СПОСОБ РАБОТЫ ПАРОКОМПРЕССИОННОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
VAPOUR COMPRESSION COOLING UNIT OPERATING METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к технике и физике низких температур, энергетике и компрессоростроению, и в частности к холодильным установкам и системам кондиционирования.
Предшествующий уровень техники
Известен способ работы парокомпрессионного холодильника и кондиционера, холодильный цикл которого включает процесс сжатия и расширения - дросселирования рабочего тела - хладона, а также процессы теплообмена хладона с окружающей средой при его конденсации в конденсаторе и теплообмена хладона с низкотемпературным источником тепла при его испарении в испарителе холодильной камеры или воздухоохладителе.
Известно также устройство парокомпрессионного холодильника и кондиционера, содержащих компрессор с подключенными к нему на входе испарителем и на выходе конденсатором, а между ними с другой стороны контура расположен дроссель - капиллярная трубка, соединенные между собой трубопроводами, и образующими единый замкнутый контур, в котором циркулирует хладон (см., например. Холодильные машины. Под общей редакцией И.А.Сакуна. Л.: Машиностроение, ЛО, 1985. - 511 с.).
Основным недостатком способа работы таких парокомпрессионных холодильников и кондиционеров является осуществление процесса сжатия хладагента, как правило, только в области газа путем силового взаимодействия рабочего тела - хладона с движущимся поршнем, винтами или лопатками рабочего колеса. Такой процесс сжатия проводится в механических компрессорах: поршневом, винтовом, спиральном турбокомпрессоре или других типах, приводимых в действие, как правило, от электродвигателя. Для нормальной работы таких компрессоров, их механизмов движения и систем поршень - цилиндр или винты - корпус и снижения механических потерь при движении трущихся пар рабочее тело - хладон растворяют в минеральных или синтетических маслах. Растворение хладона в маслах необходимо, с одной стороны, для смазки движущихся и трущихся частей и механизмов с целью уменьшения потерь на трение, с другой стороны, - приводит к значительному снижению эффективности процесса теплообмена как в конденсаторе, так и испарителе, а также эффекта дросселирования хладона в дросселе. Коэффициент теплоотдачи в зависимости от доли содержания масла в хладоне понижается на порядок по сравнению с чистым хладоном. При этом чем ниже температура хладона и большая доля содержания масла, тем значительнее снижение коэффициента теплоотдачи (см., например, М.З.Мельцер. Смазка фреоновых холодильных машин. М.: «Пищевая промышленность». 1969. - 133 с.).
Кроме этого, работа, пуск и остановка механических компрессоров сопровождаются относительно большими шумами и вибрацией, приводящими к вибрации всей установки. Особенно большие шумы и вибрация наблюдаются при включении и выключении компрессоров, что производится относительно часто в связи с необходимостью регулирования холодопроизводительности установок. Процесс регулирования холодопроизводительности холодильников и кондиционеров с помощью включения и выключения компрессоров, кроме шумов и вибрации, сопровождается резким повышением силового электрического тока, что негативно отражается как на работе двигателя, так и на эффективности работы и надежности компрессора и установки в целом.
Помимо этого, как компрессор, так и вся установка должны быть абсолютно герметичны, что достигается существенным усложнением конструкции механических компрессоров, которые, как правило, имеют утечки хладона.
Известный способ получения холода (А.с. 1550294 СССР, МКИ F25B 1/00) и способ работы холодильной установки (А.с. 1188468 СССР, МКИ F25B 1/00), в которых, в первом способе для улучшения теплообмена и дросселирования - расширения, а также снижения энергозатрат масло выводят из циркулярного контура перед испарителем путем охлаждения смазывающей жидкости и перевода масла в твердую фазу посредством теплообмена ее с парами хладона в дополнительном нагревателе; во втором способе с целью повышения экономичности и эксплуатационной надежности при работе на хладоне масло отделяют из общего потока хладона в процессе его разделения на несколько потоков, после чего в каждый образовавшийся поток добавляют часть отделенного масла, для чего необходима установка с несколькими параллельно включенными компрессорами.
К недостаткам таких способов охлаждения, кроме уже упомянутого регулирования холодопроизводительности путем включения и выключения компрессора, можно отнести существенное усложнение процесса из-за установки дополнительного оборудования для уменьшения отрицательного воздействия масла на процесс теплообмена.
