Способ регулирования давления на стороне высокого давления устройства и холодильное или нагревательное устройство (варианты) - RU2039914C1
Код документа: RU2039914C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к устройствам циклического действия со сжатием пара в транскритических условиях, таким как холодильные установки, агрегаты кондиционирования воздуха и тепловые насосы, в которых используется хладагент, работающий в замкнутом контуре в транскритических условиях, и, в частности, к способам модуляции и управления производительностью таких устройств.
Обычное устройство циклического действия со сжатием пара для целей охлаждения, кондиционирования воздуха или тепловой насос состоит из компрессора, конденсаторного теплообменника, дроссельного клапана и испарительного теплообменника. Эти элементы соединяются в замкнутый циркуляционный контур, в котором циркулирует хладагент. Принцип работы устройства циклического действия со сжатием пара заключается в следующем. Давление и температура пара хладагента увеличивается компрессором перед тем, как он входит в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется, отдавая тепло вторичному теплоносителю. Затем жидкость под высоким давлением дросселируется до давления и температуры испарителя посредством расширительного вентиля. В испарителе хладагент кипит и поглощает тепло из окружающего пространства. Пар на выходе испарителя втягивается в компрессор, завершая цикл.
Обычные устройства циклического действия со сжатием пара используют хладагент (например, R-12, CF2Cl2), работающие полностью при докритических давлениях. В качестве хладагента может использоваться ряд различных веществ. Выбор хладагента помимо прочих факторов определяется температурой конденсации, так как критическая температура жидкости устанавливает верхний предел, при котором еще происходит конденсация. Для поддержания достаточного КПД желательно использовать хладагент с критической температурой по крайней мере на 20-30 К выше температуры конденсации. Обычно при создании и работе обычных систем избегают близких к критическим температур.
Настоящая технология детально описана в литературе, например справочниках, издаваемых Американским обществом инженеров по теплотехнике, холодильной технике и технике кондиционирования воздуха: Fundamentals 1989 и Refrigeration 1986.
Разрушительное действие на озоновый слой земли широко используемых в настоящее время хладагентов (галоидоуглеводородов) привело к сильной международной реакции, направленной на уменьшение или запрещение использования этих жидкостей. Следовательно, существует настоятельная необходимость разработки альтернативных технологий к существующей.
Управление производительностью обычного устройства циклического действия со сжатием пара осуществляется главным образом регулированием массового расхода хладагента, проходящего через испаритель. Это осуществляется, например, путем управления производительностью компрессора, дросселированием или перепуском. Эти способы вызывают необходимость использования более сложных циркуляционного контура и компонентов, дополнительного оборудования и приспособлений, снижения КПД при неполной нагрузке и приводят к другим осложнениям.
Общим типом устройства, регулирующего поток жидкости, является терморегулирующий расширительный вентиль, который управляется перегретым хладагентом на выходе испарителя. Соответствующая работа вентиля в изменяющихся рабочих условиях достигается путем использования значительной части испарителя для перегрева хладагента, приводящего к низкому коэффициенту теплопередачи.
Кроме того, теплопередача в конденсаторе обычного парового компрессионного цикла имеет место главным образом при постоянной температуре. Поэтому имеют место термодинамические потери вследствие больших температурных перепадов при отдаче тепла вторичному теплоносителю со значительным повышением температуры, которые имеют место в тепловых насосах или когда имеющийся поток вторичного теплоносителя незначителен.
Раньше в незначительной степени практиковалась работа парового компрессионного цикла в транскритических условиях. До перехода к широкому использованию галоидоуглеводородов, 40-50 лет назад, в качестве хладагента широко использовалась двуокись углерода (СО2), особенно на судах для охлаждения съестных припасов и груза. Были разработаны системы, нормально работающие при докритических давлениях с испарением и конденсацией. Иногда, когда судно плыло в тропиках, температура охлаждающей морской воды могла быть слишком высокой для осуществления нормальной конденсации и холодильный агрегат вынужден был работать в сверхкритических условиях на стороне высокого давления цикла (критическая температура для СО2 около 31оС). В этом случае практиковалось увеличение загрузки хладагента (количество вводимого в систему хладагента) на стороне высокого давления в месте, где давление на выходе компрессора повышалось до 90-100 бар с целью поддержания хладопроизводительности на достаточном уровне. Технология охлаждения с использованием СО2 описана, например, в книгах Ostertag P. Kalteprozesse. Springer 1933 или Mac Intirs H.J. Refrigeration Engineering, Wiley 1937.
