ХОЛОДИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЦИРКУЛЯЦИИ В НЕМ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
COOLER UNIT AND PROCEDURE FOR CIRCULATION OF COOLING FLUID MEDIUM IN IT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к холодильному устройству, в частности к промышленным холодильным установкам, а также к бытовым системам кондиционирования воздуха и к способу циркуляции в них охлаждающей текучей среды.
Уровень техники
Обычно устройство для циркуляции охлаждающей текучей среды содержит компрессор, предназначенный для сжатия газообразного хладагента с целью повышения его температуры и давления; конденсатор, выполненный с возможностью конденсации сжатого газообразного хладагента с последующим преобразованием его в жидкое состояние и отдачей теплоты во внешнюю среду; расширительный блок, например капиллярную трубку или изоэнтальпический дроссельный клапан, предназначенный для понижения температуры и давления хладагента; и испаритель, который поглощает теплоту из внешней среды, охлаждая ее, и передает эту теплоту поступающей из расширительного блока охлаждающей текучей среде с низкой температурой и давлением, при этом текучая среда переходит из жидкого состояния в газообразное.
За последние годы было предпринято много попыток повысить рабочие характеристики холодильных устройств. Некоторые из них натолкнулись на препятствия технологического характера, которые поставили под сомнение их осуществимость, а другие попытки привели к повышению эффективности, однако при этом существенно усложнили установку. Например, установки двухстадийного сжатия, где наличие двух независимых компрессоров влечет за собой проблемы балансировки нагрузок и усложнение управления всей установкой.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является устранение или, по меньшей мере, уменьшение упомянутых выше недостатков путем создания холодильного устройства и способа циркуляции в нем холодильной текучей среды, в которых повышена эффективность.
Первым объектом изобретения является холодильное устройство, содержащее основной компрессор, конденсатор, расположенный по потоку после основного компрессора и сообщенный с ним по текучей среде, основное расширительное средство, расположенное по потоку после конденсатора, и испаритель, расположенный по потоку после основного расширительного средства и сообщенный с ним по текучей среде, которое согласно изобретению содержит турбокомпрессорный блок, установленный между испарителем и основным компрессором, и по меньшей мере один теплообменник, имеющий горячую ветвь, соединенную сверху по потоку посредством подводящей линии с конденсатором, а снизу по потоку - посредством отводящей линии с основным расширительным средством, и холодную ветвь, соединенную сверху по потоку с расширительным средством, установленным на ответвлении подводящей линии, а снизу по потоку - с турбинным участком турбокомпрессорного блока.
Другим объектом изобретения является способ циркуляции охлаждающей текучей среды в устройстве согласно изобретению, включающий
сжатие охлаждающей текучей среды в основном компрессоре;
конденсацию текучей среды в конденсаторе, расположенном по потоку после основного компрессора и сообщенном с ним по текучей среде;
расширение текучей среды в основном расширительном средстве, расположенном по потоку после конденсатора;
испарение текучей среды в испарителе, расположенном по потоку после основного расширительного средства и сообщенном с ним по текучей среде,
в котором согласно изобретению
- между этапом конденсации и этапом расширения имеется по меньшей мере один этап, на котором осуществляют теплообмен внутри по меньшей мере одного теплообменника между сжатой охлаждающей текучей средой, протекающей по горячей ветви теплообменника, и соответствующим количеством сжатой охлаждающей текучей среды, отводимой по потоку перед теплообменником, охлажденной внутри расширительного средства и протекающей внутри холодной ветви теплообменника; а
- между этапом основного расширения и этапом основного сжатия имеется этап, на котором осуществляют предварительное сжатие охлаждающей текучей среды внутри турбокомпрессорного блока, причем этап предварительного сжатия включает по меньшей мере один этап, на котором расширяют внутри по меньшей мере одного турбинного участка турбокомпрессорного блока отводимую охлаждающую текучую среду, покидающую холодную ветвь теплообменника.
