ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК F25B1/00 

Изобретение предназначено для повышения эффективности холодильных машин при низких температурах наружного воздуха и может быть использовано в парокомпрессионных холодильных машинах и установках с воздушным охлаждением конденсатора.

Энергетическая эффективность холодильной машины может быть оценена значением коэффициента η, представляющего собой отношение холодильных коэффициентов сравниваемых вариантов холодильной машины одного типоразмера:

где ε, Q₀, N, k_нп, Т₀ и Т_к - соответственно холодильный коэффициент машины, холодильная мощность, потребляемая компрессором мощность, коэффициент необратимости, холодильный коэффициент обратного цикла Карно, температура кипения и температура конденсации хладагента разрабатываемой холодильной машины;

ε₀, Q₀₀, N₀, k_нпо, ε_k0, Т₀₀ и Т_k0 - то же для аналога.

Для одного типоразмера холодильной машины справедливо условие:

В этом случае из соотношения (1) может быть получено выражение:

Из выражения (3) следует, что при прочих равных условиях с уменьшением значения Т_к значение η возрастает.

Конденсаторы парокомпрессионных холодильных машин ряда холодильных установок, например, бытовых холодильников и морозильных установок, торгового и технологического оборудования размещают в помещениях, температура воздуха в которых в течение года изменяется в узких пределах (20±10°С), или охлаждают водой, температура которой изменяется на протяжении года также незначительно (15±15°С) [1].

Размещение конденсатора в помещении ведет к увеличению тепловой нагрузки на систему вентиляции и кондиционирования этого помещения в теплый период года на величину тепловыделений в конденсаторе, а охлаждение конденсатора водой - к увеличению потребления водопроводной воды на протяжении всего года.

В упомянутых холодильных установках для снижения потребляемой компрессором холодильной машины мощности не может быть использовано охлаждение конденсатора наружным воздухом в переходные и холодный периоды года. Это обусловлено незначительным изменением в течение года температур воздуха и воды на входе в конденсатор и тем, что в случае размещения конденсатора в потоке наружного воздуха при снижении температуры воздуха температуры конденсации и кипения хладагента также уменьшаются, и при достижении нормированного уровня температуры кипения реле низкого давления отключает компрессор. При дальнейшем снижении температуры наружного воздуха холодильная установка, в связи с отключением компрессора, остается неработоспособной.

Кроме того, при охлаждении конденсатора наружным воздухом с низкими температурами температура паров хладагента на входе в компрессор снижается, что ухудшает условия смазки компрессора в связи с увеличением вязкости масла, и увеличивается вероятность попадания в компрессор жидкого хладагента в связи с увеличением холодильной мощности машины при постоянной или уменьшенной тепловой нагрузке на испаритель. Это увеличивает вероятность гидравлического удара и повреждения или перегрузки компрессора и выхода из строя его привода.

Лучшие температурные условия смазки компрессора и меньшую вероятность попадания в компрессор жидкого хладагента имеет холодильная машина, содержащая образующие замкнутый контур хладагента компрессор с приводом, конденсатор, испаритель, реле низкого давления и парожидкостный теплообменник, жидкостная сторона которого включена в контур на участке между конденсатором и испарителем, а паровая - между испарителем и компрессором [1, стр. 158, 160 (прототип)].

В этих холодильных машинах улучшаются условия смазки компрессора и уменьшается вероятность попадания жидкого хладагента в компрессор благодаря перегреву в теплообменнике всасываемых компрессором паров хладагента более теплым жидким хладагентом из конденсатора.

Однако и в этих холодильных машинах при температуре воздуха на входе в конденсатор, соответствующей температуре конденсации хладагента ниже 20°С, перегрев паров хладагента на входе в компрессор недостаточен и для снижения температуры конденсации также не может быть использовано охлаждение конденсатора наружным воздухом в переходные и холодный периоды года.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение энергетической эффективности холодильной машины путем использования для снижения температуры конденсации (при сохранении нормированного уровня температуры кипения хладагента) низких температур наружного воздуха в переходные и холодный периоды года.

Для этого в первом варианте холодильной машины, содержащей образующие замкнутый циркуляционный контур хладагента компрессор с приводом, конденсатор, испаритель и парожидкостный теплообменник, жидкостная сторона которого включена в контур на участке между конденсатором и испарителем, паровая сторона теплообменника образует с компрессором другой, параллельный первому, замкнутый циркуляционный контур паров хладагента. Холодильная машина оснащена установленным в этом контуре регулирующим устройством с приводом.

