КОЛЛЕКТОР-ОТДЕЛИТЕЛЬ ЖИДКОСТИ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к отделителям жидкости и может быть использована, в частности, в существующих и проектируемых холодильных системах для повышения их энергетической эффективности.
Отделители жидкости являются важными элементами холодильных установок и предназначены для улавливания капель жидкости (жидкий хладагент и холодильное масло), содержащихся в парах холодильного агента. При установке отделителей жидкости между испарителем и компрессором они защищают холодильный компрессор от попадания в рабочие цилиндры компрессоров жидкости вместе с паром холодильного агента. Отделители жидкости представляют собой, как правило, вертикальные аппараты с приваренными днищами. Отделение пара от частиц жидкости происходит в результате резкого изменения скорости и направления движения парожидкостной смеси хладагента. Отделитель жидкости необходим не только во всех холодильных установках с затопленными испарителями, но и в установках, снабженных традиционными испарителями с перегревом, для которых вследствие их работы при резко меняющихся тепловых нагрузок на испаритель, не исключено, что в процессе эксплуатации произойдет накопление хладагента в жидкой фазе во всасывающем коллекторе холодильной установки. После чего такой хладагент может попасть в компрессор и вывести его из строя, если перед ним не поставить во всасывающую магистраль отделитель жидкости.
Самый простой отделитель жидкости с теплообменником, в виде трубки с теплым хладагентом работающей холодильной системы показан на стр.216 на рис.10-32 (в) в известной книге «Справочник. Торговое холодильное оборудование» автор Каплан Л.Г., изд. «Колос», Москва, 1995 г. Отделитель жидкости этой установки выполнен в виде всасывающей трубки большего диаметра, по которой течет парожидкостная смесь из испарителя на вход компрессора. Снаружи к ней припаяна жидкостная трубка с горячим хладагентом после конденсатора. За счет подогрева хладагентом корпуса всасывающей трубы увеличивается количество испаряющегося хладагента и уменьшается вероятность гидравлического удара в компрессоре за счет попадания жидкости.
Известны различные конструкции отделителей жидкости (их иногда называют сепараторами жидкости), применяемые в холодильных установках для отделения масла от хладагента, а также отделения капельного жидкого хладагента из парожидкостной фазы хладагента, выходящего из испарителя. В патенте РФ №2466773, опубликованном 20.11.12 «Сепаратор жидкости» описан сепаратор для отделения газа от жидкости, в частности, предназначенный для отделения масла от сжатого воздуха, подаваемого компрессором с впрыском масла. Сепаратор снабжен центробежным сепаратором и сепаратором окончательной очистки, через который может протекать очищаемый газ. При этом центробежный сепаратор состоит из цилиндрического корпуса с тангенциально расположенным входным отверстием и осевым выходным отверстием. Известны также отделители жидкости по патентам РФ №2359185 (F25B 43/00) и №2159907 (F25B 43/00).
Вертикальные отделители жидкости со всеми характеристиками приведены на с.821-822, рис.3.1.4-4. в книге авторов В. Мааке, Г.-Ю. Эккерт, Жан-Луи Кошпен под названием «ПОЛЬМАН-Учебник по холодильной технике», Изд. Московского Университета, 1998 г.
Некоторые из приведенных в этой книге моделей дополнительно оборудованы встроенным внутри змеевиком для циркуляции теплого хладагента. Он предназначен для испарения жидкости, оставшейся в парожидкостной смеси. Так, на с.824, рис.3.1.4-6 показана модель отделителя жидкости с теплообменником фирмы Friga-Bohn, позволяющая улучшить режим работы терморегулирующего вентиля, в который будет поступать переохлажденный жидкий хладагент, что повышает эффективность холодильного цикла и снижает энергопотребление установки. Этот вертикальный отделитель Friga-Bohn со встроенной трубкой для жидкого хладагента является наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели.
