СИСТЕМА БЫСТРОГО РАЗМОРАЖИВАНИЯ
FAST DEFROSTING SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Это изобретение относится к системе быстрого размораживания для размораживания испарителей в испарительно-компрессионных холодильных установках. Как будет объяснено более полно в данном документе, изобретение применимо к непосредственному испарению, затопленному испарителю и системам охлаждения с форсированной подачей жидкости.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Во многих применениях испарительно-компрессионных холодильных установок испаритель используется, чтобы охлаждать воздух, среди прочего, в холодильных камерах, охлаждаемых витринах супермаркета, низкотемпературных домашних холодильниках и тепловых насосах, использующих теплоту воздуха. В таких применениях внешние поверхности испарителя покрываются льдом во время работы вследствие конденсации и замерзания водяного пара в атмосфере. Обледенение отрицательно влияет на характеристики теплообмена, и потребление энергии компрессора растет, чтобы компенсировать потерю эффективности испарителя. Все такие системы, поэтому, спроектированы, чтобы периодически размораживать испаритель для того, чтобы восстанавливать характеристики и минимизировать эксплуатационные расходы.
Обычные способы размораживания включают в себя, в порядке скорости размораживания: приостановление процесса охлаждения, в то время как электрические нагреватели, присоединенные к испарителю, используются, чтобы расплавлять и сбрасывать накопившийся лед; приостановление эффекта охлаждения, но компрессор при этом все еще работает, забор горячего газа, выводимого по дополнительной линии, к испарителю в течение времени, достаточного, чтобы расплавлять и сбрасывать лед; приостановление эффекта охлаждения и использование окружающего воздуха, чтобы расплавлять лед. Чтобы минимизировать рост температуры в охлаждаемых продуктах, время размораживания должно быть коротким, так что в пищевых применениях чаще всего используется электрическое размораживание. Однако электрическое размораживание и размораживание горячим газом, помимо прочего, влечет за собой расходы с точки зрения используемой избыточной энергии.
WO 2009034300 A1 раскрывает льдогенератор, который включает в себя испарительно-компрессионную холодильную установку, имеющую несколько испарителей. Относительно горячий хладагент из конденсатора протекает через размораживающий ресивер перед прохождением через испарители. Отдельные испарители могут быть разморожены посредством системы клапанов, которая соединяет испаритель с размораживающим ресивером, чтобы предоставлять возможность горячей жидкости проходить термосифонным образом из размораживающего ресивера в испаритель, а жидкому хладагенту в испарителе возвращаться посредством силы тяжести в размораживающий ресивер. Однако в такой системе продолжительность периода размораживания является относительно неважной, поскольку оставшиеся испарители будут продолжать работать.
Настоящее изобретение стремится предоставить новую и патентоспособную форму системы размораживания, которая может обеспечивать более быстрое и энергетически эффективное размораживание испарителя, чем было возможно до этого времени.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает испарительно-компрессионную холодильную установку, включающую в себя компрессор, выполненный с возможностью выполнять рециркуляцию хладагента через конденсатор, расширительное устройство и испаритель, в которой относительно горячий хладагент из конденсатора протекает через размораживающий ресивер перед прохождением через расширительное устройство, и, в фазе размораживания, клапанный механизм соединяет испаритель с размораживающим ресивером, чтобы создавать контур размораживания, который предоставляет возможность горячей жидкости проходить из размораживающего ресивера в испаритель, а жидкому хладагенту в испарителе протекать в размораживающий ресивер, установка характеризуется тем, что холодильная установка сконструирована и работает так, что, в фазе перед размораживанием, клапанный механизм закрывает жидкостный вход в испаритель и компрессор работает, чтобы частично опорожнять испаритель, прежде чем испаритель соединяется с размораживающим ресивером.
