СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТТАИВАНИЯ В СИСТЕМЕ СЖАТИЯ ПАРА Российский патент 2006 года по МПК F25B47/02 

Изобретение относится к способу и устройству для оттаивания теплообменника (испарителя) в холодильной или теплонасосной системе, содержащей помимо первого теплообменника (испарителя), по меньшей мере, компрессор, второй теплообменник (устройство отвода тепла) и расширительное устройство, соединенные трубопроводами в рабочей взаимосвязи и образующие единый замкнутый контур.

В некоторых устройствах, таких как тепловой насос с воздушным источником или воздухоохладитель в системе охлаждения, иней образуется на поглощающем тепло теплообменнике (функционирующем как испаритель), когда окружающая температура приближается к точке замерзания воды или опускается ниже этой температуры. Характеристики теплопередачи теплообменника и поэтому рабочие показатели системы будут снижаться из-за нарастания инея. Поэтому требуется средство оттаивания. Наиболее распространенными способами являются электрическое оттаивание или оттаивание с помощью горячего газа. Первый способ (электрическое оттаивание) является простым способом, но не эффективным, а способ оттаивания горячим газом наиболее целесообразен, когда система имеет два или более испарителя. В обоих случаях для теплонасосной системы должна действовать вспомогательная система нагрева, чтобы отвечать потребностям нагрева во время цикла оттаивания.

В патенте США №5845502 описан цикл оттаивания, в котором давление и температуру внешнего теплообменника повышают с помощью нагревательного средства для хладагента в сборнике без переключения теплового насоса. Хотя эта система улучшает внутренний температурный комфорт за счет работы теплового насоса в режиме нагрева, процесс оттаивания все же требует, чтобы нагревательное средство было достаточно большим для подъема давления всасывания и повышения температуры насыщения выше температуры замерзания воды (инея). Это обстоятельство, возможно, будет ограничивать, по практическим соображениям, тип нагревательного средства (источник энергии), который можно использовать с этим способом оттаивания (радиаторная система). Согласно указанному патенту, цикл оттаивания предназначен для работы только с обратимым тепловым насосом. Еще один недостаток этой известной системы заключается в том, что температура хладагента в сборнике должна быть выше 0 градусов, и это обстоятельство может ограничивать эффективную разницу температур, необходимую для теплопередачи в сборник.

Наконец, еще один недостаток этой системы заключается в том, что температура хладагента в оттаиваемом теплообменнике будет относительно низкой, и время оттаивания будет длительным, чтобы растопить иней.

Задачей изобретения является создание нового усовершенствованного, простого и эффективного способа и устройства для оттаивания испарителя холодильной или теплонасосной системы, в которых устранены недостатки известных систем.

Технический результат достигается посредством способа оттаивания первого теплообменника в системе сжатия пара, включающего размещение первого теплообменника, предназначенного для оттаивания, компрессора, второго теплообменника и расширительного устройства, соединенных трубопроводами для образования единого замкнутого контура, при этом размещение первого теплообменника, предназначенного для оттаивания, компрессора, второго теплообменника и расширительного устройства осуществляют таким образом, что в цикле оттаивания первого теплообменника хладагент в газовой форме проходит через первый теплообменник при по существу том же самом давлении, что и давление хладагента, выходящего из компрессора, так что хладагент в газовой форме, проходя через первый теплообменник, отдает тепло первому теплообменнику, тем самым обеспечивая оттаивание первого теплообменника.

Предпочтительно, тепло дополнительно вводят в хладагент в единый замкнутый контур посредством нагревательного устройства, расположенного в месте на пути хладагента, проходящего через единый замкнутый контур.

При этом тепло вводят посредством нагревательного устройства, расположенного в сборнике давления.

Хладагент нагревают в цикле оттаивания посредством, по меньшей мере, одного тепла сжатия от компрессора и тепла от двигателя компрессора.

