Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА

Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии и может быть использовано в компрессионных холодильных машинах и тепловых насосах.

Общеизвестен способ получения холода, в котором хладагент последовательно испаряют в испарителе, повышают его давление в компрессоре, охлаждают и конденсируют в конденсаторе, снижают его давление путем дросселирования и вновь подают в испаритель. Данный способ является традиционным и реализуется в подавляющем большинстве компрессионных холодильных машин. Недостатком этого способа является то, что снижение давления хладагента в ходе прохождения через дроссель является необратимым термодинамическим процессом, что снижает эффективность тепловой машины обратного цикла и повышает расход электроэнергии.

Известен способ, описанный в книге «Холодильные машины» (ред. И.А. Сакун, Издательство «Машиностроение», 1985, с.52-82). Отличием этого способа от традиционного является сочетание двухстадийного сжатия хладагента в компрессоре с двухстадийным снижением давления хладагента путем пропускания через два последовательно расположенных дросселя, причем давление хладагента после первой стадии сжатия равно его давлению после первого дросселя, и часть хладагента, перешедшая в паровое состояние после первого дросселя, отводится на вторую стадию сжатия в компрессоре. Благодаря разделению дросселирования на две стадии пар, образующийся на первой стадии этого процесса, имеет более высокое давление, чем в испарителе, и сжатие его до давления конденсатора требует меньших затрат механической энергии, чем сжатие пара, поступающего из испарителя, что снижает потребляемую механическую мощность.

Недостатком этого способа является невозможность его применения в наиболее распространенных устройствах, в которых сжатие паров хладагента производится в одноступенчатых компрессорах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения холода, по которому давление хладагента после выхода из конденсатора, перед подачей в испаритель, снижают с помощью детантера (Кошкин Н.Н., Стукаленко А.К., Бухарин Н.Н. и др. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. Под ред. Кошкина Н.Н. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд.). 1976). Термодинамический процесс снижения давления в детантере более близок к обратимому, чем дросселирование, поэтому применение этого способа позволяет повысить эффективность тепловой машины обратного цикла. Повышение эффективности происходит за счет использования избытка тепловой энергии сконденсированного хладагента, который выделяется при снижении давления и частично преобразуется детантером в механическую энергию, используемую затем компрессором.

Недостатком этого способа является то, что на входе в детантер хладагент находится в жидком состоянии, что существенно осложняет условия функционирования и конструкцию детантера. Кроме того, необходимость использования работы, производимой детантером, требует либо установления механической связи детантера с приводом компрессора, либо присоединения к детантеру электрогенератора, что дополнительно усложняет конструкцию холодильной машины. В связи с этим парокомпрессионные холодильные машины и тепловые насосы, использующие детантеры, практически не используются.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности холодильных машин путем приближения термодинамических процессов рабочего цикла в этих устройствах к обратимым процессам.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения холода, по которому хладагент последовательно испаряют в испарителе, повышают его давление в компрессоре, охлаждают и конденсируют в конденсаторе, снижают его давление и возвращают в испаритель, согласно изобретению, давление хладагента снижают в ходе периодического процесса, включающего накопление хладагента, выходящего из конденсатора, в емкости до ее заполнения, откачивание компрессором паров хладагента из емкости до достижения в ней давления, равного давлению в испарителе, и последующую подачу оставшегося в емкости хладагента в испаритель.

Общим у заявляемого способа и его прототипа является то, что снижение давления хладагента после конденсатора перед подачей в испаритель происходит в процессе, близком к изоэнтропийному. Отличием заявляемого способа от его прототипа является то, что снижение давления хладагента производится без использования детантера, что облегчает его практическую реализацию.

На фиг. 1 и 2 представлены два варианта устройства, реализующего заявляемый способ получения холода. На фиг. 3 представлены результаты расчета холодильного коэффициента для способов производства холода: традиционного (с использованием дросселя), способа с использованием детантера и заявляемого способа.

Устройство для получения холода, реализующее заявляемый способ, включает испаритель 1, компрессор 2, конденсатор 3, емкость 4₁ для накопления и снижения давления хладагента, емкость 4₂ для питания испарителя, клапаны 5₁, 5₂, 5₃, 5₄. В начале работы клапаны 5₁ и 5₄ открываются, клапаны 5₂ и 5₃ закрываются, компрессор начинает отбирать из испарителя и сжимать пар хладагента. Далее реализуется следующая последовательность действий.

1. При открытых клапанах 5₁ и 5₄ и закрытых 5₂ и 5₃ жидкий хладагент поступает в испаритель 1 из емкости 4₂. Компрессор 2 отбирает пар хладагента из испарителя 1. Сжатый пар хладагента поступает в конденсатор 3, сконденсированный хладагент из конденсатора накапливается в емкости 4₁. Таким образом, выполняется первая из операций, составляющих периодический процесс снижения давления хладагента.

2. После заполнения емкости 4₁ открывается клапан 5₃, закрываются клапаны 5₁ и 5₄.

3. При открытом клапане 5₃ и закрытых остальных клапанах пар отбирается компрессором из емкости 4₁. В результате в емкости 4₁ происходит кипение хладагента, температура и давление снижаются с течением времени. Таким образом, выполняется вторая из операций, составляющих периодический процесс снижения давления хладагента. Сжатый компрессором пар поступает в конденсатор.

4. Как только давление в емкости 4₁ сравнивается с давлением в емкости 4₂, открываются клапаны 5₂ и 5₄, хладагент перемещается из емкости 4₁ в емкость 4₂. Таким образом, выполняется третья из операций, составляющих периодический процесс снижения давления хладагента.

