ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА
REFRIGERATOR

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к холодильным установкам с промежуточным теплоносителем, и может быть использовано для охлаждения помещений и рабочих сред.
Известна холодильная установка с холодильной машиной и системой непосредственного охлаждения холодильных камер, в которой теплота от охлаждаемой среды или продуктов передается кипящему в батареях камер рабочему телу (хладагенту) через металлическую теплопередающую поверхность испарителя. Образующиеся пары рабочего тела сжимаются компрессором и вновь конденсируются, передавая теплоту конденсации через металлическую теплопередающую поверхность конденсатора окружающей среде или теплоносителю. Холодильный испарительный контур, обеспечивающий функционирование системы непосредственного охлаждения, позволяет отводить значительные потоки теплоты и поддерживает температуру всех внутренних поверхностей охлаждающих батарей на одном и том же уровне независимо от порядка их расположения (в отличие от рассольных систем охлаждения). Характерной особенностью данной установки является большой внутренний объем системы непосредственного охлаждения; система охлаждения, как правило, имеет значительную протяженность и большое количество соединительных элементов, ухудшающих ее герметичность.
Недостатком установки является возможность попадания паров ядовитых или экологически вредных хладагентов в производственные и складские помещения при нарушении герметичности системы охлаждения; большое количество дорогостоящего и/или опасного хладагента, необходимого для заправки системы; пожароопасность (при работе с горючими хладагентами). При заправке системы охлаждения дешевым и/или безопасным хладагентом снижается производительность и эффективность холодильной машины, при этом может уменьшиться и ее рабочий ресурс.
Известны каскадные холодильные установки, содержащие как минимум два холодильных (теплопередающих) контура, один из которых является частью системы непосредственного охлаждения холодильных камер, а другой (другие) обеспечивает отвод удаляемой теплоты в окружающую среду или передачу ее теплоносителю. В данных установках рабочие тела, заполняющие разные контуры, отличаются друг от друга по составу и техническим характеристикам. В каскадной холодильной установке возможно сочетать высокую производительность и эффективность холодильной машины второго холодильного контура, заполненного небольшим количеством дорогостоящего и/или опасного хладагента (либо использующего газовый или абсорбционный холодильный цикл), с низкой стоимостью и безопасностью хладагента первого холодильного (теплопередающего испарительного) контура, являющегося частью разветвленной системы непосредственного охлаждения холодильных камер. Рабочее тело первого контура можно рассматривать как промежуточный теплоноситель, обеспечивающий передачу тепловой энергии от холодильных камер к холодильной машине второго контура.
Недостатком данной установки является необходимость в дополнительном компрессоре, обеспечивающем работоспособность первого контура, и невозможность применения в качестве рабочего тела этого контура веществ, резко снижающих рабочий ресурс компрессора, например, из-за низкой способности растворять смазочное масло (в частности, такие хладагенты, как углекислый или сернистый газ). Циркуляцию подобного хладагента в первом испарительном контуре возможно обеспечить при помощи насосной установки, однако при этом снижается герметичность системы и возникают проблемы, связанные с кавитацией перекачиваемой жидкости в рабочих полостях насоса.
(Червяков С.С., Кулаковский А.И. «Основы холодильного дела». М.: Высш. шк., 1988, с.31-35, 44-45, 56-61).
Технической задачей, решаемой изобретением, является обеспечение работоспособности первого контура каскадной холодильной установки с системой непосредственного охлаждения холодильных камер или других холодопотребляющих устройств без применения компрессора или насоса, нарушающих герметичность контура и ограничивающих диапазон применяемых хладагентов; обеспечение возможности использования в качестве рабочего тела контура любых хладагентов, способных образовывать парожидкостную смесь внутри контура при рабочих температурах системы непосредственного охлаждения холодильных камер или других холодопотребляющих устройств.