Такая холодильная машина может быть использована в климатических районах с температурами воздуха выше или близкими к температуре кипения хладагента. Это обусловлено тем, что при температурах воздуха ниже указанных реле низкого давления хладагента разрывает цепь питания привода компрессора до включения холодильной машины, поэтому при этих температурах она неработоспособна.

Для обеспечения работоспособности холодильной машины при температурах наружного воздуха ниже температуры кипения хладагента во втором варианте холодильной машины, содержащей образующие замкнутый циркуляционный контур хладагента компрессор с приводом, конденсатор, испаритель и парожидкостный теплообменник, жидкостная сторона которого включена в контур на участке между конденсатором и испарителем, и связанное с приводом компрессора реле низкого давления хладагента, паровая сторона теплообменника образует с компрессором другой, параллельный первому, замкнутый циркуляционный контур паров хладагента. Холодильная машина оснащена также установленным во втором контуре регулирующим устройством с приводом и связанным с реле низкого давления и приводом компрессора регулятором скорости вращения привода компрессора.

Кроме того, для автоматического регулирования температуры конденсации хладагента оба варианта холодильной машины оснащены связанным с приводом регулирующего устройства реле с установленным на нагнетающей магистрали первого контура датчиком.

Для автоматического поддержания требуемого уровня паров хладагента на входе в компрессор оба варианта холодильной машины оснащены связанным с приводом регулирующего устройства термореле с установленным на всасывающей магистрали первого контура после зоны соединения между собой всасывающих магистралей обоих контуров датчиком температуры.

Для автоматического поддержания нормированного уровня температуры кипения хладагента оба варианта холодильной машины оснащены связанным с реле и приводами регулирующего устройства и компрессора регулятором скорости вращения привода компрессора.

На чертежах условно изображены функциональные схемы холодильной машины:

на фиг.1 показан пример исполнения первого варианта холодильной машины в период ее работы при температурах наружного воздуха, соответствующих температуре конденсации хладагента, ниже, например, 20°С;

на фиг.2 - при температурах конденсации хладагента выше 20°С;

на фиг.3 - второго варианта в период запуска холодильной машины при температурах наружного воздуха ниже температуры кипения хладагента;

на фиг.4 - в период работы холодильной машины второго варианта при температурах наружного воздуха, соответствующих температуре конденсации хладагента, ниже, например, 20°С;

на фиг.5 - при температуре конденсации хладагента выше 20°С;

на фиг.6 - второго варианта холодильной машины в период ее запуска. Первый вариант парокомпрессионной холодильной машины содержит образующие замкнутый циркуляционный контур 1 хладагента компрессор 2 с приводом, например, электродвигателем 3, конденсатор 4, испаритель 5 с дросселирующим устройством, например, терморегулирующим вентилем 6, и парожидкостный теплообменник 7. Паровая сторона этого теплообменника образует с компрессором 2 другой, параллельный контуру 1, замкнутый циркуляционный контур 8 паров хладагента. Холодильная машина оснащена установленным в контуре 8 регулирующим устройством в виде, например, соленоадного вентиля 9 с электромагнитным приводом 10. Холодильная машина может быть оснащена реле в виде, например, термореле 11 манометрического типа с установленным на нагнетающей магистрали контура 1 между теплообменником 7 и испарителем 5 датчиком температуры и связанным с приводом 10 вентиля 9 и (или) регулятором 12 скорости вращения вала электродвигателя 3, например, трансформаторного типа. При этом электромагнитный привод 10 связан с электродвигателем 3 и регулятором 12 через переключатель в виде, например, электромеханического реле 13.

Второй вариант холодильной машины имеет реле 14 низкого давления хладагента и оснащен регулятором 15 скорости вращения вала электродвигателя 3, например, трансформаторного типа. При этом реле 14 связано с электродвигателем 3 и регулятором 15 через переключатель в виде, например, электромеханического реле 16.

В качестве электродвигателя 3, терморегулирующего вентиля 6, вентиля 9, электропривода 10, термореле 11, регуляторов 12 и 15, реле 13 и 16 могут быть использованы также и любые другие. При выполнении термореле 11 в виде реле давления хладагента его датчик может быть установлен и на любом другом участке нагнетающей магистрали контура 1.