Хладагент дополнительно нагревают в цикле оттаивания посредством, по меньшей мере, одного тепла, накапливаемого во втором нагревателе, в резервуаре или в другой части единого замкнутого контура.

В цикле оттаивания первый теплообменник и второй теплообменник могут быть соединены последовательно, при этом хладагент из компрессора сначала подают через второй теплообменник, отдавая некоторое количество тепла, и затем из второго теплообменника через первый теплообменник, обеспечивая оттаивание первого теплообменника.

В цикле оттаивания первый теплообменник и второй теплообменник могут быть соединены параллельно, при этом хладагент из компрессора одновременно подают через первый теплообменник и второй теплообменник, одновременно отдавая тепло как первому теплообменнику, так и второму теплообменнику.

В одном варианте осуществления изобретения первый теплообменник, компрессор, второй теплообменник и расширительное устройство размещают таким образом, что холодильный цикл или теплонасосный цикл является транскритическим.

Предпочтительно хладагентом является диоксид углерода.

В другом варианте осуществления изобретения первый теплообменник, компрессор, второй теплообменник и расширительное устройство размещают таким образом, что цикл оттаивания является транскритическим.

Давление нагнетания газа высокого давления, выходящего из компрессора, активно регулируют для регулирования температуры и удельной энтальпии хладагента на выходе компрессора во время цикла оттаивания.

Дополнительно размещают сборник давления в едином замкнутом контуре таким образом, что хладагент проходит через сборник давления.

Технический результат достигается также посредством устройства для оттаивания первого теплообменника в системе сжатия пара, содержащего первый теплообменник, подлежащий оттаиванию, компрессор для выхода хладагента, второй теплообменник и расширительное устройство, первую обводную линию с первым клапаном, причем первая обводная линия обеспечивает обход расширительного устройства, вторую обводную линию с устройством снижения давления, причем вторая обводная линия размещена после первого теплообменника и обеспечивает обход второго клапана, размещенного после первого теплообменника, при этом первый теплообменник, второй теплообменник, расширительное устройство, первая обводная линия и вторая обводная линия соединены трубопроводами для образования единого замкнутого контура, и первая обводная линия и вторая обводная линия обеспечивают возможность прохода хладагента через них в цикле оттаивания первого теплообменника.

При этом первая обводная линия соединяет выход компрессора с входом первого теплообменника, подлежащего оттаиванию.

Устройство дополнительно содержит сборник давления в едином замкнутом контуре.

В одном варианте осуществления изобретения первый теплообменник и второй теплообменник соединены последовательно.

В другом варианте осуществления изобретения первый теплообменник и второй теплообменник соединены параллельно.

Устройство дополнительно содержит 3-ходовой клапан, установленный после компрессора для ввода, по меньшей мере, части хладагента в первый теплообменник через первую обводную линию.

При этом первая обводная линия выполнена для обхода, по меньшей мере, части второго теплообменника.

Устройство дополнительно содержит третий внутренний теплообменник в едином замкнутом контуре, при этом первая обводная линия обеспечивает обход третьего внутреннего теплообменника.

Ниже приводится более подробное описание изобретения со ссылкой на чертежи.

На фиг.1 и 2 изображена схема работы устройства в режиме цикла оттаивания согласно данному изобретению.

На фиг.3 и 4 изображена схема вариантов осуществления изобретения, показанного на фиг.1 и 2.

На фиг.5 изображена диаграмма температура-энтропия процесса согласно способу оттаивания в соответствии с фиг.1.

На фиг.6 изображены графики сравнения процесса нагрева для CO₂ и R12 в диаграмме температура-энтропия, где процесс оттаивания для R12 соответствует процессу согласно патенту США №5845502.

На фиг.7, 8, 9 и 10 изображены схемы цикла оттаивания согласно изобретению, относящиеся к другим вариантам осуществления изобретения.

На фиг.11 изображен график экспериментальных результатов реализации цикла оттаивания.