Краткое описание чертежей
Особенности и преимущества изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания предпочтительного неограничивающего варианта осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показано известное холодильное устройство;
на фиг.2 - диаграмма «давление - энтальпия» для охлаждающей текучей среды, циркулирующей внутри устройства, показанного на фиг.1;
на фиг.3 - устройство согласно изобретению;
на фиг.4 - диаграмма «давление - энтальпия» для охлаждающей текучей среды, циркулирующей внутри устройства, показанного на фиг.3.
На прилагаемых чертежах идентичные или аналогичные части и компоненты обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
Осуществление изобретения
На фиг.1 и 2 показаны холодильное устройство 10 традиционного типа для замораживания пищевых продуктов и диаграмма «р-h» («давление - энтальпия») для циркулирующей внутри него текучей среды, соответственно. Как показано на фиг.1, устройство 10 содержит компрессор 12; конденсатор 14, сообщенный по текучей среде с компрессором 12; изоэнтальпический дроссельный клапан 16, сообщенный по текучей среде с конденсатором 14; и испаритель, сообщенный по текучей среде с дроссельным клапаном 16, расположенным по потоку перед ним, и с компрессором 12, расположенным по потоку после него.
out
in
Охлаждающая текучая среда, например фреон, поступает в компрессор 12 в виде перегретого пара с низкой температурой и давлением, например -35°С и 1,33 бара (точка 1* на диаграмме «р-h»), сжимается в компрессоре и поступает в конденсатор 14 с высоким давлением и температурой, например +65°С и 16 бар (точка 2* на диаграмме «р-h»). Внутри конденсатора 14 текучая среда охлаждается, переходя из состояния перегретого пара (точка 2*) в жидкое состояние (точка 3* на диаграмме «р-h») и высвобождая в окружающую среду количество теплоты q. Покидающая конденсатор 14 охлаждающая текучая среда в жидком состоянии расширяется, проходя через изоэнтальпический дроссельный клапан 16, и ее давление снижается, при этом не происходит теплообмен с внешней средой (изоэнтальпическое превращение). Текучая среда, покидающая дроссельный элемент (точка 4* на диаграмме «р-h»), поступает в испаритель, где она переходит из жидкого состояния в состояние перегретого пара (точка 1* на диаграмме «р-h»), поглощая количество теплоты q из внешней среды.
Согласно фиг.3, на которой показан предпочтительный вариант осуществления изобретения, устройство 100 для циркуляции охлаждающей текучей среды содержит компоненты традиционного холодильного устройства, а именно основной конденсатор 140, основное расширительное средство, такое как основной изоэнтальпический дроссельный клапан 170, испаритель 180 и основной компрессор 190.
Вышеупомянутое традиционное устройство дополнено некоторыми компонентами, условно заключенными внутри модуля, выделенного пунктирными линиями на фиг.3, который содержит первый и второй теплообменники 150, 152, соответственно, например пластинчатые или трубчатые, обычно используемые в области холодильного оборудования, расположенные последовательно между конденсатором 140 и основным дроссельным клапаном 170, и турбокомпрессорный блок 160, расположенный между основным компрессором 190 и испарителем 180 и имеющий компрессорный участок 166, а также первый и второй турбинные участки 162, 164, в которые охлаждающая текучая среда поступает с выхода каждого теплообменника 150, 152, соответственно.
Более конкретно, конденсатор 140 посредством подводящей линии 145 соединен с контуром для охлаждающей текучей среды с более высокой температурой, именуемым ниже как «горячая ветвь» 150с первого теплообменника 150. От подводящей линии 145 ответвляется линия 146, которая содержит первое расширительное средство, например первый дроссельный клапан 142, который ведет в контур для охлаждающей текучей среды с более низкой температурой, именуемый ниже как «холодная ветвь» 150f первого теплообменника 150. Выход горячей ветви 150с первого теплообменника 150 посредством соединительной линии 147 соединен с входом контура для охлаждающей текучей среды с более высокой температурой, именуемого ниже как «горячая ветвь» 152с второго теплообменника 152, а выход холодной ветви 150f первого теплообменника 150 соединен с входом первого турбинного участка 162 турбокомпрессорного блока 160.
