ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к системам комбинированного получения холода и утилизированного тепла для отопления и горячего водоснабжения. Наиболее эффективно использовать такие системы на предприятиях торговли, распределительных холодильных терминалах и складах, где наряду с обеспечением низких температур в холодильных камерах, требуется подогревать воду для отопления или технологических нужд.
Из теории охлаждения известно, что удельная холодопроизводительность на единицу массы хладагента увеличивается, если жидкий хладагент, выходящий из конденсатора, переохладить перед расширительным вентилем относительно температуры конденсации на 10-20°C. Известны схемы парокомпрессионных холодильных установок, в которых жидкий хладагент дополнительно охлаждается на выходе из конденсатора холодильной установки. Часто в холодильной технике в качестве переохладителей жидкого хладагента используют дополнительную секцию в воздушных конденсаторах. Это описано на с. 118 рис. 8-6 в книге автора Роя Дж. Доссата «Основы холодильной техники», изд. «Легкая и пищевая промышленность», г. Москва, 1984 г. Недостатком холодильной установки с таким переохладителем является невысокая степень переохлаждения, поскольку хладагент охлаждается окружающим воздухом, температура которого в летний период может быть высокой и недостаточной для переохлаждения хладагента на 10-20°C. Кроме того, эта дополнительная секция конструктивно связана с конденсатором, имеющим обычно температуру металлоконструкции, близкую к температуре конденсации, а именно 35-45°C, что не позволяет эффективно переохлаждать хладагент.
Также известны схемы холодильных установок с переохладителем, которые используют для переохлаждения холодный пар хладагента, поступающий из испарителя во всасывающую полость компрессора. Такой переохладитель представлен на рис. 8-8, с. 118 в книге автора Рой Дж. Доссата «Основы холодильной техники», изд. «Легкая и пищевая промышленность», 1984 г. Данный переохладитель выполнен в виде двухконтурного теплообменника, в котором всасываемый пар проходит противотоком к теплому жидкому хладагенту. Проходя через теплообменник, холодный пар поглощает тепло от жидкого хладагента, поступающего из конденсатора холодильной машины, при этом хладагент переохлаждается относительно температуры его конденсации. В таком переохладителе тепло, отдаваемое хладагентом, поглощается всасываемым паром и остается в системе. Это тепло повышает температуру всасываемого пара, поступающего в компрессор на сжатие, что, в свою очередь, ведет к повышению температуры нагнетания, и, соответственно, температуры конденсации. А это несколько снижает эффект повышения удельной холодопроизводительности за счет переохлаждения жидкого хладагента.
Однако, все упомянутые схемы холодильных установок имеют наряду с преимуществом, присущим переохлаждению жидкого хладагента после конденсатора, один существенный недостаток - тепло, полученное от жидкого хладагента полезно не используется, т.е. оно передается окружающей среде.
Известны холодильные установки фирмы Линде с рекуперацией тепла, в которых двухполостной теплообменник стоит перед конденсатором, т.е. по одной полости проходит нагретый сжатый газообразный хладагент после компрессора, по другой полости течет вода. В этом теплообменнике происходит нагрев воды за счет теплоты перегретого пара хладагента до температуры около 50°C, которая насосом подается в калорифер, используемый для обогрева помещений торгового зала. Эта схема приведена на с. 226, рис. 10-39 в книге «Торговое холодильное оборудование» автора Л.Г. Каплана, изд. «КОЛОС», Москва, 1995 г.
Известно устройство для одновременного получения тепла и холода для микробиологического производства по авторскому свидетельству SU 1783259 авторов Пирогова Е.Н. и др., содержащее водяной циркуляционный промежуточный контур и установленный в нем двухполостной теплообменник-конденсатор, подключенный одной полостью к циркуляционному контуру хладагента парокомпрессионной холодильной машины, а другой полостью к промежуточному контуру. Это устройство, в силу используемых конструктивных решений, присущих микробиологическому производству, не может найти широкое применение для энергоэффективного производства горячей воды.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрана полезная модель №126100 под названием «Система утилизации тепла холодильных машин» с приоритетом от 17.04.2012, авторов Пальчика И.В. и др. МКИ F25B 29/00. Эта полезная модель использует теплоту конденсации, получаемую в водяном конденсаторе холодильной установки, которую с помощью гидравлического циркуляционного контура, передает в контур горячего водоснабжения.
