РАБОЧЕЕ ВЕЩЕСТВО ДЛЯ КОМПРЕССИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК F25B1/10 C09K5/04 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к составу рабочего вещества и установке для реализации рабочего вещества в качестве компрессионных холодильных установок и тепловых насосов, и может быть использовано в углекислотных холодильных машинах во всех областях применения холодильной техники, в том числе во всех отраслях пищевой промышленности, в системах кондиционирования воздуха, химической и газовой промышленности.

Известны рабочие вещества (см. Kalte- und Klimatechn., 1993, 46, 1) в виде смесей СО₂ с ацетоном, с фреонами Р152а и Р132а.

К недостаткам известных смесей следует отнести невозможность использования этих смесей в установках, оснащенных серийным холодильным оборудованием - компрессорами, дроссельными вентилями и приборами автоматики.

Известны смеси СО₂ с другими веществами (см. KI-LUFT-KALTETECHNIK, 1996, 32, 2, с.61-62), например СО₂ - полиолэстер, характеризуемая полной смешиваемостью, СО₂ - алкилбензол, характеризуемая практически отсутствием смешиваемости.

К недостаткам известных смесей следует отнести невозможность использования этих смесей в установках, оснащенных серийным холодильным оборудованием - компрессорами, дроссельными вентилями и приборами автоматики.

Известны рабочие вещества для холодильных машин и тепловых насосов, представляющие собой смеси различного процентного содержания диоксида углерода СО₂ и частично фторированных углеводородов R23, R32, R152a, R143, R143a, R134, R134a, R125 и R227 (см. заявку 4116174 ФРГ, 1992). Смесь, состоящая из 4-25% весовых СО₂ и 96-75% весовых R134a, по уровню температур кипения предлагается для замены R22 и R502. Смесь из 4-25% СО₂ и 96-75% R152a обладает минимальной горючестью (по сравнению с чистым R152a). Предлагается смесь из 5-50% СО₂ и 95-50% R125, смесь из 5-50% СО₂ и 95-50% R32 и др. Все предлагаемые смеси имеют нулевой озоноразрушающий и низкий тепличный потенциалы.

К недостаткам известных смесей следует отнести использование в смеси частично фторированных углеводородов, поскольку наличие в них фтора при разложении этого компонента при высоких температурах нагнетания обуславливает вредное влияние на обмотки электродвигателя компрессора, при утечке - на обслуживающий персонал.

Известно рабочее вещество для компрессионных холодильных машин и тепловых насосов (см. Kalte- und Klimatchn., 1994, 47, 9, с.696, 701-702), в котором использована смесь СО₂ с метаном или изобутаном. Сравнение холодильных установок с одинаковой холодопроизводительностью (4 кВт) и одинаковыми температурами кипения (минус 38^oС) и конденсации (41,4^oС), работающих на R502 и смеси СО₂ с R600а показало, что каскадную холодильную установку на смеси характеризуют более высокие технико-экономические показатели.

К недостаткам известных смесей следует отнести: применительно к метану - существенно меньшие плотность и молекулярную массу относительно СО₂, применительно к изобутану - большие плотность и молекулярную массу относительно СО₂, что неблагоприятно сказывается на величине термодинамических потерь в компрессоре и теплообменных аппаратов.

Известны холодильные машины (см. Холодильные машины /Под ред. И.А. Сакуна. -Л.: Машиностроение, 1985), работающие по схеме двухступенчатого сжатия и оснащенные змеевиковым промежуточным сосудом и теплообменником охлаждения пара (с. 73-74); оснащенные двумя испарителями хладагента, работающими соответственно на промежуточную и низкую температуры кипения (с.85-86); известна каскадная холодильная машина, работающая на двух хладагентах, циркулирующих в индивидуальных контурах и связанных через испаритель-конденсатор (с.85-86).

Известно использование СО₂ в каскадных холодильных установках (см., например, KI-LUFT-KALTETECHNIK, 2000, 36, 9, с.409-412), где в низкотемпературной части каскада (испарителе) СО₂ используется как кипящая жидкость при давлении кипения 0,7-2,0 МПа при температурах от минус 50^oС до минус 20^oС, и пары которой сжижаются при давлении конденсации 2,7 МПа и температуре конденсации минус 10^oС в верхней части каскада в испарителе обычной холодильной машины, работающей на Р714 (аммиаке) или фреонах.

