Способ регулирования давления транскритического цикла холодильной установки на углекислом газе
METHOD TO CONTROL PRESSURE OF TRANSCRIPT OF REFRIGERATING UNIT ON CARBON DIOXIDE GAS

Изобретение относится к холодильной технике, преимущественно к способам регулирования давления транскритического цикла холодильной установки на углекислом газе (далее – установка) для кораблей с неограниченным районом плавания, когда температура охлаждающей воды достигает 36°С, а температура окружающей среды 60°С.
При этих условиях из-за того, что температура охлаждающей воды выше критической температуры углекислого газа (~31°С) в газоохладителе отсутствует конденсация углекислого газа и, поэтому, при изменениях тепловой нагрузки в цикле возникают колебания давления, а при стоянке развиваются относительно высокие давления, что связано с высоким критическим давлением углекислого газа (~73,8 бар). Для парирования этих последствий применяется регулирование давления в холодильных установках.
Известен способ регулирования давления в холодильной установке [Заявка на изобретение RU94030805 А1, F25B 41/06, F25B 1/00,F25B 30/02,  Способ регулирования давления на стороне нагнетания в устройстве с транскритическим циклом паровой компрессии, опубл. 20.04.1997], заключающийся в регулировании высокого давления за счет регулирования дроссельного клапана исходя из параметров системы и сравнения их с заданной группой величин.
Недостатком способа является метод регулирования, требующий выбора близкого к рациональному регулирующего воздействия из множеств (групп) заранее наработанных опытных данных. Регулированием только положения дроссельного клапана сложно добиться оптимальных давлений по всему холодильному циклу. Также следствием способа не является снижение стояночного давления.
Анализ научно-техническойинформации [Патент США № 8745996, F25B 1/00, HIGH-SIDE PRESSURE CONTROL FOR TRANSCRITICAL REFRIGERATION SYSTEM; опубл. 10.06.2014// Демонстрационный проект «Действующий макет холодильной установки на диоксиде углерода для магазина продуктового ритейла» www.ozoneprogram.ru/upload/ files/t/teo_nord.pdf дата обращения 30.07.2019// Патент США № 9625183 В2, F25B 1/10, F25B 5/04, SYSTEM AND METOD FOR CONTROL OF A TRANSCRITICAL REFRIGERATION SYSTEM, опубл. 18.04.2017// Патент RU 2188367 С2, F25 В7/00, F25 В25/00, F25 В45/00, F25 В49/00 Холодильная установка с циркуляцией в замкнутом контуре, опубл. 27.08.2002// Заявка на изобретение RU 2004 110046 A, F25 B1/00 Компрессионная установка для использования в целях охлаждения и нагревания, опубл. 20.05.2005] показал, что наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ регулирования давления в транскритической системе охлаждения, описанный в [Патент США № 8745996, F25 B 1/00, HIGH-SIDE PRESSURE CONTROL FOR TRANSCRITICAL REFRIGERATION SYSTEM, опубл. 10.06.2014], принятый за прототип и заключающийся в измерении параметров системы, в частности, давления углекислого газа до газоохладителя и после испарителя, расчете на их основе значений условий работы системы, сравнение их с заранее заданными сохраненными значениями (множеством значений) и регулирование расширительного устройства контроллером.
Недостатком прототипа так же является сложность достижения рациональных давлений во всем холодильном цикле только одним регулирующим воздействием на расширительное устройство. Также при выполнении способа не происходит снижение стояночного давления. Кроме того, применен стохастический способ регулирования давления, для чего необходима большая статистика данных.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение способа регулирования давления в холодильной установке с транскритическим циклом на углекислом газе для кораблей с неограниченным районом плавания, когда температура охлаждающей воды достигает 36°С, а температура  окружающей  среды 60°С.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение способа регулирования давления транскритического цикла холодильной  установки  на углекислом газе. Вторичным техническим результатом является снижение стояночного давления.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе регулирования давления транскритического цикла холодильной установки на углекислом газе, содержащей компрессор, газоохладитель, расширительное устройство, испаритель, датчики температуры и давления, и контроллер, заключающийся в определении давления углекислого газа до газоохладителя и после испарителя и регулирования на основе этих данных давления в холодильном цикле путем управления контроллером расширительным устройством, дополнительно определяют температуру углекислого газа после испарителя и давление на линии всасывания компрессора; давления газоохладителя и испарителя устанавливают постоянными и поддерживают регуляторами, причем давление испарителя устанавливают равным равновесному заданной температуре кипения углекислого газа, расширительным устройством управляют по температуре и давлению углекислого газа после испарителя, давление всасывания компрессора регулируют с положительной обратной связью производительностью компрессора; перед остановом установки выключают расширительное устройство, устанавливают величину настройки регулятора давления испарителя 6 бар, после достижения которого включают электроклапан трубопровода, пневматически соединяющего емкость углекислого газа с линией нагнетания компрессора, контролируют темп снижения давления в линии, после прекращения понижения давления выключают компрессор, одновременно с этим выключают электроклапан трубопровода, и восстанавливают рабочее значение настройки регулятора давления испарителя.
