ХОЛОДИЛЬНАЯ КАСКАДНАЯ УСТАНОВКА
CASCADE REFRIGERATING UNIT

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в системах кондиционирования, в пищевой и химической промышленности.
Задачей настоящего изобретения является исключение зависимости функционирования холодильной каскадной установки от температуры внешней природной среды при отводе в нее тепла, существенное уменьшение количества применяемых в ней промышленных хладагентов с одновременным ростом экологичности и термодинамической эффективности работы каскадной холодильной установки, снижение расхода подводимой извне работы для привода установки.
Уровень техники.
Известна холодильная каскадная установка с различными рабочими веществами, состоящая из двух одноступенчатых холодильных машин с замкнутыми контурами хладагентов, называемых нижней и верхней ветвью каскада и объединяемых общим конденсатором-испарителем. В нижней ветви каскада используется рабочее вещество низкого давления, которое получает тепло от источника низкой температуры в испарителе своего замкнутого контура и кипит, пар сжимается в компрессоре и направляется в общий конденсатор-испаритель, где конденсируется. Теплота конденсации рабочего вещества нижней ветви каскада отбирается рабочим веществом холодильной машины верхней ветви каскада, как правило, рабочим веществом среднего давления, которое кипит в конденсаторе-испарителе. Пары рабочего вещества верхней ветви каскада сжимаются компрессором с повышением их температурного потенциала выше аналогичных значений во внешней среде, после чего тепло этого каскада передается в окружающее пространство воздуху, или воде посредством теплопередачи (Н.Н.Кошкин, И.А.Сакун, Е.М.Бамбушек и др. Холодильные машины, Л., Машиностроение, 1985 г., с.91-96).
Известна холодильная установка, содержащая два контура хладагента, при этом первый и второй контуры одинаково содержат каждый - компрессор, конденсатор, испаритель и отделитель жидкого хладагента. В качестве аккумулятора холода второго - верхнего контура (каскада) используется емкость с жидкостью, аккумулирующей холод (например, водой), через которую пропущен теплообменник второго контура. В зависимости от внешних условий и состояния установки система автоматического регулирования выводит ее на необходимые режимы работы, такие как параллельная работа обоих контуров, кондиционирование с аккумуляцией холода, только аккумуляция холода, работа только первого контура, работа только второго контура (Патент США 5323618).
6
Наиболее близкой по своей сущности является холодильная установка, содержащая замкнутый контур (каскад) хладагента, в котором последовательно установлены компрессор, конденсатор, теплообменник, дроссельный вентиль и три параллельных испарителя, причем второй и третий испарители выполнены в виде технологического и режимного аккумуляторов холода (Патент РФ 2199706, МПК F25B 5/02. - Бюл. №6, 27.02.2003).
К недостаткам указанных устройств следует отнести зависимость температуры конденсации хладагента и температуры жидкого хладагента в верхнем каскаде от изменения температурных параметров внешней окружающей среды в течение года до плюс-минус 400% и более по отношению к среднегодовой температуре местности в °С, необходимость регулирования условий работы холодильной установки в столь широком ежегодном диапазоне изменения атмосферных температур, сопровождающихся значительным разбросом давлений в каскаде от 4 до 12 бар для большинства промышленно используемых хладагентов, многоступенчатость преобразования отбираемой тепловой энергии с промежуточным аккумулирующим устройством, которая сопровождается потерями и снижает кпд системы отбора тепла в целом, существенная сложность конструкции по причине заложенной в нее универсальности, обязательный температурный возврат замкнутых участков контуров каждого каскада к определенному диапазону их параметров в начале цикла, что понижает термодинамическую эффективность холодильной установки.
Раскрытие изобретения
Предлагаемое устройство основано на преимущественном использовании повсеместно доступных природных веществ - воды и воздуха в качестве экологически чистых хладагентов, поступающих из окружающей природной среды и возвращаемых в нее при реализации в холодильной машине разомкнутых контуров верхнего и нижнего каскадов. Устройство является синергетической системой, будучи по своему составу открытой динамической и неравновесной, которая обменивается энергией с окружающей средой без достижения с ней теплового уравновешивания.
