ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2004 года по МПК F25B1/00 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к оборудованию для холодильных машин, 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 холодильные машины, в которых для предотвращения утечек хладагента используются компрессоры, оснащенные электродвигателем и помещенные в герметичный корпус (см., например, Якобсон В.Б. Малые холодильные машины. - М.: Пищевая промышленность, 1977 г.).

Известны многочисленные модификации основных конструктивных схем компрессоров с электродвигателем, помещенных в герметичный корпус. Так, известно использование вместо герметичного кожуха картера компрессора (см., например, пат. 5464332 США; пат. 5957667 США), причем герметичный картер заполнен газом под давлением, при этом всасывание производится через патрубок в картер компрессора, после чего всасываемый газ охлаждает обмотки электродвигателя и проходит во всасывающую полость компрессора. Известно использование в герметичных вертикальных поршневых холодильных компрессорах изолированных обмоток статора (см., например, пат. 5653125 США), где ротор приводного электродвигателя заключен в герметичную тонкостенную гильзу из маломагнитного материала, расположенную в зазоре между ротором и открытым статором, но всасывание паров хладагента происходит через картер.

Независимо от конструктивных особенностей известных герметичных компрессоров, работающих в составе холодильной машины, и обладающих патентной защитой, характерными особенностями таких машин являются:

- компрессор поддерживает во внутреннем объеме герметичного кожуха давление ниже давления кипения хладагента;

- пары хладагента из испарителя холодильной машины всасываются во внутренний объем герметичного кожуха;

- холодный пар затем используется для охлаждения обмоток электродвигателя;

- в нижней части герметичного кожуха находится жидкость - смазочное масло, которое используется для смазки деталей компрессора;

- компрессор нагнетает пары непосредственно в конденсатор холодильной машины.

К недостаткам известных холодильных машин, оснащенных герметичным кожухом, находящимся под давлением всасывания, следует отнести необходимость создания конструкций, рассчитанных на перепад давлений Рнг - Рвс, величина которого может достигать значений 20 и более. Это приводит к достаточно большой металлоемкости компрессоров.

В последние годы происходит реабилитация диоксида углерода (R744) как хладагента. Известно, что DORIN, итальянский производитель компрессоров, разработал первые образцы углекислотных машин в 1996 г. (см. DORIN проводит испытания 40 опытных образцов углекислотных компрессоров. /Холод. Бизнес, 2000, №5, с.10). В настоящее время 40 штук работают в Европе и Соединенных Штатах. В число разработок "Дорин" входит 10 одноступенчатых моделей для получения температур до минус 20° С и 10 двухступенчатых для температур вплоть до минус 40° С. Конструкция машин существенно отличается от компрессоров, рассчитанных на другие хладагенты, например R22 или R404A: более толстый и прочный чугунный корпус, который позволяет компрессорам работать при давлении 3,0 МПа и выдерживать давление до 15,0 МПа (5,5-киловаттные модели). Полугерметичные поршневые компрессоры этой фирмы, разработанные специально для R744 при научном содействии Университета Осло (Норвегия), сделали заказчиками" Dorin" подводные флоты США, Англии, Германии и других стран, норвежские нефтедобывающие фирмы, т.е. такие объекты, где необходимо оборудование с высокой степенью пожарной безопасности.

Требования при проектировании современных полугерметичных компрессоров на R744, а также специальные меры безопасности рассмотрены в работе: Коптелов КА. Полугерметичные поршневые и винтовые компрессоры для каскадных холодильных систем на СО₂. //Компрессорная техника и пневматика - 2001, №1, - с. 11-12/. Отмечается, что полугерметичные компрессоры при работе на R744 из-за высоких нагрузок должны были иметь более прочную конструкцию и некоторые конструктивные особенности, обусловленные большими нагрузками на подшипники и изгибающими нагрузками на коленчатый вал. Корпус должен выполняться с пятикратным запасом прочности по давлению. Дополнительный потенциал для увеличения рабочего давления при использовании стандартной толщины стенок корпуса компрессора обеспечивается заменой чугуна с пластинчатой структурой на использование сферического чугуна. Но это требует специального исполнения ряда деталей корпуса и связано со значительным увеличением стоимости компрессора. Охлаждение электродвигателя всасываемыми парами R744 протекает достаточно интенсивно, но из-за необходимости создания мощных встроенных электродвигателей серийные полугерметичные компрессоры на R22, как база для создания аналогичных полутерметичных компрессоров на R744, могут быть реализованы только в очень редких случаях.

