удаление мгновенно выделяющегося газа из сборника в системе охлаждения

Формула изобретения

1. Система охлаждения для циркуляции сверхкритического хладагента по замкнутому контуру в заранее определенном направлении, содержащая по направлению потока теплоотводящий теплообменник (4), промежуточное расширительное устройство (6), сборник (8), расширительное устройство (10) испарителя, испаритель (14), компрессор (20) и трубопровод (26) для отвода мгновенно выделяющегося газа, соединяющий сборник (8) с компрессором (20), причем компрессор (20) выполнен с возможностью переключения между уровнем промежуточного давления, на котором подается мгновенно выделяющийся газ, и уровнем низкого давления, на котором подается хладагент, покидающий испаритель (14).

2. Система охлаждения по п.1, в которой трубопровод (26) для отвода мгновенно выделяющегося газа связан посредством теплообмена с нагнетательным трубопроводом (24), соединяющим компрессор (20, 22) с теплоотводящим теплообменником (4) для перегревания мгновенно выделяющегося газа до подачи в компрессор (20; 22).

3. Система охлаждения по п.1, в которой компрессор (20) является такого типа компрессором, который обеспечивает регулировку выходной мощности, и при этом система охлаждения содержит регулятор (28), регулирующий производительность компрессора (20) в соответствии с количеством мгновенно выделяющегося газа.

4. Система охлаждения по п.1 или 2, дополнительно содержащая датчик (30) давления сборника.

5. Система охлаждения по п.4, в которой теплоотводящий теплообменник является газоохладителем (4).

6. Система охлаждения по п.1, в которой компрессор (20) является одним из множества компрессоров (20, 22) в компрессорном агрегате (18).

7. Система охлаждения по п.2, в которой трубопровод (26) для отвода мгновенно выделяющегося газа содержит клапан (36) мгновенно выделяющегося газа.

8. Система охлаждения по п.1, дополнительно содержащая впускной газовый клапан (38) во всасывающем трубопроводе (40) компрессора (20).

9. Система охлаждения по п.8, в которой запорные клапаны (36, 38) выполнены с возможностью попеременного включения для подсоединения к компрессору (20) или трубопровода (26) для отвода мгновенно выделяющегося газа, или всасывающего трубопровода (40), таким образом, обеспечивая возможность переключения между зимним режимом и летним режимом.

10. Система охлаждения по п.1, дополнительно содержащая ответвление (44) трубопровода для отвода мгновенно выделяющегося газа, отходящее от трубопровода (26) для отвода мгновенно выделяющегося газа и содержащее выпускной клапан (46) мгновенно выделяющегося газа и соединяющееся с всасывающим трубопроводом (16).

11. Система охлаждения по п.1, дополнительно содержащая резервный контур (48) охлаждения, содержащий вспомогательный теплоотводящий теплообменник (50), расширительное устройство (52), испаритель (54) и компрессор (56) для охлаждения хладагента в сборнике (8) в режиме дублирования.

12. Система охлаждения по п.1, дополнительно содержащая контур (58) самоохлаждения хладагента, содержащий расширительное устройство (64), теплообменник (60) для самоохлаждения, отводной трубопровод (62) для самоохлаждения, проходящий через расширительное устройство (64), через теплообменник (60) для самоохлаждения и во всасывающий трубопровод, проходящий в компрессор (20).

13. Холодильная установка, содержащая систему (2) охлаждения в соответствии с любым из пп.1-12.

14. Способ управления системой охлаждения для циркуляции по замкнутому контуру сверхкритического хладагента в заранее определенном направлении, содержащей по направлению потока теплоотводящий теплообменник (4), промежуточное расширительное устройство (6), сборник (8), расширительное устройство (10) испарителя, испаритель (14), компрессор (20), содержащий следующие этапы:

а) отведение мгновенно выделяющегося газа из сборника (8), и b) подачу отведенного мгновенно выделяющегося газа в компрессор (20).

15. Способ по п.14, дополнительно содержащий этап с) регулирования выходной мощности компрессора (20) в соответствии с количеством мгновенно выделяющегося газа.

16. Способ по п.14 или 15, дополнительно содержащий этап измерения давления в сборнике.

17. Способ по п.14, дополнительно содержащий этап перегревания мгновенно выделяющегося газа до этапа b).

18. Способ по п.14, дополнительно содержащий осуществление этапов (а) и (b) до этапа d) принятия решения на основе условий эксплуатации системы охлаждения относительно того, следует ли выполнять этапы (а) и (b).

