СИСТЕМА УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА
WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM

Область применения
Изобретение относится к области энергетики, а именно к системам утилизации тепла с холодильных машин.
Уровень техники
Известна система утилизации тепла (патент RU 140269 МПК F25B 29/00 опубл. 10.05.2014), которая включает выносной конденсатор, реле давления, линию нагнетания компрессора, на входе которой установлен обратный клапан линии нагнетания, выход которого соединен с входом автоматического вентиля, установленного на линии утилизации тепла, и входом регулятора давления конденсации утилизации, выход которого соединен с выходом обратного клапана линии утилизации тепла, выход автоматического вентиля соединен со входом теплообменника, выход которого соединен со входом обратного клапана линии утилизации тепла, на линии байпас установлен регулятор давления в ресивере, соединенный с обратными клапанами линии байпас и жидкостной линии. Вход выносного конденсатора соединен с выходом регулятора давления конденсации утилизации, а выход выносного конденсатора соединен со входом реле давления и входом обратного клапана жидкостной линии, при этом вход регулятора давления в ресивере соединен со входом регулятора давления конденсации утилизации.
Недостатком известного технического решения является невысокая производительность утилизации тепла, так как в холодное время года часть тепловой энергии конденсации холодильной машины расходуется на поддержание давления в выносном конденсаторе, который находится на улице, что уменьшает полезную производительность утилизации тепла. Кроме того, КПД холодильной машины уменьшается при неполной нагрузке на систему утилизации тепла (достигнута необходимая температура или часть теплообменников выключена), а минимальное давление конденсации, приходящееся на нагнетание компрессора (компрессоров) холодильной машины, составляет давление настройки регулятора давления конденсации утилизации.
Сущность изобретения
Технической задачей предложенного решения является создание эффективной и безопасной системы утилизации тепла для работы в любое время года.
Технический результат, достигаемый при применении системы, заключается в получении почти 100% отдачи тепловой энергии конденсации холодильной машины для нужд потребителя без уменьшения КПД холодильной машины.
Технический результат достигается тем, что в четырех вариантах исполнения система утилизации тепла включает линию нагнетания холодильной машины, на входе которой установлен обратный клапан линии нагнетания, выход которого соединен со входом регулятора давления «до себя» линии нагнетания, входом регулятора давления «после себя» линии байпас газ, соединенного с обратным клапаном линии байпас газ, со входом автоматического вентиля линии утилизации тепла, выход которого соединен со входом теплообменника утилизации, выход которого соединен со входом обратного клапана линии утилизации тепла, выносной конденсатор, подключенный к линии нагнетания и жидкостной линии, ресивер, вход которого соединен с выходами обратных клапанов линии байпас газ, жидкостной линии, и устройство контроля состояния газа в ресивере. Новым является то, что:
- в первом, втором, третьем и четвертом вариантах исполнения дополнительно введена линия байпас жидкость, на которой установлены регулятор давления и обратный клапан, а на линии нагнетания - обратный клапан подачи в конденсатор. Выход обратного клапана линии байпас жидкость соединен со входом в ресивер, а устройство контроля состояния газа в ресивере соединено с выходом обратного клапана жидкостной линии;
- в первом и втором варианте исполнения на линии нагнетания установлены соленоидный вентиль, регулятор дифференциала давлений, обратный клапан подачи в конденсатор, причем выход обратного клапана линии нагнетания соединен со входом соленоидного вентиля, выход которого соединен со входом регулятора дифференциала давлений, выход обратного клапана линии утилизации тепла соединен с выходом регулятора дифференциала давлений, выходом регулятора давления «до себя» линии нагнетания, входом обратного клапана подачи в конденсатор и входом регулятора давления линии байпас жидкость, соединенного со входом обратного клапана линии байпас жидкость, вход конденсатора соединен с выходом обратного клапана подачи в конденсатор линии нагнетания;
- в первом и третьем варианте исполнения выход выносного конденсатора соединен со входом регулятора давления жидкостной линии, выход которого подключен ко входу обратного клапана жидкостной линии;
- во втором и четвертом варианте исполнения выход выносного конденсатора соединен со входом обратного клапана жидкостной линии, выполненного с пружиной;
- в третьем и четвертом варианте исполнения выход обратного клапана линии утилизации тепла соединен с выходом регулятора давления «до себя» линии нагнетания, входом обратного клапана подачи в конденсатор и входом регулятора давления линии байпас жидкость, соединенного со входом обратного клапана линии байпас жидкость.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена принципиальная схема утилизации тепла, на фиг. 2 - принципиальная схема при холодном пуске, на фиг. 3 - принципиальная схема при утилизации, на фиг. 4 - принципиальная схема при неполной нагрузке утилизации тепла (работа регулятора дифференциала давлений линии нагнетания).
