КОНДЕНСАТОРНАЯ ИСПАРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
CONDENSER EVAPORATIVE SYSTEM (VERSIONS) AND METHOD OF ITS USE

Область техники
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию конденсаторной испарительной системы (CES) для системы охлаждения и к способу эксплуатации конденсаторной испарительной системы. Конденсаторную испарительную систему можно рассматривать как подсистему полной системы охлаждения. Газообразный хладагент подают в конденсаторную испарительную систему и газообразный хладагент рекуперируют из конденсаторной испарительной системы. Множество конденсаторных испарительных систем могут быть предусмотрены в системе охлаждения, имеющей централизованную компрессорную установку. За счет использования одной или нескольких конденсаторных испарительных систем может быть достигнуто уменьшение количества хладагента в полной системе охлаждения, по сравнению с традиционной системой охлаждения, имеющей эквивалентную холодопроизводительность, в которой используют централизованное "конденсаторное хозяйство." В частности, заявленная конденсаторная испарительная система является предпочтительной для существенного снижения количества хладагента в виде аммиака, необходимого для работы промышленной системы охлаждения.
Предпосылки к созданию изобретения
В процессе охлаждения используют базовое термодинамическое свойство испарения для удаления теплоты из процесса. Когда хладагент испаряется в теплообменнике, среда, которая находится в контакте с теплообменником (то есть воздух, вода, гликоль, пищевой продукт), передает теплоту от себя через стенку теплообменника, которая поглощается хладагентом, в результате чего хладагент изменяет свое жидкое состояние на газообразное состояние. После перехода хладагента в газообразное состояние, теплота должна быть отведена за счет сжатия газа до высокого давления и затем за счет пропускания газа через конденсатор (теплообменник), где теплоту удаляют из газа за счет хладагента, что приводит к конденсации газа в жидкость. Средой в конденсаторе, которая поглощает теплоту, часто является вода, воздух или совместно вода и воздух. Хладагент в этом жидком состоянии затем готов для повторного использования в качестве хладагента для поглощения теплоты.
Как правило, промышленные системы охлаждения используют большие мощности и в них часто применяют множество промышленных компрессоров. По этой причине, промышленные системы охлаждения типично имеют большие централизованные компрессорные залы и большие централизованные системы конденсации. После того, как компрессоры сжимают газ, газ, который должен быть сконденсирован (который не используют для размораживания), нагнетают в конденсатор в большой централизованной системе конденсации. Множество конденсаторов в большой централизованной системе конденсации часто называют "конденсаторным хозяйством." После того, как хладагент будет сконденсирован, полученный жидкий хладагент собирают в резервуаре, называемом приемником, который представляет собой бак для жидкого хладагента.
Обычно имеются три системы для перемещения жидкости из приемника в испарители, чтобы ее можно было использовать для охлаждения. Этими системами являются система избыточной подачи жидкости, система прямого расширения и система с насосным барабаном. Наиболее известным типом системы является система избыточной подачи жидкости. В системе избыточной подачи жидкости обычно используют жидкостные насосы для подачи жидкого хладагента из больших резервуаров, называемых "насосные аккумуляторы", и иногда из аналогичных резервуаров, называемых "промежуточные охладители", в каждый испаритель. Один насос или множество насосов могут подавать жидкий хладагент в несколько испарителей в данной системе охлаждения. Так как жидкий хладагент имеет тенденцию к испарению, то часто необходимо держать большие количества жидкости в резервуарах (поддерживать высоту столба жидкости под всасывающим патрубком насоса (NPSH)), так чтобы насос был залит и не имел кавитации. Кавитация в насосе возникает тогда, когда жидкость, которую насос пытается нагнетать, поглощает теплоту внутри и вокруг насоса и газифицируется. Когда это происходит, тогда насос больше не может нагнетать жидкость в различные испарители, в которых жидкости не хватает, в результате чего температура процесса повышается. Важно отметить, что системы избыточной подачи жидкости предназначены для подачи избыточной жидкости в испарители. То есть такие системы подают избыточную жидкость в каждый испаритель для того, чтобы испаритель гарантировано имел жидкий хладагент во всем контуре испарителя. Когда это делают, обычно большие количества жидкого хладагента возвращают из испарителя в аккумулятор, откуда жидкий хладагент вновь нагнетают в систему. Как правило, системы типично настраивают на коэффициент избытка около 4:1, что означает, что из каждых 4 галлонов жидкости, подаваемых насосом в испаритель, 1 галлон испаряется и поглощает теплоту, что необходимо для охлаждения, а 3 галлона возвращаются неиспаренными. Таким образом, эти системы требуют очень больших количеств ожиженного хладагента для того, чтобы обеспечивать необходимый коэффициент избытка. В результате, эти системы требуют поддержания больших количеств жидкого хладагента, чтобы работать надлежащим образом.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1, на которой показана промышленная двухступенчатая система 10 охлаждения, обеспечивающая избыточную подачу жидкости, причем хладагентом является аммиак. Трубопроводная сеть различных систем охлаждения с избыточной подачей жидкости может быть различной, однако общие принципы их построения являются одинаковыми. Общие принципы построения предусматривают использование централизованного конденсатора или конденсаторного хозяйства 18, приемника 26 высокого давления для сбора сконденсированного хладагента, и передачу жидкого хладагента из приемника 26 высокого давления в различные ступени 12 и 14. Двухступенчатая система 10 охлаждения содержит систему 12 низкого уровня и систему 14 высокого уровня. Компрессорная система 16 приводит в действие как систему 12 низкого уровня, так и систему 14 высокого уровня, причем система 14 высокого уровня подает сжатый газообразный аммиак в конденсатор 18. Компрессорная система 16 содержит компрессор 20 первой ступени, компрессор 22 второй ступени и промежуточный охладитель 24. Промежуточный охладитель 24 также можно назвать аккумулятором высокого уровня. Сконденсированный аммиак из конденсатора 18 подают в приемник 26 высокого давления через дренажную линию 27 конденсатора, в которой жидкий аммиак высокого давления находится под давлением типично ориентировочно от 100 psi до 200 psi. Что касается системы 12 низкого уровня, то жидкий аммиак подают по трубе в аккумулятор 28 низкого уровня через жидкостные линии 30 и 32. Жидкий аммиак из аккумулятора 28 низкого уровня нагнетают при помощи насоса 34 низкого уровня, через жидкостную линию 36 низкого уровня в испаритель 38 низкого уровня. В испарителе 38 низкого уровня, жидкий аммиак входит в контакт с теплотой процесса, за счет чего испаряется ориентировочно от 25% до 33% аммиака (процент испарения может широко варьироваться), а остальной аммиак остается в виде жидкости. Смесь газа с жидкостью возвращают в аккумулятор 28 низкого уровня через линию 40 всасывания низкого уровня. Испарившийся газ всасывают в компрессор 20 низкого уровня через линию 42 всасывания компрессора низкого уровня. Когда газ выходит из системы 12 низкого уровня через компрессор 20 низкого уровня, он поступает в промежуточный охладитель 24 через линию 44. Необходимо пополнять запасы аммиака, который был испарен, поэтому жидкий аммиак перемещают из приемника 26 в промежуточный охладитель 24 через жидкостную линию 30, и затем в аккумулятор 28 низкого уровня через жидкостную линию 32.
Система 14 высокого уровня функционирует аналогично системе 12 низкого уровня. Жидкий аммиак из аккумулятора высокого уровня или промежуточного охладителя 24 подают при помощи насоса 50 высокого уровня, через жидкостную линию 52 высокого уровня в испаритель 54 высокого уровня. В испарителе 54, жидкий аммиак входит в контакт с теплотой процесса, за счет чего испаряется ориентировочно от 25% до 33% аммиака (процент испарения может широко варьироваться), а остальной аммиак остается в виде жидкости. Смесь газа с жидкостью возвращают в аккумулятор высокого уровня или в промежуточный охладитель 24 через линию 56 всасывания высокого уровня. Испарившийся газ затем всасывают в компрессор 22 высокого уровня через линию 58 всасывания компрессора высокого уровня. Так как газ выходит из системы 14 высокого уровня, необходимо пополнять запасы аммиака, который был испарен, поэтому жидкий аммиак перемещают из приемника 26 высокого давления в промежуточный охладитель 24 через жидкостную линию 30.
Система 10 может иметь различную конфигурацию, однако базовая концепция состоит в том, что имеется центральный конденсатор 18, который получает питание от компрессорной системы 16, а сконденсированный жидкий аммиак высокого давления хранится в приемнике 26 высокого давления, пока он необходим, и затем жидкий аммиак протекает в аккумуляторы высокого уровня или в промежуточный охладитель 24, и нагнетается в испаритель 54 высокого уровня. Кроме того, жидкий аммиак под давлением промежуточного охладителя втекает в аккумулятор 28 низкого уровня, через жидкостную линию 32, где он хранится до момента нагнетания в испаритель 38 низкого уровня. Газ из компрессора 20 низкого уровня типично подают через линию 44 выпуска компрессора низкого уровня в промежуточный охладитель 24, где газ охлаждается. Компрессор 22 высокого уровня всасывает газ из промежуточного охладителя 24, сжимает газ до давления конденсации и выпускает газ через линию 60 выпуска высокого уровня в конденсатор 18, где газ опять конденсируется в жидкость. Жидкость выпускают через дренажную линию 27 конденсатора в приемник 26 высокого давления, после чего цикл начинается вновь.