5. После этого клапаны 5₂ и 5₃ закрываются, клапан 5₁ открывается.

Устройство возвращается к действию 1.

С точки зрения термодинамики описанный процесс снижения давления является обратимым, так как может быть произведен в обратном направлении. В отсутствие подвода и отвода тепла этот процесс будет близок к изоэнтропийному, аналогично процессу расширения, осуществляемому детантером.

Описанный порядок работы устройства предполагает, что клапаны устройства предназначены только для полного перекрытия соединений, а в открытом состоянии не создают существенного перепада давления. Вследствие этого из числа термодинамических процессов цикла холодильной машины исключаются необратимые изоэнтальпийные процессы, и ее холодильный коэффициент повышается.

Другой вариант устройства, реализующего заявляемый способ, представлен на фиг. 2. В этом варианте устройства, в отличие от первого, реализуется непрерывный процесс производства холода за счет испарения хладагента в испарителе. Для этого устройство содержит те же элементы, что и вышеописанное, кроме клапана 5₄, который в этом варианте устройства отсутствует, но введен вспомогательный компрессор 2₂ и емкость 4₃ для предварительного накопления хладагента. В этом устройстве непрерывно производится подача хладагента в испаритель из емкости 4₂, испарение хладагента в испарителе 1, сжатие паров компрессором 2₁, их охлаждение и конденсация в конденсаторе 3. В дополнение к этому реализуется следующая последовательность действий.

1. При открытом клапане 5₃ и закрытых 5₁ и 5₂ из емкости 4₁ вспомогательным компрессором 2₂ откачивается пар, в емкости 4₁ происходит кипение хладагента, сопровождаемое снижением температуры и давления. В это же время в емкости 4₃ производится предварительное накопление сконденсированного хладагента, поступающего из конденсатора. Таким образом, выполняется первая и вторая из операций, составляющих периодический процесс снижения давления хладагента.

2. Как только давление в емкости 4₁ уравнивается с давлением в емкости 4₂, закрывается клапан 5₃, открывается клапан 5₂. Хладагент переходит из емкости 4₁ в емкость 4₂. Клапан 5₂ закрывается. Таким образом, выполняется третья из операции, составляющих периодический процесс снижения давления хладагента.

3. Клапан 5₁ открывается, хладагент переходит из емкости 4₃ в емкость 4₁, клапан 5₁ закрывается, клапан 5₃ открывается. Устройство возвращается к действию 1.

Первый из описанных вариантов устройства более прост, так как содержит только один компрессор, и поэтому более предпочтителен для установок малой мощности. Преимуществом второго варианта является непрерывность процесса производства холода, что делает его более предпочтительным для установок большой мощности.

Термодинамический цикл хладагента при реализации заявляемого способа не зависит от конкретной конструкции устройства и включает процесс испарения хладагента, близкий к изобарическому, процесс сжатия, близкий к изоэнтропийному, процесс охлаждения и конденсации пара, близкий к изобарическому, и процесс снижения давления хладагента, близкий к изоэнтропийному. На фиг. 3 приведены результаты расчетов термодинамического цикла для трех способов получения холода: традиционного, в котором давление хладагента после конденсатора снижается с помощью дросселя, способа, выбранного в качестве прототипа, в котором давление хладагента снижается с помощью детантера, и заявляемого способа. Показан график зависимости холодильного коэффициента от температуры испарения при следующих, общих для всех способов, параметрах цикла:

Тип хладагента: фреон 134а.

Температура конденсации: 50°C.

Температура на выходе из конденсатора: 45°C.

Температура на выходе из испарителя: на 5° выше температуры испарения.

Адиабатическая эффективность компрессора: 0,8.

Адиабатическая эффективность детантера (при его наличии): 0,8.

Приведенные результаты показывают, что заявляемый способ превосходит по величине холодильного коэффициента как традиционный способ, так и способ, выбранный в качестве прототипа. Превосходство заявляемого способа перед традиционным, с одной стороны, напрямую следует из второго закона термодинамики, и, с другой стороны, может быть пояснено следующим образом. И в том, и в другом способе при снижении давления хладагент должен снизить свою температуру от начальной, мало отличающейся от температуры конденсации, до конечной, равной температуре испарения. При этом часть хладагента должна испариться, чтобы теплота испарения поглотила избыток внутренней энергии той части хладагента, которая остается жидкой. Та часть хладагента, которая испаряется в ходе снижения давления, практически не участвует в производстве холода, поэтому холодильная мощность не зависит от того, проходит ли эта часть через испаритель (как в традиционном способе) или нет (как в заявляемом). И в том, и в другом способе компрессор сжимает пар, образующийся в процессе снижения давления, до давления в конденсаторе. При этом в традиционном способе весь этот пар имеет начальное давление, равное давлению в испарителе. Тогда как в заявляемом способе давление пара, откачиваемого из емкости для снижения давления, меняется с течением времени от начального давления, равного давлению в конденсаторе, до конечного, равного давлению в испарителе, и в среднем имеет большую величину, чем давление в испарителе. Вследствие этого работа компрессора, затрачиваемая на сжатие пара, образовавшегося в процессе снижения давления хладагента, в заявляемом способе ниже, чем в традиционном, что дает преимущество в холодильном коэффициенте. Заявляемый способ не уступает в величине холодильного коэффициента способу, выбранному в качестве прототипа, а, напротив, несколько превосходит его.