КОМПРЕССИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2001 года по МПК F25B1/00 F25B1/02 F25B39/04 F25D11/00 

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к малым холодильным машинам, и может быть использовано в различных технологических установках для охлаждения жидкостей, пищевых продуктов.

Известен компрессионный холодильный агрегат, содержащий соединенные в замкнутый циркуляционный контур хладагента компрессор, испаритель и теплообменный конденсатор водяного охлаждения (Иванов О.П. Конденсаторы и водоохлаждающие устройства. - Л.: Машиностроение, 1980. - 164 с.). Такой холодильный агрегат характеризуется высокой интенсивностью теплообмена, однако требует постоянного расхода воды. Известен компрессионный холодильный агрегат, содержащий соединенные в замкнутый циркуляционный контур хладагента компрессор, испаритель и теплообменный конденсатор принудительного воздушного охлаждения (Гопин С.P., Шавра В.М. Воздушные конденсаторы малых холодильных машин. - М. : ВО "Агропромиздат", 1987. - 151 с.). Однако такой холодильный агрегат характеризуется дополнительным расходом электроэнергии и повышенным уровнем шума, вызванными работой воздушного вентилятора.

Наиболее близким к заявляемому является компрессионный холодильный агрегат, содержащий последовательно соединенные в замкнутый циркуляционный контур хладагента компрессор, испаритель и теплообменный конденсатор свободного воздушного охлаждения. (Холодильная установка - Заявка на изобретение N 1693326, F 25 В 1/00, БИ N 43, 1991 г.). В таком холодильном агрегате охлаждение нагретого конденсатора происходит путем естественной гравитационной конвекции более холодного окружающего воздуха. Для усиления конвекции воздуха конденсатор выполняют в виде трубчатого оребренного змеевика с различной конфигурацией труб и ребер, а также устанавливают его в горизонтальном или наклонном положениях (Шавра В.М., Гопин С.P., Клюев В. И. Интенсификация наружного теплообмена в воздушных конденсаторах малых холодильных машин. - Холодильная техника. - Легкая и пищевая промышленность. 1984, N 6, - с. 32-38). Однако такой холодильный агрегат обладает недостаточной энергоэффективностью вследствие низкой интенсивности теплообмена в конденсаторе. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, площадь теплообменной поверхности конденсатора холодильного агрегата ограничена, с другой стороны, - скорость движения гравитационного конвективного потока через конденсатор при свободном воздушном охлаждении мала. Низкая интенсивность теплообмена вызывает повышение температуры и давления конденсации хладагента в конденсаторе, что требует увеличения мощности и длительности работы компрессора.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение энергоэффективности компрессионного холодильного агрегата с конденсатором свободного воздушного охлаждения. Это достигается интенсификацией теплообмена в конденсаторе. Для решения указанной задачи в компрессионном холодильном агрегате, содержащем последовательно соединенные в замкнутый циркуляционный контур хладагента компрессор с нагнетательным и всасывающим патрубками, теплообменный конденсатор свободного воздушного охлаждения с фильтром-осушителем, капиллярную трубку и испаритель, теплообменный конденсатор выполнен в виде полого, открытого, прямоточного воздуховода круглого или иного поперечного сечения с перфорированной и оребренной боковой поверхностью с каналами для хладагента, размещенного над компрессором соосно его вертикальной осевой линии, при этом размеры воздуховода и высоту установки его над компрессором определяют соответственно по формулам
A = (1,2 - 1,4)a,
S = (3 - 4)Q/L,
H = (0,3 - 1)h,
где A - максимальный поперечный размер воздуховода в плане;
S - площадь поперечного сечения воздуховода в плане;
L - длина воздуховода;
H - высота установки воздуховода над компрессором;
Q - количество теплоты, излучаемое нагретой частью компрессора;
a - максимальный размер нагретой части компрессора в плане;
h - максимальная высота нагретой части компрессора.

Конденсатор выполнен в виде свернутого в замкнутый рулон трубчатого оребренного змеевика, при этом трубы змеевика ориентированы поперечно осевой вертикальной линии конденсатора, верхний вывод змеевика присоединен к нагнетательному патрубку компрессора, нижний вывод через фильтр-осушитель и капиллярную трубку - ко входу испарителя, выходной трубопровод которого присоединен к всасывающему патрубку компрессора.

На фиг. 1 приведено схематичное изображение компрессионного холодильного агрегата, на фиг. 2 - распределение теплового воздушного потока в конденсаторе.