В период работы первого варианта холодильной машины при температурах наружного воздуха, соответствующих температуре конденсации хладагента, ниже, например, 20°С (фиг.1) контакты термореле 11 замкнуты, привод 10 находится в положении, при котором вентиль 9 открыт, а контакты реле 13 - в положении, при котором регулятор 12 подает к электродвигателю 3 меньшее напряжение. Пары хладагента компрессором 2 под давлением подаются в конденсатор 4. В конденсаторе хладагент охлаждается наружным воздухом, конденсируется, переохлаждается и в жидком виде поступает в теплообменник 7. Жидкий хладагент в теплообменнике 7 подогревается поступающими из компрессора 2 по контуру 8 горячими парами хладагента, в связи с чем уменьшается степень переохлаждения жидкого хладагента. Затем жидкий хладагент дросселируется в терморегулирующем вентиле 6 и кипит в испарителе 5, из которого пары хладагента всасываюся компрессором 2. Затем цикл повторяется.

Из компрессора 2 нагретые в нем пары хладагента одновременно попадают в контур 8. Пары хладагента в теплообменнике 7 частично охлаждаются, смешиваются с холодными, поступающими из испарителя 5 парами, подогревают их и всасываются компрессором 2. Затем цикл повторяется.

При открытом вентиле 9 и снижении скорости вращения вала электродвигателя 3, в связи с уменьшением подаваемого к нему напряжения, достигается уменьшение разности давлений, а следовательно, и температур конденсации и кипения хладагента пропорционально оборотам компрессора и изменению температур наружного воздуха.

При повышении температуры наружного воздуха и достижении значений, соответствующих температуре конденсации, выше 20°С (фиг.2) по сигналу датчика температуры контакты термореле 11 размыкаются, привод 10 устанавливается в положение, при котором вентиль 9 запирается, а контакты реле 13 - в положение, при котором подаеваемое регулятором 12 к электродвигателю 3 напряжение восстанавливается и хладагент циркулирует только по контуру 1. В остальном принцип работы аналогичен рассмотренному.

В период запуска второго варианта холодильной машины при температурах наружного воздуха, близких или ниже температуры кипения хладагента (фиг.3), контакты реле 14 разомкнуты, термореле 11 замкнуты, привод 10 установлен в положение, при котором вентиль 9 открыт, а реле 16 - в положении, при котором регулятор 15 подает к электродвигателю 3 меньшее напряжение. Хладагент циркулирует по обоим контурам 1 и 8, и принцип работы аналогичен рассмотренному по схеме фиг.1.

При этом давление, а следовательно, и температура конденсации снижается, а температура кипения хладагента повышается по сравнению с прототипом.

При достижении температуры кипения хладагента нормированного уровня (фиг.4) контакты реле 14 замыкаются, а реле 16 устанавливаются в положение, при котором подаваемое к электродвигателю 3 регулятором 15 напряжение восстанавливается. В остальном принцип работы аналогичен рассмотренному по схеме фиг.1.

При повышении температуры наружного воздуха и достижении значений, соответствующих температуре конденсации, выше 20°С (фиг.5) по сигналу датчика температуры контакты термореле 11 размыкаются, привод 10 устанавливается в положение, при котором вентиль 9 запирается, и хладагент циркулирует только по контуру 1. В остальном принцип работы аналогичен рассмотренному по схеме фиг.2.

При размещении датчика температуры термореле 11 (фиг.6) на всасывающей магистрали контура 1 после зоны соединения между собой всасывающих магистралей контуров 1 и 8 включение и выключение контура 8 осуществляется в зависимости от нормированного уровня температуры всасываемых компрессором 2 паров хладагента. В остальном принцип работы аналогичен рассмотренному по схемам фиг.1-5.

Значение температуры конденсации хладагента, при котором включается и выключается контур 8, может быть и любым другим в зависимости от конструкции составных частей холодильной машины и климатического района, в котором она эксплуатируется.

Положительный эффект при использовании изобретения заключается в увеличении значения холодильного коэффициента холодильной машины и может быть оценен по значениям коэффициента энергетической эффективности η по формуле (3).

Среднее значение коэффициента энергетической эффективности за год в зависимости от климатического района по ГОСТ 163150-80 [2], в котором эксплуатируется холодильная установка, определяется по формуле:

где τ_Твx ≥ 293 К - продолжительность температур наружного воздуха выше Т_вх0= 293 К (20°С) за год, часов;

τ_i - продолжительность i-го шага температур наружного воздуха Т_вхi за год, часов;

n - количество шагов температур наружного воздуха от Т_вхi до Т_вхn;

Т_твх ≤ Т_вх (n+1) - продолжительность температур наружного воздуха за год, равных и ниже Т_вх (n+1), часов.