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к системе охлаждения для циркуляции хладагента по замкнутому контуру в заранее определенном направлении, содержащей теплоотводящий теплообменник, промежуточное расширительное устройство или дроссельный клапан, испаритель, компрессор и соединенный со сборником трубопровод для отвода мгновенно выделяющегося газа, а также к способу отвода мгновенно выделяющегося газа из сборника в такой схеме охлаждения.

Системы охлаждения являются известными и особенно подходящими для сверхкритических хладагентов, таких как диоксид углерода CO₂. Промежуточный дроссельный клапан обеспечивает возможность снижения давления от уровня, на котором осуществляется отвод тепла, до уровня, подходящего для распределения охлаждающей жидкости в дроссельный клапан испарителя, и, в частности, обеспечивает переход хладагента из сверхкритического состояния в нормальное его состояние. Промежуточный дроссельный клапан, однако, приводит к образованию мгновенно образующегося газа в сборнике, который следует удалять. Типично, трубопровод для отвода мгновенно выделяющегося газа соединен со сборником и содержит регулируемый давлением клапан для выпуска мгновенно выделяющегося газа, например, во всасывающий трубопровод и, в конечном счете, в компрессор. Потери, связанные с этой технологией по удалению мгновенно выделяющегося газа из сборника, являются относительно высокими.

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить систему охлаждения и способ приведения в действие системы охлаждения типа, как описано выше, где потери мгновенно выделяющегося газа существенно сокращены.

В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения эта задача решается посредством трубопровода для отвода мгновенно выделяющегося газа, соединенного с компрессором, так что мгновенно выделяющийся газ, отведенный из сборника, подается в компрессор.

В то время как традиционная технология подачи мгновенно выделяющегося газа из сборника к всасываемому газу приводит к существенному снижению давления мгновенно выделяющегося газа от уровня относительно высокого давления в сборнике к уровню относительно низкого давления во всасывающем трубопроводе и в результате этого к потерям, настоящее изобретение обеспечивает подвод мгновенно выделяющегося газа непосредственно в компрессор по существу на том же уровне давления, на котором мгновенно выделяющийся газ отводится из сборника. Компрессор является или отдельным компрессором, который только обеспечивает сжатие мгновенно выделяющегося газа с соответствующим промежуточным давлением для поднятия его до высокого давления хладагента, проходящего к теплоотводящему теплообменнику, или является компрессором, который обеспечивает подачу мгновенно выделяющегося газа на уровне промежуточного давления между уровнем низкого давления всасываемого газа и уровнем высокого давления, так что компрессор может переключаться между уровнями промежуточного и низкого давления на его входе. Альтернативно, компрессор может быть такого типа, который обеспечивает возможность ввода на уровне промежуточного и низкого давления одновременно.

Согласно одному варианту осуществления изобретения система охлаждения для циркуляции сверхкритического хладагента по замкнутому контуру в заранее определенном направлении, содержащая по направлению потока теплоотводящий теплообменник, промежуточное расширительное устройство, сборник, расширительное устройство испарителя, испаритель, компрессор и трубопровод для отвода мгновенно выделяющегося газа, соединяющий сборник с компрессором, причем компрессор выполнен с возможностью переключения между уровнем промежуточного давления, на котором подается мгновенно выделяющийся газ, и уровнем низкого давления, на котором подается хладагент, покидающий испаритель.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения компрессор может быть такого типа, который обеспечивает регулирование выходной мощности, т.е. регулирование уровня производительности компрессора, например, путем регулирования его частоты вращения и т.д. Система охлаждения может дополнительно содержать регулятор для регулирования производительности компрессора в соответствии с количеством мгновенно выделяющегося газа в сборнике и/или газа, произведенного в промежуточном дроссельном клапане. Компрессор может работать очень эффективно, если его выходная мощность или уровень производительности регулируется так, чтобы поддерживать его энергопотребление по возможности низким.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения система охлаждения дополнительно может включать датчик давления сборника, который может быть расположен в сборнике. Такой датчик давления сборника может быть соединен с регулятором или соответствующие данные о давлении в сборнике могут использоваться для определения количества мгновенно выделяющегося газа и выходной мощности компрессора соответственно. Регулирование выходной мощности может также осуществляться на основе любой иной информации, такой как другие параметры измерения, или на основе расчета количества мгновенно выделяющегося газа, принимая во внимание технические характеристики системы охлаждения, хладагента, дроссельных клапанов, компрессора и т.д. и/или условия эксплуатации. Также возможно обеспечить установку технических средств, таких как клапан для мгновенно выделяющегося газа и т.д., для блокирования потока мгновенно выделяющегося газа из сборника в компрессор или, например, в случае низкого давления в сборнике, низкой выработки мгновенно выделяющегося газа и т.д.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения трубопровод для отвода мгновенно выделяющегося газа может быть связан посредством теплообмена с нагнетательным трубопроводом, соединяющим компрессор с теплоотводящим теплообменником. Такая конструкция обеспечивает возможность для перегревания мгновенно выделяющегося газа до поступления в компрессор. Таким образом, присутствие любого жидкого хладагента в мгновенно выделяющемся газе может быть исключено или, по меньшей мере, значительно снижено.

