ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ ПАРОКОМПРЕССИОННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к парокомпрессионным холодильным установкам и может быть использована, в частности, при модернизации существующих и проектировании новых холодильных установок для снижения их энергопотребления и повышения термодинамической эффективности.
Переохлаждение жидкого хладагента после конденсатора - существенный способ увеличения производительности холодильной установки. Из теоретических основ холодильной техники известно, что понижение температуры переохлаждаемого хладагента на один градус соответствует повышению производительности нормально функционирующей холодильной установки примерно на 1% при том же уровне энергопотребления компрессора. Эффект для переохлажденного хладагента достигается за счет уменьшения доли пара в парожидкостной смеси, выходящей из ТРВ и попадающий в испаритель. В низкотемпературных холодильных установках применение переохлаждения хладагента особенно эффективно. В таких холодильных машинах переохлаждение сконденсированного хладагента до значительных отрицательных температур позволяет увеличивать холодопроизводительность установки более чем в 1,5 раза. В зависимости от размеров и конструкции холодильных установок этот фактор реализуют различными способами в дополнительном теплообменнике, устанавливаемом на жидкостной линии между ресивером и ТРВ испарителя. Это может быть:
1. переохлаждение хладагента за счет внешних источников холода:
- в водяном теплообменнике за счет использования холодной воды,
- в воздушных теплообменниках в холодное время года,
- в теплообменнике холодными парами от внешней холодильной установки,
2. переохлаждение за счет внутренних ресурсов холодильной установки:
- в теплообменнике - переохладителе за счет испарения части фреона, циркулирующего в основном холодильном контуре,
- в рекуперативных теплообменниках холодными парами, всасываемыми в компрессор из основного испарителя
Системы переохлаждения хладагента, использующие внешние источники холода довольно редко применяются на практике. Переохлаждение от источников холодной воды применяется, как правило, в средне- и высокотемпературных установках, где в непосредственной близости от них есть источник холодной воды - артезианские скважины или естественные водоемы для судовых холодильных установок и т.д. Переохлаждение от внешних холодильных машин реализуется крайне редко и только в очень больших установках промышленного холода.
Холодильные установки с переохлаждением, использующие внутренние ресурсы термодинамического холодильного цикла, широко применяются в современных холодильных установках, причем с компрессорами практически всех типов. Поэтому они подробно описаны в технической литературе и патентах.
Известна холодильная установка авторов Петрова Б.Ε и др. по патенту №2047056 дата публикации 27.10.1995 г. Для снижения энергопотребления эта установка снабжена вертикальным трубопроводом, установленным снаружи здания на уровне выше испарителя. Эта труба с помощью трехходового вентиля и запорной и регулирующей арматуры позволяет снизить стоимость производства холода за счет использования для его выработки низкой температуры окружающего воздуха. В патенте №2154245 от 10 08.2000 г. авторов Гущин А.В. и др., описана энергосберегающая холодильная установка, которая, для снижения энергопотребления при ее работе, снабжена трубопроводами-перемычками с установленными на них запорными органами, дополнительными электродвигателями с клиноременными передачами, системами энергопитания и запорными вентилями. В этой установке, благодаря объединению магистральных всасывающих и нагнетательных трубопроводов различных систем охлаждения перемычками с запорными органами, а также применению компрессоров с автоматически регулируемой производительностью и их приводов от электродвигателей, изменяющих потребляемую мощность в зависимости от нагрузки на валу, использованию автоматической системы управления работой холодильной установки интенсифицируется процесс охлаждения и значительно сокращаются затраты электроэнергии. Недостатком указанных выше аналогов является сложность их практической реализации, а также не использование такого мощного фактора, как повышение термодинамической эффективности самого холодильного цикла.
В книге авторов В. Мааке и др. «ПОЛЬМАНН. Учебник по холодильной технике» изд. Московского университета, 1998 г. на с. 307 рис. 1.3.6.-68 приведена распространенная на практике схема парокомпрессионной холодильной машины, в которой переохлаждение хладагента после конденсатора осуществляется в дополнительном теплообменнике, установленном после конденсатора, в котором жидкий хладагент, выходящий из конденсатора охлаждается парами хладагента, выходящего из испарителя. Однако такие холодильные установки, где отсутствует жидкостный ресивер, применяются только на небольших объектах, например, для охлаждения прилавков, продуктовых витрин, небольших холодильных камер.
