ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2000 года по МПК F25B1/00 

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к холодильным установкам, обеспечивающим охлаждение технологического продукта, и может быть использовано во всех отраслях пищевой промышленности, занятых переработкой сырья и продукции растительного и животного происхождения, а также в других отраслях промышленности и в системах кондиционирования воздуха, преимущественно расположенных в районах с резко изменяющейся сезонной и суточной температурой окружающей среды, где при круглосуточной работе холодильной установки средняя температура окружающей среды за ночной период времени суток существенно ниже средней температуры окружающей среды за дневной период времени суток, при наличии в дневном периоде времени максимальных пиков температуры.

Известна холодильная установка (см. US 5297397, кл. F 25 В 27/02, 1994), в которой предлагается при повышении температуры окружающей среды вводить в схему установки охлаждаемый жидкостью дополнительный, по отношению к основному воздушному, водяной конденсатор. При включении в работу водяного конденсатора корректируется давление и температура конденсации и обеспечивается работа холодильной установки при допустимом максимальном давлении конденсации.

К недостаткам известной установки следует отнести работу компрессора в интервале времени при допустимом максимальном давлении конденсации, что приводит к значительному расходу мощности на привод компрессора из-за высокой степени сжатия хладагента, и нахождение оборудования под силовым воздействием максимального давления конденсации. Известна система регулирования давления конденсации (см. US 4566288, кл. F 25 B 41/00, 1986), в которой осуществляется регулирование давления конденсации в компрессионной холодильной машине с конденсатором, охлаждаемым наружным воздухом. Сезонные и суточные колебания температуры наружного воздуха приводят к существенным колебаниям давления конденсации, оказывающим влияние на работу холодильной машины. Система содержит компрессор, конденсатор, два ресивера и испаритель. Параллельно конденсатору и первому ресиверу размещена байпасная линия с регулятором давления "после себя". Понижение температуры окружающей среды приводит к переохлаждению хладагента и понижению давления конденсации. При этом регулятор байпасной линии открывается, обеспечивая подачу парообразного хладагента из компрессора непосредственно в паровую полость второго ресивера. Уровень жидкого хладагента в конденсаторе повышается, часть теплообменной поверхности затапливается жидким хладагентом и температура, а соответственно и давление конденсации, повышается. Первый ресивер имеет объем порядка 1/20 от объема второго ресивера и датчик уровня. Если уровень жидкого хладагента в первом ресивере мал, то управляющее устройство релейного типа отключает второй ресивер и жидкий хладагент подается в испаритель после первого ресивера. По достижении заданного уровня жидкого хладагента в первом ресивере включаются соленоидные вентили, последовательно подключающие второй ресивер. Этим обеспечивают стабильное давление конденсации, поскольку при понижении температуры и падении давления ухудшается подача хладагента в испаритель.

К недостаткам известной холодильной установки следует отнести то, что если давление конденсации становится выше допустимого среднего, система на такое изменение не реагирует, и повышение давления допускается, поскольку предусматривается создание постоянного давления, без понижения давления конденсации.

Известна холодильная установка (см. DE 2945495, кл. F 28 21/00, 1994), в которой предлагается устройство для нагревания воды, в котором утилизируется теплота, отводимая от конденсатора крупных холодильных установок. Аккумулятором служит вертикальный цилиндрический резервуар с теплоизолированными стенками. Внутри резервуара размещен змеевик, в верхнюю часть которого подается перегретый хладагент, а холодная вода подается в нижнюю часть резервуара. Если горячая вода из резервуара долго не расходуется, то вся вода в резервуаре прогревается и хладагент не конденсируется, в этом случае датчик включает вентилятор и конденсация хладагента происходит в конденсаторе. Змеевик рекомендуется выполнять с двойными стенками, и в случае их разрушения датчики должны подавать сигнал.

К недостаткам известной установки следует отнести зависимость режима работы холодильной установки от потребностей в расходе горячей воды, причем необходимость получения горячей воды изначально предусматривает работу холодильной установки при допустимом максимальном давлении конденсации, в связи с чем змеевик выполняют с двойными стенками, и в случае их разрушения об этом подается сигнал. Работа компрессора в интервале времени при допустимом максимальном давлении конденсации приводит к значительному расходу мощности на привод компрессора из-за высокой степени сжатия хладагента.

Ближайшим аналогом изобретения является установка для охлаждения жидкости (см. SU 1168782, кл. F 25 В 1/00, 1985), содержащая замкнутый циркуляционный контур хладагента, состоящий из компрессора, конденсатора, дросселирующего устройства, испарителя, и связанный с конденсатором контур охлаждающей внешней среды с насосом и градирней, а также датчики температуры, установленные в обоях контурах.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение степени безопасности и экономичности холодильной установки за счет сокращения энергозатрат на производство холода путем обеспечения значений температур конденсации ниже нормативно установленных, а давлений конденсации - существенно ниже предельно допустимых по условиям изготовления оборудования установки за счет эффекта фазового перехода теплоаккумулирующего вещества, температура которого ниже температуры конденсации холодильного агента.

