ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ТОРГОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Заявленная холодильная машина относится к области холодильной техники и может быть применена в холодильных витринах, холодильных шкафах и других холодильных установках торгового назначения.
В настоящее время главной задачей в области холодильной техники является снижение количества электроэнергии, потребляемой холодильными машинами. Количество электроэнергии, потребляемой холодильной машиной, находится в прямой зависимости от эффективности ее рабочего цикла, которую определяют как отношение холодопроизводительности холодильной машины к мощности потребляемого электрического тока.
Из предшествующего уровня техники известна холодильная машина, применяемая в холодильных установках торгового назначения («Холодильная техника и технологии», О.А. Цуранов, А.Г. Крысин, СПб, изд. Лидер, 2004 год, стр. 107, рис. 7.1). Холодильная машина состоит из компрессора, конденсатора, дросселирующего устройства и испарителя, которые соединены между собой посредством трубопроводов в замкнутый контур. Испаритель, применяемый в указанных холодильных машинах, известен из учебника «Холодильная техника и технологии» (О.А. Цуранов, А.Г. Крысин, СПб, изд. Лидер, 2004 год, стр. 195, рис. 11.4 и строка с 19 по 22). Испаритель содержит тонкие металлические пластины и трубу. Труба состоит из прямолинейных участков, которые расположены параллельно друг другу и последовательно соединены между собой посредством изогнутых участков трубы. Металлические пластины расположены перпендикулярно оси прямолинейных участков трубы и сопряжены с внешней поверхностью указанных прямолинейных участков.
Канал трубы является частью замкнутого контура холодильной машины. В полости канала трубы осуществляют испарение хладагента, при этом понижают температуру пластин, посредством которых охлаждают воздух, содержащийся в полости холодильного шкафа или демонстрационного отделения витрины.
Единственная функция холодильной машины - перенос теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу (например, от охлаждаемого воздуха, расположенного в камере холодильного шкафа, к воздуху, посредством которого охлаждают конденсатор). Указанную функцию переноса теплоты выполняет хладагент. Остальные элементы холодильной машины осуществляют перемещение хладагента по замкнутому контуру и обеспечивают условия, необходимые для выполнения хладагентом функции переноса теплоты, заключающиеся в изменении давления и температуры хладагента. Поэтому эффективность рабочего цикла холодильной машины зависит, прежде всего, от свойств хладагента.
2
2
Из предшествующего уровня техники известно, что в холодильных установках торгового назначения применяют следующие хладагенты: R134а, R404а, R407а, R407б, R507 («Холодильные машины и установки», П.И. Дячек, Ростов-на-Дону, 2004, изд. Феникс, стр. 411, строка 29, 30). Из предшествующего уровня техники так же известен хладагент R600a (изобутан), отличающийся высокой эффективностью рабочего цикла. Однако хладагент R600a является горючим веществом, поэтому масса его заправки не может превышать 150 грамм на одну холодильную установку, что ограничивает содержание жидкого хладагента R600a в полости канала испарителя по сравнению с другими хладагентами. Например, замкнутый контур холодильной машины, применяемой на витрине «Ариель ВС 3-160», содержит 500 грамм хладагента R404a. Холодильная машина витрины содержит испаритель, описанный в учебнике «Холодильная техника и технологии» (О.А. Цуранов, А.Г. Крысин, СПб, изд. Лидер, 2004 год, стр. 195, рис. 11.4 и строка с 19 по 22), который отличается высокой холодопроизводительностью и большими геометрическими размерами, в том числе большим объемом канала испарителя. На момент включения холодильной машины площадь контакта (теплообмена) жидкого хладагента R404a со стенкой канала испарителя равна 1500 см, что обеспечивает высокую холодопроизводительность холодильной машины - от 400 до 500 Вт. В случае применения 150 грамм хладагента R600a (максимально допустимая доза заправки) вместо хладагента R404a, площадь теплообмена жидкого хладагента R600a со стенкой канала будет равна 850 см, что примерно в 1.8 раза меньше, чем у хладагента R404a. Максимально допустимая доза заправки хладагента R600a отличается относительно небольшой площадью теплообмена жидкого хладагента со стенкой канала испарителя по сравнению с другими хладагентами, что препятствует применению хладагента R600a в холодильных установках торгового назначения, содержащих испаритель, аналогичный испарителю, описанному в учебнике «Холодильная техника и технологии» (О.А. Цуранов, А.Г. Крысин, СПб, изд. Лидер, 2004 год, стр. 195, рис. 11.4 и строка с 19 по 22).
3
В настоящее время хладагент R600a применяют только в бытовых холодильниках и холодильных шкафах торгового назначения объемом до 700 дм, которые при равном охлаждаемом объеме отличаются более низкими тепловыми притоками по сравнению с витринами, аналогичными витрине «Ариель ВС 3-160». Поэтому в указанных холодильниках и холодильных шкафах применяют прокатно-сварной испаритель, отличающийся относительно небольшим объемом канала, что позволяет применять относительно небольшой объем хладагента R600a, масса которого не превышает 150 грамм.