Если холодильная установка предназначена для крупного объекта, например, супермаркета или холодильного терминала, где для ее монтажа требуются длинные соединяющие трубопроводы и, соответственно, большой объем заправляемого хладагента, обязательно должен быть установлен жидкостный ресивер, одна их задач которого - это компенсация температурного изменения объема хладагента в системе при различных тепловых нагрузках на установку. Вторая функция жидкостного ресивера - поддерживать постоянным давление в трубопроводе перед терморегулирующим вентилем, поскольку для его эффективной работы требуется поддерживать определенный перепад давления, независимо от нагрузки на испаритель и от температуры воздуха на входе в конденсатор. В то же время жидкостный ресивер позволяет компенсировать возможные утечки хладагента через различные микротрещины гидравлической магистрали холодильной установки. Поэтому жидкостный ресивер необходим практически в каждой достаточно крупной холодильной установке.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является холодильная установка, предложенная на с. 212, рис. 10-29 (б) в книге Л.Г. Каплана «Торговое холодильное оборудование. Справочник». - М.; изд. Колос, 1995. Эта установка содержит компрессор, конденсатор, ресивер, регулятор давления конденсации, регулятор давления в ресивере, обратный клапан, терморегулирующий вентиль с установленным непосредственно перед ним электромагнитным клапаном (на схеме-прототипе показаны условно и обозначены как ТРВ) и соединительные трубопроводы. Электромагнитный клапан при выключенной холодильной установке закрывается и не позволяет хладагенту перетекать из конденсатора в холодный испаритель. Это исключает гидроудар при включении компрессора. Недостатком данной модели является, то, что ресивер в этой установке, является проточным, т.е. хладагент сразу после конденсатора поступает в ресивер, обычно сверху, а с нижней части подается к терморегулирующему вентилю. Поэтому переохлажденный в конденсаторе жидкий хладагент, попадая в ресивер, устанавливаемый, как правило, в отапливаемом машинном отделении рядом с компрессором, перемешивается с имеющимся там жидким хладагентом и горячими парами хладагента, поступающими через регулятор давления в ресивере, поэтому на выходе из ресивера хладагента температура становится значительно выше, тем самым полученное в конденсаторе переохлаждение теряется. При этом газообразный хладагент после регулятора давления поступает в ресивер через дополнительный штуцер, что усложняет изготовление ресивера и монтаж холодильной установки.
Задачей, решаемой с использованием предлагаемой полезной модели, повышение энергетической эффективности.
Техническая сущность полезной модели заключается в том, что в известной холодильной установке включающей компрессор, выносной конденсатор, регулятор давления конденсации, обратный клапан на выходе из конденсатора, жидкостный ресивер, регулятор давления в ресивере, терморегулирующий вентиль с установленным перед ним электромагнитным клапаном и соединительные трубопроводы, вход жидкостного ресивера через регулятор давления в ресивере, гидравлически связан с трубопроводом между выходом компрессора и входом регулятора давления конденсации, выход жидкостного ресивера гидравлически связан с трубопроводом между выходом обратного клапана и входом электромагнитного клапана, при этом соединительный трубопровод между выходом из конденсатора и входом в терморегулирующий вентиль выполнен с тепловой изоляцией.
На фиг. 1 схематично представлена предлагаемая энергосберегающая холодильная парокомпрессионная установка для холодильной камеры. На крыше здания холодильной камеры установлен воздушный конденсатор 1. В машинном отделении камеры установлен холодильный компрессор 2, регулятор давления конденсации 3, ресивер для хладагента 4, регулятор давления в ресивере 5, обратный клапан 6 и электромагнитный клапан 7. Внутри холодильной камеры установлен испаритель 8 и терморегулирующий вентиль 9. Соединительный трубопровод содержит Снаружи тепловую изоляцию 10.
