритического давления на стороне нагнетания по настоящему изобретению.

Целью настоящего изобретения является разработка устройства и способа изменения объема на стороне нагнетания транскритической парокомпрессионной установки для регулирования давления на стороне нагнетания установки.

Другой целью настоящего изобретения является разработка устройства и способа компенсации влияния утечки хладагента.

Еще одной целью настоящего изобретения является разработка элемента с переходным объемом, соединяемого при работе с обычной гидравлической системой, например, автомобиля, чтобы варьировать объем на стороне нагнетания транскритической парокомпрессионной установки.

Следующей целью настоящего изобретения является разработка элемента переменного объема, встраиваемого в любую систему управления для оптимизации давления на стороне нагнетания или регулирования производительности в транскритической парокомпрессионной установке.

Еще одной целью изобретения является разработка оборудования для уменьшения давления, когда транскритическая установка не функционирует, тем самым способствуя уменьшению веса и экономии материалов, поскольку сторона низкого давления может быть спроектирована для допустимых более низких давлений.

Еще одной целью настоящего изобретения является разработка средства и способа кондиционирования воздуха в автомобиле, когда не используют неприемлемые для окружающей среды хладагенты.

Эти и другие цели настоящего изобретения достигаются путем разработки устройства в способе функционирования в соответствии с прилагаемыми пунктами 1 9 формулы изобретения.

Различные варианты исполнения устройства в соответствии с идеей изобретения показаны на прилагаемых фиг. 1 4, в которых: фиг. 1 представляет собой схематическое изображение транскритической парокомпрессионной установки с сосудом высокого давления, содержащим внутреннюю гибкую мембрану, перемещаемую в ответ на изменение давления внешней по отношению к установке среды, занимающей заштрихованную часть сосуда высокого давления; фиг. 2 - схематическое изображение альтернативного варианта исполнения элемента переменного объема, содержащего поршень; фиг. 3 схематическое изображение третьего варианта и исполнения элемента переменного объема с элементом, представляющим собой гибкий шланг с масляным покрытием; фиг. 4 (а, б) схематически показывает еще один вариант исполнения элемента переменного объема в виде сильфона, соответственно присоединенного к циркуляционному контуру или встроенного в него.

На фиг. 1 показаны основные компоненты транскритической парокомпрессионной установки, включающей в себя изобретенное устройство и функционирующей в соответствии со способом по изобретению. Следуя по циркуляционному контуру установки, за компрессором 1 установлен охладитель газа или теплообменник 1. Изобретенный элемент 5 переменного объема подключен на стороне нагнетания циркуляционного контура и более точно между выходом компрессора 1 и входом дросселирующего вентиля 3 обычного типа, например, клапана термостата, как показано. Далее хладагент течет к испарителю 4 и затем обратно к входу компрессора.

Элемент 5 переменного объема должен быть расположен между компрессором 1 и дросселирующим вентилем 3, но не обязательно должен быть расположен точно так, как схематически показано на фиг. 1. В предпочтительном варианте исполнения, показанном на фиг. 1, элемент 5 переменного объема имеет конструкцию обычного сосуда высокого давления.

Элемент 5 переменного объема содержит внутреннюю гибкую мембрану или перегородку 6 обычной конструкции. Мембрана 6 является прилегающей или выполненной заподлицо с участками внутренней поверхности элемента 5 переменного объема и имеет возможность смещения так, чтобы разделить внутреннюю часть элемента 5 на две несообщающиеся камеры 7, 8, соотношение объемов которых определяется расположением мембраны 6.

В предпочтительном варианте исполнения изобретения мембрана или перегородка 6 выполнена с возможностью непрерывного смещения в пределах внутренней части элемента 5 переменного объема так, чтобы непрерывно изменять соотношение объемов камер 7 и 8. Хотя идея изобретения охватывает и прерывистое смещение мембраны 6, бесступенчатое или непрерывное регулирование положения мембраны 6 обеспечивает возможность более гибкого и эффективного регулирования, чем ступенчатое регулирование.

