холодильная установка

Классы МПК:F25B5/02 с параллельными контурами испарителей
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Шляховецкий Валентин Михайлович,
Шляховецкий Давид Валентинович
Приоритеты:
подача заявки:
2000-03-31
публикация патента:

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в системах кондиционирования, в пищевой, химической и газовой промышленности. Холодильная установка содержит один замкнутый контур хладагента и два замкнутых контура хладоносителя. В контуре хладагента последовательно установлены компрессор, конденсатор, теплообменник, ресивер, дроссельный вентиль и три параллельных испарителя. Второй и третий испарители выполнены в виде технологического и режимного аккумуляторов холода. В контуре хладагента также имеются дополнительный компрессор, соединенный с конденсатором и через аккумуляторы с ресивером, барорегулирующий вентиль, размещенный за режимным аккумулятором холода, два дополнительных дроссельных вентиля, установленных перед аккумулятором, и три магнитных клапана, помещенных после каждого дроссельного вентиля. Первый контур хладоносителя соединяет охлаждаемый объект через испаритель с первым насосом и первым магнитным клапаном. Второй контур соединяет охлаждаемый объект с первым трехходовым вентилем, через конденсатор с градирней и вторым трехходовым вентилем, затем через технологический аккумулятор холода со вторым насосом и вторым магнитным клапаном. Использование изобретения позволит увеличить термодинамическую эффективность установки. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Формула изобретения

Холодильная установка, содержащая замкнутый контур хладагента, в котором последовательно установлены компрессор, конденсатор, теплообменник, дроссельный вентиль и три параллельных испарителя, отличающаяся тем, что второй и третий испарители выполнены в виде технологического и режимного аккумуляторов холода соответственно, при этом контур хладагента снабжен дополнительным компрессором, соединенным с конденсатором и через аккумуляторы с ресивером, барорегулирующим вентилем, расположенным за режимным аккумулятором холода, двумя дополнительными дроссельными вентилями, установленными перед аккумулятором, и тремя магнитными клапанами, помещенными после каждого дроссельного вентиля, а также установка снабжена двумя замкнутыми контурами хладоносителя, каждый из которых включает охлаждаемый объект, причем первый контур соединяет охлаждаемый объект через испаритель с первым насосом и первым магнитным клапаном, второй контур соединяет охлаждаемый объект с первым трехходовым вентилем, через конденсатор с градирней и вторым трехходовым вентилем, затем через технологический аккумулятор холода со вторым насосом и вторым магнитным клапаном, при этом второй трехходовой вентиль соединен через режимный аккумулятор холода с третьим насосом и через теплообменник - с первым трехходовым вентилем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к холодильным установкам, и может быть использовано в средних и крупных холодильных установках во всех областях применения холодильной техники и в системах кондиционирования воздуха, в том числе во всех отраслях пищевой промышленности для получения и хранения охлажденных и замороженных пищевых продуктов, в химической и газовой промышленности.

В холодильной технике нашли применение холодильные установки с технологическими аккумуляторами холода, в которых, охлаждая воду (или рассолы) или намораживая лед, аккумулируют избыточную холодильную мощность с температурным потенциалом, определяемым технологией охлаждения продукта. В составе холодильных установок такие аккумуляторы используют в качестве пиковых генераторов, для снятия кратковременных (продолжительностью не более четырех часов) тепловых нагрузок или при несовпадении суммы максимальных теплопритоков с теплоотводом к холодильной установке.

Известно (см. , например, Карпис Е.Е. СКВ с ледогенераторами и аккумуляторами "ледяной" воды //Холодильная техника, 1994, 6, с. 17), что в США и Канаде, основываясь на технико-экономические расчеты, все чаще стали применять в системах кондиционирования воздуха (СКВ) "ледяную" воду с температурой около 2oС, получаемую с помощью ледогенераторов. Зарядка аккумуляторов "ледяной" воды от ледогенераторов происходит в непиковые ночные часы работы электростанций, когда действуют удешевленные тарифы на отпускаемую электроэнергию, а разрядка - в дневные часы. Оснащение холодильных установок льдоаккумуляторами уменьшает капитальные затраты на компрессорное оборудование и, в целом, повышает холодопроизводительность установок. Таяние 1000 кг льда в течение одного часа соответствует 10 кВтхолодильная установка, патент № 2199706ч холода при 0oС. При этом холодильные компрессоры могут быть отключены полностью или частично, что дает экономию электроэнергии, обеспечивает равномерное потребление электроэнергии и позволяет уменьшать холодопроизводительность устанавливаемого оборудования.

