ПЕРЕОХЛАДИТЕЛЬ ЖИДКОГО ХЛАДАГЕНТА ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к теплообменникам-переохладителям холодильных установок и может использоваться в холодильных установках различной производительности для повышения их удельной холодопроизводительности.
Из теории охлаждения известно, что удельная холодопроизводительность на единицу массы хладагента увеличивается, если жидкий хладагент, выходящий из конденсатора, переохлаждать перед расширительным вентилем относительно температуры конденсации на 10-20°C. Жидкий хладагент переохлаждается различными способами и для каждого способа используется своя конструкция переохладителя. Самый простой переохладитель - это неизолированный жидкостный трубопровод длиной несколько метров, по которому теплый жидкий хладагент из конденсатора с температурой 35-45°C поступает в расширительный вентиль. Отдавая тепло через стенку трубы в окружающее пространство, жидкий хладагент может дополнительно охладиться на 2-3°C. Такая схема переохладителя приведена на с. 117, рис. 8-5 книги автора Роя Дж. Доссата «Основы холодильной техники», Москва, изд. «Легкая и пищевая промышленность», 1984 г. В большинстве случаев для дополнительного охлаждения хладагента используются специальные двухполостные теплообменники и различные схемы их монтажа в холодильной установке. Если в установке используется конденсаторы с водяным охлаждением, то двухполостной переохладитель жидкого хладагента может быть смонтирован последовательно водяному конденсатору. При последовательном монтаже (см. рис. 8-6, с. 118 упомянутой выше книги), вода, охлаждающая конденсатор, сначала проходит через переохладитель, и только потом попадает в конденсатор, в результате чего наиболее холодная вода контактирует с переохлаждаемой жидкостью. Недостатком такого переохладителя является то, что охлаждающая вода в переохладителе нагревается и поступает на охлаждение конденсатора с более высокой температурой, поэтому температура конденсации увеличивается. Вследствие этого увеличение удельной производительности холодильной установки от переохлаждения хладагента несколько снижается из-за повышения температуры конденсации. В книге авторов В. Мааке и др. «ПОЛЬМАН -Учебник по холодильной технике», изд. Московского государственного университета, г. Москва, 1998 г. на с. 273, рис. 1.3.6-55 представлена схема холодильной машины с переохладителем, в котором жидкий хладагент после воздушного конденсатора охлаждается проточной водой в водяном переохладителе. Это наиболее распространенная схема, использующаяся и в настоящее время. Ее недостатком является необратимый расход воды, которая с каждым годом становится все дороже. Часто в холодильной технике в качестве переохладителей жидкого хладагента используют дополнительную секцию в воздушных конденсаторах. Это описано на с. 118 рис. 8-6 в книге автора Роя Дж. Доссата «Основы холодильной техники», изд. «Легкая и пищевая промышленность», г. Москва, 1984 г. Недостатком такого переохладителя является невысокая степень переохлаждения, поскольку хладагент охлаждается окружающим воздухом, температура которого в летний период может быть высокой и недостаточной для переохлаждения хладагента на 10-20°C. Кроме того, эта дополнительная секция конструктивно связана с конденсатором, имеющим обычно температуру металлоконструкции, близкую к температуре конденсации, а именно 35-45°C, что не позволяет эффективно переохлаждать хладагент.
Также известны переохладители, которые используют для переохлаждения холодный пар хладагента, поступающий из испарителя во всасывающую полость компрессора. Такой переохладитель представлен на рис. 8-8, с. 118 в книге автора Рой Дж. Доссата «Основы холодильной техники», изд. «Легкая и пищевая промышленность», 1984 г. Такой переохладитель выполнен в виде двухконтурного теплообменника, в котором всасываемый пар проходит противотоком к теплому жидкому хладагенту. Проходя через теплообменник, холодный пар поглощает тепло от жидкого хладагента, поступающего из конденсатора холодильной машины, при этом хладагент переохлаждается относительно температуры его конденсации. В таком переохладителе тепло, отдаваемое хладагентом, поглощается всасываемым паром и остается в системе. Это тепло повышает температуру всасываемого пара, поступающего в компрессор на сжатие, что, в свою очередь, ведет к повышению температуры нагнетания, и, соответственно, температуры конденсации. А это несколько снижает эффект повышения удельной холодопроизводительности за счет переохлаждения жидкого хладагента.