Для обеспечения устойчивой работы холодильной машины при температурах наружного воздуха Т_вх ≤ Т_вх (n+1) минимально допустимое значение принимается равным: (Т_k(n+1)-T₀₀)_min ≥ 5K. Результаты ориентировочного расчета η по формуле (4) представлены в таблице.

Приведенные в таблице результаты расчета показывают, что при охлаждении конденсатора наружным воздухом в переходные и холодный периоды года и снижении разности температур конденсации и кипения хладагента до 5°С коэффициент энергетической эффективности η холодильной машины больше 1 во всех климатических районах бывшего Советского Союза (от очень жаркого до очень холодного).

Значение η в зависимости от климатического района и температуры кипения хладагента изменяется в широких пределах (от 1,17 в теплом влажном климатическом районе и температуре кипения хладагента минус 25°С до 5,85 в арктическом восточном климатическом районе при температуре кипения хладагента минус 15°С). Поэтому более точные результаты расчета могут быть получены только для каждой конкретной модели холодильной установки и конкретного климатического района, в котором планируется ее эксплуатация.

Источники информации

1. И.Х. Зеликовский, Л.Г. Каплан. Справочник по малым холодильным машинам и установкам. - М.: Пищевая промышленность, 1968.

2. ГОСТ 16350-80. Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических нужд.

Изобретение предназначено для парокомпрессионных холодильных машин и установок при эксплуатации их в переходные и холодный периоды года. Для обеспечения работоспособности парокомпрессионной холодильной машины, содержащей охлаждаемый наружным воздухом конденсатор и парожидкостный теплообменник. При температурах наружного воздуха, соответствующих температуре конденсации хладагента ниже 20°С, паровая сторона теплообменника образует второй параллельный основному контуру замкнутый циркуляционный контур. Этот контур оснащен регулирующим устройством с приводом. Во втором варианте холодильной машины реле низкого давления хладагента связано с приводом компрессора через регулятор скорости вращения вала этого привода. Использование изобретения позволит увеличить холодильный коэффициент и уменьшить потребляемую компрессором мощность. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Холодильная машина, содержащая образующие замкнутый циркуляционный контур хладагента компрессор с приводом, конденсатор, испаритель и парожидкостной теплообменник, жидкостная сторона которого включена в контур на участке между конденсатором и испарителем, отличающаяся тем, что паровая сторона теплообменника образует с компрессором другой, параллельный первому, замкнутый циркуляционный контур паров хладагента и оснащена установленным в этом контуре регулирующим устройством с приводом.2. Холодильная машина по п. 1, отличающаяся тем, что она оснащена связанным с приводом регулирующего устройства реле с установленным на нагнетающей магистрали первого контура датчиком.3. Холодильная машина по п. 1, отличающаяся тем, что она оснащена связанным с приводом регулирующего устройства термореле с установленным на всасывающей магистрали первого контура после зоны соединения между собой всасывающих магистралей обоих контуров датчиком температуры.4. Холодильная машина, содержащая образующие замкнутый циркуляционный контур хладагента компрессор с приводом, конденсатор, испаритель и парожидкостной теплообменник, жидкостная сторона которого включена в контур на участке между конденсатором и испарителем, и связанное с приводом компрессора реле низкого давления хладагента, отличающаяся тем, что паровая сторона теплообменника образует с компрессором другой, параллельный первому, замкнутый циркуляционный контур паров хладагента и оснащена установленным в этом контуре регулирующим устройством с приводом и связанным с реле низкого давления и приводом компрессора регулятором скорости вращения привода компрессора.5. Холодильная машина по п. 4, отличающаяся тем, что она оснащена связанным с приводом регулирующего устройства реле с установленным на нагнетающей магистрали первого контура датчиком.6. Холодильная машина по п. 4, отличающаяся тем, что она оснащена связанным с приводом регулирующего устройства термореле с установленным на всасывающей магистрали первого контура после зоны соединения между собой всасывающих магистралей обоих контуров датчиком температуры.7. Холодильная машина по п. 5 или 6, отличающаяся тем, что она оснащена связанным с реле приводами регулирующего устройства и компрессора регулятором скорости вращения привода компрессора.