Компрессионный холодильный агрегат (фиг. 1) содержит герметичный компрессор 1 с нагнетательным и всасывающим патрубками, испаритель 2 с капиллярной трубкой 3 и фильтром-осушителем 4, теплообменный конденсатор 5 свободного воздушного охлаждения. Теплообменный конденсатор 5 выполнен в виде полого, прямоточного воздуховода прямоугольного поперечного сечения. Воздуховод открыт с торцов, а боковая поверхность воздуховода перфорирована, снабжена воздухоохлаждающими ребрами и каналами для хладагента. Теплообменный конденсатор 5 размещен над компрессором 1 соосно его вертикальной осевой линии.

Конструктивно теплообменный конденсатор 5 выполнен в виде свернутого в замкнутый рулон прямоугольного поперечного сечения трубчатого оребренного змеевика. При этом трубы змеевика ориентированы поперечно вертикальной осевой линии конденсатора. Верхний вывод змеевика присоединен к нагнетательному патрубку компрессора 1, нижний вывод через фильтр-осушитель 4 и капиллярную трубку 3 - к входу испарителя 2. Выходной трубопровод испарителя 2 присоединен к всасывающему патрубку компрессора 1.

Компрессионный холодильный агрегат работает следующим образом.

Горячий газообразный хладагент (фреон) высокого давления через нагнетательный патрубок компрессора 1 поступает в верхнюю часть змеевика теплообменного конденсатора 5. Охлаждаясь в конденсаторе 5 в результате теплообмена труб змеевика с окружающим воздухом, газообразный хладагент конденсируется, и жидкий хладагент высокого давления через фильтр-осушитель 4 и капиллярную трубку 3 поступает в испаритель 2. В испарителе 2 жидкий хладагент высокого давления испаряется в результате резкого перепада давлений, охлаждая испаритель, и газообразный хладагент низкого давления через выходной трубопровод испарителя 2 поступает к всасывающему патрубку компрессора 1. Компрессор 1 обеспечивает циркуляцию хладагента по замкнутому контуру.

Теплообменный конденсатор 5 является одним из основных элементов холодильного агрегата, определяющим его энергоэффективность. Одним из путей повышения эффективности холодильного агрегата является повышение коэффициентов теплопередачи конденсатора воздушного охлаждения. Основной способ достижения этой цели - увеличение скорости воздушного потока в конденсаторе в процессе теплообмена. С ростом скорости воздуха падает тепловое сопротивление конденсатора и снижается температура конденсации хладагента в конденсаторе, поэтому увеличиваются холодопроизводительность и холодильный коэффициент агрегата.

В заявляемом компрессионном холодильном агрегате увеличение скорости движения воздуха в конденсаторе и интенсификация теплообмена достигаются использованием теплового воздушного потока от работающего компрессора. С этой целью тепловому воздушному потоку от компрессора придается направленное движение с помощью полого, открытого с торцов, прямоточного воздуховода, размещенного над компрессором соосно его вертикальной осевой линии. Для обеспечения наибольшей эффективности действия воздуховода его геометрические размеры связаны с геометрическими размерами компрессора.

Воздуховод одновременно является теплообменным конденсатором. Для этого боковая поверхность воздуховода перфорирована, снабжена воздухоохлаждающими ребрами и каналами для хладагента. Габаритные размеры воздуховода определяются необходимой площадью теплообменной поверхности конденсатора и выбираются такими, чтобы боковая поверхность воздуховода полностью или частично размещалась в пограничном слое границы раздела теплого воздушного потока от компрессора и холодного окружающего воздуха - там, где скорость движения холодного воздуха максимальна.

На фиг. 2 приведено схематичное изображение теплового воздушного потока в конденсаторе.

При работе компрессионного холодильного агрегата часть подводимой к компрессору 1 энергии превращается в тепло. В результате компрессор 1 нагревается, нагревая окружающий его воздух. Нагретый воздух обладает меньшей удельной плотностью и под действием гравитационных сил поднимается вверх. В результате над компрессором 1 формируется устойчивый конвективный тепловой поток Ф_т нагретого воздуха. Скорость движения теплового потока зависит от его температуры и тем выше, чем выше температура воздуха в потоке.

Динамическое давление воздуха в движущемся тепловом потоке Ф_т меньше статического атмосферного давления окружающего его более холодного воздуха. Разностное давление, называемое гравитационным, зависит от разности удельных плотностей теплого и холодного воздуха и определяется по формуле
P_гр = L(G_x - G_т)g, (1)
где P_гр - гравитационное давление, Па;
G_х, G_т - удельная плотность холодного и теплого воздуха соответственно, кг/м;
L - высота воздушного столба, м;
g = 9,8 м/с - ускорение свободного падения.

Гравитационное давление тем больше, чем выше температура и скорость движения теплового потока.

