ХОЛОДИЛЬНО-НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2000 года по МПК F25B49/02 

Изобретение относится к холодильной технике и может найти применение в комбинированных системах для охлаждения или нагрева при хранении различного вида продуктов.

В последние десятилетия в связи с сокращением производства электроэнергии на душу населения и возрастанием ее стоимости все более актуальной становится проблема энергосбережения. Одним из массовых потребителей электроэнергии является бытовая холодильная техника. Так, только в США у населения имеется более 130 млн. холодильников. Поэтому соответственно встает вопрос об энергосбережении путем сокращения энергопотребления холодильной техникой.

Известна холодильная установка, которая содержит термостатируемый шкаф, парокомпрессионный холодильный агрегат с компрессором, испарителем и конденсатором, терморегулятор с датчиком и задатчиком температуры внутри шкафа, подключенный к холодильному агрегату [1].

Эта установка должна обязательно размещаться в отапливаемых помещениях с температурой не ниже некоторого предела, определяемого значением температуры внутри шкафа для оптимального хранения продуктов и эксплуатационными требованиями на холодильный агрегат установки, а именно, требованиями на компрессор агрегата. В частности, в ГОСТе 16317-87 "Приборы холодильные электрические бытовые" указана допустимая температура помещения не ниже +16^oC.

Известно также устройство для хранения продуктов, вообще не потребляющее электроэнергии за счет использования в ней естественного холода наружного воздуха, которое содержит шкаф, размещенный в проеме стены помещения (например, под окном) и имеющий открывающиеся вручную жалюзи, выходящие как в отапливаемое помещение, так и наружу [2].

Однако в этом устройстве можно обеспечить качественное хранение продуктов с температурой в шкафу в пределах +1^oC - +8^oC лишь в ограниченный период времени в году, а именно, когда средняя температура в отапливаемом помещении и вне его лежит в тех же пределах. Кроме того, постоянство и точность выдерживания температуры внутри шкафа низки, а управление положением жалюзи, т.е. притоком в шкаф тепла или холода осуществляется вручную.

Известна, наконец, холодильно-нагревательная установка, сочетающая полезные свойства вышеописанных устройств, содержащая термостатируемый шкаф, парокомпрессионный холодильный агрегат с компрессором, электронагреватель внутреннего объема шкафа и двухканальный терморегулятор температуры внутри шкафа, соединенный своими выходами с компрессором холодильного агрегата и с электронагревателем соответственно, и имеющий датчик и задатчик температуры внутри шкафа, связанные своими выходами со входами вычитающего элемента, подключенного, в свою очередь, своим выходом ко входам каждого канала управления терморегулятора, которые имеют последовательно соединенные управляющее и исполнительное устройства [3]-прототип.

Эта установка достаточно универсальна, может размещаться как в отапливаемом и неотапливаемом помещениях, так и на открытом воздухе (например, на балконе, лоджии), либо на границе двух сред (как это предусмотрено в устройстве [3]).

При размещении такой установки в отапливаемом помещении она работает как традиционный парокомпрессионный холодильник [1] и ее энергопотребление в этом случае будет тем же. При размещении же на открытом воздухе или на границе двух сред среднесуточное энергопотребление в году установки резко снижается за счет использования естественного холода наружной среды. Так, в регионах с умеренным климатом со среднесуточной температурой наружного воздуха, лежащей в диапазоне температур наилучшего хранения продуктов (+1^oC - +8^oC), ее среднесуточное энергопотребление в году уменьшается в 2 - 3 раза. Кроме того, сохраняется точность выдерживания температуры внутри шкафа, присущая известной установке [1], и не требуется ручного управления установкой (кроме введения в терморегулятор заданного значения температуры в шкафу).