Обычной практикой в более древних системах на СО2 было добавление необходимого избыточного количества хладагента из отдельных накопительных цилиндров. Приемник, установленный после конденсатора, обычным образом был бы не способен выполнять функции, предусмотренные изобретением.
Другой возможностью повышения производительности и КПД устройства циклического действия со сжатием пара, работающего при сверхкритическом давлении на стороне высокого давления, является описанная в немецком патенте N 278095 (1912). Этот способ включает двухступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением в сверхкритической области. По сравнению со стандартной системой эта вызывает необходимость установки дополнительного компрессора или насоса и теплообменника. В книге Gosney W.B. Principles of Refrigeration. Cambridge Univ. Press, 1982, указаны некоторые особенности работы при докритических давлениях. Предполагается, что увеличение загрузки хладагента на стороне высокого давления могло бы осуществляться путем временного закрытия расширительного вентиля таким образом, чтобы переносилась некоторая часть загрузки из испарителя. Но это могло бы привести к недостаточному количеству жидкости в испарителе, вызывая снижение производительности в самый неподходящий момент.
Целью изобретения является разработка нового усовершенствованного простого и эффективного средства для модуляции и управления производительностью устройства циклического действия со сжатием пара в транскритических условиях, свободного от вышеуказанных недостатков известных средств.
Другой целью изобретения является разработка парового компрессионного цикла, в котором не используются хладагенты на основе фторорганических соединений и в то же самое время обеспечивается возможность применения нескольких привлекательных хладагентов с точки зрения безопасности, безвредности для окружающей среды и цены.
Еще одной целью изобретения является разработка нового способа управления производительностью, который включает работу при практически постоянном весовом расходе хладагента и простую модуляцию производительности путем задействования клапана.
Еще одной целью изобретения является разработка цикла, отдающего тепло при малоизменяющейся температуре, снижающего потери при теплообмене в применениях, где поток вторичного теплоносителя незначителен или когда вторичный теплоноситель должен быть нагрет до сравнительно высокой температуры.
Цели изобретения достигаются разработкой способа работы обычно в транскритических условиях (т.е. сверхкритическом давлении на стороне высокого давления, докритическом давлении на стороне низкого давления цикла), где термодинамические свойства в сверхкритическом состоянии используются для управления холодопроизводительностью и теплопроизводительностью устройства.
Изобретение включает регулировку удельной энтальпии на входе испарителя путем преднамеренного изменения давления перед дросселированием для управления производительностью. Производительность управляется изменением разности энтальпий хладагента в испарителе путем изменения удельной энтальпии хладагента перед дросселированием. В сверхкритическом состоянии это может быть осуществлено независимым изменением давления и температуры. В предпочтительном воплощении изобретения эта модуляция удельной энтальпии осуществляется изменением давления перед дросселированием. Хладагент охлаждается до самого возможного предела посредством имеющейся охлаждающей среды и регулируется давление для получения требуемой энтальции.
На фиг. 1 схематично представлено устройство циклического действия со сжатием пара в транскритических условиях, предпочтительный вариант (это воплощение включает емкость в качестве неотъемлемой части испарительной системы, содержащую хладагент в жидком состоянии); на фиг. 2 устройство циклического действия со сжатием пара в транскритических условиях в соответствии с вторым воплощением изобретения (это воплощение включает приемник, подсоединенный непосредственно в циркуляционный контур между двумя клапанами); на фиг. 3 устройство циклического действия со сжатием пара в транскритических условиях в соответствии с третьим воплощением изобретения (это воплощение включает специальный приемник для содержания хладагента в жидком состоянии или в сверхкритическом состоянии); на фиг. 4 показан график, иллюстрирующий зависимость давления от энтальпии устройства циклического действия со сжатием пара в транскритических условиях, показанного на фиг. 1, 2 или 3, при различных рабочих условиях.