К недостаткам известных каскадных установок следует отнести наличие в установке двух различных рабочих веществ и увеличенные термодинамические потери из-за использования испарителя-конденсатора.

Известна каскадная схема под названием "однопоточный процесс", предложенная А.П. Клименко в 1959 г. По этой схеме рабочее вещество (трехкомпонентную смесь) сжимают одновременно в одном компрессоре. После сжатия эту многокомпонентную смесь в процессе охлаждения в ряде теплообменников последовательно разделяют путем парциальной конденсации и сепарации. Основную часть каждого компонента дросселируют на соответствующем температурном уровне и возвращают в обратный поток. Таким образом, сжатие всех компонентов производят совместно, а расширение - раздельно, т.е. осуществляют внутренний каскад с сепарацией.

Известны холодильные установки для камер тепла и холода, работающие на смеси хладагентов /см. Наер В.А. // Вестник Междунар. акад. Холода, 1999, 4. - С.12-15), в которых поддерживали нижний уровень температур в интервале от минус 70 до минус 80^oС. В качестве хладагента применяли трех- и четырехкомпонентные смеси углеводородов, например, трехкомпонентную смесь состава (по массе): изобутан - 57%, этан - 29,5%, метан - 13,5% или изобутан - 77%, этан - 19%, метан - 4%. Машины с трехкомпонентными смесями работали по обычному циклу Линде, машины с четырех- и пятикомпонентными смесями работали по циклу А. П. Клименко, обычно с одним разделителем фаз и с двумя дросселями. Значения давления нагнетания не превышали в стационарных режимах 1,0...1,7 МПа при давлениях всасывания 0,15...0,20 МПа.

К недостаткам известных установок следует отнести использование в качестве рабочего вещества смеси углеводородов, не гарантирующих безопасной эксплуатации при нарушении герметичности установки.

Задачей настоящего изобретения ставится обеспечение безопасной эксплуатации и увеличение эффективности работы холодильной установки путем снижения давления рабочего тела в замкнутом контуре циркуляции хладагента и улучшения энергетических показателей компрессионных холодильных установок и тепловых насосов.

Поставленная задача достигается тем, что согласно заявляемому рабочее вещество, составленное на основе смеси R744 (диоксида углерода) и R290 (пропана), при работе в интервалах температур кипения вещества от минус 50 до минус 10^oС и температур конденсации от 35 до 55^oС, в зависимости от погребного режима работы, характеризуется массовой концентрацией R290 (пропана) в смеси от 65 до 40%.

Ввиду хорошо известных свойств R744 и R290 в интервалах температур кипения вещества от минус 50 до минус 10^oС и температур конденсации от 35 до 55^oС, предлагаемое рабочее вещество не требует глубоких исследований. Так молекулярные массы R744 и R290 соответственно равны 44,01 и 44,10, газовые постоянные 188,9 и 188,6.

Компоненты R744 и R290 растворимы друг в друге и образуют типичные неазеотропные смеси. Имеется ряд методик, позволяющих оценивать свойства и характеристики смесей различного состава.

R744 имеет высокую объемную холодопроизводительность, поэтому эффективен при использовании в низкотемпературных испарителях R290, в свою очередь, обеспечивает снижение давления конденсации и степени сжатия, поскольку его показатель адиабаты составляет 1,13 (против 1,3 для R744), что снижает энергозатраты на сжатие в компрессорах. Это позволяет улучшить энергетические показатели холодильных установок и, следовательно, сократить расход электроэнергии на выработку тепла и холода.

R744 при концентрациях от 35 до 60% массовых обеспечивает негорючесть смеси, что практически исключает пожаро- и взрывоопасность установок с заявляемым рабочим веществом.

Рабочее вещество на основе предлагаемых смесей R744 И R290 имеет нулевой озоноразрушающий потенциал.