Из предшествующего уровня техники известна витрина «Ариель ВС 3-160» (интернет-сайт - www.ariada.ru/Dokument/62/). Холодильная машина, применяемая на витрине «Ариель ВС 3-160», является прототипом заявленной холодильной машины. Указанная холодильная машина содержит компрессор, конденсатор, капиллярную трубку и испаритель, которые посредством трубопроводов соединены между собой в замкнутый контур. Замкнутый контур прототипа содержит 500 грамм хладагента R404a. Испаритель прототипа содержит металлические пластины и трубу, которая состоит из прямолинейных участков, расположенных параллельно друг другу и последовательно соединенных между собой посредством изогнутых участков трубы. Канал трубы представляет собой канал для испарения хладагента. Полость канала нижнего прямолинейного участка трубы сообщена посредством капиллярной трубки с конденсатором. Металлические пластины расположены перпендикулярно оси прямолинейных участков трубы и сопряжены с поверхностью прямолинейных участков трубы. Охлаждение воздуха осуществляют путем естественной конвекции, при этом охлаждаемый воздух перемещается сверху вниз вдоль пластин испарителя.
3
3
3
3
Эффективность рабочего цикла холодильной машины находится в прямой зависимости от температуры испарения хладагента. Температура испарения хладагента - величина производная от давления паров хладагента, содержащихся в полости канала испарителя. Испаритель, применяемый в прототипе, содержит трубу. Объем канала трубы - 740 см. Когда холодильная машина отключена, жидкий хладагент R404a поступает из конденсатора в нижнюю часть канала испарителя. На момент включения прототипа объем жидкого хладагента, содержащегося в нижней части испарителя, равен примерно 400 см, что составляет 55% от объема канала испарителя. При этом верхняя часть испарителя, объем которой равен 340 см, заполнена парами хладагента. После включения холодильной машины жидкий хладагент, содержащийся в нижней части испарителя, испаряется. Под воздействием разряжения, создаваемого компрессором, пары хладагента и парожидкостная смесь поступают в верхнюю часть испарителя. При максимальной холодопроизводительности прототипа, равной 500 Вт, в течение одной секунды испаряется 2.5 грамма жидкого хладагента R404a. При этом образуются пары хладагента, объем которых равен примерно 100 см, что в 3.5 раза меньше объема верхней части канала испарителя. Прямым следствием относительно небольшого объема генерируемых паров является уменьшение плотности и давления паров хладагента R404a, содержащихся в верхней части испарителя, а так же - соответствующее снижение температуры испарения хладагента. Кроме того, давление и температура испарения хладагента после включения холодильной машины быстро понижается и находится на низком уровне до завершения рабочего цикла. Следовательно, относительно небольшой объем генерируемых паров хладагента R404a снижает среднее значение температуры испарения хладагента и соответственно снижает эффективность рабочего цикла, осуществляемого посредством прототипа.
Замкнутый контур холодильной машины, состоящий из компрессора, конденсатора, дросселирующего устройства и испарителя, содержащего трубу, состоящую из прямолинейных участков, расположенных параллельно друг другу и последовательно соединенных между собой посредствам изогнутых участков трубы, а так же - металлические пластины, расположенные перпендикулярно оси прямолинейных участков трубы и сопряженные с поверхностью прямолинейных участков трубы - указанные признаки прототипа совпадают с существенными признаками заявленной холодильной машины.
Задача, решаемая посредством заявленной холодильной машины, заключается в снижении количества электроэнергии, которую потребляют холодильные машины, применяемые в холодильных установках торгового назначения.
Поставленная задача решена путем создания холодильной машины для холодильной установки торгового назначения, включающей компрессор, конденсатор, дросселирующее устройство и испаритель, последовательно соединенные между собой в замкнутый контур посредством трубопроводов, испаритель которой содержит металлические пластины и трубу, состоящую из прямолинейных участков, расположенных параллельно друг другу и последовательно соединенных между собой посредством изогнутых участков трубы, при этом металлические пластины расположены перпендикулярно оси прямолинейных участков трубы и сопряжены. с поверхностью прямолинейных участков трубы, а канал трубы представляет собой канал для испарения хладагента, при этом согласно полезной модели замкнутый контур холодильной машины содержит хладагент изобутан, объем которого в жидком состоянии равен, по меньшей мере, 15% от объема канала испарителя, предпочтительно 20-30% от объема канала испарителя.