Устройство циклического действия со сжатием пара в транскритических условиях содержит хладагент, критическая температура которого находится в пределах между температурой на входе и средней температурой охлаждаемого объекта и замкнутый контур рабочей жидкости, в котором циркулирует хладагент. Подходящими рабочими жидкостями могут быть, например, этилен (С2Н4), диборан (В2Н6), двуокись углерода (СО2), этан (С2Н6) и окись азота (N2О). Замкнутый контур рабочей жидкости состоит из циркуляционной петли хладагента с встроенным накопительным блоком.
На фиг. 1 накопительный блок является неотъемлемой частью испарительной системы. Циркуляционный контур включает компрессор 1, последовательно соединенный с теплообменником, противоточный теплообменник 2 и дросселирующий клапан 3. Дросселирующий клапан может быть заменен каким-нибудь другим расширяющим устройством. Испарительный теплообменник 4, сепаратор-приемник 5 для отделения жидкости и находящийся на стороне низкого давления противоточный теплообменник 2 соединены между собой в направлении циркуляции между дроссельным клапаном 3 и входом 6 компрессора 1. Приемник 5 жидкости соединен с выходом 7 испарителя, газофазный выход приемника соединен с противоточным теплообменником 2.
Противоточный теплообменник 2 не обязательно необходим для функционирования устройства, но он повышает его КПД, в частности, скорость реакции на требования увеличения производительности. С этой целью трубопровод для жидкой фазы от приемника 5 (на фиг. 1 показан пунктирной линией) подсоединяется к всасывающему трубопроводу или перед противоточным теплообменником 2 в месте 8, или после него в месте 9, или еще где-нибудь между этими точками. Жидкостный поток, т.е. хладагент и масло, управляется подходящим ограничивающим жидкостный поток устройством (не показано). Вводя в паровую магистраль некоторое избыточное количество жидкого хладагента, получают на выходе испарителя излишек жидкости.
На фиг. 2 накопительный блок контура рабочей жидкости включает приемник 10, встроенный в циркуляционный контур между клапаном 11 и дросселирующим клапаном 3. Другие элементы циркуляционного контура идентичны элементам предыдущего воплощения, хотя теплообменник может быть удален без каких-либо серьезных последствий. Давление в приемнике 10 поддерживается промежуточным между давлением на стороне высокого давления и давлением на стороне низкого давления циркуляционного контура.
На фиг. 3 накопительный блок контура рабочей жидкости включает специальный приемник 12, где поддерживается промежуточное давление между давлением на стороне высокого давления и давлением на стороне низкого давления циркуляционного контура. Кроме того, накопительный блок включает клапаны 13 и 14, которые соединены с частями высокого и низкого давления циркуляционного контура соответственно.
В процессе работы хладагент сжимают до подходящего сверхкритического давления в компрессоре 1. На фиг. 4 выход 15 компрессора показан как состояние а. Хладагент циркулирует через теплообменник 16, где он охлаждается до состояния b, отдавая тепло подходящей охлаждающей среде, например охлаждающему воздуху или воде. При желании хладагент может быть дальше охлажден до состояния с в противоточном теплообменнике 2 перед дросселированием к состоянию d. Путем снижения давления в дросселирующем клапане 3 образуется двухфазная газожидкостная смесь, показанная на фиг. 2 как состояние d. Хладагент поглощает тепло в испарителе 4 путем испарения жидкой фазы. Из состояния е на выходе испарителя пар хладагента может быть перегрет в противоточном теплообменнике 2 до состояния f перед тем, как он попадает на вход 6 компрессора, завершая цикл. Как показано на фиг. 1, в предпочтительном воплощении изобретения состояние е на выходе испарителя должно быть в двухфазной области вследствие избытка жидкости на выходе испарителя.
