СИСТЕМА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОМПРЕССИОННОГО ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛА, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ВОДУ В КАЧЕСТВЕ ХЛАДАГЕНТА
SYSTEM FOR PERFORMING COMPRESSION REFRIGERATION CYCLE USING WATER AS COOLANT

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Предметом представленного здесь изобретения является система для выполнения парокомпрессионного холодильного цикла с использованием воды в качестве хладагента.
[0002] Парокомпрессионный холодильный цикл является одним из многих холодильных циклов, доступных для использования. Он был и остается наиболее распространенным способом кондиционирования воздуха в больших общественных зданиях, офисах, частных жилых помещениях, гостиницах, больницах, театрах, ресторанах и автомобилях. Он также используется в домашних и промышленных холодильниках, крупных складских помещениях для хранения в охлажденном или замороженном состоянии мяса и других продуктов, в авторефрижераторах и железнодорожных рефрижераторах, а также во множестве других областей коммерческой и промышленной деятельности, например на нефтеперерабатывающих заводах, на предприятиях нефтехимической и химической промышленности и на газоперерабатывающих заводах.
[0003] Холодильный процесс можно определить как снижение температуры закрытого пространства путем отвода тепла из этого пространства и переноса этого тепла в другое место. В типичной парокомпрессионной холодильной системе в качестве среды, которая поглощает и удаляет тепло из охлаждаемого пространства, впоследствии унося его в другое место, применяется циркулирующий жидкий хладагент. Все такие системы имеют четыре компонента: компрессор, конденсатор, устройство расширения текучей среды (обычно это дроссельный вентиль, но иногда это расширительное устройство с отдачей работы) и испаритель. Циркулирующий хладагент поступает в компрессор в термодинамическом состоянии, известном как насыщенный или слегка перегретый пар, и сжимается до более высокого давления, что приводит также и к повышению температуры. Теперь этот горячий сжатый пар находится в состоянии, известном как перегретый пар, и имеет температуру и давление, при которых он способен конденсироваться присутствующими в типичном случае охлаждающей водой или охлаждающим воздухом. Этот горячий пар пропускается через конденсатор, где он охлаждается и конденсируется в жидкость в результате прохождения через змеевик или трубки, охлаждаемые холодной водой или холодным воздухом. Именно здесь циркулирующий хладагент отдает тепло, отводимое от системы, охлаждающей воде или воздуху (в зависимости от конкретной охлаждающей среды).
[0004] Затем этот конденсированный жидкий хладагент, находящийся в термодинамическом состоянии, известном как насыщенная или слегка переохлажденная жидкость, направляется через расширительное устройство, где происходит резкое снижение его давления. В результате этого резкого снижения давления происходит адиабатическое мгновенное испарение части этого жидкого хладагента. Эффект самоохлаждения в результате адиабатического мгновенного расширения снижает температуру смеси жидкой и парообразной фаз хладагента до уровня ниже температуры закрытого пространства, подлежащего охлаждению. Затем эта холодная смесь проходит по змеевику или трубкам испарителя. Вентилятор проггоняет теплый воздух в этом закрытом пространстве вокруг змеевика или трубок, внутри которых проходит смесь жидкой и парообразной фаз хладагента. Под воздействием этого теплого воздуха жидкая часть холодной смеси хладагента испаряется. В то же самое время этот циркулирующий воздух охлаждается и тем самым снижает температуру закрытого пространства до желаемого значения. В области испарителя хладагент поглощает и уносит тепло из указанного закрытого пространства, впоследствии это тепло отбирается в конденсаторе и уносится в другое место водой или воздухом, применяемыми в конденсаторе. Для завершения холодильного цикла пар хладагента из испарителя вновь становится насыщенным или слегка перегретым паром, который направляется обратно в компрессор.
