Каскадная холодильная машина с системой термостабилизации компрессора
CASCADE REFRIGERATING MACHINE WITH COMPRESSOR THERMAL STABILIZATION SYSTEM

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 существующего уровня техники известна каскадная холодильная машина [RU Патент №2563049, опубликован 20.09.2015], характеризующаяся тем, что в ней применяются установленные последовательно отделитель жидкости, разделяющий поток хладагента на газообразную и жидкую составляющие, предварительный рекуперативный теплообменник, основной рекуперативный теплообменник, основное дросселирующее устройство, испаритель, компрессор и конденсатор, при этом первый выход отделителя жидкости соединен с входом прямого потока хладагента в предварительный рекуперативный теплообменник, а второй выход отделителя жидкости соединен через предварительное дросселирующее устройство с входом обратного потока в предварительный рекуперативный теплообменник при этом выход потока хладагента из конденсатора и вход в отделитель жидкости связаны между собой теплообменником, являющимся конденсатором-переохладителем для нижней ветви каскада и испарителем для верхней ветви каскада, представляющей собой одноступенчатую холодильную машину, в которой последовательно установлены компрессор, конденсатор, ресивер, дросселирующее устройство, испаритель. При этом указанная холодильная машина будет работает 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.
Одним из преимуществ указанного технического решения является возможность достижения низких температур (ниже минус 120°С) с применением серийно-выпускаемых одноступенчатых компрессоров, вместо не выпускаемых серийно двухступенчатых или не выпускаемых серийно компрессоров со специальными системами охлаждения картера.
Недостатком указанного технического решения является то, что в переходных режимах работы каскадной холодильной машины (работа в режиме захолаживания: с момента пуска холодильной машины до достижения заданной температуры термостатирования) происходит значительный рост температуры компрессора нижней ветви каскада до определенного высокого уровня с дальнейшим ее снижением. Решение этой проблемы требует применения дополнительных технических средств для внешнего охлаждения компрессора.
Зависимость изменения температуры компрессора нижнего каскада во времени при работе реальной каскадной холодильной машины в переходных режимах работы имеет следующий вид - фиг. 1.
Такая форма графика объясняется тем, что в процессе выхода на установившийся режим эксплуатации холодопроизводительность каскадной холодильной машины затрачивается на компенсацию изменяющихся теплопритоков из окружающей среды и охлаждение теплоемкой массы корпуса с объектами охлаждения, теплоотдача от которой тоже меняется со временем.
По мере захолаживания теплоизолированного корпуса с объектами охлаждения меняются параметры фазового равновесия многокомпонентной смеси, и температура потока на всасывании в компрессор снижается, что обеспечивает его эффективное охлаждение компрессора парами хладагента с низкой температурой.
Максимальное достигаемое значение температуры компрессора зависит от ряда изменяющихся параметров, включающих в себя состав многокомпонентной смеси, температуру потока на всасывании и нагнетании, массовый расход рабочего тела и др., что не позволяет прогнозировать штатную работу холодильной машины, поскольку возникновение перегрева компрессора нижнего каскада выше допустимого уровня приводит к его нестабильной работе, срабатыванию внутренних приборов тепловой защиты компрессора и снижению показателей надежности.
Также из существующего уровня техники известна система регулирования состава хладагента [RU Патент №2576561, опубликован 10.03.2016], характеризующаяся тем, что в ней применяются ресивер, из которого хладагент дросселируется на всасывание компрессора холодильной машины за счет срабатывания соленоидного вентиля, которым в свою очередь управляет по заданной программе программируемый блок управления, входными сигналами для которого является комбинация сигналов давления всасывания и нагнетания компрессора холодильной машины, что в значительной степени ограничивает время работы холодильной машины при высоких давлениях нагнетания (обычно около 30 бар) и повышает надежность компрессора и холодильной машины в целом.
Недостатком указанного технического решения является то, что при работе в переходных режимах оно не позволяет обеспечить стабилизацию температурного режима компрессора нижней ветви каскада холодильной машины.
Техническим результатом заявляемого технического решения является стабилизация температурного режима компрессора нижней ветви каскада каскадной холодильной машины при работе в переходных режимах и при термостатировании.
