Устройство повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки Российский патент 2023 года по МПК G05D27/00 F25B43/00 

Изобретение относится к энергосберегающим устройствам повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки и может быть использовано в теплообменных устройствах в энергетике, химической, нефтегазовой, пищевой отраслях промышленности, на транспорте. Устройство повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки позволяет увеличить теплоотдачу конденсатора при сохранении энергопотребления, как следствие, возрастает холодопроизводительность холодильной установки, реализуется снятие перегрева на входе в конденсатор и переохлаждение хладагента на выходе из конденсатора, повышается надежность конструкции.

Известна система регулирования процессом теплоотдачи холодильной установки авторов Великанова В.И., Коптелова К.А по патенту на полезную модель №138287, дата публикации 10.03.2014 г. Система регулирования, содержит контроллер, регулятор давления конденсации, устройство регулирования расхода хладагента, терморегулирующий вентиль, электромагнитный клапан, обеспечивает повышение эффективности работы холодильной установки путем перераспределения потока хладагента.

Недостатком указанной системы регулирования процессом теплоотдачи холодильной установки для интенсификации процесса теплообмена является сложность конструкции, например, требуется вынос системы охлаждения вне здания. Указанная система допускает применение только для определенного типа холодильных установок.

Известна система регулирования холодильной установки авторов Доронина М.Н., Ким Л.А., Момот В.И. по патенту №2027960 дата публикации 27.01.1995 г. Регулирование работой соленоидных вентилей на линиях охлаждающей воды и фреона в указанной системе производится с помощью датчика-реле температуры хладагента, датчиков-реле защиты агрегатов установки, магнитных пускателей и электродвигателей насоса и компрессора, элементов сигнализации. Причем бесконтактные логические устройства, включающие управляющий триггер, блок автоматики безопасности, блок управления, микроэлектронный регулятор температуры, таймер и пост управления, являются элементами сигнализации указанной системы. Блок управления на входе подключен к блоку автоматики безопасности и микроэлектронному регулятору температуры, а на выходе - к магнитным пускателям электродвигателей и соленоидным вентилям, управляющий триггер на входе соединен с постом управления, а на выходе - с блоком управления, таймер на входе подключен к посту управления, а на выходе - к блоку управления.

Недостатком этой системы является отсутствие оперативного управления процессом теплоотдачи в элементах холодильной установки, средств диагностики и регулирования режимами течения хладагента в конденсаторе, испарителе, соединительных трубопроводах холодильной установки, следовательно, термодинамическая эффективность самого холодильного цикла остается на прежнем уровне. Эта система управления применяется для ограничения величины пусковых токов при включении и выключении компрессора и стабилизации работы холодильной установки, но наличие управляющего триггера, блоков автоматики, функции которых может выполнить контроллер, существенно усложняет конструкцию известной системы.

Известны переохладители, которые используют холодный пар хладагента, взятый из всасывающей полости компрессора для переохлаждения рабочего тела после конденсатора холодильной установки. Процесс теплообмена осуществляется перед входом в регулирующий клапан в двухконтурном теплообменнике с противотоком всасываемого пара к жидкому хладагенту. Схема такого устройства представлена на рис. 8-8 с. 118 в книге автора Рой Дж. Доссата «Основы холодильной техники», изд. «Легкая и пищевая промышленность»,1984 г. Тепло, переданное от жидкого хладагента холодному пару остается в системе, способствуя повышению температуры всасываемого пара, поступающего в компрессор. При этом снижается эффект повышения удельной холодопроизводительности за счет переохлаждения жидкого хладагента.

Известен переохладитель жидкости в тепловом насосе по патенту на изобретение РФ 2152568 МКИ F25B 43/02 авторов Горшкова В.Г. и др. В этом устройстве после конденсатора в холодильном контуре установлен переохладитель жидкого рабочего тела, связанный с источником низкотемпературного тепла, например, водой из скважины. В двухконтурном переохладителе происходит теплообмен, хладагент переохлаждается, затем поступает в испаритель через дроссельный вентиль. Недостатком такого устройства является необратимый расход воды, стоимость которой растет ежегодно, затраты энергии для подъема воды из скважины и прокачки через контур переохладителя.