Кроме того, расширительным устройством поддерживают заданный перегрев углекислого газа после испарителя, а производительность компрессора изменяют частотно-регулируемым электроприводом. Также при пуске установки включают электроклапан трубопровода, пневматически соединяющего линию всасывания компрессора с емкостью углекислого газа, после достижения заданных давлений в газоохладителе, в испарителе и на всасывании компрессора электроклапан выключают, причем давление в газоохладителе рассчитывают исходя из температуры охлаждающей воды 36°С.
Основными техническими решениями предлагаемого изобретения регулируется давление в холодильной установке по всему циклу, на стороне высокого и низкого давления при пуске, работе и останове; при работе в газоохладителе и испарителе давления поддерживаются постоянными с помощью регуляторов.
При изменении тепловой нагрузки, расширительным устройством за счет изменения проходного сечения поддерживается заданный перегрев после испарителя по измеренным значениям температуры и давления после испарителя. При этом изменяется пропускная способность расширительного устройства, вследствие этого повышается или понижается давление всасывания компрессора. Необходимое давление всасывания поддерживается и регулируется за счет изменения производительности компрессора.
При останове установки происходит снижение остаточного давления углекислого газа в испарителе и в линии нагнетания, в т.ч. в газоохладителе. Это приводит к более низкому стояночному давлению при температуре окружающей среды 60°С  (выше критической температуры углекислого газа).
По предлагаемому изобретению регулирование давления в цикле ведется детерминированным методом – по прямым измерениям температуры и давлений.  Это упрощает выработку регулирующих воздействий, непосредственно поддерживающих заданные давления по циклу.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся по признакам тождественным (идентичным) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенном в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел поиск и анализ известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками (или их сочетанием) заявленного изобретения преобразования для достижения технического результата в способе регулирования давления транскритического цикла холодильной установки на углекислом газе.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
На фигуре представлена схема холодильной установки для реализации предлагаемого способа.
Холодильная установка содержит основные узлы: компрессор 1, газоохладитель 2, регулятор давления 3, расширительное устройство 4, испаритель 5, регулятор давления 6, емкость углекислого газа 7, трубопровод 8, пневматически соединяющий емкость углекислого газа 7 с линией нагнетания компрессора 1, с установленным на нем электроклапаном 9, трубопровод 10, пневматически соединяющий емкость углекислого газа 7 с линией всасывания компрессора 1, с установленным на нем электроклапаном 11, датчики давления 12, 13, 14 и датчик температуры 15.
Кроме того, условно показана аппаратура управления 17, связанная электрическими цепями с компрессором, датчиками давления, электроклапанами, регуляторами давления, а также с контроллером 16, в свою очередь электрически связанного с датчиками температуры и давления после испарителя и с расширительным устройством.
Работа холодильной установки осуществляется следующим образом. При пуске установки включают электроклапан 11 трубопровода 10, при этом углекислый газ из емкости 7 поступает на линию всасывания компрессора, и в цикле устанавливаются необходимые давления – в газоохладителе 2, испарителе 5 и всасывания компрессора. После этого электроклапан 11 выключают. Давления газоохладителя и испарителя поддерживаются регуляторами 3 и 6.
Давление газоохладителя устанавливают исходя из температуры охлаждающей  воды  36°С.
Давление испарителя устанавливают равным равновесному заданной температуре кипения углекислого газа.