Известна холодильная установка (см. патент США 53070642), содержащая замкнутый контур хладагента, в котором последовательно установлены компрессор, конденсатор, ресивер, дроссельный вентиль, испаритель и ледогенератор - аккумулятор холода, обеспечивающие охлаждение объектов с различными температурами.

В установке предусматривается аккумулирование холода путем выработки льда или замораживания другого хладоносителя типа полиэтиленгликоля в ночные часы, когда тариф на электроэнергию значительно снижен, и отдача этого холода (путем таяния льда) в вечерние часы "пик" при более высоком тарифе. Системой управления предусмотрена возможность работы в трех стационарных режимах (выработка льда, прямое охлаждение без выработки льда и таяние льда) и двух переходных, названных гипермиграцией и откачкой, с автоматическим переходом из одного режима в другой, в зависимости от параметров воздуха и тепловой нагрузки в кондиционируемом помещении. Режим гипермиграции позволяет переключиться на режим таяния подачей хладагента в нужном месте ледогенератора, режим откачки насосом предусматривается для перемещения хладагента в конденсатор и перехода от двух других режимов в режим прямого охлаждения.

К недостаткам рассмотренной установки следует отнести зависимость температуры конденсации хладагента и температуры жидкого хладагента после конденсатора от изменения параметров внешней окружающей среды, что не позволяет снизить эксплуатационные энергозатраты в цикле холодильной машины и, следовательно, суммарные энергозатраты на выработку холода в установке.

Известна холодильная установка (см. патент США 5386709), содержащая замкнутый контур хладагента, в котором последовательно установлены компрессор, конденсатор, ресивер, теплообменник-переохладитель, дроссельный вентиль, испаритель, насос, и теплоаккумулирующую систему, где в емкости находится охлаждающая среда, например вода или водный раствор этиленгликоля.

Насос в системе охлаждающей среды связан линией с ручным или автоматическим переключающим устройством, с датчиком и трубопроводом с клапаном, с элементом теплообменника-переохладителя. Подаваемая насосом охлаждающая жидкость после переохлаждения хладагента возвращается по трубопроводу на вход емкости охлаждающей среды.

К недостаткам рассмотренной установки следует отнести зависимость температуры конденсации хладагента от изменения параметров внешней окружающей среды, что не позволяет снизать эксплуатационные энергозатраты в цикле холодильной машины и, следовательно, суммарные энергозатраты на выработку холода в установке.

Известна холодильная установка (см. патент США 4412426), содержащая замкнутый контур хладагента, в котором последовательно установлены компрессор, воздушный конденсатор, дроссельный клапан и испаритель, являющийся одновременно конденсатором верхней части тепловых труб, установленных в баках, заполненных водой, в специальном подземном теплоизолированном хранилище, а также насос, воздухоохладитель и трехходовой смесительный клапан.

При работе холодильной установки в испарителе-конденсаторе происходит конденсация антифризного рабочего вещества тепловых труб, которое стекает в нижнюю часть тепловых труб, помещенных в хранилище, и, испаряясь, охлаждает воду в баках ниже 0oС. На наружных поверхностях тепловых труб, помещенных в воду, нарастают сталактиты льда, являющиеся аккумуляторами холода. Насос забирает и подает охлажденную воду в поверхностный воздухоохладитель, где происходит охлаждение воздуха здания. Перед этим воздухоохладителем установлен трехходовой смесительный клапан, через который подмешивают отепленную после воздухоохладителя воду в воду, подаваемую насосом.