В системе прямого расширения используют жидкость высокого давления или пониженного давления из централизованного резервуара. Жидкость побуждается к движению за счет перепада давлений между централизованным резервуаром и испарителем, так как централизованный резервуар имеет более высокое давление, чем испаритель. Специальный клапан, называемый клапаном расширения, используют для дозирования потока хладагента в испаритель. Если хладагента слишком много, то тогда не испарившийся жидкий хладагент может проходить через компрессорную систему. Если хладагента слишком мало, то тогда испаритель не используют на его максимальную мощность, что может приводить к недостаточному охлаждению/замораживанию.
Система с насосным барабаном работает почти аналогично системе с избытком жидкости, причем ее основное отличие заключается в том, что в ней небольшие герметичные баки действуют как насосы. Обычно жидкий хладагент может заполнять насосный барабан, причем газообразный хладагент более высокого давления затем вводят в верхнюю часть насосного барабана, так что используют перепад давлений для того, чтобы проталкивать жидкость в трубы, идущие к испарителям. Коэффициенты избытка обычно являются такими же, так что большие количества хладагента необходимо использовать в этом типе системы.
Раскрытие изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагаются множество конденсаторных испарительных систем, работающих от источника сжатого газообразного хладагента. Каждая конденсаторная испарительная система содержит: конденсатор, сконструированный для конденсации газообразного хладагента из источника сжатого газообразного хладагента; приемник управляемого давления, предназначенный для хранения жидкого хладагента; линию подачи первого жидкого хладагента, предназначенную для перемещения жидкого хладагента из конденсатора в приемник управляемого давления; испаритель, предназначенный для испарения жидкого хладагента; и линию подачи второго жидкого хладагента, предназначенную для перемещения жидкого хладагента из приемника управляемого давления в испаритель.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также конденсаторная испарительная система. Конденсаторная испарительная система содержит: конденсатор, сконструированный для конденсации газообразного хладагента под давлением конденсации; линию подачи газообразного хладагента, предназначенную для подачи газообразного хладагента в конденсатор; приемник управляемого давления, предназначенный для хранения жидкого хладагента; первую линию подачи жидкого хладагента, предназначенную для перемещения жидкого хладагента из конденсатора в приемник управляемого давления; испаритель, предназначенный для испарения жидкого хладагента; и вторую линию подачи жидкого хладагента, предназначенную для перемещения жидкого хладагента из приемника управляемого давления в испаритель. Конденсаторная испарительная система может быть сконструирована так, что в ней может быть использован аммиак в качестве хладагента. Конденсаторная испарительная система может быть сконструирована так, что конденсатор и испаритель сбалансированы. Конденсаторная испарительная система может быть сконструирована так, что конденсатор представляет собой пластинчатый теплообменник.
Согласно одному из вариантов предложенного изобретения, конденсаторная испарительная система выполнена с возможностью работы в холодильном цикле и в цикле размораживания. Конденсаторная испарительная система может быть выполнена с возможностью работы в цикле размораживания, в котором газообразный хладагент под давлением конденсации подают в испаритель. Конденсаторная испарительная система может быть выполнена с возможностью работы в цикле размораживания, в котором жидкий хладагент из испарителя подают в конденсатор для испарения.
Согласно одному из вариантов изобретения конденсаторная испарительная система может дополнительно содержать: линию всасывания газообразного хладагента, предназначенную для перемещения газообразного хладагента из испарителя.
Конденсаторная испарительная система может дополнительно содержать вторую линию газообразного хладагента, предназначенную для перемещения газообразного хладагента в испаритель во время цикла размораживания.
Конденсаторная испарительная система может дополнительно содержать вторую линию всасывания газообразного хладагента, предназначенную для перемещения газообразного хладагента из конденсатора во время цикла размораживания.
Конденсаторная испарительная система может дополнительно содержать третью линию жидкого хладагента, предназначенную для перемещения жидкого хладагента из испарителя в приемник управляемого давления во время цикла размораживания.
Конденсаторная испарительная система может дополнительно содержать четвертую линию жидкого хладагента, предназначенную для перемещения жидкого хладагента из приемника управляемого давления в конденсатор во время цикла размораживания.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ эксплуатации конденсаторной испарительной системы. Способ предусматривает: (а) эксплуатацию конденсаторной испарительной системы в холодильном цикле, который предусматривает: (i) подачу газообразного хладагента под давлением конденсации в конденсатор и конденсацию газообразного хладагента в жидкий хладагент; (ii) хранение жидкого хладагента в приемнике управляемого давления; (iii) подачу жидкого хладагента из приемника управляемого давления в испаритель, где он испаряет оставшуюся теплоту из процесса; и (b) эксплуатацию конденсаторной испарительной системы в цикле размораживания, который предусматривает: (i) подачу газообразного хладагента под давлением конденсации в испаритель и конденсацию газообразного хладагента в жидкий хладагент; (ii) хранение жидкого хладагента в приемнике управляемого давления; (iii) подачу жидкого хладагента из приемника управляемого давления в конденсатор. Эксплуатация конденсаторной испарительной системы в холодильном цикле и эксплуатация конденсаторной испарительной системы в цикле размораживания не происходит в одно и то же время в случае единственной конденсаторной испарительной системы.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показана известная ранее промышленная, многоступенчатая система охлаждения.
На фиг. 2 схематично показана система охлаждения, которая содержит множество конденсаторных испарительных систем в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 3 схематично показана конденсаторная испарительная система, показанная на фиг. 2.
На фиг. 4 схематично показана альтернативная конденсаторная испарительная система в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 5 схематично показана другая альтернативная конденсаторная испарительная система в соответствии с настоящим изобретением
На фиг. 6 схематично показана еще одна альтернативная конденсаторная испарительная система в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 7 схематично показана еще одна альтернативная конденсаторная испарительная система в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
Конденсаторную испарительную систему (CES) можно считать подсистемой для системы охлаждения, причем системой охлаждения может быть система, которую используют в промышленном оборудовании. Единственную CES или множество CESs можно использовать в промышленной системе охлаждения. Система охлаждения, в которой может быть использована CES, может типично иметь централизованную компрессорную установку. CESs могут быть охарактеризованы как децентрализованные, когда множество CESs используют одну централизованную компрессорную установку, так что газообразный хладагент из централизованной компрессорной установки поступает во множество CESs. За счет перемещения газообразного хладагента из централизованной компрессорной установки в одну или несколько CESs и от них, меньше хладагента требуется, чтобы достичь холодопроизводительности, эквивалентной холодопроизводительности других типов систем охлаждения, в которых хладагент конденсируют с использованием централизованной конденсаторной установки, которая подает жидкий хладагент во множество испарителей, аналогично тому, как это происходит в системе охлаждения, показанной на фиг. 1. В традиционных системах охлаждения на аммиаке, типично используют централизованную систему конденсации и централизованные баки-накопители или накопительные резервуары, в которых хранятся большие количества жидкого аммиака в приемнике управляемого давления (CPR). В зависимости от типа резервуара и типа системы, жидкостные насосы могут быть использованы для перекачивания больших количеств жидкого аммиака через систему, чтобы подавать жидкий аммиак в испарители, в которых теплота передается в хладагент типа жидкого аммиака.
Система охлаждения, в которой можно использовать одну или несколько CES. Такая система охлаждения может быть выполнена как одноступенчатая система, двухступенчатая система или как многоступенчатая система. Обычно одноступенчатая система представляет собой систему, в которой единственный компрессор сжимает хладагент от давления испарения до давления конденсации. Например, в случае хладагента в виде аммиака, давление испарения может быть ориентировочно от 30 psi до 150 psi. Многоступенчатая система, такая как двухступенчатая система, использует два или несколько последовательно установленных компрессоров, которые повышают давление от низкого давления (давления испарения) до промежуточного давления, и затем сжимают газ до давления конденсации. Примером этого является первый компрессор, который сжимает газ от давления испарения около 0 psi до промежуточного давления около 30 psi, и второй компрессор, который сжимает газ от промежуточного давления до давления конденсации около 150 psi. Некоторые системы могут содержать одноступенчатую систему, которая работает ориентировочно от -40°F и до 150 psi и использует, например, компрессор, который может работать с большой степенью сжатия, такой как винтовой компрессор. Задачей двухступенчатой системы в первую очередь является экономия мощности, а также обход ограничений степени сжатия компрессора, имеющихся в некоторых моделях. Некоторые системы могут иметь два или несколько низких уровней, причем один уровень может быть предназначен для работы морозильных камер, например, при -10°F, а другой уровень может быть предназначен для работы ударных морозильных камер, например, при -40°F. Некоторые системы могут иметь два или несколько высоких уровней, или любую комбинацию низких и высоких уровней. CES может иметь одну ступень, две ступени или любое число ступеней с любой конфигурацией.