Отличительные признаки заявленного технического решения от прототипа:
применение разрежения во всем внутреннем пространстве испарителя-конденсатора, полная независимость от температурных параметров окружающей природной среды, повышенная степень экологичности, обусловленная использованием воды и воздуха в качестве хладагентов, увеличение термодинамической эффективности холодильной каскадной установки в целом вследствие использования самого термодинамически выгодного и доступного вещества - воды, исключения промежуточных ступеней теплопередачи и применения разомкнутых каскадов, позволяющих обойтись без создания дополнительных устройств с затратами в них дополнительной энергии на замыкание каждой ветви каскада в обратном холодильном цикле. Определяющими условиями для стабильной работы предлагаемой холодильной каскадной холодильной установки с разомкнутой ветвью каскада (разомкнутым контуром) является атмосферное давление с диапазоном отклонений плюс-минус 2% к его среднегодовой величине и перепадом строго в пределах 1 бар в верхней разомкнутой ветви каскада.
Синергетический сверхсуммарный эффект в предлагаемом устройстве определяется тем, что небольшая часть массы экологически чистого рабочего тела верхнего каскада (незначительная причина) используется в энергоемком фазовом превращении первого рода посредством самоиспарения малых количеств воды вследствие снижения давления ниже атмосферного до пограничных значений между низким и средним вакуумом. За счет перераспределения давления с понижением в диапазоне от 100 до 0,1 кПа посредством вакуум-насоса, к которому приложена извне механическая работа, помимо массообменного маломасштабного явления (причины) реализуется значительно более интенсивная энергетическая составляющая пространственной неоднородности в одном из объектов каскадной установки (испарителе-конденсаторе), что создает искусственную температурную неоднородность, как движущую силу в других объектах установки - нижних ветвях каскада, системе в целом. Численное соотношение испаренной массы воды 0,1 кг/с (причины) и соответствующей этой величине 250 кВт мощности теплоотбора (следствия), как однонаправленного процесса, без необходимости замыкания цикла с возвратом в исходную точку температурных показателей, подтверждает наличие синергетического эффекта указанной энерготрансформации с закономерно пониженными на 20% энергозатратами извне на ведение процесса.
Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2. На фиг.1. показана принципиальная схема холодильной каскадной установки с аккумулированием резерва холода в верхнем каскаде; на фиг.2 в едином масштабе объединенной T-S диаграммы для воды, воздуха и аммиака (R718 и R717) показано отображение теплоотбора в верхней и нижней ветвях каскадной холодильной установки;
Согласно принципиальной схеме (фиг.1.), верхний разомкнутый каскад установки содержит вакуум-насос 1, обратный клапан 2, герметичный термоизолированный испаритель-конденсатор 3, в котором размещен конденсатор нижнего разомкнутого пневматического каскада 11 и конденсатор парокомпрессионного цикла 24. Резерв рабочего тела верхнего каскада - воды, или водно-солевого раствора, заполняет термоизолированный бак-аккумулятор 4, сообщающийся с атмосферой, запорно-регулирующий клапан 5 обеспечивает подачу рабочего тела в испаритель-конденсатор 3. Объемный насос 6 с обратным клапаном 7 после него представляют собой линию возврата охлажденного рабочего тела - воды в бак-аккумулятор 4. Подпитывающий патрубок подачи очищенной воды 8 предназначен для восполнения убывающего количества рабочего тела - воды в процессе работы верхнего каскада.
Нижний разомкнутый пневматический каскад включает в себя воздушный фильтр 9, пневмокомпрессор 10, конденсатор влаги в сжатом воздухе 11, влагоотделитель 12, предохранительный клапан 13 сброса воздуха свыше предельно заданного значения, конденсатоотводчик 14, обратный клапан 15, запорно-регулирующие клапаны осушенного холодного воздуха 16 и 17, аэродинамическую волновую резонансную трубу статического типа 18, вихревую трубу 19.
