УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ СЕТИ Российский патент 2020 года по МПК F25B49/02 F25B41/00 

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству сопряжения, предназначенному для использования с любой отдельной парокомпрессионной холодильной системой в составе тепловой сети. Настоящее изобретение также относится к холодильной системе, предназначенной для подачи охлажденной среды в заданное место, способу обеспечения многорежимного отвода тепла из холодильной системы и способу повышения производительности по холоду.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

В холодильных системах обычно используются циклы сжатия пара с тем, чтобы вызвать необходимые энтальпийные изменения в хладагенте для создания холодильного эффекта, который можно использовать в целях охлаждения. На фиг. 1 представлено схематическое изображение парокомпрессионной холодильной системы, обозначенной в целом позицией 10. Система 10 содержит компрессор 12; конденсатор 14, обозначенный как теплообменный элемент; дроссельный вентиль 16; и испаритель 18, который также обозначен как теплообменный элемент.

Хладагент в системе 10 сжимается компрессором 12, а затем отводится по трубопроводу 20 системы 10 в конденсатор 14. После этого хладагент конденсируется в жидкость в конденсаторе 14, что приводит к уменьшению энтальпии хладагента при постоянном давлении. Затем жидкий хладагент направляется через дроссельный вентиль 16, благодаря чему давление хладагента с другой стороны дроссельного вентиля 16 уменьшается, что сопровождается изменением энтальпии. Уменьшенное давление хладагента выравнивается с давлением хладагента, поступающим в испаритель 18, и происходит фазовый переход, обусловленный эффектом испарения по мере того, как хладагент интенсивно поглощает наружное тепло, что сопровождается увеличением энтальпии хладагента. После этого испаритель 18 сообщается с устройством передачи тепловой энергии, таким как вентилятор воздухоохлаждения, или с твердой средой для кондуктивной передачи тепла.

Фазовые изменения, связанные с хладагентом, обозначены в целом позицией 22 на фиг. 2, где проиллюстрированы термодинамические изменения, происходящие в хладагенте по мере выполнения цикла, причем этот цикл определяется областью удельного давления. Любые изменения состояния хладагента во время сжатия, расширения и испарения могут быть отображены куполообразной кривой на фазовой диаграмме 22. Правая часть куполообразной кривой отображает хладагент в паровой фазе, а левая часть куполообразной кривой отображает хладагент в жидкой фазе. В пределах этой куполообразной кривой хладагент находится в промежуточном состоянии, т.е. в состоянии парожидкостного равновесия.

В частности, верхняя часть линии S-S обозначает момент, когда хладагент переходит в жидкую фазу так, что охлаждение ниже температуры конденсации без какого-либо сопутствующего изменения давления, обозначенного верхней горизонтальной линией на фиг. 2, может быть определено как переохлаждение. В небольшом масштабе это может происходить естественным образом в ходе выполнения цикла сжатия пара, но более интенсивное переохлаждение может давать массу преимуществ, поскольку оно обеспечивает дополнительную охлаждающую способность, заданную пересечением линии S-S с нижней горизонтальной линией, то есть с границей испарения представленной области. В этой связи расширение представленной области влево от линии S-S могло бы обеспечить дополнительные возможности охлаждения.

Техническая задача, связанная с созданием эффективной системы, заключается в том, чтобы предложить высококачественный теплоотвод для обеспечения режима работы с минимально возможным давлением нагнетания при заданной температуре охлаждения. Теплоотвод низкого качества требует более интенсивной работы компрессора холодильной системы, что уменьшает ее производительность по холоду. Это, в свою очередь, создает дополнительные напряжения, действующие на холодильную систему, что может привести к выходу из строя и/или повреждению компонентов указанной системы.

В общем, охлаждающая способность ограничена фазовыми соотношениями хладагента; при этом характерная фазовая диаграмма зависимости «давление-энтальпия» при использовании стандартного хладагента проиллюстрирована на фиг. 2. Ограниченная куполообразная кривая отображает парожидкостную фазу; при этом левая часть этой куполообразной кривой отображает хладагент в чисто жидкой фазе, а ее правая часть отображает хладагент в чисто паровой фазе.

В составе холодильной системы функционирует компрессор, повышая давление хладагента. В конденсаторе хладагент может конденсироваться до температуры перехода в жидкую фазу; иначе говоря, энтальпия может уменьшаться при постоянном давлении до границы куполообразной кривой, где парожидкостная фаза переходит в жидкую фазу.

Возможен процесс, известный как естественное переохлаждение, при котором энтальпия жидкости понижается до уровня ниже температуры конденсации, что присуще всем хладагентам. Углекислый газ, используемый в качестве хладагента, может демонстрировать более интенсивное естественное переохлаждения за счет своего относительно высокого давления конденсации, что обусловлено его физическими свойствами. Такое переохлаждение обеспечивает более эффективный цикл сжатия пара.

