Способ функционирования парокомпрессионной холодильной машины и холодильная машина для его осуществления - RU2230265C2

Чертежи

Описание

Изобретение предназначено для обеспечения функционирования парокомпрессионной холодильной машины при низких температурах наружного воздуха и может быть использовано в парокомпрессионных холодильных машинах с воздушным охлаждением конденсатора в составе кондиционеров для обитаемого отделения транспортного средства, торгового и технологического оборудования.

Известны парокомпрессионные холодильные машины, например, торгового оборудования, содержащие испаритель, размещенный в охлаждаемом объеме, компрессор с приводом, конденсатор, его вентилятор с приводом и ресивер, расположенные в обитаемом помещении, и связанные с приводом компрессора реле низкого и высокого давления [1, с.73-81, 92-101, 166, 167].

Недостатками таких холодильных машин являются:

повышение уровня шума в помещении от работающих компрессора и вентилятора конденсатора;

повышенная вероятность попадания в помещение хладагента из ресивера и вибрирующих компрессора и конденсатора в случае нарушения их герметичности;

увеличение тепловой нагрузки на систему вентиляции и кондиционирования помещения в теплый период года в связи с выделением холодильной машиной в помещение тепловой энергии, равной сумме холодильной и потребляемой электрической мощностей холодильной машины;

уменьшение холодильной мощности холодильной машины в переходные и холодный периоды года в связи с более высокой температурой воздуха на входе в конденсатор по сравнению с температурой наружного воздуха;

невозможность функционирования холодильной машины при температурах наружного воздуха ниже температуры охлаждаемой испарителем среды, так как в этом случае давление хладагента во всасывающей магистрали компрессора достигает нижнего порога допустимого значения рабочего давления и реле низкого давления отключает холодильную машину.

Отмеченные недостатки, за исключением последнего, отсутствуют в парокомпрессионных холодильных машинах кондиционеров транспортных средств благодаря размещению компрессора с приводом, конденсатора с вентилятором и ресивера за пределами обитаемого отделения.

Такая машина содержит испаритель, размещенный в обитаемом отделении, компрессор с приводом, конденсатор, его вентилятор с приводом и ресивер, расположенные внутри кожуха наружного блока, и связанные с приводом компрессора реле низкого и высокого давления хладагента [2, стр.409-411 (прототип)].

Однако такая машина используется только в теплый период года и также не может функционировать при температурах наружного воздуха ниже нормируемого уровня температуры воздуха в обитаемом отделении (плюс 15-20°С). Это ограничение обусловлено значением температуры кипения хладагента в испарителе, которое ограничивается значениями выше 0°С. В противном случае происходит обледенение испарителя, в связи с чем эффективность работы кондиционера резко снижается. Для предотвращения этого при достижении давлением хладагента во всасывающей магистрали компрессора нижнего порога допустимого значения рабочего давления реле низкого давления отключает холодильную машину.

В связи с высокой энерговооруженностью ряда объектов министерства по чрезвычайным ситуациям (и, соответственно, большими тепловыделениями) температура воздуха в обитаемых отделениях и аппаратных отсеках этих объектов превышает предельно-допустимые значения даже при отрицательных температурах наружного воздуха. Использование наружного воздуха для охлаждения обитаемых отделений и аппаратуры на экологически неблагоприятной местности ограничено возможностями фильтровентиляционной установки этих объектов.

Известных способов и устройств по обеспечению функционирования парокомпрессионной холодильной машины при температурах наружного воздуха ниже нормируемого уровня температуры воздуха в охлаждаемом испарителем объеме в доступных научно-технических и патентных источниках не обнаружено.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является расширение температурного диапазона эксплуатации холодильной машины за счет обеспечения ее функционирования при температурах воздуха на входе в конденсатор ниже температуры охлаждаемой испарителем среды.