Однако такая установка имеет недостаток, связанный с ограничениями возможности ее эксплуатации на открытом воздухе в некотором диапазоне температур среды, в котором должен осуществляться процесс охлаждения (т.е. должен включаться холодильный агрегат). Но при температуре ниже предела, ограниченного условиями эксплуатации холодильного агрегата, а именно, его компрессора, как и в известной установке [1] (см. выше, где указан этот предел), эта установка функционировать не может. Поэтому в этом случае потребитель должен тщательно следить за температурой окружающей среды и своевременно при температуре ниже +16^oC отключать холодильно-нагревательную установку, что, естественно, не всегда может удовлетворить потребителя. Отмеченный недостаток в принципе возможно устранить путем применения в холодильно-нагревательной установке, размещаемой в неотапливаемом помещении или на открытом воздухе, компрессоров с меньшим значением нижней температуры эксплуатационной границы (менее +16^oC). Однако таких компрессоров, предназначенных для использования в бытовых холодильных установках, промышленность не выпускает. Поэтому требуется разработка нового класса компрессоров.

Цель настоящего изобретения - устранить отмеченный недостаток и обеспечить тем самым надежную работу холодильно-нагревательной установки во всем температурном диапазоне ее эксплуатации на наружном воздухе.

Указанная цель в предложенной установке достигается тем, что в известную холодильно-нагревательную установку, содержащую термостатируемый шкаф, парокомпрессионный холодильный агрегат с компрессором, электронагреватель внутреннего объема шкафа и двухканальный терморегулятор температуры внутри шкафа, соединенный своими выходами с компрессором холодильного агрегата и с электронагревателем соответственно и имеющий в канале управления холодильным агрегатом терморегулятора последовательно соединенные управляющее и исполнительное устройства, согласно изобретению введены электронный ключ, включенный в цепь между выходом управляющего и входом исполнительного устройства канала управления холодильным агрегатом терморегулятора, и автоматический подогреватель компрессора холодильного агрегата, связанный своим выходом с управляющим входом вновь введенного в терморегулятор электронного ключа и своим входом с выходом управляющего устройства канала управления холодильным агрегатом терморегулятора; при этом автоматический подогреватель компрессора выполнен в виде последовательно соединенных датчика температуры, закрепленного на компрессоре, порогового элемента, имеющего выход для подключения к терморегулятору, своего электронного ключа с управляемым от терморегулятора входом, исполнительного элемента и электронагревателя, закрепленного на компрессоре.

Совокупность признаков, отличающих заявленное техническое решение от прототипа, применительно к цели изобретения, авторам не известна, а каждый из признаков заявленной совокупности в известных устройствах отсутствует, что подтверждает наличие новизны и изобретательского уровня в предложенной установке.

Схема предложенной холодильно-нагревательной установки показана на чертеже.

На схеме обозначено:
1 - термостатируемый шкаф;
2 - парокомпрессионный холодильный агрегат;
3 - компрессор;
4 - электронагреватель внутреннего объема шкафа;
5 - двухканальный терморегулятор температуры внутри шкафа;
6 - датчик температуры внутри шкафа;
7 - задатчик температуры внутри шкафа;
8 - вычитающий элемент;
9, 10 - управляющие устройства каналов управления холодильным агрегатом и электронагревателем терморегулятора соответственно;
11, 12 - исполнительные устройства каналов управления холодильным агрегатом и электронагревателем терморегулятора соответственно;
13 - электронный ключ канала управления холодильным агрегатом терморегулятора;
14 - автоматический подогреватель компрессора холодильного агрегата;
15 - датчик температуры компрессора;
16 - пороговый элемент;
17 - электронный ключ подогревателя компрессора;
18 - исполнительный элемент подогревателя компрессора;
19 - электронагреватель компрессора;
I - канал управления холодильным агрегатом терморегулятора;
II - канал управления электронагревателем терморегулятора.

На схеме также обозначено:
ε - разность электрических сигналов датчика температуры 6 и задатчика 7;
θ_з- заданная температура внутри шкафа;
θ_в,θ_к- температура внутри шкафа и компрессора соответственно;
σ_x,σ_н,σ_нк- командные сигналы на исполнительные устройства каналов управления холодильным агрегатом, электронагревателя внутреннего объема шкафа терморегулятора и на исполнительный элемент автоматического подогревателя компрессора;
U_п - напряжение питания компрессора, электронагревателей шкафа и компрессора.