Следовательно, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить холодильную систему, в которой способность к переохлаждению выходила бы за рамки естественных границ, присущих всем хладагентам, для повышения эффективности цикла сжатия пара.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено устройство сопряжения для тепловой сети, причем это устройство сопряжения содержит: теплообменник устройства сопряжения; множество патрубков хладагента; множество отсечных клапанов, выполненных с возможностью взаимодействия с трубопроводом тепловой сети; и контроллер, связанный с множеством отсечных клапанов; при этом множество патрубков хладагента задает, по меньшей мере, два разных проточных канала для хладагента, проходящих через теплообменник устройства сопряжения; причем, по меньшей мере, два разных проточных канала для хладагента избирательно активируются контроллером, управляющим состоянием множества отсечных клапанов.

В предпочтительном варианте один указанный отсечной клапан может быть представлен в виде предконденсаторного отсечного клапана; а, по меньшей мере, один отсечной клапан может быть представлен в виде постконденсаторного отсечного клапана; причем предконденсаторный отсечной клапан выполнен с возможностью расположения перед конденсатором в тепловой сети; а, по меньшей мере, один постконденсаторный отсечной клапан выполнен с возможностью расположения за конденсатором в тепловой сети.

В предпочтительном варианте первый указанный патрубок хладагента может быть представлен в виде впускного патрубка для переохлаждения хладагента; второй указанный патрубок хладагента может быть представлен в виде впускного патрубка для многоступенчатого охлаждения хладагента; третий указанный патрубок хладагента может быть представлен в виде впускного патрубка для рекуперации тепла хладагента; а четвертый указанный патрубок хладагента может быть представлен в виде выпускного патрубка хладагента; при этом указанные первый, второй и третий патрубки хладагента задают, соответственно, проточный канал для переохлаждения хладагента, проточный канал для многоступенчатого охлаждения хладагента и проточный канал для рекуперации тепла, которые проходят через теплообменник устройства сопряжения и выходят из него через указанный четвертый патрубок хладагента.

Благодаря устройству сопряжения, которое может быть интегрировано в существующие холодильные системы, можно расширить режимы работы существующих систем, в частности, путем установки специального теплообменника переохлаждения. Это эффективно и существенно повышает производительность холодильной системы.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложена холодильная система, содержащая: по меньшей мере, один компрессор; по меньшей мере, один конденсатор; по меньшей мере, один дроссельный вентиль; по меньшей мере, один испаритель; трубопровод, задающий проточный канал хладагента по умолчанию, который проходит через компрессор, конденсатор, дроссельный вентиль и испаритель; и устройство сопряжения, предпочтительно выполненное согласно первому аспекту настоящего изобретения; при этом один указанный отсечной клапан подключен к трубопроводу перед одним или более конденсатором в качестве предконденсаторного отсечного клапана и, по меньшей мере, один указанный отсечной клапан подключен к трубопроводу за одним или более конденсатором в качестве постконденсаторного отсечного клапана, а контроллер обеспечивает избирательное управление потоком хладагента, проходящим через трубопровод и устройство сопряжения; при этом, по меньшей мере, один из проточных каналов хладагента, проходящих через устройство сопряжения, представляет собой проточный канал переохлаждения.

В контексте настоящего документа термин «переохлаждение» обозначает или определяется как состояние, в котором температура жидкого хладагента ниже минимальной температуры или температуры насыщения, потребной для предотвращения закипания жидкого хладагента и, соответственно, его перехода из жидкой фазы в газообразную.

За счет наличия специального теплообменника переохлаждения, предусмотренного в качестве составной части подсоединяемого устройства сопряжения, обеспечивается возможность переохлаждения холодильной системы с использованием самых разных хладагентов, что в противном случае было бы осуществимо только при использовании хладагентов с особыми свойствами фазового превращения. Это позволяет усовершенствовать холодильные системы в части КПД (коэффициента полезного действия), обеспечивая преимущество, состоящее в существенном сокращении энергопотребления холодильных систем, что делает холодильную систему в целом значительно более экономичной.

В предпочтительном варианте холодильная система может дополнительно содержать приемную емкость, сообщающуюся с трубопроводом; при этом приемная емкость характеризуется определенным объемом содержащегося в ней жидкого хладагента. В этом случае приемная емкость может располагаться на трубопроводе, причем перед приемной емкостью на трубопроводе установлен один указанный постконденсаторный отсечной клапан, а еще один указанный дополнительный постконденсаторный отсечной клапан располагается на трубопроводе за приемной емкостью. Трубопроводом и множеством патрубков хладагента устройства сопряжения может быть задан, по меньшей мере, один указанный проточный канал для хладагента, который циркулирует по следующему маршруту: компрессор, конденсатор, приемная емкость, теплообменник устройства сопряжения, дроссельный вентиль, испаритель и компрессор.

Наличие приемной емкости способствует эффективному сглаживанию и упорядочению возмущающих воздействий на холодильную систему, что делает устройство переохлаждения более устойчивым, например, к резким изменениям температуры окружающей среды. Более того, приемная емкость также обеспечивает преимущество, состоящее в том, что она содействует разделению жидкой или парожидкостной фаз хладагента, давая возможность теплообменнику устройства сопряжения функционировать более эффективно по переохлаждению жидкого хладагента.