Нижняя замкнутая ветвь каскада с парокомпрессионным циклом работы имеет теплообменник-испаритель 22 в технологическом процессе, компрессор 23, конденсатор 24, который размещен внутри испарителя-конденсатора 3, дроссель 25 на линии жидкого хладагента.
Холодильная каскадная установка работает следующим образом.
Верхняя разомкнутая ветвь каскада: включают вакуум-насос 1 и создают разрежение в термоизолированном испарителе-конденсаторе 3 до величины остаточного абсолютного давления в нем от 500 до 100 Па (от 3,8 до 0,8 Торр). Воду из термоизолированного бака-аккумулятора 4 подают в испаритель-конденсатор 3 за счет созданного вакуум-насосом перепада давлений снаружи и внутри него, через запорно-регулирующий клапан 5. Попадая в вакуумируемое пространство испарителя-конденсатора 3, вода вскипает во всем объеме с образованием низкотемпературных водяных паров, чему сопутствует интенсивный отъем тепла от воды в количестве от 2500 до 2540 кДж/кг полученного водяного пара, при этом температура поданного количества воды резко понижается. Водяной пар удаляют вакуум-насосом 1 из испарителя-конденсатора 3 в атмосферу вне зависимости от ее температурных показателей. Тем самым реализуют известное физическое явление - охлаждение воды за счет самоиспарения ее части вплоть до образования мелкокристаллического льда с кристаллами от 10 до 25 мкм и получения текучей льдо-водяной суспензии - бинарного льда. Охлажденную воду и/или льдоводяную суспензию, откачивают из испарителя-конденсатора 3 объемным насосом 6 в бак-аккумулятор 4, чем создают резервный запас холода на покрытие возникающих пиковых потребностей в нем. Израсходованную часть воды восполняют подачей необходимого ее количества в бак-аккумулятор 4 через патрубок 8, причем добавляемую воду предварительно очищают до требуемого пониженного солесодержания.
Нижняя разомкнутая ветвь каскада. Включают компрессор 10, насос 20 и открывают запорно-регулирующий клапан 21. Воздух, выполняющий функцию рабочего тела в разомкнутом нижнем каскаде, забирают из атмосферы через фильтр 9. Сжатый воздух, имеющий повышенную температуру после сжатия его компрессором, направляют через охладитель-конденсатор 11, размещенный внутри испарителя-конденсатора 3, где осуществляют теплоотбор холодной водой из верхнего каскада, которую подают насосом 20 в количестве, регулируемом запорно-регулирующим клапаном 21. Отепленную воду, выходящую из конденсатора 11 в испаритель-конденсатор 3, частично сразу испаряют, с удалением водяных паров вакуум-насосом 1 верхнего каскада. Сжатый воздух охлаждают в процессе теплоотбора до температуры ниже точки выпадения в нем влаги - конденсата. Охлажденный воздух вместе с конденсатом подают под давлением в отделитель конденсата 12, откуда конденсат удаляют через конденсатоотводчик 14 в бак-аккумулятор 4 за счет повышенного давления воздуха после компрессора 10, превышающего давление атмосферы и столба жидкости в баке-аккумуляторе. Осушенный воздух под давлением расходуют на выработку холода по месту технологической потребности в нем путем расширения этого воздуха до атмосферного давления, чему сопутствует существенное понижение температуры в зоне подачи холодного воздуха. В зависимости от требуемых температурных величин в местах холодообеспечения применяют либо аэродинамическую резонансную волновую трубу статического типа 18, реализующую эффект Гартмана-Шпренгера с отводом избыточного тепла от ее внешних стенок непосредственно в холодную воду бака-аккумулятора 4, либо вихревую трубу 19 с разделением подаваемого воздуха на горячий и холодный потоки, где температуру холодного потока снижают до минус 60°С и ниже. С этой целью на пневмомагистрали открывают соответствующие запорно-регулирующие клапаны 16 и 17.