Изолируя вход в испаритель перед началом фазы размораживания и предоставляя возможность компрессору устранять хладагент из испарителя, начало фазы размораживания вызывает закипание горячего хладагента и приводит в результате к немедленному быстрому заполнению испарителя паром горячего хладагента. Изобретение, следовательно, предоставляет средство размораживания испарителя, которое использует минимальное количество полезной энергии от системы и которое также предоставляет возможность значительного сокращения периода размораживания. В пищевых применениях, следовательно, изобретение минимизирует отклонения от идеальной температуры хранения продукта.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Последующее описание и сопровождающие чертежи, на которые дается ссылка в данном документе, включены в качестве неограничивающего примера для того, чтобы иллюстрировать то, как изобретение может быть применено на практике. На чертежах:
Фиг.1 - это схема известной формы испарительно-компрессионной холодильной установки, на которой основано настоящее изобретение;
Фиг.2 - это схема первого такого холодильного контура, включающего в себя систему размораживания в соответствии с изобретением;
Фиг.3 - это схема второго такого холодильного контура, включающего в себя систему размораживания в соответствии с изобретением;
Фиг.4 - это модифицированная форма холодильного контура, показанного на Фиг.3;
Фиг.5 - это модифицированная форма холодильного контура, показанного на Фиг.2, который может быть использован со множеством испарителей; и
Фиг.6 показывает дополнительную модификацию, которая применена к холодильному контуру на Фиг.5.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает широко используемый механизм непосредственного охлаждения, к которому настоящее изобретение может быть применено, содержащий замкнутый холодильный контур, в котором компрессор 1 повышает давление хладагента в паровой фазе. Горячий перегретый газ, покидающий компрессор, проходит в конденсатор 2, в котором происходит устранение перегрева и дополнительное охлаждение. Теплый жидкий хладагент высокого давления затем проходит в емкость 3 ресивера жидкости, действующую в качестве резервуара хладагента. Жидкость из резервуара подается в расширительное устройство 4, где быстрое падение давления создает двухфазный поток холодного пара и жидкости, который затем входит в нижнюю часть испарителя 5. Испарение жидкой фазы заканчивается в испарителе, так что достигается требуемый охлаждающий эффект. Холодный переохлажденный пар с верхнего выхода испарителя 5 затем возвращается к входному отверстию компрессора 1 через впускной трубопровод компрессора, и цикл повторяется.
Сейчас будут описаны различные варианты осуществления изобретения, которые добиваются быстрого энергоэффективного размораживания испарителя в такой холодильной системе. В последующем описании и чертежах ссылочные номера, использованные на Фиг.1, применяются к соответствующим элементам в холодильной системе.
В первом варианте осуществления, который показан на Фиг.2, размораживающий ресивер 6 вставляется в поток жидкости между основным жидкостным резервуаром 3 и расширительным устройством 4, которым может быть расширительный клапан. Запорный клапан 7 вставляется на пути потока между ресивером 3 и размораживающим ресивером 6, и изолирующий клапан 8 вставляется между выходом испарителя 5 и входным отверстием компрессора 1. Сливной клапан 9 подключается параллельно с расширительным клапаном 4, а клапан 10 размораживания подключается между верхом размораживающего ресивера 6 и выходом испарителя 5. Во время нормальной работы расширительный клапан 4 и клапаны 7 и 8 открыты, а клапаны 9 и 10 закрыты, давая в результате контур потока хладагента, который является, по существу, таким же, что и показанный на Фиг.1. Как пояснено ранее, однако, нормальная работа контура будет приводить к обледенению снаружи испарителя вследствие конденсации атмосферного водяного пара.