В соответствии с еще другим вариантом осуществления настоящего изобретения теплоотводящий теплообменник является газоохладителем. Это особенно справедливо, если используется такой сверхкритический хладагент, как CO ₂. В других вариантах осуществления теплоотводящий теплообменник также может быть конденсатором.

В соответствии с еще другим вариантом осуществления настоящего изобретения компрессор может быть одним компрессором из множества компрессоров, которые могут быть установлены в компрессорном агрегате. В зависимости от требуемой мощности компрессорного агрегата все или только некоторое количество отдельных компрессоров могут работать в пределах от уровня низкого и/или промежуточного давления до уровня высокого давления в определенное время.

В соответствии с еще другим вариантом осуществления настоящего изобретения трубопровод для отвода мгновенно выделяющегося газа может включать клапан мгновенно выделяющегося газа для блокирования потока в компрессор. Система охлаждения дополнительно может включать всасывающий трубопровод, подсоединенный к компрессору, и впускной газовый клапан внутри всасывающего трубопровода компрессора. Типовой компрессор с клапаном для мгновенно выделяющегося газа и клапаном всасываемого газа, работающий в пределах между двумя уровнями давления, может использоваться альтернативно для сжатия мгновенно выделяющегося газа и для сжатия всасываемого газа соответственно. То есть, в случае незначительного образования мгновенно выделяющегося газа, компрессор может использоваться в качестве обычного компрессора для сжатия всасываемого газа в системе охлаждения. Компрессор может быть включен в режим сжатия мгновенно выделяющегося газа, только если в сборнике присутствует слишком много мгновенно выделяющегося газа. В частности, если в качестве хладагента используется СO₂, то в зависимости от температуры окружающей среды контур охлаждения функционирует в сверхкритическом режиме, т.е. при давлении выше критического давления хладагента, или в «нормальном» режиме, т.е. при давлении ниже критического давления хладагента. Образование мгновенно выделяющегося газа в сборнике является высоким в типичных летних условиях эксплуатации при температурах окружающей среды около 20°С и является низким в зимних условиях эксплуатации при температурах около 0°С. Клапан мгновенно выделяющегося газа и клапан всасываемого газа обеспечивают возможность переключения между летним и зимним режимом. Такое переключение может выполняться вручную или посредством управляющего устройства, например, работающего при температуре окружающей среды, и т.д.

Предпочтительно, в системе охлаждения запорные клапаны выполнены с возможностью попеременного включения для подсоединения к компрессору или трубопровода для отвода мгновенно выделяющегося газа или всасывающего трубопровода, таким образом, обеспечивая возможность переключения между зимним режимом и летним режимом.

В соответствии с еще другим вариантом осуществления настоящего изобретения система охлаждения дополнительно включает ответвление трубопровода мгновенно выделяющегося газа, отходящее от трубопровода для отвода мгновенно выделяющегося газа, и содержащее выпускной клапан мгновенно выделяющегося газа, и соединяющееся с всасывающим трубопроводом. Выпускной клапан мгновенно выделяющегося газа может регулироваться по давлению так, чтобы обеспечить прохождение мгновенно выделяющегося газа непосредственно во всасывающий трубопровод, если давление сборника превышает заданное пороговое значение. Типично, компрессор и/или клапан мгновенно выделяющегося газа будут регулироваться так, чтобы подавать мгновенно выделяющийся газ в компрессор при пороговом значении, которое ниже порогового значения срабатывания выпускного клапана мгновенно выделяющегося газа, так что в обычном зимнем режиме мгновенно выделяющийся газ будет подаваться в компрессор во всасывающуюся линию, но не через выпускной клапан.