Модуляция производительности устройства циклического действия, работающего в транскритических условиях, выполняется путем изменения состояния хладагента на входе испарителя, т.е. точке d на фиг. 4. Холодопроизводительность на единицу весового расхода хладагента соответствует разности энтальпий между состоянием d и состоянием е. Эта разность энтальпий соответствует горизонтальному участку на графике зависимости энтальпии от давления на фиг. 4.
Дросселирование представляет собой процесс с постоянной энтальпией, таким образом, энтальпия в точке d равна энтальпии в точке с. В результате холодопроизводительность (в киловаттах) при постоянном весовом расходе хладагента может управляться путем изменения энтальпии в точке с.
В транскритическом цикле однофазный пар хладагента под высоким давлением не конденсируется, а снижается его температура в теплообменнике 16. Температура хладагента на выходе теплообменника (точка b) должна быть на несколько градусов выше температуры входящего охлаждающего воздуха или воды, если используется противоток. Затем пар высокого давления может быть охлажден на несколько градусов к точке с в противоточном теплообменнике 2. Однако результатом является то, что при постоянной входной температуре охлаждающего воздуха или воды температура в точке с должна быть практически постоянной, не зависимой от уровня давления на стороне высокого давления.
Поэтому модуляция производительности устройства осуществляется изменением давления на стороне высокого давления, в то время как температура в точке с является практически постоянной. Изгиб изотерм вблизи критической точки приводит к изменению энтальпии с изменением давления, как показано на фиг. 4. На фиг. 4 показаны опорный цикл (a-b-c-d-e-f), цикл с уменьшенной производительностью вследствие уменьшенного давления на стороне высокого давления (a'-b'-c'-d'-e-f) и цикл с повышенной производительностью вследствие более высокого давления на стороне высокого давления (a''-b''-c''-d''-e-f), предполагается, что давление в испарителе является постоянным.
Давление на стороне высокого давления является независимым от температуры, так как она заполняется однофазной жидкостью. Для изменения давления необходимо изменить массу хладагента на стороне высокого давления, т.е. добавить или удалить немного хладагента от текущей загрузки хладагента на стороне высокого давления. Эти изменения должны осуществляться буферным устройством для предотвращения перелива жидкости или высушивания испарителя.
В предпочтительном воплощении изобретения, показанном на фиг. 1, масса хладагента на стороне высокого давления может быть увеличена временным уменьшением отверстия дроссельного клапана 3. Вследствие случайно уменьшенного хладагента к испарителю избыточная жидкая фракция на выходе 7 испарителя должна уменьшиться. Однако поток жидкого хладагента из приемника 5 во всасывающий трубопровод является постоянным. Следовательно, нарушается равновесие между жидким потоком, входящим в приемник 5 и выходящим из него, что приводит к уменьшению в жидком содержании приемника и соответствующем накоплении хладагента на стороне высокого давления циркуляционного контура.
Увеличение загрузки хладагента на стороне высокого давления сопровождается увеличением давления и тем самым повышенной холодопроизводительностью. Этот перенос массы хладагента со стороны низкого давления на сторону высокого давления циркуляционного контура продолжается до тех пор, пока не установится равновесие между холодопроизводительностью и нагрузкой.
Открывание дроссельного клапана 3 повышает избыточную жидкую фракцию на выходе 7 испарителя, так как испаряемое количество хладагента является практически постоянным. Разница между этим потоком жидкости, входящим в приемник, и потоком жидкости из приемника во всасывающий трубопровод возрастает. В результате осуществляется доставка в чистом виде загрузки хладагента со стороны высокого давления на сторону низкого давления циркуляционного контура с уменьшением количества хладагента на стороне высокого давления, накопленного в жидком состоянии в приемнике. Путем уменьшения загрузки хладагента на стороне высокого давления и тем самым давления снижается производительность устройства до тех пор, пока не установится равновесие.
Доставка некоторого количества жидкости от приемника во всасывающий трубопровод также необходимо для предотвращения накопления смазочного вещества в жидкой фазе приемника.
