Схема охлаждения с приемником жидкости/пара
Изобретение относится к холодильной технике. Схема охлаждения предназначена для циркуляции хладагента в предварительно определенном направлении потока и содержит в направлении потока первое устройство компрессора, теплоотводящий теплообменник, первое расширительное устройство, приемник, первый испаритель и дополнительный проход потока между верхней частью приемника и впускной стороной компрессора. Сторона давления компрессора находится в сообщении по потоку с входом теплоотводящего теплообменника. Схема охлаждения содержит, по меньшей мере, один элемент из группы, состоящей из следующих элементов (а) и (b): (а) второй теплообменник, расположенный в верхней части приемника, (b) дополнительный проход потока содержит третье расширительное устройство, и ниже по потоку третий теплообменник, расположенный в нижней части приемника. Верхняя часть приемника находится в сообщении по потоку с первым расширительным устройством. Второе расширительное устройство находится в сообщении по потоку с нижней частью приемника. Вход второго теплообменника находится в сообщении по потоку с выходом теплоотводящего теплообменника. Выход второго теплообменника находится в сообщении по потоку с входом первого расширительного устройства. Техническим результатом является разделение жидкости и паров и переохлаждение жидкого хладагента. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к схеме охлаждения, содержащей первое устройство компрессора, теплоотводящий теплообменник, первое расширительное устройство, приемник, имеющий верхнюю часть и нижнюю часть, второе расширительное устройство и первый испаритель. Схема охлаждения дополнительно содержит проход потока между верхней частью приемника и компрессором, сторона давления которого находится в сообщении по потоку с входом теплоотводящего теплообменника.
Предпочтительным типом схемы охлаждения является тип, предназначенный для CO2 в качестве хладагента, но схема охлаждения не ограничена им.
Схема охлаждения является типом двухэтапного расширения, в котором хладагент сначала расширяется на первом этапе расширения. Первый этап расширения обеспечивает охлаждение до полного испарения хладагента в приемнике. Кроме того, секция схемы охлаждения, проходящая из приемника в устройство компрессора, по существу, находится на более низком уровне давления, чем остальная секция схемы охлаждения, проходящая из устройства компрессора в первое расширительное устройство.
Задачей изобретения является обеспечение схемы охлаждения с усовершенствованным приемником.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение схемы охлаждения с приемником, выводящим из своей верхней части газ мгновенного испарения, по существу, не содержащий капель жидкости.
Еще дополнительной задачей изобретения является обеспечение схемы охлаждения с приемником, выводящим переохлажденный жидкий хладагент.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения обеспечена схема охлаждения, предназначенная для циркуляции хладагента в предварительно определенном направлении потока, содержащая в направлении потока первое устройство компрессора, теплоотводящий теплообменник, первое расширительное устройство, приемник, имеющий внутри верхнюю часть, находящуюся в сообщении по потоку с первым расширительным устройством, и нижнюю часть, причем второе расширительное устройство находится в сообщении по потоку с нижней частью приемника, и первый испаритель; и содержащая дополнительный проход потока между верхней частью приемника и впускной стороной компрессора, сторона давления которого находится в сообщении по потоку с входом теплоотводящего теплообменника; причем, по меньшей мере, один элемент из группы, состоящей из следующих элементов (а) и (b) включает: (а) второй теплообменник, расположенный в верхней части приемника, причем вход второго теплообменника находится в сообщении по потоку с выходом теплоотводящего теплообменника, а выход второго теплообменника находится в сообщении по потоку с входом первого расширительного устройства, (b) дополнительный проход потока, содержащий третье расширительное устройство, а ниже по потоку, третий теплообменник, расположенный в нижней части приемника.
Второй теплообменник, расположенный в верхней части приемника, обменивает тепло на пар, содержащийся в верхней части приемника. Любые капли жидкости, которые могут присутствовать в верхней части приемника, будут испаряться и увлекаться в дополнительный проход для потока.
Третье расширительное устройство и третий теплообменник, расположенные в нижней части приемника, обеспечивают переохлаждение жидкости в нижней части приемника. Такой переохлажденный жидкий хладагент обеспечивает в результате более эффективное охлаждение с помощью первого испарителя и уменьшает образование паров хладагента в секции схемы, проходящей из приемника во второе расширительное устройство.