CES можно рассматривать как подсистему в полной системе охлаждения, причем она содержит теплообменник, который действует как конденсатор во время цикла охлаждения (и при необходимости может действовать как испаритель во время цикла размораживания), приемник управляемого давления (CPR), который действует как резервуар жидкого хладагента, испаритель, который поглощает теплоту из процесса (и при необходимости может действовать как конденсатор во время цикла размораживания), с соответствующей схемой расположения клапанов. Так как CES может содержать конденсатор, резервуар жидкого хладагента и испаритель в одном узле, то размеры компонентов могут быть выбраны так, чтобы соответствовать тепловой нагрузке. Более того, система охлаждения, в которой использованы одна или несколько CES, может быть охарактеризована как "децентрализованная" система охлаждения, по причине отсутствия централизованного конденсатора и централизованного приемника для хранения сконденсированного жидкого хладагента, который может быть подан в испарители. В результате, перемещение жидкого хладагента через систему охлаждения может быть значительно снижено. За счет значительного снижения количества жидкого хладагента, который перемещают через систему охлаждения, полное количество жидкого хладагента в системе охлаждения может быть значительно снижено. В качестве примера можно указать, что по сравнению с известной ранее системой охлаждения, такой как показанная на фиг. 1, количество хладагента может быть уменьшено ориентировочно на 85% или больше, за счет использования системы охлаждения в соответствии с настоящим изобретением, которая содержит централизованную компрессорную установку и децентрализованные CESs, при поддержании той же самой холодопроизводительности.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 2, на которой показана система 100 охлаждения, в которой используют множество конденсаторных испарительных систем (CES) в соответствии с настоящим изобретением. Система 100 охлаждения содержит централизованную компрессорную установку 102 и множество конденсаторных испарительных систем 104.
Показана многоступенчатая система 100 охлаждения, в которой использованы две конденсаторные испарительные системы 106 и 108. Однако следует иметь в виду, что по желанию могут быть использованы дополнительные конденсаторные испарительные системы. Конденсаторная испарительная система 106 может быть названа как конденсаторная испарительная система низкого уровня, а конденсаторная испарительная система 108 может быть названа как конденсаторная испарительная система высокого уровня. Вообще говоря, CES 106 низкого уровня и CES 108 высокого уровня представлены для того, чтобы показать, как многоступенчатая система 100 охлаждения может работать при различных требованиях к отводу теплоты или к охлаждению. Например, CES 106 низкого уровня может создавать более низкую температуру, чем CES 108 высокого уровня. Например, CES 106 низкого уровня может быть использована для ударного замораживания при температуре около -40°F. CES 108 высокого уровня, например, может создавать область охлаждения до температуры существенно выше чем -40°F, например, ориентировочно от ±10°F до 30°F. Однако следует иметь в виду, что эти значения приведены просто для пояснения. Легко можно понять, что режимы охлаждения для любой промышленной установки могут быть выбраны и обеспечены при помощи многоступенчатой системы охлаждения в соответствии с настоящим изобретением.
В многоступенчатой системе 100 охлаждения, централизованная компрессорная установка 102 содержит компрессорную установку 110 первой ступени и компрессорную установку 112 второй ступени. Компрессорная установка 110 первой ступени может быть названа как компрессор первого или низкого уровня, а компрессорная установка 112 второй ступени может быть названа как компрессор второго или высокого уровня. Между компрессорной установкой 110 первой ступени и компрессорной установкой 112 второй ступени предусмотрен промежуточный охладитель 114. Вообще говоря, газообразный хладагент подают через впускную линию 109 компрессора первой ступени в компрессорную установку 110 первой ступени, где его сжимают до промежуточного давления, а газообразный хладагент под промежуточным давлением подают через линию 116 подачи газообразного хладагента промежуточного давления в промежуточный охладитель 114. Промежуточный охладитель 114 позволяет охлаждать газообразный хладагент промежуточного давления, а также позволяет отделять любой жидкий хладагент от газообразного хладагента. Хладагент промежуточного давления затем подают в компрессорную установку 112 второй ступени через впускную линию 111 компрессора второй ступени, где этот хладагент сжимают до давления конденсации. В качестве примера укажем, что в случае хладагента в виде аммиака, газообразный хладагент может поступать в компрессорную установку 110 первой ступени под давлением около 0 psi, и может быть сжат до давления около 30 psi. Газообразный хладагент под давлением около 30 psi затем может быть сжат до давления около 150 psi в компрессорной установке 112 второй ступени.
При обычной работе, газообразный хладагент, сжатый при помощи централизованной компрессорной установки 102, протекает через линию 118 горячего газа во множество конденсаторных испарительных систем 104. Газообразный хладагент из компрессорной установки 102, который втекает в линию 118 горячего газа, может быть назван как источник сжатого газообразного хладагента, который используют для питания одной или нескольких конденсаторных испарительных систем 104. Как это показано на фиг. 2, источник сжатого газообразного хладагента обеспечивает питание обеих CES 106 и CES 108. Источник сжатого газообразного хладагента может быть использован для питания не двух, а большего числа конденсаторных испарительных систем. В случае промышленной системы охлаждения на аммиаке, единственный источник сжатого газообразного хладагента может быть использован для питания любого числа конденсаторных испарительных систем, например, по меньшей мере одной, по меньшей мере двух, по меньшей мере трех, по меньшей мере четырех, и т.д., конденсаторных испарительных систем.
Газообразный хладагент из CES 106 низкого уровня рекуперируют через линию 120 всасывания низкого уровня (LSS) и направляют в аккумулятор 122. Газообразный хладагент из CES 108 высокого уровня рекуперируют через линию 124 всасывания высокого уровня (HSS) и направляют в аккумулятор 126. Как уже было указано здесь выше, промежуточный охладитель 114 может быть охарактеризован как аккумулятор 126. Аккумуляторы 122 и 126 могут быть выполнены с возможностью приема газообразного хладагента и разделения газообразного хладагента и жидкого хладагента, так что главным образом только газообразный хладагент направляют в компрессорную установку 110 первой ступени и в компрессорную установку 112 второй ступени.
Газообразный хладагент возвращается в аккумуляторы 122 и 126 через линию 120 всасывания низкого уровня и линию 124 всасывания высокого уровня, соответственно. Желательно обеспечивать возврат газообразного хладагента при температуре, которая не является слишком высокой или слишком низкой. Если возвратный хладагент является слишком горячим, то дополнительная теплота (то есть перегрев) может нежелательно повышать температуру в компрессорных установках 110 и 112. Если возвратный хладагент является слишком холодным, то в аккумуляторах 122 и 126 может накапливаться слишком много жидкого хладагента. Различные технологии могут быть использованы для регулирования температуры возвратного газообразного хладагента. В одной из таких технологий, показанной на фиг. 2, используют систему 160 автоматической регулировки. В системе 160 автоматической регулировки вводят жидкий хладагент в возвратный газообразный хладагент через линию 162 жидкого хладагента. Жидкий хладагент, который вводят в возвратный газообразный хладагент в линии 120 всасывания низкого уровня или в линии 124 всасывания высокого уровня, позволяет понизить температуру возвратного газообразного хладагента. Клапан 164 может быть использован для управления потоком жидкого хладагента через линию 162 жидкого хладагента, причем он может работать по сигналу 166 из аккумуляторов 122 и 126. Газообразный хладагент может втекать из линии 118 горячего газа в линию 168 автоматической регулировки газообразного хладагента, в которой потоком управляют при помощи клапана 169. Теплообменник 170 конденсирует газообразный хладагент, так что полученный жидкий хладагент втекает через линию 172 жидкого хладагента в приемник 174 управляемого давления. Линия 176 приемника управляемого давления обеспечивает связь между линией 120 всасывания низкого уровня или линией 124 всасывания высокого уровня и приемником 174 управляемого давления, для того, чтобы усиливать поток жидкого хладагента через линию 162 жидкого хладагента.