На фиг. 1 обозначены:
1 - линия нагнетания холодильной машины;
2 - обратный клапан линии нагнетания 1;
3 - автоматический вентиль;
4 - линия утилизации;
5 - регулятор давления «до себя» линии нагнетания 1;
6 - обратный клапан линии утилизации;
7 - выносной конденсатор;
8 - устройства контроля состояния газа;
9 - обратный клапан жидкостной линии 10;
11 - обратный клапан линии байпас газ 12;
13 - ресивер;
14 - регулятор давления «после себя» (РД) линии байпас газ 12;
15 - теплообменник;
16 - обратный клапан линии байпас жидкость 17;
17 - линия байпас жидкость
18 - регулятор давления «после себя»;
19 - регулятор давления конденсации;
20 - обратный клапан в конденсатор;
21 - соленоидный вентиль линии нагнетания
22 - регулятора дифференциала давлений.
В качестве регулятора давления конденсации 19 жидкостной линии 10 используют регулятор давления, который открывается согласно настройке при росте давления на входе и закрывается с падением.
В качестве регулятора дифференциала давлений 22 линии нагнетания 1 используют регулятор давления, который открывается согласно настройке при росте дифференциала между давлением на входе и давлением на выходе регулятора и закрывается с падением.
В качестве автоматического вентиля 3 линии утилизации 4 используют регулятор давления, соленоидный вентиль или любое другое устройство, способное открываться с ростом опорного давления и закрываться с падением согласно настройке.
В качестве регулятора давления 14 «после себя» линии байпас газ 12 используют регулятор давления, соленоидный вентиль или любое другое устройство, способное открываться с падением давления на выходе регулятора и закрываться с ростом.
В качестве регулятора давления «после себя» 18 линии байпас жидкость 17 используют устройство, аналогичное регулятору давления «после себя» 14 линии байпас газ 12, или с функцией принудительного закрытия.
В качестве устройства контроля состояния газа 8 используют реле давления, датчик давления, датчик температуры, отбор опорного пилотного давления либо любое другое устройство, позволяющее получить параметры давления или температуры газа.
Осуществление изобретения
В системе утилизации тепла на входе линии нагнетания 1 холодильной машины установлен обратный клапан 2 линии нагнетания 1, выход которого соединен со входом автоматического вентиля линии 3 утилизации 4, входом регулятора давления 5 «до себя» линии нагнетания 1, входом соленоидного вентиля 21 линии нагнетания 1, входом регулятора давления 14 «после себя» линии байпас газ, выход автоматического вентиля 3 линии утилизации 4 соединен со входом теплообменника утилизации 15, выход соленоидного вентиля 21 линии нагнетания 1 соединен со входом регулятора дифференциала давлений 22 линии нагнетания 1, выход регулятора давления 14 «после себя» линии байпас газ 12 соединен со входом обратного клапана 11 линии байпас газ 12, выход теплообменника утилизации 15 соединен со входом обратного клапана 6 линии утилизации 4, выход которого соединен с выходом регулятора давления 5 «до себя» линии нагнетания 1, входом обратного клапана подачи 20 в выносной конденсатор 7, выходом регулятора дифференциала давлений 22 линии нагнетания 1 и входом регулятора давления 18 «после себя» линии байпас жидкость 17, выход которого соединен с обратным клапаном 16 линии байпас жидкость 17. Выход обратного клапана подачи 20 линии нагнетания 1 соединен с выносным конденсатором 7, выход которого соединен со входом регулятора давления конденсации 19 жидкостной линии 10, выход которого соединен со входом обратного клапана 9 жидкостной линии 10, выход которого соединен со входом устройства контроля состояния газа 8 в ресивере 13, с выходом обратного клапана линии 16 байпас жидкость 17, с выходом обратного клапана 11 линии байпас газ 12 и с входом в ресивер 13.