Трубопровод может дополнительно задавать указанный второй проточный канал хладагента, который представляет собой проточный канал для многоступенчатого охлаждения хладагента, проходящий между конденсатором и теплообменником переохлаждения, и в котором конденсатор и теплообменник переохлаждения соединены последовательно, причем теплообменник переохлаждения функционирует в качестве второго ступенчатого конденсатора. Указанный второй проточный канал хладагента может быть задан трубопроводом и множеством патрубков хладагента устройства сопряжения таким образом, что хладагент будет циркулировать по следующему маршруту: компрессор, конденсатор, теплообменник переохлаждения, приемная емкость, дроссельный вентиль, испаритель и компрессор. Протяженность трубопровода, проходящего между конденсатором и теплообменником устройства сопряжения, может быть больше для указанного проточного канала переохлаждения хладагента, чем для указанного проточного канала многоступенчатого охлаждения хладагента.

Трубопровод может дополнительно задавать третий проточный канал хладагента, который представляет собой проточный канал для рекуперации тепла хладагента, в котором обойден конденсатор. Указанный третий проточный канал хладагента может быть задан трубопроводом и множеством патрубков хладагента устройства сопряжения таким образом, что хладагент будет циркулировать по следующему маршруту: компрессор, теплообменник устройства сопряжения, дроссельный вентиль, испаритель и компрессор.

В необязательном варианте трубопровод может задавать четвертый проточный канал хладагента, который представляет собой обводной проточный канал хладагента, в котором обойдено устройство сопряжения; при этом указанный четвертый проточный канал хладагента задан трубопроводом и множеством патрубков хладагента устройства сопряжения таким образом, что хладагент будет циркулировать по следующему маршруту: компрессор, конденсатор, дроссельный вентиль, испаритель и компрессор.

Наличие множества разных проточных каналов хладагента, проходящих через устройство, обеспечивает преимущество, состоящее в том, что это позволяет холодильной системе избирательно работать в разных режимах, отличных от стандартного режима переохлаждения, благодаря чему существенно повышается практическая ценность системы для пользователя.

Устройство согласно настоящему изобретению предусматривает режим переохлаждения для самых разных типов хладагента, тогда как работа систем предшествующего уровня техники основывалась на свойствах естественного переохлаждения хладагента, такого как углекислый газ.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения трубопровод и множество патрубков хладагента устройства сопряжения могут быть однонаправленными для предотвращения обратного потока хладагента.

За счет предотвращения перетока хладагента через систему в обратном направлении обеспечивается возможность достижения надлежащего переохлаждения хладагента и подачи в теплообменник переохлаждения жидкого, а не парожидкостного хладагента, что в противном случае могло бы обусловить многоступенчатое охлаждение хладагента.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ получения многорежимной холодильной системы, причем указанный способ включает в себя следующие стадии: а) обеспечение наличия холодильной системы предпочтительно согласно второму аспекту настоящего изобретения, в которой конденсатор и устройство сопряжения избирательно подключаются, как последовательно, так и параллельно друг другу; и b) выбор проточного канала хладагента, проходящего через устройство сопряжения, в зависимости от заданной требуемой функции системы, причем один указанный проточный канал хладагента, проходящий через теплообменник устройства сопряжения, представляет собой проточный канал для переохлаждения хладагента.

Конкретная схема расположения конденсатора и теплообменника переохлаждения согласно настоящему изобретению обеспечивает преимущество, состоящее в том, что она позволяет переключать схему, давая возможность пользователю легко переходить из режима переохлаждения в режим многоступенчатого охлаждения и наоборот, не считая других режимов работы.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложен способ повышения холодопроизводительности хладагента в холодильной системе, причем указанный способ включает в себя следующие стадии: а) подсоединение специального устройства сопряжения, предпочтительно выполненного согласно первому аспекту настоящего изобретения, к холодильной системе; b) направление хладагента, по меньшей мере, в один конденсатор для уменьшения энтальпии хладагента до температуры конденсации; и с) направление хладагента в теплообменник специального устройства сопряжения для уменьшения энтальпии и, соответственно, переохлаждения конденсированного жидкого хладагента.

За счет разнесения конденсатора и теплообменника устройства сопряжения относительно друг друга вместо их последовательного подключения непосредственно друг за другом обеспечивается возможность более эффективного отделения жидкого хладагента под давлением в теплообменнике устройства сопряжения для его более эффективного переохлаждения.

Краткое описание фигур

Настоящее изобретение будет подробно описано ниже исключительно для примера в привязке к прилагаемым чертежам, где:

На фиг. 1 схематически представлен обычный холодильный цикл;

На фиг. 2 показана диаграмма фазовых состояний хладагента, такого как углекислый газ, иллюстрирующая изменения давления и энтальпии в ходе выполнения холодильного цикла;

На фиг. 3 представлено схематическое изображение одного из вариантов осуществления устройства сопряжения согласно первому аспекту настоящего изобретения;

На фиг. 4 представлено схематическое изображение одного из вариантов осуществления холодильной системы согласно второму аспекту настоящего изобретения, иллюстрирующее режим по умолчанию или байпасный режим прохождения потока хладагента через устройство сопряжения системы;

На фиг. 5 представлено схематическое изображение холодильной системы, показанной на фиг. 4, иллюстрирующее режим рекуперации тепла потока хладагента, проходящего через устройство сопряжения системы;

На фиг. 6 представлено схематическое изображение холодильной системы, показанной на фиг. 4, иллюстрирующее режим двухступенчатого охлаждения потока хладагента, проходящего через устройство сопряжения системы; а

На фиг. 7 представлено схематическое изображение холодильной системы, показанной на фиг. 4, иллюстрирующее режим переохлаждения потока хладагента, проходящего через устройство сопряжения системы.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

Обратимся сначала к фиг. 3, на которой проиллюстрировано устройство сопряжения, выполненное с возможностью объединения и совершенствования существующей холодильной системы, причем это устройство сопряжения обозначено в целом позицией 50.