[0005] До настоящего времени использовались различные типы хладагентов, включая фторуглероды и, в часности, хлорфторуглероды. Однако по мере изъятия из эксплуатации и запрета использования хладагентов, обладающих высоким потенциалом для глобального потепления (GWP), стали исследовать другие типы хладагентов. Это привело к тому, что в последнее время привлекательной альтернативой хладагента становится вода, поскольку вода характеризуется нулевым GWP, высоким коэффициентом полезного действия, высокой теплотой парообразования, низкой стоимостью и делает возможным непосредственный контакт с теплообменниками. С другой стороны, для воды требуется высокий объемный расход и высокая степень сжатия, которая не может быть эффективно достигнута традиционными центробежными или осевыми компрессорами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения представлена система для выполнения парокомпрессионного холодильного цикла, использующая в качестве хладагента воду и содержащая испаритель, предназначенный выпускать водяной пар с первой температурой водяного пара и с первым давлением водяного пара, конденсатор, предназначенный выпускать воду в жидком состоянии при второй температуре, превышающей первую температуру, и при втором давлении, превышающем первое давление, а также компрессор, функционально расположенный ниже испарителя и выше конденсатора по течению хладагента и предназначенный для сжатия водяного пара, тем самым увеличивая температуру водяного пара от первой температуры и увеличивая давление водяного пара от первого давления в соотношении, по меньшей мере, 7:1.
[0007] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения представлена система для выполнения парокомпрессионного холодильного цикла, использующая в качестве хладагента воду и содержащая испаритель, предназначенный выпускать водяной пар с первой температурой водяного пара и с первым давлением водяного пара, конденсатор, предназначенный выпускать воду в жидком состоянии при второй температуре, превышающей первую температуру, и при втором давлении, превышающем первое давление, а также сверхзвуковой компрессор, функционально расположенный ниже испарителя и выше конденсатора по течению хладагента и предназначенный осуществлять сжатие водяного пара в сверхзвуковом режиме, тем самым увеличивая температуру водяного пара от первой температуры и увеличивая давление водяного пара от первого давления в соотношении, по меньшей мере, 7:1.
[0008] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения представлена система для выполнения парокомпрессионного холодильного цикла, использующая в качестве хладагента воду и содержащая испаритель, предназначенный осуществлять испарение жидкой воды, чтобы получить водяной пар и выпускать этот водяной пар с первой температурой водяного пара и с первым давлением водяного пара, конденсатор, предназначенный выпускать воду в жидком состоянии при второй температуре, превышающей первую температуру, и при втором давлении, превышающем первое давление, а также сверхзвуковое компрессорное устройство, содержащее первую ступень в виде центробежного компрессора и вторую ступень в виде сверхзвукового компрессора, функционально расположенное ниже испарителя и выше конденсатора по течению хладагента и предназначенное для сжатия водяного пара в сверхзвуковом режиме, тем самым увеличивая температуру водяного пара от первой температуры и увеличивая давление водяного пара от первого давления в соотношении, по меньшей мере, 7:1.
[0009] Рассмотрение представленного ниже описания в совокупности с прилагающимися чертежами позволяет лучше понять эти и другие преимущества и особенности настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Сущность настоящего изобретения отчетливо определена в формуле изобретения в конце данного описания. Указанные выше и другие особенности и преимущества настоящего изобретения позволяют понять следующее подробное описание в совокупности с прилагающимися чертежами, где:
[0011] Фиг.1 иллюстрирует систему, предназначенную для выполнения холодильного цикла; и
[0012] Фиг.2 представляет блок-схему, иллюстрирующую способ работы системы по Фиг.1.
[0013] В данном подробном описании на конкретном примере со ссылками на чертежи объясняются варианты воплощения настоящего изобретения, а также его преимущества и особенности.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Предлагаемое изобретение позволяет применить принципы действия входного воздушного патрубка сверхзвукового воздушного судна к роторному сверхзвуковому компрессору для того, чтобы сделать возможным использование воды или других хладагентов низкой плотности для парокомпрессионного охлаждения.