К недостаткам рассмотренной установки следует отнести зависимость температуры конденсации хладагента и температуры жидкого хладагента после конденсатора от изменения параметров внешней окружающей среды, что не позволяет снизить эксплуатационные энергозатраты в цикле холодильной машины и, следовательно, суммарные энергозатраты на выработку холода в установке.

Известна холодильная установка (см. патент РСТ 96/29555, 1996), содержащая замкнутый контур хладагента, в котором последовательно установлены компрессор, конденсатор, ресивер, дроссельный вентиль и три параллельных испарителя, обеспечивающих охлаждение объектов с различными температурами. Схема подключения испарителей, оснащенная электромагнитными вентилями, позволяет обеспечить последовательную и параллельную работу на охлаждаемые объекты.

К недостаткам рассмотренной установки следует отнести зависимость температуры конденсации хладагента от изменения параметров внешней окружающей среды, что не позволяет снизить эксплуатационные энергозатраты в цикле холодильной машины и, следовательно, суммарные энергозатраты на выработку холода в установке.

Известна холодильная установки (см. патент США 5323618), содержащая два контура хладагента, при этом первый контур содержит компрессор, конденсатор, дроссельный клапан, испаритель и отделитель жидкого хладагента, а второй контур содержит компрессор, аккумулятор холода, дроссельный клапан, испаритель и отделитель жидкого хладагента. Оба контура соединены электромагнитными клапанами так, что при их открытии оба испарителя работают параллельно. Такие же клапаны установлены на входе в испарители. Дроссельные клапаны обоих контуров, а также насос второго контура снабжены электромагнитными клапанами. В качестве аккумулятора холода второго контура используется емкость с жидкостью, аккумулирующей холод (например, водой), через которую пропущен теплообменник второго контура. В зависимости от внешних условий и состояния установки система автоматического регулирования выводит ее на необходимые режимы работы, такие как параллельная работа обоих контуров, кондиционирование с аккумуляцией холода, только аккумуляция холода, работа только первого контура, работа только второго контура. Это достигается соответствующим переключением соленоидных клапанов и включением и выключением насоса и компрессора. Система автоматического регулирования постоянно следит за работой компрессора и процессом аккумуляции холода.

Задачей настоящего изобретения ставится увеличение термодинамической эффективности работы холодильной установки путем поддержания постоянной температуры конденсации хладагента и понижения температуры жидкого хладагента после конденсатора, независимо от параметров окружающей среды и наличия высокой тарифной стоимости электроэнергии, за счет увеличения удельной холодопроизводительности хладагента и снижения удельных энергозатрат в холодильном цикле заявляемой холодильной установки.

Поставленная задача достигается тем, что согласно заявляемому холодильная установка содержит замкнутый контур хладагента, в котором последовательно установлены компрессор, конденсатор, ресивер, теплообменник, размещенный между конденсатором и ресивером, дроссельный вентиль и три параллельных испарителя, при этом второй и третий испарители выполнены в виде технологического и режимного аккумуляторов холода соответственно, при этом контур хладагента снабжен дополнительным компрессором, соединенным с конденсатором и через аккумуляторы с ресивером, барорегулирующим вентилем, расположенным за режимным аккумулятором холода, двумя дополнительными дроссельными вентилями, установленными перед аккумулятором, и тремя магнитными клапанами, помещенными после каждого дроссельного вентиля, а также установка снабжена двумя замкнутыми контурами хладоносителя, каждый из которых включает охлаждаемый объект, причем первый контур соединяет охлаждаемый объект через испаритель с первым насосом и первым магнитным клапаном, второй контур соединяет охлаждаемый объект с первым трехходовым вентилем, через конденсатор с градирней и вторым трехходовым вентилем, затем через технологический аккумулятор холода со вторым насосом и вторым магнитным клапаном, при этом второй трехходовой вентиль соединен через режимный аккумулятор холода с третьим насосом и через теплообменник - с первым трехходовым вентилем.