Холодильная установка, использующая в качестве рабочего вещества бинарную смесь R744-R290 для получения холода на разных температурных уровнях, содержит в замкнутом контуре циркуляции рабочего вещества линейный ресивер, промежуточный сосуд, оснащенный внутренним теплообменником, дроссельных вентилей и испарителей на промежуточную и низкую температуры кипения, теплообменников, установленных соответственно после каждого из испарителей, компрессоры низкой и высокой ступени, охладитель рабочего вещества и конденсатор, при этом в контур циркуляции рабочего вещества дополнительно введены дожимающий компрессор, сборник-разделитель жидкого рабочего вещества, низкотемпературные дроссельный вентиль, испаритель и теплообменник и два автоматических дросселирующих вентиля "после себя", причем дожимающий компрессор подсоединен к паровой полости линейного ресивера и через теплообменник и паровые полости испарителей на промежуточную и низкую температуры кипения связан со сборником-разделителем жидкого рабочего вещества, причем сборник-разделитель через низкотемпературный дроссельный вентиль, низкотемпературные испаритель и теплообменник, а затем и автоматический дросселирующий вентиль "после себя" связан с всасывающим трубопроводом компрессора низкой ступени, а через другой дополнительный автоматический дроссельный вентиль "после себя" сборник-разделитель подсоединен к трубопроводу между дросселирующим вентилем, установленным после внутреннего теплообменника промежуточного сосуда, и испарителем низкой температуры кипения.

Оснащение холодильной установки, использующей в качестве рабочего вещества бинарную смесь R744-R290 для получения холода на разных температурных уровнях, путем дополнительного ввода в контур циркуляции рабочего вещества дожимающего компрессора, сборника-разделителя жидкого рабочего вещества, низкотемпературных дроссельного вентиля, испарителя и теплообменника, а также двух автоматических дросселирующих вентилей "после себя", когда дожимающий компрессор подсоединен к паровой полости линейного ресивера и через теплообменник и паровые полости испарителей на промежуточную и низкую температуры кипения связан со сборником-разделителем жидкого рабочего вещества, причем сборник-разделитель через низкотемпературный дроссельный вентиль, низкотемпературные испаритель и теплообменник, а затем и автоматический дросселирующий вентиль "после себя" связан с всасывающим трубопроводом компрессора низкой ступени, а через другой дополнительный автоматический дроссельный вентиль "после себя" сборник-разделитель подсоединен к трубопроводу между дросселирующим вентилем, установленным после внутреннего теплообменника промежуточного сосуда, и испарителем низкой температуры кипения, позволяет обеспечить увеличение эффективности работы холодильной установки путем снижения давления рабочего тела в замкнутом контуре циркуляции и улучшение энергетических показателей компрессионных холодильных установок и тепловых насосов.

На фиг.1 приведена принципиальная схема холодильной установки, на фиг.2 - отображение циклов компонентов R290 и R744 рабочего вещества на T-S диаграммах индивидуальных компонентов.

Холодильная установка для реализации заявляемого рабочего вещества (см. фиг. 1 и 2) содержит линейный ресивер 1, промежуточный сосуд 2, оснащенный внутренним теплообменником 3, дроссельный вентиль 4 и испаритель 5 на промежуточную температуру кипения To2.R, дроссельный вентиль 6 и испаритель 7 на низкую температуру кипения То1.R, теплообменники 8 и 9, компрессор низкой ступени 10 и компрессор высокой ступени 11, охладитель 12 и конденсатор 13.

В схему установки также введены дожимающий компрессор 14, сборник-разделитель жидкого рабочего вещества 15, низкотемпературный дроссельный вентиль 16, низкотемпературный испаритель 17 на температуру кипения To1.C, низкотемпературный теплообменник 18 и автоматические дросселирующие вентили "после себя" 19 и 20.

Сборник-разделитель 15 через низкотемпературный дроссельный вентиль 16, низкотемпературные испаритель 17 и теплообменник 18, а затем и через автоматический дросселирующий вентиль "после себя" 19 связан с всасывающим трубопроводом 21 компрессора низкой ступени 10, а через дополнительный автоматический дроссельный вентиль "после себя" 20 сборник-разделитель 15 подсоединен к трубопроводу 22 между дросселирующим вентилем 6, установленным после внутреннего теплообменника 3 промежуточного сосуда 4, и испарителем 7 на низкую температуру кипения To1.R.

Холодильная установка по фиг.1 и 2 работает следующим образом.

Холодильная установка для реализации заявляемого рабочего вещества (см. фиг. 1 и 2) содержит линейный ресивер 1, промежуточный сосуд 2, оснащенный внутренним теплообменником 3, дроссельный вентиль 4 и испаритель 5 на промежуточную температуру кипения To2.R, дроссельный вентиль 6 и испаритель 7 на низкую температуру кипения To1.R, теплообменники 8 и 9, компрессор низкой ступени 10 и компрессор высокой ступени 11, охладитель 12 и конденсатор 13.