Аккумуляторы 122 и 126 могут быть сконструированы так, что они позволяют производить накопление в них жидкого хладагента. Вообще говоря, хладагент, возвращаемый по линии 120 всасывания низкого уровня и линии 124 всасывания высокого уровня, является газообразным. Некоторая часть газообразного хладагента может конденсироваться и накапливаться в аккумуляторах 122 и 126. Аккумуляторы могут быть сконструированы так, что они позволяют производить испарение жидкого хладагента. Кроме того, аккумуляторы могут быть сконструированы так, что жидкий хладагент может быть рекуперирован из них. При некоторых обстоятельствах, аккумуляторы могут быть использованы для хранения жидкого хладагента.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 3, на которой конденсаторная испарительная система 106 показана более подробно. Конденсаторная испарительная система 106 содержит конденсатор 200, приемник 202 управляемого давления и испаритель 204. Вообще говоря, конденсатор 200, приемник 202 управляемого давления и испаритель 204 могут быть выполнены так, что при совместной работе они обеспечивают желательную холодопроизводительность испарителя 204. Вообще говоря, испаритель 204 типично рассчитывают на количество теплоты, которое необходимо абсорбировать из процесса. Таким образом, испаритель 204 типично рассчитывают на основании степени охлаждения, которую необходимо создать в данной установке. Конденсатор 200 может быть рассчитан на конденсацию газообразного хладагента ориентировочно с таким же расходом, с которым испаритель 204 испаряет хладагент во время размораживания, для того, чтобы создать сбалансированный поток внутри CES. Под созданием сбалансированного потока понимают то, что теплота, отводимая из хладагента при помощи конденсатора 200, ориентировочно равна теплоте, поглощаемой хладагентом в испарителе 204. Следует иметь в виду, что сбалансированный поток можно считать потоком в течение промежутка времени, который позволяет испарителю достичь желательного уровня производительности. Другими словами, пока испаритель 204 работает желательным образом, CES можно считать сбалансированной. Это отличается от случая централизованного конденсаторного хозяйства, которое обслуживает несколько испарителей. В случае централизованного конденсаторного хозяйства, которое обслуживает несколько испарителей, конденсаторное хозяйство нельзя считать сбалансированным относительно любого одного специфического испарителя. Вместо этого, конденсаторное хозяйство считают сбалансированным относительно всех испарителей. В отличие от этого, в CES, конденсатор 200 может быть специально предназначен для испарителя 204, так что конденсатор 200 можно назвать предназначенным для испарителя конденсатором. Внутри CES, конденсатор 200 может быть выполнен как единственный блок или как множество блоков, включенных последовательно или параллельно. Аналогично, испаритель 204 может быть выполнен как единственный блок или как множество блоков, включенных последовательно или параллельно.
Могут возникать ситуации, в которых CES должна позволять испарять жидкий хладагент в конденсаторе 200. Одной из причин для этого является использование размораживания при помощи горячего газа в CES. В результате, конденсатор 200 может быть выполнен так, что он испаряет хладагент ориентировочно с такой же скоростью, с которой испаритель 204 производит конденсацию хладагента во время размораживания при помощи горячего газа, чтобы создать сбалансированный поток. В результате, конденсатор 200 может быть "больше" (может иметь большую производительность), чем это требуется для конденсации газообразного хладагента в течение холодильного цикла.
В случае стандартной промышленной системы охлаждения, в которой использовано централизованное "конденсаторное хозяйство" и множество испарителей, которые получают жидкий хладагент из центрального приемника высокого давления, конденсаторное хозяйство не сбалансировано относительно любого одного из испарителей. Вместо этого, конденсаторное хозяйство обычно сбалансировано относительно полной теплоемкости всех испарителей. В отличие от этого, в случае CES, конденсатор и испаритель могут быть сбалансированы друг относительно друга.
Конденсаторную испарительную систему 106 можно считать подсистемой полной системы охлаждения. Как подсистема, конденсаторная испарительная система обычно может работать независимо от других конденсаторных испарительных систем, которые также могут присутствовать в системе охлаждения. Альтернативно, конденсаторная испарительная система 106 может работать совместно с одной или несколькими другими конденсаторными испарительными системами в системе охлаждения. Например, могут быть предусмотрены две или несколько CESs, которые работают совместно в специфической системе охлаждения.
Конденсаторная испарительная система 106 может работать как в холодильном цикле, так и в цикле размораживания. Конденсатором 200 может быть теплообменник 201, который работает как конденсатор 200 в холодильном цикле и как испаритель 200' в цикле размораживания горячим газом. Аналогично, испарителем 204 может быть теплообменник 205, который работает как испаритель 204 в холодильном цикле и как конденсатор 204' в цикле размораживания горячим газом. Таким образом, специалисты в данной области легко поймут, что теплообменник 201 может быть назван конденсатором 200, когда он работает в холодильном цикле, и испарителем 200', когда он работает в цикле размораживания горячим газом. Аналогично, теплообменник 205 может быть назван испарителем 204, когда он работает в холодильном цикле, и конденсатором 204', когда он работает в цикле размораживания горячим газом. Циклом размораживания горячим газом называют процесс, в котором газ из компрессора вводят в испаритель для того, чтобы нагревать испаритель для плавления любого накопленного инея или льда. В результате, горячий газ теряет теплоту и конденсируется. CES можно назвать системой с двумя режимами, когда она может работать как в режиме охлаждения, так и в режиме размораживания при помощи горячего газа. Система с двумя режимами является предпочтительной для использования в системе конденсации, потому что среда конденсации может быть охлаждена во время цикла размораживания при помощи горячего газа, что приводит к экономии энергии и повышает общий КПД. Частота цикла размораживания при помощи горячего газа может варьироваться от одного цикла размораживания в день до одного цикла размораживания в час, причем экономия за счет использования этой теплоты может быть значительной. Этот тип использования теплоты невозможен в традиционных системах, в которых отсутствует цикл размораживания при помощи горячего газа. Другие способы размораживания включают в себя (но без ограничения) использование воздуха, воды и электрического нагревания. Конденсаторные испарительные системы могут быть легко приспособлены к различным способам размораживания.
Конденсаторная испарительная система 106 может получать газообразный хладагент через линию 206 горячего газа. Конденсаторная испарительная система 106 может быть расположена в местоположении, удаленном от централизованный компрессорной установки системы охлаждения. За счет подачи газообразного хладагента в конденсаторную испарительную систему 106, может быть обеспечено значительное снижение количества хладагента, необходимого для системы охлаждения, потому что хладагент, подаваемый в конденсаторную испарительную систему 106, может быть подан скорее в газообразном виде, чем в виде жидкости. В результате, система охлаждения может функционировать с производительностью, главным образом эквивалентной производительности традиционной системы с жидким хладагентом, но при значительно меньшем количестве хладагента во всей системе.
Далее будет описана работа конденсаторной испарительной системы 106 как при работе в холодильном цикле, так и при работе в цикле размораживания. Газообразный хладагент протекает через линию 206 горячего газа, причем поток газообразного хладагента можно регулировать при помощи клапана 208 управления потоком горячего газа холодильного цикла и при помощи клапана 209 управления потоком горячего газа цикла размораживания. При работе в холодильном цикле, клапан 208 открыт, а клапан 209 закрыт. При работе в цикле размораживания, клапан 208 закрыт, а клапан 209 открыт. Клапаны 208 и 209 могут быть выполнены как электромагнитные клапаны включения/выключения или как клапаны с плавной характеристикой, которые регулируют расход газообразного хладагента. Поток хладагента можно контролировать или можно его регулировать на основании уровня жидкого хладагента в приемнике 202 управляемого давления.
Конденсатор 200 представляет собой теплообменник 201, который работает как конденсатор, когда конденсаторная испарительная система 106 работает в холодильном цикле, и может работать как испаритель, когда конденсаторная испарительная система 106 работает в цикле размораживания, таком как способ размораживания при помощи горячего газа. При работе как конденсатор в течение холодильного цикла, конденсатор конденсирует газообразный хладагент высокого давления за счет отбора теплоты от газообразного хладагента. Газообразный хладагент может находиться под давлением конденсации, что означает, что при отборе теплоты от газа, газ будет конденсироваться в жидкость. Во время цикла размораживания, теплообменник действует как испаритель и производит испарение сконденсированного хладагента. Можно видеть, что теплообменник, показанный на фиг. 3, представляет собой единственный блок. Однако следует иметь в виду, что он может быть выполнен в виде множества блоков, включенных параллельно или последовательно, чтобы создавать желательную производительность по теплообмену. Например, если требуется дополнительная производительность во время размораживания по причине наличия избытка конденсата, то может быть использован дополнительный блок теплообменника. Теплообменник 201 может быть выполнена как "пластинчатый" теплообменник. Однако могут быть использованы теплообменники и другого типа, в том числе кожухотрубные теплообменники. Средой конденсации для работы теплообменника может быть вода или водный раствор, такой как водный раствор гликоля или соляной раствор, или любая среда охлаждения, в том числе углекислый газ, гликоль или другие хладагенты. Среда конденсации может быть охлаждена с использованием известных технологий, в том числе, например, с использованием градирни или земляного теплообмена. Кроме того, теплота среды конденсации может быть использована в других частях промышленной или торговой установки.