Изобретение в общем относится к холодильным и теплонасосным системам, в частности, но не только, к системам, работающим в условиях транскритического процесса для оттаивания замерзшего теплообменника и, в частности, испарителя с помощью любой текучей среды, такой как хладагент и, в частности, диоксид углерода.

Изобретение можно использовать с любой холодильной или теплонасосной системой, предпочтительно с системой, имеющей сборник/накопитель давления. При необходимости изобретение также может устранить проблему холодной внутренней тяги во время цикла оттаивания, которая обычно существует в обычных способах оттаивания в теплонасосных системах. Это достигается с помощью внешнего теплового источника, такого как тепло электрического сопротивления или отходящее тепло (например, из автомобильной системы охлаждения радиатора), или с помощью других соответствующих средств, которые могут быть размещены в сборнике/накопителе или в соединительных трубопроводах на пути хладагента в контуре. Тепло можно также подавать из резервуара. Изобретение можно использовать как с субкритической, так и с транскритической холодильной и теплонасосной системой, имеющей сборник/накопитель. Настоящее изобретение также может быть использовано с холодильными и теплонасосными системами, имеющими только один испаритель.

Способ работы в режиме оттаивания согласно изобретению далее описывается со ссылкой на фиг.1 и 2, причем система может быть как теплонасосной системой, так и холодильной (охлаждающей) системой. Система содержит компрессор 1, первый оттаиваемый теплообменник 3, теплообменник 9, два расширительных устройства - первое 6 и второе 6', второй теплообменник 2 (устройство отвода тепла), клапаны 16' и 16'', сборник/накопитель 7 и нагревательное устройство 10. Второе расширительное устройство 6' установлено в обводной линии относительно клапана 16''', который установлен после первого теплообменника (испарителя) 3. Введение тепла нагревательным устройством и наличие второго расширительного устройства 6', обходящего клапан 16''', и наличие клапана 16', обходящего первое расширительное устройство 6, является основным новым признаком изобретения и обеспечивает оттаивание теплообменника 3 при сохранении по существу того же давления в теплообменнике, что и давление нагнетания компрессора (1), в результате чего первый теплообменник 3 оттаивается по мере того, как нагнетаемый газ высокого давления от компрессора 1 проходит через теплообменник, отдавая тепло этому теплообменнику 3. Посредством нагревательного устройства 10 вводят тепло в хладагент предпочтительно через сборник/накопитель 7, но тепло можно, как вариант или дополнительно, вводить в хладагент в любом месте системы на пути хладагента во время цикла оттаивания.

Обычный режим работы (фиг.1)

В обычном режиме работы второе расширительное устройство 6', установленное на обводной линии относительно клапана 16''', и клапан 16'', установленный на обводной линии относительно первого расширительного устройства 6, закрыты, при этом клапан 16''' открыт. Второе расширительное устройство 6' может быть выполнено в виде капиллярной трубки или аналогичного устройства, которое не будет «закрытым», но потока хладагента в обычном режиме работы практически не будет. Циркулирующий хладагент испаряется в первом теплообменнике 3. Хладагент также поступает в сборник/накопитель 7 и затем проходит через внутренний теплообменник 9, где его подвергают перегреву. Перегретый пар хладагента откачивают компрессором 1. Давление и температуру пара затем повышают компрессором 1, и перегретый пар хладагента направляют во второй теплообменник (устройство отвода тепла) 2. В зависимости от давления пар хладагента либо конденсируется (при субкритическом давлении), либо охлаждается (при сверхкритическом давлении) за счет отвода тепла. Хладагент высокого давления затем проходит через внутренний теплообменник 9, и его давление снижается в детандере 6 до давления испарения, завершая цикл.