Камера 8 сообщается с клапаном 9, соединенным с гидравлической системой (не показана). С помощью клапана 9 можно регулировать количества любой жидкости, предпочтительно смазочного масла или гидравлических систем, внутри камеры 8. С целью приведения в движение гибкой мембраны 6 использовать смазочное масло для гидравлических систем или гидравлические системы удобно, но не обязательно. Идея изобретения охватывает применение для смещения мембраны или перегородки 6 механических средств, присоединенных к мембране 6, или средств, под давлением соединенных с элементом 5 переменного объема, например, газа под давлением, заполняющего камеру 8, или даже давления, создаваемого пружиной.

Когда клапан 9 обеспечивает возможность прохода регулируемых количеств смазочного масла для гидравлических систем в камеру 8, смазочное масло давит на гибкую мембрану 6 и толкает ее от клапана 9 с тем, чтобы тем самым уменьшить (осуществляя таким образом регулирование) объем камеры 7.

Камера 7 сообщается со стороной нагнетания циркуляционного контура транскритической парокомпрессионной установки. По мере того как смазочное масло для гидравлических систем пропускается в камеру 8, чтобы тем самым уменьшить объем камеры 7, хладагент, находящийся внутри камеры 7, выдавливается из камеры 7 в количестве, пропорциональном уменьшению объема камеры.

Этот выпуск хладагента из камеры 7 увеличивает давление на стороне нагнетания парокомпрессионной установки. По мере того как смазочное масло для гидравлических систем отводится через клапан 9 из камеры 8, давление масла внутри камеры 8 снижается так, что оно больше не может прижимать мембрану 6 так же далеко от клапана 9, как раньше.

Хладагент течет из циркуляционного контура в камеру 7, по мере того как мембрана 6 смещается к внутреннему проходящему в окружном направлении положению ближе к клапану 9. Тогда объем камеры 7 увеличивается, в то время как объем камеры 8 уменьшается. Тем временем давление на стороне нагнетания циркуляционного контура уменьшилось.

На фиг. 2, 3 и 4 показаны альтернативные варианты исполнения элемента 5 переменного объема. Вышеприведенное подробное описание элемента 5 переменного объема и его работы, как показано на фиг. 1, равным образом применимо к вариантам исполнения, показанным на фиг. 2 4, с соответствующими модификациями, принимая во внимание различные варианты исполнения.

На фиг. 2 показан управляющий элемент 5 переменного объема в виде цилиндра 10, имеющего головку 13. Шток 12 присоединен одним концом к механизму управления (не показан), а на другом своем конце имеет поршень 11, плотно установленный в цилиндре 10 и имеющий возможность смещаться назад и вперед или вверх и вниз в ответ на положение механизма управления. Камера 14 выполнена ограничиваемой в пределах внутренней части цилиндра 10 за счет расстояния между головкой 13 цилиндра и верхней поверхностью поршня 11, причем верхняя поверхность это та поверхность поршня, которая обращена к головке 13 цилиндра.

Камера 14 сообщается со стороной нагнетания циркуляционного контура парокомпрессионной установки, так что объем камеры занят хладагентом.

Изображенные варианты исполнения элемента 5 переменного объема показаны на фиг. 1 и 2 в положении, ответвляющемся от основного циркуляционного контура между компрессором 1 и дросселирующим вентилем 3. Это расположение в данных вариантах исполнения сбоку или с одной стороны циркуляционного контура удобно с точки зрения работы, имея в виду форму и функционирование вариантов исполнения. При данном расположении эти изображенные варианты исполнения обеспечивают возможность регулирования объема без непосредственного изменения объема самих труб по основному циркуляционному контуру. Однако расположение элементов по вариантам исполнения по фиг. 1 и 2 непосредственно внутри основного циркуляционного контура между компрессором 1 и дросселирующим вентилем 3 также охватывается идеей изобретения.