Линия 147, соединяющая друг с другом первый и второй теплообменники 150 и 152, имеет ответвление 148, снабженное вторым расширительным средством, например вторым дроссельным клапаном 144, который ведет в контур для охлаждающей текучей среды с более низкой температурой, именуемый ниже как «холодная ветвь» 152f второго теплообменника 152. Выход горячей ветви 152с второго теплообменника посредством отводящей линии 149 соединен с основным дроссельным клапаном 170, а выход холодной ветви 152f соединен с входом второго турбинного участка 164 турбокомпрессорного блока 160.
Выход испарителя 180 соединен с входом компрессорного участка 166 турбокомпрессорного блока 160, выход которого сообщен по текучей среде с основным компрессором 190.
min
max
Далее описан принцип работы устройства, соответствующего фиг.3, со ссылкой на диаграмму «р-h», показанную на фиг.4 и относящуюся к циркулирующей по устройству охлаждающей текучей среде. В частном рассматриваемом примере холодильное устройство используется для быстрого замораживания пищевых продуктов. С этой целью температура текучей среды, циркулирующей внутри устройства, изменяется от T=-40°С до T=63,7°С, а выбранная охлаждающая текучая среда представляет собой фреон. Понятно, что холодильное устройство согласно изобретению может иметь различные варианты применения, например, оно может использоваться для кондиционирования воздуха в жилых помещениях, так что в зависимости от подразумеваемого использования значения давления и температуры физических состояний 1-14, так же как и тип циркулирующей внутри устройства охлаждающей текучей среды будут соответствующим образом меняться.
5
5
max
min
9
9
5
5
Охлаждающая текучая среда, обычно фреон, с температурой T=35°С и давлением р=16,1 бар (точка 5 на диаграмме «р-h»), а именно в состоянии равновесия жидкости/пара, вытекает из конденсатора 140. Часть охлаждающей текучей среды, вытекающей из конденсатора 140, именуемая ниже как первая отводимая часть s1, подается из линии 145 через ответвление 146 в первый изоэнтальпический дроссельный клапан 142, где она охлаждается до температуры, находящейся в диапазоне между максимальной температурой (T=35°С) и минимальной температурой (T=-35°С) цикла, предпочтительно до температуры Т=7°С (точка 9 на диаграмме «р-h», р=7,48 бар), затем первая отводимая часть s1 поступает в холодную ветвь 150f первого теплообменника 150, а оставшаяся часть 1-s1 охлаждающей текучей среды поступает непосредственно в горячую ветвь 150с теплообменника 150 при температуре Т и давлении р.
5
6
6
9
10
10
Внутри первого теплообменника 150 часть охлаждающей текучей среды, находящейся в горячей ветви 150с, передает теплоту части охлаждающей текучей среды, находящейся в холодной ветви 150f, охлаждаясь от Т=35°С до температуры Т=12°С, и входя в зону недогретой жидкости на диаграмме «р-h» (точка 6; р=16,1 бар), а часть охлаждающей текучей среды, находящейся в холодной ветви 150f, поглощает теплоту от части охлаждающей текучей среды, находящейся в горячей ветви 150с, нагреваясь от Т=7°С до температуры Т=12°С и входя в зону перегретого пара на диаграмме «р-h» (точка 10; р=7,48 бар).
6
12
12
6
6
После первого по потоку теплообменника 150 отводится второе количество охлаждающей текучей среды, так что часть s2 недогретой жидкости, покидающая горячую ветвь 150с, проходит через второй изоэнтальпический дроссельный клапан 144, где она дополнительно охлаждается от температуры Т=12°С до температуры Т=-17°С (точка 12 на диаграмме «р-h»; p=3,38 бар), и затем поступает в холодную ветвь 152f второго теплообменника 152, а оставшаяся часть 1-s1-s2 охлаждающей текучей среды, покидающая теплообменник 150, поступает в горячую ветвь 152с второго теплообменника 152 при температуре Т и давлении р.