Известна парокомпрессионная холодильная машина (А.с.1815536 СССР, МКИ F25B 1/00), в которой для снижения эксплуатационных затрат путем исключения смазки применяют жидкостно-кольцевой компрессор. Однако в такой парокомпрессионной холодильной машине смазка полностью не исключается. Она используется для смазки механизма движения, и часть смазки попадает в хладон через зазоры между ротором и корпусом компрессора. Кроме этого, процесс сжатия хладона, находящегося в газовом состоянии, в таком компрессоре осуществляется с низким КПД. При этом в процессе сжатия затрачивается дополнительная работа, необходимая для сжатия циркуляционной жидкости. Поэтому для осуществления работы такой парокомпрессионной установки требуется дополнительный циркуляционный контур со вторым дроссельным вентилем.
Раскрытие изобретения
Задачей заявленной группы изобретений является создание парокомпрессионного холодильника с высоким значением коэффициента теплопередачи в конденсаторе и испарителе при небольшой теплообменной поверхности.
Технический результат, заключающийся в устранении указанных выше недостатков в способе работы парокомпрессионной холодильной установки, включающем процессы сжатия и расширения посредством дросселирования рабочего тела, которым является хладон, теплообмен хладона с окружающей средой при его конденсации в конденсаторе и теплообмен хладона с низкотемпературным источником тепла при его испарении в испарителе, достигается тем, что сжатие хладона как в области газов, так и в двухфазной области влажного пара осуществляют в компрессоре посредством силового взаимодействия униполярно заряженного потока хладона с электрическим полем за счет вязкостного взаимодействия заряженных частиц-ионов с дейтральными молекулами хладона, который не растворяется ни в минеральных, ни в синтетических маслах, а режим его работы и регулирование осуществляют изменением напряжения источника питания, изменяющим расход хладона, его давление и температуру конденсации.
Технический результат, заключающийся в устранении указанных выше недостатков в холодильной установке, содержащей источник сжатия хладона, представляющий собой компрессор, конденсатор, испаритель, между которыми с одной стороны, установлен дроссель, представляющий собой капиллярную трубку, с другой стороны - компрессор, которые соединены между собой в единый замкнутый контур, где циркулирует рабочее тело, представляющее собой хладон, достигается тем, что компрессор является многоступенчатым с последовательно установленными ступенями в едином сужающемся канале с диэлектрическими стенками, содержащими эмиттерные и коллекторные электроды, подсоединенные к источнику высоких температур.
Компрессор и источник высокого напряжения размещены в едином герметичном металлическом кожухе в среде рабочего тела, представляющего собой хладон.
Кроме этого, отсутствие масла в хладоне приводит к улучшению теплообмена как в конденсаторе, так и испарителе, повышает дроссель-эффект расширения хладона в дросселе - капиллярной трубке.
Кроме выше перечисленных преимуществ, повышение энергетической эффективности холодильной установки возможно при относительно высоком значении КПД ЭГД-компрессора, который достигается оптимальной конструкцией профилей и размерами всех каналов и систем электродов, установленных в проточной части.
В предложенной конструкции парокомпрессионного холодильника и кондиционера источник высокого напряжения (ИВН) размещен совместно с ЭГД компрессором в едином металлическом герметичном кожухе, в среде рабочего тела - хладона. Указанные особенности заявляемых парокомпрессионных холодильника и кондиционера, где процесс сжатия осуществляется в ЭГД-компрессоре со ступенями специальной конструкции, обеспечивает целый ряд их преимуществ.
Размещение в одном металлическом корпусе и компрессора, и ИВН, с одной стороны, приводит к полному экранированию электрического поля, возникающего как в самом ИВН, так и в ЭГД-компрессоре, и ликвидации силового высоковольтного кабеля, соединяющего ИВН с ЭГД-компрессором; с другой, - размещение ИВН непосредственно в рабочей среде - хладоне приводит к существенному увеличению электрической прочности ИВН и уменьшению утечек тока во внешнюю среду в высоковольтной части ИВН.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, на которых схематично показаны способ работы и устройство парокомпрессионного холодильника и кондиционера:
на фиг.1 - холодильный цикл в диаграмме lg p-i с процессом сжатия в многоступенчатом ЭГД-компрессоре;
на фиг.2 - схема холодильного цикла парокомпрессионного холодильника и кондиционера с ЭГД-компрессором;
на фиг.3 - расположение ИВН и ЭГД-компрессора в едином металлическом кожухе и схема питания ступени ЭГД-компрессора высоковольтным напряжением;
на фиг.4 - расходно-напорные характеристики ЭГД-компрессора и циркуляционного контура - гидравлической сети, а также зависимости КПД ЭГД-компрессора от расхода хладона.
