СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ДИАПАЗОНА РАБОТЫ КОМПРЕССИОННОГО ХОЛОДИЛЬНИКА
METHOD OF EXPANDING COMPRESSION REFRIGERATOR OPERATING TEMPERATURE RANGE

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к компрессионным холодильникам с конденсаторами принудительного воздушного охлаждения, которые широко используются на предприятиях химической, нефтегазовой, пищевой и других отраслей промышленности, а также в кондиционерах промышленного и бытового назначения.
Известно, что нормальный режим работы компрессионного холодильника или кондиционера определяется эффективностью теплообмена его конденсатора с окружающей средой. Поэтому диапазон температур окружающей среды, при котором гарантируются параметры холодильников или кондиционеров, является одной из важнейших их паспортных технических характеристик. Превышение температуры окружающей среды свыше паспортного значения вызывает рост давления и температуры газообразного хладагента на входе конденсатора, при этом одновременно уменьшается отводимая от конденсатора тепловая мощность, что неминуемо приводит к снижению холодопроизводительности и повышенному износу компрессора. Понижение температуры окружающей среды ниже паспортного значения особенно ощутимо сказывается на работе реверсивных кондиционеров, имеющих вентили переключения испарителя и конденсатора и не обеспечивающих в этих условиях выработки необходимой мощности обогрева помещения.
Известные способы расширения температурного диапазона работы компрессионных холодильных устройств для низких температур окружающей среды сводятся к дополнительному обогреву конденсаторов при их выполнении функции испарителей, а для повышенных температур (что более актуально) - к увеличению отводимой от теплопередающей поверхности конденсаторов тепловой мощности. Например, для расширения температурного диапазона при повышенной температуре окружающей среды в холодильной установке по авт. свидетельству СССР №759807, F25B 1/00 конденсатор воздушного охлаждения дополнен конденсатором водяного охлаждения; в холодильниках по авт. свидетельствам СССР №596788, F25B 1/00 и №787816, F25B 1/00 использованы многоступенчатые компрессорные установки с большим количеством переключающих вентилей, срабатывающих при изменении температуры окружающей среды; в авт.свидетельствах СССР №673820, F25B 1/00 и №731215, F25B 1/00 конденсаторы воздушного охлаждения оснащены дополнительными аккумуляторами холода; в книге Лэнгли Б.К. «Холодильная техника и кондиционирование воздуха», пер. с англ., под ред. Л.Г.Каплана, М., Легкая и пищевая промышленность, 1981 г., описан способ регулирования мощности теплообмена конденсаторов путем изменения угла установки лопастей вентиляторов в зависимости от температуры окружающей среды.
Упомянутые способы лишь в незначительной степени позволяют расширить температурный диапазон безотказной работы холодильников в сторону повышения температуры окружающего воздуха, который по сути является единственным переносчиком отводимого от конденсатора тепла.
Более качественные результаты обеспечивает испарительный способ повышения отводимой от конденсатора тепловой мощности, при котором теплопередающую поверхность конденсатора постоянно увлажняют испаряющейся водой (патент РФ №2234645, F25B 1/00, 2004 г.). В этом случае действуют два фактора теплоотвода: отбор тепла продуваемым воздухом и отбор тепла механизмом охлаждения при испарении.
Поскольку предложенный способ также основан на использовании двух факторов теплоотвода, вышеупомянутый патент, как наиболее близкий аналог, выбран в качестве прототипа. Недостатки прототипа, отмеченные его автором (Осацкий С.А. «Исследование влияния испарительного конденсатора на теплоэнергетические характеристики бытового холодильного прибора компрессионного типа», канд. диссертация, г. Шахты, 2004 г.), а именно, необходимость выполнения герметичности конструкции конденсатора, необходимость постоянного подвода воды - все это требует принципиально новых конструктивных решений холодильных агрегатов и поэтому данный способ не может быть использован для применяемых в настоящее время компрессионных холодильников. Кроме того, упомянутый способ расширения диапазона рабочих температур эффективен лишь в случае экстремального повышения температуры окружающей среды.
