Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТАВА ХЛАДАГЕНТА

Изобретение относится к холодильной технике, предназначено для использования в низкотемпературных парокомпрессионных холодильных машинах, работающих на многокомпонентных смесях хладагентов, для регулирования состава хладагента, поступающего в испаритель.

Для получения низких температур (от минус 40°C до минус 160°C) широко применяются парокомпрессионные холодильные машины, работающие на многокомпонентных смесях хладагентов с регулируемым основным дросселирующим устройством. Одной из основных технических проблем, с которой сопряжено применение таких холодильных машин, является то, что в процессе выхода на режим, который может длиться до нескольких суток, в испарителе циркулирует смесь многокомпонентного хладагента нерегулируемого состава, в результате чего в начале работы холодильной машины в испаритель поступает значительное количество низкокипящих компонентов смесевого хладагента, которые при высоких текущих температурах охлаждения находятся в газообразном состоянии: не конденсируются и не испаряются. Балластный газообразный поток низкокипящего хладагента через испаритель приводит к снижению изотермического дроссель-эффекта в низкотемпературном цикле. В связи с этим возрастает время выхода холодильной машины на режим и соответственно затрачиваемое на это энергопотребление.

Решением данной проблемы является предлагаемая система регулирования состава хладагента, позволяющая автоматически регулировать состав хладагента, циркулирующего в испарителе в процессе выхода на режим парокомпрессионной холодильной машины, работающей на многокомпонентной смеси хладагентов с регулируемым основным дросселирующим устройством.

Известна холодильная машина (RU 2448308 С1, МПК F25B 1/00, 2006.01), в которой регулируется состав смесевого хладагента, поступающего в испаритель. Указанная холодильная машина применяется в низкотемпературных парокомпрессионных холодильных машинах, работает на многокомпонентной смеси хладагентов и предназначена для получения низких температур. В данной холодильной машине хладагент сжимается в компрессоре, затем охлаждается до температуры окружающей среды и частично конденсируется в конденсаторе, после чего попадает в отделитель жидкости, где разделяется на жидкую и газообразную фазы. Газообразный хладагент из отделителя жидкости поступает сначала в предварительный рекуперативный теплообменник, а затем в основной рекуперативный теплообменник, где постепенно конденсируется за счет охлаждения обратным потоком. Охлажденный хладагент проходит через основное дросселирующее устройство, где происходит его расширение и понижение температуры, после чего поступает в испаритель, где подогревается за счет тепла, отводимого от охлаждаемого объекта. Далее поток хладагента поступает в основной рекуперативный теплообменник, где подогревается за счет охлаждения прямого потока. Жидкий хладагент из отделителя жидкости проходит через предварительное дросселирующее устройство, где понижаются его давление и температура, после чего смешивается с обратным потоком перед предварительным рекуперативным теплообменником. Далее поток хладагента еще подогревается в предварительном рекуперативном теплообменнике и поступает на всасывание компрессора. На этом цикл работы холодильной машины замыкается. Соленоидный вентиль данной холодильной машины, расположенный перед ресивером, нормально находится в закрытом положении и открывается при помощи электрического сигнала от управляющего устройства. В случае повышения давления нагнетания выше некоторой заданной величины соленоидный вентиль открывается и перепускает часть газообразного потока хладагента в ресивер. Соленоидный вентиль закрывается, как только давление падает до заданного значения. Из ресивера хладагент проходит через обратный клапан и дросселирующее устройство, где его давление падает до давления обратного потока, а температура понижается и смешивается с обратным потоком перед предварительным рекуперативным теплообменником. Исходя из конструкции, RU 2448308 не устраняет указанную выше техническую проблему, т.к. обладает следующими недостатками:

- в пусковой период в данной холодильной машине значительная часть высококипящих компонентов смесевого хладагента будет перепускаться в ресивер соленоидным вентилем вследствие многократного повышения давления нагнетания выше предельного значения давления, установленного для компрессора, что приведет к потерям холодопроизводительности при высоких температурах кипения в испарителе;

- в данной холодильной машине в начальный момент времени при высоких температурах кипения в испарителе значительная часть низкокипящего хладагента в смеси, находящегося в цикле только в газообразном состоянии, попадает в испаритель между моментами перепуска в ресивер вследствие непрерывного дросселирования хладагента из ресивера на всасывание, что приводит к снижению изотермического дроссель-эффекта;

- вследствие непрерывного перепуска хладагента на всасывание из ресивера нет возможности строго контролировать температуру кипения в испарителе.

Техническим результатом изобретения является значительное сокращение времени выхода холодильной машины на режим, что приводит к снижению энергопотребления. Также благодаря использованию предлагаемой системы регулирования состава хладагента повышается термодинамическая эффективность парокомпрессионной холодильной машины, работающей на многокомпонентной смеси хладагентов.

Для достижения технического результата необходимо решить задачу обеспечения оптимального состава многокомпонентного хладагента в испарителе в процессе выхода на рабочий режим в парокомпрессионных холодильных машинах, работающих на многокомпонентных смесях хладагентов.

На чертеже представлена схема парокомпрессионной холодильной машины, работающей на многокомпонентной смеси хладагентов, на данной схеме выделена система регулирования состава хладагента.