В воплощении изобретения, показанном на фиг. 2, масса хладагента на стороне высокого давления может быть увеличена путем одновременного закрытия клапана 11 и модуляцией дроссельного клапана 3 для обеспечения испарителя достаточным потоком жидкости. Это уменьшает поток хладагента со стороны высокого давления в приемник через клапан 11, в то время как масса хладагента переносится со стороны низкого давления на сторону высокого давления компрессором.
Уменьшение загрузки на стороне высокого давления получается путем открывания клапана 11 при одновременном поддержании практически постоянного потока через дроссельный клапан 3. Это переносит массу со стороны высокого давления циркуляционного контура к приемнику 10.
В воплощении изобретения, показанном на фиг. 3, масса хладагента на стороне высокого давления может быть увеличена путем открывания клапана 14 и одновременного уменьшения потока через дросселирующий клапан 3. Таким образом, на стороне высокого давления накапливается масса хладагента вследствие уменьшенного потока через дроссельный клапан 3. Достаточный поток жидкости к испарителю обеспечивается путем открывания клапана 14.
Уменьшение загрузки на стороне высокого давления может достигаться открыванием клапана 13 для переноса некоторой части загрузки со стороны высокого давления приемнику. Таким образом, управление производительностью устройства осуществляется путем модуляции клапанов 13 и 14 и одновременно приведением в действие дроссельного клапана 3.
Как показано на фиг. 1, предпочтительное воплощение изобретения имеет преимущество в простоте с осуществлением управления производительностью путем приведения в действие только одного клапана. Кроме того, устройство циклического действия со сжатием пара в транскритических условиях согласно этому воплощению имеет определенную способность к саморегуляции путем приспособления к изменениям в нагрузке через изменения в жидкостном содержимом приемника 5, включая изменения в загрузке хладагента на стороне высокого давления и, таким образом, холодопроизводительности. Кроме того, работа с избытком жидкости на выходе испарителя обеспечивает благоприятные характеристики по теплопередаче.
Как показано на фиг. 2, это воплощение изобретения имеет преимущество упрощенной работы клапанов. Клапан 11 регулирует только давление на стороне высокого давления устройства, а дроссельный клапан 3 только обеспечивает нормальную работу испарителя. Таким образом, для дросселирования может быть использован обычный терморегулирующий расширительный вентиль. Возврат масла к компрессору легко осуществляется путем обеспечения возможности протекания хладагента через приемник. Однако в этом воплощении не предлагается функция управления производительностью на стороне высокого давления ниже критического давления. Объем приемника 10 должен быть сравнительно большим, так как он только работает в условиях промежуточного давления между давлением на выходе и давлением в трубопроводе с жидкостью.
Воплощение изобретения, показанное на фиг. 3, имеет преимущество работы как обычное устройство циклического действия со сжатием пара, когда оно работает в стабильных условиях. Клапаны 13 и 14, через которые приемник 12 подсоединен к циркуляционному контуру, приводится в действие только в процессе управления производительностью. Это воплощение изобретения вызывает необходимость использования трех различных клапанов в течение периодов изменения производительности.
Последние воплощения изобретения имеют недостаток, заключающийся в повышенном давлении в приемнике по сравнению к предпочтительному воплощению изобретения. Однако различия между отдельными системами, касающиеся конструкции и рабочих параметров, не очень значительны.
Устройства циклического действия со сжатием пара в транскритических условиях согласно описанным воплощениям изобретения могут применяться в нескольких областях. Эта технология очень хорошо подходит для малогабаритных и имеющих средние размеры стационарных и мобильных агрегатов кондиционирования воздуха, малогабаритных и имеющих средние размеры холодильников-морозилок и небольших установок с тепловыми насосами. Одним из самых обещающих применений является автомобильный агрегат для кондиционирования воздуха, где существует настоятельная необходимость в использовании новых, имеющих малый вес, не использующих в качестве хладагента фторорганические соединения и более эффективных альтернативных систем системе, использующей хладагент R-12.