Под действием гравитационного давления холодный окружающий воздух перемещается в область теплового потока Ф_т. В результате этого процесса возникает тяга или всасывание холодного окружающего воздуха конвективной струей нагретого воздуха (Джалурия И. Естественная конвекция: Тепло- и массообмен. Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - 400 с.). Всасываемый холодный воздух Ф_х, проникая через перфорированную боковую поверхность воздуховода, обтекает трубы змеевика теплообменного конденсатора 5, дополнительно охлаждая их.

Всасывающее действие конвективного теплового потока Ф_т максимально на начальном участке его формирования вблизи нагретой части компрессора 1. На этом участке температура и скорость движения конвективного теплового потока Ф_т максимальны. Поднимаясь вверх, под действием гравитационных сил, конвективный тепловой поток Ф_т увеличивается в объеме при одновременном уменьшении температуры и скорости движения. Это приводит к тому, что всасывающее действие конвективного теплового потока Ф_т по мере его подъема уменьшается.

Устранение этого эффекта достигается с помощью теплового воздушного потока от змеевика теплообменного конденсатора. Кроме теплового потока Ф_т от работающего компрессора в теплообменном конденсаторе 5 формируется восходящий конвективный тепловой поток Ф_к от нагретых труб змеевика конденсатора. При этом тепловой поток Ф_к максимален в верхней части змеевика теплообменного конденсатора 5, так как по этой части труб циркулирует горячий газообразный хладагент. Так как теплообменный конденсатор 5 выполнен в виде полого, замкнутого воздуховода, тепловой поток Ф_т окружен с боков тепловым потоком Ф_к.

В воздуховоде эти два тепловых потока складываются. Тепловой поток Ф_к не дает остывать тепловому потоку Ф_т по мере его подъема. В результате взаимодействия двух тепловых потоков поддерживаются температура и скорость движения конвективного теплового потока Ф_т и сохраняется его всасывающее действие на всей длине воздуховода. Вследствие этого всасываемый конвективным тепловым потоком Ф_т холодный окружающий воздух обтекает большую часть теплообменной поверхности конденсатора.

Таким образом, в заявляемом компрессионном холодильном агрегате естественное конвективное охлаждение змеевика теплообменного конденсатора дополняется протеканием через конденсатор холодного окружающего воздуха, всасываемого конвективным тепловым потоком от работающего компрессора. Это интенсифицирует процесс теплообмена в конденсаторе.

Интенсивность теплообмена зависит от скорости протекания воздуха в конденсаторе. Наиболее интенсивно воздухообмен происходит на границе раздела теплого и холодного воздушных потоков, что обусловлено наибольшим градиентом температур воздуха в этой области. В пограничном слое границы раздела теплого и холодного воздуха скорость всасываемого холодного воздуха достигает максимального значения (Джалурия И. Естественная конвекция: Тепло- и массообмен. Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - 400 с.). С учетом этого поперечные размеры воздуховода выбираются таким образом, чтобы его боковая поверхность полностью или частично размещалась в пограничном слое границы раздела теплового конвективного потока от работающего компрессора и холодного окружающего воздуха. При условии, что толщина боковой поверхности воздуховода много меньше его поперечных размеров, минимальный наружный поперечный размер воздуховода может быть определен по формуле
A = (1,2 - 1,4)a, (2)
где А - минимальный поперечный размер воздуховода в плане;
а - максимальный размер нагретой части компрессора в плане.

Эффективность действия воздуховода определяется, с одной стороны, теплотворной способностью источника тепла, с другой стороны, габаритными размерами воздуховода, в частности соотношением площади поперечного сечения к длине воздуховода (Посохин В.Н. Расчет местных отсосов от тепло- и газовыделяющего оборудования. - М.: Машиностроение, 1984 г. - 160 с.). Так, от корпуса герметичного компрессора отводится 40...60% тепла, эквивалентного подведенной к компрессору мощности (Якобсон В.Б. Малые холодильные машины. - М: Пищевая промышленность, 1977-368 с.). Для теплообменного конденсатора свободного воздушного охлаждения площадь поперечного сечения воздуховода может быть определена по формуле
S = (3 - 4)Q/L, (3)
S - площадь поперечного сечения воздуховода в плане, см²;
Q - количество теплоты, излучаемое нагретой частью компрессора, ккал/ч;
L - длина воздуховода, м.

Формулы (2), (3) определяют основные геометрические размеры воздуховода. Корректировку размеров воздуховода, в частности формы и размеров поперечного сечения, осуществляют с учетом необходимой площади теплообменной поверхности конденсатора.

Высоту установки воздуховода над компрессором определяют по формуле
H = (0,3 ... 1)h, (4)
где H - высота установки воздуховода над компрессором;
h - максимальная высота нагретой части компрессора.