Перечень элементов, указанных на чертеже:

1 - ресивер;

2 - соленоидный вентиль;

3 - дросселирующее устройство;

4 - датчик давления всасывания в компрессор;

5 - датчик давления нагнетания компрессора;

6 - программируемый блок управления;

7 - компрессор холодильной машины;

8 - конденсатор;

9 - перепускной соленоидный вентиль;

10 - отделитель жидкости;

11 - предварительное дросселирующее устройство;

12 - рекуперативный теплообменник;

13 - основное дросселирующее устройство;

14 - испаритель;

р2 - давление нагнетания компрессора

p1 - давление всасывания в компрессор

Система регулирования состава хладагента состоит из ресивера 1, представляющего собой емкость, соединенную с перепускным соленоидным вентилем 9 и линией всасывания компрессора 7 посредством нерегулируемого дросселирующего устройства 3 и соленоидного вентиля 2, позволяющего добавлять в контур порции смесевого хладагента, обогащенные низкокипящими компонентами смеси. Управление соленоидным вентилем 2 происходит с помощью программируемого блока управления 6, входными сигналами для которого являются: величина давления всасывания в компрессор «p1», измеряемая датчиком давления всасывания 4, и величина давления нагнетания компрессора «р2», измеряемая датчиком давления нагнетания 5.

В пусковой период компрессор 7 создает разряжение в низкотемпературной части цикла - испарителе 14 и рекуперативном теплообменнике 12, в результате чего находящийся там жидкий хладагент, представляющий собой высококипящие компоненты рабочего тела холодильной машины - многокомпонентной смеси хладагентов, испаряется, обеспечивая начальное охлаждение и повышение давления на всасывании компрессора «p1». В связи с тем что объем газообразного хладагента в системе постоянного объема увеличивается, в контуре холодильной машины растет давление нагнетания «р2». Из-за ограничений по давлению нагнетания для компрессора 7 по сигналу от датчика давления нагнетания 5 программируемый блок управления 6 дает сигнал на открытие перепускного соленоидного вентиля 9, благодаря чему из отделителя жидкости 10 в ресивер 1 перепускается порция рабочего тела холодильной машины, обогащенная низкокипящими компонентами в газообразной фазе. Давление нагнетания «р2» в цикле снижается, перепускной соленоидный вентиль 9 закрывается. Вследствие большого давление всасывания «р2» в пусковой период соленоидный вентиль 2 системы регулирования состава хладагента находится в закрытом состоянии. Таким образом, в начальный момент времени из цикла изымается значительная часть низкокипящего компонента, поэтому в рекуперативном теплообменнике 12 и испарителе 14 циркулирует смесь, обогащенная высококипящими компонентами. Изотермический дроссель-эффект для данного состава рабочего тела при высоких температурах кипения выше. Это приводит к значительному увеличению генерируемой холодопроизводительности в пусковой период. По мере снижения температуры кипения и начала конденсации промежуточных компонентов смесевого хладагента давление нагнетания «р2» со временем снижается вследствие поддержания давления всасывания «p1» на определенном оптимальном уровне путем уменьшения проходного сечения в регулируемом основном дросселирующем устройстве 13. Программируемый блок управления 6 дает сигнал на открытие соленоидного вентиля 2 при значениях давления всасывания «p1» и нагнетания «р2» одновременно ниже оптимальных. Давление всасывание «p1» прямо пропорционально температуре охлаждения и падает ниже оптимальных установленных значений при начале кипения низкокипящих компонентов в смесевом рабочем теле холодильной машины. После открытия соленоидного вентиля 2 порция хладагента, обогащенная низкокипящими компонентами, начинает дросселироваться из ресивера 1 на всасывание компрессора 7, повышая давления всасывания «p1» и нагнетания «р2» до оптимальных значений, после чего соленоидный вентиль выходного потока 2 закрывается. Следовательно, в данном случае регулирование состава хладагента системой производится по комбинации сигналов от давлений всасывания «p1» и нагнетания «р2». Таким образом, концентрация низкокипящих компонентов в смесевом хладагенте, циркулирующем в испарителе 14, повышается, а следовательно, повышается и изотермический дроссель-эффект при данных температурах охлаждения. Вследствие добавления в рабочее тело низкокипящих компонентов изменяется гидравлическая характеристика регулируемого основного дросселирующего устройства 13 - дроссель начинает закрывать проходное сечение до достижения оптимального давления всасывания «p1» и в то же время давление нагнетания «р2» начинает снижаться. Цикл работы системы регулирования состава хладагента замыкается. По мере достижения требуемой температуры охлаждения смесь хладагентов в ресивере, обогащенная низкокипящими компонентами, полностью сдросселируется в контур холодильной машины до значения давления в ресивере, близкого к давлению всасывания в компрессор. Таким образом удается организовать ступенчатое охлаждение благодаря обеспечению оптимального состава многокомпонентного рабочего тела в испарителе холодильной машины.

Продолжительность открытия и закрытия соленоидного вентиля 2, а также величины уставок - оптимальных давлений срабатывания и гистерезисы устанавливаются в зависимости от типоразмера холодильной машины, работающей по данному циклу, вида и состава рабочего тела.

Благодаря использованию предлагаемой системы регулирования состава хладагента время выхода холодильной машины на режим значительно сокращается, что ведет к выигрышу в энергопотреблении.

Применение предлагаемой системы регулирования состава хладагента в значительной степени ограничивает время работы холодильной машины при высоких давлениях нагнетания (обычно около 30 бар), что повышает надежность компрессора и холодильной машины в целом.

Кроме того, актуально использование данной системы регулирования состава хладагента для холодильных машин, предназначенных для охлаждения объектов от температуры окружающей среды до низкой температуры, для увеличения скорости охлаждения. В таком случае входными сигналами для программируемого блока управления 6 будет уже комплекс сигналов: давление всасывания в компрессор «p1», давление нагнетания компрессора «р2» и текущая температура охлаждения.