Вышеописанные воплощения изобретения служат только в качестве примера и не ограничивают объем изобретения. Очевидно, что также можно управлять производительностью устройства циклического действия, работающего в транскритических условиях, путем поддержания практически постоянного давления на стороне высокого давления и регулирования температуры хладагента перед дросселированием (состояние с) путем изменения скорости циркуляции охлаждающего воздуха или воды. Путем уменьшения потока охлаждающей жидкости, т.е. воздуха или воды, температура перед дросселированием возрастает и производительность падает. Увеличенный поток охлаждающей жидкости снижает температуру перед дросселированием и тем самым повышает производительность устройства. Также возможны комбинации управления давлением и температурой.
Практическое применение изобретения для целей охлаждения или использования в тепловых насосах иллюстрируется примерами, в которых приведены результаты испытаний устройства циклического действия со сжатием пара в транскритических условиях согласно воплощению изобретения, показанного на фиг. 1, использующего в качестве хладагента СО2.
Лабораторное экспериментальное устройство использовало в качестве источника тепла воду, т.е. вода охлаждалась за счет теплообмена с кипящей двуокисью углерода в испарителе 4. Вода также использовалась в качестве охлаждающей среды, нагреваемой двуокисью углерода в теплообменнике 16. Экспериментальное устройство включало поршневой компрессор с объемом цилиндра 61 см3 и приемник 5 с общим объемом 4 л. Система также включала противоточный теплообменник 2 и трубопровод для жидкости от приемника к точке 8, как показано на фиг. 1. Дроссельный клапан 3 приводился в действие вручную.
П р и м е р 1 показывает, как осуществляется управление холодопроизводительностью путем изменения положения дроссельного клапана 3, тем самым изменения давления на стороне высокого давления циркуляционного контура. Путем изменения давления на стороне высокого давления управляется удельная энтальпия хладагента на входе испарителя, приводя к модуляции холодопроизводительности при постоянном весовом расходе.
Температура воды на входе испарителя 4 поддерживалась постоянной на уровне 20оС, температура воды на входе теплообменника 16 поддерживалась постоянной на уровне 35оС. Циркуляция воды осуществлялась постоянно как в испарителе 4, так и теплообменнике 16. Компрессор работал с постоянной скоростью. Регулировка положения дроссельного клапана 3 осуществлялась единственной манипуляцией. Холодопроизводительность легко управлялась приведением в действие дроссельного клапана 3.
При стабильных условиях циркулирующий массовый расход СО2 является практически постоянным и не зависит от холодопроизводительности. Температура СО2 на выходе теплообменника 16 также практически постоянна. Изменение производительности устройства явилось результатом изменения только давления на стороне высокого давления. Повышенное давление на стороне высокого давления привело к снижению уровня жидкости в приемнике вследствие переноса части загрузки СО2 на сторону высокого давления циркуляционного контура. Переходный период в течение повышения производительности не сопровождался каким-либо значительным перегревом на выходе испарителя, т.е. имели место только незначительные изменения в температуре СО2 на выходе испарителя.
П р и м е р 2. При более высокой температуре воды на входе теплообменника 16 (например, более высокой окружающей температуре) для поддержания постоянной холодопроизводительности необходимо увеличивать давление на стороне высокого давления. Температура воды на входе испарителя поддерживалась постоянной на уровне 20оС, и компрессор работал с постоянной скоростью.
Холодопроизводительность может поддерживаться практически постоянной при повышении окружающей температуры путем повышения давления на стороне высокого давления. Массовый расход хладагента является практически постоянным. Увеличения давления на стороне высокого давления сопровождались уменьшением содержания жидкости, в приемнике, что отмечено показаниями уровня жидкости.
Реферат
Использование: в холодильной технике, в частности при регулировании давления устройства, работающего по контуру парового компрессионного цикла. Сущность изобретения: сверхкритическое давление после сжатия хладагента регулируют путем изменения мгноовенного его количества на стороне высокого давления контура за счет изменения суммарного количества хладагента, находящегося в ресивере контура, причем увеличение давления достигается изменением суммарного количества хладагента. 4 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