Недостатком указанного отделителя жидкости является низкая энергоэффективность, вследствие того, что в вертикальном отделителе с внутренним теплообменником мала площадь контакта трубки теплообменника с осевшим в нижней части отделителя жидким хладагентом, поскольку диаметр корпуса отделителя в несколько раз меньше его длины и погрузить всю трубку в осевший жидкий хладагент не представляется возможным. Кроме того, у прототипа есть еще недостаток при использовании его в многокомпрессорных установках, которые в настоящее время нашли наиболее широкое применение в холодильной технике. В этих установках всегда применяются коллекторы на всасывающей магистрали. Эти коллекторы представляют собой горизонтально расположенную цилиндрическую трубу большого диаметра, закрытую с двух сторон торцевыми полусферическими днищами с расположенными сверху патрубками для входа парожидкостной смеси хладагента и выходными патрубками, через которые каждый компрессор в многокомпрессорной холодильной установке всасывает пары хладагента. Чтобы исключить попадание неиспарившегося хладагента в капельном виде внутрь компрессора между каждым выходным патрубком всасывающего коллектора и входом в компрессор дополнительно устанавливается отделитель жидкости. Это существенно усложняет компоновку холодильной установки, снижает надежность за счет выполнения дополнительных паяных или сварных соединений. При этом энергетическая эффективность холодильной установки при увеличении ее стоимости за счет установки отделителей жидкости, не меняется.
Задачей, решаемой с использованием предлагаемой полезной модели, является повышение энергетической эффективности холодильной установки при ее эксплуатации.
Техническая сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в отделителе жидкости, включающим цилиндрический корпус с торцевыми полусферическими днищами, патрубками входа парожидкостной смеси, патрубками выхода пара, а также внутренний теплообменник, внутренний теплообменник с жидким хладагентом выполнен из нескольких трубок, объединенных входным и выходным коллекторами, выведенных из коллектора-отделителя жидкости через противоположные торцевых полусферических днища, при этом трубки внутреннего теплообменника с жидким хладагентом расположены в нижней части коллектора-отделителя, каждая из трубок снаружи имеет одинаковое количество скользящих втулок, равномерно распределенных по их длине, причем втулки, расположенные в одном поперечном сечении цилиндрического корпуса, жестко соединены между собой и жестко фиксируются, как минимум, с одной из трубок.
Расположение нескольких трубок с теплым жидким хладагентом в нижней части горизонтального коллектора позволяет эффективно увеличить площадь теплообмена между теплым хладагентом в трубках внутреннего теплообменника и парожидкостной смесью, поступающей в коллектор-отделитель из испарителя холодильной машины, что позволяет переохладить жидкий хладагент в трубках внутреннего теплообменника, не допуская при этом попадания капельного хладагента из коллектора отделителя во всасывающую полость компрессора. При этом переохлажденный в трубках жидкий хладагент, поступая затем в терморегулирующий вентиль холодильной установки, повышает ее хладопроизводительность при том же энергопотреблении компрессора, т.е. повышает энергоэффективность холодильной установки. Количество трубок с теплым хладагентом, устанавливаемых внутри коллектора, определяется расчетным путем пропорционально холодопроизводительности компрессора. Скользящие втулки на каждой трубке с теплым хладагентом, распределенные равномерно по длине трубок, и жестко соединенные между собой в поперечных сечениях цилиндрического корпуса и жестко соединенных с одной из трубок, обеспечивают равномерный зазор между трубками, не допуская механического контакта с корпусом коллектора-отделителя жидкости и трубок между собой.
Это позволяет обеспечить максимальную эффективность теплообмена между теплым хладагентом в трубках внутреннего теплообменника и парожидкостным хладагентом в нижней части коллектора-отделителя жидкости за счет того, что поверхности трубок внутреннего теплообменника равномерно омываются жидким хладагентом в нижней части коллектора-отделителя. Дополнительным эффектом такой конструкции является то, что всасывающий коллектор соединен напрямую с компрессором, который при работе достаточно сильно вибрирует и вибрация распространяется на присоединенный к нему коллектор-отделитель жидкости, а жесткое соединение плавающих втулок между собой в поперечных сечениях цилиндрического корпуса всасывающего коллектора позволяет исключить трение трубок между собой и о корпус коллектора в процессе эксплуатации холодильной установки, тем самым постоянно обеспечивает равномерность зазора между трубками при всех режимах эксплуатации холодильной машины.
