КАСКАДНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА НА ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТОВ Российский патент 2024 года по МПК F25B7/00 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для получения температурного уровня объекта низкотемпературной обработки или термостатирования в диапазоне от минус 50°С до минус 110°С.

Известна каскадная холодильная машина [SU 638119]. Она состоит из двух ветвей каскада, представляющих собой отдельные холодильные машины, в качестве холодильного агента в них используются различные рабочие вещества. Для верхней ветви каскада используется высококипящий холодильный агент, для нижней ветви каскада используется низкокипящий холодильный агент. Взаимодействие между ветвями каскада холодильной машины происходит в теплообменнике, являющимся конденсатором для нижней ветви каскада и испарителем для верхней ветви каскада.

Недостатком является то, что в холодильной машине необходимо использовать, по сути, две холодильные машины с полным набором основного оборудования для каждой ветви каскада. В том числе два компрессора - по одному на каждую ветвь.

Наиболее близким по техническому решению является холодильная машина, работающая на смеси холодильных агентов [Усов, А. В. Разработка низкотемпературной холодильной установки, работающей на смеси холодильных агентов / А. В. Усов, О. В. Иваненко // Техника и технология пищевых производств. - 2016. - № 2(41). - С. 113-118]. Холодильным агентом такой холодильной машины является смесь высококипящего и низкокипящего компонентов, заправленных в гидравлический контур холодильной машины в определенных пропорциях. Сжатие и перемещение смеси холодильных агентов производится одним компрессором. В конденсаторе за счет теплообмена с источником высокой температуры под высоким давлением конденсируется высококипящий холодильный агент. В отделителе жидкости он отделяется и дросселируется в дроссельном устройстве высококипящего холодильного агента до низкого давления, предварительно смешивается с паром низкокипящего компонента, идущим из испарителя, и направляется в конденсатор-испаритель. В параллельный контур конденсатора-испарителя направляется газообразная смесь, находящаяся под высоким давлением, низкокипящего компонента из отделителя жидкости с некоторым количеством парообразного высококипящего компонента, не сконденсировавшегося в конденсаторе. В конденсаторе-испарителе происходит рекуперативный теплообмен между смесью низкокипящего и высококипящего компонентов, находящимся под высоким давлением и высококипящим компонентом, находящимся под низким давлением. За счет этого теплообмена парообразная смесь охлаждается и конденсируется, а высококипящий компонент испаряется и поступает на всасывание в компрессор. Сконденсировавшаяся смесь дросселируется до низкого давления в дроссельном устройстве низкокипящего компонента и направляется в испаритель, где воспринимает теплоту от объекта охлаждения, испаряется, смешивается с высококипящим компонентом, идущим после дроссельного устройства высококипящего компонента, и поступает на всасывание в компрессор через конденсатор-испаритель.

Недостатком является то, что в схеме не предусмотрены возможности повышения эффективности работы холодильной машины от использования регенерации теплоты на различных температурных уровнях. Это приводит к значительным энергетическим потерям. Кроме этого смешение парообразного потока низкокипящего компонента, выходящего из испарителя с высококипящим компонентом после дросселирования, приводит к тому, что испарительный контур конденсатора-испарителя будет содержать большую долю парообразной фракции, что снижает теплоотдачу при кипении и, соответственно, уменьшает эффективность теплообмена в этом элементе. Также недостаточно эффективная технология разделения смеси холодильных агентов в элементах холодильной машины приводит к тому, что значительная доля высококипящего компонента попадает в испаритель, что повышает температуру кипения.

Задачей изобретения является упрощение конструкции каскадной холодильной машины и повышение эффективности работы низкотемпературной холодильной машины, работающей на смеси холодильных агентов.