Вариант исполнения, изображенный на фиг. 3, предполагает возможность размещения элемента 5 переменного объема непосредственно вдоль циркуляционного контура, хотя элемент 5 может в соответствии с идеей изобретения также быть размещен в положении, в основном, сбоку по отношению к циркуляционному контуру. На фиг. 3 показан элемент 5 переменного объема в виде гибкого шланга 15, соединенного и сообщающегося с частями основного циркуляционного контура и окруженного герметизированной камерой 16, содержащей смазочное масло для гидравлических систем или какую-либо другую текучую среду под давлением. Герметизированная камера 16 не препятствует сообщению между шлангом 15 и основным циркуляционным контуром и не сообщается с внутренней камерой 17 шланга 15. Камера 16 предпочтительно выполнена негибкой. В своем положении шланг 15 в ответ на давление от смазочного масла, проходящего через клапан 18, может сжиматься или расширяться с тем, чтобы объем изменялся. Понятно, что этот вариант исполнения предлагает наилучшую возможность избежать захватывания смазочного масла.

Как схематично показано на фиг. 4 (а и б), также могут применяться другие элементы переменного объема, такие как, например, сильфон. Элемент 5 переменного объема показан в виде сильфона переменного внутреннего объема (камеры) 17, когда он подвергается воздействию механического управляющего устройства, смещающего средства или переменного давления внешней среды (не показано на фиг.), причем сильфон или присоединяется как ответвление к циркуляционному контуру (фиг. 4а), или располагается последовательно в качестве встроенной части циркуляционного контура (фиг. 4б).

Идея изобретения также нашла отражение в способе изменения объема стороны нагнетания внутри транскритического парокомпрессионного циркуляционного контура, несущего хладагент последовательно по ходу течения от компрессора 1 через теплообменник 2 и к дросселирующему вентилю 3. Способ включает присоединение элемента 5 с управляемым объемом к циркуляционному контуру в месте между компрессором 1 и дросселирующим вентилем 3, образование камеры 7, 14, 17 внутри элемента таким образом, что камера 7, 14, 17 сообщается с циркуляционным контуром в месте (подсоединения), установку подвижной перегородкой 6, 11, 15 внутри элемента 5 и тем самым ограничение по меньшей мере одной стороны камеры 7, 14, 17 внутри элемента, причем перегородка 6, 11, 15 выполнена с возможностью смещения между первым положением, определяющим первый объем для камеры 7, 14, 17, и вторым положением, определяющим второй объем, который больше, чем первый объем, присоединение смещающих средств 9, 12, 18 таким образом, что они сообщаются или находятся в контракте с перегородкой 6, 11, 15 и смещение перегородки 6, 11, 15 между первым и вторым положениями путем задействования смещающих средств 9, 12, 18. В предпочтительном варианте реализации способа по изобретению операция смещения выполняется непрерывно.

Путем регулирования внутреннего объема элемента 5 переменного объема регулируют давление на стороне нагнетания транскритического парового компрессионного агрегата. Это регулирование выполняется путем варьирования механического смещения перегородки 6, 11, 15 или количества текучей среды под давлением внешней по отношению к системе (то есть текучей среды, ни в какой момент времени не подвергающейся процессу сжатия пара), действующей с целью выдавливания хладагента из элемента 5 переменного объема. В случае подключения в автомобиле гидравлическая система автомобиля может быть подсоединена через клапанное устройство. Эта система регулирования объема может быть использована в любой стратегии управления для оптимизации давления на стороне нагнетания, регулирования производительности и повышения производительности.