Устройство 50 сопряжения содержит корпус 52, в который заключены следующие элементы: теплообменник 54 устройства сопряжения, множество патрубков хладагента, множество отсечных клапанов или аналогичных регулятором расхода и контроллер 56.

В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрено три разных возможных проточных канала хладагента, которые проходят через или сквозь теплообменник 54 устройства сопряжения: первый впускной патрубок 58а для переохлаждения хладагента может направлять хладагент в теплообменник 54 устройства сопряжения и отводить его через выпускной патрубок 60 хладагента; второй впускной патрубок 58b для многоступенчатого охлаждения хладагента задает второй проточный канал хладагента, проходящий через или сквозь теплообменник 54 устройства сопряжения, и отводит указанный хладагент через выпускной патрубок 60 хладагента; и третий впускной патрубок 58с для рекуперации тепла хладагента задает третий проточный канал хладагента, проходящий через или сквозь теплообменник 54 устройства сопряжения.

Каждый из патрубков 58а, 58b, 58с и 60 хладагента сопрягается затем с соответствующим отсечным клапаном: впускной патрубок 58а для переохлаждения хладагента сопрягается с отсечным клапаном 62а; впускной патрубок 58b для многоступенчатого охлаждения хладагента сопрягается с отсечным клапаном 62b многоступенчатого охлаждения; впускной патрубок 58с для рекуперации тепла хладагента сопрягается с отсечным клапаном 62с для рекуперации тепла; а выпускной патрубок 60 хладагента сопрягается с выпускным отсечным клапаном 62d.

Контроллер 56 сообщается с отсечными клапанами 62а, 62b, 62с и 62d и выполнен с возможностью избирательной активации или включения клапанов 62а, 62b, 62с и 62d, которые в данном случае выполнены в виде двунаправленных клапанов, обеспечивающих возможность двухходового регулирования расхода проходящего через них хладагента. В этой связи, когда устройство 50 сопряжения соединено с холодильной системой, может быть обеспечено множество разных проточных каналов хладагента, проходящих через теплообменник 54 устройства сопряжения.

На фиг. 4-7 представлен один из вариантов осуществления парокомпрессионной холодильной системы, обозначенной в целом позицией 110. Показана лишь часть всей холодильной системы 110 от компрессора 112 до участка трубопровода 120, ведущего к дроссельному вентилю, который не показан на фиг. 4-7, но обозначен позицией 16 на обобщенной блок-схеме, которая представлена на фиг. 1, описанной выше. Однако устройство 50 сопряжения включено в холодильную систему так, как это указано.

В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения устройство 50 сопряжения установлено на трубопроводе 120 вблизи конденсатора 114 за компрессором 112 и перед дроссельным вентилем. За конденсатором 114 также предусмотрена приемная емкость 126. Специальное устройство 50 сопряжения установлено таким образом, что отсечной клапан 62с рекуперации тепла располагается перед конденсатором 114 с возможностью перекрытия трубопровода 120, отсечной клапан 62b многоступенчатого охлаждения располагается между конденсатором 114 и приемной емкостью 126, а отсечной клапан 62а переохлаждения - за приемной емкостью 126.

Приемная емкость 126 установлена таким образом, чтобы обеспечивать удержание в ней жидкого хладагента, содержащегося под давлением, равным давлению нагнетания компрессора 112. Это способствует эффективному разделению жидкой и парожидкостной фаз в трубопроводе 120, а также может компенсировать быстрые изменения нагрузки в холодильной системе 110, обусловленные увеличением объема хладагента в трубопроводе 120. Однако специалистам в данной области техники понятно, что строгая необходимость в наличии приемной емкости 126 отсутствует.

В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения теплообменник 54 устройства сопряжения может быть выполнен в виде пластинчатого теплообменника, который доказал свою эффективность при его использовании с целью переохлаждения; однако может быть предусмотрен теплообменник и иного типа, например, теплообменник лопастного типа или с ребристой поверхностью.

Как можно видеть, конденсатор 114, теплообменник 54 устройства сопряжения и приемная емкость 126 соединены друг с другом посредством трубопровода 120 и множества патрубков хладагента устройства 50 сопряжения, как параллельно, так и последовательно; при этом предусмотрено множество отсечных клапанов 62а, 62b, 62с и 62d, предназначенных для переключения на проточные каналы хладагента, проходящие через различные компоненты, с целью изменения функциональных возможностей холодильной системы 110.