Поставленная задача достигается тем, что заявляемая холодильная установка выполнена таким образом, что содержит замкнутый циркуляционный контур хладагента, состоящий из компрессора, конденсатора, дросселирующего устройства, испарителя, и связанный с конденсатором контур охлаждающей внешней среды с насосом и градирней, а также датчики температуры, установленные в обоих контурах, при этом установка снабжена линейным ресивером, резервуаром, установленным в контуре охлаждающей внешней среды, теплообменником, размещенным внутри резервуара и установленным в контуре хладагента между компрессором и линейным ресивером, герметичной емкостью, заполненной теплоаккумулирующим веществом с температурой фазового перехода (плавления) ниже максимально допустимой температуры конденсации хладагента и размещенной в резервуаре, датчиками давления, установленными в обоих контурах, и многоходовыми кранами, причем теплообменник помещен внутри герметичной емкости, а многоходовые краны установлены в контуре хладагента после компрессора между конденсатором и резервуаром перед линейным ресивером и подключены через элементы управления к датчику давления хладагента, установленному на конденсаторе, а в контуре охлаждающей среды многоходовой кран установлен после насоса перед конденсатором и резервуаром и подключен через элементы управления к датчику температуры, расположенному перед насосом.

Герметичная емкость заполнена теплоаккумулирующим веществом с температурой фазового перехода (плавления) ниже максимально допустимой температуры конденсации хладагента, например, п-октадекан [(CH₂)₁₆CH₃OH₃. Полость между герметичной емкостью и стенками резервуара введена в контур внешней охлаждающей среды между насосом и градирней параллельно конденсатору. В холодильной установке установлены многоходовые краны: один кран в контуре хладагента после компрессора между конденсатором и резервуаром, другой кран - перед линейным ресивером, а третий кран установлен в контуре охлаждающей среды после насоса перед конденсатором и резервуаром.

Размещение в резервуаре с установленным внутри него теплообменником, введенным в контур хладагента между компрессором и линейным ресивером, дополнительной герметичной емкости, внутри которой находится помещенный в резервуар теплообменник, и заполнение герметичной емкости теплоаккумулирующим веществом с температурой фазового перехода (плавления) ниже максимально допустимой температуры конденсации хладагента, например, п-октадекан (CH₂)₁₆CН₃OH₃ и размещение в холодильной установке многоходовых кранов, один из которых установлен в контуре хладагента после компрессора между конденсатором и резервуаром, другой - в том же контуре хладагента перед линейным ресивером, а третий кран установлен в контуре охлаждающей среды после насоса перед конденсатором и резервуаром, при этом первый и второй многоходовые краны подключены через элементы управления к датчику давления хладагента, установленному на конденсаторе, а третий многоходовой кран подключен через элементы управления к датчику температуры, установленному перед насосом, позволяет:
- обеспечить поддержание постоянства температуры и давления конденсации хладагента в холодильной установке при круглосуточной работе холодильной установки в условиях резкого суточного изменения температуры окружающей среды, путем перераспределения массы хладагента, циркулирующего в контуре циркуляции хладагента, предотвратив достижение значений температур конденсации выше нормативно установленных, а давлений конденсации - близких к предельно допустимым по условиям изготовления оборудования установки;
- повысить уровень безопасности холодильной установки путем обеспечения значений температур конденсации ниже нормативно установленных, а давлений конденсации - существенно ниже предельно допустимых по условиям изготовления оборудования установки;
- обеспечить экономичность работы холодильной установки за счет сокращения энергозатрат на производство холода, исключив работу компрессора холодильной установки при высоких степенях сжатия, характеризуемых низкими значениями коэффициентов подачи и индикаторного КПД.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема заявляемой холодильной установки; на фиг. 2 - порядок установки многоходовых кранов в соответствующих режимах работы.

Холодильная установка (по фиг. 1) содержит в замкнутом циркуляционном контуре 1 хладагента компрессор 2, конденсатор 3, линейный ресивер 4, дросселирующее устройство 5, испаритель 6 и связанный с конденсатором контур 7 охлаждающей внешней среды с насосом 8 и градирней 9, введенный в контур 7 охлаждающей внешней среды резервуар 10 с размещенным внутри него теплообменником 11, введенным в контур 1 хладагента между компрессором 2 и линейным ресивером 4, дополнительной герметичной емкостью 12, размещенной в резервуаре 10, причем помещенный в резервуар 10 теплообменник 11 находится внутри герметичной емкости 12.