Сконденсированный хладагент вытекает из теплообменника 201 в приемник 202 управляемого давления через линию 210 сконденсированного хладагента. Линия 210 сконденсированного хладагента может иметь клапан 212 регулировки дренажного потока конденсатора. Клапан 212 регулировки дренажного потока конденсатора может регулировать поток сконденсированного хладагента из теплообменника 200 в приемник 202 управляемого давления в течение холодильного цикла. Во время цикла размораживания, клапан 212 регулировки дренажного потока конденсатора может останавливать поток хладагента из теплообменника 201 в приемник 202 управляемого давления. В качестве примера клапана 212 регулировки дренажного потока конденсатора можно привести электромагнитный клапан с поплавком, который позволяет проходить через него только жидкости и не пропускает газ, если он есть.
Приемник 202 управляемого давления может быть назван сокращено как CPR, или может быть назван просто приемником. Вообще говоря, приемником управляемого давления является приемник, который, во время работы, поддерживает давление в приемнике на уровне меньше чем давление конденсации. Более низкое давление в CPR помогает направлять поток, например, из конденсатора 200 в CPR 202, а также из CPR 202 в испаритель 204. Более того, испаритель 204 может работать более эффективно в результате снижения давления за счет наличия CPR 202.
Приемник 202 управляемого давления действует как резервуар для жидкого хладагента как во время холодильного цикла, так и во время цикла размораживания. Вообще говоря, уровень жидкого хладагента в приемнике 202 управляемого давления будет ниже в течение холодильного цикла и выше во время цикла размораживания. Причиной этого является то, что жидкий хладагент из испарителя 204 удаляют во время цикла размораживания и вводят в приемник 202 управляемого давления. Таким образом, приемник 202 управляемого давления выполнен так, что он имеет достаточно большие размеры для хранения всего объема жидкости, который обычно находится в испарителе 204 в течение холодильного цикла, плюс объем жидкости, который находится в приемнике 202 управляемого давления в течение холодильного цикла. Само собой разумеется, что размеры приемника 202 управляемого давления могут быть различными в зависимости от необходимости. Когда уровень хладагента в приемнике 202 управляемого давления повышается во время цикла размораживания, накопленная жидкость может испаряться в испарителе 200'. Кроме того, приемник управляемого давления по желанию может быть выполнен в виде множества блоков.
В течение холодильного цикла, жидкий хладагент протекает из приемника 202 управляемого давления в испаритель 204 через линию 214 подачи испарителя. Жидкий хладагент вытекает из приемника 202 управляемого давления через клапан 216 подачи жидкости с регулируемым давлением. Клапан 216 подачи жидкости с регулируемым давлением регулирует поток жидкого хладагента из приемника 202 управляемого давления в испаритель 204. Питающий клапан 218 может быть предусмотрен в линии 214 подачи испарителя, для обеспечения более точного регулирования потока. Однако следует иметь в виду, что если используют клапан точного регулирования потока, такой как электронный расширительный клапан, в качестве клапана 216 подачи жидкости с регулируемым давлением, то тогда питающий клапан 218 может быть исключен.
Испаритель 204 может быть выполнен как испаритель, который отбирает теплоту от воздуха, воды или от любой другой среды, выбранной из множества различных сред. В качестве примеров устройств, которые могут быть охлаждены при помощи испарителя 204, можно привести испарительные змеевики, кожухотрубные теплообменники, пластинчатые теплообменники, морозильные аппараты с контактными пластинами, спиральные морозильные аппараты и туннельные морозильные аппараты. Теплообменники позволяют производить охлаждение или замораживание в камерах хранения замороженных продуктов, на технологических участках, позволяют производить охлаждение воздуха, охлаждение или замораживание питьевых и не питьевых жидкостей, а также других химикатов. Почти во всех применениях, в которых необходимо отбирать теплоту, практически любой тип испарителя может быть использован вместе с CES системой.
Газообразный хладагент может быть отведен из испарителя 204 через LSS линию 220. В LSS линии 220 может быть предусмотрен всасывающий клапан 222 управления. Факультативно, аккумулятор может быть предусмотрен в линии 220, чтобы обеспечивать дополнительную защиту от переноса жидкости. Всасывающий клапан 222 управления регулирует поток испаренного хладагента из испарителя 204 в централизованную компрессорную установку. Всасывающий клапан 222 управления обычно закрыт во время цикла размораживания. Кроме того, во время цикла размораживания, испаритель 204 работает как конденсатор и производит конденсацию газообразного хладагента в жидкий хладагент, причем сконденсированный жидкий хладагент вытекает из испарителя 204 в приемник 202 управляемого давления через линию 224 отвода жидкого хладагента. Скрытая теплота и сухое тепло могут быть использованы для размораживания испарителя во время цикла размораживания. Другие типы размораживания, такие как размораживание при помощи воды и электрического нагрева, могут быть использованы для удаления инея. В линии 224 отвода жидкого хладагента может быть предусмотрен клапан 226 размораживания конденсата. Клапан 226 размораживания конденсата регулирует поток сконденсированного хладагента из испарителя 204 в приемник 202 управляемого давления во время цикла размораживания. Клапан 226 размораживания конденсата обычно закрыт в течение холодильного цикла.
В течение цикла размораживания при помощи горячего газа, жидкий хладагент из приемника 202 управляемого давления может протекать через линию 228 размораживания жидкого хладагента в испаритель 200', если уровень жидкого хладагента в приемнике 202 управляемого давления становится слишком высоким. В линии 228 размораживания жидкого хладагента может быть предусмотрен клапан 230 подачи конденсата для испарения при размораживании. Клапан 230 подачи конденсата для испарения при размораживании регулирует поток жидкого хладагента из приемника 202 управляемого давления в испаритель 200' во время цикла размораживания, чтобы испарять жидкий хладагент и переводить его в газообразное состояние. Во время цикла размораживания, испаритель 200' производит охлаждение среды теплообмена, протекающей через испаритель 200'. Это помогает охлаждать среду, что позволяет экономить электроэнергию за счет охлаждения среды до более низкой температуры для других конденсаторов везде в установке, где работает система охлаждения. Более того, во время цикла размораживания при помощи горячего газа, газообразный хладагент вытекает из испарителя 200' через HSS линию 232. В HSS линии предусмотрен клапан 234 регулирования давления конденсата для испарения при размораживании. Клапан 234 регулирования давления конденсата для испарения при размораживании регулирует давление внутри испарителя 200' во время цикла размораживания. Клапан 234 регулирования давления конденсата для испарения при размораживании нормально закрыт в течение холодильного цикла. Клапан 234 регулирования давления конденсата для испарения при размораживании может быть соединен с LSS линией 220. Вообще говоря, такая схема расположения не является самой эффективной. Факультативно также может быть предусмотрен небольшой аккумулятор в линии 232, чтобы обеспечивать дополнительную защиту от переноса жидкости.
Между приемником 202 управляемого давления и HSS линией 232 идет линия 236 всасывания приемника управляемого давления. В линии 236 всасывания приемника управляемого давления установлен клапан 238 регулирования давления приемника управляемого давления. Клапан 238 производит регулирование давления в приемнике 202 управляемого давления. Следует иметь в виду, что линия 236 всасывания приемника управляемого давления может идти от приемника 202 управляемого давления до LSS линии 220, вместо HHS линии 232 или в дополнение к ней. Вообще говоря, более эффективно, когда линия 236 всасывания приемника управляемого давления идет до HSS линии 232, или до входа экономайзера в винтовом компрессоре, если он есть.
Узел 240 контроля уровня жидкости приемника управляемого давления предназначен для текущего контроля уровня жидкого хладагента в приемнике 202 управляемого давления. Информация из узла 240 контроля уровня жидкости приемника управляемого давления может быть обработана в компьютере и различные клапаны могут быть соответственно отрегулированы так, чтобы поддерживать желательный уровень. Уровень жидкого хладагента в узле 240 контроля уровня жидкости приемника управляемого давления можно регулировать через жидкостную линию 242 и газовую линию 244. Как в жидкостной линии 242, так и в газовой линии 244 могут быть предусмотрены клапаны 246 для управления потоком. На дне приемника 202 управляемого давления факультативно может быть предусмотрен масляный дренажный клапан 248. Масляный дренажный клапан 248 может быть предусмотрен для того, чтобы удалять любое накопленное масло из приемника 202 управляемого давления. Масло часто захватывается в хладагент, отделяется от жидкого хладагента и опускается на дно, потому что оно тяжелее.
Компрессор может быть выполнен как компрессор, предназначенный для каждой CES. Однако более предпочтительно использовать один компрессор или централизованную компрессорную установку для питания множества CES's. В случае промышленной системы, централизованная компрессорная установка типично является более предпочтительной.
Специалисты в данной области легко поймут, что различные компоненты конденсаторной испарительной системы 106 могут быть выбраны из списка компонентов, установленных ASME (Американским обществом инженеров-механиков), ANSI (Национальным Институтом Стандартизации США), ASHRAE (Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), и IIAR (Международным Институтом охлаждения при помощи аммиака), причем клапаны, теплообменники, резервуары, органы управления, трубы, арматура и другие компоненты, а также методики сварки, должны соответствовать этим принятым стандартам.