Для этого в парокомпрессионной холодильной машине с воздушным охлаждением конденсатора определяют температуру наружного воздуха по давлению хладагента в машине и при достижении нижнего порога допустимого значения рабочего давления временно отключают машину, затем нагревают хладагент до температуры, соответствующей превышению упомянутого порога на не менее 6-12% от диапазона рабочих давлений хладагента, после чего включают компрессор.

После включения компрессора с обдувом конденсатора наружным воздухом в ряде случаев, например при температуре наружного воздуха ниже температуры кипения хладагента в испарителе, холодильная машина работает неустойчиво. Это обусловлено высокой интенсивностью теплоотвода из конденсатора, в связи с чем температура хладагента на выходе из конденсатора и давление хладагента во всасывающей магистрали компрессора резко падают. Это приводит к высокой частоте включения и выключения компрессора и в связи с этим к неустойчивой работе холодильной машины.

Для обеспечения устойчивого функционирования холодильной машины при отрицательных температурах наружного воздуха после включения компрессора хладагент продолжают нагревать за счет выделяемой в машине тепловой энергии до температуры во всасывающей магистрали компрессора, соответствующей превышению упомянутого порога на не более 25% от диапазона рабочих давлений, затем увеличивают интенсивность теплоотвода из машины.

В ряде случаев, например, в холодильных машинах с высокооборотным компрессором (n≥1000 об/мин) после включения компрессора давление хладагента во всасывающей магистрали компрессора резко падает, и скорость его снижения опережает соответствующую скорость нагревания хладагента в испарителе и компрессоре. Это также приводит в некоторых случаях к неустойчивой работе холодильной машины в связи с высокой частотой включения и выключения компрессора.

Для обеспечения устойчивого функционирования холодильных машин с высокооборотным компрессором до увеличения интенсивности теплоотвода из машины обеспечивают обороты компрессора меньше номинального значения.

Для осуществления рассмотренного способа известная парокомпрессионная холодильная машина, например кондиционер для обитаемого отделения транспортного средства, содержащая испаритель, размещенный в обитаемом отделении, компрессор с приводом, конденсатор, его вентилятор с приводом и ресивер, размешенные внутри кожуха наружного блока, и связанные с приводом компрессора реле низкого и высокого давление хладагента, оснащена нагревателем хладагента, связанным с реле низкого давления, и устройством регулирования интенсивности теплоотвода из машины, связанным с приводом вентилятора.

Кроме того, нагреватель хладагента выполнен в виде охватывающего наружную поверхность ресивера электронагревателя, связанного с реле низкого давления через, например, нормально замкнутое электромеханическое реле, обмотка которого включена в электрическую цепь реле низкого давления, а контакты - в цепь электронагревателя.

В качестве нагревателя использован электрический привод вентилятора.

Устройство регулирования интенсивности теплоотвода выполнено в виде поворотных жалюзи с приводом, связанным с реле низкого давления и электроприводом вентилятора, а кожух наружного блока теплоизолирован.

Привод жалюзи выполнен в виде соленоидной катушки с установленным в ней с возможностью продольного перемещения сердечником, связанным кинематически с жалюзи, при этом соленоидная катушка и электропривод вентилятора связаны с реле низкого давления через, например, нормально замкнутое электромеханическое реле, обмотка которого включена в электрическую цепь реле низкого давления, а контакты - в цепь соленоидной катушки и электропривода вентилятора.

Устройство регулирования теплоотвода выполнено в виде по крайней мере одного реле промежуточного давления, связанного с электроприводом вентилятора через, например, нормально замкнутое электромеханическое реле, обмотка которого включена в электрическую цепь реле промежуточного давления, а контакты - в цепь электропривода вентилятора.

Реле промежуточного давления связано с электроприводом компрессора через устройство для регулирования скорости вращения компрессора.

Устройство для регулирования скорости вращения компрессора имеет обмотку возбуждения электродвигателя постоянного тока и соединенное последовательно с ней оммическое сопротивление, которое связано с реле промежуточного давления через, например, нормально замкнутое электромеханическое реле. Контакты этого реле включены в электрическую цепь оммического сопротивления параллельно, а обмотка - в цепь контактов реле промежуточного давления последовательно.