Герметичная емкость 12 внутри резервуара 10 заполнена теплоаккумулирующим веществом 13 с температурой фазового перехода (плавления) ниже максимально допустимой температуры конденсации хладагента, например, п-октадекан (CH₂)₁₆CH₃OH₃.

Полость 14 между герметичной емкостью 12 и стенками резервуара 10 введена в контур 7 внешней охлаждающей среды между насосом 8 и градирней 9 параллельно конденсатору 3.

Многоходовые краны 15, 16 и 17 установлены: кран 15 в контуре 1 хладагента после компрессора 2 между конденсатором 3 и резервуаром 10, кран 16 - перед линейным ресивером 4, а кран 17 установлен в контуре 7 охлаждающей среды после насоса 8 перед конденсатором 3 и резервуаром 10.

Многоходовые краны 15 и 16 подключены через элементы управления (условно не показаны) к датчику давления хладагента 18, установленному на конденсаторе 3, и многоходовой кран 17 подключен через элементы управления (условно не показаны) к датчику температуры 19, установленному перед насосом 8.

Холодильная установка (по фиг. 1) работает, в зависимости от значения температуры окружающий среды, в одном из трех (по фиг. 2) режимов работы:
- "1 режим" - при температуре окружающей среды, обеспечивающей достижение температуры конденсации ниже температуры фазового перехода (плавления) теплоаккумулирующего вещества 13 в герметичной емкости 12;
- "2 режим" - при температуре окружающей среды, обеспечивающей достижение температуры конденсации, равной или выше температуры фазового перехода (плавления) теплоаккумулирующего вещества 13 в герметичной емкости 12;
- "3 режим" - при температуре окружающей среды, обеспечивающей достижение температуры конденсации существенно ниже температуры фазового перехода (плавления) теплоаккумулирующего вещества 13 в герметичной емкости 12.

В "1 режиме", когда температура окружающей среды обеспечивает достижение температуры конденсации ниже температуры фазового перехода (плавления) теплоаккумулирующего вещества 1.3 в герметичной емкости 12, компрессор 2 нагнетает пары хладагента через кран 15 в конденсатор 3, где пары конденсируются при низком давлении конденсации, фиксируемом датчиком давления 18, и жидкий хладагент через кран 16 сливается в линейный ресивер 4, откуда поступает в дросселирующее устройство 5 и, после дросселирования, в испаритель 6, где жидкий хладагент кипит, охлаждая технологический продукт. Образовавшиеся пары отводятся компрессором 2, и цикл работы в контуре хладагента 1 завершается.

Внешняя охлаждающая среда, например используемая в контуре 7 вода, насосом 8 через кран 17 подается в конденсатор 3, где осуществляется процесс теплообмена с парами хладагента, и подогретая вода поступает в градирню 9, где осуществляется тепло- и массообмен с окружающей средой, после чего охлажденная вода, температуру которой фиксирует датчик температуры 19, поступает к насосу 8. Цикл работы в контуре 7 завершается.

Во "2 режиме", когда температура окружающей среды возрастает настолько, что температура конденсации достигает значений, близких температуре фазового перехода (плавления) теплоаккумулирующего вещества 13 в герметичной емкости 12, компрессор 2 через кран 15 нагнетает пары хладагента в теплообменник 11, где пары конденсируются при постоянном давлении конденсации, определяемом температурой фазового перехода (плавления) теплоаккумулирующего вещества 13 в герметичной емкости 12, и жидкий хладагент через кран 16 сливается в линейный ресивер 4, откуда поступает в дросселирующее устройство 5 и после дросселирования в испаритель 6, где жидкий хладагент кипит, охлаждая технологический продукт. Образовавшиеся пары отводятся компрессором 2, и цикл работы в контуре хладагента 1 завершается.

Внешняя охлаждающая среда, например используемая в контуре 7 вода, насосом 8 через кран 17 подается в конденсатор 3, где осуществляется процесс теплообмена с находящимися в нем парами хладагента, чтобы не допустить повышения давления конденсации. Незначительно подогретая вода поступает в градирню 9, где осуществляется тепло- и массообмен с окружающей средой, после чего вода, температуру которой фиксирует датчик температуры 19, поступает к насосу 8. Цикл работы в контуре 7 завершается.

Продолжительность работы холодильной установки во "2 режиме" определяется теплоаккумулирующей способностью вещества 13 в герметичной емкости 12 и продолжительностью сохранения в течение суток высоких значений температур окружающей среды.