Конденсаторная испарительная система позволяет обеспечивать снижение количества хладагента (например, такого как аммиак) в промышленной системе охлаждения.
Промышленные системы охлаждения включают в себя системы, которые обычно содержат централизованный компрессорный зал, в котором установлены один или несколько компрессоров, обеспечивающих сжатие хладагента для множества испарителей, а также содержат централизованную конденсаторную систему. В таких системах, жидкий хладагент типично перемещают из резервуара хранения во множество испарителей. В результате, большое количество жидкости часто хранят и перемещают в различные испарители.
За счет использования множества конденсаторных испарительных систем можно уменьшить количество хладагента ориентировочно на 85%. Можно рассчитывать и на большее уменьшение, однако, само собой разумеется, что это зависит от специфической промышленной системы охлаждения. Для того, чтобы понять, как может быть достигнуто уменьшение количества аммиака в промышленной системе охлаждения, следует принять во внимание, что в течение холодильного цикла, хладагент изменяет свое состояние от жидкости к газу за счет поглощения теплоты из среды (такой как воздух, вода, пищевой продукт и т.п.). Жидкий хладагент (такой как аммиак) подают в испаритель для его испарения. Во многих промышленных системах охлаждения, жидкий хладагент хранят в централизованных резервуарах, называемых приемниками, аккумуляторами и промежуточными охладителями, в зависимости от их функции в системе.
Этот жидкий аммиак затем направляют по различным путям в каждый испаритель в системе, для охлаждения. Это означает, что множество труб в таких промышленных системах содержат жидкий аммиак. Точно также как стакан воды содержит больше молекул воды, чем стакан, который содержит водяной пар, жидкий аммиак в трубе содержит типично на 95% больше молекул аммиака на данном отрезке трубы, чем газообразный аммиак. Конденсаторная испарительная система позволяет исключить необходимость перемещения больших количеств жидкого хладагента через систему за счет децентрализации системы конденсации с использованием одной или нескольких конденсаторных испарительных систем. Каждая конденсаторная испарительная система может иметь конденсатор, который обычно выбран в соответствии с нагрузкой испарителя. Например, при 10 тонном (120,000 BTU) испарителе, конденсатор по размерам должен быть эквивалентен по меньшей мере 10 тоннам. В известной ранее промышленной системе охлаждения, для того, чтобы вернуть испаренный газ назад в жидкое состояние, так чтобы его можно быть испарить еще раз, газ сжимают при помощи компрессора и направляют в один или несколько централизованных конденсаторов или в конденсаторное хозяйство, где отбирают теплоту из аммиака, что приводит к конденсации газообразного хладагента в виде аммиака в жидкость. Эту жидкость затем нагнетают в различные испарители по всей системе хладагента.
В системе, в которой используют CES, газ из испарителей сжимают при помощи компрессоров и направляют назад в CES как газ высокого давления. Этот газ затем подают в конденсатор 200. В течение холодильного цикла, конденсатор 200 (такой как пластинчатый теплообменник) имеет протекающую через него охлаждающую среду. Охлаждающей средой может быть вода, гликоль, углекислый газ или любая другая приемлемая охлаждающая среда. Газообразный аммиак высокого давления отдает теплоту, которую он поглотил во время сжатия, в охлаждающую среду, что вызывает конденсацию аммиака в жидкость. Эту жидкость затем подают в приемник 202 управляемого давления, который поддерживают при более низком давлении, чем конденсатор 200, что позволяет легко дренировать жидкость. Давление в приемнике управляемого давления регулируют при помощи клапана 238 в линии 236 приемника управляемого давления. Уровень жидкости внутри приемника 202 управляемого давления контролируют при помощи центрального узла 240 контроля уровня жидкости. Если уровень жидкости становится слишком высоким или слишком низким во время охлаждения, клапан 208 может быть открыт, закрыт или может производить регулирование потока, чтобы поддерживать надлежащий уровень.
Приемник 202 управляемого давления действует как резервуар, в котором хранится жидкость, подаваемая в испаритель 204. Так как конденсатор 200 и приемник 202 управляемого давления предназначены для каждого испарителя 204, то хладагент конденсируют в соответствии с необходимостью. Так как хладагент конденсируют поблизости от испарителя 204, то нет необходимости в том, чтобы перемещать жидкий хладагент на большие расстояния, а это позволяет резко снизить полный заряд аммиака (например, ориентировочно на 85% по сравнению с традиционной системой охлаждения, имеющей ориентировочно такую же холодопроизводительность). Когда в испарителе 204 требуется больше аммиака, клапаны 216 и 218 открывают, чтобы подавать нужное количество аммиака в испаритель 204, так что аммиак испаряется до того, как он выходит из испарителя 204, и поэтому жидкий аммиак не возвращается назад в компрессорную установку. Клапан 222 прерывает поток аммиака при выключении системы и/или в режиме размораживания.
Работа конденсаторной испарительной системы 106 далее будет объяснена при осуществлении как холодильного цикла, так и цикла размораживания. Когда конденсаторная испарительная система 106 работает в холодильном цикле, газообразный хладагент под давлением конденсации подают через линию 206 горячего газа из компрессорной установки в конденсатор 200. В этом случае, клапан 208 регулирования потока холодильного цикла будет открыт, а клапан 209 регулирования потока горячего газа для размораживания будет закрыт. Газообразный хладагент поступает в конденсатор 200 и конденсируется в жидкий хладагент. В конденсаторе 200 может быть использована любая охлаждающая среда, такая как вода, раствор гликоля и т.п., которую подают насосом через конденсатор 200. Легко можно понять, что теплота, рекуперированная из охлаждающей среды, может быть использована в любом необходимом месте.
Сконденсированный хладагент вытекает из конденсатора 200 в приемник 202 управляемого давления через линию 210 сконденсированного хладагента и через клапан 212 регулирования потока дренажа конденсатора. Сконденсированный хладагент накапливается в приемнике 202 управляемого давления, причем уровень жидкого хладагента может быть задан при помощи узла 240 регулирования уровня жидкости приемника управляемого давления. Жидкий хладагент вытекает из приемника 202 управляемого давления через линию 214 подачи испарителя и через клапаны 216 и 218 подачи жидкости управляемого давления в испаритель 204. Жидкий хладагент в испарителе 204 испаряется и газообразный хладагент подают из испарителя 204 через LSS линию 220 и всасывающий клапан 222 управления.
Интересно отметить, что, в течение холодильного цикла, не возникает необходимость в том, чтобы испаритель работал с избытком жидкости. При этом, вся жидкость, которая поступает в испаритель 204, может быть использована для того, чтобы обеспечивать охлаждение в результате испарения в газообразный хладагент. В результате, теплота, передаваемая из среды через испаритель и в жидкий хладагент, побуждает жидкий хладагент становиться газообразным хладагентом. Средой может быть среда любого типа, которая типично является охлажденной. В качестве примеров среды можно привести воздух, воду, пищевой продукт, углекислый газ и/или любой другой подходящий хладагент.
Одним из последствий охлаждения является накопление инея и льда на испарителе. Поэтому каждый змеевик, который получает хладагент при низких температурах, достаточных для образования инея и льда, должен проходить через цикл размораживания, чтобы поддерживать змеевик чистым и эффективным. Известны четыре способа удаления инея и льда со змеевика. Эти способы предусматривают использование воды, электрического нагрева, воздуха или горячего газа (такого как аммиак под высоким давлением). CES может работать с любыми указанными способами размораживания. CES особенно хорошо адаптирована для размораживания при помощи техники размораживания при помощи горячего газа.
Во время размораживания при помощи горячего газа, поток горячего газообразного хладагента через CES может быть реверсирован так, чтобы размораживать испаритель. Горячий газ может быть подан в испаритель и сконденсирован в жидкий хладагент. Полученный жидкий хладагент может быть испарен в конденсаторе. Эту операцию испарения можно назвать "локальным испарением", потому что она происходит внутри CES. В результате, можно избежать направления жидкого хладагента в централизованный резервуар, такой как аккумулятор для хранения. Таким образом, CES позволяет произвести размораживание при помощи горячего газа испарителей, без необходимости хранения больших количеств жидкого хладагента.
Во время размораживания при помощи горячего газа, газообразный аммиак высокого давления, который обычно поступает в конденсатор, вместо этого направляют в испаритель. Этот горячий газ конденсируется в жидкость, в результате чего испаритель нагревается, при этом внутренняя температура испарителя становится достаточно высокой для того, чтобы расплавился лед снаружи на змеевиках. В известных ранее системах охлаждения часто отбирают эту сконденсированную жидкость и направляют ее назад по трубам в большие резервуары, откуда ее опять используют для охлаждения. В отличие от этого, система охлаждения, в которой используют CES, позволяет использовать сконденсированный хладагент, образованный во время размораживания при помощи горячего газа, чтобы испарять его назад в газ для охлаждения среды конденсации, для того, чтобы исключить избыток жидкого аммиака в системе.