Работа парокомпрессионного холодильника и кондиционера осуществляется с помощью холодильного цикла (фиг.1), включающего процессы сжатия 1-2 и расширения - дросселирования 3-4 рабочего тела - хладона, теплообмена его с окружающей средой 2-3 и низкотемпературным источником тепла 4-1. Все эти процессы происходят в элементах циркуляционного контура 1 (фиг.2), заполненного хладоном типа углеводородов или их смесей, не растворенных в масле. Основными элементами циркуляционного контура являются многоступенчатый ЭГД-компрессор 2, питаемый от источника высокого напряжения (ИВН) 3, конденсатор 4, дроссель или капиллярная трубка 5, испаритель 6.
ЭГД-компрессор (фиг.3) представляет собой многоступенчатое устройство, состоящее из специально спрофилированного изолированного канала 7, в котором последовательно установлены однотипные ступени 8, содержащие эмиттерные (эмиттеры) 9 и коллекторные 10 электроды специальной конструкции, которые через шины 11 и 12 подсоединены к источнику высокого напряжения (ИВН). И ЭГД-компрессор, и ИВН расположены в металлическом кожухе 13, который заполняется рабочим телом - хладоном до необходимого уровня через отверстие 15. ИВН, в свою очередь, через выходящие клеммы 14 подключен к электрической сети.
В едином герметичном металлическом кожухе имеется отверстие-вход, куда подается хладон, который заполняет весь внутренний объем, отверстие-канал 16, через который хладон всасывается в ЭГД-компрессор. Сжатый хладон из ЭГД-компрессора через нагнетательный трубопровод 17 далее направляется в конденсатор.
φ0
φ0
На фиг.4 показаны расходно-напорные характеристики многоступенчатого ЭГД-компрессора при различных напряжениях питания U=20, 25, 30, 35 кВ, которые представляют собой зависимости развиваемого перепада давлений Δр от массового расхода m при постоянном напряжении питания U, а также сопротивление циркуляционного контура - гидравлической сети от расхода m и зависимости адиабатного КПД от расхода m.
Работа парокомпрессионного холодильника и кондиционера с ЭГД-компрессором
Работа парокомпрессионного холодильника и кондиционера с ЭГД-компрессором осуществляется следующим образом.
Циркуляционный контур 1 (фиг.2), заполненный хладоном типа углеводороды или их смеси, но не растворенные в масле, включает в себя электрогазодинамический (ЭГД) компрессор 2, "питаемый от источника высокого напряжения (ИВН) 3, конденсатор 4, дроссельный вентиль или дроссельную трубку 5 и испаритель 6.
1
2
i
0
0
Для обеспечения работы холодильного цикла, показанного на фиг.1, хладон сжимается в ЭГД-компрессоре от давления p до Давления р. В отличие от механических компрессоров, применяемых в холодильных установках, процесс сжатия (процесс 1-2, фиг.1) осуществляется в многоступенчатом ЭГД-компрессоре путем силового взаимодействия униполярно заряженного потока хладона электрическим полем за счет вязкостного взаимодействия заряженных частиц-ионов с нейтральными молекулами рабочего тела. Зарядка частиц-ионов и процесс ЭГД-преобразования энергии в рабочей зоне каждой ступени 8 многоступенчатого ЭГД-компрессора осуществляется в результате создания в межэлектродном пространстве резконеоднородного электрического поля путем подачи напряжения от источника высокого напряжения (ИВН) 3. Для эффективного процесса ЭГД-преобразования в ступенях ЭГД-компрессора их электроды и каналы устроены специальным образом и позволяют создать определенный перепад давления Δp и массовый m или объемный V расход хладона в каждой ступени с относительно высоким адиабатным КПД, от 30% до 60%.
i
0
o
Процесс ЭГД-преобразования энергии в ступенях ЭГД-компрессора происходит без механических посредников. В процессе ЭГД-преобразования внутренняя энергия заряженных частиц-ионов и электрического поля непосредственно преобразуется в потенциальную и кинетическую энергию потока рабочего тела - хладона, которая проявляется в создании определенного перепада давления Δp и расхода m (V) в каждой ступени (фиг.3).
