СХЕМА С ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ ДРОССЕЛИРОВАНИЕМ С ПОМОЩЬЮ КАПИЛЛЯРНЫХ ТРУБОК И С ПРИЕМНИКОМ
CIRCUIT WITH DOUBLE-STAGE THROTTLING BY CAPILLARY TUBES AND WITH RECEIVER

Настоящее изобретение относится к холодильной схеме, описанной в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Такая схема предназначена для регулирования расхода хладагента на пути от приемника к испарителю посредством давления в приемнике и таким образом, чтобы происходило затопление испарителя.
Схемы такого типа известны из многих патентных заявок. Во всех этих известных схемах используется прямой поток в теплообменнике. Вследствие прямого потока температуры на выходе указанных объектов стремятся к общей температуре, а это означает, что теплообменник не может охладить приемник до температуры, близкой к температуре испарителя, что вызывает закипание хладагента при его дросселировании в испаритель. Кипение жидкости в капиллярной трубке сильно влияет на массовый расход. На фиг.3 показан график зависимости расчетного массового расхода через капиллярную трубку в предположении, что хладагент при входе в нее имеет температуру кипения. Из графика видно, что массовый расход растет с перепадом давления при перепаде давления менее 5 Кельвин, но почти не меняется при перепаде давления выше 5 Кельвин. График рассчитан для хладагента R134a при температуре испарителя -20°С, но такая же тенденция наблюдается для других температур испарителя и для других хладагентов, например R404a, R600a и R22. Из этого следует, что расход хладагента нельзя регулировать непосредственно путем изменения перепада давления, если перепад давления больше 5 Кельвин, однако существует несколько путей решения этой проблемы, три из которых состоят в следующем.
В US 250045 перепад давления между испарителем и приемником меньше 5 Кельвин, и поэтому перепад давления можно без проблем использовать для регулирования расхода, однако малая разность температур между всасываемым газом и приемником обусловливает два недостатка. Во-первых, поверхность теплообмена должна быть большой, а во-вторых, даже небольшое изменение температуры приводит к большому изменению массового расхода, что создает опасность резонанса.
В US 2871680 всасывающий трубопровод и приемник образуют теплообменник с прямым потоком, идущим снизу вверх. Проблема с кипением хладагента в капиллярной трубке решается путем разделения хладагента в виде жидкости и дроссельного газа и последующего дросселирования этих двух компонентов в отдельных капиллярных трубках.
Хладагент поступает в нижнюю часть приемника в виде дроссельного газа, движется к его верхней части, обмениваясь теплом со всасываемым газом, и выходит через капиллярную трубку в верхней части приемника. Дроссельный газ при дросселировании лишь немного кипит, и массовый расход будет расти с ростом перепада давления на капиллярной трубке. Часть жидкости под действием силы тяжести будет падать в нижнюю часть приемника и выходить оттуда через отдельную капиллярную трубку. Жидкость при дросселировании кипит сильно, и массовый расход будет постоянным, как показано на фиг.3.
Это решение имеет два преимущества: испаритель затопляется и поверхность теплообмена может быть малой. Два обстоятельства снижают требования к поверхности теплообмена: во-первых, большая разность температур на теплообменнике и, во-вторых, из приемника выходит много газа, не загружая теплообменник.
Этому способу присущи два недостатка, один из которых состоит в том, что необходима дополнительная капиллярная трубка, а второй в том, что регулирование расхода ограничено из-за постоянства потока жидкости.
В DK 174179 эта проблема решена путем переохлаждения хладагента непосредственно перед его входом в капиллярную трубку. Переохлаждение осуществляется с помощью отдельного теплообменника, который передает тепло на вход испарителя.
В этом способе отсутствует проблема с кипением хладагента в капиллярной трубке независимо от того, насколько велик перепад давления между испарителем и приемником. Однако одной из главных задач этой схемы является обеспечение затопления испарителя, а это накладывает ограничение на величину перепада давления, что можно показать следующим образом. Первая ступень дросселирования, из конденсатора в приемник, вносит тепло в приемник, что повышает температуру и соответственно давление. Всасываемый газ уносит тепло из приемника и тем самым уменьшает температуру и давление. Давление и температура в приемнике стремятся к равновесию между подводимым и отводимым теплом, причем в точке равновесия справедливо выражение R1:
где
CP - теплоемкость хладагента (индексом указано газообразное или жидкое состояние),
RT - теплота испарения,
Y - скорость хладагента в жидком состоянии на выходе из испарителя.
Поскольку основное назначение схемы состоит в поддержании испарителя затопленным, то Y будет положительной. При подстановке этого условия в R1 получаем R2:
Выражение R2 устанавливает верхний предел того, какая часть от полного перепада давления может приходиться на второе дросселирование, в сравнении с первым дросселированием, поскольку перепад давления при втором дросселировании определяет также разность температур на теплообменнике. Важно, чтобы этот перепад давления был как можно больше для обеспечения как можно меньшей поверхности теплообмена.