Вообще усовершенствованный приемник обеспечивает более полное разделение на газообразную фазу хладагента, по существу, не имеющую содержания капель жидкости, и жидкую фазу, которая переохлаждается и имеет меньшую тенденцию к образованию пара.
Первое устройство компрессора может быть одним компрессором или параллельной группой нескольких компрессоров. Типом устройства компрессора может быть тип, содержащий устройство управления его работой, например, посредством управления его скоростью вращения в зависимости от достигаемого уровня давления сжатого газообразного хладагента.
Компрессор, связанный с дополнительным проходом потока, начинающимся от верхней части приемника, может быть дополнительным компрессором. Впускная сторона такого дополнительного компрессора может находиться на более высоком уровне давления, чем впускная сторона первого устройства компрессора, или может находиться, по существу, на том же самом уровне давления, что и первое устройство компрессора. Можно объединить компрессор, который связан с дополнительным проходом потока, с первым устройством компрессора либо с помощью использования одного и того же компрессора, предназначенного для сжатия газообразного хладагента, поступающего из второго расширительного устройства, а также газообразного хладагента, поступающего из верхней части приемника, либо с помощью объединения дополнительного компрессора, который связан с дополнительным проходом потока, в параллельную группу компрессоров, образующих первое устройство компрессора.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения схема охлаждения дополнительно содержит схему ответвления, ответвляющуюся из местоположения, расположенного в секции упомянутой схемы, причем эта секция проходит из нижней части приемника к входу второго расширительного устройства; причем схема ответвления содержит в направлении потока четвертое расширительное устройство, второй испаритель и второе устройство компрессора; и схема ответвления вниз по потоку находится в сообщении по потоку с впускной стороной первого устройства компрессора.
В таком варианте осуществления схема ответвления обеспечивает низкотемпературное охлаждение, например, для целей глубокого охлаждения. По сравнению с таким низкотемпературным охлаждением второе расширительное устройство и первый испаритель обеспечивают среднетемпературное охлаждение, например, для хранения продуктов и напитков на уровне температуры от 0 до 10°С.
Схема охлаждения может содержать одно или несколько вторых расширительных устройств/первых испарителей, расположенных параллельно, и одно или несколько четвертых расширительных устройств/вторых испарителей, расположенных параллельно, если имеются.
Хладагент схемы охлаждения может быть однокомпонентным хладагентом или многокомпонентным хладагентом.
В описании была сделана ссылка на различные расширительные устройства. Следует подчеркнуть, что могут быть обеспечены расширительные устройства различных видов и конструкций. Достаточно общепринятым видом расширительного устройства является расширительный клапан. Расширительное устройство может быть дросселирующим устройством или дроссельным клапаном. Расширительное устройство в зависимости от его местоположения, уровня температуры и уровня давления может служить для расширения жидкого хладагента до газообразного хладагента или может расширять газообразный хладагент от более высокого уровня давления до более низкого уровня давления.
Это изобретение дополнительно относится к устройству охлаждения, содержащему схему охлаждения, как раскрыто в настоящей заявке.
Устройство охлаждения согласно изобретению может быть в виде теплового насоса. Технические элементы устройства охлаждения и тепловых насосов являются одними и теми же. Что касается устройств охлаждения, охлаждение является первичной целью, а связанная генерация тепла обычно является побочным эффектом. Что касается тепловых насосов, генерирование тепла является желаемой целью, в то время как связанный эффект охлаждения испарителя (испарителей) обычно считают менее полезным побочным эффектом. Это изобретение также раскрывает тепловой насос, имеющий схему, как раскрыто в настоящей заявке. Такая схема может быть названа схемой охлаждения, так как она содержит хладагент, подвергающийся конденсации и испарению. Иногда используется понятие "рабочая жидкость", вместо того, чтобы использовать понятие "хладагент", при описании теплового насоса.
Схема охлаждения, содержащая СО2 в качестве хладагента, может быть схемой, управляемой в сверхкритическом цикле, или может быть схемой, управляемой почти в критическом цикле, или может быть схемой, действующей в сверхкритическом цикле или почти в критическом цикле, в зависимости от параметров, таких как окружающая температура и уровень давления после устройства компрессора. В типичных приложениях, таких как продукты, чувствительные к температуре охлаждения, глубокое охлаждение, охлаждение зданий, схема охлаждения не достигает почти критического уровня температуры в теплоотводящем теплообменнике, по меньшей мере, в летнее время года; схемой управляют в сверхкритическом цикле. В такой ситуации теплоотводящий теплообменник работает как охладитель газа и испаритель.