Известна полезная модель по патенту РФ 151158 U1 МПК F25B 43/02 (2006.01) авторов Велюханов В.И., Коптелов К.А., в которой поставленная задача достигается тем, что переохладитель жидкого хладагента в конденсаторе холодильной установки, включающий контур хладагента и контур хладоносителя, выполнен в виде газожидкостного теплообменника с побудителем расхода воздуха, установленным над газожидкостным теплообменником. Контур жидкого хладагента выполнен оребренным, контур хладоносителя выполнен разомкнутым. В состав переохладителя входят ороситель, установленный между побудителем расхода воздуха и оребренным контуром хладагента, поддон для сбора хладоносителя, регулятор уровня хладоносителя. В полезной модели в качестве хладоносителя выбрана вода, организовано встречное направление потоков воздуха и капельного хладоносителя из оросителя. Недостатками такого переохладителя являются: необходимость пополнения из внешних источников испарившегося хладоносителя (воды), общие потери которого достигают 3-4% от общего количества циркулирующей охлаждающей жидкости, энергетические затраты на побудители расхода воздуха и хладоносителя.

В статье «Гидродинамика и теплообмен при полной конденсации пара в каналах малых размеров» авторов Буз В.Н., Гончаров К.А. (XIII Школа семинар «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и теплообмена в энергетических установках» под руководством акад. РАН Леонтьева А.И. С-Петербург, май, 2001 г., С. 381-384) приведены значения коэффициента теплоотдачи в конкретных сечениях трубы конденсатора в условиях пленочной конденсации. В области кольцевого течения хладагента величина коэффициента теплоотдачи нелинейно уменьшается от 8000 до 2000 Вт/(кв. м К) в зависимости от увеличения толщины пленки жидкой фазы хладагента на внутренней поверхности трубы конденсатора.

В докладе автора Сажина И.А. «Влияние параметров жидкой пленки хладагента на теплоотдачу конденсатора холодильной установки», опубликованного в Тезисах докладов XXXV Сибирского теплофизического семинара, Новосибирск, институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН 27-29 августа 2019 г., с. 339 приведены расчетные соотношения для вычисления толщины жидкой пленки хладагентов R22, R134a конденсата по эмпирическим соотношениям Фулфорда: , образующейся на внутренней поверхности трубы конденсатора, где - число Рейнольдса жидкой пленки конденсата, - коэффициент кинематической вязкости жидкой фазы хладагента, g - ускорение свободного падения, - средняя скорость жидкой пленки конденсата.

В книге автора Исаченко В.П. «Теплообмен при конденсации», изд. М. «Энергия», 1977 г. на стр. 70-71 рассмотрен процесс отсасывания конденсата в пористую стенку для уменьшения толщины жидкой пленки хладагента, что способствует росту коэффициента теплоотдачи. В этой книге на стр. 111 приведен рис. 4-24, который демонстрирует увеличение значения среднего относительного коэффициента теплоотдачи при уменьшении величины безразмерного параметра, характеризующего толщину ламинарной жидкой пленки рабочего тела. Там же на стр. 114 на рис. 4-25 приведены значения безразмерного коэффициента теплоотдачи как функции числа Рейнольдса газовой фазы рабочего тела. При увеличении скорости пара теплоотдача турбулентной жидкой пленки жидкой фазы возрастает.

Анализ влияния холодильных масел на теплофизические свойства фреонов при конденсации рабочего тела рассмотрен в статье автора Романа Маслова «Масла для холодильных машин» (http://www.expert-oil.com/articles/holodilnie_masla.html, дата обращения 22.01.2022 г.). Холодильное масло вместе с хладагентом после сжатия в компрессоре поступает в конденсатор в виде перегретого пара. Концентрация холодильного масла не превосходит 10% от массы хладагента. Холодильные масла имеют вязкость обеспечивающую требуемую смазываемость трущихся пар в компрессоре, а также высокую растворимость в хладагенте в области рабочих температур (рис 4 с. 8), постоянную теплопроводность (с. 4), превышающую теплопроводность хладагента. Таким образом, процесс конденсации рабочего тела, состоящего из хладагента и холодильного масла, соответствует конденсации чистого хладагента.