Когда требуется размораживание испарителя, расширительный клапан 4 сначала закрывается, чтобы закрывать жидкостное входное отверстие испарителя, в то время как компрессор 1 продолжает работать. Впускной трубопровод к компрессору продолжает получать пар хладагента от испарителя 5, вызывая частичное опустошение испарителя. После достаточного периода времени клапаны 7 и 8 закрываются, а клапан 10 открывается, предоставляя возможность жидкому хладагенту высокого давления в размораживающем ресивере 6 быстро перебрасываться в испаритель 5, который находится при очень низком давлении. (Компрессор может быть выключен во время этой фазы.) Пар хладагента конденсируется в испарителе, высвобождая скрытое тепло и перенося его с высокой эффективностью теплопередачи до тех пор, пока давления в испарителе 5 и размораживающем ресивере 6 не уравняются, причем в этот момент спускной клапан 9 открывается, чтобы предоставлять возможность жидкому хладагенту в испарителе стекать обратно в ресивер 6 под действием силы тяжести. Когда температура жидкости в ресивере 6 падает до предварительно определенного уровня, указывающего, что размораживание завершено, клапаны 9 и 10 закрываются, а клапаны 4, 7 и 8 открываются, и нормальная работа холодильного контура возобновляется.
В дополнительном улучшении системы размораживания в соответствии с изобретением энергия тепла, извлеченная из горячего жидкого хладагента и доступная для размораживания, может быть увеличена посредством блока 11 фазового превращения, содержащегося в размораживающем ресивере 6. Подходящий легко изменяющий фазу носитель заключен в блоке 11 фазового превращения, так что во время нормальной работы горячий жидкий хладагент протекает в соприкосновении с блоком фазового превращения, растапливая легко изменяющий фазу материал и сохраняя энтальпию от потока жидкого хладагента в качестве скрытого тепла. Во время стадии размораживания накопленная тепловая энергия высвобождается в поток хладагента, циркулирующего в замкнутом контуре, тем самым, ускоряя процесс размораживания. Результатом такого извлечения тепла из потока горячего жидкого хладагента является увеличение термодинамического КПД всего холодильного контура за счет более эффективного процесса испарения, который в значительной степени компенсирует избыточную энергию, необходимую для повторного охлаждения испарителя после размораживания. Энергозатраты процесса размораживания, таким образом, минимизируются.
Во втором варианте осуществления изобретения, который показан на Фиг.3, жидкостный резервуар 3 выполнен с возможностью выступать в качестве размораживающего ресивера. Испаритель находится на более высоком уровне, чем ресивер, и расширительное устройство 4 является устройством типа, который может быть полностью открытым, чтобы устранять ограничение, например, расширительным клапаном, приводимым в действие посредством шагового электромотора. Изолирующий клапан 12 во впускном трубопроводе компрессора открыт, когда компрессор работает, и закрыт в другие моменты времени. Клапан 13 размораживания соединяет выход испарителя с верхом ресивера 3 и закрыт при нормальной работе. Когда размораживание инициируется, расширительный клапан 4 полностью закрыт в течение периода, чтобы предоставлять возможность испарителю опустошаться через впускной трубопровод. Компрессор 1 затем выключается, и клапан 12 закрывается. Расширительный клапан 4 полностью открывается, чтобы предоставлять возможность горячей жидкости стекать обратно в жидкостный резервуар, а клапан 13 открывается, предоставляя возможность пару с верха ресивера 3 перебрасываться в частично опустошенный испаритель. Поскольку испаритель находится выше ресивера, и трубопровод от ресивера 3 через расширительный клапан 4 полон жидкости, поток будет устанавливаться от испарителя через расширительный клапан обратно в ресивер 3. Пар будет продолжать протекать из ресивера 3 через клапан 13 размораживания в испаритель 5, где он будет конденсироваться, и сконденсированная жидкость будет затем протекать обратно в ресивер 3 через расширительный клапан 4.
В вариации этого варианта осуществления теплообменник 14, содержащий легко изменяющий фазу носитель, может быть добавлен между ресивером 3 и расширительным клапаном 4. Это увеличивает способность к аккумулированию энергии, в то же время минимизируя количество хладагента в системе. Альтернативно, как показано на Фиг.4, теплообменник 15 типа жидкость-в-жидкость может быть использован. Второй контур теплообменника соединяется с насосом 16, который осуществляет циркуляцию незамерзающей жидкости из отдельного бачка 17 в замкнутом контуре, таким образом, действуя, чтобы увеличивать теплоаккумулирующую способность системы размораживания.