Основными функциями приемника являются постоянное поддержание имеющегося достаточного количества жидкого хладагента и обеспечение разделения между жидким хладагентом и газообразным хладагентом (паром). В случае сверхкритического цикла испарение хладагента посредством охлаждения мгновенным испарением, обеспеченного с помощью первого расширительного устройства, является дополнительной функцией.
Устройство охлаждения/тепловой насос согласно изобретению имеет несколько предпочтительных областей приложения. Наиболее важными являются охлаждение продуктов и напитков в магазинах, ресторанах или других местах хранения; охлаждение других чувствительных к температуре продуктов, таких как фармацевтические; глубокое охлаждение; охлаждение зданий любого вида; охлаждение автомобилей и любых других типов транспортных средств в широком смысле, таких как самолеты, корабли, железнодорожные вагоны и т.д.
Данное изобретение дополнительно относится к способу охлаждения. В варианте осуществления изобретения способ охлаждения содержит, по меньшей мере, один этап из группы этапов, на которых (i) управляют источником тепла в верхней части приемника, (ii) управляют приемником тепла в нижней части приемника.
В дальнейшем будет описан примерный вариант осуществления изобретения. Признаки такого варианта осуществления являются предпочтительными признаками схемы охлаждения этого изобретения:
На фиг.1 изображена схема охлаждения, предназначенная для пояснения основной конфигурации такой схемы;
На фиг.2 изображен приемник/сепаратор в увеличенном масштабе, который может быть включен в схему охлаждения на фиг.1.
Полная схема охлаждения, изображенная на фиг.1, содержит первую основную схему, второй дополнительный проток потока и третью схему ответвления, и некоторые дополнительные элементы.
Основная схема, начиная с устройства 6 компрессора и продолжая в направлении потока хладагента CO2, содержит следующие элементы:
устройство 6 или 6 и 6' компрессора;
трубопровод 7;
теплоотводящий теплообменник 1 (охладитель газа и/или испаритель);
трубопровод 2;
первый расширительный клапан а;
приемник 3;
трубопровод 4;
два параллельных вторых расширительных клапана «b» и «с»;
два параллельных испарителя Е2 и Е3;
обратный трубопровод 5 в устройство 6 компрессора.
Устройство 6 компрессора содержит три параллельных компрессора и дополнительный компрессор 6', описанный более подробно ниже. Впускные стороны трех компрессоров снабжаются с помощью общей впускной стороны. Обычно устройство 6 компрессора обеспечивает сжатие газообразного СО2 до давления в диапазоне от 50 до 120 бар, при этом температура газообразного сжатого CO2 увеличивается приблизительно до 50-150°С. При почти критической работе давление сжатого газообразного CO2 обычно находится в диапазоне от 40 до 70 бар.
Теплоотводящий теплообменник обеспечивает удаление тепла из СО2. При почти критической работе CO2 обычно охлаждается до 10-30°С и испаряется в теплоотводящем теплообменнике 1; в этом случае теплообменник 1 работает как объединенный охладитель газа и испаритель. При сверхкритической работе CO2 обычно охлаждается до температуры от 25 до 45°С без испарения существенной части СО2 в теплоотводящем теплообменнике, в этом случае он работает как охладитель газа. Для того чтобы удалить тепло из CO2, теплообменник 1 охлаждается с помощью газа или охлаждается с помощью жидкости (воды).
Пар или смесь жидкости/пара жидкого СО2 при почти критической работе расширяется с помощью расширительного клапана «а», размещенного перед приемником 3, таким образом обеспечивают мгновенное выделение газа в верхней части приемника 3. Обычно уровень давления внутри приемника 3 равен от 30 до 40 бар. Нижняя часть приемника содержит жидкий CO2. Приемник 3 также действует в качестве сепаратора жидкого CO2 и паров CO2.