Предпочтительно система охлаждения дополнительно содержит резервный контур охлаждения, содержащий вспомогательный теплоотводящий теплообменник, расширительное устройство, испаритель и компрессор для охлаждения хладагента в сборнике в режиме дублирования.

Предпочтительно система охлаждения дополнительно содержит контур самоохлаждения хладагента, содержащий расширительное устройство, теплообменник для самоохлаждения, отводной трубопровод для самоохлаждения, проходящий через расширительное устройство, через теплообменник для самоохлаждения и во всасывающий трубопровод, проходящий в компрессор.

Настоящее изобретение, кроме того, относится к холодильной установке, содержащей систему охлаждения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Холодильная установка может быть холодильным комплексом для супермаркета и т.д. для обеспечения охлаждения прилавков-витрин и т.д.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения создан способ управления системой охлаждения для циркуляции по замкнутому контуру сверхкритического хладагента в заранее определенном направлении, содержащей по направлению потока теплоотводящий теплообменник, промежуточное расширительное устройство, сборник, расширительное устройство испарителя, испаритель, компрессор, содержащий следующие этапы:

a) отведение мгновенно выделяющегося газа из сборника и

b) подачу отведенного мгновенно выделяющегося газа в компрессор.

Предпочтительно способ дополнительно содержит этап с) регулирования выходной мощности компрессора в соответствии с количеством мгновенно выделяющегося газа.

Преимущественно способ дополнительно содержит этап измерения давления в сборнике.

Предпочтительно способ дополнительно содержит этап перегревания мгновенно выделяющегося газа до этапа b).

Преимущественно способ, дополнительно содержащий осуществление этапов а) и b) до этапа d) принятия решения на основе условий эксплуатации системы охлаждения относительно того, следует ли выполнять этапы а) и b).

Предпочтительно способ содержит этап подачи всасываемого газа вместо подачи отводимого газа в компрессор.

Варианты осуществления настоящего изобретения описаны более подробно ниже со ссылкой на чертеж, на котором показана система охлаждения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На чертеже показана система 2 охлаждения для циркуляции по замкнутому контуру в заранее определенном направлении хладагента, который состоит из множества компонентов, и в частности СO₂. Система охлаждения может использоваться, например, для супермаркета или охлаждения в промышленном производстве. Система 2 охлаждения содержит по направлению циркуляции теплоотводящий теплообменник 4, который в случае использования сверхкритичной жидкости, как СO₂, является газоохладителем 4. Следующим после теплообменника 4 расположено промежуточное расширительное устройство 6, которое служит для снижения высокого давления, которое присутствует в газоохладителе 4 при использовании до более низкого промежуточного давления. Следующий за промежуточным дроссельным клапаном расположен сборник 8, который накапливает и хранит в резерве хладагент для последующей подачи в один или множество расширительных устройств 10 испарителя, являющегося (или являющихся) одним(и) из потребителей холода. Вместо промежуточного и/или расширительного клапана 6, 10 испарителя может использоваться любое известное специалистам устройство, работающее на принципе охлаждения за счет расширения.

В зависимости от хладагента и условий эксплуатации, дополнительно к жидкому хладагенту в сборнике 8 находится более или менее газообразный хладагент, который называют «мгновенно выделяющийся (при испарении) газ». В случае применения системы охлаждения с использованием CO₂, которая в основном будет рассматриваться в описании предпочтительного варианта осуществления, следует отметить, что присутствует только пониженный объем мгновенно выделяющегося газа, если газоохладитель 4 работает в условиях окружающей среды при температурах в пределах 0°С, в то время как значительное количество мгновенно выделяющегося газа будет присутствовать, если система охлаждения будет эксплуатироваться в условиях окружающей среды при температуре 20°С или больше. Таким образом, следует отметить, что существует отчетливая разница в условиях эксплуатации между «летним режимом» и «зимним режимом».

Дроссельный клапан 10 испарителя с потребителем(ями) 12 холода соединен с испарителем 14. В потребителе(ях) 12 холода жидкий хладагент расширяется и переходит в газообразное состояние, в то же время обеспечивая охлаждение. Газообразный хладагент затем циркулирует через всасывающий трубопровод 16 в компрессорный агрегат 18, содержащий множество компрессоров 20 и 22. Компрессорный агрегат 18 соединен через трубопровод высокого давления с газоохладителем 4, таким образом, замыкая основной контур.

