ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2000 года по МПК F25B1/53 F25B9/06 F25J1/00 F25J3/06 

Изобретение относится к области холодильной техники и может быть применено для обеспечения работоспособности холодильных устройств различного назначения при использовании в качестве рабочего тела различных жидких и газообразных веществ.

Из уровня техники известны различные типы холодильных машин, осуществляющих обратный термодинамический процесс для искусственного охлаждения. Различают холодильники компрессорные, адсорбционные, пароэжекторные и термоэлектрические. Для повышения экономичности, расширения интервала рабочих температур существуют усложненные циклы: многоступенчатые, каскадные, с регенерацией теплоты. К этому типу холодильных машин относится и заявляемое изобретение. В уровне техники обнаружено ограниченное количество аналогов заявляемого изобретения. Общие принципы проектирования холодильных машин изложены в [1].

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является изобретение, охарактеризованное в публикации [2]. Установка с глубоким охлаждением продуктов сгорания содержит последовательно установленные в газовом тракте компрессор, генератор продуктов сгорания с трубопроводом подвода топливного газа, газовую турбину, напорный экономайзер с трубопроводами отвода и подвода нагреваемой среды, включающий турбодетандер. Дополнительно на трубопроводе подвода топливного газа установлены теплообменник и газовая турбина, причем вход теплообменника по греющей среде подсоединен к трубопроводу отвода нагреваемой среды, а выход - к трубопроводу подвода нагреваемой среды.

Основным недостатком данной конструкции является недостаточно высокая эффективность ее работы.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности работы холодильной установки. Сущность изобретения состоит в том, что в холодильной установке, содержащей установленную между трубопроводами высокого и низкого давления и соединенную с электрической машиной расширительную турбину, после которой установлен сепаратор, циркуляционный насос конденсата, включенный в рассечку трубопровода конденсата и потребителей холода, предложено в рассечку трубопровода высокого давления, на входе расширительной турбины установить смеситель, соединенный сепаратором с одной стороны с трубопроводом газовой фазы, в рассечку которого включен соединенный с расширительной турбиной газовый компрессор, а с другой стороны - с трубопроводом конденсата, в рассечку которого включен регулятор расхода конденсата.

Применение в качестве рабочего тела смеси из различных углеводородных соединений приводит к тому, что более тяжелые углеводородные соединения при понижении давления в процессе движения по проточной части расширительной турбины (детандера) переходят из газовой фазы в жидкую, а это позволяет осуществлять циркуляцию рабочего тела одновременно по газовой и жидкой фазам с целью расширения пределов регулирования работы холодильной установки.

При эксплуатации мощных холодильных установок промышленного назначения (холодильники мясокомбинатов, установки для получения искусственного льда, спортивных сооружений и т.д.) потребляется большое количество электрической энергии на единицу вырабатываемого холода, обусловленное применяемыми в настоящее время схемами движения потоков теплоносителей (хладоносителей).

Предлагаемая схема движения теплоносителя (хладоносителя), в данном случае смеси из различных углеводородных соединений, позволяет уменьшить количество потребляемой электрической энергии и соответственно повысить рентабельность получения холода.

Повышение эффективности достигается за счет разделения потока теплоносителя на жидкую и газовую фазу. При этом удается учесть особенности движения этих проточных частей и повысить этим общий КПД холодильной установки по сравнению с холодильной установкой, в которой газоконденсатный поток движется по проточной части, общей и для жидкой, и для газовой его фаз.

При этом смесь природных углеводородных соединений позволяет перейти на более низкотемпературный уровень циркуляции тепловых потоков и заменить используемые в настоящее время фреоны, запрещенные к дальнейшему применению в промышленности международными соглашениями.

На чертеже представлена принципиальная схема установки.

Холодильная установка содержит расширительную турбину (детандер) 1, включенную между трубопроводами 2, 3 высокого и низкого давления и подключенную к электрической машине 4 и газовому компрессору 5. После расширительной турбины (детандера) 1, установлен сепаратор 6 с подводящим трубопроводом двухфазного газоконденсатного потока 7, отводящим трубопроводом конденсата 8, подключенным с одной стороны через циркуляционный насос 9 и регулятор расхода конденсата 10 к смесителю 11, а с другой стороны сообщенным через кран 12 со складом (на чертеже не показан) и отводящим трубопроводом газовой фазы 13, подключенным через газовый компрессор 5 к смесителю 11. Смеситель 11 через трубопровод высокого давления 2 соединен с расширительной турбиной (детандером) 1, а через запорный кран 14 соединен с подводящим газопроводом 15. На отводящем трубопроводе конденсата 8 между сепаратором 6 и смесителем 11 установлен потребитель холода 16.