Для решения поставленной технической задачи холодильная установка содержит холодильную машину с заполненным холодильным агентом (рабочим телом) холодильным контуром и испарительный теплопередающий контур, являющийся частью системы непосредственного охлаждения холодильных камер или других холодопотребляющих устройств, который заполнен рабочим телом в виде жидкости и ее паров, а в состав испарительного теплопередающего контура входят: конденсационный участок, имеющий тепловой контакт с испарителем (охладителем) холодильного контура; сообщающийся с конденсационным участком испарительный участок, имеющий тепловой контакт с потребляющим холод устройством; сообщающийся с испарительным и конденсационным участками накопительно-вытеснительный участок, снабженный устройством периодического нагрева накопительно-вытеснительного участка до температуры, превышающей температуру остальных участков теплопередающего контура, и периодического охлаждения накопительно-вытеснительного участка до температуры, не превышающей температуру остальных участков теплопередающего контура; система клапанов и трубопроводов, обеспечивающих преимущественно одностороннее движение рабочего тела по теплопередающему контуру в направлении от испарительного участка к конденсационному участку, далее к накопительно-вытеснительному участку и вновь к испарительному участку.
Сообщение участков теплопередающего контура друг с другом может осуществляться как непосредственно, так и посредством соединительных трубопроводов, форма и размеры сечения которых предпочтительно обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по ним в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без образования застойных зон жидкости.
В качестве рабочего тела теплопередающего контура предпочтительно применен хладагент, отличающийся по своему составу от холодильного агента (рабочего тела) холодильного контура установки.
В качестве клапанов, обеспечивающих преимущественно одностороннее движение рабочего тела по теплопередающему контуру, предпочтительно применены обратные клапана, препятствующие перемещению рабочего тела из испарительного участка в накопительно-вытеснительный участок и из накопительно-вытеснительного участка в конденсационный участок и не препятствующие перемещению рабочего тела в обратном направлении.
Испарительный и конденсационный участки теплопередающего контура предпочтительно выполнены в виде трубопроводов, форма и размеры сечения которых обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по ним в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без образования застойных зон жидкости. Способность жидкости перемещаться в любом направлении одновременно с вытесняющими или засасывающими ее потоками пара обеспечивается малым диаметром и округлым сечением трубопроводов, благодаря капиллярным силам, удерживающим паровые и жидкостные пробки в трубопроводах от слияния и расслоения.
Теплопередающий контур предпочтительно имеет накопительный сосуд, расположенный между конденсационным участком и обратным клапаном, препятствующим возвращению рабочего тела из накопительно-вытеснительного участка в конденсационный участок.
Теплопередающий контур предпочтительно содержит буферный сосуд (ресивер), расположенный между накопительно-вытеснительным и испарительным участками; между накопительно-вытеснительным участком и буферным сосудом расположен обратный клапан, препятствующий возвращению рабочего тела из буферного сосуда в накопительно-вытеснительный участок, а между нижней частью буферного сосуда и испарительным участком расположен дроссельный клапан. Буферный сосуд предпочтительно снабжен устройством регулирования его температуры. В качестве устройства регулирования температуры буферного сосуда предпочтительно применен термоэлектрический модуль, одна нагреваемая/охлаждаемая сторона которого имеет тепловой контакт с буферным сосудом, а оборотная охлаждаемая/нагреваемая сторона термоэлектрического модуля имеет тепловой контакт с накопительно-вытеснительным участком теплопередающего контура.
Теплопередающий контур предпочтительно содержит несколько накопительно-вытеснительных участков, каждый из которых снабжен устройством периодического нагрева и охлаждения, при этом устройства функционируют со сдвигом фаз относительно друг друга.
Устройство периодического нагрева и охлаждения накопительно-вытеснительного участка теплопередающего контура (устройство нагрева/охлаждения I уровня) предпочтительно содержит: сообщающийся с накопительно-вытеснительным участком теплопередающего контура нагреватель, имеющий тепловой контакт с теплообменником, расположенным между компрессором и конденсатором холодильного контура; сообщающийся с нагревателем охладитель, имеющий тепловой контакт с теплообменником, расположенным между испарителем и компрессором холодильного контура; сообщающийся с охладителем накопительно-вытеснительный сосуд, снабженный модулем периодического нагрева накопительно-вытеснительного сосуда до температуры, превышающей температуру всех участков теплопередающего контура, и периодического охлаждения накопительно-вытеснительного сосуда до температуры, не превышающей температуру всех участков теплопередающего контура; трубопроводы, обеспечивающие движение рабочего тела от накопительно-вытеснительного участка теплопередающего контура через нагреватель и охладитель устройства к накопительно-вытеснительному сосуду и обратно. Форма и размеры сечения трубопроводов предпочтительно обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по ним в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без образования застойных зон жидкости.