3
3
Изобутан (хладагент R600a) обладает более высокой эффективностью рабочего цикла по сравнению с хладагентом R404a. Кроме того, пары хладагента R600a отличаются низкой плотностью (1.3 кг/м), что в совокупности с низким давлением испарения хладагента R600a (не более 1 бара) обеспечивает большой объем паров и парожидкостной смеси, генерируемых при его испарении. Например, в заявленной холодильной машине, холодопроизводительностью 500 Вт, в течение одной секунды испаряется 1.4 гр. хладагента R600a. При этом образуется более 1000 см паров хладагента R600a, что в 10 раз превышает объем паров хладагента R404a, генерируемых в испарителе прототипа, и в 1.4 раза превышает объем канала испарителя, аналогичного испарителю прототипа. Следовательно, большой объем паров, генерируемых при испарении хладагента R600a, обеспечивает полное заполнение парожидкостной смесью канала испарителя, аналогичного испарителю прототипа. При этом площадь поверхности контакта (теплообмена) парожидкостной смеси со стенкой канала испарителя достигает максимального значения, равного площади стенки канала, что обеспечивает дополнительное увеличение холодопроизводительности заявленной холодильной машины и соответствующее повышение эффективности ее рабочего цикла.
Большой объем паров, генерируемых при испарении хладагента R600a, позволяет так же предотвратить резкое снижение давления паров хладагента в полости канала трубы. Давление и температура испарения хладагента R600a в течение рабочего цикла понижается постепенно, по мере понижения температуры охлаждаемого воздуха. Поэтому, среднее значение температуры испарения хладагента R600a, применяемого в заявленной холодильной машине, имеет более высокое значение по сравнению с температурой испарения хладагента R404a, применяемого в прототипе. Максимальная площадь теплообмена парожидкостной смеси со стенкой канала испарителя в сочетании с более высоким средним значением температуры испарения хладагента R600a обеспечивает дополнительное повышение холодопроизводительности заявленной холодильной машины и соответствующее повышение эффективности ее рабочего цикла.
Кроме того, холодопроизводительность заявленной холодильной машины находится в прямой зависимости от коэффициента теплоотдачи парожидкостной смеси, и в обратной зависимости - от температуры конденсации хладагента. При этом величина коэффициента теплоотдачи парожидкостной смеси находится в прямой зависимости от объема жидкого хладагента R600a, содержащегося в ее составе, а температура конденсации хладагента находится в прямой зависимости от объема жидкого хладагента, содержащегося в полости канала конденсатора. Следовательно, отношение объема жидкого хладагента R600a, содержащегося в замкнутом контуре заявленной холодильной машины, к объему канала испарителя (относительный объем жидкого хладагента), отражает совокупное влияние на холодопроизводительность холодильной машины, а так же - на эффективность ее рабочего цикла таких параметров как содержание жидкого хладагента в полости канала испарителя (в составе парожидкостной смеси) и содержание жидкого хладагента R600a в полости канала конденсатора.
Минимальное значение относительного объема жидкого хладагента R600a, содержащегося в замкнутом контуре заявленной холодильной машины, должно обеспечивать достаточную величину ее холодопроизводительности, равную, по меньшей мере, холодопроизводительности прототипа (400-500 Вт). При этом масса минимального объема жидкого хладагента R600a, обеспечивающего достаточно высокую холодопроизводительность заявленной холодильной машины, не должна превышать 150 грамм. В том случае, когда масса минимального объема жидкого хладагента R600a превышает 150 грамм, заявленную холодильную машину нельзя применять в холодильных установках торгового назначения, даже если при этом обеспечивается достаточно высокая холодопроизводительность.
3
2
2
3
3
Для определения минимального значения относительного объема жидкого хладагента R600a, обеспечивающего достаточно высокую холодопроизводительность, рассмотрим заявленную холодильную машину холодопроизводительностью 400 Вт, которая содержит испаритель аналогичный испарителю прототипа и охлаждает воздух путем естественной конвекции. В указанной холодильной машине в полость канала испарителя в течение одной секунды поступает 1.12 грамма жидкого хладагента R600a. Объем указанной разовой порции жидкого хладагента равен 2.0 см, а площадь поверхности ее теплообмена со стенкой канала испарителя, аналогичного испарителю прототипа, равна 7.5 см. При этом плотность теплового потока, подводимого к жидкому хладагенту от стенки канала испарителя, равна 0.5-0.6 Вт/см (плотность теплового потока определена экспериментально). Поэтому в течение следующей секунды разовая порция хладагента R600a получит от стенки канала примерно 4.0 Дж теплоты, что обеспечивает испарение 0.01 грамма хладагента R600a. При этом образуется 8.0 см паров хладагента. Указанные пары хладагента в совокупности с жидким хладагентом R600a образуют парожидкостную смесь, объем которой равен 10.0 см. В составе указанной парожидкостной смеси жидкий хладагент R600a, занимает примерно 20% от ее объема. По мере перемещения разовой порции хладагента по каналу испарителя жидкий хладагент, содержащийся в составе парожидкостной смеси, испаряется и в конце канала его доля в составе парожидкостной смеси снижается до нуля. Парожидкостная смесь заполняет весь объем канала испарителя, поэтому, среднее содержание жидкого хладагента в канале испарителя, будет равно 10% от объема канала. Кроме того, жидкий хладагент содержится в полости канала конденсатора. При осуществлении рабочего цикла заявленной холодильной машиной объем жидкого хладагента R600a, содержащегося в канале конденсатора равен примерно 50% от объема жидкого хладагента, содержащегося в канале испарителя. Следовательно, относительный объем жидкого хладагента R600a, содержащегося в замкнутом контуре заявленной холодильной машины, должен быть равен, по меньшей мере, 15% от объема канала испарителя. При этом масса жидкого хладагента R600a, содержащегося в замкнутом контуре заявленной холодильной машины холодопроизводительностью 400 Вт, будет равна 65 граммам, что в 2.3 раза меньше максимально допустимой дозы хладагента R600a, заправляемого в одну холодильную установку торгового назначения.