Первый отсечной клапан 62с рекуперации тепла может располагаться за компрессором 112 с тем, чтобы обеспечивать избирательное переключение направления подачи хладагента между направлением подачи в конденсатор 114 и направлением подачи в теплообменник 54 устройства сопряжения.

Второй отсечной клапан 62b многоступенчатого охлаждения может располагаться за конденсатором 114 для обеспечения избирательного переключения направления подачи хладагента между направлением подачи в теплообменник 54 устройства сопряжения и направлением подачи в приемную емкость 126, при ее наличии.

Третий отсечной клапан 62а переохлаждения может располагаться за приемной емкостью 126 для обеспечения избирательного переключения направления подачи хладагента между направлением подачи в теплообменник 54 устройства сопряжения и направлением подачи в трубопровод 120, ведущий к дроссельному вентилю.

Выпускной отсечной клапан 62d может располагаться за теплообменником 54 устройства сопряжения для обеспечения избирательного переключения направления подачи хладагента между направлением подачи в приемную емкость 126, при ее наличии, и направлением подачи в трубопровод 120, ведущий к дроссельному вентилю.

В тех случаях, когда предусмотрено четыре отсечных клапана 62а, 62b, 62с и 62d, может быть сформировано четыре разных проточных канала хладагента, каждый из которых выполняет свою функцию в холодильной системе 110. Каждый из регулирующих клапанов 62а, 62b, 62с и 62d или все они могут управляться контроллером 56, или в ручном режиме, или автоматически.

На фиг. 4 проиллюстрирован один проточный канал хладагента в холодильной системе 110. Хладагент под давлением отводится из компрессора 112 в парообразном состоянии и направляется в конденсатор 114 через первый отсечной клапан 62с. В конденсаторе 114 парообразный хладагент конденсируется в жидкий хладагент, что приводит к увеличению энтальпии хладагента. Затем хладагент направляется в дроссельный вентиль, где будет происходить сброс его давления, по трубопроводу 120 через второй отсечной клапан 62b, приемную емкость 126 и третий отсечной клапан 62а. После этого хладагент поступает в дроссельный вентиль, испаритель и обратно в компрессор 112 для завершения цикла сжатия пара. Это стандартный маршрут парокомпрессионного охлаждения. За счет характеристик самого хладагента он может быть до определенной степени переохлажден естественным образом, но при этом целевое переохлаждение не осуществляется. Следовательно, по умолчанию задан обводной проточный канал хладагента как часть указанного канала прохождения хладагента, в котором обходится теплообменник 54 устройства сопряжения.

На фиг. 5 проиллюстрирован штатный режим рекуперации тепла в холодильной системе 110, в котором конденсатор 114 изолирован от трубопровода 120 за счет переключения первого отсечного клапана 62с так, чтобы хладагент направлялся в теплообменник 54 устройства сопряжения. Это может дать в итоге проточный канал для рекуперации тепла хладагента, в котором обходится конденсатор 114; при этом проточный канал для рекуперации тепла хладагента отходит от компрессора 112 и проходит через первый отсечной клапан 62с, теплообменник 54 устройства сопряжения, выпускной отсечной клапан 62d, приемную емкость 126 и третий отсечной клапан 62с. После этого хладагент направляется в дроссельный вентиль, испаритель и обратно в компрессор 112 для завершения цикла сжатия пара.

В этой конфигурации теплообменник 54 устройства сопряжения может быть выполнен с возможностью выполнения, при необходимости, функции второго конденсатора, хотя в проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения предполагается его использование в качестве устройства рекуперации тепла в холодильной системе 110. Следовательно, может быть предусмотрен рекуперационный коллектор, находящийся в тепловом контакте с теплообменником 54 устройства сопряжения и выполненный с возможностью восстановления и использования избыточной тепловой энергии, вырабатываемой во время парокомпрессионного цикла, с целью ее последующего применения.

На фиг. 6 проиллюстрирован еще один канал прохождения хладагента по трубопроводу 120 и через патрубки хладагента. Хладагент отводится из компрессора 112 и через первый отсечной клапан 62с направляется в конденсатор 112. Хладагент покидает конденсатор 114 и направляется через второй отсечной клапан 62b непосредственно в теплообменник 54 устройства сопряжения, который, соответственно, выполняет функцию вспомогательного конденсатора, последовательно соединенного с основным конденсатором 114. Покинув теплообменник 54 устройства сопряжения, хладагент направляется в приемную емкость 126 через выпускной отсечной клапан 62d. После выхода из приемной емкости 126 хладагент направляется через третий отсечной клапан 62а в дроссельный вентиль, испаритель и обратно в компрессор 112 для завершения цикла сжатия пара. Следовательно, проточный канал хладагента, проходящий между конденсатором 114 и теплообменником 54 устройства сопряжения, может рассматриваться как канал многоступенчатого, в данном случае двухступенчатого, охлаждения хладагента.

Применение этой схемы может способствовать повышению производительности стандартного парокомпрессионного цикла, предотвращая перегрев основного компрессора 114, но не улучшает возможности переохлаждения хладагента; как показано на фиг. 2, обе стадии конденсации происходят, когда хладагент находится в парожидкостной фазе, причем каждый из узлов из числа конденсатора 114 и теплообменника 54 устройства сопряжения берет на себя часть нагрузки в процессе конденсации.