В качестве модуля периодического нагрева и охлаждения накопительно-вытеснительного сосуда может быть применено устройство вышеописанной конструкции (устройство нагрева/охлаждения II уровня).
В качестве модуля периодического нагрева и охлаждения накопительно-вытеснительного сосуда может быть применен термоэлектрический модуль, одна нагреваемая/охлаждаемая сторона которого имеет тепловой контакт с накопительно-вытеснительным сосудом, а оборотная охлаждаемая/нагреваемая сторона термоэлектрического модуля имеет тепловой контакт с испарительным участком холодильного контура.
В качестве устройства периодического нагрева и охлаждения накопительно-вытеснительного участка теплопередающего контура может быть применен термоэлектрический модуль (элемент Пельтье), одна сторона которого имеет тепловой контакт с накопительно-вытеснительным участком, а оборотная сторона имеет тепловой контакт с другим участком теплопередающего контура или с окружающей средой.
Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.
Холодильная установка позволит использовать эффективный термодинамический цикл охлаждения в холодильной машине при минимальных объемах оптимального хладагента в холодильном контуре и обеспечит эффективную передачу теплоты от холодильных камер или других холодопотребляющих устройств к холодильной машине посредством недорогого и/или безопасного хладагента, без применения дополнительного компрессорного или насосного оборудования.
Применение буферного сосуда позволит обеспечить равномерность подачи жидкого рабочего тела в испарительный участок теплопередающего контура, а также позволит поддерживать повышенное давление и соответственно повышенную температуру жидкого рабочего тела в трубопроводах, идущих от буферного сосуда до дроссельного клапана (клапанов), размещенного перед испарительным участком (участками); повышенное давление позволит доставлять жидкое рабочее тело в испарительный участок независимо от его расположения в поле силы тяжести, а повышенная температура рабочего тела позволит снизить непроизводительные потери холода при транспортировке жидкого рабочего тела к испарительному участку теплопередающего контура.
Применение нескольких накопительно-вытеснительных участков, перемещающих рабочее тело теплопередающего контура со сдвигом фаз относительно друг друга, позволит обеспечить равномерность подачи жидкого рабочего тела в испарительный участок теплопередающего контура без применения буферного сосуда.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан вариант конструкции холодильного устройства.
Конструкция устройства состоит из испарительного участка 1, находящегося внутри холодильной камеры 2, конденсационного участка 3, накопительного сосуда 4, накопительно-вытеснительного участка 5, буферного сосуда 6, термоэлектрического модуля 7, обратных клапанов 8 и 9, дроссельного клапана 10, испарителя 11 холодильной машины, компрессора 12, конденсатора 13 холодильной машины, дроссельного клапана 14, теплообменников 15 и 16, охладителя 17, нагревателя 18, накопительно-вытеснительного сосуда 19, термоэлектрического модуля 20, трубопровода 21. Конденсатор 13 холодильной машины охлаждают теплоносителем 22.
Работа холодильного контура холодильного устройства осуществлена следующим образом.
Компрессор 12 откачивает пары рабочего тела холодильного контура из испарителя 11, сжимает их, повышая температуру паров, после чего подает их через теплообменник 16 в конденсатор 13. В конденсаторе 13 сжатые пары рабочего тела конденсируются, отдавая теплоту конденсации теплоносителю 22. Сконденсированное рабочее тело из конденсатора 13 через дроссельный клапан 14 поступает в испаритель 11, в котором при пониженном давлении испаряется, отбирая теплоту от конденсационного участка 3 теплопередающего контура. Холодные пары рабочего тела проходят через теплообменник 15 и вновь поступают в компрессор 12.
Работа теплопередающего контура холодильного устройства осуществлена следующим образом.
Жидкое рабочее тело теплопередающего контура из буферного сосуда 6 под действием перепада давлений через дроссельный клапан 10 поступает в испарительный участок 1, расположенный в холодильной камере 2. Жидкое рабочее тело, поступающее в испарительный участок 1, под действием поступающей из холодильной камеры 2 теплоты испаряется. Пары рабочего тела перемещаются в конденсационный участок 3, в котором конденсируются, передавая теплоту конденсации испарителю 11 холодильной машины. Сконденсированное жидкое рабочее тело из конденсационного участка 3 стекает в накопительный сосуд 4.