При работе установки контроллером 16 поддерживается заданный перегрев углекислого газа после испарителя 5 путем управления расширительным устройством 4. Для определения необходимого управляющего воздействия контроллер, по измеренным значениям температуры и давления датчиками 15 и 13, определяет фактический перегрев и производит соответствующее регулирование расширительного устройства 4.
При этом изменяется пропускная способность расширительного устройства и, соответственно, меняется давление всасывания компрессора.
Давление всасывания регулируется аппаратурой управления 17 с положительной обратной связью производительностью компрессора 1.
Например, увеличивается пропускная способность расширительного устройства, через него проходит больше углекислого газа, что при неизменной производительности компрессора приведёт к повышению давления всасывания. Чтобы избежать этого аппаратура управления дает команду на увеличение производительности компрессора и давление всасывания восстанавливается. При уменьшении проходного сечения расширительного устройства произойдет снижение давления всасывания, аппаратура управления дает команду на снижение производительности компрессора и давление всасывания восстанавливается. Изменение производительности компрессора производится частотно-регулируемым электроприводом.
Таким образом, при работе установки при любом изменении тепловой нагрузки за счет изменения производительности компрессора и работы регуляторов, давления углекислого газа по всему циклу остаются постоянными и равными заданным.
Перед остановом установки аппаратура управления 17 выключает расширительное устройство 4, которое при этом полностью закрывается, величину настройки регулятора 6 давления испарителя устанавливают 6 бар. После достижения давления испарителя 6 бар аппаратура управления включает электроклапан  9 трубопровода 8, пневматически соединяющего емкость углекислого газа с линией нагнетания компрессора. При этом давление углекислого газа понижается, темп снижения давления контролируется аппаратурой управления 17 по сигналу датчика 12. После прекращения понижения давления аппаратура управления выключает компрессор одновременно с электроклапаном 9 и восстанавливает рабочее значение настройки регулятора 6 давления испарителя.
Величина давления 6 бар регулятора 6 (выше давления тройной точки двуокиси углерода, равного ~ 5 бар) выбрано для исключения возможного образования твердофазных образований двуокиси углерода из-за вскипания жидкой фазы в испарителе при снижении давления.
Вся совокупность и последовательность операций предлагаемого изобретения представляет собой законченный технологический процесс от пуска установки до останова, предусматривая также стоянку при 60°С окружающей среды.
По предлагаемому изобретению проведены тепловые и конструктивные расчеты, получены положительные результаты, обосновывающие заявленный технический результат.
Рассчитывался цикл по исходным данным:
1) холодопроизводительность –           2 кВт;
2) температура кипения –                      минус 30°С;
3) тип испарителя –                                воздухоохладитель;
4) объем емкости для двуокиси углерода – 10 л;
5) тип газоохладителя – водоохлаждаемый кожухотрубный; полость для воды – межтрубное пространство;
6) температура охлаждающей воды –     36°С;
7) температура окружающей среды –     60°С.
Получены следующие результаты для заданного цикла:
- давление нагнетания –                         120 бар;
- давление испарителя –                         14,3 бар;
- температура нагнетания –                   160°С;
- давление в газоохладителе и на стороне высокого давления после останова составляет  40-50 бар;
- давление в газоохладителе и на стороне высокого давления при отстое до 60°С составляет  30-35 бар;
- давление в испарителе и на стороне низкого давления после останова составляет 6-7 бар;
- давление в испарителе и на стороне низкого давления после отстоя до 60°С составляет 8-10 бар.
Объем газоохладителя по двуокиси углерода для заданного цикла составил 0,2 л, воздухоохладителя – 3,5 л.
Все технические средства изобретения описаны или известны на дату подачи заявления и применяются в холодильной технике.
Частотно-регулируемые  компрессоры,  кожухотрубные теплообменники,  испарители и воздухоохладители, электромагнитные клапаны и различная аппаратура управления выпускаются собственным производством Заявителя для холодильного и климатического оборудования морского назначения, в т.ч. холодильных установок.
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- способ, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для промышленного использования, а именно, в холодильных установках с транскритическим циклом на углекислом газе для кораблей с неограниченным районом плавания, когда температура охлаждающей воды достигает 36°С, а температура окружающей среды 60°С.
- для заявленного изобретения в том виде, в котором он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».