Работает предложенная холодильная парокомпрессионная установка следующим образом:
При подаче напряжения на холодильную установку открывается электромагнитный клапан 7. Компрессор 2 сжимает пары хладагента, откачиваемые из испарителя 8 холодильной камеры, Сжатый пар поступает через регулятор давления конденсации 3 в конденсатор 1, установленный снаружи здания. В конденсаторе 1 пары конденсируются и жидкий хладагент через обратный клапан 6, электромагнитный клапан 7 поступает на вход терморегулирующего вентиля 9, где дросселируется в трубную полость испарителя 8 в виде парожидкостной смеси. В испарителе 8 жидкая составляющая хладагента кипит за счет подвода тепла в испаритель 8 от воздуха в холодильной камере. Таким Образом, воздух в холодильной камере охлаждается до заданной температуры, например, до минус 25°С. Жидкостный ресивер 4 подпитывает жидким хладагентом трубопроводы контура хладагента перед терморегулирующим вентилем 4, реагируя на меняющуюся нагрузку на испаритель 8 холодильной камеры. Учитывая, что основные элементы холодильной установки находятся в теплом машинном отделении, за исключением конденсатора 1, установленного снаружи здания, и испарителя 8, установленного в холодильной камере, температура хладагента в ресивере близка к температуре воздуха в машинном отделении, В летний период воздушный конденсатор е работает обычно при температуре конденсаций +45°C при средней температуре воздуха +30÷32°C. При этом параметры конденсатора выбирают таким образом, чтобы хладагент не только конденсировался внутри его, но и переохлаждался на 2÷3°C. В холодное время года, когда температура воздуха ниже +5°C, для нормальной работы холодильной установки температура конденсации должна поддерживаться на уровне +20°C ÷ +35°C. Это обеспечивается регулятором давления конденсации за счет, так называемого, подтопления конденсатора жидким хладагентом. Горячие пары хладагента, попадающие из компрессора 2 в конденсатор 1 начинают интенсивно конденсироваться и жидкий хладагент заполняет внутренний объем полости конденсатора 1, при этом давление в конденсаторе начинает постепенно расти, поскольку уменьшается объем паровой полости за счет роста объема, занимаемого сконденсировавшимся хладагентом. В тоже время холодный наружный воздух, переохлаждает сконденсировавшийся хладагент, находящийся внутри конденсатора 1. Переохлажденный на 25-40°К жидкий хладагент поступает через обратный клапан 5 и электромагнитный клапан 7 на вход терморегулирующего вентиля 9. После дросселирования переохлажденного хладагента согласно законам термодинамики доля выхода жидкости значительно увеличивается, что ведет к повышению холодопроизводительности установки, причем она повышается за счет совершенствования холодильного цикла, т.е. при одном и том же компрессоре с одинаковым энергопотреблением холодопроизводительность установки, работающей с переохлаждением, будет увеличиваться пропорционально величине переохлаждения.
Приведенная Схема энергосберегающей парокомпрессионной холодильной установки обеспечивает следующие предлагаемого решения от прототипа:
- основной поток переохлажденного жидкого хладагента проходит в гидравлической магистрали холодильной установки мимо ресивера, т.е не смешивается с хладагентом, находящемся в ресивере,
- горячий газ из регулятора давления в ресивере не смешивается с переохлажденным жидким хладагентом, а поступает в верхнюю часть ресивера в паровую зону,
- жидкостная магистраль от конденсатора до терморегулирующего вентиля теплоизолирована, что минимизирует теплообмен переохлажденного хладагента с окружающей средой.
Сохранение полученного в конденсаторе переохлаждения жидкого хладагента в холодное время года для реализации его в терморегулирующем вентиле дает следующие преимущества:
- повышается холодопроизводительность установки за счет увеличения доли жидкого хладагента, поступающего в испаритель после дросселирования в терморегулирующем вентиле,
- снижается суммарное энергопотребление холодильной установки в холодное время года за счет сокращения суммарного времени работы компрессора,
- простота реализации предложенного решения дает возможность использовать его при модернизации существующих холодильных установок с целью повышения их энергоэффективности.