Выходы каналов 1 и II терморегулятора 5 подключены к компрессору 3 холодильного агрегата 2 и к электронагревателю внутреннего объема шкафа 4 соответственно. Выход вычитающего элемента 8 подключен ко входу каждого канала управления (I, II) терморегулятора 5, а его входы соединены с выходами датчика температуры внутри шкафа 6 и задатчика температуры 7. Управляющее устройство 9 и исполнительное устройство 11 канала управления II терморегулятора 5 соединены последовательно.

Управляющее устройство 10, электронный ключ 13 и исполнительное устройство канала управления I также соединены последовательно.

Датчик температуры 15 компрессора, пороговый элемент 16, электронный ключ 17 автоматического подогревателя 14 и исполнительный элемент 19 между собой соединены последовательно.

Выход порогового элемента 16 подключен к управляющему входу электронного ключа 13 терморегулятора 5, а выход управляющего устройства 10 терморегулятора 5 подключен к управляющему входу электронного ключа 17 автоматического подогревателя 14.

Холодильно-нагревательная установка работает следующим образом.

До момента включения установки температура внутри шкафа близка к температуре наружной среды, если установка полностью расположена вне отапливаемого помещения, к комнатной температуре, если установка расположена в отапливаемом помещении, либо равна некоторому среднему значению температур в отапливаемой и неотапливаемой средах, когда установка размещена на границе этих сред. Ее величина в последнем случае зависит от соотношения величин площадей поверхностей установки, расположенных в отапливаемой и неотапливаемой средах.

Предложенная холодильно-нагревательная установка в условиях отапливаемого помещения работает только в режиме охлаждения, ее функционирование аналогично известным традиционным бытовым парокомпрессионным холодильникам и подробно описано в источнике [1].

Ниже рассматривается работа установки при ее размещении на открытом воздухе, когда проявляется недостаток, отмеченный у прототипа [3], на устранение которого и направлено данное изобретение.

Перед включением установки с помощью задатчика 7 вводят в терморегулятор 5 температуру, необходимую для надежного хранения содержимого шкафа. Включают установку. Вычитающий элемент 8 формирует сигнал разности s между величинами сигналов задатчика температуры 7 и датчика температуры 6 внутри шкафа. Сигнал ε поступает на вход управляющих устройств 9 и 10 каналов управления II и I терморегулятора. Управляющие устройства 9 и 10, как это описано в источнике [3], выполнены на стандартных компараторах. Порог срабатывания управляющего устройства 9 настроен так, чтобы включение и отключение электронагревателя 4 шкафа 1 происходило при величине сигнала ε, соответствующей нижнему допустимому пределу температуры внутри шкафа (+1,5^oC - +1^oC). Порог же срабатывания управляющего устройства 10 настроен таким образом, чтобы включение и отключение холодильного агрегата 2 осуществлялось при величине сигнала ε, соответствующей допустимому верхнему пределу температуры внутри шкафа (+6^oC - +7^oC).

Если температура внутри шкафа 1 в момент включения установки выше порога, введенного в управляющее устройство 10 канала управления I терморегулятора 5, то произойдет срабатывание устройства 10 и его сигнал поступит на коммутируемый вход электронного ключа 13, выполненного, например, на транзисторе КТ315. При замкнутом состоянии ключа 13 командный сигнал σ_x управляющего устройства 10 поступит на управляющий вход исполнительного устройства 12, которое подключит электропитание U_п к компрессору 3 холодильного агрегата 2. Холодильно-нагревательная установка начнет работать в режиме охлаждения. Температура внутри шкафа 1 станет снижаться, сигнал ε уменьшаться.

В момент равенства сигнала ε порогу срабатывания устройства 10 его компаратор займет исходное положение и выдаст команду σ_x в исполнительное устройство 12 на отключение компрессора 3. В этот момент температура внутри шкафа 1 будет равна (с точностью работы терморегулятора) верхней границе регулирования температуры в шкафу (+8^oC). При изменении температуры внутри шкафа (например, из-за открывания - закрывания двери шкафа, загрузки продуктов, изменения внешней температуры, утечки "холода" за счет теплопроводности стенок шкафа) процесс включения - отключения холодильного агрегата будет повторяться и тем самым осуществляться термостатирование в режиме охлаждения.