Оснащение холодильной установки, содержащей последовательно установленные в замкнутых контурах циркуляции хладагента в первом контуре испаритель, компрессор, конденсатор, теплообменник, линейный ресивер и дроссельный клапан, во втором контуре - технологический аккумулятор холода, связанный с линейным ресивером через дроссельный клапан и компрессором, подсоединенным соответственно к конденсатору, насосы подачи хладоносителя - к охлаждаемому технологическому объекту, электромагнитные клапаны, установленные после дроссельных клапанов и насосов обоих контуров, которые через нагнетательные трубопроводы хладагента и трехходовой смесительный клапан связаны с технологическим потребителем холода, при том, что между линейным ресивером и компрессорами в контуре циркуляции хладагента дополнительно установлены дроссельный клапан, режимный аккумулятор и барорегулирующий вентиль, причем режимный аккумулятор оснащен насосом подачи хладоносителя, связанным трубопроводом через теплообменник с трехходовым вентилем, который трубопроводом через регулятор температуры связан с возвратной магистралью хладоносителя из технологического объекта, а через смесительный трубопровод - с конденсатором хладагента и градирней, при этом градирня возвратным трубопроводом хладоносителя через трехходовой вентиль связана с технологическим и режимным аккумуляторами, позволяет получить

- снижение удельных энергозатрат в холодильном цикле вследствие понижения давления конденсации ниже давлений, определяемых в дневные часы параметрами окружающей среды,

- увеличение удельной холодопроизводительности жидкого хладагента перед дросселированием путем понижения температуры жидкого хладагента после конденсатора,

используя холод, аккумулированный в режимном аккумуляторе, в ночные часы и при низком тарифе на электроэнергию.

На фиг. 1 на Т-S-диаграмме показано отображение холодильного цикла работы холодильной установки; на фиг. 2 показана принципиальная схема холодильной установки, которой обеспечивается работа с аккумуляцией холода; на фиг. 3 приведена взаимосвязь параметров окружающей среды, температуры конденсации хладагента, уровня теплопритоков и аккумуляции холода при наличии различных тарифов на оплату электроэнергии.

Согласно рассматриваемого цикла (фиг. 1) пары хладагента состояния перегретого пара (точка 1) с параметрами Т1, Ро (точка 1) сжимают (условно - в адиабатном одноступенчатом процессе сжатия 1-2) до состояния точки 2 с параметрами Т2нр и Рк.нр, где индекс "нр" - нормативный режим работы. Затем пары хладагента конденсируются при температуре конденсации Тк.нр (процесс 2нр-3нр). (Цикл одноступенчатого сжатия на фиг. 1 приведен для упрощения описания.)

Затем у жидкого хладагента состояния точки 3 с температурой Тк.нр и давлением Рк.нр понижают температуру до значения Ти ("переохлаждают жидкость") (процесс 3нр-4), после чего дросселируют (процесс 4-5) и полученную парожидкостную смесь состояния точки 5 с параметрами То1 и Ро1 направляют на испарение для охлаждения хладоносителя до технологической температуры Тхн.т в испарителе и технологическом аккумуляторе. Образующиеся в испарителе и технологическом аккумуляторе пары хладагента состояния точки 6 подогреваются в процессе 6-1 и всасываются в компрессор.

Жидкий хладагент с температурой Ти также дросселируют (процесс 4-7) и полученную парожидкостную смесь состояния точки 7 с параметрами То2 и Ро2 направляют на испарение для охлаждения хладоносителя до нормативной температуры Тх. р в режимном аккумуляторе. Образующиеся в режимном аккумуляторе пары хладагента состояния точки 8 дросселируют с давления Ро2 до давления Ро1 (процесс 8-9), смешивают с парами, отводимыми из испарителя и технологического аккумулятора (6-9), и отсасывают компрессором.

Цикл работы холодильной машины по заявляемому способу замыкается.