Поставленная задача решается за счет того, что каскадная холодильная машина состоит из циркуляционного контура верхней ветви каскада, в котором циркулирует высококипящий компонент и нижней ветви каскада, в которой циркулирует низкокипящий компонент. Ветви каскада частично совмещены, при этом в отделителе жидкости происходит разделение компонентов, а на входе в рекуперативный теплообменник со стороны обратного потока происходит смешение компонентов. Каскадная холодильная машина содержит рекуперативный теплообменник, расположенный до отделителя жидкости. Он позволяет повысить в прямом потоке долю высококипящего компонента, перешедшего в жидкое состояние и долю низкокипящего компонента в паровой фазе смеси холодильных агентов за счет теплообмена с обратным потоком, содержащего смесь парообразных низкокипящего и высококипящего компонентов, имеющую температуру кипения высококипящего компонента. Каскадная холодильная машина также содержит рекуперативный теплообменник, который позволяет еще более значительно повысить в прямом потоке долю высококипящего компонента, перешедшего в жидкое состояние и долю низкокипящего компонента в паровой фазе смеси холодильных агентов за счет теплообмена с обратным потоком, содержащего парообразный низкокипящий компонент, имеющий больший низкотемпературный потенциал. Использование двух последовательных рекуперативных теплообменников и ввод обратного потока высококипящего компонента между ними позволяет избежать смешения обратных потоков различного температурного уровня и эффективно использовать низкотемпературные потенциалы обратных потоков. Это дает возможность для эффективного разделения прямого потока на низкокипящий и высококипящий компоненты, что позволяет в значительной степени исключить наличие высококипящего компонента в нижней ветви каскада и понизить, таким образом, температуру кипения холодильного агента в испарителе. Каскадная холодильная машина также содержит рекуперативный теплообменник, который позволяет, за счет переохлаждения прямого потока перед дросселированием, снизить долю холодильного агента, перешедшего в парообразное состояние после дросселирования, повысить коэффициент заполнения испарителя жидким холодильным агентом и увеличить, таким образом, эффективность теплообмена между холодильным агентом и объектом охлаждения. Также рекуперативный теплообменник позволяет локализовать участки трубопроводов, имеющие наиболее низкие температуры вблизи испарителя холодильной машины. Это дает возможность более эффективно их теплоизолировать вместе с испарителем, таким образом минимизировать теплопритоки и снизить холодопотери. Кроме того использование рекуперативных теплообменников позволяет, в случае попадания жидкого неиспарившегося холодильного агента в трубопроводы обратного потока, за счет теплообмена с прямым потоком перевести жидкую фазу в пар, что исключит влажный ход компрессора и гидроудар.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема каскадной холодильной машины на двухкомпонентной смеси холодильных агентов, включающая: 1 - компрессор; 2 - конденсатор высококипящего холодильного агента; 3 - рекуперативный теплообменник прямого и обратного потока для общей смеси холодильных агентов; 4 - рекуперативный теплообменник прямого потока смеси и обратного потока низкокипящего компонента; 5 - отделитель жидкости; 6 - дроссельное устройство высококипящего компонента; 7 - испаритель-конденсатор; 8 - низкотемпературный рекуперативный теплообменник низкокипящего компонента; 9 - дроссельное устройство низкокипящего компонента; 10 - испаритель; 11 - расширительная емкость.