С помощью расширительных клапанов «b» и «с» жидкий СО2 обычно расширяется до температуры от минус 15 до 0°С, получая в результате уровень давления обычно от 20 до 35 бар. Испарители Е2 и Е3 после расширительных клапанов «b» и «с» служат для того, чтобы обеспечить возможность полного испарения СО2 и обеспечить большие поверхности охлаждения, из которых происходит подходящее охлаждение, обычно с помощью перемещения воздуха с помощью принципа "холодный воздух тяжелее, чем теплый воздух" или с помощью принудительной вентиляции.
Устройство 6 компрессора и приемник 3 обычно установлены на общей металлической раме, также поддерживающей управляющее оборудование устройства охлаждения. (Первый) теплообменник 1, который является теплоотводящим теплообменником, обычно расположен на некотором расстоянии от устройства 6 компрессора и приемника 3, и расширительного клапана «а», например, снаружи здания, где он может быть лучше всего охлажден. Необходимо отметить, что только часть основной схемы, проходящая от стороны давления устройства 6 компрессора до выходной стороны расширительного клапана «а», находится на высоком уровне давления, обычно от 50 до 120 бар. Остальная часть основной схемы, проходящая от выходной стороны расширительного клапана «а» до впускной стороны устройства 6 компрессора, по существу, находится на более низких уровнях давления в два раза, а именно, обычно от 30 до 40 бар перед расширительными клапанами «b» и «с», и обычно от 25 до 30 бар перед устройством 6 компрессора. В результате вторая часть основной схемы может быть выполнена для таких более низких уровней давления, т.е. с помощью использования труб, имеющих более тонкие стенки, с помощью использования менее сложных соединений, в которых проходит CO2, и с помощью использования испарителей, приспособленных к относительно низкому уровню давления.
Имеется дополнительный проход потока, начинающийся на выходной стороне верхней части (части пара) приемника 3 с трубопроводом 12 и содержащий расширительный клапан «е» или дроссельный клапан, и проходящий к входной стороне устройства 6 компрессора через трубопровод 11. Расширительный клапан «е» служит для того, чтобы уменьшать давление газообразного CO2 до уровня, существующего на впускной стороне устройства 6 компрессора.
В качестве альтернативы можно обойтись без расширительного клапана «е» и иметь только трубопровод от верхней части приемника 3 до дополнительного компрессора 6'. Приемная сторона такого дополнительного компрессора 6' находится на более высоком уровне давления, чем впускная сторона устройства 6 компрессора. Стороны давления всех компрессоров 6 и 6' имеют одинаковый уровень давления. Вместо того чтобы обеспечивать дополнительный компрессор 6' можно подавать от линии 15 в один или несколько компрессоров устройства 6 компрессора, но на этапе после первого этапа сжатия, так что газ мгновенного испарения подают в устройство 6 компрессора на правильном уровне давления компрессоров.
Кроме того, на фиг.1 изображена схема ответвления, содержащая следующие элементы: трубопровод 8 ответвляется от трубопровода 4 вверх по потоку от расширительных клапанов «b» и «с»; (четвертый) расширительный клапан «d»; второй испаритель Е4; трубопровод 9; второе устройство 10 компрессора и трубопровод 11, обеспечивающий соединение потока жидкости с впускной стороной первого устройства 6 компрессора. Расширительный клапан «d» и второй испаритель Е4 обеспечивают расширение жидкого CO2 до более низкого уровня давления, чем существующий на впускной стороне устройства 6 компрессора. Уровень температуры, достигаемый в испарителе Е4 ниже, чем уровень температуры, достигаемый в испарителях Е2 и Е3, таким образом обеспечивают средство, предназначенное для глубокого охлаждения и хранения при температуре глубокого охлаждения. Обычными величинами являются от 7 до 15 бар и от минус 50 до минус 25°С в испарителе Е4.
На фиг.1 изображен трубопровод 13, ответвляющийся от трубопровода 2 (который проходит от первого теплообменника 1 до первого расширительного клапана «а») до теплообменника Е1, причем расширительный клапан «f» обеспечен в таком трубопроводе 13. Трубопровод 14 проходит от теплообменника Е1 до впускной стороны дополнительного компрессора 6. Теплообменник Е1 обменивается теплом с СO2, проходящим через трубопровод 2. Так как расширительный клапан «f» обеспечивает холодный газообразный СО2, CO2, проходящий через трубопровод 2, является охлажденным, таким образом, либо помогают испарению СО2, либо переохлаждению жидкого CO2.