Близкой по технической сущности к заявляемой системе является система автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке авторов Гужова В.И., Сажина И.А., Шумейко В.А., Сажина А.И. по патенту №159644 дата публикации 20.02.2016 г., являющаяся прототипом предлагаемого устройства повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки, содержащая контроллер, датчики температуры, электромагнитные клапаны, размещенные в трубе конденсатора, трубопроводы, ресивер. Число датчиков и электромагнитных клапанов зависит от размеров конденсатора холодильной установки и может варьироваться от 18 до 30 единиц. Датчики температуры соединены с контроллером, который, регулирует работу электромагнитных клапанов.

Недостатками известной системы (прототипа) являются большое количество электромагнитных клапанов, датчиков давления и температуры, которые существенно усложняют конструкцию системы регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке и снижают надежность прототипа. Оси отверстий, через которые часть жидкой пленки хладагента отсасывается электромагнитными клапанами, выполнены перпендикулярно оси трубы конденсатора, что приводит к появлению турбулентности течения, ухудшает процесс регулирования теплоотдачи конденсатора холодильной установки прототипа.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого устройства повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки является повышение теплоотдачи конденсатора холодильной установки без увеличения энергопотребления.

Поставленная задача достигается тем, что устройство повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки, содержащая пористую стенку в виде двух щелей с герметичными корпусами, расположенная в первой четверти длины трубы конденсатора, каждая из щелей является системой овальных отверстий, размещенных периодическим образом по окружности трубы конденсатора, герметичные корпуса соединены участками трубопровода с электромагнитным клапаном, соединенный с ресивером, два датчика температуры, размещенные перед первой и за второй щелями пористой стенки, датчики температуры подключены к контроллеру холодильной установки.

На Фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки, содержащая: 1 - контроллер холодильной установки (далее контроллер), 2 - датчики температуры, 3 - герметичный корпус, 4 - первую щель пористой стенки, 5 - вторую щель пористой стенки, 6 - трубу конденсатора, 7, 8, 9 - трубопроводы, 10 - электромагнитный клапан, 11 - ресивер.

На Фиг. 2 приведена схема щели пористой стенки устройства повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки с указанием скоростей потока жидкой пленки, содержащая 12 - пористую стенку, 13 - отверстие щели пористой стенки.

На Фиг. 3 приведена форма одного отверстия щели пористой стенки с указанием размеров: 2a - по периметру трубы, 2b - вдоль оси трубы конденсатора.

Устройство повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки содержит пористую стенку в виде двух щелей 4,5 с герметичным корпусом 3, размещенную в первой четверти трубы конденсатора 6, герметичные корпуса соединены участками трубопровода 7,8 с электромагнитным клапаном 10, управляемым контроллером 1, получающим показания от двух датчиков температуры 2, размещенных перед первой 4 и за второй 5 щелями пористой стенки устройства. Участок 9 трубопровода соединяет электромагнитный клапан 10 с ресивером 11.

Рабочее тело (хладагент) в виде сухого пара на входе в трубу конденсатора 6 преобразуется в двухфазный поток с турбулентным газовым ядром, содержащим частицы жидкой фазы, и ламинарно движущейся жидкой пленкой, которая формируется в процессе конденсации на внутренней поверхности трубы конденсатора 6. Часть жидкой фазы хладагента (пленки) отводится через щели 4,5 в пористой стенке за счет разности давлений в трубе конденсатора 6 и ресивере 11 в открытый по сигналу контроллера электромагнитный клапан 10 через участки трубопровода 7,8, затем перемещается по участку трубопровода 9 в ресивер 11. Два датчика температуры 2, установленные перед первой 4 и за второй 5 щелями пористой стенки, позволяют контроллеру 1 управлять работой электромагнитного клапана 10. После ресивера 11 жидкий хладагент поступает в дроссель. Щели 4,5 в пористой стенке выполнены в виде периодической системы отверстий овальной формы (фиг. 3) расположенных в радиальном направлении трубы конденсатора 6.