Нижняя замкнутая ветвь каскада с парокомпрессионным циклом работы. Включают компрессор 23, который всасывает пары хладагента из испарителя 22, установленного в технологической производственной линии. Пары сжимают с одновременным повышением температуры, после чего компримированные пары хладагента направляют в конденсатор 24, который размещают в испарителе-конденсаторе верхнего каскада 3. Для осуществления процесса конденсации холодную воду из термоизолированного бака-аккумулятора 4 нагнетают для отбора тепла от паров хладагента в конденсатор 24 посредством насоса 26 через запорно-регулирующий клапан 27, который пропускает требуемое количество воды. Отепленную воду, выходящую из конденсатора 24 в вакуумируемое пространство испарителя-конденсатора 3 и воспринявшую тепло циркулирующего хладагента, частично испаряют в испарителе-конденсаторе 3, водяные пары удаляют в атмосферу вакуум-насосом 1 верхнего каскада. Хладагент, сжиженный вследствие отвода от него тепла, подают из конденсатора 24 через дроссель 25 в испаритель 22, где хладагент испаряют в процессе поглощения им тепла из потоков обрабатываемого продукта технологической производственной линии.
Согласно рассматриваемого (фиг.2) каскадного режима работы холодильной установки на объединенной T-S диаграмме для воды (R718), воздуха и аммиака (R717), взаимосвязанные процессы реализуют в ней следующим образом. Пары воды в верхней ветви каскада с начальным состоянием (точка 2) откачивают из общего испарителя-конденсатора вакуум-компрессором (процесс 2-1) и сжимают их (процесс 2-3) до величины выше атмосферного давления, что позволяет выпустить водяной пар в атмосферу вне зависимости от ее температуры. За счет откачивания водяных паров, температуру в общем испарителе-конденсаторе понижают до 0°С и поддерживают таковой посредством реализации фазового перехода первого рода, чем обеспечивают также перепад температур между сжатыми парами хладагента нижнего каскада и температурой их конденсации в общем испарителе-конденсаторе. Посредством вакуумирования формируют связанную с этим температурную движущую силу, способствующую отбору тепла из нижнего каскада. Массовый расход воды на испарение и удаление в атмосферу компенсируют добавлением воды в бак-аккумулятор из внешнего источника (процесс 4-1), количество растворенных в ней солей предварительно понижают до требуемой величины.
Процессы, осуществляемые в нижней разомкнутой ветви каскада холодильной установки с использованием воздуха отражены на фиг.2 так: забор атмосферного воздуха при плюс 20°С и сжатие его компрессором до плюс 90°С показаны линией 5-6. Охлаждение воздуха водой и/или льдоводяной смесью с конденсацией содержащейся в нем влаги происходит согласно отрезку линии 6-7. Расширение воздуха в аэродинамической резонансной волновой трубе статического типа отражено линией 7-8, а разделение воздуха в вихревой трубе на холодный и горячий потоки показано соответственно линиями 7-9 и 7-10.
Процессы нижней ветви каскада, работающей по стандартному замкнутому парокомпрессионному циклу, отражены на фиг.2 следующим образом. Пары хладагента нижней ветви каскада (точка 12), полученные при поглощении им тепла технологического процесса от обрабатываемого продукта (линия 11-12), сжимают компрессором, что отражено линией 12-13, ожижают в конденсаторе, размещенном внутри испарителя-конденсатора (процесс по линии 13-14-15) при околонулевой температуре, затем жидкий хладагент дросселируют (процесс 15-11) и направляют на испарение в технологический процесс в точке 11. Тем самым замыкают цикл нижней ветви каскада холодильной установки. Процессы по линии 13-14-15-11 направлены на возвращение параметров хладагента в исходное состояние перед полезным основным рабочим процессом.