Для достижения указанного технического результата, в заявляемой каскадной холодильной машине с системой термостабилизации компрессора осуществляется контролируемый перепуск охлажденных паров смеси хладагента после конденсатора-переохладителя на всасывание компрессора нижней ветви каскада через систему последовательно установленных элементов и приборов холодильной автоматики, управляемую с помощью программируемого блока управления (ПБУ).
Благодаря данным изменениям в структуре цикла удается стабилизировать температурный режим работы компрессора нижней ветви каскада и обеспечить бесперебойное функционирование каскадной холодильной машины в переходных режимах работы.
Принципиальная схема разработанной каскадной холодильной машины с системой термостабилизации компрессора представлена на фиг. 2.
Перечень элементов, указанных на рисунке 2:
поз. 1 - компрессор нижней ветви каскада;
поз. 2 - маслоотделитель;
поз. 3 - воздушный конденсатор нижней ветви каскада;
поз. 4 - конденсатор - переохладитель;
поз. 5 - отделитель жидкости;
поз. 6 - предварительный рекуперативный теплообменник;
поз. 7 - основной рекуперативный теплообменник;
поз. 8 - основное дросселирующее устройство;
поз. 9 - испаритель;
поз. 10 - предварительное дросселирующее устройство;
поз. 11 - входной соленоидный вентиль;
поз. 12 - перепускной ресивер;
поз. 13 - выходной соленоидный вентиль;
поз. 14 - обратный клапан;
поз. 15 - дополнительное дросселирующее устройство;
поз. 16 - соленоидный вентиль линии термостабилизации;
поз. 17 - обратный клапан линии термостабилизации;
поз. 18 - дросселирующее устройство линии термостабилизации;
поз. 19 - компрессор верхней ветви каскада;
поз. 20 - воздушный конденсатор верхней ветви каскада;
поз. 21 - ресивер;
поз. 22 - дросселирующее устройство верхней ветви каскада; поз.23 - дополнительное дросселирующее устройство; ПБУ - программируемый блок управления; Т - датчик температуры на корпусе компрессора.
Каскадная холодильная машина с системой термостабилизации компрессора состоит из циркуляционного контура верхней ветви каскада и циркуляционного контура нижней ветви каскада. В нижней ветви каскада установлены последовательно отделитель жидкости (поз. 5), разделяющий поток хладагента на газообразную и жидкую составляющие, предварительный рекуперативный теплообменник (поз. 6), основной рекуперативный теплообменник (поз. 7), основное дросселирующее устройство (поз. 8), испаритель (поз. 9), компрессор нижней ветви каскада (поз. 1), маслоотделитель (поз. 2) и воздушный конденсатор нижней ветви каскада (поз. 3), при этом первый выход отделителя жидкости (поз. 5) соединен с входом прямого потока хладагента в предварительный рекуперативный теплообменник (поз. 6), а второй выход отделителя жидкости (поз. 5) соединен через предварительное дросселирующее устройство (поз. 10) с входом обратного потока в предварительный рекуперативный теплообменник (поз. 6). Выход потока хладагента из конденсатора (поз. 3) и вход в отделитель жидкости (поз. 5) связаны между собой теплообменником (поз. 4), являющимся конденсатором-переохладителем для нижней ветви каскада и испарителем для верхней ветви каскада, представляющей собой одноступенчатую холодильную машину, в которой последовательно установлены компрессор верхней ветви каскада (поз. 19), воздушный конденсатор верхней ветви каскада (поз. 20), ресивер (поз. 21), дросселирующее устройство верхней ветви каскада (поз.22), конденсатор-переохладитель (поз. 4). Кроме того, нижняя ветвь каскада снабжена перепускной линией, содержащей последовательно установленные входной соленоидный вентиль (поз. 11), перепускной ресивер (поз. 2), выходной соленоидный вентиль (поз. 13), обратный клапан (поз. 14), дополнительное дросселирующее устройство (поз. 15), при этом вход перепускной линии расположен между конденсатором нижней ветви каскада (поз. 3) и конденсатором-переохладителем нижней ветви каскада (поз. 4), а выход между компрессором нижней ветви каскада (поз. 1) и выходом из предварительного теплообменника (поз. 6).