В схему установки также введены дожимающий компрессор 14, сборник-разделитель жидкого рабочего вещества 15, низкотемпературный дроссельный вентиль 16, низкотемпературный испаритель 17 на температуру кипения To1.C, низкотемпературный теплообменник 18 и автоматические дросселирующие вентили "после себя" 19 и 20.

Сборник-разделитель 15 через низкотемпературный дроссельный вентиль 16, низкотемпературные испаритель 17 и теплообменник 18, а затем и через автоматический дросселирующий вентиль "после себя" 19 связан с всасывающим трубопроводом 21 компрессора низкой ступени 10, а через дополнительный автоматический дроссельный вентиль "после себя" 20 сборник-разделитель 15 подсоединен к трубопроводу 22 между дросселирующим вентилем 6, установленным после внутреннего теплообменника 3 промежуточного сосуда 4, и испарителем 7 на низкую температуру кипения To1.R.

Холодильная установка по фиг.1 и 2, где далее индексом R обозначен компонент R290, индексом С - компонент R744, работает следующим образом.

1. По жидкой фазе компонента R290.

Жидкий R290 состояния 1р с температурой конденсации Тк.R дросселируется в дроссельном вентиле 4 и состояния 2R с промежуточной температурой кипения T02. R поступает в промежуточный сосуд 2. Жидкий R290 состояния 1R с температурой конденсации Тк.R проходит через теплообменник 3 промежуточного сосуда 2, охлаждается до состояния 3R, после чего дросселируется в дроссельном вентиле 6 до состояния 4R с низкой температурой кипения T01.R, после чего R290 поступает в испаритель низкой температуры 7. Пары из испарителя 7 состояния 5R проходят через теплообменник 6 и выходят из состояния 6R и поступают в компрессор низкой ступени 10.

Сжатый пар R290 состояния 7R поступает в промежуточный сосуд 2, откуда охлажденный до состояния 8R поступает на всасывание к компрессору высокой ступени 11.

Жидкий R290 состояния 2R из промежуточного сосуда 2 поступает в испаритель промежуточной температуры 5, где кипит и из испарителя 5 пары состояния 9R поступают в теплообменник 8, откуда поступают на смешение с парами R290 состояния 8R, после чего всасывается в компрессор 11. После сжатия пары R290 состояния 12R охлаждается в охладителе до состояния 13R, охлаждаются до состояния пара 14R и конденсируются в конденсаторе 13 до состояния 1R. Цикл работы R290 завершается.

2. По компоненту R744.

R744 состояния 12С сжимается в дожимающем компрессоре 14 до состояния 13С, охлаждается в теплообменнике 8 до состояния 14С, после чего поступает в испаритель промежуточной температуры 5, где R744 конденсируется (состояние 15С). Далее жидкий R744 понижает температуру в испарителе низкой температуры 7 до состояния 1С и поступает в сборник-разделитель 15.

Жидкий R744 состояния 1С дросселируется в низкотемпературном дроссельном вентиле 16 до температуры кипения To1.C и поступает в низкотемпературный испаритель 17, где кипит и подогревается до состояния 3С, далее подогревается в низкотемпературном теплообменнике 18 до состояния 4С и дросселируется в автоматическом дросселирующем вентиле "после себя" 19 до давления Po1.R до состояния 5С, и после смещения с парами R290 состояния 6С поступает во всасывающий трубопровод 21 и далее в компрессор низкой ступени 10. R744 состояния 7С поступает в промежуточный сосуд 2, охлаждается до состояния 8С и после смешения состояния 9С всасывается в компрессор высокой ступени 11, сжимается до состояния 10С, охлаждается в охладителе 12 до состояния 11С, в конденсаторе 13 до состояния 12С и поступает в паровую часть линейного ресивера 1. Цикл работы завершается. 3. По паровой фазе компонента R290.

Из паровой части линейного ресивера 1 пары R290 состояния 14R всасываются в дожимающий компрессор 14, сжимаются до состояния 15R, после чего проходят теплообменник 7, где охлаждаются до состояния 16R и далее проходят испаритель 5, где конденсируются (состояние 17R), и испаритель 7, где жидкий R290 понижает температуру до состояния 18R, после чего поступает в сборник-разделитель 15, откуда поступает в автоматический дросселирующий вентиль "после себя" 20, дросселируется до давления Pol.R (состояние 19R) и поступает в трубопровод 22, где смешивается с потоком R290 после дроссельного вентиля 6 и поступает в испаритель низкой температуры 7. Цикл работы замыкается.