Цикл оттаивания

На фиг.1 показано, что в начале цикла оттаивания клапан 16' открыт, а клапан 16''' закрыт. Согласно изобретению, второй теплообменник (устройство отвода тепла) и первый теплообменник (испаритель) 3 последовательно или параллельно соединены и, как сказано выше, находятся почти под одинаковым давлением, давлением нагнетания компрессора. При необходимости теплообменник 2 можно также обойти. Этот обход может иметь место в тех холодильных системах, в которых нет необходимости отвода тепла с помощью теплообменника во время цикла оттаивания (фиг.2).

Температуру и давление пара хладагента повышают компрессором 1, и затем пар направляют в теплообменник 2. При теплонасосном режиме работы, когда необходима подача тепла во время цикла оттаивания, пар хладагента охлаждается, отдавая тепло в поглотитель тепла (внутренний воздух в случае воздушной системы). Хладагент высокого давления может проходить через внутренний теплообменник 9, либо может быть направлен в обход его (см. фиг.1) перед подачей в оттаиваемый теплообменник (испаритель) 3 через клапан 16'. Охлажденный хладагент на выходе теплообменника 3 затем проходит через расширительный клапан 6', который снижает его давление до давления в сборнике/накопителе 7. Тепло предпочтительно вводят в хладагент в сборнике/накопителе 7, чтобы испарить жидкий хладагент, который поступает в сборник/накопитель 7.

Тип применения и предъявляемые к нему требования определяют тип нагревательного устройства и определяют количество тепла, необходимого для выполнения процесса оттаивания. Например, с помощью компрессора с двигателем, охлаждаемым газом всасывания, отдаваемое двигателем тепло и/или тепло сжатия можно использовать как «источник тепла» для введения тепла в хладагент во время цикла оттаивания с минимальным количеством вводимой энергии. На фиг.11 показаны некоторые экспериментальные результаты применения компрессора, охлаждаемого газом всасывания, в котором тепло сжатия и тепло, отдаваемое двигателем компрессора, использовались в качестве «источника тепла». В случае водонагревательной тепловой системы тепло, аккумулированное в воде в устройстве отвода тепла и/или резервуаре горячей воды, можно использовать как «источник тепла».

При использовании сверхкритического давления отвода тепла есть дополнительная «степень свободы», которая повышает гибкость данного изобретения. Хотя в субкритической системе давление (и температура насыщения) в конденсаторе, теплообменнике 2 автоматически определяется балансом теплопередачи в теплообменнике (устройстве отвода тепла), сверхкритическое давление можно активно регулировать в целях оптимизации процесса и характеристик теплопередачи.

На фиг.3 изображен еще один вариант осуществления изобретения, в котором теплообменники 2 и 3 соединены параллельно 3-ходовым клапаном 22, где в зависимости от требуемого времени оттаивания и от эффективности нагревания часть хладагента от компрессора поступает в теплообменник 3 через обводную линию 20. Хладагент, поступающий из теплообменника 2, в этом примере обходит теплообменник 3 за счет открытия клапана 16'' во второй обводной линии.

На фиг.4 изображен другой вариант осуществления, в котором 3-ходовой клапан 22 используется для частичного или полного обхода теплообменника 2 (устройства отвода тепла) по еще одной обводной линии 21. Этот вариант осуществления является целесообразным, когда необходимо быстрое оттаивание.

Согласно изобретению, сверхкритическое давление можно активно регулировать для повышения температуры и удельной энтальпии хладагента после компрессора 1 во время цикла оттаивания, как показано на фиг.5. Повышенная удельная энтальпия хладагента после компрессора 1 (точка b на диаграмме) является результатом увеличения работы сжатия при повышении давления нагнетания. В этом отношении возможность увеличения работы сжатия можно рассматривать как «резервное нагревательное устройство» для способа оттаивания. Например, этот признак изобретения может быть целесообразным для обеспечения внутреннего теплового комфорта в случае применения теплонасосной системы во время цикла оттаивания с повышенной потребностью в нагревании. Также возможно оттаивание при параллельном соединении второго теплообменника (конденсатора) 2 и оттаиваемого первого теплообменника (испарителя) 3 вместо последовательного соединения во время цикла оттаивания.