Установка работает следующим образом. Рабочее тело в виде сжатой смеси углеводородных соединений искусственного или естественного происхождения (природный газ), обладающее избыточной энергией давления, поступает в расширительную турбину (детандер) 1, соединенную с электрической машиной 4 и газовым компрессором 5, который служит для повышения давления газовой фазы, отводимой через него из сепаратора 6 в смеситель 11. При расширении рабочего тела в расширительной турбине (детандере) 1 происходит понижение его давления и температуры. Расширение рабочего тела в расширительной турбине (детандере) 1 при понижении давления и температуры приводит к выпадению из газовой фазы конденсата тяжелых фракций углеводородных соединений. После расширительной турбины (детандера) 1 двухфазный газоконденсатный поток поступает в сепаратор 6, в котором происходит разделение его на газовую фазу и на жидкую фазу (конденсат). Из сепаратора 6 газовая фаза по трубопроводу 13 подается в газовый компрессор 5, сжимается в нем и поступает в смеситель 11.

Жидкая фаза (конденсат) из сепаратора 6 поступает в трубопровод 8. Из трубопровода 8 конденсат циркуляционным насосом 9 через регулятор расхода конденсата 10 и потребителя холода 16 подается в смеситель 11. При избытке конденсата он через кран 12 подается на склад. Через кран 12 проводится также подача конденсата со склада в холодильную установку при пуске или изменении режима работы холодильной установки.

В потребителе холода 16 происходит повышение температуры конденсата и его полное или частичное испарение в результате теплообмена с охлаждаемой средой. В зависимости от того, полное или частичное испарение конденсата происходит в потребителе холода 16, в смеситель 11 поступает либо чисто газовый поток, либо трехфазный газоконденсатный поток и соответственно на вход расширительной турбины (детандера) 1 также поступает либо чисто газовый поток, либо двухфазный газоконденсатный поток.

Регулирование полноты испарения конденсата производится изменением расхода конденсата при помощи регулятора расхода конденсата 10. В зависимости от соотношения расходов рабочего тела по трубопроводу конденсата 8 и по трубопроводу газовой фазы 13 электрическая машина 4 работает либо в режиме электрического двигателя, либо в режиме генератора электрического тока.

Таким образом, при использовании изобретения удается перейти на применение в качестве теплоносителей (хладоносителей) смеси природных газов, которые ранее для этих целей использовались в ограниченных объемах, так как существующие схемы не позволяли использовать их достаточно эффективно.

Источники информации
1. Кириллин В. А. и др. Техническая термодинамика. М.: Наука, 1979, с. 457, рис. 13-23.

2. Авт.св. CCCP N 1476993, МКИ F 25 B 11/00.

3. Патент РФ N 1185029, МКИ F 25 B 11/00.

4. Авт.св. СССР N 1040192, МКИ F 25 B 11/00.

Рабочее тело в виде сжатой смеси углеводородных соединений (природный газ), обладающее избыточной энергией давления, поступает в расширительную турбину, соединенную с газовым компрессором. После турбины двухфазный поток направляют в сепаратор, из которого газовая фаза поступает в компрессор, а затем - в смеситель. Жидкая фаза из сепаратора циркуляционным насосом через регулятор расхода конденсата и потребитель холода подается в смеситель. При избытке конденсат поступает в хранилище. Использование изобретения позволит снизить количество потребляемой электрической энергии и повысить рентабельность получения холода. 1 ил.

Холодильная установка, содержащая включенную между трубопроводами высокого и низкого давления и соединенную с электрической машиной расширительную турбину, после которой установлен сепаратор, циркуляционный насос конденсата, включенный в рассечку трубопровода конденсата и потребителей холода, отличающаяся тем, что в рассечку трубопровода высокого давления на входе расширительной турбины установлен смеситель, соединенный с сепаратором с одной стороны трубопроводом газовой фазы, в рассечку которого включен соединенный с расширительной турбиной газовый компрессор, а с другой стороны - трубопроводом конденсата, в рассечку которого включен регулятор расхода конденсата.