На фиг.1 схематично представлен предлагаемый коллектор-отделитель жидкости холодильной установки. Он состоит из цилиндрического корпуса 1 коллектора-отделителя жидкости с патрубком входа 2 парожидкостной смеси из испарителя холодильной машины, двумя патрубками выхода 3 газообразного хладагента и торцевыми полусферическими днищами 4. Внутренний теплообменник отделителя жидкости, включает в себя трубки с жидким хладагентом 5, со свободно скользящими по ним медными втулками 6, расположенные, как показано на фиг.2 в нижней части цилиндрического корпуса 1 всасывающего коллектора. Медные втулки 6, равномерно распределенные по длине трубок, жестко соединены между собой в поперечном сечении цилиндрического корпуса 1 (фиг.3) коллектора-отделителя жидкости, например, пайкой, и после равномерного распределения по длине трубок, жестко фиксируются как минимум с одной из трубок в каждом из поперечных сечений. Вход жидкого хладагента осуществляется через патрубок 7, выход - через патрубок 8.
Работает предложенный коллектор-отделитель жидкости холодильной установки следующим образом.
При работе холодильной установки на вход коллектора-отделителя через патрубок 2 всегда поступает парожидкостная смесь из испарителя холодильной установки. Попадая внутрь цилиндрического корпуса 1 под действием гравитационных сил и изменения направления движения потока, жидкие частицы неиспарившегося хладагента оседают в нижней зоне цилиндрического корпуса 1, при этом пары испарившегося хладагента засасываются из цилиндрического корпуса 1 через отдельные для каждого компрессора патрубки выхода 3. Скопившейся в нижней части цилиндрического корпуса 1 жидкий хладагент испаряется за счет подвода к нему тепла от протекающего по трубкам 5 теплого жидкого хладагента. Хладагент с температурой 40-45°C подается в трубки 5 из общей теплой магистрали холодильной машины, например, после конденсатора холодильной установки. Теплый хладагент течет по трубкам 5 внутри цилиндрического корпуса 1, поступая через входной коллектор 7 внутреннего теплообменника, где он распределяется по трубкам 5, проложенных в нижней части цилиндрического корпуса 1 и подогревает скопившийся внизу хладагент. Трубки 5 объединяются в выходной коллектор 8 внутреннего теплообменника и выходят из коллектора-отделителя жидкости через торцевое полусферическое днище 4. При таком подогреве хладагент, скопившийся в нижней части цилиндрического корпуса 1, интенсивно испаряется, превращается в пар и через выходные патрубки 3 поступает в цилиндры компрессора холодильной установки, а переохлажденный в этом процессе хладагент поступает на вход терморегулирующего вентиля холодильной машины. За счет этого переохлаждения доля жидкого хладагента в испарителе холодильной установки увеличивается, пропорционально увеличивается и холодопроизводительность при том же самом энергопотреблении компрессора, что повышает энергоэффективность холодильной установки, т.е. на единицу затраченной электроэнергии вырабатывается больше холода. Для обеспечения равномерного зазора между трубками внутреннего теплообменника 5 скользящие втулки 6 каждой трубки 5 жестко соединены между собой, равномерно распределены по всей длине этих трубок, что исключает их касание между собой и стенками цилиндрического корпуса 1 при вибрации отделителя жидкости в процессе работы компрессоров. Жесткая фиксация закрепленных между собой втулок 6 к одной из труб исключает их произвольное перемещение по трубкам при вибрации коллектора в процессе эксплуатации.
Приведенная совокупность отличительных признаков обеспечивает отличие предлагаемого решения от прототипа и дает следующие преимущества.
Предложенный коллектор - отделитель жидкости повышает холодопроизводительность установки при одинаковом энергопотреблении компрессора за счет увеличения величины переохлаждения жидкого хладагента во внутреннем теплообменнике, охлаждаемого за счет испарения жидкого хладагента, а также за счет испарения растворенного хладагента из масла, которое тоже осаждается в отделителе жидкости. Повышение эффективности холодильной установки достигается за счет расположения трубок внутреннего теплообменника с жидким теплым хладагентом в нижней части отделителя жидкости, где скапливается неиспарившийся хладагент в жидком виде, который при контакте с теплыми трубками внутреннего теплообменника начинает интенсивно испаряться и переохлаждать хладагент, текущий в этих трубках. При этом, скользящие втулки, равномерно распределенные по длине трубок внутреннего теплообменника обеспечивают равномерный зазор между ними и способствуют повышению коэффициента теплоотдачи при теплообмене между теплым хладагентом в трубках внутреннего теплообменника и холодным неиспарившимся хладагентом в нижней части коллектора-отделителя жидкости, что также повышает эффективность теплообмена и энергетическую эффективность всей холодильной установки.