Известен также переохладитель жидкости в тепловом насосе по патенту РФ 2152568, авторов Горшкова В.Г и др. МКИ F25B 43/02, где в холодильном контуре после конденсатора установлен переохладитель жидкого хладагента, связанный с источником низкотемпературного тепла, например, водой из скважины. В конденсаторе хладагент конденсируется и затем поступает в двухконтурный переохладитель, где дополнительно охлаждается, после чего переохлажденный хладагент поступает через дроссельный вентиль в испаритель на охлаждение продукции. При этом, чем больше величина переохлаждения хладагента относительно температуры конденсации, тем выше холодопроизводительность испарителя и холодильной установки в целом. Недостатком такой схемы охлаждения хладагента является необратимый расход воды и связанные с этим повышенные затраты энергии (постоянный расход энергии на подъем воды из скважины и прокачку ее через водяному контур переохладителя).
Это решение является наиболее близким к решению, предлагаемому авторами и поэтому выбрано за прототип.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение удельного холодильного коэффициента при использовании такого переохладителя в составе холодильной установки.
Поставленная задача достигается тем, что переохладитель жидкого хладагента холодильной установки, включающий контур хладагента и контур хладоносителя, выполнен в виде газожидкостного теплообменника с побудителем расхода воздуха, установленным над газожидкостным теплообменником, при этом контур жидкого хладагента выполнен оребренным, а контур хладоносителя выполнен разомкнутым, в состав которого входят ороситель, установленный между побудителем расхода воздуха и оребренным контуром хладагента, поддона для сбора хладоносителя, установленного под оребренным контуром хладагента, причем упомянутый поддон гидравлически связан с оросителем побудителем расхода хладоносителя, поддон снабжен регулятором уровня хладоносителя, гидравлически связанным с системой внешнего водоснабжения, в качестве хладоносителя выбрана вода, при этом организовано встречное направление потоков воздуха и капельного хладоносителя из оросителя.
Действительно, первый отличительный признак - переохладитель, выполненный в виде газожидкостного теплообменника с побудителем расхода воздуха, установленным над газожидкостным теплообменником с оребренным контуром жидкого хладагента и разомкнутым оросительным водяным контуром позволяет получать организовать эффективное охлаждение жидкого хладагента от внешнего хладоносителя путем орошения и частичного испарения его с поверхности газожидкостного теплообменника. Второй отличительный признак - создание в переохладителе разомкнутого оросительного контура, включающего ороситель, поддон для сбора хладоносителя с регулятором уровня хладоносителя, гидравлически связанного с системой внешнего водоснабжения и побудителя расхода хладоносителя, гидравлически связывающего упопянутый поддон с оросителем, позволяет использовать оборотный внешний хладоноситель с небольшой долей подпитки испарившегося хладоносителя от системы внешнего водоснабжения. Третий отличительный признак - в качестве хладоносителя выбрана вода - позволяет повысить эффективность испарительного теплообмена между жидким хладагентом и хладоносителем, поскольку вода обладает самой высокой теплотой парообразования, т.е. для своего испарения она должна отнять большое количество тепла от жидкого хладагента. Четвертый отличительный признак - встречное направление потоков воздуха и капельного хладоносителя из оросителя - также повышает эффективность теплообмена на поверхности газожидкостного теплообменника. Совокупность указанных четырех отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу, а именно повысить удельный холодильный коэффициент при эксплуатации переохладителя холодильной установки, за счет повышения эффективности теплообмена,, уменьшения количества потребляемой воды.
На чертеже схематично показан предлагаемый переохладитель жидкого хладагента с охлаждением оборотной водой в составе контура парокомпрессионной холодильной установки, где цифрами обозначены:
1 - контур холодильной установки
2 - компрессор
3 - конденсатор
4 - переохладитель жидкого хладагента
5 - газожидкостный теплообменник
6 - побудитель расхода воздуха
7 - расширительный вентиль
8 - испаритель хладагента
9 - поддон для сбора хладоносителя (воды)
10 - побудитель расхода хладоносителя (воды)
11 - ороситель с форсунками
12 - регулятор уровня хладоносителя (воды)
13 - датчик регулятора уровня хладоносителя (воды)
В контуре 1 холодильной установки на выходе компрессора 2 установлен конденсатор 3, после которого в контуре 1 установлен переохладитель жидкого хладагента 4 с газожидкостным теплообменником 5, с побудителем расхода воздуха 6 с направлением воздушного потока «снизу- вверх». На выходе из переохладителя жидкого хладагента 4 установлен расширительный вентиль 7, после расширительного вентиля 7 в контуре 1 холодильной установки установлен испаритель 8. Под переохладителем жидкого хладагента 4 установлен поддон для сбора воды 9. На выходе из поддона 9 переохладителя 4 установлен побудитель расхода жидкости 10, выход которого связан трубопроводом с оросителем 11 с форсунками, размещенным между газожидкостным теплообменником 5 и побудителем расхода воздуха 5. Поддон для сбора хладоносителя (воды) 9 гидравлически связан с регулятором уровня хладоносителя 12, последний в свою очередь связан с датчиком уровня хладоносителя 13.