[0015] На Фиг.1 показана система 10, предназначенная для выполнения парокомпрессионного холодильного цикла с использованием воды в качестве хладагента. Система 10 содержит компрессор 20, конденсатор 30, расширительное устройство 40 (обычно это дроссельный вентиль, но иногда это расширительное устройство с отдачей работы) и испаритель 50. В процессе работы системы 10 и в соответствии с вариантами воплощения изобретения циркулирующий водяной пар поступает в компрессор 20 в термодинамическом состоянии, известном как насыщенный или слегка перегретый пар, и сжимается, переходя из состояния с первой температурой и первым давлением в состояние со вторым, более высоким, давлением и второй, более высокой, температурой. Теперь этот горячий сжатый водяной пар находится в термодинамическом состоянии, известном как перегретый пар, и имеет более высокие температуру и давление, чем, например, окружающая среда; в этих условиях он может конденсироваться присутствующими в типичном случае охлаждающей водой или охлаждающим воздухом. Этот горячий водяной пар пропускается через конденсатор 30, где он охлаждается и конденсируется в жидкость вследствие прохождения через змеевик или трубки, охлаждаемые холодной водой или холодным воздухом, проходящими через змеевик или трубки. Это происходит, когда циркулирующая вода отдает тепло от системы 10 теплообменнику 35, связанному с конденсатором 30 или расположенному ниже конденсатора по течению хладагента.
[0016] Эта конденсированная жидкая вода, находящаяся в термодинамическом состоянии, известном как насыщенная или слегка переохлажденная жидкость, пропускается через расширительное устройство 40, функционально расположенное ниже конденсатора 30 и выше испарителя 50 по течению хладагента, где происходит резкое снижение ее давления. В результате этого резкого снижения давления происходит адиабатическое мгновенное испарение части этой воды. Эффект самоохлаждения в результате адиабатического мгновенного расширения снижает температуру этой жидкой воды до уровня ниже температуры закрытого пространства, подлежащего охлаждению.
[0017] Затем эта холодная вода проходит по змеевику или трубкам испарителя 50. Вентилятор 55 вынуждает теплый воздух циркулировать в этом подлежащем охлаждению закрытом пространстве вокруг змеевика или трубок, внутри которых проходит холодная вода. Под воздействием этого теплого воздуха жидкая вода испаряется, в то же самое время этот циркулирующий воздух охлаждается. Таким образом, температура закрытого пространства снижается до желаемого значения. Область испарителя 50 является тем местом, где циркулирующая вода поглощает и уносит тепло из указанного закрытого пространства. Для завершения холодильного цикла водяной пар из испарителя 50 вновь становится насыщенным или слегка перегретым паром, который направляется обратно в компрессор 20.
[0018] Если в качестве хладагента используется вода, то компрессор 20 может быть только одноступенчатым сверхзвуковым компрессором, а в альтернативном варианте он может включать сверхзвуковое компрессорное устройство 21, содержащее первую ступень в виде центробежного компрессора 22 и вторую ступень в виде сверхзвукового компрессора 23, при этом направление вращения этих двух ступеней может быть противоположным. Как показано на Фиг.1, сверхзвуковое компрессорное устройство 21 функционально расположено ниже испарителя 50 и выше конденсатора 30 по течению хладагента. В этой конфигурации системы 10 эффективность изоэнтропийного сжатия может составлять приблизительно 90% при меньшем количестве ступеней по сравнению с традиционными компрессорами. Сверхзвуковое компрессорное устройство 21 осуществляет сжатие водяного пара в сверхзвуковом режиме, тем самым повышая температуру этого водяного пара от первой температуры, а также повышая давление водяного пара от первого давления в соотношении, по меньшей мере, 7:1 или, в некоторых случаях, по меньшей мере, 8:1, а еще в некоторых случаях, по меньшей мере, 10:1.