Применение в заявленной холодильной машине хладагента R600a, относительный объем которого в жидком состоянии равен 15% от объема канала испарителя, обеспечивает получение технического результата, заключающегося в сокращении количества электроэнергии, потребляемой заявленной холодильной машиной по сравнению с ее прототипом. При этом масса минимального объема хладагента R600a меньше 150 грамм, что в совокупности с достаточно высокой холодопроизводительностью обеспечивает применение заявленной холодильной машины в холодильных установках торгового назначения.
Применение в заявленной холодильной машине хладагента R600a, относительный объем которого в жидком состоянии равен 20-30% от объема канала испарителя, увеличивает содержание жидкого хладагента в парожидкостной смеси. Прямым следствием более высокого содержания жидкого хладагента является увеличение коэффициента теплоотдачи парожидкостной смеси, что обеспечивает увеличение холодопроизводительности заявленной холодильной машины и более высокую эффективность ее рабочего цикла. Более высокая эффективность рабочего цикла обеспечивает дополнительное снижение количества электроэнергии, потребляемой заявленной холодильной машиной.
Известны холодильные установки торгового назначения, отличающиеся большими тепловыми притоками из окружающей среды, например, теплый воздух, поступающий в полость холодильного шкафа при открывании его дверцы. В указанных холодильных установках торгового назначения целесообразно применять холодильную машину, которая согласно полезной модели содержит вентилятор для принудительного перемещения охлаждаемого воздуха относительно пластин испарителя, а объем хладагента в жидком состоянии равен предпочтительно 30-60% от объема канала испарителя. По сравнению с естественной конвекцией охлаждаемого воздуха его принудительное перемещение относительно пластин испарителя обеспечивает увеличение коэффициента теплоотдачи воздуха в несколько раз. При этом соответственно увеличивается плотность теплового потока, подводимого от стенки канала испарителя к парожидкостной смеси. Поэтому в холодильных машинах, применяемых в холодильных установках торгового назначения, отличающихся большими тепловыми притоками, целесообразно увеличить относительный объем хладагента R600a, содержащегося в замкнутом контуре холодильной машины. Увеличение относительного объема хладагента R600a обеспечит увеличение коэффициента теплоотдачи парожидкостной смеси, соответствующее увеличение холодопроизводительности заявленной холодильной машины и более высокую эффективность ее рабочего цикла.
Относительный объем жидкого хладагента R600a, содержащегося в замкнутом контуре заявленной холодильной машины, определен путем теоретического расчета, выполненного на основании свойств хладагента R600a и геометрических размеров канала испарителя, который обеспечивает холодопроизводительность заявленной холодильной машины равную холодопроизводительности прототипа. С целью подтверждения влияния отличительных признаков заявленной холодильной машины на возможность получения технического результата, а так же на его величину, проведены эксперименты, посредством которых определялась эффективность прототипа, установленного на витрине «Ариель ВС 3-160», и эффективность заявленной холодильной машины, установленной на опытном образце витрины, аналогичном витрине «Ариель ВС 3-160». Эксперименты проведены с тремя вариантами заявленной холодильной машины, которые отличаются объемом жидкого хладагента R600a, содержащегося в замкнутом контуре.
Результаты экспериментов представлены в таблице 1.
При осуществлении указанных экспериментов эффективность прототипа и заявленной холодильной машины оценивались путем сравнения среднего значения мощности электрического тока, потребляемого прототипом и заявленной холодильной машиной в течение полного цикла охлаждения воздуха, включающего интервал времени, в течение которого холодильная машина работает (рабочий цикл), и интервал времени, в течение которого холодильная машина отключена, при этом работает только вентилятор конденсатора. Среднее значения мощности электрического тока, потребляемого холодильной машиной в течение полного цикла охлаждения воздуха, отражает зависимость количества потребляемой электроэнергии от таких параметров как эффективность рабочего цикла и коэффициент рабочего времени холодильной машины. При этом количество электроэнергии, потребляемой холодильной машиной за определенный интервал времени, определяется как произведение среднего значения мощности электрического тока, потребляемого холодильной машиной в течение полного цикла охлаждения воздуха, на длительность указанного интервала времени, выраженного в часах.