Согласно изобретению предложена замкнутая холодильная схема, содержащая компрессор, конденсатор, испаритель, приемник, капиллярную трубку между конденсатором и приемником, капиллярную трубку между приемником и испарителем и тепловой контакт между всасывающим трубопроводом и приемником, причем всасывающий трубопровод ориентирован так, что всасываемый газ проходит через приемник от его нижней части к верхней части, а хладагент в приемнике течет от его верхней части к нижней части.
Предпочтительно, чтобы между всасывающим трубопроводом и капиллярной трубкой, соединяющей конденсатор и приемник, имелся тепловой контакт.
Изобретение отличается от рассмотренных выше решений наличием встречного потока в теплообменнике. Всасываемый газ проходит в приемнике от его нижней части к верхней и переохлаждает хладагент в нижней части приемника, в результате чего он может пройти капиллярную трубку без кипения.
Согласно изобретению имеется трубчатый приемник, продолженный на каждом конце капиллярной трубкой. Хладагент дросселируется два раза: сначала на пути из конденсатора к верхней части приемника, а затем из нижней части приемника к испарителю. Всасывающий трубопровод находится в тепловом контакте с трубчатым приемником, ориентированным так, что всасываемый газ проходит от нижней части к верхней части, образуя теплообменник со встречным потоком. Жидкость в нижней части приемника переохлаждается приблизительно до температуры испарителя, а всасываемый газ перегревается приблизительно до температуры приемника. При равновесии между подводимым и отводимым теплом справедливо выражение R3:
Главным назначением схемы является поддержание испарителя затопленным, а это значит, что Y больше нуля. При подстановке этого условия в R3 получаем R4:
Теплоемкость жидкости всегда больше теплоемкости газа. С учетом этого из R4 получаем R5:
Выражение R5 справедливо всегда, и испаритель будет всегда затапливаться полностью без какого-либо ограничения на температуру в приемнике, в противоположность схеме, описанной в DK 174179, где имеется ограничение, определяемое R2. Это значит, что температура в приемнике может быть более высокой, а поверхность теплообмена соответственно уменьшена.
Поскольку жидкость в нижней части приемника переохлаждается, ее можно дросселировать прямо в испаритель без дальнейшего охлаждения, но важно, чтобы условие переохлаждения жидкости было выполнено. Это условие выполняется, когда испаритель затопляется, так как при затоплении из него будет вытекать жидкий хладагент. Зависимость R5 обеспечивает тот факт, что испаритель затопляется при равновесии, поэтому важно обеспечить, чтобы затопление испарителя происходило до установления равновесия. Если вход испарителя находится в его нижней части, то большая часть хладагента будет накапливаться в испарителе при простое, и, следовательно, при пуске испаритель будет затапливаться.
В небольших домашних морозильных камерах и холодильниках в качестве дросселирующего устройства обычно используется капиллярная трубка с тепловым контактом со всасывающим трубопроводом, как показано на фиг.1. В такой конструкции происходит перегрев всасываемого газа, что дает два преимущества: КПД (коэффициент полезного действия) возрастает (для большинства хладагентов), и теплый всасываемый газ предотвращает конденсацию воды на всасывающем трубопроводе, что в противном случае могло бы повредить морозильные камеры и холодильники. При использовании изобретения эти же преимущества могут быть достигнуты путем размещения первой капиллярной трубки в тепловом контакте со всасывающим трубопроводом, как показано на фиг.2 позицией 12.
Описание чертежей
На фиг.1 схематично изображена схема, обычно используемая для небольших морозильных камер и холодильников. Схема содержит компрессор (1), конденсатор (2), жидкостный трубопровод (3), испаритель (4), всасывающий трубопровод (5), капиллярную трубку (6), тепловой контакт (7) между капиллярной трубкой и всасывающим трубопроводом.
На фиг.2 схематично изображена схема согласно изобретению, отличающаяся от схемы, показанной на фиг.1, только трубчатым приемником, который делит капиллярную трубку на две части.
Схема согласно изобретению содержит компрессор (1), конденсатор (2), жидкостный трубопровод (3), испаритель (4), всасывающий трубопровод (5), капиллярную трубку (8), приемник (9), капиллярную трубку (10), тепловой контакт (11) между приемником и всасывающим трубопроводом, тепловой контакт (12) между капиллярной трубкой и всасывающим трубопроводом.
На фиг.3 показан график расчетного массового расхода хладагента R134a в капиллярной трубке. Температура на выходе капиллярной трубки постоянна и равна -20°С, а температура на входе изменяется от -20°С до +25°С. Поступающий хладагент имеет температуру кипения.
Осуществление изобретения:
Схема согласно изобретению состоит из четырех элементов: всасывающего трубопровода, трубчатого приемника и двух капиллярных трубок. В качестве примера представлен расчет подходящих размеров для морозильных камер мощностью 100 Ватт с компрессором NLY9KK фирмы Danfoss. Температура в приемнике равна +10°С.