На фиг. 7 показан еще один проточный канал хладагента, проходящий через трубопровод 120 и патрубки хладагента, в котором теплообменник 54 устройства сопряжения выполнен с возможностью переохлаждения проходящего по нему хладагента. В показанном проточном канале парообразный хладагент покидает компрессор 112 перед тем, как направиться через первый отсечной клапан 62с в конденсатор 114 и через второй отсечной клапан 62b в приемную емкость 126. Сепарированный жидкий хладагент затем перенаправляется в теплообменник 54 устройства сопряжения через третий отсечной клапан 62а. Следовательно, между конденсатором 114 и теплообменником 54 устройства сопряжения может быть предусмотрен проточный канал для переохлаждения хладагента, в данном случае проходящий через приемную емкость 126. Затем, вместо конденсации парообразного или парожидкостного хладагента, в теплообменнике 54 устройства сопряжения осуществляется переохлаждение жидкого хладагента; что отличается от естественного переохлаждения, которому мог быть подвергнут, например, углекислый газ, поскольку такое переохлаждение применимо к намного более широкому спектру хладагентов и/или может повысить эффективность переохлаждения хладагента, в отношении которого возможно естественное переохлаждение. Жидкий хладагент, покидающий теплообменник 54 устройства сопряжения, может затем перенаправляться через выпускной отсечной клапан 62d в дроссельный вентиль и испаритель, и в конечном итоге циклически возвращаться обратно в компрессор 112.

Примечательно, что протяженность трубопровода 120 между конденсатором 114 и теплообменником 54 устройства сопряжения существенно больше для проточного канала переохлаждения хладагента в сравнении с проточным каналом многоступенчатого охлаждения хладагента, что препятствует потенциальной возможности функционирования теплообменника 54 устройства сопряжения в качестве вспомогательного конденсатора. Это означает, что нагрузка конденсации полностью ложится на основной конденсатор 114; а это означает, что теплообменник 54 устройства сопряжения может работать исключительно в качестве устройства переохлаждения только для охлаждения жидкого хладагента.

Внедрение специального теплообменника 54 устройства сопряжения означает, что может быть повышена и/или оптимизирована холодопроизводительность холодильной системы 110. В частности, переохлаждение в определенной степени компенсирует потерю холодопроизводительности в условиях повышенной температуры окружающей среды, в которых давление нагнетания компрессора 112 повышается до максимального порогового значения. Кроме того, наличие специального теплообменника 54 устройства сопряжения обеспечивает повышение КПД холодильной системы при более низких температурах окружающей среды, так как минимальное давление нагнетания компрессора 112 ограничивает производительность холодильной системы 110, а переохлаждение повышает ее без изменения требований к минимальному давлению нагнетания за счет обеспечения возможности охлаждения жидкого, а не только парообразного или парожидкостного хладагента в конденсаторе 114.

Наличие приемной емкости 126 способствует увеличению возможностей системы по достижению указанного целевого переохлаждения за счет улучшения разделения жидкого и парожидкостного хладагента таким образом, что теплообменник 54 устройства сопряжения может функционировать исключительно для уменьшения энтальпии жидкого хладагента.

Конкретная конфигурация трубопровода 120 и патрубков хладагента обеспечивает преимущество, состоящее в том, что пользователь может эксплуатировать холодильную систему 110 в самых разных рабочих режимах за счет подключения устройства 50 сопряжения, включая режим переохлаждения потока хладагента, а также потенциально возможный режим рекуперации тепла потока хладагента, байпасный режим переохлаждения и/или режим многоступенчатого охлаждения. Это достигается за счет наличия конденсатора 114 и теплообменника 54 устройства сопряжения, соединенных по последовательной и параллельной схемам с возможностью избирательного переключения, что позволяет перестраивать конфигурацию проходящего через них проточного канала хладагента. Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что холодильная система 110 может функционировать в различных режимах в зависимости от потребностей пользователя, а также позволяет реализовать более эффективный способ управления холодильной системой 110.

И хотя в системе, вероятнее всего, будет использован хладагент, представляющий собой или включающий в свой состав углекислый газ, очевидно, что в холодильной системе согласно настоящему изобретению теперь может охлаждаться намного более широкий спектр хладагентов.

Понятно, что направленность потока хладагента в системе имеет значение для обеспечения целевого переохлаждения согласно описанию, представленному в настоящем документе. Следовательно, однонаправленный трубопровод может оказаться предпочтительным для предотвращения или ограничения обратного потока хладагента или его заброса в систему. Это контрастирует с холодильными системами предшествующего уровня техники, в которых направление прохождения хладагента по трубопроводу может быть изменено на обратное.

Следовательно, можно предусмотреть устройство переохлаждения для парокомпрессионной холодильной системы, которое обеспечивает целевое переохлаждение хладагента. Для этого в устройстве предусмотрен специальный теплообменник устройство сопряжения. Эта схема обеспечивает применимость переохлаждения к намного более широкому спектру хладагентов, благодаря чему повышается КПД процесса охлаждения, как в условиях обычной окружающей среды, так и в экстремальных окружающих условиях.