Во время цикла размораживания, газообразный хладагент под давлением конденсации подают через линию 206 горячего газа в конденсатор 204'. Газообразный хладагент протекает через клапан 209 регулирования потока горячего газа для размораживания (при этом клапан 208 управления холодильным циклом закрыт), через линию 214 подачи испарителя и через питающий клапан 218. Газообразный хладагент внутри конденсатора 204' будут сконденсирован в жидкий хладагент (который, следовательно, расплавляет лед и иней) и будут отведен через линию 224 отбора жидкого хладагента и клапан 226 конденсата размораживания. Во время размораживания, всасывающий клапан 222 управления может быть закрыт. Жидкий хладагент затем протекает через линию 224 отбора жидкого хладагента и в приемник 202 управляемого давления. Альтернативно, при наличии соответствующих клапанов и органов управления, по меньшей мере часть жидкого хладагента может непосредственно протекать из линии 224 в линию 228, обходя CPR 202. Жидкий хладагент вытекает из приемника 202 управляемого давления через линию 228 жидкого хладагента размораживания и через клапан 230 подачи конденсата размораживания для испарения и втекает в испаритель 200'. В этот момент, клапан 216 подачи жидкости под управляемым давлением и клапан 212 регулирования потока дренирования конденсатора закрыты, а клапан 230 подачи конденсата размораживания для испарения открыт и может производить регулирование потока. Во время цикла размораживания, жидкий хладагент внутри испарителя 200' испаряется, чтобы образовать газообразный хладагент, и полученный газообразный хладагент отводят через HSS линию 232. Более того, клапан 234 управления давлением конденсата размораживания для испарения открыт и производит регулирование потока, а клапан 208 регулирования потока холодильного цикла закрыт.
Легко можно понять, что в течение цикла размораживания при помощи горячего газа, среда на другой стороне конденсатора 204' является нагретой, а среда на другой стороне испарителя 200' является охлажденной. Испарение, которое может происходить во время цикла размораживания, имеет дополнительный эффект, связанный с тем, что оно помогает охлаждать среду (такую как вода или смесь воды с гликолем) в системе конденсации, что позволяет экономить электроэнергию, так как это позволяет понизить давление нагнетания компрессоров и понизить температуру среды охлаждения теплообменника.
Следует иметь в виду, что CES может быть использована без цикла размораживания при помощи горячего газа. Другие типы размораживания могут быть использованы с CES, в том числе размораживание при помощи воздуха, размораживание при помощи воды или размораживание при помощи электроэнергии. Что касается схем, показанных на фиг. 2 и 3, специалисты в данной области легко поймут, как необходимо модифицировать систему, чтобы исключить размораживания при помощи горячего газа и вместо этого использовать размораживание при помощи воздуха, размораживание при помощи воды или размораживание при помощи электроэнергии.
Уменьшение количества аммиака является критическим, так как он классифицирован Профессиональной Администрацией Безопасности и Здравоохранения США (OSHA) как "токсичный, химически активный или взрывоопасный химикат, утечка которого может приводить к интоксикации, пожару или взрыву" (источник: OSHA). Придавая аммиаку этот статут, OSHA установила пороговое количество 10,000 фунтов или больше аммиака в одном месте, требующее принимать (применять) программу управления безопасностью процесса (PSM). Несмотря на то, что любое уменьшение количества токсичного, химически активного, огнеопасного или взрывоопасного химиката всегда является желательным, необходимо отметить, что многие промышленные системы охлаждения могут быть выполнены так, чтобы при их требуемой производительности все еще не превышать порог 10,000 фунтов и исключить требование, связанное с использованием PSM программы, с учетом того, что PSM программы обычно являются дорогими и занимают много времени.
CES может быть использована с системами охлаждения типа плоская крыша, в которых каждый испаритель или ограниченное число испарителей связаны трубами с одним блоком конденсации, в котором установлены согласованные компрессор и конденсатор. Блоки типа плоская крыша являются автономными друг относительно друга и не имеют взаимосвязанных линий охлаждения.
Следует иметь в виду, что CES с небольшими модификациями может быть использована для работы в системе переполнения или в системе рециркуляции. Сеть трубопроводов в системе переполнения будет другой, однако базовая местная конденсация CES будет такой же. В системах рециркуляции в CES необходимо встраивать небольшой специальный насос. Однако следует иметь в виду, что обе эти системы (переполнения и рециркуляции) не являются идеальными, так как в них требуется увеличивать количество аммиака в любой данной установке.
Конденсаторная испарительная система 106 на фиг. 3 может быть охарактеризована как система подачи с прямым расширением, так как в ней используют прямое расширение для подачи хладагента в испаритель. Альтернативные системы могут быть использованы в конденсаторной испарительной системе для подачи хладагента в испаритель. Например, в конденсаторной испарительной системе могут быть использованы подача насосом, подача с переполнением или подача под давлением.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 4, на которой показана альтернативная конденсаторная испарительная система 300. Конденсаторная испарительная система 300 может быть названа конденсаторной испарительной системой с подачей насосом, потому что в ней используют насос 315 для подачи жидкого хладагента в испаритель 304. Горячий газ под давлением конденсации вводят через линию 306 горячего газа, причем его поток можно регулировать при помощи клапана 308 горячего газа, для ввода в конденсатор 300. Конденсатор 300 и испаритель 304 представляют собой соответствующие теплообменники 301 и 305. Во время размораживания при помощи горячего газа, теплообменник 301 может быть назван испарителем 300', а теплообменник 305 может быть назван конденсатором 304'. Сконденсированный, жидкий хладагент течет через линию 310 жидкого хладагента из конденсатора 300 в приемник 302 управляемого давления. Клапан 312 может быть предусмотрен в линии 310 жидкого хладагента, чтобы регулировать поток, втекающий в приемник 302 управляемого давления. Уровень жидкого хладагента в приемнике 302 управляемого давления можно контролировать при помощи индикатора 340 уровня, и можно изолировать при помощи клапанов 346. Жидкий хладагент из приемника 302 управляемого давления может быть подан через линию 314 подачи жидкого хладагента в испаритель 304, причем расход жидкого хладагента можно регулировать насосом 315. Хладагент из испарителя 304 втекает назад в приемник 302 управляемого давления через возвратную линию 324 испарителя, причем поток хладагента можно контролировать при помощи обратного клапана 325. Внутри приемника 302 управляемого давления происходит разделение газообразного и жидкого хладагентов. Газообразный хладагент всасывают через линию 320 отбора газообразного хладагента, после чего его сжимают при помощи компрессорной системы. Поток через линию 320 отбора газообразного хладагента можно контролировать при помощи клапана 322 отбора газообразного хладагента.
Во время размораживания при помощи горячего газа, клапаны 308, 312 и 325 могут быть закрыты, а клапан 322 может быть закрыт или может быть использован для регулирования потока. Горячий газ может быть введен из линии 306 горячего газа в линию 304 размораживания при помощи горячего газа и через клапан 309 размораживания при помощи горячего газа в теплообменник 305 или в конденсатор 304'. Жидкий хладагент может протекать из теплообменника 305 через линию 350 возврата жидкого хладагента в приемник 302 управляемого давления. Клапаны 352 и 354 могут быть использованы для контроля потока хладагента из линии 350 возврата жидкого хладагента в приемник 302 управляемого давления или теплообменник 301. Когда клапан 354 открыт, хладагент может протекать в приемник 302 управляемого давления, уровень хладагента в котором контролируют при помощи индикатора 340 уровня, причем уровень может быть изолирован при помощи клапанов 346. Когда клапан 352 открыт, хладагент может протекать через линию 358 подачи теплообменника и в теплообменник 301. Теплообменник 301 может быть использован как испаритель 300', чтобы превращать жидкий хладагент в газообразный хладагент, который может быть возвращен в компрессорную систему через линию 360 возврата газообразного хладагента, поток которого можно контролировать при помощи клапана 362 линии возврата. В CES 300, хладагент может обходить приемник 302 управляемого давления во время размораживания при помощи горячего газа. Следует иметь в виду, что CES 300 может работать и с использованием других способов размораживания, в том числе с использованием электроэнергии, воды, воздуха и т.п.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 5 и 6, на которых показаны альтернативные конденсаторные испарительные системы, которые могут быть названы как системы с подачей с переполнением.