Из технических данных компрессора NLY9KK имеем:
- Хладагент: R600A.
- Охлаждающее действие при 30°С/-30°С (конденсатор/испаритель): 100 Вт.
- Массовый расход: 1,37 кг/час=0,34 г/с.
Тепло передается всасывающему трубопроводу в трех местах:
1. От капиллярной трубки:
капилл.
газ
Q=Расход·СР·20К=0,34 г/с·1,7 Дж/г/К·20К=12 Вт
2. От конденсации газа в верхней части приемника:
газ
жидк.
капилл.
Q=Расход·СР·20К-Q=0,34 г/с·2,3 Дж/г/К·20 К-12 Вт=16 Вт-12 Вт=4 Вт
жидк.
жидк.
3. От переохлаждения жидкости в нижней части приемника: Q=Расход·СР·40 К=0,34 г/с·2,3 Дж/г/К·40 К=31 Вт
Теплообменник может передать следующее количество тепла:
где
U - коэффициент теплопередачи,
А - поверхность теплопередачи,
LMTD - логарифмически усредненная разность температур.
Для трубчатого теплообменника имеем:
2
U=0,1 Вт/см/К
1
2
1
2
LMTD=(dT-dT)/ln(dT/dT),
где
1
2
dT и dT - разности температур на входе и выходе теплообменника.
Для простоты разность температур на выходе теплообменника здесь выбрана равной:
2
dT=1K.
Узким местом теплопередачи является внутренняя поверхность всасывающего трубопровода; и минимальная площадь этой поверхности вычисляется путем преобразования R6 в R7;
Путем подстановки в R7 можно вычислить минимальные поверхности теплового контакта для этих трех мест на всасывающем трубопроводе:
1. Вдоль капиллярной трубки, см. фиг.2, позиция 12:
1
газ
жидк.
2
1
2
1
2
dT=[20K·(1-CP/CP)]=5,5 К Λ (dT=1K)⇒LMTD=(dT-dT)/ln(dT/dT)=4,5K/ln(5,5)=2,6 К
капилл.
капилл.
2
2
А≥Q/(U·LMTD)=12 Вт/(0,1 Вт/см/К·2,6 К)=46 см
Длина теплообменника капиллярной трубки должна быть не меньше
чем:
капилл.
2
L>46 см/1,5 см=31 см
2. Конденсация в верхней части приемника:
1
2
1
2
1
2
(dT=40 К)Λ(dT=1К)⇒LMTD=(dT-dT)/ln(dT/dT)=39/ln(40)=10,6 К
конденс.
конденс.
2
2
А≥Q/(U·LMTD)=4 Вт/(0,1 Вт/см/К·10,6 К)=4 см
Из этого следует, что контакт всасывающего трубопровода с верхней частью приемника должен быть не меньше чем:
верх приемн.
2
L>4 см/1,5 см=3 см
3. Для переохлаждения в нижней части приемника:
1
2
1
2
1
2
(dT=40 К)Λ(dT=1 К)⇒LMTD=(dT-dT)/ln(dT/dT)=39/ln(40)=10,6 К
конденс.
конденс.
2
2
А≥Q/(U·LMTD)=31 Вт/(0,1 Вт/см/К·11 К)=28 см
и, таким образом, контакт всасывающего трубопровода с нижней частью приемника должен быть не меньше чем:
низ приемн.
2
2
L>28 см/150 см/м=19 см
Расчеты показывают, что:
2
1. Тепловой контакт между капиллярной трубкой и всасывающем трубопроводом должен быть не меньше 31 см.
2. Контакт между приемником и всасывающим трубопроводом должен иметь протяженность не меньше чем (3 см+19 см)=22 см.
При выборе приемника длиной 50 см уровень хладагента может изменяться на 28 см, и при этом все еще будет удовлетворяться основное требование, состоящее в том, чтобы для теплопередачи имелось по меньшей мере 22 см. Если диаметр приемника выбран равным 22 мм, то объем хладагента может изменяться на 75 мл, что соответствует 45 г хладагента. Составные элементы схемы (см. фиг.2) будут иметь следующие размеры:
- всасывающий трубопровод (5): медная трубка 6 мм × 120 см;
- приемник (9): 22 мм × 50 см;
- первый дроссель: капиллярная трубка 0,7 мм × 90 см, имеющая со всасывающим трубопроводом тепловой контакт (12) длиной не меньше 31 см;
- второй дроссель: капиллярная трубка (10) 0,7 мм × 90 см.
Изобретение обеспечивает эффективный и дешевый регулятор как альтернативу традиционному дросселированию капиллярной трубкой, используемому в небольших домашних морозильных камерах и холодильниках. Регулятор повышает эффективность морозильных камер и холодильников и позволяет им лучше работать в условиях изменения температуры. Для изготовителей холодильников не составит труда использовать изобретение, поскольку, как видно на фиг.1 и 2, единственным его отличием является небольшой приемник, установленный в середине капиллярной трубки.