Система термостабилизации компрессора представляет из себя перепускную линию термостабилизации, включающую установленные последовательно соленоидный вентиль линии термостабилизации (поз. 16), обратный клапан линии термостабилизации (поз. 17) и дросселирующее устройство линии термостабилизации (поз. 18). При этом, вход в перепускную линию термостабилизации расположен между конденсатором-переохладителем нижней ветви каскада (поз. 4) и отделителем жидкости (поз. 5), а выход между компрессором нижней ветви каскада (поз. 1) и выходом из предварительного теплообменника (поз. 6).
Управление соленоидными вентилями (поз. 11, 13, 16) осуществляется с помощью программируемого блока управления (ПБУ) по заданной программе, входными сигналами для которого является комбинация сигналов датчиков давления всасывания, давления нагнетания и температуры «Т» на корпусе компрессора нижней ветви каскада (поз. 1).
Холодильная машина работает следующим образом: в нижней ветви каскада многокомпонентная смесь хладагентов сжимается в компрессоре (поз. 1) и попадает в маслоотделитель (поз. 2), в котором происходит отделение большей части смазочного масла с возвратом его в компрессор через дополнительное дросселирующее устройство (поз. 23). После этого рабочее тело охлаждается до температуры окружающей среды частично конденсируясь в воздушном конденсаторе нижней ветви каскада (поз. 3) и попадает в конденсатор-переохладитель (поз. 4), где продолжается процесс конденсации за счет низкопотенциальной теплоты, полученной от работы одноступенчатой холодильной машины верхней ветви каскада. Затем многокомпонентная смесь хладагентов попадает в отделитель жидкости (поз. 5), где разделяется на жидкую и газообразную фазы. Газообразный хладагент из отделителя жидкости поступает сначала в предварительный рекуперативный теплообменник (поз. 6), затем в основной рекуперативный теплообменник (поз. 7), где постепенно конденсируется за счет охлаждения обратным потоком. Охлажденный таким образом хладагент проходит через основное дросселирующее устройство (поз. 8), где происходит его расширение и понижение температуры, после чего он поступает в испаритель (поз. 9), где подогревается за счет тепла, отводимого от охлаждаемых объектов. Далее поток хладагента поступает в основной рекуперативный теплообменник (поз. 7), где подогревается за счет охлаждения прямого потока. Жидкий хладагент из отделителя жидкости (поз. 5) проходит через предварительное дросселирующее устройство (поз. 10), где понижается его давление и температура, после чего он смешивается с обратным потоком перед предварительным рекуперативным теплообменником (поз. 6). Далее поток хладагента еще подогревается в предварительном рекуперативном теплообменнике (поз. 6), и поступает на всасывание компрессора (поз. 1). На этом цикл работы холодильной машины замыкается.
В пусковой период компрессор (поз .1) создает разряжение в низкотемпературной части цикла нижней ветви каскада - испарителе (поз. 9), основном рекуперативном теплообменнике (поз. 7) и предварительном рекуперативном теплообменнике (поз. 6), в результате чего жидкая фаза многокомпонентного смесевого хладагента, состоящая из высококипящих компонентов, испаряется, обеспечивая начальное охлаждение и повышение давления на всасывании компрессора (поз. 1). В связи с тем, что объем газообразного хладагента в системе постоянного объема увеличивается, в контуре холодильной машины растет давление нагнетания. Из-за ограничений по давлению нагнетания для компрессора (поз. 1) программируемый блок управления (ПБУ) при определенном значении давления нагнетания дает сигнал на открытие входного соленоидного вентиля (поз. 11), перепуская тем самым в перепускной ресивер (поз.12) порцию рабочего тела холодильной машины в газообразной фазе. При этом давление нагнетания в цикле снижается, входной соленоидный вентиль (поз. 11) закрывается. Вследствие высокого давления всасывания в пусковой период в нижней ветви каскада выходной соленоидный вентиль (поз. 13) находится в закрытом состоянии.
Таким образом, в пусковой период из цикла изымается часть многокомпонентного смесевого хладагента, что обеспечивает снижение давления нагнетания в компрессоре и, соответственно, температуры нагнетания. Благодаря этому в начальный период времени удается обеспечить приемлемые температурные условия работы компрессора (поз. 1).
По мере снижения температуры кипения и начала конденсации промежуточных компонентов (изменения фазового равновесия) многокомпонентного смесевого хладагента давления всасывания и нагнетания со временем снижаются и ПБУ дает сигнал на открытие выходного соленоидного вентиля (поз. 13) при значениях давления всасывания и нагнетания» одновременно ниже оптимальных.