В холодильных установках с несколькими испарителями, питаемыми от общего подвода жидкости и впускных коллекторов, таких как используемые в витринах супермаркетов или средствах холодильного хранения, может быть использован вариант осуществления изобретения, показанный на Фиг.5. Каждый из отдельных испарителей 5 и ассоциированных контуров размораживания, сконструированных и работающих, как ранее описано относительно Фиг.2, соединен с общим жидкостным коллектором 18 и впускным коллектором 19. Следует отметить, что в этом случае каждый испаритель 5 ассоциируется со своим размораживающим ресивером 6, так что быстрое размораживание отдельных испарителей может иметь место, как описано. В вариантах осуществления, описанных выше, испаритель 5 должен быть выше, чем модуль накопления тепла, сформированный посредством размораживающего ресивера 6 и блока 11 фазового превращения (если предусмотрен), так что жидкий хладагент может возвращаться в ресивер 6 под действием силы тяжести. Фиг.6 показывает, как это требование может быть устранено посредством добавления насоса 20 последовательно с клапаном 9 между жидкостным выходом из испарителя 5 и размораживающим ресивером 6. Насос 20 будет возвращать холодный жидкий хладагент из испарителя 5 в теплоресивер 6, 11, где он может испаряться и возвращаться в испаритель в качестве пара. Также следует отметить, что с такой конфигурацией клапан 9 может быть заменен перепускным клапаном, устраняющим требование приведения в действие посредством системы управления охлаждением. Хотя конкретные примеры, описанные выше, применяются к системам охлаждения типа непосредственного охлаждения, который поддерживает постоянный перегрев на выходе испарителя, изобретение может также быть применено к затопленному испарителю и системам охлаждения с форсированной подачей жидкости. В таких системах испаритель снабжается жидким хладагентом и наполняется кипящим хладагентом, так что смесь жидкого хладагента и пара хладагента выходит из испарителя. Это требует добавления сборника жидкости на стороне низкого давления во впускном трубопроводе, так что жидкость может быть отделена от пара, который возвращается в компрессор. Предусмотренное возвращение в сборник жидкости находится выше уровня жидкости в испарителе, вся жидкость в испарителе должна испаряться, когда подача жидкости в испаритель прекращается во время фазы перед размораживанием. Клапанный механизм может быть необходимо модифицировать, но основной принцип частичного опустошения испарителя, за которым следует быстрое заполнение горячим хладагентом из трубопровода подачи жидкости, все еще будет применяться.
В каждом варианте осуществления изобретения тепловая энергия, извлеченная из горячего жидкого хладагента, может быть увеличена посредством электрической энергии, подаваемой посредством резистивного нагревателя, расположенного в или около размораживающего ресивера с целью ускорения процесса размораживания.
Момент и последовательность срабатывания клапана, определение размеров и позиционирование размораживающего ресивера относительно испарителя и использование улучшения теплоемкости посредством материалов с легким переходом из одной фазы в другую, вспомогательной схемы циркуляции жидкости или электрической энергии, могут быть оптимизированы для максимальной общей эффективности системы.
Тип клапанов, которые могут быть применены в холодильных блоках, описанных выше, включают в себя, среди прочего, обратные клапаны, соленоидные клапаны, расширительные клапаны и трехходовые клапаны.
Система управления, применяемая, чтобы управлять работой систем охлаждения, описанных выше, будет инициировать и завершать процесс размораживания на основе информации, предоставляемой датчиками температуры и давления, установленными повсюду в ключевых местах в контурах циркуляции хладагента.
В то время как вышеприведенное описание обращает внимание на области, которые, как предполагается, являются новыми, и устраняет конкретные проблемы, которые были идентифицированы, подразумевается, что признаки, раскрытые в данном документе, могут быть использованы в любой комбинации, которая способна обеспечивать новое и полезное улучшение в области техники.