Таким образом, заявляемое рабочее вещество и установка для его реализация обеспечивают:
- использование озонобезопасного рабочего вещества;
- использование недефицитных и дешевых компонентов для формирования рабочего вещества;
- обеспечение безопасной эксплуатации компрессионных холодильных установок;
- обеспечение безопасной эксплуатации компрессионных тепловых насосов;
- улучшения энергетических показателей компрессионных холодильных установок и тепловых насосов.

Рабочее вещество для компрессионных холодильных установок и тепловых насосов на основе смеси R744 (диоксида углерода) и R290 (пропана) при работе в интервалах температур кипения вещества от минус 50 до минус 10^oС и температур конденсации 35 - 55^oС в зависимости от потребного режима работы характеризуется массовой концентрацией R290 (пропана) в смеси от 65 до 40%. Холодильная установка, использующая в качестве рабочего вещества бинарную смесь R744-R290 для получения холода на разных температурных уровнях, содержит в замкнутом контуре циркуляции рабочего вещества линейный ресивер, промежуточный сосуд, оснащенный внутренним теплообменником, дроссельные вентили и испарители на промежуточную и низкую температуры кипения, теплообменников, установленные соответственно после каждого из испарителей, компрессоры низкой и высокой ступени, охладитель рабочего вещества и конденсатор. В контур циркуляции рабочего вещества дополнительно введены дожимающий компрессор, сборник-разделитель жидкого рабочего вещества, низкотемпературные дроссельный вентиль, испаритель и теплообменник и два автоматических дросселирующих вентиля "после себя". Дожимающий компрессор подсоединен к паровой полости линейного ресивера и через теплообменник и паровые полости испарителей на промежуточную и низкую температуры кипения связан со сборником-разделителем жидкого рабочего тела. Сборник-разделитель через низкотемпературный дроссельный вентиль, низкотемпературные испаритель и теплообменник, а затем и автоматический дроселирующий вентиль "после себя" связан с всасывающим трубопроводом компрессора низкой ступени. Через другой дополнительный автоматический дроссельный вентиль "после себя" сборник-разделитель подсоединен к трубопроводу между дросселирующим вентилем, установленным после внутреннего теплообменника промежуточного сосуда, и испарителем низкой температуры кипения. Использование изобретения позволит обеспечить безопасную эксплуатацию, увеличить эффективность работы холодильной установки и улучшить энергетические показатели. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Рабочее вещество для компрессионных холодильных установок и тепловых насосов на основе смеси R744 (диоксида углерода) и R290 (пропана), отличающееся тем, что при работе в интервалах температур кипения вещества от минус 50 до минус 10°С и температур конденсации от 35 до 55°С, в зависимости от потребного режима работы, массовая концентрация R290 (пропана) в смеси составляет от 65 до 40%.2. Холодильная установка, использующая в качестве рабочего вещества по п.1 бинарную смесь R744-R290 для получения холода на разных температурных уровнях, содержащая в замкнутом контуре циркуляции рабочего вещества линейный ресивер, промежуточный сосуд, оснащенный внутренним теплообменником, дроссельные вентили и испарители на промежуточную и низкую температуры кипения, теплообменники, установленные соответственно после каждого из испарителей, компрессоры низкой и высокой ступени, охладитель рабочего вещества и конденсатор, отличающаяся тем, что в контур циркуляции рабочего тела дополнительно введены дожимающий компрессор, сборник-разделитель жидкого рабочего тела, низкотемпературные дроссельный вентиль, испаритель и теплообменник и два автоматических дросселирующих вентиля “после себя”, при этом дожимающий компрессор подсоединен к паровой полости линейного ресивера и через теплообменник и паровые полости испарителей на промежуточную и низкую температуры кипения связан со сборником-разделителем жидкого рабочего тела, причем сборник-разделитель через низкотемпературный дроссельный вентиль, низкотемпературные испаритель и теплообменник, а затем и автоматический дросселирующий вентиль “после себя” связан с всасывающим трубопроводом компрессора низкой ступени, а через другой дополнительный автоматический дроссельный вентиль “после себя” сборник-разделитель подсоединен к трубопроводу между дросселирующим вентилем, установленным после внутреннего теплообменника промежуточного сосуда, и испарителем низкой температуры кипения.