Работает предлагаемый переохладитель жидкого хладагента в контуре холодильной установки следующим образом.
В контуре 1 холодильной установки компрессор 2 сжимает хладагент до рабочего давления (конкретное значение зависит от типа хладагента, типа компрессора и ряда других причин), при этом температура сжатого хладагента повышается до значений 70-80°C. Хладагент с такой температурой поступает в конденсатор 3, где он за счет воздушного или водяного охлаждения конденсируется, превращаясь в жидкий хладагент с температурой 40-45°C на выходе из конденсатора 3. Хладагент с такой температурой поступает далее в переохладитель жидкого хладагента 4, где его температура понижается на 10÷20°C за счет его охлаждения путем орошения поверхности газожидкостного теплообменника 5 водой из форсунок оросителя 11. Интенсивное охлаждение хладагента осуществляется за счет одновременного воздействия на теплообменную поверхность газожидкостного теплообменника 5 потоком распыленной оросителем 10 хладоносителя (воды) и встречного потока воздуха, создаваемого побудителем расхода воздуха 6. Доля испарившегося хладоносителя, в данном случае воды, (также могут быть водные растворы низкотемпературных хладоносителей, позволяющих работать переохладителю при отрицательных температурах окружающего воздуха) зависит от температуры и влажности окружающего воздуха, от температуры конденсации и конструкции газожидкостного теплообменника 5, типа и расхода жидкого хладагента, а также расхода воздуха, продуваемого навстречу орошаемому потоку через газожидкостный теплообменник 5. Хладоноситель (вода) после охлаждения газожидкостного теплообменника 5 переохладителя жидкого хладагента 4 стекает в поддон для сбора хладоносителя (воды) 9, из которого побудителем расхода хладоносителя 10 снова подается в ороситель 11. Испарившаяся часть 2-5% хладоносителя (воды) компенсируется из системы водоснабжения через регулятор уровня хладоносителя (воды) 12, работающий по сигналу датчика регулятора уровня хладоносителя (воды) 13. Регулятор уровня 13 поддерживает в поддоне 8 уровень воды, необходимый для бесперебойной работы побудителя расхода хладоносителя 10.
Использование данного переохладителя жидкого хладагента в холодильной установке или позволяет снизить энергетические затраты на переохлаждение хладагента за счет использования более эффективного оросительного теплообмена и использования оборотного водоснабжения с циркуляционным насосом и частичной подпиткой от системы внешнего водоснабжения(например, скважины), что ведет к уменьшению количества потребляемой воды. Это снижает энергопотребление глубинных насосов, подающих воду из скважины. Энергопотребление скважинных насосов в разы больше, чем энергопотребление циркуляционных насосов с одинаковой объемной производительностью, за счет того что скважинные насосы имеют в разы больший напор, по сравнению с циркуляционными насосами. Эксперименты показали, что потери воды от испарения, капельного уноса со встречным воздушным потоком не превышает 3-4% от общего объема циркулирующей воды. Именно столько воды надо добавлять в переохладитель глубинным насосом. Вся остальная циркуляция хладоносителя осуществляется насосом с малым напором, например 1-3 м, тогда как скважинные насосы поднимают воду с глубин от 20 до 100 м. Эксплуатация такого переохладителя в холодильной установке показала увеличение удельного холодильного коэффициента на 5-7% по сравнению с переохладителем-прототипом. Учитывая, что потребляемая мощность коммерческих и промышленных холодильных машин начинается от сотен киловатт, то увеличение удельного холодильного коэффициента холодильной установки на 5÷7% в итоге дают существенную годовую экономию.