Подачу жидкого рабочего тела из накопительного сосуда 4 в буферный сосуд 6 осуществляют в два этапа. На первом этапе термоэлектрический модуль 20 отбирает теплоту от накопительно-вытеснительного сосуда 19 и передает ее теплообменнику 15. В накопительно-вытеснительном сосуде 19 происходит конденсация паров рабочего тела с понижением внутреннего давления в сосуде. Под действием возникшего перепада давлений жидкое рабочее тело, заполняющее охладитель 17, всасасывается в накопительно-вытеснительный сосуд 19. В освободившемся пространстве охладителя 17 осуществляется конденсация паров рабочего тела, поступающих по трубопроводу 21 через нагреватель 18 из накопительно-вытеснительного участка 5. Кондесация паров осуществляется за счет отвода тепла от охладителя 17 к теплообменнику 15.
В результате удаления паров рабочего тела и частичного испарения жидкого рабочего тела в накопительно-вытеснительном участке 5 снижается температура и давление. Под действием возникшего перепада давлений между накопительным сосудом 4 и накопительно-вытеснительным участком 5 открывается обратный клапан 8, через который жидкое рабочее тело из накопительного сосуда 4 засасывается в накопительно-вытеснительный участок 5, заполняя его. Так как давление в разных участках испарительного контура жестко зависит от их температуры, всасывание осуществляется при температуре внутри накопительно-вытеснительного участка 5 и накопительно-вытеснительного сосуда 19 ниже, чем температура других участков контура. Заполнение накопительно-вытеснительного участка 5 жидким рабочим телом будет осуществляться до тех пор, пока внутренний объем накопительно-вытеснительного сосуда 19 и охладителя 17 не заполнится жидким рабочим телом и в охладителе не прекратится конденсация паров либо пока не будет осуществлен переход ко второму этапу.
На втором этапе осуществляют переполюсовку термоэлектрического модуля 20, в результате чего термоэлектрический модуль 20 начинает отбирать теплоту от теплообменника 15 и передавать ее накопительно-вытеснительному сосуду 19. В накопительно-вытеснительном сосуде 19 происходит испарение рабочего тела с повышением внутреннего давления в сосуде. Жидкое рабочее тело, заполняющее накопительно-вытеснительный сосуд 19 и охладитель 17, по трубопроводу 21 поступает в нагреватель 18, в котором под действием поступающей от теплообменника 16 теплоты испаряется. Выделяющиеся горячие пары по трубопроводу 21 перемещаются в накопительно-вытеснительный участок 5, повышая в нем давление и температуру.
При повышении давления внутри накопительно-вытеснительного участка 5 выше, чем давление в накопительном сосуде 4, автоматически перекрывается обратный клапан 8, а при повышении давления выше, чем давление в буферном сосуде 6, автоматически открывается обратный клапан 9, через который жидкое рабочее тело из накопительно-вытеснительного участка 5 вытесняется в буферный сосуд 6, заполняя его. Так как давление в разных участках испарительного контура жестко зависит от их температуры, вытеснение осуществляется при температуре внутри накопительно-вытеснительного участка 5 и накопительно-вытеснительного сосуда 19 выше, чем температура других участков контура. Вытеснение жидкого рабочего тела из накопительно-вытеснительного участка 5 в буферный сосуд 6 будет осуществляться до тех пор, пока жидкое рабочее тело из накопительно-вытеснительного сосуда 19 не будет полностью вытеснено в охладитель 17 и в сосуде прекратится испарение жидкости либо пока не будет осуществлен переход к первому этапу.
Таким образом, чередуя этапы, поддерживают необходимый уровень жидкого рабочего тела в буферном сосуде 6. Вследствие периодичности заполнения буферного сосуда 6 в нем неизбежны колебания давления, что отрицательно сказывается на поддержании постоянного расхода жидкого рабочего тела в испарительный участок 1. Для поддержания давления внутри буферного сосуда 6 на требуемом уровне, предусмотрен термоэлектрический модуль 7. При значительном повышении давления, а следовательно, и температуры внутри буферного сосуда 6 термоэлектрический модуль 7 перекачивает часть теплоты из буферного сосуда 6 в накопительно-вытеснительный участок 5. В буферном сосуде 6 при этом происходит конденсация части паров рабочего тела с соответствующим снижением давления и температуры, а в накопительно-вытеснительном участка 5 осуществляется испарение части жидкого рабочего тела. При значительном понижении давления и температуры в буферном сосуде 6 осуществляют обратный процесс.