На чертежах схематично изображена предложенная холодильная машина:

на фиг.1 показан пример пневмогидравлической схемы холодильной машины;

на фиг.2 - электрическая схема холодильной машины при выполнении нагревателя в виде электронагревателя ресивера, а устройства регулирования интенсивности теплоотвода - реле промежуточного давления после отключения машины;

на фиг.3 - то же, после включения холодильной машины;

на фиг.4 - электрическая схема холодильной машины при использовании в качестве нагревателя электропривода вентилятора и выполнении устройства для регулирования интенсивности теплоотвода в виде жалюзи с электроприводом после отключения машины;

на фиг.5 - то же, после включения холодильной машины;

на фиг.6 - электрическая схема холодильной машины с регулируемой скоростью вращения вала компрессора.

Парокомпрессионная холодильная машина содержит (фиг.1) испаритель 1 с терморегулирующим вентилем 2, размещенные в обитаемом отделении 3, термореле 4 с датчиком 5 температуры воздуха, установленным в потоке воздуха на входе в испаритель 1, компрессор 6 с электроприводом 7, конденсатор 8, его вентилятор 9 с электроприводом 10 и ресивер 11 с электронагревателем 12, расположенные в теплоизолированном кожухе 13, реле 14 низкого давления, связанное с всасывающей магистралью 15 и реле 16 высокого давления, связанное с нагнетающей магистралью 17 компрессора 6. Машина оснащена устройством регулирования интенсивности теплоотвода в виде жалюзи, включающим связанные между собой поводком 18 поворотные пластины 19, с электроприводом. Электропривод жалюзи представляет собой соленоидную катушку 20 с установленным в ней с возможностью продольного перемещения сердечником 21. Сердечник 21 через кривошип 22, поводок 18 и возвратную пружину 23 с упором 24 кинематически связан с пластинами 19.

Дополнительно или вместо рассмотренного устройства регулирования теплоотвода это устройство может быть выполнено в виде реле 25 промежуточного давления, связанного с нагнетающей магистралью 17 и электроприводом 10 вентилятора 9.

Электропривод 7 компрессора 6 связан с термореле 4 (фиг.2-5) через нормально разомкнутое электромеханическое реле 26, обмотка которого включена в цепь термореле 4, а контакты - в цепь электропривода 7, с реле 14 низкого давления и реле 16 высокого давления - через нормально разомкнутое электромеханическое реле 27, обмотка которого включена в цепь реле 14 и 16, а контакты - в цепь электропривода 7.

Электронагреватель 12 (фиг.2, 3) связан с реле 14 низкого давления через, например, нормально замкнутое электромеханическое реле 28, обмотка которого включена в цепь реле 14, а контакты - в цепь электронагревателя 12.

Электропривод жалюзи связан с реле 14 (фиг.4, 5) через, например, нормально замкнутое электромеханическое реле 28, обмотка которого включена в цепь реле 14, а контакты - в цепь соленоидной катушки 20 и электропривода 10.

Реле 25 промежуточного давления (фиг.2-4) связано с электроприводом 10 через, например, нормально замкнутое электромеханическое реле 29, обмотка которого включена в электрическую цепь контактов реле 25, а контакты реле 29 - в цепь электропривода 10, и с электроприводом 7 (фиг.6) - через, например, нормально замкнутое электромеханическое реле 30. Контакты реле 30 включены параллельно в электрическую цепь оммического сопротивления 31, которое соединено последовательно обмотке 32 возбуждения электропривода 7 постоянного тока. Обмотка реле 30 включена в электрическую цепь контактов реле 25 последовательно.

В качестве обитаемого отделения 3 может быть использован также и любой другой охлаждаемый испарителем 1 объем.

Количество вентиляторов 9 с электроприводом 10 и реле 25 промежуточного давления также может быть и любым другим.

В качестве реле 28, 29 и 30 могут быть использованы также и любые другие.