Работа устройства
Работа системы утилизации тепла с хладоном R404a (HFC R404a) в зимнее время года при уличной температуре -40 градусов Цельсия.
Настройки регуляторов:
1. Автоматический вентиль 3 линии утилизации 4
11 бар
2. РД 14 «после себя» линии байпас газ 12
10 бар
3. РД 18 «после себя» линии байпас жидкость 17
15 бар
4. Регулятор давления конденсации 19
15,1 бар
5. Регулятор давления 5 «до себя»
17,5 бар
6. Дифференциальный регулятор давления 22
0,25 бар
7. Соленоидный вентиль 21, опорное давление
10,5 бар
Работа системы утилизации тепла делится на следующие режимы:
- холодный пуск;
- утилизация тепла;
- неполная нагрузка утилизации тепла (работа регулятора дифференциала давлений 22 линии нагнетания 1);
- неполная нагрузка утилизации тепла (работа регулятора давления 5 «до себя» линии нагнетания 1);
- работа системы утилизации тепла без регулятора давления конденсации жидкостной линии 19.
Холодный пуск
После простоя холодильной машины в зимнее время при вышеописанных условиях давление газа в выносном конденсаторе 7, а следовательно, и после регулятора давления 5 «до себя» линии нагнетания 1 будет эквивалентно 0,31 бар. Цель холодного пуска - дать старт или поддержать холодильный цикл, поднять давление в ресивере для проталкивания жидкого хладагента на потребителя(ей) холода.
В линию нагнетания 1 компрессором или группой компрессоров нагнетается перегретый газ. Пока давление в ресивере 13 не достигнет настройки регулятора давления 14 «после себя» линии байпас газ 12, соленоидный вентиль 21 линии нагнетания 1 и автоматический вентиль 3 линии утилизации 4 закрыты, регулятор давления 5 «до себя» линии нагнетания 1 будет поддерживать давление до себя, согласно настройке 17,5 бар, регулятор давления 14 «после себя» линии байпас газ 12 будет открыт до тех пор, пока давление в ресивере 13 не поднимется до уставки регулятора давления 14 «после себя» линии байпас газ 12. Обратный клапан 16 не даст поступить горячему газу в линию байпас жидкость 17, так как давление после обратного клапана 16 будет выше, чем до него, а обратный клапан 9 не даст поступить горячему газу в жидкостную линию 10, так как давление после обратного клапана 9 будет выше, чем до него (фиг. 2).
Утилизация тепла
По достижении в ресивере давления настройки регулятора давления 14 «после себя» линии байпас газ 12, регулятор давления 14 «после себя» закроется. Регулятор давления 18 «после себя» линии байпас жидкость 17 и соленоидный вентиль 21 линии нагнетания 1 открыты, регулятор дифференциала давлений 22 линии нагнетания 1 поддерживает дифференциал 0,5 бар, регулятор давления конденсации 19 жидкостной линии 10 закрыт.
Если производительности теплообменника утилизации 15 достаточно, чтобы сконденсировать газ до уставки 17,5 бар, то регулятор давления 5 «до себя» линии нагнетания 1 будет закрыт, регулятор дифференциала давлений 22 линии нагнетания 1 будет закрыт и весь объем перегретого газа будет проходить через теплообменник 15. При этом утилизируется для нужд потребителя 100% тепла нагнетания. Регулятор давления конденсации 19 жидкостной линии 10 будет закрыт - выносной конденсатор 7 постепенно заполнится жидким хладагентом, обратный клапан подачи 20 в выносной конденсатор 7 линии нагнетания 1 не даст жидкому хладагенту заполнить систему утилизации в момент простоя. Регулятор давления 18 «после себя» линии байпас жидкость 17 будет открыт и весь объем сконденсированного теплообменником утилизации 15 газа поступит напрямую в ресивер 13, минуя выносной конденсатор 7 без потерь тепловой энергии на поддержание давления в выносном конденсаторе 7. Объем ресивера 13 должен дополнительно вмещать внутренний объем выносного конденсатора 7 и объем линии утилизации 4. В случае уменьшения давления в ресивере 13 ниже настройки регулятора давления 14 «после себя» линии байпас газ 12, например, нагреваемая системой утилизации тепла среда имеет очень низкую температуру, система утилизации тепла переходит в режим холодного пуска (фиг. 3).