Таким образом, существующие технические решения не позволяют эффективно решить возникшую проблему - создание компрессоров холодильных машин при работе преимущественно на R744, характеризуемых низкой металлоемкостью и возможностью использовать существующую базу компрессоростроения для создания новых машин, в том числе работающих на R744.

Задачей настоящего изобретения ставится снижение металлоемкости холодильного компрессора путем создания в герметичном кожухе давления, равного или большего давлению нагнетания компрессора.

Поставленная задача достигается тем, что согласно заявляемому изобретению холодильная машина содержит в замкнутом контуре циркуляции хладагента, преимущественно диоксида углерода, компрессор с электродвигателем, помещенные в герметичный кожух, теплообменник, охладитель (конденсатор), дроссельный вентиль и испаритель, при этом обмотки статора электродвигателя помещены в герметичную гильзу, герметичный кожух выполнен в нижней части в форме емкости, в которую помещен дополнительный теплообменник, и дополнительный теплообменник введен в линию нагнетания между компрессором и теплообменником, верхняя часть кожуха оснащена патрубком, связанным с параллельно установленными предохранительным и обратным клапанами, подсоединенными к нагнетательному трубопроводу компрессора, причем дополнительный теплообменник погружен в жидкость, заполняющую нижнюю часть кожуха в форме емкости, а эту жидкость характеризуют положительные значения коэффициента объемного расширения от температуры, например толуол.

Выполнение герметичного кожуха в нижней части в форме емкости, в которую помещен дополнительный теплообменник, который введен в линию нагнетания между компрессором и теплообменником и погружен в жидкость, заполняющую нижнюю часть кожуха в форме емкости, а эту жидкость характеризуют положительные значения коэффициента объемного расширения от температуры, позволяет в процессе работы компрессора и повышении температуры нагнетания увеличить давление паров над жидкостью вследствие объемного расширения жидкости от нагрева. При этом давление паров в объеме между внутренней площадью поверхности кожуха и наружной поверхностью компрессора и герметичной гильзы возрастает до значения, равного или большего давлению нагнетания компрессора.

Оснащение верхней части кожуха патрубком, связанным с параллельно установленными предохранительным и обратным клапанами с нагнетательным трубопроводом компрессора, обеспечивает поддержание в объеме между внутренней площадью поверхности кожуха и наружной поверхностью компрессора начального давления, равного давлению пара хладагента при остановке компрессора, и сброс величины избыточного давления пара из этого объема при превышении температуры нагнетания свыше расчетного значения.

Помещение обмотки статора электродвигателя компрессора в герметичную гильзу обеспечивает охлаждение обмоток всасываемым паром низкого давления.

На фиг.1 приведена принципиальная схема холодильной машины, оснащенной компрессором, размещенным в герметичном кожухе; на фиг.2 - графики изменения объема жидкости V в емкости кожуха и давления Р в кожухе от температуры нагнетания Тнг хладагента после компрессора.

Холодильная машина (по фиг.1) содержит в замкнутом контуре циркуляции хладагента, преимущественно диоксида углерода, компрессор 1 с электродвигателем, теплообменник 2, охладитель (конденсатор) 3, дроссельный вентиль 4 и испаритель 5. Обмотки статора электродвигателя компрессора 1 (условно не показаны) помещены в герметичную гильзу 6, компрессор 1 с электродвигателем помещены в герметичный кожух 7.

Всасывающий трубопровод 8 проходит сквозь герметичный кожух 7 и введен в герметичную гильзу 6.

Герметичный кожух 7 выполнен в нижней части в форме емкости 9, в которую помещен дополнительный теплообменник 10, который введен в линию нагнетания 11 между компрессором 1 и теплообменником 4. Верхняя часть кожуха 3 оснащена патрубком 12, связанным с параллельно установленными предохранительным 13 и обратным 14 клапанами с нагнетательным трубопроводом компрессора 11, и дополнительный теплообменник 10 погружен в жидкость 15, заполняющую нижнюю часть кожуха 7 в форме емкости 9. Эту жидкость характеризуют положительные значения коэффициента объемного расширения от температуры, например толуол, которому присущ коэффициент объемного расширения α =109,9· 10^-5 1/град (см. Справочник машиностроителя, т. 2. Изд. 3. /Под редакц. Ачеркана/. - М.: Машгиз, 1960).

Холодильная машина (по фиг.1 и 2) работает следующим образом.