При осуществлении эксперимента 1 (таблица 1) определено, что при температуре окружающей среды +26.3°C среднее значение мощности электрического тока, потребляемого прототипом в течение полного цикла охлаждения воздуха, равно 308 Вт, а средняя температура охлаждаемого воздуха равна +4.3°C.
При осуществлении эксперимента 2 (таблица 1) замкнутый контур первого варианта заявленной холодильной машины содержит хладагент R600a, объем которого в жидком состоянии равен 15.7% от объема канала испарителя аналогичного испарителю прототипа. Среднее значение мощности электрического тока, потребляемого заявленной холодильной машиной в течение полного цикла охлаждения воздуха - 152 Вт, что на 50.6% меньше мощности электрического тока, потребляемого прототипом в эксперименте 1. Следовательно, при равных температурах окружающей среды первый вариант заявленной холодильной машины потребляет на 50.6% меньше электроэнергии, по сравнению с прототипом. При этом первый вариант заявленной холодильной машины обеспечивает более низкую температуру охлаждаемого воздуха, среднее значение которой равно +3.9°C.
При осуществлении эксперимента 3 (таблица 1) замкнутый контур холодильной машины содержит хладагент R600a, объем которого в жидком состоянии равен 14.5% от объема канала испарителя аналогичного испарителю прототипа, что на 0.5% меньше минимального значения относительного объема жидкого хладагента R600a, содержащегося в замкнутом контуре заявленной холодильной машины. При осуществлении эксперимента 3 холодильная машина работает в непрерывном режиме. При этом температура охлаждаемого воздуха не снижается ниже +9°C, а средняя температура охлаждаемого воздуха равна +12°C. Следовательно, холодильная машина, содержащая хладагент R600a, объем которого в жидком состоянии меньше 15% объема канала испарителя аналогичного испарителю прототипа, не может осуществлять рабочий цикл, заключающийся в охлаждении воздуха до заданной температуры (от ±0°C до +6°C).
При осуществлении эксперимента 4 (таблица 1) замкнутый контур первого варианта заявленной холодильной машины содержит хладагент R600a, объем которого в жидком состоянии равен 15.7% от объема канала испарителя аналогичного испарителю прототипа. При осуществлении эксперимента 4 температура окружающей среды равна +32°C, что на 5.7 градусов выше, чем температура окружающей среды в эксперименте 1. Среднее значение мощности электрического тока, потребляемого первым вариантом заявленной холодильной машины в течение полного цикла охлаждения воздуха - 172 Вт, что на 44% меньше среднего значения мощности электрического тока, потребляемого прототипом в эксперименте 1 при более низкой температуре окружающей среды. При этом средняя температура охлаждаемого воздуха равна +4.3°C. Следовательно, первый вариант заявленной холодильной машины (содержащий минимальный объем хладагента R600a) даже при более высокой температуре окружающей среды обеспечивает охлаждение воздуха до температуры, равной средней температуре охлаждаемого воздуха в эксперименте 1.
При осуществлении эксперимента 5 (таблица 1) замкнутый контур второго варианта заявленной холодильной машины содержит хладагент R600a, объем которого в жидком состоянии равен 20.4% от объема канала испарителя аналогичного испарителю прототипа. Среднее значение мощности электрического тока, потребляемого заявленной холодильной машиной в течение полного цикла охлаждения воздуха - 127 Вт, что на 58.8% меньше мощности электрического тока, потребляемого прототипом в эксперименте 1. Следовательно, при равных температурах окружающей среды второй вариант заявленной холодильной машины потребляет на 58.8% меньше электроэнергии, по сравнению с прототипом. При этом средняя температура охлаждаемого воздуха равна +2.9°C, что на 1.4 градуса ниже, по сравнению со средней температурой охлаждаемого воздуха в эксперименте 1.
При осуществлении эксперимента 6 (таблица 1) замкнутый контур третьего варианта заявленной холодильной машины содержит хладагент R600a, объем которого в жидком состоянии равен 26.4% от объема канала испарителя аналогичного испарителю прототипа. Среднее значение мощности электрического тока, потребляемого заявленной холодильной машиной в течение полного цикла охлаждения воздуха - 138 Вт, что на 55.2% меньше мощности электрического тока, потребляемого прототипом в эксперименте 1. Следовательно, при равных температурах окружающей среды третий вариант заявленной холодильной машины потребляет на 55.2% меньше электроэнергии, по сравнению с прототипом, но на 7% больше второго варианта заявленной холодильной машины (эксперимент 5). При этом средняя температура охлаждаемого воздуха +3,6°C, что ниже средней температуры воздуха, охлаждаемого посредством прототипа в эксперименте 1, но выше средней температуры воздуха, охлаждаемого посредством второго варианта заявленной холодильной машины в эксперименте 5. Из результатов экспериментов следует:
- минимальное значение относительного объема жидкого хладагента R600a, обеспечивающего охлаждение воздуха до заданной температуры и получение заявленного технического результата, равно 15% от объема канала испарителя;
- величина среднего значения мощности электрического тока, потребляемого заявленной холодильной машиной в течение полного цикла охлаждения воздуха, изменяется в зависимости от изменения относительного объема жидкого хладагента R600a, содержащегося в замкнутом контуре заявленной холодильной машины.