Основным недостатком прототипа является то, что в промежуточном водяном контуре для передачи тепла используются последовательно два жидкостно-жидкостных теплообменника, а как известно из законов теплопередачи, в каждом из теплообменников при теплопередаче от одной жидкости к другой обязательно теряется около 5° температурного напора. Поэтому если исходить от заявленной авторами в задаче полезной модели температуры нагрева воды до 60÷65°C, то температура конденсации в водяном конденсаторе холодильной установки должна быть не меньше 70÷75°C, т.е. на 10°C выше. Но как известно из холодильной техники энергетическая эффективность холодильных установок тем выше, чем ниже температура конденсации хладаганта. Поэтому повышение температуры конденсации выше 45°C для подавляющего большинства холодильных установок ведет к повышенным энергозатратам. И расчеты могут показать, что вместо использования холодильных установок с такими высокими температурами конденсации, для нагрева воды дешевле использовать прямой подогрев в электрических водонагревателях. Кроме того в прототипе в каждом контуре по два регулирующих устройства, что усложняет схему регулирования температуры в контуре горячего водоснабжения.
Задача предлагаемой полезной модели состояла в разработке энергосберегающей системы утилизации тепла холодильной установки, обладающей более высокой энергетической эффективностью по сравнению с прототипом, позволяющей нагревать воду в контуре горячего водоснабжения до более высоких температур с меньшими затратами энергии. Таким образом технический результат заключается в повышении энергоэффективности (уменьшении расхода энергии) предлагаемой системы.
Техническая сущность полезной модели заключается в том, что в известной полезной модели, включающей холодильный контур с компрессором, конденсатором, расширительным устройством, испарителем и контур горячего водоснабжения, введены признаки полезной модели, отличительные от признаков прототипа. Первый отличительный признак - в состав холодильного контура введен двухполостной переохладитель жидкости, гидравлически связанный одной полостью с выходом конденсатора холодильного контура и входом расширительного устройства. Второй отличительный признак - в состав системы утилизации тепла введен контур теплового насоса с компрессором, водяным конденсатором, расширительным устройством, при этом вход компрессора теплового насоса гидравлически подключен к выходу другой полости двухполосного переохладителя жидкости холодильного контура, а выход расширительного устройства теплового насоса гидравлически подключен к входу этой полости. Третьим отличительным признаком является то, что водяная полость конденсатора теплового насоса гидравлически связана с контуром горячего водоснабжения. Четвертый отличительный признак - в состав замкнутого холодильного контура введен запорно-регулирующий вентиль, гидравлически связывающий вход и выход конденсатора холодильного контура и электрически связанный с датчиком температуры воды, установленном на выходе из конденсатора теплового насоса.
Указанное исполнение энергосберегающей системы утилизации тепла холодильной установки позволяет получить следующие преимущества, направленные на решение поставленной задачи. Во-первых, двухполостный переохладитель жидкости, установленный в холодильном контуре позволяет понизить температуру перед расширительным устройством холодильного контура, что повышает холодопроизводительность этого контура, т.е. компрессор будет работать с меньшим количеством циклов включения, чтобы выработать заданное количество холода. Таким образом, повышается энергоэффективность системы утилизации тепла в части производства холода. Во-вторых, введение в состав системы утилизации гидравлического контура теплового насоса, позволяет отвести тепло от холодильного контура на уровне 30÷35°C, после чего испарившийся хладагент в полости переохладителя жидкости, подключенной в контур теплового насоса, в процессе сжатия в компрессоре теплового насоса нагревается до температур 90÷100°C. С этой температурой сжатый хладагент подступает в конденсатор теплового насоса, где конденсируется в результате охлаждения водой обратного потока из контура горячего водоснабжения. В результате теплообмена вода в контуре горячего водоснабжения нагревается до 70÷80°C и поступает к потребителю. В холодное время года, когда температура конденсации хладагента понижается вслед за понижением температуры окружающего конденсатор воздуха, регулирующее устройство, установленное параллельно с конденсатором холодильного контура, по температуре датчика температуры воды на выходе из водяной полости конденсатора, перепускает часть расхода мимо конденсатора холодильного контура. В этом случае двухполостной переохладитель жидкости может полностью или частично выполнять роль конденсатора холодильного контура.
На чертеже схематично показана предлагаемая энергосберегающая система утилизации тепла холодильной установки, где цифрами обозначены:
1 - холодильной контур
2 - компрессор холодильного контура
3 - конденсатор холодильного контура
4 - двухполостной переохладитель жидкости
5 - расширительное устройство холодильного контура
6 - испаритель холодильного контура
7 - запорно-регулирующий вентиль
8 - контур теплового насоса
9 - компрессор теплового насоса
10 - конденсатор теплового насоса
11 - расширительное устройство теплового насоса
12 - контур горячего водоснабжения
13 - датчик температуры воды.