В ЭГД-компрессоре полностью отсутствуют движущиеся механические части, поэтому нет необходимости растворять хладоны в минеральных или синтетических маслах.
φ0
0
i
При этом режим работы и регулирование ЭГД-компрессора, как и холодопроизводительность всей холодильной установки, производится изменением напряжения питания ИВН плавно и с высокой точностью. Это хорошо видно из расходно-напорных характеристик ступеней ЭГД-компрессора (фиг.4), где с изменением напряжения питания U изменяются и расход хладона m в холодильной установке, и развиваемый перепад давления Δp в ступенях.
Процесс сжатия хладона в ЭГД-компрессоре примечателен также тем, что его можно проводить как в газовой области (процесс 1''-2'', фиг.1), так и двухфазной области влажного пара (процесс 1'-2' фиг.1). При этом в двухфазной области процесс сжатия хладона, как показывают и расчеты, и эксперименты, проводится эффективнее, чем в газовой области. Работа сжатия в двухфазной области на 10-20% меньше, чем в газовой области. Это позволяет построить холодильный цикл с ЭГД-компрессором, близкий к наиболее эффективному обратному циклу Карно.
i
Более эффективная работа ЭГД-компрессора в области влажного пара объясняется тем, что имеющие место в процессе сжатия капли жидкости являются центрами конденсации на них образующихся зарядов-ионов. В результате появляются крупные заряженные комплексы, имеющие малую подвижность. Уменьшение подвижности зарядов, в свою очередь, существенно сказывается на повышении эффективности процесса ЭГД-сжатия. Увеличивается образующийся перепад давления Δp в каждой отдельной ступени, но при меньших значениях конвективного тока, т.к. в присутствии жидкой фазы возникающий конвективный ток имеет меньшую величину.
Очень важным в работе предложенной холодильной установки „является также то, что процесс сжатия в ЭГД-компрессоре происходит практически бесшумно, при полном отсутствии вибрации в системе.
к
o.c.
1
После ЭГД-компрессора сжатый газ до давления р2, определяемого температурой конденсации t и температурой окружающей среды t, поступает в конденсатор 4 (фиг.2), где хладон охлаждается и конденсируется, в результате чего в окружающую среду от хладона отводится тепло q, приходящееся на 1 кг хладона. Процесс охлаждения и конденсации чистого хладона, не растворенного в масле (процесс 2-3, фиг.1), происходит в конденсаторе значительно эффективнее, чем смеси хладона с маслом. Коэффициент теплоотдачи у чистого хладона в 2-5 раз выше, что позволяет значительно уменьшить поверхность теплообмена конденсатора, или при той же поверхности теплообмена хладон существенно переохладится (процесс 3'-3, фиг.1), что увеличит холодопроизводительность установки.
1
u
0
1
0
1
0
2
После конденсатора сконденсированный и охлажденный хладон направляется в дроссель - капиллярную трубку 5 (фиг.2), где происходит процесс дросселирования (процесс 3-4, фиг.1). Дроссель-эффект чистого хладона существенно выше, чем с маслом. В этом случае весь хладон после дросселирования до давления p приобретает температуру насыщения t=t, соответствующую давлению p=р. Далее хладон при давлении p и температуре насыщения t направляется в испаритель 6 (фиг.2) или воздухоохладитель, за счет подвода низкотемпературного тепла, равного холодопроизводительности q, приходящий на 1 кг хладона, в холодильной камере хладон испаряется (процесс 4-1, фиг.1).
2
Процесс испарения чистого хладона происходит более интенсивно, чем смеси хладона с растворенным маслом, из-за более высокого коэффициента теплоотдачи. Это позволяет при той же поверхности испарителя и том же количестве подведенного тепла q испарить в холодильной камере больше хладона и увеличить холодопроизводительность установки.