Работа установки в режиме нагрева аналогична ее работе в режиме охлаждения с той лишь разницей, что при температуре наружной среды меньше значения нижнего предела регулирования температуры внутри шкафа и соответствующей величине разностного сигнала ε будет происходить срабатывание управляющего устройства 9 и включение и отключение электронагревателя 4. Холодильный агрегат при этом включаться не будет. Более подробно работа холодильно-нагревательной установки в обоих этих режимах описана в источнике [3].

В предложенной установке с помощью электронного ключа 13, введенного в терморегулятор, и автоматического подогревателя 14 осуществляется контроль и поддержание температуры компрессора не ниже ее эксплуатационной границы.

Это происходит следующим образом. Сигнал датчика температуры 15 (выполненного, например, на стандартном терморезисторе типа КМТ), закрепленного на компрессоре 3, поступает на вход порогового элемента 16 подогревателя 14. Пороговый элемент 16 выполнен, например, на стандартном компараторе типа К554АЗ с установленным в нем порогом срабатывания, соответствующим значению нижней эксплуатационной границы температуры окружающей среды для компрессора (в данном случае +16^oC, см. выше).

Пороговый элемент 16 своим сигналом через электронный ключ 17 (выполненный, например, также на транзисторе КТ315) автоподогревателя 14 управляет исполнительным элементом 18 автоподогревателя 14. Исполнительный элемент 18 (выполнен, например, в виде семистора стандартного типа ТС-106-10 аналогично исполнительному устройству в известной установке [3]) при наличии на его управляющем входе сигнала с выхода электронного ключа 17 (ключ замкнут, пороговый элемент 16 сработал) подает электропитание U_п на электронагреватель 19, закрепленный на компрессоре 3. Компрессор начинает подогреваться. При снятии сигнала на управляющем входе исполнительного элемента 18 (ключ 17 разомкнулся, либо пороговый элемент 16 принял исходное состояние) электропитание U_п электронагревателя 19 отключается, подогрев компрессора 3 прекращается. В дальнейшем при снижении температуры компрессора ниже допустимого эксплуатационного порога и соответственно выше порога срабатывания порогового элемента 16, пороговый элемент срабатывает и вновь включается подогрев компрессора 3. Процесс повторяется.

Положением электронного ключа 17 ("замкнут-разомкнут") управляет сигнал, поступающий на его управляющий вход от управляющего устройства 10 канала управления 1 холодильным агрегатом 2 терморегулятора 5. Ключ 17 замыкается при наличии сигнала с управляющего устройства 10 и, следовательно, при наличии команды на включение холодильного агрегата 2. Ключ 17 размыкается при отсутствии сигнала с устройства 10.

Таким образом, подогрев компрессора 3 будет осуществляться лишь при совпадении двух условий:
- температура компрессора 3 равна или меньше его допустимой нижней эксплуатационной границы (пороговый элемент 16 сработал);
- температура внутри шкафа 1 равна или выше регулируемого диапазона температуры в шкафу 1 (компаратор управляющего устройства 10 терморегулятора 5 сработал, ключ 17 замкнулся), соответственно режим охлаждения может осуществляться лишь при совпадении также двух условий, а именно:
- температура внутри шкафа 1 равна или выше верхнего диапазона ее регулирования (компаратор управляющего устройства 10 терморегулятора 5 сработал);
- температура компрессора выше его допустимой нижней эксплуатационной границы (пороговый элемент 16 принял исходное состояние, электронный ключ 13 терморегулятора 5 замкнулся).

Построение предложенной установки, во-первых, обеспечивает подогрев компрессора до температуры, не выходящей за пределы ее нижней эксплуатационной границы, во-вторых, осуществляет запрет на включение холодильного агрегата, если температура компрессора ниже допустимой, и, в-третьих, не допускает ненужного включения подогрева компрессора при температурах внутри шкафа, не требующих включения режима охлаждения.