При включении питания холодильной машины и температуре наружного воздуха, при которой достигается нижний порог допустимого значения рабочего давления хладагента (нижний предел давления, при котором контакты реле низкого давления размыкаются), реле 14 (фиг.2) через реле 27 разрывает цепь питания электроприводов 7 и 10. Питание подается к обмотке реле 28, которое замыкает цепь питания электронагревателя 12, который нагревает хладагент в ресивере 11. При нагревании хладагент испаряется, его пары поступают в конденсатор 8 (фиг.1) и нагнетающую магистраль 17 компрессора 6, конденсируются в них, отдавая тепло, после чего жидкий хладагент возвращается в ресивер 11. Затем цикл повторяется, обеспечивая нагревание хладагента во всем наружном блоке. Размещенный в обитаемом отделении 3 испаритель нагревается нагреваемым в обитаемом отделении воздухом.

При достижении температуры хладагента, соответствующей превышению упомянутого порога давления на не менее 6-12% (верхнему пределу давления, при котором контакты реле 14 замыкаются) от диапазона рабочих давлений хладагента (разности верхнего и нижнего предела давлений, при которых размыкаются контакты реле соответственно 16 и 14), включается питание обмоток реле 27 и 28, контакты реле 27 замыкаются, а реле 28 размыкаются. Питание электроприводов 7 и 10 в связи с этим включается, а питание нагревателя 12 - отключается.

При температуре воздуха в обитаемом отделении 3 ниже нижнего предела нормируемого уровня, например плюс 18°С, контакты термореле 4 и реле 26 разомкнуты, питание электропривода 7 отключено. Хладагент остывает до достижения упомянутого порога давления, контакты реле 14 размыкаются. Затем цикл повторяется и тем самым поддерживается рабочее давление хладагента в диапазоне от нижнего до верхнего предела давлений, при которых соответственно размыкаются и замыкаются контакты реле 14.

При температуре воздуха в обитаемом отделении 3 выше верхнего предела нормируемого уровня, например 24°С, и температуре хладагента после его нагревания, при которой контакты реле 14 (фиг.3) замкнуты, контакты термореле 4, реле 25, 26 и 27 замкнуты, а реле 28 и 29 разомкнуты, питание подается к электроприводу 7, а цепь питания электропривода 10 разомкнута. При этом холодильная машина включается без включения электронагревателя 12 и электропривода 10. Нагревание хладагента продолжается за счет выделяемой холодильной машиной тепловой энергии. При достижении хладагентом температуры, соответствующей промежуточному значению давления между нижним и верхним пределом давлений, при которых размыкаются контакты реле соответственно 14 и 16, но не более чем на 25% выше нижнего предела от указанного диапазона рабочих давлений, контакты реле 25 размыкаются. При этом электрическая цепь обмотки реле 29 разрывается, а его контакты замыкаются, обеспечивая питание электропривода 10. Вентилятор 9 (фиг.1) начинает обдувать конденсатор 8 наружным воздухом, чем увеличивает интенсивность теплоотвода из холодильной установки, и происходит охлаждение хладагента. Затем цикл повторяется.

При использовании в качестве нагревателя электропривода вентилятора, выполнении устройства для регулирования теплоотвода в виде жалюзи с электроприводом и охлаждении хладагента до нижнего предела давления, при котором размыкаются контакты реле 14 (фиг.4), реле 27 разрывает цепь питания электроприводов 7 и 10, а реле 28 включает питание соленоидной катушки 20 и электропривода 10. Сердечник 21 (фиг.1, 4) перемешается влево, через кривошип 22 и поводок 18 поворачивает пластины 19 и закрывает жалюзи. Пружина 23 растягивается, а нагревание хладагента осуществляется за счет тепловой энергии, которая выделяется при работе электропривода 10 в закрытом теплоизолированном кожухе 13.

При нагревании хладагента до верхнего предела давления, при котором замыкаются контакты реле 14, питание соленоидной катушки 20 и электропривода 10 отключается, усилием пружины 23 кривошип 22 поворачивается и поводок 18 перемещается влево, пластины 19 поворачиваются против часовой стрелки, в связи с чем жалюзи открываются. В остальном принцип работы аналогичен рассмотренному.