[0019] Таким образом, в соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения первая температура может составлять приблизительно 7,2°C, а первое давление может составлять приблизительно от 621 ньютона на квадратный метр со стороны низкого давления до 690-1380 ньютонов на квадратный метр со стороны высокого давления. В этом случае температура водяного пара повышается от первой температуры до значения приблизительно 37,8°C, а давление водяного пара увеличивается от первого давления до приблизительно 690-1380 ньютонов на квадратный метр со стороны низкого давления и до 6900-13800 ньютонов на квадратный метр со стороны высокого давления. В соответствии с другими вариантами воплощения изобретения первая температура может составлять приблизительно 7,2°C, а первое давление может составлять приблизительно 1034 ньютона на квадратный метр. В этом случае температура водяного пара повышается от первой температуры до значения приблизительно 37,8°C или несколько выше, а давление водяного пара увеличивается от первого давления до приблизительно 6900-10340 ньютонов на квадратный метр.
3
3
3
[0020] Благодаря применению сверхзвукового сжатия система 10 способна работать с относительно высоким объемным расходом и высокой степенью сжатия по сравнению с холодильными системами, применяющими традиционные компрессоры. В частности, для взятой в качестве примера системы с данными размерами, в которой применяется типичный хладагент, например, R134a, удельный объем на входе компрессора может составлять 0,06 м/кг. В отличие от этого система с такими же размерами, использующая воду в качестве хладагента и сверхзвуковое сжатие, может иметь удельный объем на входе компрессора приблизительно 149-155 м/кг или приблизительно 152 м/кг.
[0021] В соответствии с другими вариантами воплощения настоящего изобретения воду можно заменить другими хладагентами с подобным низким значением плотности, имеющими нулевой или незначительный потенциал глобального потепления.
[0022] В соответствии с другими аспектами настоящего изобретения и согласно Фиг.2 представлен способ работы системы, предназначенной для выполнения парокомпрессионного холодильного цикла с использованием воды в качестве хладагента. Как показано на Фиг.2, этот способ включает функциональное размещение компрессора 20 ниже испарителя 50 и выше конденсатора 30 (200) по течению хладагента, в результате чего водяной пар выходит из испарителя 50 к компрессору 20, при этом водяной пар имеет первую температуру водяного пара и первое давление водяного пара (201), и в компрессоре 20 происходит сжатие этого водяного пара, в результате чего температура водяного пара повышается от первой температуры, и давление водяного пара повышается от первого давления в соотношении, по меньшей мере, 7:1 (202), после чего этот водяной пар из компрессора 20 поступает к конденсатору 30 (203).
3
[0023] В соответствии с некоторыми вариантами воплощения изобретения компрессор 20 может быть представлен сверхзвуковым компрессорным устройством 21, которое содержит первую ступень в виде центробежного компрессора 22 и вторую ступень в виде сверхзвукового компрессора 23. В этом случае сжатие достигается сверхзвуковым компрессорным устройством 21, сжимающим водяной пар сверхзвуковым способом. В этом случае, как уже упоминалось выше, удельный объем водяного пара на входе в сверхзвуковое компрессорное устройство 21 составляет приблизительно 149-155 м/кг, а давление водяного пара может повышаться в соотношении, по меньшей мере, 7:1, 8:1 или 10:1.
[0024] Настоящее изобретение здесь описано на примере ограниченного числа вариантов его воплощения, однако можно легко понять, что настоящее изобретение не ограничивается только этими описанными вариантами. Наоборот, настоящее изобретение можно модифицировать таким образом, чтобы включить в него любое количество вариаций, изменений, замен или эквивалентных вариантов размещения, не вошедших в описание, но соответствующих объему настоящего изобретения. Кроме того, следует понимать, что хотя описаны различные варианты воплощения настоящего изобретения, однако аспекты изобретения могут включать только некоторые из описанных вариантов воплощения изобретения. Соответственно, следует понимать, что изобретение не ограничивается приведенным выше описанием, а ограничивается только рамками прилагающейся формулы изобретения.