На фиг.2 изображен схематически вид в разрезе приемника 3 в увеличенном масштабе, по сравнению с фиг.1. Приемник 3 имеет внутри верхнюю часть 3а и нижнюю часть 3b. Некоторое количество жидкого СО2 содержится в приемнике 3, проходящем внутри приемника 3, до уровня 22. В зависимости от рабочих условий схемы охлаждения уровень 22 может быть выше или ниже, чем изображен на фиг.2.
Трубопровод 2 (обеспечивающий соединение потока жидкости между выходом теплообменника 1 и расширительным клапаном «а», сравни фиг.1) проходит в приемник 3 и соединен со вторым теплообменником 24, расположенным в верхней части 3а приемника 3. Имеется дополнительный трубопровод 26, проходящий снаружи приемника 3 и соединяющий конец вниз по потоку второго теплообменника 24 с внутренней частью верхней части 3а приемника 3, причем расширительный клапан 28 обеспечен в таком трубопроводе 26. Расширительный клапан 28 создает газ мгновенного испарения в верхней части 3а, который в результате находится на более низком уровне температуры, чем СО2, проходящий через второй теплообменник 24. Любые капли жидкого СО2, которые могут присутствовать в верхней части 3а, испаряются. Это минимизирует возможность эрозии расширительного клапана 34, описанного в следующем параграфе.
Расширительный клапан 28 имеет ту же самую функцию, что и расширительный клапан «а», изображенный на фиг.1. Отличие заключается в том, что трубопровод 2 не проходит непосредственно в расширительный клапан 28, а имеется второй теплообменник 24 вверх по потоку расширительного клапана 28. Посредством второго теплообменника 24 газообразный СО2, существующий в верхней части 3а, содержит меньше испаренного СО2, чем без обеспечения второго теплообменника 24.
Имеется дополнительный трубопровод 30, проходящий снаружи приемника из верхней части 3а в третий теплообменник 32, расположенный в нижней части 3b приемника 3, причем расширительный клапан 34 обеспечен в таком трубопроводе 30. Конец вниз по потоку третьего теплообменника 32 соединен с помощью трубопровода 36 с впускной стороной устройства 6 компрессора. Иначе говоря, расширительный клапан 34 заменяет расширительный клапан «е», изображенный на фиг.1, при этом дополнительно обеспечен третий теплообменник 32.
При прохождении через расширительный клапан 34 СО2 становится холоднее, и третий теплообменник 32 обеспечивает переохлаждение жидкого СО2, накопленного в нижней части 3b приемника 3. Жидкий переохлажденный СО2 выходит из нижней части 3b через трубопровод 4, как изображено на фиг.1.
Газообразный CO2, проходящий через третий теплообменник 32, получает определенный перегрев, что уменьшает риск увлечения жидкого СО2 в устройстве 6 компрессора.
1. Схема охлаждения, предназначенная для циркуляции хладагента в предварительно определенном направлении потока, содержащая в направлении потока первое устройство компрессора, теплоотводящий теплообменник, первое расширительное устройство, приемник, имеющий внутри верхнюю часть, находящуюся в сообщении по потоку с первым расширительным устройством, и нижнюю часть, причем второе расширительное устройство находится в сообщении по потоку с нижней частью приемника, и первый испаритель,
и дополнительный проход потока между верхней частью приемника и впускной стороной компрессора, сторона давления которого находится в сообщении по потоку с входом теплоотводящего теплообменника, причем схема охлаждения содержит, по меньшей мере, один элемент из группы, состоящей из следующих элементов (а) и (b):
(a) второй теплообменник, расположенный в верхней части приемника, причем вход второго теплообменника находится в сообщении по потоку с выходом теплоотводящего теплообменника, а выход второго теплообменника находится в сообщении по потоку с входом первого расширительного устройства,
(b) дополнительный проход потока содержит третье расширительное устройство, и ниже по потоку третий теплообменник, расположенный в нижней части приемника.
2. Схема охлаждения по п.1, в которой компрессор, соединенный с дополнительным проходом потока, является частью первого устройства компрессора.