В холодильной машине с высокоскоростным компрессором (фиг.6) при замкнутых контактах реле 25 контакты реле 30 разомкнуты и питание к обмотке 32 возбуждения электропривода 7 постоянного тока подается через омическое сопротивление 31. Поступающее к обмотке 32 напряжение тока в связи с этим понижается, что обеспечивает уменьшение скорости вращения электропривода 7.

При разомкнутых контактах реле 25 контакты реле 30 замкнуты и питание подается к обмотке 32, минуя оммическое сопротивление 31, в связи с чем скорость вращения электропривода восстанавливается. В остальном принцип работы аналогичен рассмотренному.

Положительный эффект заключается в расширении температурного диапазона эксплуатации холодильной машины с воздушным охлаждением конденсатора за счет обеспечения ее функционирования в переходные и холодный периоды года.

При использовании изобретения в кондиционерах транспортных средств с высокой энерговооруженностью повышается эффективность использования транспортного средства по прямому назначению в переходные и холодный периоды года благодаря повышению работоспособности операторов и аппаратуры, связанному с обеспечением нормируемого уровня параметров микроклимата в обитаемом и аппаратных отсеках транспортного средства.

При использовании изобретения в холодильных машинах торгового и технологического оборудования снижается уровень шума и вероятность попадания хладагента в помещение и уменьшается тепловая нагрузка на систему вентиляции и кондиционирования помещения благодаря размещению компрессора, конденсатора и ресивера вне помещения, а также увеличивается холодильная или уменьшается потребляемая холодильной машиной мощность.

Увеличение холодильной или уменьшение потребляемой мощности обусловлено тем, что в переходные и холодный периоды года температура наружного воздуха ниже температуры воздуха в охлаждаемом объеме. Это позволяет увеличить значение холодильного коэффициента ε холодильной машины, который может быть выражен соотношением:

где Q_x - холодильная мощность, кВт,

N_э - потребляемая электрическая мощность, кВт;

Т_о - температура кипения хладагента, К;

T_k - температура конденсации хладагента, К.

При размещении конденсатора и компрессора снаружи помещения, постоянном значении Т_о и снижении температуры наружного воздуха на входе в конденсатор значения T_k и (T_k-T_о) уменьшаются, а значение ε увеличивается. В этом случае при неизменном значении N_э увеличивается значение Q_x или при заданном значении Q_x уменьшается значение N_э пропорционально изменению значения ε.

Источники информации

1. И.Х. Зеликовский, Л.Г. Каплан. Справочник по малым холодильным машинам и установкам. М.: Пищевая промышленность. 1968 г.

2. Холодильная техника. Энциклопедический справочник. Книга 2. Применение холода в промышленности и на транспорте. Госторгиздат, 1961 г.

Реферат

Изобретение предназначено для обеспечения функционирования парокомпрессионной холодильной машины при низких температурах наружного воздуха и может быть использовано в холодильных машинах с воздушным охлаждением конденсатора в составе кондиционеров для обитаемого отделения транспортного средства, торгового и технологического оборудования. Для использования холодильной машины при низкой температуре воздуха на входе в конденсатор определяют температуру наружного воздуха по давлению хладагента в машине и при достижении нижнего порога допустимого значения рабочего давления временно отключают машину, затем нагревают хладагент до температуры, соответствующей повышению упомянутого порога на не менее 6-12% от диапазона рабочих давлений хладагента, после чего включают компрессор. Нагрев хладагента производят посредством нагревателя, связанного с реле низкого давления. Устройство регулирования интенсивности теплоотвода из машины связано с приводом вентилятора. Использование изобретения позволит расширить температурный диапазон эксплуатации холодильной машины за счет обеспечения ее функционирования при температуре воздуха на входе в конденсатор ниже температуры охлаждаемой испарителем среды. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула