Термореверсивный фрикулинг

Предлагаемое устройство относится к области холодильной техники к промышленным холодильникам и кондиционерам.
Как правило наиболее распространены устройства свободного охлаждения (фрикулинг) с драйкулером позволяющие использовать низкие температуры окружающей среды без использования машинного охлаждения.
Сухие градирни (драйкулеры) имеют достаточно широкую область применения в системах кондиционирования и технологического охлаждения воды. Принцип работы системы фрикулинга заключается в том, что холодный воздух прогоняется вентиляторами через теплообменник и охлаждает хладоноситель (гликоль) внутри блока. После чего гликоль поступает в теплообменник и охлаждает воду, поступающую к потребителю. В этом способе внешняя поверхность теплообменника остается сухой, и таких проблем, как накипь и коррозия, не существует благодаря замкнутому контуру. Такая система имеет ряд недостатков.
Недостатками установки является высокая стоимость системы с драйкулером, гидромодулем, теплообменником; усложнение конструкции приводит к увеличению трудозатрат обслуживающего персонала, габаритных размеров и веса чиллера; применение токсичных антифризов из-за возможности замерзания гидравлического контура в зимний период, а использование антифризов увеличивает сопротивление гидравлического контура и требует увеличения мощности насоса; в зимние месяцы нередко возникает необходимость в регулировании объема охлаждающей жидкости; уменьшение энергоэффективности из-за увеличения энергопотребления вентиляторов (Драйкулер обычно устанавливается последовательно, за конденсатором. Двойной теплообменник - двойное сопротивление движению воздуха).
(«Ксирон-Холод» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.xiron.ru/content/view/32025/200/, свободный - (06.10.2019)).
Компания «SMARDT» предлагает систему фрикулинга с драйкулером заменить на более экономичную систему - термосифон. Термосифонный контур можно использовать в настоящее время в качестве эффективной замены методов воздушного и водяного охлаждения.
Отводимая теплота поступает в нижнюю часть устройства в испаритель, испаряя хладагент и заставляя его пары подниматься к верхней части устройства в конденсатор. В результате чего пар хладагент конденсируется на стенке трубы. Жидкость стекает обратно к испарителю под действием гравитации, и процесс повторяется. Процесс переноса теплоты, использующий эту естественную циркуляцию, называют "термосифон".
Поскольку в этом процессе не используется никаких устройств перемещения, мы имеем значительно более высокую надежность, низкий шум, низкую стоимость обслуживания, более высокую долговечность и низкую себестоимость. В конструкцию термосифона входит охлаждающий контур с хладагентом, который циркулирует без компрессора. Единственными подвижными элементами являются вентилятор конденсатора и хладагент, движущийся в охлаждающем контуре в процессе естественной конвекции.
Принцип работы установки с термосифоном логичен и прост. В чиллере не появляется нового теплообменного оборудования, как при аналогичных гликолевых решениях, а появляется несколько дополнительных фреоновых элементов. Условием работы фрикулинга с помощью термосифона является разность температур между двумя точками системы - это конденсатор и испаритель. За счет создания повышенного давления в испарителе происходит естественная циркуляция фреона. Теплота переносится от испарителя (охлаждаемой воды) к конденсатору (передавая его к окружающей среде). Процесс переноса теплоты происходит естественным образом и для его работы необходима только работа вентиляторов конденсатора, насоса на испарителе.
Теплота испарения и конденсации фреона значительна, поэтому производительность такой системы свободного охлаждения достаточна.
Главным недостатком такой системы является обязательное расположение конденсатора над испарителем; увеличение габаритных размеров установки вследствие чего не все помещения подходят для монтажа; невозможность регулирования холодопроизводительности. В связи с этими недостатками, такие системы не применяются на практике
(Трейд Групп (Smardt) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.vent-tk.ru/articles/2013/chillery-smardt-na-baze-kompressorov-41, свободный - (06.10.2019)).
За прототип принято устройство (Левенцов А.А. Фрикулинг. Можно ли удивить специалиста? // Журнал С.О.К. - 2005. - №4.), предлагаемое компанией «Carrier», где предлагается оснастить систему с фрикулингом фреоновым насосом.
Естественное охлаждение с прямым испарением позволяет значительно сократить расход энергии, требующейся для охлаждения зимой. В режиме естественного охлаждения компрессоры останавливаются, и работают только вентилятор и фреоновый насос системы охлаждения. Автоматическое переключение с режима охлаждения компрессорами на режим естественного охлаждения осуществляется системой управления по тепловой нагрузке чиллера и перепаду температур охлажденной воды и наружного воздуха.
Когда перепад температур охлажденной воды и наружного воздуха превышает пороговое значение, система управления сравнивает мгновенное значение холодопроизводительности системы с полной холодопроизводительностью в режиме естественного охлаждения. Если условия позволяют работу в режиме естественного охлаждения, то компрессоры выключаются, трехходовой вентиль в линии всасывания соединяет испаритель с конденсатором, позволяя миграцию пара холодильного агента в конденсатор. Пары холодильного агента конденсируются в теплообменниках конденсатора, и фреоновый насос холодильной машины создает давление перед дроссельным вентилем. Холодопроизводительность в режиме естественного охлаждения регулируется открытием дроссельного вентиля.
Недостатком данной конструкции является необходимость дорогостоящего фреонового насоса, обеспечивающего работоспособность холодильного контура; дополнительные затраты на обслуживание фреонового насоса. Стоимость фреонового насоса сопоставима со стоимостью драйкулера, но его надежность намного меньше, поэтому такие системы не применяются на практике.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа, т.е. создание экономичной и надежной системы подачи жидкого хладагента с необходимым давлением на дроссельный элемент без фреоновых насосов для получения холодопроизводительности за счет естественного холода и затрат электроэнергии только на работу ТЭНа подогрева ресивера.