Тип соединения элементов (Фиг. 1) предлагаемого устройства повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки не влияет на достижение заявленного технического результата.

Рассмотрим пример работы предлагаемого устройства повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки при следующих параметрах холодильной установки: массовый расход хладагента R22 равен =0.179 (кг/c), диаметр трубы конденсатора 6 - , температура и давление на входе в конденсатор - =303 К, (Па), соответственно. Показания измерений датчиков 2 - модель ADT7320, выпускаемые в корпусе LFCSP, поступают в контроллер 1 - модель PIC16F676, ядром которого является RISC-процессор, который регулирует процесс открытия электромагнитного клапана 10. Герметичный корпус пористой стенки 3 соединен с электромагнитным клапаном 10 участками трубопровода 7,8. Электромагнитный клапан 10 соединен участком трубопровода 9 с ресивером 11 стандартной конструкции, соответствующей данному типу холодильной установки. Жидкая фаза хладагента в виде пленки на внутренней поверхности трубы конденсатора 6 отсасывается через первую щель 4 и вторую щель 5 пористой стенки, которые заключены в герметичный корпус 3, по трубопроводу, состоящему из участков 7,8,9 и открытый электромагнитный клапан 10 в ресивер 11.

Параметры щелей 4,5 в пористой стенке и потока жидкости пленки конденсата рассчитаны по методике, представленной в книге автора Гуревича М.И. «Теория струй идеальной жидкости». - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979 г. - 536 с., там же на страницах 65-72 в параграфе 10 представлен алгоритм, позволяющий определить расход жидкости через щели 4,5 в пористой стенке, на странице 71 приведено следующее соотношение:, где - угол между осью трубы и вектором скорости жидкости в щелях 4,5 пористой стенки, , - скорость потока жидкой пленки до входа в щели 4,5 пористой стенки, - скорость части потока жидкой пленки в отверстиях щелей 4,5, , - удельный расход потока до щелей 4,5 пористой стенки, - удельный расход потока в щелях 4,5 пористой стенки. Для отношения скоростей , решением уравнения Бернулли разделяющего потока в канале постоянной ширины по методике, представленной на страницах 256-257 в книге авторов А.Д. Альтшуль, П.Г. Киселев «Гидравлика и основы аэродинамики». Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп, М., Стройиздат, 1975. 323 с., определена величина удельного расхода потока жидкой фазы в отверстиях щелей 4,5 равная 0.30 от потока до каждой щели пористой стенки. Следовательно . Допустимые значения угла между осью трубы и вектором скорости жидкости в щелях пористой стенки должны составлять величину , величина которого обеспечивает отсос 30% объема жидкой пленки хладагента, который образовался перед каждой щелью.

Для газосодержания равного 0.95 вычисленная толщина пленки хладагента R22 равна 0.16 мм, для газосодержания равного 0.70-0.30 мм. Показано соответствие полученных расчетных данных с известными экспериментальными результатами, размещенными в книге автора Гогонина И.И. «Исследование теплообмена при пленочной конденсации» Новосибирск: изд. СО РАН, 2015 г., 235 с. В книге авторов А.Д. Альтшуль, П.Г. Киселев «Гидравлика и основы аэродинамики». (Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп, М., Стройиздат, 1975. 323 с.) на странице 300 приведено соотношение, которое определяет величину снижения напора на одном отверстии щели пористой стенки из-за влияния поверхностного натяжения: , где - коэффициент поверхностного натяжения хладагента, - удельный вес жидкой фазы хладагента, - (кв. м) площадь одного отверстия щели пористой стенки 4, (мм) - периметр каждого овального отверстия щели пористой стенки 4, размеры (мм), (мм) определены по величинам удельного расхода потока жидкой фазы и скорости жидкости в щели 4 пористой стенки. На расстоянии 0.2 (м), величина которого вычислена по балансовому уравнению автора Кутателадзе С.С. «Пристенная турбулентность» Новосибирск: изд. «Наука», 1973 г., 227 с. на странице 171, от входа в трубу конденсатора 6, где величина газосодержания равна 0.95, выполняется 210 отверстий для обеспечения величины расхода через первую щель 4 пористой стенки:

Величина расхода жидкой пленки, приходящийся на вторую щель 5 пористой стенки, равна . Толщина пленки жидкой фазы увеличится до 0.14 (мм) с учетом конденсации, следуя балансовому уравнению размещенному в книге автора Кутателадзе С.С. «Пристенная турбулентность» Новосибирск: изд. «Наука», 1973 г., 227 с. на странице 171. Размеры одного овального отверстия второй щели 5 пористой стенки (мм), (мм), число отверстий равно 242. При газосодержании потока хладагента 0.8 формируется жидкая пленка толщиной 0.124 (мм), при газосодержании 0.7-0.147 (мм) без применения отсоса жидкой фазы хладагента. Следуя приведенной в статье «Гидродинамика и теплообмен при полной конденсации пара в каналах малых размеров» авторов Буз В.Н., Гончаров К.А. (XIII Школа семинар «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и теплообмена в энергетических установках» под руководством акад. РАН Леонтьева А.И. С-Петербург, май, 2001 г., С. 381-384) зависимости коэффициента теплоотдачи в конкретных сечениях трубы конденсатора 6 от толщины пленки жидкой фазы хладагента на внутренней поверхности трубы конденсатора 6, выполнено сравнение двух случаев теплоотдачи: без отсоса жидкой фазы хладагента и с отсосом. В контрольных сечениях трубы конденсатора 6 (в метрах) 0.2, 0.9, 2.3, 3.7 получены следующие значения коэффициента теплоотдачи (Вт/(кв. м град)): 8000, 6000, 4000, 3000 без отсоса, 9200, 9500, 9000, 8500 с отсосом через щели 4,5 в пористой стенке. Предлагаемое устройство повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки позволяет увеличить тепловой поток трубы конденсатора более 20% за счет уменьшения толщины жидкой пленки хладагента в области установки пористой стенки.

Приведенное устройство повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки обеспечивает следующую предлагаемого решения от прототипа зависимость от конструкции теплообменной машины: позволяет увеличить теплоотдачу конденсатора при сохранении энергопотребления.

Изобретение относится к системам регулирования процессом теплоотдачи холодильных установок и может быть использовано в теплообменных устройствах в энергетике, химической, нефтегазовой, пищевой отраслях промышленности, на транспорте. В устройстве повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки достигнуто увеличение теплоотдачи конденсатора при сохранении энергопотребления. Поставленная задача достигается тем, что устройство повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки, содержащее пористую стенку в виде двух щелей с герметичными корпусами, расположенную в первой четверти длины трубы конденсатора, каждая из щелей является системой овальных отверстий, размещенных периодическим образом по окружности трубы конденсатора, герметичные корпуса соединены участками трубопровода с электромагнитным клапаном, соединенным с ресивером, два датчика температуры, размещенные перед первой и за второй щелями пористой стенки, датчики температуры подключены к контроллеру холодильной установки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство повышения теплоотдачи конденсатора холодильной установки, содержащее пористую стенку в виде двух щелей с герметичными корпусами, расположенную в первой четверти длины трубы конденсатора, каждая из щелей является системой овальных отверстий, размещенных периодическим образом по окружности трубы конденсатора, герметичные корпуса соединены участками трубопровода с электромагнитным клапаном, соединенным с ресивером, два датчика температуры, размещенные перед первой и за второй щелями пористой стенки, датчики температуры подключены к контроллеру холодильной установки.

2. Устройство по п.1, отличающиеся тем, что оси всех овальных отверстий составляют угол с осью трубы конденсатора, равный 30°≤β≤32°.