Задачей предложенного способа является расширение температурного диапазона безотказной работы практически всех типов используемых в настоящее время компрессионных холодильников с конденсаторами принудительного воздушного охлаждения без необходимости существенного изменения их конструкций.
Сущность решения поставленной задачи согласно изобретению заключается в том, что для расширения температурного диапазона работы компрессионных холодильников с конденсаторами принудительного воздушного охлаждения или хладагент с выходом компрессора подают на вход конденсатора через управляемый термоэлектрический охладитель-нагреватель, или тыльные теплопередающие поверхности конденсатора охлаждают - нагревают термоэлектрическими модулями, теплоотводящие радиаторы которых размещают на выходе воздушного потока конденсатора, при этом подачу на термоэлектрические модули управляющего напряжения с соответствующей полярностью осуществляют при достижении температуры окружающей среды предельных паспортных значений холодильника.
На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа по первому варианту, согласно которому в компрессионном холодильнике, содержащем компрессор 1, испаритель 2, дроссельный вентиль 3 и конденсатор 4, хладагент с выхода компрессора 1 подают на вход конденсатора 4 через термоэлектрический охладитель-нагреватель 5, управляемый блоком управления 6 по сигналам термодатчика 7, измеряющим температуру окружающей среды.
На фиг.2 представлена схема реализации предлагаемого способа по второму варианту, когда тыльную поверхность трубы 8 конденсатора, обдуваемую воздушным потоком, охлаждают (нагревают) термоэлектрическим модулем 9, теплоотводящий радиатор 10 которого размещают на выходе воздушного потока конденсатора компрессионного холодильника.
Обоснование предлагаемого способа расширения верхнего предела рабочего температурного диапазона холодильника заключается в следующем. Отводимая от конденсатора 4 воздушным потоком тепловая мощность практически линейно падает с ростом температуры окружающей среды, и при подходе этой температуры к паспортному значению верхнего предела работы холодильника его холодопроизводительность резко уменьшается по причинам, рассмотренным выше. С учетом того, что температурный интервал резкого падения холодильной мощности составляет 5-10% от всего рабочего температурного диапазона холодильника, при дополнительном охлаждении поступающего в конденсатор газообразного хладагента с холодильной мощностью, составляющей 5-10% от отводимой воздушным потоком номинальной тепловой мощности, верхний температурный предел работы холодильника сдвигается в сторону повышения на величину вышеупомянутого интервала резкого падения вырабатываемой холодильной мощности.
Аналогичным образом, при падении температуры окружающей среды ниже предельного паспортного значения холодильника, дополнительный подогрев конденсатора компенсирует снижение давления газообразного хладагента, что позволяет расширить диапазон работы в сторону более низких температур.
Наилучшим образом поставленная задача решается путем использования термоэлектрических модулей благодаря их следующим свойствам:
- термоэлектрические модули сохраняют работоспособность при температуре окружающей среды до +200°С и выше, обеспечивая при этом температуру холодных пластин на 50-70°С ниже температуры окружающей среды (см. каталог фирмы КРИОТЕРМ «Термоэлектрические Модули и Охлаждающие Системы», г. Санкт-Петербург, 2005 г.);
- термоэлектрические модули при переключении полярности управляющего напряжения обеспечивают как охлаждение, так и нагревание контактирующих с их пластинами поверхностей, причем в режиме нагревания выделяемая тепловая мощность на 30-40% выше потребляемой модулями электрической мощности;
- термоэлектрические модули незначительно теряют холодильную мощность при необходимости получения относительно небольшой (до 20°С) разности температур холодной и горячей пластин;
2
2
- при обдуве трубчатой поверхности воздушным потоком со скоростью до 4 м/сек отводимая тепловая мощность не превышает 1-2 Вт/см, в то время как холодильная мощность термоэлектрических модулей, согласно упомянутому каталогу, достигает 8 Вт/см (напр., модуль ТВ-199-2,0-0,9);
- чрезвычайно широкая номенклатура типоразмеров и мощностей серийно выпускаемых термоэлектрических модулей позволяет нагревать или охлаждать с заданными характеристиками поверхности любых конфигураций.