Технический результат:
обеспечение циркуляции хладагента на такое расстояние, когда термосифон уже непригоден и возникает необходимость во фреоновых насосах. При этом вместо герметичного насоса с электродвигателем используются две ресиверные станции с системой термостатирования;
простота, надежность, компактность конструкции и безопасность эксплуатации устройства.
Дополнительный технический результат:
значительная энергетическая эффективность использования ТЭНа для создания давления жидкого хладагента на линии подачи в дроссельное устройство.
Поставленная задача решается тем, что для достижения технического результата предложена холодильная машина, включающая компрессор, трубопроводы с арматурой, испаритель, конденсатор и дроссельный вентиль, содержащая следующие новые признаки:
машина оснащена байпасным вентилем, обеспечивающим циркуляцию хладагента по системе, минуя компрессор;
на машине устанавливается две параллельные ресиверные станции, каждая из которых оборудована нагревателем, установленным на ресивере. Этот признак обеспечивает возможность сбора конденсата в один из ресиверов в зимний период времени, когда давление в конденсаторе ниже давления в испарителе, давление в ресивере в это время равно давлению в конденсаторе, ТЭН в это время отключен реле уровня. В то же время, во втором ресивере ТЭНы создают необходимую температуру и давление, достаточное для подачи жидкого хладагента в дроссельное устройство. Реле давления поддерживает заданное давление в ресивере путем включения и выключения ТЭНа;
каждый ресивер оснащен реле нижнего уровня жидкого хладагента, которое выключает реле давления и соответственно ТЭН одного ресивера при заданном уровне и открывает байпасную линию на входе в конденсатор. За счет чего время выхода на низкое давление в ресивере сокращается до минимума. При этом включается реле давления, соответственно включается ТЭН второго ресивера, наполненного жидким холодильным агентом.
Совокупность указанных признаков соответствует условию «новизна», т.к. из уровня техники не было выявлено совокупности подобных признаков для решения поставленной задачи, а также условию «промышленная применимость», что подтверждает приведенный ниже пример для иллюстрации указанных технических результатов.
Сущность полезной модели поясняется фигурой, где приведена принципиальная схема холодильной машины, которая содержит компрессор 1, конденсатор с воздушным охлаждением 4, ресиверную станцию 7 и 8, дроссельный вентиль 11, испаритель 12, трубопроводы с арматурой 2, 3, 5, 6, 11, 10, 13, 14, реле уровня 15, 16.
Ресиверная станция устанавливается на жидкостной линии между конденсатором и испарителем. Поверхность установки должна быть ровной и горизонтальной. Каждый ресивер оборудован предохранительным клапаном, давление срабатывания которого рассчитано под конкретный хладагент согласно ГОСТ Р 12.2.142-99. Для поддержания высокого давления хладагента в ресивере в условиях низких температур окружающей среды установлена система нагрева. Система нагрева включает в себя гибкий ТЭН подогрева, теплоизоляцию ресивера и управляющее реле давления или температуры. При использовании подогрева ресивера требуется обязательная установка обратного клапана перед ресивером.
Пример.
Холодильная машина работает следующим образом.
При понижении температуры окружающей среды и падении давления в ресиверах ниже заданного уровня, реле давления включает нагреватели и поддерживает таким образом давление на заданном уровне. Если ресиверы устанавливаются снаружи здания, они оснащаются теплоизоляцией устойчивой к воздействию солнца и влаги. Устройство, представленное на рис. 1, работает следующим образом. При понижении температуры окружающей среды ниже заданной температуры кипения в испарителе, компрессор 1 выключается. Открывается байпасный клапан 13. Как уже было описано выше, в ресивере 7 поддерживается давление конденсации, жидкий хладагент под давлением через дроссельный вентиль направляется в испаритель 12, кипит, и его пары поступают в конденсатор 4, где происходит его конденсация. В это время ресивер 8 соединен с линией всасывания, реле давления и ТЭН отключен, соответственно давление в нем соответствует давлению в конденсаторе, а жидкий хладагент собирается в ресивер. По достижению нижнего уровня жидкого фреона в ресивере 7 соленоидный клапан 11 на испаритель закрывается, нагреватель на ресивере выключается, а соленоидный клапан 2 на линии входа в конденсатор открывается, выравнивая давление в ресивере и конденсаторе. В этот момент соленоидный клапан 6 на линии входа в ресивер 8 закрыт, нагреватель включается, давление повышается до давления конденсации, и жидкий хладагент направляется в испаритель. После достижения нижнего уровня жидкого хладагента срабатывает реле уровня 15 и ресиверы переключаются. Нагреватель ресивера 7 выключается, байпасный клапан 2 открывается, и давление в ресивере 7 и конденсаторе 4 выравнивается. Жидкий хладагент из конденсатора 4 собирается в ресивер 7. В это время реле давления на ресивере 8 включает нагреватель, и жидкий хладагент под давлением устремляется через дроссельный вентиль в испаритель, цикл замыкается.
При наступлении теплого периода все байпасные клапаны и соленоидный клапан на одной ресиверной станции отключаются. Вторая ресиверная станция работает в обычном режиме вместе с компрессором.
Предлагаемое устройство не содержит элементов, составляющих контур обычной холодильной машины, использующий естественный холод окружающей среды, фреоновых насосов, термосифона, драйкулера. Это значительно упрощает конструкцию, повышает ее экономичность, надежность, долговечность, снижает габариты, металлоемкость и стоимость изготовления. Постоянство температуры у потребителя обеспечивается за счет непрерывности циркуляции хладагента в зимний и в летний периоды.