При полностью выключенной нижней ветви каскада холодильной установки, верхняя ветвь каскада обеспечивает аккумулирование холода в виде ледяной воды (ледяной суспензии) в термоизолированном баке-аккумуляторе следующим образом. При включенном вакуум-компрессоре и отсутствии теплопритоков в общем испарителе-конденсаторе от нижней ветви каскада воду в общем испарителе-конденсаторе продолжают охлаждать (линия 2-1) без поступления теплопритоков извне, при этом в ней наблюдается второй фазовый переход первого рода с появлением ледяной мелкокристаллической суспензии (бинарного льда). Эту суспензию непрерывно перекачивают в термоизолированный бак-аккумулятор, чем повышают потенциал резервированного в нем холода, а из бака в таком же объеме непрерывно забирают воду на охлаждение до стадии получения ледяной мелкокристаллической суспензии.
Техническим результатом предлагаемого устройства является:
- стабильность работы холодильной каскадной установки вне всякой зависимости от внешних температурных условий окружающей среды вследствие применения разомкнутого холодильного процесса верхней ветви каскада с определяющим показателем ее работы по атмосферному давлению в диапазоне отклонений плюс-минус 2% к среднегодовой величине атмосферного давления в данной местности,
- повышение термодинамической и экономической эффективности отъема тепла вследствие применения воды в качестве рабочего тела верхней ветви каскада с двумя фазовыми превращениями первого рода и отсутствия необходимости возврата параметров рабочего тела к началу цикла,
- сохранение экологических показателей окружающей среды, главным образом по причине использования экологически чистых воды и воздуха в верхней и нижней ветвях каскада с одновременным существенным снижением наличия в каскадной установке промышленно производимых хладагентов,
- снижение удельных энергозатрат в холодильной каскадной установке в целом вследствие стабилизации температуры конденсации нижней ветви каскада на уровне плюс 5°С плюс-минус 2°С с соответствующей стабилизацией давления конденсации в ней при меньших величинах давления и температур,
- отсутствие потребности верхней ветви каскада установки в применении такого теплообменного сооружения, как градирня, в которой со временем наблюдается биологическое обрастание открытых поверхностей,
- повышение эксплуатационной безопасности холодильной каскадной установки,
- упрощение автоматизации холодильной каскадной установки за счет уменьшения числа регулируемых параметров теплопередачи и исключения зависимости рабочего процесса в верхней ветви каскада от температурных параметров внешней среды.
Технический результат достигается за счет того, что в холодильной каскадной установке с различными рабочими веществами каскадов, состоящей из одноступенчатых машин, называемых нижней и верхней ветвями каскада с компрессорами, теплообменниками, термоизолированным аккумулятором холода и объединяемых общим испарителем-конденсатором, верхняя ветвь каскада выполнена разомкнутой с применением в ней пополняемого извне рабочего тела R718 - воды или водных растворов солей в качестве хладоносителя, с испарением незначительной части воды для удаления суммарных теплопритоков, вакуумируемый испаритель-конденсатор соединен с вакуум-насосом для удаления из него паров испаренной воды в окружающую среду, нижняя ветвь каскада выполнена разомкнутой с использованием в ней атмосферного воздуха и/или замкнутой, причем конденсаторы нижней ветви каскада размещены внутри вакуумируемого испарителя-конденсатора верхней ветви каскада.
Положительный эффект от применения устройства определяется сохранением экологических показателей природной среды, повышением термодинамической и экономической эффективности отъема тепла вследствие применения воды в качестве рабочего тела верхней ветви каскада с двумя фазовыми превращениями первого рода и отсутствия необходимости возврата параметров рабочего тела к началу цикла, снижением удельных энергозатрат на привод в действие холодильной каскадной установки до 25%, исключением внешних температурных ограничений на процесс теплообмена.
Осуществление изобретения возможно с применением промышленно производимого оборудования и других компонентов технических холодильных систем, массово присутствующих на рынке продукции машиностроения.