СПОСОБ РАБОТЫ И КОМПРЕССИОННАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2003 года по МПК F25B1/00 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к оборудованию для холодильных машин, и может быть использовано во всех областях применения холодильной техники, например, в средних и крупных углекислотных холодильных машинах для производства жидкой углекислоты и сухого льда.

Известен способ работы компрессионной холодильной машины со сжатием пара до сверхкритических параметров (см., например, 1. Мартыновский B.C. Холодильные машины. - М. : Пищепромиздат, 1950, с.46-52. 2. Розенфельд Л.М., Ткачев А. Г. Холодильные машины и аппараты. - 2-е изд. перер. и доп. - М.: Госторгиздат, 1960, с. 211-214), в котором, путем многоступенчатого сжатия пара и его межступенчатого охлаждения, после последней ступени сжатия пар приобретает параметры, большие, чем параметры критической точки. Затем, после охлаждения пара от сверхкритических параметров до параметров, близких (выше или ниже) критической точки, пар дросселируется однократно, или многократно, после чего рабочее тело из однофазного состояния (пара) трансформируется в двухфазное состояние (пар и жидкость) и используется для производства холода или производства твердой фазы (применительно к углекислоте как рабочему телу - для производства "сухого льда").

К недостаткам известного способа следует отнести значительные потери холодопроизводительности из-за дросселирования рабочего тела из состояния пара, а также необходимость отвода пара на промежуточных этапах дросселирования, при использовании многоступенчатого дросселирования.

Известен способ работы компрессионной холодильной машины со сжатием до сверхкритических параметров, путем регулирования давления на стороне высокого давления (см. Заявку WO 9306423, междунар. РСТ МКИ F 25 В 41/06), в котором в компрессионном цикле хладагент (например, R744) после сжатия в компрессоре и сжатия пара до сверхкритических параметров охлаждают в теплообменнике-охладителе, после чего охлаждают в промежуточном теплообменнике (до параметров ниже критической точки) паром, идущим из испарителя низкого давления, который после подогрева поступает на сжатие, а полученную жидкость дросселируют в дроссельном клапане, после чего она поступает на испарение в испаритель.

К недостаткам известного способа следует отнести недостаточную термодинамическую эффективность, оцениваемую коэффициентом СОР, вследствие невысоких значений величины удельной холодопроизводительности q Дж/кг хладагента, обусловленных близостью параметров точки начала дросселирования к критическим параметрам хладагента.

Известен способ работы компрессионной холодильной машины (см. Холодильные машины /Под ред. И.А. Сакуна. - Л.: Машиностроение, 1985, с. 77-78, рис. 4.18), включающий многоступенчатое сжатие хладагента с промежуточным охлаждением в промежуточном охладителе, последующее охлаждение в промежуточном теплообменнике до параметров ниже критической точки, дросселирование в дроссельном клапане, испарение и подогрев.

К недостаткам известного способа следует отнести недостаточную термодинамическую эффективность, оцениваемую коэффициентом СОР, вследствие невысоких значений величины удельной холодопроизводительности q Дж/кг хладагента.

Задачей настоящего изобретения является увеличение термодинамической эффективности способа работы компрессионной холодильной машины, со сжатием пара до сверхкритических параметров, независимо от режимов величины нагрузки холодильной системы, путем увеличения коэффициента СОР, вследствие увеличения холодильной мощности
Q=q•m_a, Вт,
где q - удельная холодопроизводительность хладагента, Дж/кг;
m - массовый расход хладагента, кг/с;
за счет увеличения удельной холодопроизводительности q Дж/кг хладагента в цикле заявляемой компрессионной холодильной машины, в схеме которой обеспечивается осуществление цикла по заявляемому способу работы.

Поставленная задача достигается тем, что, согласно заявленному способу работы компрессионной холодильной машины, включающей многоступенчатое сжатие хладагента с промежуточным охлаждением в промежуточном охладителе, последующее охлаждение в промежуточном теплообменнике до параметров ниже критической точки, дросселирование в дроссельном клапане, испарение и подогрев, после сжатия хладагент со сверхкритическими параметрами охлаждают в теплообменнике-охладителе, а перед дросселированием осуществляют изотермическое сжатие хладагента до давления выше давления конденсации, причем условие изотермичности сжатия обеспечивают подогревом пара, выходящего из испарителя низкого давления и поступающего после подогрева через промежуточный теплообменник на сжатие.