На диаграмме 1 отражена зависимость среднего значения мощности электрического тока, потребляемого заявленной холодильной машиной в течение полного цикла охлаждения воздуха, от относительного объема жидкого хладагента R600a, содержащегося в замкнутом контуре холодильной машины.
Из диаграммы 1 следует:
- при увеличении относительного объема жидкого хладагента R600a с 15.7% (эксперимент 2) до 20.4% (эксперимент 5) среднее значение мощности потребляемого электрического тока понижается, следовательно, эффективность полного цикла охлаждения воздуха увеличивается;
- при увеличении относительного объема жидкого хладагента R600a с 20.4% (эксперимент 5) до 26.4% (эксперимент 6) среднее значение мощности потребляемого электрического тока повышается, следовательно, эффективность полного цикла охлаждения воздуха уменьшается.
Оптимальное значение относительного объема жидкого хладагента R600a, равное 20% от объема канала испарителя, обеспечивает максимальную эффективность цикла охлаждения воздуха, осуществляемого посредством заявленной холодильной машины. Оптимальное содержание жидкого хладагента R600 в составе парожидкостной смеси обеспечивает увеличение коэффициента ее теплоотдачи до значения, которое соответствует максимальному значению теплового потока, подводимого к испарителю при определенной температуре окружающей среды. Следовательно, при дальнейшем увеличении относительного объема жидкого хладагента R600 холодопроизводительность заявленной холодильной машины не может увеличиваться, потому что ее величина ограничена максимальным значением теплового потока, подводимого к испарителю. Более того, по мере дальнейшего увеличения относительного объема жидкого хладагента R600a, содержащегося в замкнутом контуре заявленной холодильной машины, ее холодопроизводительность будет понижаться. Потому, что начинает действовать второй фактор, влияющий на холодопроизводительность холодильной машины, заключающийся в повышении температуры и давления конденсации хладагента. Увеличение давления и температуры конденсации хладагента происходит вследствие увеличения объема жидкого хладагента, содержащегося в конденсаторе, при этом соответственно уменьшается объем канала конденсатора, заполненного парами хладагента. Прямым следствием увеличения температуры/давления конденсации хладагента является снижение холодопроизводительности компрессора, применяемого в заявленной холодильной машине, и увеличение мощности потребляемого электрического тока. Например, при увеличении температуры конденсации хладагента с +45°C до +55°C холодопроизводительность компрессора «SECOP XV 8.0 KX», работающего на хладагенте R600a, снижается примерно на 15-17%, а мощность электрического тока потребляемого компрессором, увеличивается примерно на 4-8%. Следовательно, увеличение относительного объема жидкого хладагента R600a до значения, превышающего оптимальное содержание указанного хладагента в замкнутом контуре заявленной холодильной машины, обеспечивает снижение эффективности ее рабочего цикла и соответствующее снижение величины заявленного технического результата.
При увеличении относительного объема жидкого хладагента R600a с 20.4% (эксперимент 5) до 26.4% (эксперимент 6) мощность потребляемого электрического тока увеличивается на 11 Вт (со 127 Вт до 138 Вт). Путем экстраполяции получаем, что при увеличении относительного объема жидкого хладагента R600a до 30% от объема канала испарителя среднее значение мощности потребляемого электрического тока увеличится до 144 Вт, что на 5% меньше среднего значения мощности электрического тока, потребляемого первым вариантом заявленной холодильной машины в эксперименте 2. Следовательно, с точки зрения энергетической эффективности полного цикла охлаждения воздуха предпочтительным является относительный объем жидкого хладагента R600a, равный 20-30% от объема канала испарителя.
Результаты экспериментов подтверждают влияние существенных признаков заявленной холодильной машины на возможность получения технического результата и на его величину.
Существенные признаки заявленной холодильной машины обеспечивают ее применение в холодильных установках торгового назначения, отличающихся плотностью теплового потока, подводимого к испарителю, величина которого находится в прямой зависимости от температуры окружающей среды и от скорости перемещения охлаждаемого воздуха относительно пластин испарителя.
Заявленную холодильную машину, содержащую хладагент R600a, объем которого в жидком состоянии равен 15-20% от объема канала испарителя, предпочтительно применять в холодильных установках торгового назначения с естественным перемещением охлаждаемого воздуха, которые работают при относительно низкой температуре окружающей среды - от +12°C до +25°C.
В холодильных установках с естественным перемещением охлаждаемого воздуха, работающих при более высокой температуре окружающей среды - до +32°C, целесообразно применять заявленную холодильную машину, содержащую хладагент R600a, объем которого в жидком состоянии предпочтительно равен 20-30% от объема канала испарителя.