На фиг. 5 показана подача с приемником 402 управляемого давления на стороне всасывания теплообменника 405 (который может быть назван испарителем 404 во время холодильного цикла и конденсатором 404' во время цикла размораживания при помощи горячего газа). Горячий газообразный хладагент может быть введен через линию 406 горячего газа в теплообменник 401 (который может быть назван конденсатором 400 в течение холодильного цикла и испарителем 400' во время цикла размораживания при помощи горячего газа), причем его поток можно регулировать при помощи клапана 408. После того как хладагент будет сконденсирован в теплообменнике 401, сконденсированный хладагент может протекать через линию 410 сконденсированного хладагента и клапан 412 (который может иметь поплавок) в теплообменник 405. Следует иметь в виду, что клапаны 430 и 432 могут быть закрыты во время холодильного цикла. Когда жидкий хладагент переполняет теплообменник 405, тогда хладагент может быть удален из теплообменника 405 через линию 436 подачи приемника управляемого давления, причем поток в приемник 402 управляемого давления можно контролировать при помощи клапана 438. Жидкий и газообразный хладагенты могут быть разделены внутри приемника 402 управляемого давления. Уровень жидкого хладагента внутри приемника 402 управляемого давления можно контролировать при помощи индикатора 440 уровня, и можно изолировать при помощи клапанов 446. Если уровень жидкости становится слишком высоким, клапан 408 и/или 412 позволяет уменьшить поток хладагента в теплообменник 405. Газообразный хладагент может быть отведен из приемника 402 управляемого давления через линию 420 (причем поток можно контролировать при помощи клапана 422) и подан в компрессорный зал, где он может быть сжат.
Во время размораживания при помощи горячего газа, клапаны 438, 412, и 408 могут быть закрыты, а клапан 422 может быть закрыт или может быть использован для регулирования потока. Горячий газ вводят в теплообменник 405 через линию 406 горячего газа и линию 470 подачи горячего газа и через клапан 472 подачи горячего газа. Жидкий хладагент, который сконденсирован в теплообменнике 405, может вытекать из теплообменника 405 через линию 474. Клапан 430 может контролировать поток в теплообменник 401, а клапан 432 может контролировать поток в приемник 402 управляемого давления. Во время размораживания при помощи горячего газа, теплообменник 401 может быть использован как испаритель, чтобы превращать жидкость в газ, возвращаемый в компрессорный зал через линию 480 и клапан 482. Следует иметь в виду, что могут быть предусмотрены различные сети труб. Хладагент может протекать через линию 474 и через клапан 432 в приемник 402 управляемого давления. Жидкий хладагент может накапливаться в приемнике 402 управляемого давления. По желанию, газообразный хладагент может быть рекуперирован через линию 420 и клапан 422.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 6, на которой показана конденсаторная испарительная система с приемником 502 управляемого давления, соединенным трубами с обеими сторонами всасывания и жидкости теплообменника 505. Во время холодильного цикла, горячий газ вводят в теплообменник 501 через линию 506 горячего газа и регулируют при помощи клапана 508. Теплообменник 501 может быть назван конденсатором 500 в течение холодильного цикла и испарителем 500' в течение цикла размораживания при помощи горячего газа. Когда хладагент будет сконденсирован, тогда его подают через линию 510 подачи приемника управляемого давления и клапан 512 (который может иметь поплавок) в приемник 502 управляемого давления. Жидкость из приемника 502 управляемого давления при его переполнении переливается в теплообменник 505 через линию 520 перелива и клапан 522 линии перелива. Теплообменник 505 может быть назван испарителем 504 в течение холодильного цикла, и конденсатором 504' в течение цикла размораживания при помощи горячего газа. Клапан 526, установленный в линии 524, может быть закрыт во время охлаждения. Смесь жидкости и газа может возвращаться в приемник 502 управляемого давления через линию 530 возврата хладагента, и поток можно контролировать при помощи клапана 532. Жидкость и газ могут быть разделены в приемнике 502 управляемого давления, и газ может быть отобран через линию 527 и клапан 528 и направлен в компрессорный зал, где он может быть сжат.
Уровень жидкости внутри приемника 502 управляемого давления можно контролировать при помощи индикатора 540 уровня, и можно изолировать при помощи клапанов 546. Если уровень становится слишком высоким, клапан 508 и/или клапан 512 могут быть закрыты или поток может быть уменьшен, чтобы отрегулировать желательный уровень в приемнике 502 управляемого давления. В применениях при низкой температуре (например, -40°F), может быть желательно иметь дополнительный приемник управляемого давления, установленный между теплообменником 501 и приемником 502 управляемого давления для повышения производительности. Этот приемник управляемого давления может быть соединен трубами с участком более высокого давления всасывания системы охлаждения для того, чтобы удалять часть теплоты из жидкого хладагента в теплообменнике 501 ранее подачи жидкости в приемник 502 управляемого давления. Это позволяет повысить КПД.
Во время размораживания при помощи горячего газа, клапаны 532, 512 и 508 могут быть закрыты. Горячий газ может быть введен в теплообменник 505 через линию 511 горячего газа и клапан 509. Из теплообменника 505, жидкость и газообразный хладагент при возврате могут протекать в приемник 502 управляемого давления через линию 520 и клапан 522. Клапан 522 будет закрыт, если уровень в приемнике 502 управляемого давления становится слишком высоким. Альтернативно, жидкость и газообразный хладагент могут протекать через линию 524 и клапан 526 (который может иметь поплавок) в теплообменник 501. Теплообменник 501 может быть использован как испаритель для обратного превращения жидкости в газ, возвращаемый в компрессорный зал через линию 532 и клапан 234. Также может быть использован факультативный питающий клапан 550, который может регулировать поток хладагента. Могут быть использованы различные сети труб.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 7, на которой показана альтернативная конденсаторная испарительная система, которая может быть охарактеризована как система питания с повышенным давлением. В течение холодильного цикла, горячий газ поступает в теплообменник 601 (теплообменник 601 может быть назван конденсатором 600 в течение холодильного цикла и испарителем 600' в течение цикла размораживания при помощи горячего газа) через линию 606, и регулируется при помощи клапана 608. Когда хладагент будет сконденсирован, тогда жидкий хладагент подают через линию 610 и клапан 612 (который может иметь поплавок) в питающий хладагент в приемнике 602 управляемого давления. Уровень в приемнике 602 управляемого давления можно контролировать при помощи индикатора 640 уровня, и можно изолировать при помощи клапанов 646.
Жидкий хладагент можно подавать из приемника 602 управляемого давления в испаритель 604 (теплообменник 605 может быть назван испарителем 604 в течение холодильного цикла и конденсатором 604' в течение цикла размораживания при помощи горячего газа) через систему 660 резервуара под избыточным давлением. Система 660 резервуара под избыточным давлением может быть выполнена как единственный резервуар или как множество резервуаров. На фиг. 7, множество резервуаров показаны как первый резервуар 661 и второй резервуар 662. Жидкий хладагент может протекать из CPR 602 через линию 663 жидкого хладагента и первый клапан 680 в первый резервуар 661. Когда первый резервуар 661 будет достаточно заполнен, горячий газ через линию 606 горячего газа и клапан 666 создает повышенное давление в первом резервуаре 661, так что хладагент течет в испаритель 604. Может быть предусмотрен факультативный электромагнитный клапан 670, который открывается, когда электромагнитный клапан 666 открыт для перемещения жидкости. В то время как хладагент течет из первого резервуара 661 в испаритель 604, хладагент из CPR 602 течет через линию 663 и клапан 681 во второй резервуар 662. Как только второй резервуар 662 будет достаточно заполнен, создают повышенное давление во втором резервуаре 662 за счет горячего газа, вводимого через линии 606, 708 и 709 горячего газа и клапан 667, чтобы выталкивать хладагент из второго резервуара 662 и подавать его в испаритель 604. Показан факультативный электромагнитный клапан 671, который будет открыт, когда электромагнитный клапан 667 будет открыт для перемещения жидкости. Два резервуара 661 и 662 могут быть поочередно использованы для заполнения и подачи хладагента в испаритель 604. По желанию могут быть использованы несколько резервуаров.
Линия 672 по желанию может иметь регулятор для регулирования потока, если это желательно. Клапаны 682 и 683 могут быть использованы для выравнивания давлений в первом и втором резервуарах 661 и 662, что позволяет жидкости самотеком протекать из первого приемника 602 управляемого давления в первый и второй резервуары 661 и 662. Клапаны 680 и 681 могут контролировать поток хладагента из приемника 602 управляемого давления в первый и второй резервуары 661 и 662. Некоторые трубы могут быть исключены за счет использования комбинации клапанов, таких как трехпутевые клапаны.
Возвратный хладагент подают назад через линию 690 и через клапан 692 в первый приемник 602 управляемого давления, где газ и жидкость разделяются. Газ отводят через линию 620 и клапан 622 и направляют в компрессорный зал, где он может быть сжат.
Во время размораживания при помощи горячего газа, горячий газ может быть введен в теплообменник 605 через линию 708 и клапан 710. Возвратный горячий газ и жидкость могут возвращаться через линию 720 и электромагнитный клапан 721 (который может иметь поплавок). Клапаны 730 и 732 служат для направления этого возвратного потока в первый приемник 602 управляемого давления или в теплообменник 601, который может быть использован как испаритель, чтобы опять превращать жидкость в газ, возвращаемый в компрессорный зал через линию 632 и клапан 634. Могут быть использованы различные вариации сети трубопроводов, в зависимости от предпочтений инженера-разработчика, однако базовые условия остаются неизменными, такими как описанные здесь выше.
Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.