Оснащение компрессионной холодильной машины, содержащей последовательно установленные в замкнутом контуре циркуляции хладагента компрессоры с промежуточным охладителем, промежуточный теплообменник, теплообменник, дроссель и испаритель, причем теплообменник на входе соединен по паровой магистрали с испарителем, а жидкостная полость теплообменника соединена на входе с жидкостной полостью промежуточного теплообменника, а на выходе - с дросселем, охладителем, установленным за компрессором, и насосом, установленным в жидкостной полости теплообменника, при этом паровая магистраль теплообменника соединена на выходе с паровой полостью промежуточного теплообменника, обеспечивает осуществление заявляемого способа.

На фиг. 1 на T-S диаграмме показано отображение цикла компрессорной холодильной машины, осуществляющей способ работы со сжиганием пара до сверхкритических параметров, на фиг. 2 - принципиальная схема компрессионной холодильной машины, в которой обеспечивается осуществление заявляемого способа работы со сжатием пара до сверхкритических параметров.

Согласно заявляемому способу (фиг. 1) пары хладагента состояния сухого насыщения пара (точка 1) с параметрами Т_о, Р_о, (точка 1) последовательно подогревают в изобарическом процессе при Р_о - сначала до состояния точки 2, затем - до точки 3 с параметрами Т_вс1 и Р_о, сжимают (условно - в адиабатном процессе 3-4) до состояния точки 4 с параметрами Т_нг1 и Р_пр, превышающими критические параметры хладагента Т_кр и Р_кр, охлаждают в изобарическом процессе при Р_пр до точки 5 с параметрами Т_вс2 и Р_пр, сжимают (условно - в адиабатном процессе 5-6) до состояния точки 6 с параметрами Т_нг2 и Р_нг, и охлаждают в изобарном процессе при Р_нг внешней охлаждающей средой до состояния точки 7 с параметрами Т_охг выше Т_кр и Р_нг выше Р_кр. (Сжатие паров от давления Р_о до давления Р_нг, большего, чем Р_кр, условно принимается двухступенчатым).

Затем хладагент охлаждают от состояния точки 7 до состояния точки 8, с параметрами Т_и и Р_нг, ниже критических параметров Т_кр и Р_кр, паром, идущим из испарителя, который, изменяя свои параметры от состояния точки 2 до состояния точки 3, поступает на сжатие, а полученную жидкость состояния точки 8 сжимают изотермически (при температуре Т_и) до давления Р_и, большего Р_нг, и охлаждают в процессе 8-9 паром, идущим из испарителя, который изменяет свои параметры от состояния точки 1 до состояния точки 2.

Жидкий хладагент состояния точки 9 с параметрами Т_и и Р_и дросселируют в процессе 9-10, и полученная парожидкостная смесь состояния точки 10 с параметрами Т_о и Р_о поступает на испарение для создания охлаждающего эффекта.

Компрессионная холодильная машина (фиг. 2), в которой осуществляется заявляемый способ, содержит последовательно установленные в замкнутом контуре циркуляции хладагента испаритель 1, теплообменник 2, промежуточный теплообменник 3, компрессор 4, промежуточный охладитель 5, компрессор 6, теплообменник-охладитель 7, насос 8, размещенный в герметичном корпусе теплообменника 2, дроссельный клапан 9.

Через испаритель 1 проходит хладоноситель 10, через теплообменники 5 и 7 - внешняя среда (теплоноситель).

Холодильная машина, по фиг. 1 и 2, осуществляет заявляемый способ следующим образом.

В испарителе 1 жидкий хладагент осуществляет процесс кипения при низкой температуре (процесс 10-1), отводя теплоту хладоносителя 10.

Пары хладагента состояния 1 подогреваются в теплообменнике 2 (процесс 1-2), обеспечивая отвод теплопритоков от сжимаемой жидкости и работающего насоса 8 (процесс 8-9) и получение жидкости состояния точки 9, а затем пары подогреваются в промежуточном теплообменнике 3 перед всасыванием в компрессор (процесс 2-3) до состояния точки 3, характеризуемой температурой Т_вс1, равной температуре окружающей среды. При этом обеспечивается охлаждение хладагента в процессе 7-8 до состояния ниже критических параметров.