В холодильных установках с принудительным перемещением охлаждаемого воздуха и/или работающих при температуре окружающей среды - до +40°C целесообразно применять заявленную холодильную машину, содержащую хладагент R600a, объем которого в жидком состоянии предпочтительно равен 30-60% от объема канала испарителя.
По результатам экспериментов так же установлено, что высокая эффективность рабочего цикла заявленной холодильной машины обеспечивает до 6.0 Вт холодопроизводительности на 1 грамм хладагента R600a, содержащегося в ее замкнутом контуре, что в шесть раз больше аналогичного показателя прототипа (1 Вт холодопроизводительности на 1 грамм хладагента R404a). Следовательно, максимальная заправка хладагента R600a, равная 150 граммам, обеспечивает применение заявленной холодильной машины в холодильных установках торгового назначения холодопроизводительностью до 900 Вт.
3
3
На момент включения заявленной холодильной машины, содержащей в замкнутом контуре хладагент R600a, объем которого в жидком состоянии равен 20% от объема канала испарителя, только 15% канала заполнены жидким хладагентом, что в 3.5 раза меньше, чем у хладагента R404a, применяемого в прототипе. При этом относительно небольшой объем жидкого хладагента R600a обеспечивает достаточно высокую холодопроизводительность, величина которой позволяет применять заявленную холодильную машину в холодильных витринах длинной до 2.5 метров, холодильных шкафах объемом до 1.5 м и холодильных камерах объемом до 6.0 м, что является неожиданным результатом с точки зрения предшествующего уровня техники.
Для лучшего понимания сути заявленной холодильной машины ниже приведены ее описание и результаты экспериментов со ссылкой на чертежи и диаграммы, на которых:
фиг. 1 изображает заявленную холодильную машину, установленную на опытный образец витрины, аналогичный витрине «Ариель ВС 3-160»;
фиг. 2 изображает диаграммы, отражающие изменения температуры охлаждаемого воздуха в течение одного полного цикла его охлаждения, осуществляемого посредством прототипа (эксперимент 1);
фиг. 3 изображает диаграммы, отражающие изменения температуры охлаждаемого воздуха в течение одного полного цикла его охлаждения, осуществляемого посредством первого варианта заявленной холодильной машины (эксперимент 2);
фиг. 4 изображает диаграммы, отражающие изменения температуры охлаждаемого воздуха в течение одного полного цикла его охлаждения, осуществляемого посредством холодильной машины, содержащей хладагент R600a, объем которого в жидком состоянии равен 14.5% от объема канала испарителя (эксперимент 3);
фиг. 5 изображает диаграммы, отражающие изменения температуры охлаждаемого воздуха в течение одного полного цикла его охлаждения, осуществляемого посредством первого варианта заявленной холодильной машины (эксперимент 4);
фиг. 6 изображает диаграммы, отражающие изменения температуры охлаждаемого воздуха в течение одного полного цикла его охлаждения, осуществляемого посредством второго варианта заявленной холодильной машины (эксперимент 5);
фиг. 7 изображает диаграммы, отражающие изменения температуры охлаждаемого воздуха в течение одного полного цикла его охлаждения, осуществляемого посредством третьего варианта заявленной холодильной машины (эксперимент 6).
Заявленная холодильная машина (фиг. 1) установлена на опытный образец витрины, аналогичной витрине «Ариель ВС 3-160» и содержит компрессор 1, конденсатор 2 и испаритель 3, аналогичный испарителю прототипа и расположенный в демонстрационном отделении 4. Компрессор 1, конденсатор 2 и испаритель 3 соединены между собой посредством трубопроводов и капиллярной трубки (условно не показаны) в замкнутый контур, содержащий изобутан -в качестве хладагента. Объем изобутана (R600a) в жидком состоянии равен, по меньшей мере, 15% от объема канала испарителя 3.
Заявленная холодильная машина работает следующим образом. После включения заявленной холодильной машины жидкий хладагент из конденсатора через капиллярную трубку поступает в полость канала трубы испарителя 3. По мере испарения хладагента в канале трубы образуется парожидкостная смесь, заполняющая весь объем канала, что обеспечивает равномерное охлаждения всех частей испарителя 3 и максимальное значение холодопроизводительности заявленной холодильной машины. При этом воздух, содержащийся в отделении 4, охлаждается путем теплообмена с пластинами испарителя 3. Когда температура охлаждаемого воздуха понижается до заданного минимального значения, холодильную машину отключают. После отключения холодильной машины температура охлажденного воздуха повышается вследствие его теплообмена с охлаждаемыми продуктами и со стенками отделения 4, а также вследствие тепловых притоков из окружающей среды. Когда температура воздуха повышается до заданного максимального значения, заявленную холодильную машину включают и осуществляют следующий рабочий цикл.