Усиленный эффект оттаивания (удельная энтальпия из-за увеличения работы) согласно изобретению по сравнению с техническим решением по патенту США №5845502, например, показан на фиг.7. Правая диаграмма представляет процесс согласно изобретению, и левая диаграмма представляет процесс согласно патенту США. Как можно видеть, температура оттаивания гораздо выше согласно настоящему изобретению.

В применениях, не являющихся теплонасосными системами или системами рекуперации тепла, основной задачей является завершение цикла оттаивания как можно быстрее и эффективнее. В этих случаях теплообменник 2 (устройство отвода тепла) можно обойти во время цикла оттаивания, как показано на фиг.2, где обеспечивается обводная линия с клапаном 16, который в этом случае открыт.Поэтому цикл оттаивания можно выполнить быстрее, чем в предыдущем случае. Аналогично внутренний теплообменник 9 можно обойти с помощью обводной линии с клапаном 16', как показано на фиг.1.

Изобретение, заявленное в формуле изобретения, не ограничивается описанными выше вариантами осуществления. Согласно изобретению, цикл оттаивания можно использовать с любой холодильной и теплонасосной системой, имеющей сборник/накопитель. Это показано на фиг.7-9, где один и тот же цикл оттаивания выполнен в разных вариантах, согласно которым, например, соответствующие устройства 4 и 5 переключения потока установлены в субконтурах А и В для быстрого переключения с теплонасосного режима в режим охлаждения. На фиг.10 показана схема основного принципа оттаивания согласно изобретению, когда используется сборник промежуточного давления. На этой схеме показан цикл оттаивания для системы, в которой отсутствует необходимость отвода тепла теплообменником 2 во время цикла оттаивания и где тепло сжатия используется в качестве нагревательного устройства. Во время цикла оттаивания клапаны 16' и 16'' будут открыты, а клапан 16''' будет закрыт.Поэтому газ высокого давления и высокой температуры из компрессора проходит через клапан 16' и затем поступает в оттаиваемый теплообменник 3. Давление охлажденного хладагента затем понижается клапаном 6''' расширительного устройства до давления сборника 7 промежуточного давления. Поскольку этот сборник теперь находится в прямом сообщении со стороной всасывания компрессора через обводную линию, которая снабжена клапаном 16''', поэтому давление в сборнике будет по существу тем же, что и давление на стороне всасывания компрессора. Тепло сжатия вводят в хладагент по мере того, как газ всасывания сжимают компрессором до более высоких давления и температуры. Поскольку в системе отсутствует внешнее нагревательное устройство, поэтому давление всасывания компрессора и давление сборника 7 промежуточного давления будут снижаться до давления равновесия.