Каскадная холодильная машина работает следующим образом. Компрессор 1 сжимает смесь холодильных агентов от низкого давления цикла до высокого давления цикла. Смесь холодильных агентов в качестве прямого потока поступает в конденсатор 2 высококипящего компонента, где происходит конденсация части высококипящего компонента за счет теплообмена с окружающей средой. Далее, прямой поток представляющий собой смесь жидкого высококипящего компонента, сухого насыщенного пара высококипящего компонента и перегретого пара низкокипящего компонента поступает в рекуперативный теплообменник 3, где за счет теплообмена с холодным обратным потоком, состоящим из смеси холодильных агентов, идущим на всасывание в компрессор, охлаждается. При этом в рекуперативном теплообменнике 3 часть высококипящего компонента, находившегося в состоянии сухого насыщенного пара, переходит в жидкое состояние. Таким образом, доля низкокипящего компонента в паровой фазе прямого потока возрастает. Далее прямой поток смеси холодильных агентов поступает в рекуперативный теплообменник 4, где за счет теплообмена с более холодным обратным потоком, состоящим из низкокипящего компонента, охлаждается. При этом, в рекуперативном теплообменнике 4 при опять часть высококипящего компонента в прямом потоке переходит из паровой фазы в жидкую при более низкой температуре. После элемента 4 прямой поток, состоящий из смеси жидкого высококипящего компонента и парообразного низкокипящего компонента поступает в отделитель жидкости 5, где происходит разделение потока на паровую и жидкую фракции. Жидкий высококипящий компонент дросселируется в дроссельном устройстве высококипящего компонента 6, при этом небольшая его часть переходит в паровую фазу, и поступает в испарительную ветвь испарителя-конденсатора 7. Парообразный низкокипящий компонент из элемента 5 поступает в конденсаторную ветвь испарителя-конденсатора 7. В элементе 7 за счет теплообмена между высококипящим компонентом, находящимся при низком давлении цикла, и низкокипящим компонентом, находящимся при высоком давлении цикла, низкокипящий компонент охлаждается и затем конденсируется. А высококипящий компонент испаряется. Пар высококипящего компонента, находящийся при температуре кипения высококипящего компонента смешивается с обратным потоком на входе в элемент 3 и создает благоприятные условия для теплообмена в этом элементе между прямым и обратным потоком на уровне температур, соответствующем температуре кипения высококипящего компонента. Жидкий низкокипящий компонент из элемента 7 поступает в рекуперативный теплообменник 8, где за счет теплообмена с низкокипящим компонентом он переохлаждается перед дросселированием. После элемента 8 прямой поток низкокипящего компонента поступает в дроссельное устройство низкокипящего компонента 9, где дросселируется до низкого давления цикла. При этом некоторое количество низкокипящего компонента может перейти в парообразное состояние. После элемента 9 прямой поток низкокипящего компонента, имеющий наименьшую температуру, поступает в испаритель 10, где воспринимает температуру от объекта охлаждения и переходит в парообразное состояние. Обратным потоком низкокипящий компонент идет в рекуперативный теплообменник, нагревается за счет теплообмена с прямым потоком в элементе 8, нагревается за счет теплообмена в элементе 4, на выходе из которого к нему добавляется обратный поток пара высококипящего компонента, следующий из элемента 7. Далее смесь парообразных компонентов в элементе 3 нагреваются за счет теплообмена со смесью холодильных агентов и поступают на всасывание в компрессор 1. Расширительную емкость 11 используют для хранения запаса холодильного агента.

Данная холодильная машина эффективно работает на смеси холодильных агентов R134a в качестве высококипящего компонента и R23 в качестве низкокипящего компонента при температурах кипения низкокипящего компонента до минус 90°С. Также работоспособность данной схемы апробирована на смеси холодильных агентов R600a в качестве высококипящего компонента и R1150 в качестве низкокипящего компонента при температурах кипения низкокипящего компонента до минус 110°С.

Изобретение относится к холодильной технике. Каскадная холодильная машина состоит из циркуляционного контура верхней ветви каскада, в котором циркулирует высококипящий компонент смеси хладагентов, и циркуляционного контура нижней ветви каскада, в которой циркулирует низкокипящий компонент смеси хладагентов. Холодильная машина содержит последовательно расположенные компрессор, конденсатор, рекуперативный теплообменник прямого и обратного потока для общей смеси холодильных агентов, рекуперативный теплообменник прямого потока смеси и обратного потока низкокипящего компонента, отделитель жидкости, соединенный по жидкому высококипящему хладагенту через дроссельное устройство высококипящего компонента с испарителем-конденсатором, выход пара высококипящего компонента из которого соединен с вводом в обратный поток между рекуперативными теплообменниками. Выход пара низкокипящего компонента из отделителя жидкости последовательно соединен с конденсатором-испарителем, прямым потоком дополнительного рекуперативного теплообменника, дроссельным устройством низкокипящего компонента, испарителем и обратным потоком дополнительного рекуперативного теплообменника. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и повышение эффективности работы холодильной машины. 1 ил.

Каскадная холодильная машина, состоящая из циркуляционного контура верхней ветви каскада, в котором циркулирует высококипящий компонент смеси хладагентов, и циркуляционного контура нижней ветви каскада, в которой циркулирует низкокипящий компонент смеси хладагентов, и содержащая последовательно расположенные компрессор, конденсатор, рекуперативный теплообменник прямого и обратного потока для общей смеси холодильных агентов, рекуперативный теплообменник прямого потока смеси и обратного потока низкокипящего компонента, отделитель жидкости, соединенный по жидкому высококипящему хладагенту через дроссельное устройство высококипящего компонента с испарителем-конденсатором, выход пара высококипящего компонента из которого соединен с вводом в обратный поток между рекуперативными теплообменниками, причем выход пара низкокипящего компонента из отделителя жидкости последовательно соединен с конденсатором-испарителем, прямым потоком дополнительного рекуперативного теплообменника, дроссельным устройством низкокипящего компонента, испарителем и обратным потоком дополнительного рекуперативного теплообменника.