Слова «содержит/содержащий» и «имеет/имеющий», используемые в настоящем документе в привязке к заявленному изобретению, используются для констатации факта наличия указанных признаков, целых чисел, стадий или компонентов, но не исключают наличие или возможность добавления одного или более другого признака, целого числа, стадии, компонента или группы элементов.

Ясно, что некоторые признаки настоящего изобретения, которые для наглядности описаны в контексте отдельных вариантов осуществления заявленного изобретения, могут быть также предусмотрены в сочетании в каком-либо одном из вариантов его осуществления. И наоборот, различные признаки настоящего изобретения, которые для краткости описаны в контексте конкретного варианта осуществления заявленного изобретения, могут быть также предусмотрены по отдельности или в любой пригодной для использования подкомбинации.

Варианты осуществления настоящего изобретения, раскрытые выше, представлены исключительно для примера, и специалистам в данной области техники очевидно, что в них могут быть внесены различные модификации без отступления от объема заявленного изобретения, описанного и определенного в настоящем документе.

Изобретение относится к холодильной технике. Устройство (50) сопряжения для тепловой сети содержит теплообменник (54) устройства сопряжения; множество патрубков (58а, 58b, 58с и 60) хладагента; множество отсечных клапанов (62а, 62b, 62с и 62d), выполненных с возможностью взаимодействия с трубопроводом (120) тепловой сети; и контроллер (56), связанный с множеством отсечных клапанов (62а, 62b, 62с и 62d). Множество патрубков (58а, 58b, 58с и 60) хладагента задает по меньшей мере два разных проточных канала для хладагента, проходящих через теплообменник (54) устройства сопряжения. По меньшей мере два разных проточных канала для хладагента избирательно активируются контроллером (56), управляющим состоянием множества отсечных клапанов (58а, 58b, 58с и 60). Техническим результатом является повышение производительности холодильной системы. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство (50) сопряжения для тепловой сети, причем указанное устройство (50) сопряжения содержит:

теплообменник (54) устройства сопряжения;

множество патрубков (58а, 58b, 58с и 60) хладагента;

множество отсечных клапанов (62а, 62b, 62с и 62d), выполненных с возможностью взаимодействия с трубопроводом (120) тепловой сети; и

контроллер (56), связанный с множеством отсечных клапанов;

указанное множество патрубков (58а, 58b, 58с и 60) хладагента задает по меньшей мере два разных проточных канала хладагента, проходящих через теплообменник (54) устройства сопряжения; при этом по меньшей мере два разных проточных канала хладагента избирательно активируются контроллером (56), который управляет состоянием множества отсечных клапанов (62а, 62b, 62с и 62d),

отличающееся тем, что первый указанный патрубок хладагента представлен в виде впускного патрубка (58а) для переохлаждения хладагента; второй указанный патрубок хладагента представлен в виде впускного патрубка (58b) для многоступенчатого охлаждения хладагента; третий указанный патрубок хладагента представлен в виде впускного патрубка (58с) для рекуперации тепла хладагента; а четвертый указанный патрубок (60) хладагента представлен в виде выпускного патрубка хладагента; при этом указанные первый, второй и третий патрубки (58а, 58b и 58с) хладагента задают соответственно проточный канал для переохлаждения хладагента, проточный канал для многоступенчатого охлаждения хладагента и проточный канал для рекуперации тепла, которые проходят через теплообменник (54) устройства сопряжения и выходят из него через указанный четвертый патрубок хладагента.

2. Устройство (50) сопряжения по п. 1, в котором один указанный отсечной клапан представлен в виде предконденсаторного отсечного клапана (62с); а по меньшей мере один указанный отсечной клапан представлен в виде постконденсаторного отсечного клапана (62а, 62b или 62d); причем предконденсаторный отсечной клапан (62с) расположен перед конденсатором (114) в тепловой сети; а по меньшей мере один постконденсаторный отсечной клапан (62а, 62b или 62d) расположен за конденсатором (114) в указанной тепловой сети.

3. Холодильная система (110), содержащая:

по меньшей мере один компрессор (112);

по меньшей мере один конденсатор (114);

по меньшей мере один дроссельный вентиль;

по меньшей мере один испаритель;

трубопровод (120), задающий проточный канал хладагента по умолчанию, который проходит через один или более компрессор (112), конденсатор (114), дроссельный вентиль и испаритель; и

устройство (50) сопряжения по любому из предшествующих пунктов, в котором один указанный отсечной клапан подключен к трубопроводу (120) перед одним или более конденсатором (114) в качестве предконденсаторного отсечного клапана (62с) и по меньшей мере один указанный отсечной клапан подключен к трубопроводу (120) за одним или более конденсатором в качестве постконденсаторного отсечного клапана (62а, 62b и 62d), а контроллер (56) обеспечивает избирательное управление потоком хладагента, проходящим через трубопровод (120) и устройство (50) сопряжения; при этом по меньшей мере один из проточных каналов хладагента, проходящих через устройство (50) сопряжения, представляет собой проточный канал переохлаждения.