При такой установке всасываемый холодный воздух Ф_х, проникая через открытый нижний торец воздуховода, обтекает одновременно корпус компрессора 1, дополнительно охлаждая его. При более низкой установке воздуховода ухудшается охлаждение его нижней части. При более высокой установке между воздуховодом и компрессором возникает воздушная прослойка, размывающая тепловой конвективный поток от компрессора и снижающая его всасывающее действие.

Конструктивно воздуховод может быть выполнен в виде свернутого в замкнутый рулон круглого, прямоугольного или иного поперечного сечения трубчатого оребренного змеевика конденсатора. Для этого могут использоваться проволочнотрубные или листотрубные щитовые конденсаторы свободного воздушного охлаждения. При использовании листотрубного щитового конденсатора в листе делают перфорацию в виде отверстий или прорезей с отбортовкой по типу жалюзи. Это увеличивает теплопередающую поверхность конденсатора.

Белорусским государственным университетом информатики и радиоэлектроники совместно с БСЗ ЗАО "Атлант" (г. Барановичи) разработан компрессионный холодильный агрегат с конденсатором свободного воздуховода. В холодильном агрегате использован герметичный компрессор со встроенным электродвигателем типа С-К0200. Воздуховод выполнен в виде свернутого в замкнутый рулон прямоугольного поперечного сечения проволочнотрубного змеевика конденсатора. Поперечное сечение воздуховода составляет 250 х 300 мм, длина воздуховода 540 мм. Воздуховод размещен над компрессором на высоте 140 мм от основания компрессора.

Выполнение теплообменного конденсатора в виде прямоточного воздуховода позволило снизить температуру наиболее нагретой части труб змеевика примерно на 3^oC. По результатам исследований известно, что снижение температуры конденсации хладагента на 1^oC приводит к снижению температуры обмотки встроенного электродвигателя компрессора на 1,5 ... 2^oC и снижает энергопотребление агрегата (Якобсон В.Б. Малые холодильные машины. - М., 1977. - 368 с.).

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к малым холодильным машинам. Компрессионный холодильный агрегат содержит герметичный компрессор, испаритель и теплообменный конденсатор свободного воздушного охлаждения. Теплообменный конденсатор выполнен в виде полого, прямоточного воздуховода круглого или иного поперечного сечения. Воздуховод открыт с торцов, а боковая поверхность воздуховода перфорирована, снабжена воздухоохлаждающими ребрами и каналами для хладагента. Теплообменный конденсатор размещен над компрессором соосно его вертикальной осевой линии. Для обеспечения наибольшей эффективности действия воздуховода его геометрические размеры связаны с геометрическими размерами компрессора. Минимальный поперечный размер воздуховода в плане А = (1,2 - 1,4)а, площадь поперечного сечения воздуховода в плане S = (3 - 4)Q/L, высота установки воздуховода над компрессором H = (0,3 - 1)h, где а - максимальный размер нагретой части компрессора в плане, h - максимальная высота нагретой части компрессора в плане, Q - количество теплоты, излучаемое нагретой частью компрессора, L - длина воздуховода. Изобретение позволит повысить энергоэффективность агрегата за счет использования теплового воздушного потока от работающего компрессора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Компрессионный холодильный агрегат, содержащий последовательно соединенные в замкнутый циркуляционный контур хладагента компрессор с нагнетательным и всасывающим патрубками, теплообменный конденсатор свободного воздушного охлаждения с фильтром-осушителем, капиллярную трубку и испаритель, отличающийся тем, что конденсатор выполнен в виде полого, открытого, прямоточного воздуховода круглого или иного поперечного сечения с перфорированной и оребренной боковой поверхностью с каналами для хладагента, размещенного над компрессором соосно его вертикальной осевой линии, при этом размеры воздуховода и высоту установки его над компрессором определяют соответственно по формулам
А = (1,2 - 1,4) а,
S = (3 - 4) Q/L,
H = (0,3 - 1) h,
где A - минимальный поперечный размер воздуховода в плане;
S - площадь поперечного сечения воздуховода в плане;
L - длина воздуховода;
Н - высота установки воздуховода над компрессором;
Q - количество теплоты, излучаемое нагретой частью компрессора;
а - максимальный размер нагретой части компрессора в плане;
h - максимальная высота нагретой части компрессора в плане. 2. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что конденсатор выполнен в виде свернутого в замкнутый рулон трубчатого оребренного змеевика, при этом трубы змеевика ориентированы поперечно осевой вертикальной линии конденсатора, верхний вывод змеевика присоединен к нагнетательному патрубку компрессора, нижний вывод через фильтр-осушитель и капиллярную трубку - ко входу испарителя, выходной трубопровод которого присоединен к всасывающему патрубку компрессора.