Холодильная установка (далее - установка) по фиг. 2 содержит в двух контурах циркуляции хладагента компрессоры 1 и 2, конденсатор 3, теплообменник-переохладитель 4, линейный ресивер 5, дроссель-вентиль 6, испаритель 7, дроссельный вентиль 8, технологический аккумулятор холода 9. Испаритель 7 оснащен насосом 10, технологический аккумулятор 9 - насосом 11. Между вентилем 6 и испарителем 7 установлен соленоидный клапан 12, между вентилем 8 и технологическим аккумулятором 9 установлен соленоидный клапан 13. На магистралях подачи хладоносителя от насосов 10 и 11 к технологическому потребителю холода 14 установлены соленоидные клапаны 15 и 16, на возвратной магистрали 17 от потребителя холода к испарителю 7 и технологическому аккумулятору установлен соленоидный клапан 18. В контуре циркуляции хладагента между линейным ресивером 5 и компрессором 2 дополнительно и последовательно размещены дроссельный вентиль 19, режимный аккумулятор 20 и барорегулирующий вентиль 21. Между вентилем 19 и режимным аккумулятором 20 установлен соленоидный клапан 22.

Режимный аккумулятор 20 оснащен насосом 23, который трубопроводом 24 через теплообменник 4 связан с трехходовым вентилем 25, последний через регулятор температуры 26 связан с возвратной магистралью 17 от технологического потребителя холода 14 и трубопроводом 27 через конденсатор хладагента 3 связан с градирней 28, которая трубопроводом 29 через трехходовой вентиль 30 и трубопроводом 31 связана с технологическим аккумулятором 9 и трубопроводом 32 связана с режимным аккумулятором 20.

На фиг. 3 приведен характерный график изменения теплопритоков Qi в течение суток в летний период по данным распределительного холодильника, в котором охлаждают и хранят продукты. Из фиг. 3 следует, что основные затраты энергии на выработку холода для компенсации теплопритоков на холодильнике оплачивают в период действия высоких тарифов С2 и С3 на оплату электроэнергии, а время поступления минимальных теплопритоков совпадает со временем действия минимального тарифа С1. Здесь Qт - теплопритоки, обусловленные разностью температур воздуха - наружного То.с и в камерах холодильника Ткм, Qр - теплопритоки от солнечной радиации; Qп - теплопритоки от обработки продукта.

Как следует из совместного рассмотрения фиг. 1, 2 и 3, в период времени холодильная установка, патент № 21997061, когда действует тариф С1, компрессор 2 отсасывает пары хладагента из технологического 9 и режимного 20 аккумуляторов холода. В аккумуляторе 9 поддерживают температуру кипения хладагента То1, соответствующую необходимой технологической температуре хладоносителя Тхн.т, в аккумуляторе 20 температуру кипения То2, соответствующую температуре хладоносителя Тх.р, обеспечивающей поддержание стабильной "нормативной" температуры конденсации Тк.нр (или Тк.нр, соответствующая Тк.мн).

Пары хладагента компрессором 2 нагнетают в конденсатор 3, где конденсируются при температуре Тк.нр, причем охлаждающий хладоноситель (например, воду) подают насосом 23 через трубопровод 24 в теплообменник 4, а после него через вентиль 25 - в конденсатор 3, и из последнего через трубопровод 27 - в градирню 28.

Из градирни 28 отепленный хладоноситель по трубопроводу 29 через вентиль 30 и трубопровод 32 возвращается в режимный аккумулятор 20. Соответственно проводят аккумуляцию холода в технологическом аккумуляторе 9, насос 11 при открытом соленоидном клапане 16 подает охлажденный хладоноситель в технологический потребитель холода 14, откуда отепленный хладоноситель по возвратному трубопроводу 17 при открытом соленоидном клапане 18 возвращается в технологический аккумулятор 9.

С ростом То.с и соответственно Тк (от величины Тк.мн), увеличением суммы теплопритоков холодильная установка, патент № 2199706Qi и вводом в действие тарифа С2 в схеме установки производят следующие переключения. Вводятся в работу первый контур, при этом компрессоры 1 и 2 работают только на отвод теплопритоков к холодильнику, увеличивая тепловую нагрузку на конденсатор 3. В системе подачи охлаждающей среды на конденсатор 3 и возврата ее вентили 25 и 30 устанавливают на режим смешения отепленной среды после теплообменника с более холодной, идущей из технологического потребителя холода 14, и охлажденную воду подают на конденсатор 3, поддерживая Тк при значении Тк.нр. Массовый расход отепленного хладоносителя, направляемый на смешение, регулируется с использованием регулятора температуры 26.