На фиг. 2 представлена группа из шести диаграмм 5, которые отражают изменения температуры воздуха, содержащегося демонстрационном отделении витрины «Ариель ВС 3-160», в течение одного полного цикла его охлаждения, осуществляемого посредством прототипа. Указанный цикл охлаждения воздуха состоит из интервала времени, в течение которого прототип работает, и интервала времени, в течение которого прототип отключен. На фиг. 2 кроме того отражено среднее значение мощности электрического тока 6, потребляемого прототипом в течение одного полного цикла охлаждения воздуха и среднее значение температуры окружающей среды 10. Температура охлаждаемого воздуха измеряется посредством шести датчиков, максимальные, минимальные и средние показатели которых так же отражены на фиг. 2: максимальные значения 7, минимальные значения 8 и средние значения 9.
На фиг. 3 представлена группа из шести диаграмм 11, которые отражают изменения температуры воздуха, охлаждаемого посредством первого варианта заявленной холодильной машины, содержащей 65 грамм хладагента R600a, объем которого в жидком состоянии равен 15.7% от объема канала испарителя 3, аналогичного испарителю прототипа. Полный цикл охлаждения воздуха состоит из интервала времени, в течение которого заявленная холодильная машина работает, и интервала времени, в течение которого заявленная холодильная машина отключена. На фиг. 3 кроме того отражено среднее значение мощности электрического тока 12, потребляемого первым вариантом заявленной холодильной машины в течение полного цикла охлаждения воздуха и среднее значение температуры окружающей среды 16. Температура охлаждаемого воздуха измеряется посредством шести датчиков, максимальные, минимальные и средние показатели которых так же отражены на фиг. 3: максимальные значения 13, минимальные значения 14 и средние значения 15.
На фиг. 4 представлена группа из шести диаграмм 17, которые отражают изменения температуры воздуха, охлаждаемого посредством холодильной машины, содержащей 60 грамм хладагента R600a, объем которого в жидком состоянии равен 14.5% от объема канала испарителя 3, аналогичного испарителю прототипа. На фиг. 4 кроме того отражено среднее значение мощности электрического тока 18, потребляемого холодильной машиной, и среднее значение температуры окружающей среды 22. Температура охлаждаемого воздуха измеряется посредством шести датчиков, максимальные, минимальные и средние показатели которых так же отражены на фиг. 4: максимальные значения 19, минимальные значения 20 и средние значения 21.
На фиг. 5 представлена группа из шести диаграмм 23, которые отражают изменения температуры воздуха, охлаждаемого посредством первого варианта заявленной холодильной машины, содержащей 65 грамм хладагента R600a, объем которого в жидком состоянии равен 15.7% от объема канала испарителя 3, аналогичного испарителю прототипа. Полный цикл охлаждения воздуха состоит из интервала времени, в течение которого заявленная холодильная машина работает, и интервала времени, в течение которого заявленная холодильная машина отключена. На фиг. 5 кроме того отражено среднее значение мощности электрического тока 24, потребляемого первым вариантом заявленной холодильной машины в течение полного цикла охлаждения воздуха и среднее значение температуры окружающей среды 28. Температура охлаждаемого воздуха измеряется посредством шести датчиков, максимальные, минимальные и средние показатели которых так же отражены на фиг. 5: максимальные значения 25, минимальные значения 26 и средние значения 27.
На фиг. 6 представлена группа из шести диаграмм 29, которые отражают изменения температуры воздуха, охлаждаемого посредством второго варианта заявленной холодильной машины, содержащей 85 грамм хладагента R600a, объем которого в жидком состоянии равен 20.4% от объема канала испарителя 3, аналогичного испарителю прототипа. Полный цикл охлаждения воздуха состоит из интервала времени, в течение которого заявленная холодильная машина работает, и интервала времени, в течение которого заявленная холодильная машина отключена. На фиг. 6 кроме того отражено среднее значение мощности электрического тока 30, потребляемого вторым вариантом заявленной холодильной машины в течение полного цикла охлаждения воздуха и среднее значение температуры окружающей среды 34. Температура охлаждаемого воздуха измеряется посредством шести датчиков, максимальные, минимальные и средние показатели которых так же отражены на фиг. 6: максимальные значения 31, минимальные значения 32 и средние значения 33.
На фиг. 7 представлена группа из шести диаграмм 35, которые отражают изменения температуры воздуха, охлаждаемого посредством третьего варианта заявленной холодильной машины, содержащей 110 грамм хладагента R600a, объем которого в жидком состоянии равен 26.4% от объема канала испарителя 3, аналогичного испарителю прототипа. Полный цикл охлаждения воздуха состоит из интервала времени, в течение которого заявленная холодильная машина работает, и интервала времени, в течение которого заявленная холодильная машина отключена. На фиг. 7 кроме того отражено среднее значение мощности электрического тока 36, потребляемого третьим вариантом заявленной холодильной машины в течение полного цикла охлаждения воздуха и среднее значение температуры окружающей среды 40. Температура охлаждаемого воздуха измеряется посредством шести датчиков, максимальные, минимальные и средние показатели которых так же отражены на фиг. 7: максимальные значения 37, минимальные значения 38 и средние значения 39.