2
0
φ0
φ0
φ0
0
φ0
0
φ0
При необходимости увеличить холодопроизводительность установки q=q, необходимо увеличить расход хладона через ЭГД-компрессор и всю холодильную установку. Это возможно сделать увеличением напряжения питания U ЭГД-компрессора (см. фиг.4), где приведены расходно-напорные характеристики ступени при различных напряжениях питания U=20, 25, 30, 35 кВ. Здесь же приведена характеристика сети - кривая 4, пересечение которой с расходно-напорными характеристиками показывает рабочие точки компрессора. Увеличив напряжение U от 30 кВ до 35 кВ, расход m увеличится с 5 до 5,6 г/с. Соответственно, холодопроизводительность установки увеличится 1,12 раза. При необходимости уменьшить холодопроизводительность снижаем напряжение U с 30 кВ до 25 кВ, расход m уменьшится с 5 г/с до 4,2 г/с, соответственно холодопроизводительность снизится до 1,2 раза. В этих пределах напряжения U=20-35 кВ возможно регулирование холодопроизводительности в любых пределах, как очень малых, так и относительно больших с высокой точностью.
0
i
s
Однако, для достижения соответствующих расходов m, перепадов давлений Δp и таких значений адиабатного КПД, на уровне η=30÷60%, необходима специальная конструкция системы электродов и проточной части ступени ЭГД-компрессора.
1
2
2
2
В предложенной конструкции парокомпрессионного холодильника и кондиционера ИВН 3 размещен совместно с ЭГД-компрессором 2 (фиг.2) в едином металлическом и герметичном кожухе 13 (фиг.3), заполненном хладоном. Хладон поступает внутрь кожуха через отверстие 14, проходит внутри и снаружи ИВН 3, а при необходимости и через специальные отверстия в корпусе и снаружи ЭГД-компрессора, и поступает на вход 15 ЭГД-компрессора. Проходя через ИВН и ЭГД-компрессор, хладон отводит от них тепло, возникшее в результате электрических потерь и проведения процесса адиабатного сжатия, и несколько подогревается. В ЭГД-компрессоре 2 хладон адиабатно сжимается во всех n ступенях от давления p до давления р и через выход 16 при давлении р и температуре t (фиг.1) поступает в конденсатор 4, где охлаждается и конденсируется, как описано ранее.
Размещение ИВН совместно с ЭГД-компрессором в металлическом кожухе, заполненном хладоном, решает сразу несколько задач:
- увеличивает электрическую прочность ИВН;
- экранирует электрическое поле, имеющее место и в ЭГД-компрессоре, и в ИВН;
- увеличивает электрическую прочность пространства между высоковольтными и низковольтными (земля) электродами, находящимися вне проточной части ЭГД-компрессора;
- отводит тепло сжатия в ЭГД-компрессоре;
- отводит тепловые потери, возникающие в ИВН.
Промышленная применимость
Указанные особенности в предлагаемых способе работы и устройстве парокомпрессионных холодильника и кондиционера с многоступенчатым ЭГД-компрессором и применение чистых хладонов, не растворенных в масле, позволяют обеспечить, по сравнению с традиционными парокомпрессионными холодильными установками, работающими на основе металлических компрессоров, следующие преимущества:
- полное отсутствие движущихся механических элементов, более высокие надежность и ресурс их работы;
- применение чистых хладонов при полном отсутствии минеральных и синтетических масел;
- более высокие значения коэффициентов теплоотдачи в конденсаторе и испарителе и, как следствие, меньшая теплообменная поверхность в них;
- полное отсутствие вибраций, практически бесшумная работа ЭГД-компрессора и установки в целом;
φ0
- возможность прецизионной автоматической или программной регулировки холодопроизводительности с помощью изменения питающего напряжения U ИВН;
0
к
o.c.
- более высокое значение адиабатного КПД ЭГД-компрессора и более высокое значение холодильного коэффициента установки. Значение адиабатного КПД ЭГД-компрессора при оптимальных условиях достигают 30÷60%, величина холодильного коэффициента при стандартных температурах испарения t=-23,2°С и конденсации t=50°С при температуре окружающей среды t=32,3°С составляет 1,2÷1,3;
- меньший вес, т.к. основные элементы ЭГД-компрессора и его корпус изготавливаются из легких диэлектрических материалов;
- высокая технологичность, т.к. ЭГД-компрессор состоит из менее десятка унифицированных деталей, которые можно изготавливать массовым порядком.
Все эти преимущества позволяют предлагаемый способ работы и устройство парокомпрессионного холодильника и конденсатора с ЭГД-компрессором применить для производства нового поколения домашних холодильников до 300 Вт и выше, придать этим холодильным установкам и кондиционерам новые качества при меньших затратах на изготовление и обеспечить более дешевую цену.