Неполная нагрузка утилизации тепла (работа регулятора дифференциала давлений 22 линии нагнетания 1)
В случае, если нагреваемая среда достигла высокой температуры, или часть теплообменников утилизации 15 выключена, а давление до регулятора давления «до себя» 5 линии нагнетания 1 не достигло его уставки - дифференциал давлений между входом и выходом теплообменника(ов) утилизации 15 будет расти, когда значение дифференциала достигнет уставки регулятора дифференциала давлений 22 линии нагнетания 1, он откроется (приоткроется) на столько, на сколько это необходимо, чтобы поддерживать заданный уставкой дифференциал давлений. При этом давление в ресивере 13 будет расти. Когда значение давления в ресивере 13 достигнет значения настройки регулятора давления «после себя» 18 линии байпас жидкость 17, он будет прикрываться, а регулятор давления конденсации 19 жидкостной линии 10 приоткрываться на столько, на сколько это необходимо, чтобы утилизировать через выносной конденсатор 7 избыточное тепло на столько, на сколько это необходимо. При этом общее давление конденсации, приходящееся на нагнетание компрессора(ов), не возрастает (возрастает незначительно), следовательно, КПД холодильной машины не уменьшается (фиг. 4).
Неполная нагрузка утилизации тепла (работа регулятора давления 5 «до себя» линии нагнетания 1)
В случае, если нагреваемая среда достигла высокой температуры, или часть теплообменников утилизации 15 выключена, давление до регулятора давления «до себя» 5 достигло его уставки, а дифференциал давлений между входом и выходом теплообменника(ов) утилизации 15 ниже его уставки, регулятор дифференциала давлений 22 линии нагнетания 1 будет закрыт, но регулятор давления «до себя» 5 линии нагнетания 1 откроется на столько, на сколько это необходимо для поддержания заданного 17,5 бар давления. При этом давление в ресивере 13 будет расти. Когда значение давления в ресивере 13 достигнет значения настройки регулятора давления «после себя» 18 линии байпас жидкость 17, он будет прикрываться, а регулятор давления конденсации 19 жидкостной линии 10 откроется ровно на столько, на сколько это необходимо, чтобы утилизировать через выносной конденсатор 7 избыточное тепло на столько, на сколько это необходимо.
Во втором и четвертом варианте исполнения обратный клапан с пружиной открывается только в том случае, если давление на входе обратного клапана составляет сумму давления на выходе обратного клапана и дифференциала давлений, создаваемого пружиной. Работа системы утилизации тепла в этом случае происходит следующим образом. При достижении давления в ресивере 13 значения настройки регулятора давления «после себя» 18 линии байпас жидкость 17 он будет прикрываться, а давление в выносном конденсаторе 7, а следовательно, и на входе обратного клапана жидкостной линии 9 будет расти. При достижении давления на входе обратного клапана жидкостной линии 9 значения суммы давления в ресивере 13 и дифференциала давления, создаваемого усиленной пружиной, обратный клапан жидкостной линии 9 откроется на столько, на сколько это необходимо. При падении давления в ресивере 13 ниже уставки регулятора давления «после себя» 18 линии байпас жидкость 17 он откроется, давление на входе обратного клапана жидкостной линии вырастет, обратный клапан жидкостной линии закроется.
При использовании системы утилизации тепла совместно с холодильной машиной небольшой мощности и с использованием регуляторов давления (например, типа KVR, KVD и т.д.) применяют третий и четвертый вариант исполнения предложенного решения.
Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается использованием в нем известных элементов, используемых в машиностроении, с достижением технического результата.