Перегретые пары состояния точки 3 сжимаются в компрессоре 4 (процесс 3-4), охлаждаются внешней средой в промежуточном охладителе (процесс 4-5), сжимаются в компрессоре 6 (процесс 5-6), охлаждаются внешней средой в теплообменнике-охладителе 7 (процесс 6-7) и поступают в теплообменник 3. Здесь пары охлаждаются ниже критических параметров и конденсируются (процесс 7-8), жидкий хладагент из теплообменника-охладителя отсасывается насосом 8 и через теплообменник 2 поступает к дроссельному клапану 9, причем постоянство температуры хладагента Т_и (процесс 8-9) обеспечивается подогревом пара, поступающего в теплообменник 2 из испарителя 1 (процесс 1-2). После дросселирования в дроссельном клапане 9 (процесс 9-10) хладагент поступает в испаритель 1. Цикл работы замыкается.

Таким образом, заявляемый способ, отображенный в цикле с конфигурацией 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-1 (фиг. 1), по сравнению с известным, обеспечивает:
- увеличение удельной холодопроизводительности вследствие повышения начального давления жидкого хладагента перед дросселированием, путем дополнительного изометрического сжатия этой жидкости.

Как видно из фиг. 1, проведение процесса дросселирования по процессу 8-8' (согласно прототипу) характеризуется величиной удельной холодопроизводительности
q=hl-h8,
в то время как по заявленному способу величина удельной холодопроизводительности составляет
q=hl-hl0,
то есть на величину Δq=h8-h9 больше.

Заявляемая компрессионная холодильная машина со сжатием пара до сверхкритических параметров (по фиг. 2), осуществляющая заявляемый способ работы (по фиг. 1), по сравнению с известным, характеризуется наличием:
- дополнительно введенного в контур циркуляции хладагента теплообменника "пар - жидкость";
- размещением в этом теплообменнике жидкостного насоса.

Это обеспечивает, по сравнению с известным:
- повышение давления жидкого хладагента перед дроссельным клапаном в процессе проведения изометрического сжатия, поскольку в контуре между испарителем и промежуточным теплообменником дополнительно установлены теплообменник и жидкостной насос, причем последний размещен внутри теплообменника, и теплообменник по паровой магистрали на входе связан с испарителем, а на выходе - с промежуточным теплообменником, жидкостной насос соединен с трубопроводом с жидкостной полостью промежуточного теплообменника, а через теплообменную поверхность теплообменника соединен с дроссельным клапаном.

Способ работы компрессионной холодильной машины включает многоступенчатое сжатие хладагента с промежуточным охлаждением, охлаждение в теплообменнике-охладителе, последующее охлаждение в промежуточном теплообменнике до параметров ниже критической точки, изотермическое сжатие до давления выше давления конденсации, дросселирование, испарение и подогрев. Условие изотермичности сжатия обеспечивают подогревом пара из испарителя. После подогрева пар через промежуточный теплообменник поступает на сжатие. Компрессионная холодильная машина состоит из последовательно установленных в замкнутом контуре компрессоров с промежуточным охладителем, теплообменника-охладителя, промежуточного теплообменника, теплообменника, дросселя и испарителя. Теплообменник на входе соединен по паровой магистрали с испарителем, а на выходе - с промежуточным теплообменником. Жидкостная полость теплообменника соединена на входе с жидкостной полостью промежуточного теплообменника, а на выходе - с дросселем. В жидкостной полости теплообменника установлен насос. Использование изобретения позволит повысить эффективность работы холодильной машины. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы компрессионной холодильной машины, включающий многоступенчатое сжатие хладагента с промежуточным охлаждением в промежуточном охладителе, последующее охлаждение в промежуточном теплообменнике до параметров ниже критической точки, дросселирование в дроссельном клапане, испарение и подогрев, отличающийся тем, что после сжатия хладагент со сверхкритическими параметрами охлаждают в теплообменнике-охладителе, а перед дросселированием осуществляют изотермическое сжатие хладагента до давления выше давления конденсации, причем условие изотермичности сжатия обеспечивают подогревом пара, выходящего из испарителя низкого давления и поступающего после подогрева через промежуточный теплообменник на сжатие. 2. Компрессионная холодильная машина, содержащая последовательно установленные в замкнутом контуре циркуляции хладагента компрессоры с промежуточным охладителем, промежуточный теплообменник, теплообменник, дроссель и испаритель, причем теплообменник на входе соединен по паровой магистрали с испарителем, а жидкостная полость теплообменника соединена на входе с жидкостной полостью промежуточного теплообменника, а на выходе - с дросселем, отличающаяся тем, что машина оснащена теплообменником-охладителем, установленным за компрессором, и насосом, установленным в жидкостной полости теплообменника, при этом паровая магистраль теплообменника соединена на выходе с паровой полостью промежуточного теплообменника.