4. Холодильная система (110) по п. 3, дополнительно содержащая приемную емкость (126), сообщающуюся с трубопроводом (120).

5. Холодильная система (110) по п. 4, в которой приемная емкость (126) установлена на трубопроводе (120); при этом один указанный постконденсаторный отсечной клапан (62b) установлен на трубопроводе перед приемной емкостью (126), а еще один указанный постконденсаторный отсечной клапан (62а) установлен на трубопроводе (120) за приемной емкостью (126).

6. Холодильная система (110) по п. 5, в которой по меньшей мере один указанный проточный канал хладагента задан трубопроводом (120) и множеством патрубков устройства (50) сопряжения таким образом, что хладагент циркулирует по следующему маршруту: компрессор (112); конденсатор (114); приемная емкость (126); теплообменник (54) устройства сопряжения; дроссельный вентиль; испаритель и компрессор (112).

7. Холодильная система (110) по п. 6, в которой трубопровод (120) и множество патрубков устройства (50) сопряжения задают указанный второй проточный канал хладагента, представляющий собой проточный канал многоступенчатого охлаждения хладагента, проходящий между конденсатором (114) и теплообменником (54) устройства сопряжения, в котором конденсатор (114) и теплообменник (54) устройства сопряжения соединены друг с другом по последовательной схеме, а теплообменник (54) устройства сопряжения выполняет функцию второго ступенчатого конденсатора.

8. Холодильная система (110) по п. 7, в которой указанный второй проточный канал хладагента задан трубопроводом и множеством патрубков устройства (50) сопряжения таким образом, что хладагент будет циркулировать по следующему маршруту: компрессор (112), конденсатор (114), теплообменник (54) устройства сопряжения, приемная емкость (126), дроссельный вентиль, испаритель и компрессор (112).

9. Холодильная система (110) по п. 7 или 8, в которой длина патрубка (58b) устройства (50) сопряжения между конденсатором (114) и теплообменником (54) устройства сопряжения будет больше для указанного проточного канала переохлаждения хладагента, чем для указанного проточного канала многоступенчатого охлаждения хладагента.

10. Холодильная система (110) по п. 9, в которой трубопровод (120) и множество патрубков (58а, 58b, 58с и 60) устройства (50) сопряжения задают указанный третий проточный канал хладагента, представляющий собой проточный канал для рекуперации тепла хладагента, в котором обойден конденсатор (114).

11. Холодильная система (110) по п. 10, в которой указанный третий проточный канал хладагента задан трубопроводом и множеством патрубков (58а, 58b, 58с и 60) устройства (50) сопряжения таким образом, что хладагент будет циркулировать по следующему маршруту: компрессор (112), теплообменник (54) устройства сопряжения, дроссельный вентиль, испаритель и компрессор (112).

12. Холодильная система (110) по п. 10 или 11, в которой трубопровод (120) и множество патрубков (58а, 58b, 58с и 60) устройства (50) сопряжения задают указанный четвертый проточный канал хладагента, представляющий собой обводной проточный канал хладагента, в котором обойдено устройство (50) сопряжения.

13. Холодильная система (110) по п. 12, в которой указанный четвертый проточный канал хладагента задан трубопроводом (120) и множеством патрубков (58а, 58b, 58с и 60) устройства (50) сопряжения таким образом, что хладагент будет циркулировать по следующему маршруту: компрессор (112), конденсатор (114), дроссельный вентиль, испаритель и компрессор (112).

14. Холодильная система (110) по любому из пп. 10, 11, 13, в которой трубопровод (120) и множество патрубков (58а, 58b, 58с и 60) устройства (50) сопряжения выполнены однонаправленными для предотвращения обратного потока хладагента.

15. Холодильная система (110) по п. 12, в которой трубопровод (120) и множество патрубков (58а, 58b, 58с и 60) устройства (50) сопряжения выполнены однонаправленными для предотвращения обратного потока хладагента.

16. Способ получения многорежимной холодильной системы (110), причем указанный способ включает в себя следующие стадии:

a) обеспечение наличия холодильной системы (10) по любому из предшествующих пп. 3-15, в которой конденсатор (114) и теплообменник (54) устройства сопряжения избирательно подключаются как последовательно, так и параллельно друг другу; и

b) выбор проточного канала хладагента, проходящего через устройство (50) сопряжения, в зависимости от заданной требуемой функции системы, причем один указанный проточный канал хладагента представляет собой проточный канал, проходящий через теплообменник (54) устройства сопряжения и предназначенный для переохлаждения хладагента.

17. Способ повышения холодопроизводительности хладагента в холодильной системе (110), причем указанный способ включает в себя следующие стадии:

a) подсоединение устройства (50) сопряжения по любому из пп. 1 и 2 к холодильной системе (110);

b) направление хладагента по меньшей мере в один конденсатор холодильной системы для уменьшения энтальпии хладагента до температуры конденсации и

c) направление хладагента в теплообменник (54) устройства сопряжения для уменьшения энтальпии и соответственно переохлаждения конденсированного жидкого хладагента, выходящего из конденсатора (114).