6
7
7
12
13
13
Внутри второго теплообменника 152 часть охлаждающей текучей среды, находящейся в горячей ветви 152с, отдает теплоту части охлаждающей текучей среды, находящейся в холодной ветви 152f, охлаждаясь от Т=12°С до температуры Т=-12°С и перемещаясь дальше налево на диаграмме, показанной на фиг.4, в зону недогретой жидкости (точка 7 на диаграмме «р-h»; p=16,1 бар), а часть охлаждающей текучей среды, находящейся в холодной ветви 152f, поглощает теплоту от части охлаждающей текучей среды, находящейся в горячей ветви 152с, нагреваясь от Т=-17°С до температуры T=-12°С и входя в зону перегретого пара диаграммы «р-h» (точка 13; p=3,38 бар).
10
10
11
11
13
13
14
14
Каждая из отводимых частей s1, s2 охлаждающей текучей среды, покидающая теплообменники 150 и 152 в виде охлаждающей текучей среды в состоянии перегретого пара, вводится, соответственно, в первый и второй турбинный участок 162 и 164 турбокомпрессорного блока 160. Внутри первого турбинного участка 162 охлаждающая текучая среда расширяется, переходя из состояния с давлением р=7,48 бар (Т=12°С) в состояние с давлением р=2,03 бар (Т=-25°С). Аналогичным образом внутри второго турбинного участка 164 охлаждающая текучая среда расширяется, переходя из состояния с давлением р=3,38 бар (Т=-12°С) в состояние с давлением р=2,3 бар (T=-25,6°C).
7
8
8
in
Часть 1-s1-s2 охлаждающей текучей среды, покидающая горячую ветвь 152с второго теплообменника 152 (точка 7 на диаграмме «р-h»), поступает в основной дроссельный клапан 170, охлаждаясь от Т=-12°С до температуры T=-40°C (точка 8 на диаграмме «р-h»; р=1,33 бар), и затем поступает в испаритель 180, где она переходит из состояния жидкость + пар в состояние перегретого пара (точка 1 на диаграмме «р-h»), поглощая из внешней среды количество теплоты Q. Охлаждающая текучая среда в состоянии перегретого пара, покидающая испаритель 180, поступает в компрессорный участок 166 турбокомпрессорного блока 160.
3
3
Компрессор 166, приводимый в действие турбинами 162 и 164, осуществляющими преобразование кинетической энергии отводимых частей s1 и s2 охлаждающей текучей среды в состоянии перегретого пара, подаваемых первым и вторым теплообменниками 150 и 152, в механическую энергию, выполняет предварительное сжатие охлаждающей текучей среды, подаваемой испарителем 180 (точка 3 на диаграмме «р-h»; Т=-22,1°С, р=2,03 бар) перед ее поступлением в основной компрессор 190.
TC
Этот этап предварительного сжатия обеспечивает значительные преимущества. Во-первых, поскольку механическая энергия создается отведенными частями s1 и s2, которые расширяются в турбинах 162 и 164, то не требуется использование внешнего источника энергии. Во-вторых, турбокомпрессорный блок 160 сжимает охлаждающую текучую среду, совершая работу L (фиг.4), когда текучая среда находится в состоянии максимального удельного объема, так что основной компрессор 190 не совершает эту часть работы, которая ввиду его конструктивных характеристик снижает его эффективность и, в особенности, его обрабатываемый массовый расход, с вытекающим из этого уменьшением электрической энергии, питающей сам компрессор. Кроме того, турбокомпрессорный блок 160 сообщен по текучей среде или соединен динамическим образом с основным компрессором 190 и может независимо приспосабливаться к различным режимам нагружения без помощи внешнего управления. Наконец, важно упомянуть тот факт, что охлаждение охлаждающей текучей среды, производимое в теплообменниках 150 и 152, вызывает увеличение рабочих характеристик испарителя 180, несмотря на то, что после отводов s1 и s2 происходит одновременное уменьшение потока охлаждающей жидкости в испаритель 180.
4
4
Охлаждающая текучая среда, предварительно сжатая в турбокомпрессорном блоке 160, поступает в основной компрессор 190, где она сжимается до давления р=16,1 бар (точка 4 на диаграмме «р-h»; T=63,7), и затем подается на вход конденсатора 140.