Способ оттаивания первого теплообменника в системе сжатия пара включает размещение первого теплообменника, предназначенного для оттаивания компрессора, второго теплообменника и расширительного устройства, соединенных трубопроводами для образования единого замкнутого контура таким образом, что в цикле оттаивания первого теплообменника хладагент в газовой форме проходит через первый теплообменник при по существу том же самом давлении, что и давление хладагента, выходящего из компрессора, так что хладагент в газовой форме, проходя через первый теплообменник, отдает тепло первому теплообменнику, тем самым обеспечивая оттаивание первого теплообменника. Использование изобретения позволит создать усовершенствованный, простой и эффективный способ оттаивания испарителя. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ оттаивания первого теплообменника в системе сжатия пара, включающий размещение первого теплообменника, предназначенного для оттаивания, компрессора, второго теплообменника и расширительного устройства, соединенных трубопроводами для образования единого замкнутого контура, при этом размещение первого теплообменника, предназначенного для оттаивания, компрессора, второго теплообменника и расширительного устройства осуществляют таким образом, что в цикле оттаивания первого теплообменника хладагент в газовой форме проходит через первый теплообменник при, по существу, том же самом давлении, что и давление хладагента, выходящего из компрессора, так что хладагент в газовой форме, проходя через первый теплообменник, отдает тепло первому теплообменнику, тем самым обеспечивая оттаивание первого теплообменника.2. Способ по п.1, в котором тепло дополнительно вводят в хладагент в единый замкнутый контур посредством нагревательного устройства, расположенного в месте на пути хладагента, проходящего через единый замкнутый контур.3. Способ по п.2, в котором тепло вводят посредством нагревательного устройства, расположенного в сборнике давления.4. Способ по п.1, в котором нагревают хладагент в цикле оттаивания посредством, по меньшей мере, одного тепла сжатия от компрессора и тепла от двигателя компрессора.5. Способ по п.1, в котором дополнительно нагревают хладагент в цикле оттаивания посредством, по меньшей мере, одного тепла, накапливаемого во втором теплообменнике, в резервуаре или в другой части единого замкнутого контура.6. Способ по п.1, в котором соединяют в цикле оттаивания первый теплообменник и второй теплообменник последовательно, при этом хладагент из компрессора сначала подают через второй теплообменник, отдавая некоторое количество тепла, и затем из второго теплообменника через первый теплообменник, обеспечивая оттаивание первого теплообменника.7. Способ по п.1, в котором соединяют в цикле оттаивания первый теплообменник и второй теплообменник параллельно, при этом хладагент из компрессора одновременно подают через первый теплообменник и второй теплообменник, одновременно отдавая тепло как первому теплообменнику, так и второму теплообменнику.8. Способ по п.1, в котором размещают первый теплообменник, компрессор, второй теплообменник и расширительное устройство таким образом, что холодильный цикл или теплонасосный цикл является транскритическим.9. Способ по п.1, в котором хладагентом является диоксид углерода.10. Способ по п.1, в котором размещают первый теплообменник, компрессор, второй теплообменник и расширительное устройство таким образом, что цикл оттаивания является транскритическим.11. Способ по п.1, в котором активно регулируют давление нагнетания газа высокого давления, выходящего из компрессора, для регулирования температуры и удельной энтальпии хладагента на выходе компрессора во время цикла оттаивания.12. Способ по п.1, в котором дополнительно размещают сборник давления в едином замкнутом контуре таким образом, что хладагент проходит через сборник давления.13. Устройство для оттаивания первого теплообменника в системе сжатия пара, содержащее первый теплообменник, подлежащий оттаиванию, компрессор для выхода хладагента, второй теплообменник и расширительное устройство, первую обводную линию с первым клапаном, причем первая обводная линия обеспечивает обход расширительного устройства, вторую обводную линию с устройством снижения давления, причем вторая обводная линия размещена после первого теплообменника и обеспечивает обход второго клапана, размещенного после первого теплообменника, при этом первый теплообменник, компрессор, второй теплообменник, расширительное устройство, первая обводная линия и вторая обводная линия соединены трубопроводами для образования единого замкнутого контура и первая обводная линия и вторая обводная линия обеспечивают возможность прохода хладагента через них в цикле оттаивания первого теплообменника.14. Устройство по п.13, в котором первая обводная линия соединяет выход компрессора с входом первого теплообменника, подлежащего оттаиванию.15. Устройство по п.13, дополнительно содержащее сборник давления в едином замкнутом контуре.16. Устройство по п.13, в котором первый теплообменник и второй теплообменник соединены последовательно.17. Устройство по п.13, в котором первый теплообменник и второй теплообменник соединены параллельно.18. Устройство по п.17, дополнительно содержащее 3-ходовой клапан, установленный после компрессора для ввода, по меньшей мере, части хладагента в первый теплообменник через первую обводную линию.19. Устройство по п.13, в котором первая обводная линия выполнена для обхода, по меньшей мере, части второго теплообменника.20. Устройство по п.13, дополнительно содержащее третий внутренний теплообменник в едином замкнутом контуре, при этом первая обводная линия обеспечивает обход третьего внутреннего теплообменника.