Возможность уменьшения давления во время длительного простоя или тогда, когда устройство не работает, является особым преимуществом изобретения. Например, в случае подключения к кондиционеру воздуха в автомобиле изобретенный элемент переменного объема (имеющий различную форму, как показано в вариантах исполнения) может уменьшить давление путем увеличения объема, когда кондиционер воздуха выключен. Это желательно, поскольку высокие температуры в отсеке двигателя передаются включенному кондиционеру воздуха, тем самым увеличивая давление в нем. Путем использования изобретенного элемента переменного объема, сторона низкого давления кондиционера воздуха может быть спроектирована для допустимых более низких давлений, таким образом обеспечивая экономию материала, затрат и веса.

Использование: в холодильной технике, для кондиционирования воздуха и в тепловых насосах. Сущность изобретения: разработаны устройство и способ для варьирования давления на стороне нагнетания в транскритическом парокомпрессионном цикле с помощью элемента(ов) переменного объема, присоединенных к циркуляционному контуру. Устройство содержит элемент 5 переменного объема, имеющий камеру 14, присоединенную к стороне нагнетания и сообщающуюся с ней, чтобы обеспечить возможность входа хладагента в камеру, и подвижное перегораживающее средств 11, ограничивающее по меньшей мере одну сторону камеры 14 и смещаемое между первым и вторым положениями, соответственно определяющими первый и второй объемы хладагента внутри камеры 14. 2 с. и 7 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Устройство регулирования давления на стороне нагнетания в устройстве с парокомпрессионным циклом, функционирующем при надкритическом давлении на стороне нагнетания, содержащем компрессор, теплообменник, средство расширения и испаритель, соединенные последовательно в циркуляционном контуре, отличающееся тем, что включает по меньшей мере один элемент переменного объема, имеющий камеру, соединенную с циркуляционным контуром и свободно сообщающуюся с ним в месте (подключения) между компрессором и средством расширения, подвижное перегораживающее средство, ограничивающее по меньшей мере одну сторону камеры, причем перегораживающее средство может смещаться между первым и вторым положениями, соответственно определяя первый и второй объемы хладагента внутри камеры, и средство, внешнее по отношению к циркуляционному контуру, для смещения перегораживающего средства между первым и вторым положениями, чтобы тем самым изменять и регулировать объем хладагента внутри камеры. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент объема ограничивает полую внутреннюю часть, перегородка представляет собой гибкую мембрану, прилегающую с возможностью смещения к проходящим в окружном направлении участкам внутренней поверхности внутренней части с тем, чтобы разделить внутреннюю часть и ограничить первую камеру и вторую камеру, которые являются несообщающимися и имеют соотношение объемов, определяемое положением перегородки, подвергающейся воздействию средства под давлением, сообщающегося с второй камерой. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент объема содержит цилиндр, ограничивающий полую внутреннюю часть, и поршень, причем поршень плотно установлен внутри цилиндра и может смещаться через внутреннюю часть, образуя перегораживающее средство. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера полностью ограничена подвижным перегораживающим средством. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что подвижное перегораживающее средство представляет собой гибкий шланг. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что подвижное перегораживающее средство представляет собой сильфонную конструкцию. 7. Устройство по пп.2, 3 или 4, отличающееся тем, что смещающее средство содержит гидравлическое или пневматическое средство, сообщающееся с перегораживающим средством. 8. Устройство по одному или более предшествующим пунктам, отличающееся тем, что перегораживающее средство является непрерывно смещаемым. 9. Способ изменения давления на стороне нагнетания в устройстве с парокомпрессионным циклом, функционирующем при надкритическом давлении на стороне нагнетания циркуляционного контура, перемещающего хладагент последовательно от компрессора через теплообменник к средству расширения, отличающийся тем, что надкритическое давление на стороне нагнетания циркуляционного контура подвергают регулируемому изменению с помощью одного или нескольких элементов переменного объема, присоединенных к циркуляционному контуру в месте между компрессором и средством расширения, причем элементы содержат камеру переменного объема, свободно сообщающуюся с циркуляционным контуром.