Холодильная машина и способ её работы
REFRIGERATION UNIT AND OPERATION METHODS

Изобретение относится к области холодильной техники, а именно, к компрессионным холодильным машинам машины с нереверсивным циклом и способам их работы.
Из уровня техники широко известны и повсеместно применяются низкотемпературные компрессорные циклы, в которых рабочее тело (хладагент) всасывается в парообразном состоянии в компрессор, затем сжимается в компрессоре (причем процесс сжатия, как правило, близок к адиабатному), а после сжатия выталкивается по коммуникациям в теплообменник, в котором охлаждается при давлении равном или близком давлению нагнетания компрессора (иногда охлаждение сопровождается конденсацией хладагента). После этого хладагент расширяют (дросселируют или детандируют) и подают в другое теплообменное устройство, в котором хладагент нагревается за счет подвода теплоты из окружающей среды (при этом хладагент может испаряться, если до этого был сконденсирован). Затем хладагент вновь всасывается в компрессор и цикл повторяется.
Описанные процессы справедливы для различных циклов. При этом различают:
- субкритические циклы, в которых и при охлаждении, и при нагреве хладагента имеет место изменение его агрегатного состояния (конденсация или испарение) (см., например, Холодильные машины (под ред. Кошкина Н.Н.) - М.: Пищевая промышленность, 1973 - стр. 51);
- транскритические циклы, при которых в процессе охлаждения конденсации хладагента не происходит (см., например, А.М. Архаров, В.В. Шишов, М.С. Талызин Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных транскритических циклов - Инженерный журнал: наука и инновации, №3, 2017. - стр. 1 - 14);
- газовые циклы, при которых хладагент всегда находится в газообразном состоянии (см., например, Холодильные машины (под ред. Кошкина Н.Н.) - М.: Пищевая промышленность, 1973 - стр. 359).
Основным недостатком известных циклов являются излишне высокие затраты энергии на сжатие рабочего тела.
Из уровня техники известен способ трансформации тепловой энергии систем теплоснабжения, в котором рабочее тело испаряют с подводом теплоты от низкотемпературного теплоносителя, сжимают, конденсируют, нагревая теплоноситель системы теплоснабжения, и дросселируют, при этом часть общего потока теплоносителя системы теплоснабжения перед нагреванием в конденсаторе нагревают рабочим телом в процессе его сжатия (см. патент RU2143651, кл. F25B 29/00, опубл. 27.12.1999). В устройстве, реализующем данный способ, компрессор (или отдельные его ступени) снабжен (снабжены) теплообменными поверхностями, подключенными к коммуникациям конденсатора для ввода теплоносителя системы теплоснабжения, которые содержат клапаны распределения потоков теплоносителя системы теплоснабжения между конденсатором и теплообменными поверхностями компрессора. Недостатком известных способа и устройства является сложность конструкции, а также недостаточно высокий КПД.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению в части устройства является холодильная машина, содержащая охлаждаемый компрессор и связанный с потребителем теплообменник, объединенные в единый замкнутый холодильный цикл, причем внутренняя полость теплообменника соединена с камерой всасывания компрессора (см. патентCN108088104, кл.F04B 39/06, опубл. 29.05.2018). Известная машина содержит испаритель, охлаждающее устройство и конденсатор с первой и второй частями конденсации, которые сообщаются друг с другом через охлаждающее устройство.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению в части способа является соответствующий способ работы вышеописанной холодильной машины, заключающийся в передаче посредством теплообменника тепла от потребителя к хладагенту, всасывании паров хладагента в компрессор, сжатии хладагента в компрессоре с одновременным отводом образованного тепла, расширении сжатого хладагента и его последующем направлении к указанному теплообменнику.
Известные устройство и способ относятся к низкотемпературным компрессорным циклам, в которых при сжатии хладагента в компрессоре осуществляют интенсивный отвод теплоты от хладагента. При этом показатель политропы сжатия существенно меньше адиабаты, что обеспечивает снижение затрат энергии на сжатие в компрессоре и, следовательно, увеличение холодильного коэффициента. Кроме того, в теплообменнике (конденсаторе) требуется отвести заметно меньше тепла от сжатого хладагента, что снижает массу и габаритные размеры теплообменного аппарата, его себестоимость. Однако, известные способ и устройство обладают существенным недостатком: по-прежнему требуется охлаждение хладагента после компрессора, т.е. требуются затраты энергии на его проталкивание через теплообменник и сам теплообменник.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание более простого и компактного устройства, конструкция которого исключает затраты энергии на проталкивание хладагента через теплообменник при высоком давлении, поскольку не требует наличия теплообменного аппарата для охлаждения хладагента. Технический результат заключается в повышении КПД холодильной машины.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается в части устройства тем, что в холодильной машине, содержащей охлаждаемый компрессор и связанный с потребителем теплообменник, объединенные в единый замкнутый холодильный цикл, в которой внутренняя полость теплообменника соединена с камерой всасывания компрессора, камера нагнетания компрессора оснащена газораспределительным устройством нагнетания принудительного действия и соединена трубопроводом непосредственно с внутренней полостью указанного теплообменника.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается в части способа тем, что согласно предлагаемому способу работы холодильной машины, заключающемуся в передаче посредством теплообменника тепла от потребителя к хладагенту, всасывании паров хладагента в компрессор, сжатии хладагента в компрессоре с одновременным отводом образованного тепла, расширении сжатого хладагента и его последующем направлении к указанному теплообменнику, расширение хладагента осуществляют путем его выхлопа через газораспределительное устройство нагнетания принудительного действия и трубопровод непосрественно во внутреннюю полость указанного теплообменника.
