ХОЛОДИЛЬНЫЙ КОНТУР С МОДУЛЕМ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛА
REFRIGERATING CIRCUIT WITH HEAT REGENERATION MODULE

Холодильные контуры, содержащие в направлении потока циркулирующего хладагента компрессор, газовый охладитель / конденсатор, расширительное устройство и испаритель, известны в данной области техники. Известно также использование модуля регенерации тепла в холодильном контуре с целью регенерации по меньшей мере части энергии, используемой для сжатия и нагрева хладагента.
С точки зрения термодинамики, такие модули регенерации тепла применяются в очень широких пределах (высокотемпературный нагрев, низкотемпературный нагрев, ...) при максимальной эффективности. Поскольку широкие пределы применимости требуют много различных элементов, особенно теплообменников разного размера (например, паяные пластинчатые теплообменники «ППТ») для теплообмена между циркулирующим хладагентом и внешней жидкостью для регенерации тепла, необходимых для использования в модулях, такие модули являются очень дорогими, иногда слишком дорогими для клиентов.
Соответственно, было бы полезно реализовать систему охлаждения с помощью недорогого модуля регенерации тепла, содержащего только один теплообменник вместо двух или даже большего количества теплообменников, позволяющую регулировать передачу тепла, осуществляемую модулем регенерации тепла, как в типовых модулях с широкими пределами использования, что позволяет избежать проблем, связанных с использованием только одного теплообменника, при котором возможна проблема частичной конденсации на выходе из модуля регенерации тепла.
Холодильный контур, согласно примерному варианту реализации изобретения, сконфигурирован для циркуляции хладагента, и в направлении потока хладагента содержит по меньшей мере один компрессор; по меньшей мере один регенератор тепла - теплообменник; сепаратор газ / жидкость; по меньшей мере один газовый охладитель / конденсатор; по меньшей мере один расширительный бачок; по меньшей мере один испаритель вместе с подключенным гидравлически к нему расширительным устройством выше по потоку. Сепаратор газ / жидкость содержит подвод хладагента, соединенный гидравлически с выходной стороной по меньшей мере одного регенератора тепла - теплообменника, выход газообразной фазы, соединенный гидравлически с входной стороной по меньшей мере одного газового охладителя / конденсатора, и выход жидкой фазы, соединенный гидравлически с расширительным бачком.
Примерный способ функционирования холодильного контура, в соответствии с изобретением, включает следующие этапы:
сжатие хладагента;
обеспечение теплообмена между сжатым хладагентом и внешней жидкостью для регенерации тепла;
сепарацию сжатого хладагента на газообразный компонент и жидкий компонент, при этом газообразный компонент охлаждается газом и / или конденсируется и доставляется в расширительный бачок; и жидкий компонент доставляется непосредственно в расширительный бачок без предварительного охлаждения газом / конденсации; и
расширяющийся и испаряющийся сжиженный хладагент отбирается из расширительного бачка.
Способ и холодильный контур, в соответствии с примерными вариантами реализации настоящего изобретения, позволяют использовать один ППТ вместо двух или даже большего количества, как в типовых модулях с широкими пределами использования, в комбинации с насосом, работающим с постоянным числом оборотов, для циркуляции внешней жидкости для регенерации тепла через ППТ, в связи с необходимостью более дешевой версии модуля регенерации тепла.
При использовании только одного теплообменника с постоянной тепловой мощностью может происходить частичная конденсация хладагента, проходящего через модуль регенерации тепла. Однако сепарация газ / жидкость, в соответствии с настоящим изобретением, достоверно позволяет  избежать проблемы, связанные с частичной конденсацией хладагента в пределах или ниже от регенератора тепла - теплообменника, так как, в соответствии с примерными вариантами реализации настоящего изобретения, жидкий компонент хладагента отделяется от газообразного компонента и доставляется непосредственно к расширительному бачку, минуя газовый охладитель / конденсатор. Это, в частности, позволяет избежать доставку сконденсированного хладагента в газовый охладитель / конденсатор, где он мог бы ухудшить производительность газового охладителя / конденсатора. Кроме того, это позволяет избежать необходимости подъема жидкого хладагента до уровня газового охладителя / конденсатора, который может быть установлен на уровне, находящемся значительно выше уровня компрессора (ов) и модуля регенерации тепла.
Примерный вариант реализации настоящего изобретения описывается более подробно ниже со ссылками на графические материалы, где:
На Фигуре 1 проиллюстрирован схематический вид системы охлаждения, содержащей холодильный контур в соответствии с примерным вариантом реализации настоящего изобретения; а также
На Фигуре 2 проиллюстрирован увеличенный вид сепаратора газ / жидкость, входящего в систему охлаждения, показанную на Фигуре 1.
На Фигуре 1 проиллюстрирован схематический вид примерного варианта реализации системы охлаждения с холодильным контуром 1, содержащимся в направлении потока хладагента, циркулирующего внутри холодильного контура 1, как показано стрелками A, группу 2 компрессоров 2a, 2b, 2c, 2d, соединенных параллельно, регенератор тепла - теплообменник 4, сепаратор газ / жидкость 8, газовый охладитель или конденсатор 10, расширительное устройство высокого давления 12, которое сконфигурировано для расширения хладагента от высокого давления к более низкому среднему давлению, расширительный бачок (коллектор хладагента) 14, дополнительный теплообменник дроссельного газа 16, расширительное устройство 18, соединенное с испарителем, которое сконфигурировано для расширения хладагента от среднего давления к низкому давлению, и испаритель 20. Выходная сторона испарителя 20 соединена гидравлически с всасывающей (входящей) стороной компрессоров 2a, 2b, 2c, 2d, замыкающих цикл хладагента.
2
Таким образом, примерный вариант реализации холодильного контура 1, проиллюстрированного на Фигуре 1, использует одноступенчатое сжатие с помощью компрессоров 2a, 2b, 2c, 2d, соединенных параллельно, и двухступенчатое расширение путем последовательных расширений с помощью расширительного устройства высокого давления 12 и последующего расширительного устройства 18, соединенного с испарителем. Такое двухступенчатое расширение, в частности, применяется, когда в качестве хладагента используется CO. Специалисту, тем не менее, будет понятно, что изобретение может также применяться в холодильном контуре 1, в котором используется одноступенчатое расширение с помощью соединенного с испарителем расширительного устройства 18, установленного выше от испарителя 20 и в котором отсутствует расширительное устройство высокого давления 12.
Дополнительная отводная труба дроссельного газа 21 соединяет гидравлически верхнюю часть 14a расширительного бачка 14 с входной стороной компрессоров 2a, 2b, 2c, 2d, позволяя дроссельному газу, собирающемуся в верхней части 14a расширительного бачка 14 обходить испаритель 20. Расширительное устройство дроссельного газа 22 установлено на отводной трубе дроссельного газа 21 в целях расширения дроссельного газа, доставляющегося из расширительного бачка 14. Ниже по потоку от указанного расширительного устройства дроссельного газа 22 предусмотрен дополнительный теплообменник дроссельного газа 16 с целью охлаждения расширенного дроссельного газа путем теплообмена с хладагентом, поступающим от расширительного бачка 14 в соединенное с испарителем расширительное устройство 18.
Несмотря на то что примерный вариант реализации, проиллюстрированный на Фигуре 1, содержит только один газовый охладитель / конденсатор 10, один клапан среднего давления 18 и один испаритель 20, соответственно, специалисту в данной области техники, очевидно, что может быть предусмотрено множество из указанных компонентов 10, 18, 20, соответственно соединенных параллельно с целью обеспечения повышенной конденсационной и / или охлаждающей мощности. В этом случае могут быть предусмотрены дополнительные переключаемые клапаны для того, чтобы позволить выборочно включать и отключать один или несколько из множества указанных компонентов, с тем чтобы регулировать конденсационную и / или охлаждающую мощность в соответствии с реальными потребностями.
Точно так же, только один компрессор может быть предусмотрен вместо группы 2 из множества компрессоров 2a, 2b, 2c, 2d, как это проиллюстрировано на Фигуре 1. Указанный единственный компрессор или по меньшей мере один из множества компрессоров 2a, 2b, 2c, 2d может быть компрессором с переменной скоростью, позволяя регулировать мощность охлаждения, осуществляемого холодильным контуром 1, путем регулирования скорости упомянутого компрессора.
В процессе работы сжатый хладагент, выходящий из группы 2 компрессоров 2a, 2b, 2c, 2d, проходит через сторону 4a холодильного контура регенератора тепла - теплообменника 4 для передачи тепла от хладагента к внешней жидкости для регенерации тепла, циркулирующей внутри контура жидкости для регенерации тепла 6 и протекающей через сторону 4b контура жидкости для регенерации тепла регенератора тепла - теплообменника 4. Внешняя жидкость для регенерации тепла может быть использована, например, для отопления здания и / или обеспечения горячей водой.
В зависимости от количества тепла, передаваемого от циркулирующего хладагента к внешней жидкости для регенерации тепла по меньшей мере часть хладагента может конденсироваться внутри или ниже по потоку от регенератора тепла - теплообменника 4. В результате, газожидкостная смесь хладагента присутствует в выходной трубе 7 в холодильном контуре на стороне 4b регенератора тепла - теплообменника 4.
Жидкий хладагент на входе в газовый охладитель / конденсатор 10, тем не менее, ухудшит производительность газового охладителя / конденсатора 10 и в случаи установки газового охладителя / конденсатора 10 на существенно высшем уровне, то есть на вертикальном расстоянии d до 20 м по отношению к другим компонентам холодильного контура 1, жидкий компонент холодильного агента может быть не способен полностью переместится на выходную сторону газового охладителя / конденсатора 10, что будет ухудшать производительность и эффективность холодильного контура 1 еще больше.
Таким образом, сепаратор газ / жидкость 8 предусмотрен ниже по потоку контура хладагента от стороны 4b регенератора тепла - теплообменника 4 для того, чтобы отделить жидкую часть хладагента, выходящего из регенератора тепла - теплообменника 4, от его газообразного компонента.
Увеличенный вид такого сепаратора газ / жидкость 8, проиллюстрирован на Фигуре 2.
Сепаратор газ / жидкость 8 может быть образован сосудом или трубой, имеющей значительное большее поперечное сечение / диаметр, чем выходная труба 7 из регенератора тепла - теплообменника 4, которая также образует входную трубу 7 сепаратора газ / жидкость 8, для того чтобы значительно снизить скорость хладагента, позволяя отделить жидкий компонент хладагента от газообразного компонента хладагента и собирать его в нижней части  8a сепаратора газ / жидкость 8. В примерном варианте реализации изобретения поперечное сечение или диаметр сепаратора газ / жидкость 8 в четыре-пять раз больше диаметра выходной трубы 7 и скорость хладагента уменьшается от прибл. 9 м/с на выходе из компрессоров 2a, 2b, 2c, 2d до прибл. 0,3 м / с внутри резервуара или трубы сепаратора газ / жидкость 8.
Газообразный компонент хладагента выходит из сепаратора газ / жидкость 8 через выходную трубу газообразной фазы 9 сепаратора газ / жидкость 8, гидравлически соединяющую верхнюю часть 8b сепаратора газ / жидкость 8 с входной стороной газового охладителя / конденсатора 10. Газообразный компонент хладагента охлаждается газом и / или конденсируется в газовом охладителе / конденсаторе 10, расширяется расширительным устройством высокого давления 12, соединенным гидравлически с выходной стороной газового охладителя / конденсатора 10, и доставляется в расширительный бачок 14, который соединен гидравлически с выходной стороной расширительного устройства высокого давления 12.
Выходная труба жидкой фазы 13 сепаратора газ / жидкость 8 соединена гидравлически с нижней частью 8а сепаратора газ / жидкость 8, что позволяет перемещать жидкий хладагент, собранный в нижней части 8a сепаратора газ / жидкость 8, в расширительный бачок 14.
По меньшей мере один переключаемый клапан 24 размещен в выходном трубопроводе жидкой фазы 13, что позволяет выборочно открывать и закрывать гидравлические соединения между сепаратором газ / жидкость 8 и расширительным бачком 14.
Сепаратор газ / жидкость 8 дополнительно оснащен датчиком уровня жидкости 26, который сконфигурирован для измерения уровня жидкого хладагента, собранного в нижней части 8a сепаратора газ / жидкость 8. Датчик уровня жидкости 26 функционально соединен с блоком управления 28, который сконфигурирован для открытия по меньшей мере одного переключаемого клапана 24, когда уровень жидкого хладагента, собранного в сепараторе газ / жидкость 8 превышает первый заданный уровень, и для закрытия по меньшей мере одного переключаемого клапана 24, когда уровень жидкого хладагента, собранного в сепараторе газ / жидкость 8 опускается ниже второго заданного уровня, равного или ниже первого заданного уровня. Закрытие по меньшей мере одного переключаемого клапана 24 предотвращает обход газообразным хладагентом газового охладителя / конденсатора 10 через выходную трубу жидкой фазы 13 в случае, если уровень жидкого хладагента, собранного в нижней части 8a сепаратора газ / жидкость 8, настолько низкий, что позволяет газообразному хладагенту войти в выходную трубу жидкой фазы 13 .
Датчик уровня жидкости 26 может быть механическим или электромеханическим индикатором жидкости скрытого типа или электронным датчиком уровня.
В первом варианте реализации изобретения переключаемый клапан 24 может быть простым двухпозиционным клапаном, имеющим только закрытое положение и одно открытое положение.
В альтернативном варианте реализации изобретения переключаемый клапан 24 может иметь два или более различных открытых положения, обеспечивая по меньшей мере два различных открытых сечения, что позволяет регулировать поток жидкого хладагента из сепаратора газ / жидкость 8 в расширительный бачок еще более точно. В другом варианте реализации изобретения поперечное сечение переключаемого клапана 24 может регулироваться непрерывно для обеспечения возможности еще более точного регулирования потока жидкого хладагента из сепаратора газ / жидкость 8.
В еще одном варианте реализации изобретения по меньшей мере один дополнительный переключаемый клапан 25 соединен параллельно с переключаемым клапаном 24. Применение двух или более переключаемых клапанов 24, 25, соединенных параллельно, позволяет регулировать количество жидкого хладагента, вытекающего из сепаратора газ / жидкость 8 путем выборочного открытия одного или нескольких из указанных переключаемых клапанов 24, 25. Переключаемые клапаны 24, 25 могут иметь одинаковые или различные открытые поперечные сечения (значения Kv).
В одном варианте реализации изобретения холодильный контур содержит по меньшей мере один переключаемый клапан, сконфигурированный для выборочного открытия и закрытия выхода жидкости из сепаратора газ / жидкость. Холодильный контур дополнительно содержит датчик уровня жидкости, который сконфигурирован для определения количества жидкого хладагента, присутствующего в сепараторе газ / жидкость, и блок управления, который сконфигурирован для манипулирования по меньшей мере одним переключаемым клапаном на основании количества жидкого хладагента, определенного датчиком уровня жидкости. Блок управления может быть интегрирован с датчиком уровня жидкости или переключаемым клапаном или может быть выполнен в виде отдельного блока.
Управление по меньшей мере одним переключаемым клапаном на основе уровня жидкого хладагента, собранного в сепараторе газ / жидкость, позволяет жидкому хладагенту вытекать из сепаратора газ / жидкость в расширительный бачок, но предотвращает течение газообразного хладагента из сепаратора газ / жидкость в расширительный бачок, минуя газовый охладитель / конденсатор.
В одном варианте реализации изобретения переключаемый клапан переключается между закрытым положением и по меньшей мере двумя различными открытыми положениями. Применение переключаемого клапана, имеющего по меньшей мере два различных открытых положения, позволяет более точно регулировать поток жидкого хладагента из сепаратора газ / жидкость в расширительный бачок. В одном варианте реализации изобретения переключаемый клапан может регулироваться непрерывно, что позволяет еще более точно регулировать поток жидкого хладагента из сепаратора газ / жидкость в расширительный бачок.
В одном варианте реализации изобретения холодильный контур содержит по меньшей мере два переключаемых клапана, которые соединены параллельно. Избирательное открытие и закрытие одного или нескольких из указанных по меньшей мере двух переключаемых клапанов позволяет более точно регулировать поток жидкого хладагента из сепаратора газ / жидкость в расширительный бачок. Переключаемые клапаны могут иметь одинаковые или различные открытые поперечные сечения / значения Kv. Применение переключаемых клапанов, имеющих различные открытые поперечные сечения / значения Kv, предоставляет дополнительные возможности для регулирования потока хладагента.
В одном варианте реализации изобретения по меньшей мере один газовый охладитель / конденсатор установлен на уровне, находящемся над уровнем регенератора тепла - теплообменника, с целью улучшения потока воздуха, проходящего через газовый охладитель / конденсатор, что будет способствовать повышению охлаждающей способности газового охладителя / конденсатора. Газовый охладитель / конденсатор, в частности, может быть расположен примерно до 20 м выше уровня регенератора тепла - теплообменника, например, на крыше здания холодильного контура.
В одном варианте реализации изобретения холодильный контур содержит по меньшей мере одно дополнительное расширительное устройство (высокого давления), соединенное гидравлически между газовым охладителем / конденсатором и расширительным бачком, с тем чтобы обеспечить в комбинации с подключенным к испарителю расширительным устройством, установленным выше испарителя, двухступенчатое расширение, повышающее производительность и эффективность работы холодильного контура.
В одном варианте реализации изобретения холодильный контур содержит отводную трубу дроссельного газа, гидравлически соединяющую верхнюю часть расширительного бачка с входной стороной по меньшей мере одного компрессора. Расширительное устройство дроссельного газа может быть установлено внутри отводной трубы дроссельного газа. Обводной трубопровод может дополнительно содержать теплообменник дроссельного газа, установленный ниже от устройства расширения дроссельного газа, который сконфигурирован для теплообмена между дроссельным газом и хладагентом, поступающим из расширительного бачка в испаритель. Такая отводная труба дроссельного газа может помочь повысить производительность и эффективность работы холодильного контура.
В одном варианте реализации изобретения по меньшей мере, один компрессор сконфигурирован как компрессор с переменной скоростью, что позволяет регулировать мощность охлаждения, обеспечиваемого с помощью холодильного контура путем регулирования скорости указанного компрессора.
В то время как изобретение было описано со ссылкой на примерные варианты реализации, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть сделаны различные изменения и могут быть использованы эквиваленты вместо его элементов, не выходя за рамки настоящего изобретения. Кроме того, могут быть сделаны многие модификации, чтобы адаптировать конкретную ситуацию или материал к идеям изобретения, без отступления от его основного объема. Поэтому предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми вариантами реализации, но что изобретение будет включать все варианты реализации, подпадающие под объем прилагаемой формулы изобретения.Числовые ссылочные позиции
холодильный контур
группа компрессоров 2a, 2b, 2c, 2d
4 регенератор тепла - теплообменник
4a сторона холодильного контура регенератора тепла - теплообменника
4b сторона контура жидкости для регенерации тепла регенератора тепла - теплообменника
контур жидкости для регенерации тепла
входная труба сепаратора газ/жидкость / выходная труба регенератора тепла-теплообменника
сепаратор газ / жидкость
8a нижняя часть сепаратора газ / жидкость
8b верхняя часть сепаратора газ / жидкость
входная труба газообразной фазы сепаратора газ / жидкость
газовый холодильник / конденсатор
расширительное устройство высокого давления
выходная труба жидкой фазы сепаратора газ / жидкость
расширительный бачок
14a верхняя часть расширительного бачка
16 теплообменник дроссельного газа
18 подключенное к испарителю расширительное устройство
испаритель
отводная труба дроссельного газа
расширительное устройство дроссельного газа
переключаемый клапан
дополнительный переключаемый клапан
датчик уровня жидкости
28 блок управления