При снижении величины холодильная установка, патент № 2199706Qi и в период времени ввода в действие тарифа С3 в схеме во втором контуре останавливают компрессор 2, закрывают соленоидные клапаны 13 и 22, при этом компрессор 1 работает на испаритель 7, охлаждая хладоноситель, который насосом 10 при открытом соленоидном клапане 15 поступает в технологический потребитель холода 14. Насос 11 при открытом соленоидном клапане 16 продолжает прокачивать хладоноситель по контурам "технологический аккумулятор холода 9 - технологический потребитель 14" и "смешение" совместно с насосом 23. Тем самым обеспечивается понижение Тк до минимального значения Тк.нр (см. фиг. 3).

После истечения времени действия тарифа С3 соленоидные клапаны 13 и 22 устанавливают в исходное положение прямотока, первый контур работает на текущее охлаждение потребителя 14, во втором контуре осуществляется аккумуляция холода в технологическом 9 и режимном 20 аккумуляторах холода.

Последовательность работы холодильной установки повторяется.

Таким образом, заявляемая холодильная установка согласно фиг. 1 и 2 по сравнению с известными обеспечивает увеличение удельной холодопроизводительности жидкого хладагента перед дросселированием путем поддержания стабильной температуры конденсации хладагента и понижения температуры жидкого хладагента после конденсатора, используя холод, аккумулированный в режимном аккумуляторе, в ночные часы и при низком тарифе на электроэнергию.

Как видно из фиг. 1, проведение традиционного процесса дросселирования по процессу 3мх-5мх характеризуется величиной удельной холодопроизводительности q=h1-h5мх, в то время как в заявляемой установке величина удельной холодопроизводительности составляет q=h1-h5, то есть больше на величину холодильная установка, патент № 2199706q= h5мх-h5.

Заявляемую холодильную установку по сравнению с известными характеризует размещение дополнительно в контуре циркуляции хладагента между линейным ресивером и компрессором дроссельного клапана, режимного теплообменника и барорегулирующего клапана, установленных параллельно испарителю и технологическому аккумулятору холода, что обеспечивает поддержание стабильными значений постоянной "нормативной" температуры конденсации и пониженной температуры жидкого хладагента после конденсатора.

Для снижения стоимости выработанного холода используется аккумулятор холода (режимный аккумулятор) для регулирования работы системы холодильной установки путем понижения температуры конденсации хладагента Ткj относительно "традиционного" значения температуры конденсации Тк, которую определяют в общем случае, как известно, параметры окружающей среды - температура То.с и относительная влажность воздуха холодильная установка, патент № 2199706o.c. В этом случае отпадают существующие ограничения по выбору температурного потенциала в аккумуляторе холода, температуру Тк1 регулируют независимо от изменения То.с и холодильная установка, патент № 2199706o.c, что обеспечивает равномерную нагрузку на компрессоры и уменьшение их износа, стабильный температурный режим в холодильнике и сокращение усушки хранимых продуктов.

Таким образом, при наличии переменных по времени суток тарифов оплаты за электроэнергию и резко переменном графике тепловой нагрузки холодильной установки, и значительном изменении параметров окружающей среды в течение суток, в заявляемой установке при наличии (или отсутствии) в ее составе технологического аккумулятора холода для одновременной компенсации суммарных теплопритоков вводят режимный аккумулятор, в котором осуществляют аккумуляцию энергии в форме холода, запасая его в период действия низкой тарифной стоимости С1 и используя аккумулированный холод в период действия высокой тарифной стоимости С2 и С3.

Тем самым, обеспечивается поддержание постоянной ("нормативной") температуры конденсации хладагента, что обеспечивает снижение суммарных энергозатрат и других эксплуатационных затрат, а также приведенных затрат на систему холодильной установки.

Наверх