На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемой холодильной машины;
i
LgP
на фиг.2-4 - представлены рабочие циклы предлагаемой холодильной машины (точки А, В, С) в сравнении с традиционным циклом (трапеция) при различном положении относительно кривой конденсации (фиг.2 - субкритический цикл, фиг.3 - транскритический цикл, фиг.4 - газовый цикл), где ось абсцисс  - удельная энтальпия хладагента, а ось ординат  - натуральный логарифм давления хладагента;
PV
на фиг.5 представлен рабочий процесс компрессора на индикаторной -диаграмме для случая поршневых компрессоров;
на фиг.6 - то же для случая роторных компрессоров объемного действия.
Основным элементом предлагаемой холодильной машины является интенсивно охлаждаемый компрессор 1, содержащий рабочую камеру 2, камеру всасывания 3 с газораспределительным устройством всасывания 4 (например, самодействующий клапан), камеру нагнетания 5 с газораспределительным устройством нагнетания принудительного действия 6 (клапан, золотник или др.), которое приводится в действие приводом 7 (принцип действия которого может быть любым - механическим, электромагнитным, гидравлическим, пневматическим и пр.). Камера нагнетания 5 посредством трубопровода 8, а камера всасывания 3 посредством трубопровода 9 сообщаются с внутренней полостью связанного с потребителем теплообменника 10. Компрессор 1, теплообменник 10 и трубопроводы 9, 8 объединены в единый замкнутый холодильный цикл.
Предлагаемая холодильная машина работает следующим образом.
В первом такте работы компрессора рабочее тело (хладагент), поступающее от теплообменника 10 через трубопровод 9, сжимается в рабочей камере 2, причем процесс сжатия сопровождается интенсивным отводом образованного тепла (например, за счет охлаждения через стенки рабочей камеры, либо за счет впрыска в рабочую камеру охлаждающей жидкости). На фиг.2-4 процесс сжатия с интенсивным охлаждением представлен отрезком A-B.
В конце процесса сжатия принудительно открывается газораспределительное устройство нагнетания 6 и происходит расширение хладагента путем выхлопа через газораспределительное устройство нагнетания 6 и камеру нагнетания 5, откуда его по трубопроводу 8 направляют непосредственно во внутреннюю полость теплообменника 10. На фиг.2-4 процесс выхлопа изображен отрезком B-C.
В теплообменнике 10 происходит передача тепла от потребителя к хладагенту: хладагент нагревается за счет того, что он отводит от внешнего потребителя теплоту через стенки теплообменника 10. На фиг.2-4 этот процесс изображен линией C-A. После подогрева пары хладагента через трубопровод 9 и камеру 3 снова всасываются в рабочую камеру 2, в которой происходит процесс всасывания. После окончания процесса всасывания начинается процесс сжатия и описанный рабочий цикл повторяется.
В предлагаемом низкотемпературном компрессорном цикле холодильной машины полностью исключаются затраты энергии на проталкивание рабочего тела через теплообменник при высоком давлении, т.е. снижаются затраты энергии в компрессоре. Этот энергетический выигрыш хорошо иллюстрируют индикаторные диаграммы компрессора, представленные на фиг.5-6.
На фиг.5 линиями a-b-c-d представлен традиционный в настоящее время рабочий цикл любых известных поршневых компрессоров, в том числе холодильных; здесь же линиями a'-b'-c'-d' рабочий цикл заявленной холодильной машины. Как известно, площадь индикаторной диаграммы компрессора пропорциональна его индикаторной мощности. Из фиг.5 видно, что индикаторная мощность предлагаемого устройства меньше площади известного цикла на величину заштрихованной площади.
На фиг.6 линиями a-b-c представлен реализуемый в настоящее время рабочий цикл роторных компрессоров объемного действия (винтовых, пластинчатых и др.). Так как в этих машинах отсутствует процесс обратного расширения d (который есть в поршневых компрессорах по фиг.5), то площадь заштрихованной фигуры в этом случае еще больше, соответственно больше и ожидаемый энергетический эффект.
Целесообразно отметить, что теоретическая холодопроизводительность холодильной машины определяется длиной отрезка С-А на диаграмме цикла (фиг. 2 - 4). Если путем регулирования приводом 7 газораспределительного устройства нагнетания принудительного действия 6 обеспечить завершение процесса сжатия не в точке В, а при более высоком давлении, то при этом точка С сместится влево и длина отрезка С-А увеличится, то есть увеличится холодопроизводительность. Если путем регулирования приводом 7 газораспределительного устройства нагнетания принудительного действия 6 обеспечить завершение процесса сжатия не в точке В, а при более низком давлении, то при этом точка С сместится вправо и длина отрезка С-А уменьшится, то есть и холодопроизводительность уменьшится. Таким образом, заявляемое техническое решение дополнительно позволяет достаточно просто регулировать величину холодопроизводительности.
В предлагаемом низкотемпературном компрессорном цикле полностью исключаются затраты энергии на проталкивание рабочего тела через теплообменник при высоком давлении, т.е. снижаются затраты энергии в компрессоре. Нет необходимости и в теплообменном аппарате для охлаждения рабочего тела. Отличием является также и то, что процесс расширения реализуется выхлопом, а не дросселированием или детандированием, как в традиционных холодильных машинах.
Таким образом, за счет значительного снижения затрат энергии на работу компрессора, а также упрощения конструкции предлагаемое изобретение позволяет значительно повысить КПД холодильной машины и упростить регулирование холодопроизводительности.