Обнаружено, что в устройстве для циркуляции охлаждающей текучей среды согласно изобретению, в частности, с этапом предварительного сжатия, выполняемого турбокомпрессорным блоком, имеется возможность достижения холодильного коэффициента СОР, определяемого как отношение между теплотой Q, отобранной у источника более низкой температуры и составляющей созданное «количество холода», и работой L, затраченной на функционирование устройства для циркуляции охлаждающей текучей среды. Причем холодильный коэффициент устройства согласно изобретению больше холодильного коэффициента традиционных устройств, показанных на фиг.1 и 2.
9
12
min
T
C
CP
В частности, принимая давления отводимых частей s1 и s2, соответственно, р=7,48 бар и р=3,38 бар, минимальный перепад температуры в теплообменниках 150 и 152 ΔT=5°C, коэффициент полезного действия первого и второго турбинных участков 162 и 164 η=0,85, коэффициент полезного действия компрессорного участка 166 η=0,80 и коэффициент полезного действия основного компрессора 190 η=0,75, были получены значения давления р, температуры Т и энтальпии h для физических состояний 1-14 на диаграмме «р-h» согласно фиг.4, приведенные в Таблице 1:
Таблица 1
Физическое состояние
p [бар]
Т [°С]
h [кДж/кг]
1
1,33
-35
347,6
2
2,03
-20
358,1
3
2,03
-22,1
356,6
4
16,1
63,7
415,0
5
16,1
35
254,8
6
16,1
12
217,5
7
16,1
-12
183,4
8
1,33
-40
183,4
9
7,48
7
254,8
10
7,48
12
376,7
11
2,03
-25
354,3
12
3,38
-17
217,5
13
3,38
-12
362,5
14
2,03
-25,6
353,8
in
CP
Холодильный коэффициент СОР определен как отношение теплоты Q, отбираемой у источника более низкой температуры, которая составляет созданное «количество холода», к работе L, затраченной на функционирование устройства для циркуляции охлаждающей текучей среды. В частности, холодильный коэффициент определен отношением теплоты Q, отбираемой из внешней среды испарителем 180, к работе L, совершаемой основным компрессором 190, а именно:
in
Q=(1-s1-s2)×(h1-h7)
CP
L=h4-h2.
Из чего, основываясь на значениях, показанных в Таблице 1, получаем следующее:
В приведенной ниже Таблице 2 показаны типичные значения давления, температуры и энтальпии охлаждающей текучей среды, циркулирующей в традиционном холодильном устройстве, относящемся к типу, показанному на фиг.1 и 2.
Таблица 2
Физическое состояние
p [бар]
T[°С]
h [кДж/кг]
1
1,33
-35
347,6
2
16,1
65,3
416,9
3
16,1
35
254,8
4
1,33
-40
254,8
in
CP
Это дает q=(h1-h4) и L=h2-h1, из чего, основываясь на значениях, приведенных в Таблице 2, получаем следующее:
Выигрыш Δ в процентах от использования нового холодильного устройства по сравнению с холодильным устройством традиционного типа составляет
Из приведенного выше описания видно, что холодильное устройство согласно изобретению, благодаря наличию турбокомпрессорного блока 160 и, как следствие, предварительного сжатия охлаждающей текучей среды, циркулирующей внутри устройства, перед основным компрессором 190 по потоку позволяет получить повышение производительности, равное приблизительно 30%, причем все это повышение не требует дополнительного подвода энергии, а использует механическую энергию одного или нескольких турбинных участков 162, 164 турбокомпрессорного блока 160, которую получают путем расширения одного или нескольких частей s1, s2 охлаждающей текучей среды, отводимых по потоку после конденсатора 140.
Хотя изобретение описано со ссылкой на предпочтительный вариант его осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что к нему можно применить многочисленные модификации и изменения, которые попадают в объем прилагаемой формулы изобретения. Например, вместо двух теплообменников и турбокомпрессорного блока с двумя турбинами можно использовать один теплообменник и турбокомпрессорный блок с одной турбиной. В этом конкретном случае теплообменник будет иметь горячую ветвь, соединяющую конденсатор и основной дроссельный клапан, и холодную ветвь, сообщенную по текучей среде с входом турбинного участка турбокомпрессора. Кроме того, вместо турбокомпрессорного блока, имеющего несколько турбинных участков, может быть несколько турбокомпрессоров, каждый из которых имеет один турбинный участок.