КАСКАДНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА
CASCADE REFRIGERATING MACHINE

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для охлаждения объектов или поддержания их низкой температуры за счет получения холода на низком температурном уровне (ниже минус 120°С).
Из источника RU 2448308 известно о применении отделителя жидкости и перепускной линии для получения низких температур. Вследствие высокого давления нагнетания в холодильной машине из RU 2448308, нижний предел достижимой температуры ограничен, т.к. при работе на низких температурных уровнях значительно уменьшается удельная холодопроизводительность в таком низкотемпературном холодильном цикле. Кроме того, в RU 2448308 перепускная линия расположена в низкотемпературной части холодильной машины и соответственно требует наличия теплоизоляции, чтобы сократить необратимые потери в цикле.
В предлагаемой каскадной холодильной машине выход потока хладагента из конденсатора 2 и вход в отделитель жидкости 4 связаны между собой теплообменником 3, являющимся конденсатором-переохладителем для нижней ветви каскада и испарителем для верхней ветви каскада, представляющей собой одноступенчатую холодильную машину; также на нижней ветви каскада предусмотрена перепускная линия для сброса избыточного давления нагнетания. Благодаря данным изменениям в структуре цикла понижается давление нагнетания нижнего каскада, поэтому в нем можно использовать вещества, с помощью которых удастся получить более низкие температуры, чем в RU 2448308. За счет данного дополнительного переохлаждения потока хладагента нижней ветви каскада, в предлагаемой каскадной холодильной машине удается повысить удельную холодопроизводительность на низких температурных уровнях, и, следовательно, холодильный коэффициент. Избыточный в пусковой период низкокипящий газ в данном случае отбирается до конденсатора-переохладителя 3, тем самым повышается эффективность теплообмена между потоками хладагента в верхней и нижней ветвях каскада. Кроме того, за счет расположения выхода сдросселированного хладагента из перепускной линии на линию всасывания в компрессор 1, удается понизить температуру начала сжатия в компрессоре и, тем самым, понизить давление нагнетания, что также ведет к уменьшению давления конденсации. Благодаря расположению перепускной линии в нижнем каскаде, температура перепускаемого хладагента - комнатная, это ведет к уменьшению необратимых потерь в низкотемпературном цикле каскадной холодильной машины, а также к отсутствию необходимости теплоизолировать компоненты перепускной линии.
Техническим результатом является понижение достигаемой температуры охлаждения и повышения термодинамической эффективности низкотемпературного холодильного цикла при работе на низких температурных уровнях.
Сущность изобретения.
Каскадная холодильная машина состоит из циркуляционного контура верхней ветви каскада и циркуляционного контура нижней ветви каскада. В нижней ветви каскада установлены последовательно отделитель жидкости 4, разделяющий поток хладагента на газообразную и жидкую составляющие, предварительный рекуперативный теплообменник 5, основной рекуперативный теплообменник 6, основное дросселирующее устройство 7, испаритель 8, компрессор 1 и конденсатор 2, при этом первый выход отделителя жидкости 4 соединен с входом прямого потока хладагента в предварительный рекуперативный теплообменник 5, а второй выход отделителя жидкости 4 соединен через предварительное дросселирующее устройство 9 с входом обратного потока в предварительный рекуперативный теплообменник 5. Выход потока хладагента из конденсатора 2 и вход в
отделитель жидкости 4 связаны между собой теплообменником 3, являющимся конденсатором-переохладителем для нижней ветви каскада и испарителем для верхней ветви каскада, представляющей собой одноступенчатую холодильную машину, в которой последовательно установлены компрессор 14, конденсатор 15, ресивер 16, дросселирующее устройство 17, испаритель 3.
Холодильная машина работает следующим образом: в нижней ветви каскада хладагент сжимается в компрессоре 1, затем охлаждается до температуры окружающей среды и частично конденсируется в конденсаторе 2, после чего попадает в конденсатор-переохладитель 3, где продолжается процесс конденсации за счет низкопотенциальной теплоты, полученной от работы одноступенчатой холодильной машины верхней ветви каскада, затем хладагент попадает в отделитель жидкости 4, где разделяется на жидкую и газообразную фазы. Газообразный хладагент из отделителя жидкости поступает сначала в предварительный рекуперативный теплообменник 5, затем в основной рекуперативный теплообменник 6, где постепенно конденсируется за счет охлаждения обратным потоком. Охлажденный хладагент проходит через основное дросселирующее устройство 7, где происходит его расширение и понижение температуры, после чего поступает в испаритель 8, где подогревается за счет тепла, отводимого от охлаждаемого объекта. Далее поток хладагента поступает в основной рекуперативный теплообменник 6, где подогревается за счет охлаждения прямого потока. Жидкий хладагент из отделителя жидкости 4 проходит через предварительное дросселирующее устройство 9, где понижается его давление и температура, после чего смешивается с обратным потоком перед предварительным рекуперативным теплообменником. Далее поток хладагента еще подогревается в предварительном рекуперативном теплообменнике 5, и поступает на всасывание компрессора 1. На этом цикл работы холодильной машины замыкается.
Соленоидный вентиль 10 нормально находится в закрытом положении и
открывается при помощи электрического сигнала от управляющего устройства. В случае повышения давление нагнетания выше некоторой заданной величины соленоидный вентиль открывается и перепускает часть газообразного потока хладагента в ресивер 11. Соленоидный вентиль закрывается, как только давление падает до заданного значения. Из ресивера хладагент проходит через обратный клапан 12 и дросселирующее устройство 13, где его давление падает до давления обратного потока, а температура понижается, и смешивается с обратным потоком перед компрессором 1. Обратный клапан необходим для предотвращения попадания хладагента в ресивер со стороны обратного потока в случае повышения давления всасывания.
Данная холодильная машина будет работать только в случае применения в качестве хладагента в нижней ветви каскада многокомпонентной смеси (не менее двух компонентов). Нормальная температура кипения компонентов рабочей смеси должна лежать в области температур от температуры окружающей среды до необходимой температуры охлаждения.
Принципиальная схема разработанного устройства каскадной холодильной установки представлена на чертеже.