В холодильном контуре 1 последовательно по ходу движения хладагента установлены компрессор холодильного контура 2, воздушный конденсатор холодильного контура 3, двухполостной переохладитель жидкости 4, расширительное устройство холодильного контура 5, испаритель 6 холодильного контура 1. Выход компрессора 2 и выход конденсатора холодильного контура 3 гидравлически связаны трубопроводом с запорно-регулирующим вентилем 7. В контуре теплового насоса 8 последовательно по ходу движения хладагента установлены компрессор теплового насоса 9, конденсатор теплового насоса 10, расширительное устройство теплового насоса 11. Одна из полостей конденсатора теплового насоса 10 гидравлически связана с контуром горячего водоснабжения 12. На выходе контура горячего водоснабжения 12 из конденсатора теплового насоса 10 установлен датчик температуры воды 13, электрически связанный с запорно-регулирующим вентилем 7.
Работает предлагаемая энергосберегающая система утилизации тепла холодильной установки следующим образом.
В холодильном контуре 1 системы утилизации компрессор 2 сжимает пары хладагента до давления 15÷18 бар, нагревая их до температуры 70÷80°C. Далее сжатый горячий пар хладагента поступает в конденсатор 3 холодильного контура, где конденсируется, превращаясь в жидкий хладагент, который поступает далее на дополнительное охлаждение (так называемое переохлаждение хладагента) в одну из полостей двухполостного переохладителя жидкости 4. В этом переохладителе жидкости жидкий хладагент холодильного контура 1 системы утилизации охлаждается на 20-25 градусов, после чего переохлажденный хладагент поступает в расширительное устройство холодильного контура 5, где расширяясь, превращается в охлажденную парожидкостную смесь, которая поступает в испаритель холодильной установки 6. В испарителе 6 за счет подводимого извне тепла хладагент кипит, испаряется, а холодный пар отсасывается компрессором холодильной установки 2 и далее цикл повторяется. При переохлаждении хладагента холодильной установки на 20÷25°C холодопроизводительность установки согласно диаграмме холодильного цикла увеличивается на 30÷35%. При этом тепло от сконденсировавшегося хладагента в двухполостном переохладителе 4 поступает в контур теплового насоса 8. За счет тепла отобранного от горячего хладагента в холодильном контуре кипит хладагент контура теплового насоса 8. В тепловых насосах применяют хладагенты с более высокой температурой кипения в сравнении с холодильными установками. Эти пары высокотемпературного хладагента сжимаются компрессором теплового насоса 9 до давления 20 бар, при этом температура сжатых паров на выходе из этого компрессора может достигать значений 90÷100°C. После компрессора теплового насоса 9 сжатые пары поступают в конденсатор теплового насоса 10, где они охлаждаются за счет циркулирующей воды в водяном контуре. При этом вода в контуре горячего водоснабжения может нагреваться до 75÷80°C, что достаточно для отопления и технологических нужд. В расширительном устройстве теплового насоса 11 жидкий хладагент дросселируется и парожидкостная смесь поступает на охлаждение хладагента в двухполостной переохладитель жидкости 4. Далее цикл в тепловом насосе повторяется. В холодное время года, когда температура конденсации хладагента понижается вслед за понижением температуры окружающего воздуха, запорнорегулирующий вентиль 7, установленный параллельно с конденсатором 3 холодильного контура, по температуре датчика температуры воды 13 на выходе из водяной полости конденсатора 10 теплового насоса, перепускает часть расхода мимо конденсатора холодильного контура. В этом случае двухполостной переохладитель жидкости 4 может полностью или частично выполнять роль конденсатора 3 холодильного контура 1.
При нагреве воды в контуре горячего водоснабжения до 75÷80°C с помощью предлагаемой полезной модели существенно повышается энергоэффективность системы утилизации тепла, поскольку в двухполостном переохладителе жидкости за счет передачи тепла хладагентом холодильного контура в контур теплового насоса снижается температура хладагента холодильного контура на 15÷20°C перед расширительным устройством холодильного контура, что дает выигрыш в холодопроизводительности на 25÷30%, поэтому снижается количество циклов включения компрессора холодильной машины и, тем самым, повышается в целом энергоэффективность системы утилизации тепла холодильной установки. Использование теплового насоса для повышения энергоэффективности холодильной машины и для утилизации тепла снижает стоимость системы утилизации в целом и значительно сокращает срок ее окупаемости.
В летний период года в основном требуется существенно меньше тепла, поскольку не нужно тепло для отопления. В холодный период времени требуется тепло как для отопления, так и для горячего водоснабжения, количество которого в несколько раз больше, чем летом. Предложенная полезная модель системы утилизации тепла холодильной установки позволяет в теплый период года существенно увеличить энергоэффективность до 25÷30% входящей с систему холодильной установки, а в холодный период года, кроме того, получить гораздо большее количество тепла, необходимое для горячего водоснабжения, в том числе и для отопления, что повышает энергоэффективность системы утилизации на 30÷35%.