В отличие от известной холодильно-нагревательной установки [3] в предложенной установке включение холодильного агрегата при внешних температурах, меньших нижней границы эксплуатационной температуры компрессора (+16^oC), будет происходить с некоторой задержкой по времени, потребном для прогрева компрессора.

Так, подсчитано и подтверждено экспериментом, что при мощности электронагревателя порядка 100 Вт компрессор холодопроизводительностью 100 Вт должен прогреваться 5 - 10 минут, после чего будет включаться режим охлаждения. Выбором порога сравнивания управляющего устройства 10 обеспечивается компенсация этой временной задержки и требования по точности регулирования внутри шкафа выдерживаются. Заметим, что увеличение энергопотребления в предложенной установке из-за введения подогревателя компрессора будет незначительно, поскольку, во-первых, подогрев будет работать в узком диапазоне температур наружной среды (примерно от +16^oC до +1^oC), во-вторых, при последующих (после первого) включениях подогрева компрессора в циклах включения и отключения холодильного агрегата время, потребное для подогрева компрессора, будет уменьшаться за счет накопления собственного тепла компрессора холодильного агрегата при его работе.

Таким образом, в предложенной установке сохраняется низкое энергопотребление за счет использования холода внешней среды, полностью обеспечивается ее универсальность в расширенном диапазоне изменения температуры внешней среды и дает возможность потребителю самому решать вопрос о месте размещения холодильно-нагревательной установки либо в отапливаемом помещении, либо на границе двух сред, либо на балконе, лоджии и т.д.

Учитывая вышеизложенное, есть основание утверждать, что промышленная применимость предложенного технического решения доказана.

Источники:
1. "Малые холодильные установки и холодильный транспорт", под ред. Быкова А.В. Изд. Пищевая промышленность, М., 1978 г. стр. 51-63, 76, 77.

2. Ваш домашний холодильник. Журнал "Холодильная техника" N 10, 1990 г. стр. 61
3. "Способ термостатирования внутреннего объема рабочей камеры бытовой холодильно-нагревательной установки и установка, его реализующая". Патент РФ N 2112909 на изобретение по заявке N 97100632/06 от 16.01.1997 г,

В установке осуществляется при необходимости автоматический подогрев компрессора холодильного агрегата до температуры нижней эксплуатационной границы компрессора. Подогрев компрессора не осуществляется при температурах внутри термостируемого шкафа, не требующих в установке включения режима охлаждения. Режим охлаждения в установке включается только после прогрева компрессора до температуры нижней эксплуатационной границы компрессора. Использование изобретения позволит расширить температурный диапазон эксплуатации установки, обеспечить ее надежную работу в любое время года при размещении ее на открытом воздухе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Холодильно-нагревательная установка, содержащая термостатируемый шкаф, парокомпрессионный холодильный агрегат с компрессором, электронагреватель внутреннего объема шкафа и двухканальный терморегулятор температуры внутри шкафа, соединенный своими выходами с компрессором холодильного агрегата и с электронагревателем соответственно и имеющий в канале управления холодильным агрегатом терморегулятора последовательно соединенные управляющее и исполнительное устройства, отличающаяся тем, что в установку введены электронный ключ, включенный в цепь между выходом управляющего и входом исполнительного устройств канала управления холодильным агрегатом терморегулятора, и автоматический подогреватель компрессора холодильного агрегата, связанный своим выходом с управляющим входом вновь введенного в терморегулятор электронного ключа и своим входом с выходом управляющего устройства канала управления холодильным агрегатом терморегулятора. 2. Холодильно-нагревательная установка по п.1, отличающаяся тем, что автоматический подогреватель компрессора выполнен в виде последовательно соединенных датчика температуры, закрепленного на компрессоре, порогового элемента, имеющего выход для подключения к терморегулятору, своего электронного ключа с управляемым от терморегулятора входом, исполнительного элемента и электронагревателя, закрепленного на компрессоре.