При реализации предлагаемого способа по первому варианту в разрыв трубопровода, соединяющего компрессор 1 и конденсатор 4, включают прямоточный термоэлектрический охладитель-нагреватель 5, обладающий минимальным динамическим сопротивлением потоку газа или жидкости. Подобные термоэлектрические устройства общеизвестны, например, выпускаемая ООО «Системы СТК» «Термоэлектрическая система охлаждения жидкость-воздух OverFrost-480-AL-1», руководство по эксплуатации, г. Пермь, 2011 г. Упомянутое устройство, обладая холодильной мощностью 480 Вт и мощностью нагревания не менее 900 Вт, способно расширить температурный диапазон работы компрессионных холодильников и кондиционеров с производительностью по холоду до 5 кВт, а его подключение между компрессором и конденсатором не вызывает особых затруднений, так как в регламент технического обслуживания компрессорных холодильников входит периодическая поверка и при необходимости пополнение или полная замена хладагента, при которых неизбежны разгерметизация трубопровода и последующее восстановление его герметичности. Блок управления 6 с термодатчиком 7, например РТ-104, также выпускается ООО «Системы СТК».
Реализация предлагаемого способа по второму варианту обеспечивается следующим образом. Независимо от конструкции конденсатора (трубчато-змеевиковая, кожухозмеевиковая, кожухотрубная) теплопередача от хладагента к окружающей среде передается через стенки обдуваемых труб 8. При этом в максимальной степени тепловая мощность отводится с фронтальной поверхности трубы, обращенной встречно к направлению потока, в то время как противоположная тыльная сторона трубы передает тепловую мощность лишь за счет теплопроводности материала, из которого изготовлена труба. Это обстоятельство позволяет разместить на тыльной необдуваемой поверхности теплопроводник холодной пластины термоэлектрического модуля 9, а поскольку теплопроводность указанного теплопроводника несравненно выше теплопроводности воздуха, подобное размещение даже и при неработающем термомодуле несколько увеличивает теплоотдачу участка трубы с установленным теплопроводником модуля и значительно увеличивает теплоотдачу при включении модуля в режим охлаждения посредством блока управления 6. Количество размещаемых модулей определяется требуемой величиной дополнительного охлаждения конденсатора, необходимого для расширения диапазона рабочих температур холодильника в сторону верхних значений, а теплоотвод от горячих пластин модулей осуществляют расположением их радиаторов 10 на выходе воздушного потока, проходящего через конденсатор. Обдув этих радиаторов «отработанным» воздушным потоком практически не изменяет аэродинамические характеристики вентиляции конденсатора, но позволяет эффективно отводить тепло от пластин радиаторов термоэлектрических модулей и тем самым обеспечить выработку необходимой холодильной мощности.
При пониженных температурах окружающей среды блок управления 6 переключает полярность управляющего напряжения питания термоэлектрических модулей, переводя их в режим нагревания труб конденсатора. Обычно в этих условиях выключаются вентиляторы конденсаторов, в холодильниках с естественной циркуляцией хладагента выключаются компрессоры, а в реверсивных кондиционерах осуществляется переключение функций конденсаторов и испарителей. Дополнительный нагрев термоэлектрическими модулями осуществляется с повышенным коэффициентом полезного действия за счет охлаждения радиаторов 10, т.е. перекачки тепла из окружающей среды с пониженной температурой к контактирующим с модулями 9 поверхностям труб 8. Тем самым сдвигается температурный диапазон нормальной работы холодильника или компрессора в сторону более низких значений.
Таким образом, оба варианта использования термоэлектрических методов в предложенном способе позволяют улучшить эксплуатационные характеристики компрессионных холодильников и кондиционеров за счет расширения диапазона их рабочих температур без существенного изменения их конструкций.