3. Схема охлаждения по п.1 или 2, в которой упомянутым хладагентом является CO2.
4. Схема охлаждения по п.1 или 2, в которой первое устройство компрессора содержит параллельную группу нескольких компрессоров.
5. Схема охлаждения по п.3, в которой первое устройство компрессора содержит параллельную группу нескольких компрессоров.
6. Схема охлаждения по п.1 или 2, дополнительно содержащая схему ответвления, ответвляющуюся из местоположения, расположенного в секции схемы охлаждения, причем эта секция проходит из нижней части приемника к входу второго расширительного устройства, причем схема ответвления содержит в направлении потока четвертое расширительное устройство, второй испаритель и второе устройство компрессора, и схема ответвления вниз по потоку находится в сообщении по потоку с впускной стороной первого устройства компрессора.
7. Схема охлаждения по п.3, дополнительно содержащая схему ответвления, ответвляющуюся из местоположения, расположенного в секции схемы охлаждения, причем эта секция проходит из нижней части приемника к входу второго расширительного устройства, причем схема ответвления содержит в направлении потока четвертое расширительное устройство, второй испаритель и второе устройство компрессора, и схема ответвления вниз по потоку находится в сообщении по потоку с впускной стороной первого устройства компрессора.
8. Схема охлаждения по п.4, дополнительно содержащая схему ответвления, ответвляющуюся из местоположения, расположенного в секции схемы охлаждения, причем эта секция проходит из нижней части приемника к входу второго расширительного устройства, причем схема ответвления содержит в направлении потока четвертое расширительное устройство, второй испаритель и второе устройство компрессора, и схема ответвления вниз по потоку находится в сообщении по потоку с впускной стороной первого устройства компрессора.
9. Схема охлаждения по п.5, дополнительно содержащая схему ответвления, ответвляющуюся из местоположения, расположенного в секции схемы охлаждения, причем эта секция проходит из нижней части приемника к входу второго расширительного устройства, причем схема ответвления содержит в направлении потока четвертое расширительное устройство, второй испаритель и второе устройство компрессора, и схема ответвления вниз по потоку находится в сообщении по потоку с впускной стороной первого устройства компрессора.
10. Схема охлаждения по п.1 или 2, в которой обеспечены несколько параллельных первых испарителей.
11. Схема охлаждения по п.3, в которой обеспечены несколько параллельных первых испарителей.
12. Схема охлаждения по п.4, в которой обеспечены несколько параллельных первых испарителей.
13. Схема охлаждения по п.5, в которой обеспечены несколько параллельных первых испарителей.
14. Схема охлаждения по п.6, в которой обеспечены несколько параллельных первых испарителей.
15. Схема охлаждения по п.7, в которой обеспечены несколько параллельных первых испарителей.
16. Схема охлаждения по п.8, в которой обеспечены несколько параллельных первых испарителей.
17. Схема охлаждения по п.9, в которой обеспечены несколько параллельных первых испарителей.
18. Устройство охлаждения, содержащее схему охлаждения, как определено в любом из пп.1-17.
19. Способ охлаждения, включающий этапы, на которых:
(a) обеспечивают циркуляцию хладагента в схеме охлаждения, содержащей в направлении потока первое устройство компрессора, теплоотводящий теплообменник, первое расширительное устройство, приемник, имеющий внутри верхнюю часть для пара, находящуюся в сообщении по потоку с первым расширительным устройством, и нижнюю часть для жидкости, второе расширительное устройство, находящееся в сообщении по потоку с нижней частью для жидкости приемника, и первый испаритель,
(b) обеспечивают в схеме охлаждения дополнительный проход потока между верхней частью для пара приемника и впускной стороной компрессора, сторона давления которого находится в сообщении по текучей среде с входом теплоотводящего теплообменника, причем способ охлаждения включает, по меньшей мере, один этап из группы этапов, на которых:
(i) управляют источником тепла в верхней части для пара приемника, при этом источник тепла включен в схему охлаждения выше по потоку первого расширительного устройства,
(ii) управляют приемником тепла в нижней части для жидкости приемника, причем приемник тепла включен в дополнительный проход потока, имеющий третье расширительное устройство выше по потоку приемника тепла.
20. Способ охлаждения по п.19, в котором хладагентом является CO2.