После открытия выходного соленоидного вентиля (поз. 13) порция хладагента начинает дросселироваться через дополнительное дросселирующее устройство (поз. 15) из перепускного ресивера (поз. 12) на всасывание компрессора (поз. 1), повышая давление всасывания и нагнетания до оптимальных значений, после чего соленоидный вентиль выходного потока (поз. 2) закрывается.
Таким образом, из-за периодических добавок порций многокомпонентного смесевого хладагента в контур нижней ветви каскада со временем увеличивается массовый расход рабочего тела через компрессор (поз. 1). Это приводит к увеличению его температуры при недостаточном охлаждении парами многокомпонентного смесевого хладагента на всасывании вследствие их высокой температуры в переходных режимах из-за большой теплоотдачи от теплоемкой массы корпуса и объектов охлаждения.
При этом, по достижении заданной температуры на корпусе компрессора (поз. 1), измеряемой датчиком «Т», начинает работать система термостабилизации: ПБУ дает сигнал на открытие соленоидного вентиля линии термостабилизации (поз. 16), через который порция многокомпонентного смесевого хладагента, охлажденного в конденсаторе-предохладителе (поз. 4), через обратный клапан линии термостабилизации (поз. 17) и дросселирующее устройство линии термостабилизации (поз. 18) поступает на линию всасывания компрессора (поз. 1), смешиваясь с потоком из предварительного теплообменного аппарата (поз. 6).
Благодаря включению системы термостабилизации, снижается температура рабочего тела на всасывании в компрессор (поз. 1), что обеспечивает его охлаждение парами хладагента с низкой температурой.
По мере захолаживания теплоизолированного корпуса с объектами охлаждения меняются параметры фазового равновесия многокомпонентной смеси хладагентов и снижается температура рабочего тела на всасывании в компрессор (поз. 1). При этом, температура на корпусе компрессора (поз. 1), фиксируемая датчиком «Т» также снижается до заданной и ПБУ дает сигнал на закрытие соленоидного вентиля линии термостабилизации (поз. 16). Система термостабилизации прекращает свою работу, что обеспечивает циркуляцию рабочего тела в полном объеме через испаритель (поз. 9).
Таким образом, удается организовать ступенчатое охлаждение с обеспечением оптимального состава многокомпонентного рабочего тела в испарителе холодильной машины при поддержании приемлемых температурных условий работы компрессора (поз. 1).
Продолжительность открытия и закрытия входного соленоидного вентиля (поз. 11), выходного соленоидного вентиля (поз. 13), соленоидного вентиля линии термостабилизации (поз. 6), а также значения уставок - оптимальных давлений и температур срабатывания, и их гистерезисы устанавливаются в зависимости от типоразмера холодильной машины, работающей по указанному циклу, а также в зависимости от качественного и количественного состава многокомпонентной смеси хладагентов - рабочего тела холодильной машины.
Благодаря использованию предлагаемой каскадной холодильной машины с системой термостабилизации компрессора удается обеспечить приемлемые температурные условия работы компрессора (поз. 1) в автоматическом режиме без внешних дополнительных устройств охлаждения. Это обеспечивает возможность применения серийно-выпускаемых одноступенчатых компрессоров в указанной схеме каскадной холодильной машины для получения холода на низких температурных уровнях (ниже минус 120°С).
На фиг. 3 в качестве примера применения представлена зависимость изменения температуры компрессора нижней ветви каскада (поз. 1) и температуры воздуха в рабочем объеме от времени в переходных режимах работы реальной каскадной холодильной машины с системой термостабилизации компрессора.
Типоразмеры элементов холодильной машины и настройки управляющих устройств подобраны таким образом, чтобы обеспечить температуру компрессора в переходных режимах не выше 70°С и в режиме термостатирования при работающей холодильной машине не выше 55С.
Предлагаемая каскадная холодильная машина с системой термостабилизации компрессора основана на применении оборудования и аппаратов, которые могут быть изготовлены на отечественных предприятиях и/или серийно выпускаемых комплектующих элементов (компрессоров, теплообменных аппаратов, датчиков температуры и давления, программируемых блоков управления и др.).
Предлагаемое изобретение может успешно применяться для решения актуальных задач по созданию низкотемпературного холодильного оборудования для медицины, машиностроения и металлообработки и др.