В "3 режиме", при понижении температуры окружающей среды, при которой обеспечивается достижение температуры конденсации существенно ниже температуры фазового перехода (плавления) теплоаккумулирующего вещества 13 в герметичной емкости 12, компрессор 2 нагнетает пары хладагента через кран 15 в конденсатор 3, где пары конденсируются при низком давлении конденсации, фиксируемом датчиком давления 18, и жидкий хладагент через кран 16 сливается в линейный ресивер 4. Одновременно через кран 16 происходит слив в линейный ресивер 4 жидкого хладагента, образовавшегося в теплообменнике 11 при теплообмене с теплоаккумулирующим веществом 13. Из линейного ресивера 4 жидкий хладагент поступает в дросселирующее устройство 5 и, после дросселирования, в испаритель 6, где жидкий хладагент кипит, охлаждая технологический продукт. Образовавшиеся пары отводятся компрессором 2, и цикл работы у контура хладагента 1 завершается.

По завершении "3 режима" холодильная установка вводится в работу по "1 режиму".

Внешняя охлаждающая среда, например используемая в контуре 7 вода, насосом 8 через кран 17 подается в конденсатор 3, где осуществляется процесс теплообмена с парами хладагента и одновременно через кран 17 подается в полость 14 резервуара 10, где осуществляется теплообмен с теплоаккумулирующим веществом 13 в герметичной емкости 12, при этом в теплоаккумулирующем веществе 13 происходит фазовый переход (затвердевание). Подогретая вода из конденсатора 3 и полости 14 резервуара 10 поступает в градирню 9, где осуществляется тепло- и массообмен с окружающей средой, после чего охлажденная вода, температуру которой фиксирует датчик температуры 19, поступает к насосу 8. Цикл работы в контуре 7 завершается.

Таким образом, заявленная установка, по сравнению с известной, позволяет:
- обеспечить поддержание постоянства температуры и давления конденсации хладагента в холодильной установке при круглосуточной работе холодильной установки в условиях резкого суточного изменения температуры окружающей среды, чем гарантируется устойчивая работа холодильной установки в автоматическом режиме производства холода;
- исключить работу компрессора холодильной установки при высоких степенях сжатия, характеризуемых низкими значениями коэффициентов подачи и индикаторного КПД, обеспечив тем самым перерасход электроэнергии на привод компрессора и снизив удельные энергозатраты на производство холода,
- исключить достижение значений температур конденсации выше нормативно установленных, а давлений конденсации - близких к предельно допустимым по условиям изготовления оборудования установки, тем самым исключив возможность аварийного взрыва установки и выброса хладагента в окружающую среду.

В холодильной установке замкнутый циркуляционный контур хладагента состоит из компрессора, конденсатора, дросселирующего вентиля и испарителя. С конденсатором связан контур охлаждающей внешней среды с насосом и градирней. Датчики температуры и давления установлены в обоих контурах. Резервуар установлен в контуре охлаждающей внешней среды. Теплообменник размещен внутри резервуара и установлен в контуре хладагента между компрессором и линейным ресивером. Герметичная емкость заполнена теплоаккумулирующим веществом с температурой плавления ниже максимально допустимой температуры конденсации хладагента и размещена в резервуаре. Теплообменник помещен внутри герметичной емкости. В контуре хладагента многоходовые краны установлены после компрессора между конденсатором и резервуаром перед линейным ресивером и подключены через элементы управления к датчику давления хладагента, установленному на конденсаторе. В контуре охлаждающей среды многоходовой кран установлен после насоса перед конденсатором и резервуаром и подключен через элементы управления к датчику температуры, расположенному перед насосом. Использование изобретения позволит повысить степень безопасности и экономичности холодильной установки. 2 ил.

Холодильная установка, содержащая замкнутый циркуляционный контур хладагента, состоящий из компрессора, конденсатора, дросселирующего устройства, испарителя, и связанный с конденсатором контур охлаждающей внешней среды с насосом и градирней, а также датчики температуры, установленные в обоих контурах, отличающаяся тем, что установка снабжена линейным ресивером, резервуаром, установленным в контуре охлаждающей внешней среды, теплообменником, размещенным внутри резервуара и установленным в контуре хладагента между компрессором и линейным ресивером, герметичной емкостью, заполненной теплоаккумулирующим веществом с температурой фазового перехода (плавления) ниже максимально допустимой температуры конденсации хладагента и размещенной в резервуаре, датчиками давления, установленными в обоих контурах, и многоходовыми кранами, причем теплообменник помещен внутри герметичной емкости, а многоходовые краны установлены в контуре хладагента после компрессора между конденсатором и резервуаром перед линейным ресивером и подключены через элементы управления к датчику давления хладагента, установленному на конденсаторе, а в контуре охлаждающей среды многоходовый кран установлен после насоса перед конденсатором и резервуаром и подключен через элементы управления к датчику температуры, расположенному перед насосом.