После запуска электродвигателя компрессор 1 понижает давление в герметичной гильзе 6. Из испарителя 5 пары хладагента по трубопроводу 8 поступают в полость гильзы 6, охлаждают обмотки статора электродвигателя (условно не показаны) и затем всасываются в компрессор 1. Сжатые пары хладагента из компрессора 1 поступают в теплообменник 10, затем последовательно проходят через нагнетательный трубопровод 11 в теплообменник 2, далее в охладитель 3; затем хладагент через дроссельный вентиль 4 возвращается в испаритель. Цикл работы завершается.

В начале работы компрессора 1 из трубопровода 11 через обратный клапан 14 и патрубок 12 пары хладагента поступают в объем между внутренней площадью поверхности кожуха 7 и наружной поверхностью компрессора 1 и герметичной гильзы 6. Давление паров хладагента в этом объеме равно давлению нагнетания.

Поскольку температура Тнг нагнетаемых компрессором 1 паров хладагента выше температуры окружающей среды Тос, жидкость 15, заполняющая нижнюю часть кожуха 7 в форме емкости 9 и имеющая объем V₀, начинает нагреваться. Вследствие повышения температуры при положительном значении коэффициента объемного расширения α от температуры в соответствии с известной зависимостью Vj=V₀·_{(1+α ·Δ t) объем жидкости увеличивается до значения Vj. Это уменьшает объем, занимаемый парами хладагента в объеме между внутренней площадью поверхности кожуха 7 и наружной поверхностью компрессора 1 и герметичной гильзы 6. При этом давление паров Pj в объеме между внутренней площадью поверхности кожуха 7 и наружной поверхностью компрессора 1 и герметичной гильзы 6 возрастает до значения, большего давления нагнетания Рнг компрессора. Когда давление паров Pj достигает значения Рпк, например, соответствующего точке А (фиг.2), установленного в качестве предельно допустимого, срабатывает предохранительный клапан 13 и пары с избыточным давлением сбрасываются в нагнетательный трубопровод 11.}

При остановке компрессора 1 и охлаждении жидкости до Тос объем, занимаемый жидкостью в объеме между внутренней площадью поверхности кожуха 7 и наружной поверхностью компрессора 1 и герметичной гильзы 6, уменьшается и давление Pj понижается до значения Рнг. Цикл работы завершается.

Таким образом, заявляемая холодильная машина, отображенная на фиг.1 и обеспечивающая протекание процессов по фиг.2 в объеме между внутренней площадью поверхности кожуха 7 и наружной поверхностью компрессора 1 и герметичной гильзы 6, по сравнению с известным обеспечивает снижение металлоемкости компрессора путем сокращения перепада давлении между деталями компрессора и окружающей компрессор средой из-за равенства давлений Pj и Рнг (или небольшого превышения давления Pj=Рпк относительно давления Рнг).

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в углекислотных холодильных машинах. Холодильная машина содержит в замкнутом контуре циркуляции хладагента, преимущественно диоксида углерода, компрессор с электродвигателем, помещенные в герметичный кожух теплообменник, охладитель (конденсатор), дроссельный вентиль и испаритель. Обмотки статора электродвигателя помещены в герметичную гильзу. Герметичный кожух выполнен в нижней части в форме емкости, в которую помещен дополнительный теплообменник. Дополнительный теплообменник введен в линию нагнетания между компрессором и теплообменником и погружен в жидкость, заполняющую нижнюю часть кожуха в форме емкости. Жидкость характеризуют положительные значения коэффициента объемного расширения от температуры. В качестве жидкости может быть использован толуол. Верхняя часть кожуха оснащена патрубком, связанным с параллельно установленными предохранительным и обратным клапанами, подсоединенными к нагнетательному трубопроводу компрессора. Использование изобретения позволит снизить металлоемкость компрессора. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Холодильная машина, содержащая в замкнутом контуре циркуляции хладагента, преимущественно диоксида углерода, компрессор с электродвигателем, помещенные в герметичный кожух, теплообменник, охладитель (конденсатор), дроссельный вентиль и испаритель, отличающаяся тем, что обмотки статора электродвигателя помещены в герметичную гильзу, герметичный кожух выполнен в нижней части в форме емкости, в которую помещен дополнительный теплообменник, при этом дополнительный теплообменник введен в линию нагнетания между компрессором и теплообменником, верхняя часть кожуха оснащена патрубком, связанным с параллельно установленными предохранительным и обратным клапанами, подсоединенными к нагнетательному трубопроводу компрессора, и дополнительный теплообменник погружен в жидкость, заполняющую нижнюю часть кожуха в форме емкости.2. Холодильная машина по п.1, отличающаяся тем, что нижнюю часть кожуха в форме емкости заполняют жидкостью, характеризуемой положительными значениями коэффициента объемного расширения от температуры, например, толуолом.