Сжатый хладагент в трубопроводе 24 высокого давления во время работы находится при относительно высоком давлении и высокой температуре. Уровень высокого давления в типичной системе охлаждения с СО₂ может быть до 120 бар, и обычно приблизительно между 40 и 100 бар и предпочтительно более 85 бар в летнем режиме, и между 40 и 70 бар и предпочтительно приблизительно 45 бар в зимнем режиме. Средний уровень давления обычно не зависит от летнего и зимнего режима и находится между приблизительно 30 и 40 бар и предпочтительно 36 бар. Давление во всасывающем трубопроводе также обычно является независимым от летнего и зимнего режима и находится между 25 и 30 бар и предпочтительно 28 бар.

Трубопровод 26 для отвода мгновенно выделяющегося газа соединен со сборником 8 и входом компрессора 20. Мгновенно выделяющийся газ, отведенный из сборника 8, сжимается компрессором 20 от уровня промежуточного давления до уровня высокого давления. Для обеспечения управления компрессором 20 может быть предусмотрен регулятор 28, работающий на основе изменения количества мгновенно выделяющегося газа в сборнике 8, или образованного в промежуточном дроссельном клапане 6. В сборнике 8 может быть расположен датчик давления 30 с трубопроводом 32 датчика, соединяющим датчик давления 30 с регулятором 28. Линия 34 передачи сигналов соединяет регулятор 28 с компрессором 20 и обеспечивает управление выходной мощностью компрессора, например регулированием частоты вращения и т.д. компрессора 20 на основе количества мгновенно выделяющегося газа.

Клапан мгновенно выделяющегося газа или запорный клапан 36 предусмотрен в трубопроводе 26 для отвода мгновенно выделяющегося газа, и впускной газовый клапан или запорный клапан 38 предусмотрен на участке всасывающего трубопровода 40, проходящего в компрессор 20. Запорные клапаны 36, 38 могут быть любого типа, например запорные клапаны с электромагнитным управлением. Запорные клапаны 36, 38 соединены с регулятором 28, и регулятор 28 может обеспечивать закрытие запорного клапана 36, если существует только лишь относительно небольшое количество мгновенно выделяющегося газа в сборнике 8, или для эксплуатации в зимнем режиме. Путем попеременного включения запорных клапанов 36 и 38 возможно подсоединить к компрессору 20 или трубопровод 26 для отвода мгновенно выделяющегося газа, или участок всасывающего трубопровода 40, таким образом, обеспечивая возможность для переключения между зимним режимом и летним режимом.

В варианте осуществления, как показано на чертеже, трубопровод 26 для отвода мгновенно выделяющегося газа связан для теплообмена с нагнетательным трубопроводом 24 посредством теплообменника 42. Теплообменник 42 перегревает мгновенно выделяющийся газ в трубопроводе 26 до подачи в компрессор 20 для того, чтобы исключить подачу сжиженного мгновенно выделяющегося газа в компрессор 20. Ответвление 44 трубопровода для отвода мгновенно выделяющегося газа отходит от трубопровода 26 для отвода мгновенно выделяющегося газа к компрессору 20. Ответвление 44 трубопровода для отвода мгновенно выделяющегося газа отходит от трубопровода 26 для отвода мгновенно выделяющегося газа и содержит выпускной клапан 46 для мгновенно выделяющегося газа, например регулируемый давлением клапан, обеспечивающий выпуск мгновенно выделяющегося газа во всасывающий трубопровод 16, если слишком много мгновенно выделяющегося газа произведено для работы компрессора или если компрессор 20 не доступен для сжатия мгновенно выделяющегося газа.

Резервный контур 48 охлаждения, содержащий вспомогательный теплоотводящий теплообменник 50, дроссельный клапан 52, испаритель/теплообменник 54 и компрессор 56, предусмотрен для охлаждающего воздействия на хладагент в сборнике 8 в режиме дублирования, например, если компрессорный агрегат 18 будет выключен по причине технического обслуживания, ремонта и т.д. Предпочтительно использовать тот же самый хладагент в резервном контуре 48 и в системе 2 охлаждения. Особенно предпочтительно использовать СO₂ в качестве хладагента в резервном контуре 48.

Для того чтобы подать в значительной степени безгазовый хладагент потребителю(ям) 12 (искусственного) холода, предусмотрено самоохлаждение хладагента посредством контура 58 самоохлаждения, содержащего теплообменник 60 для самоохлаждения, например плоский теплообменник, и отводной трубопровод 62, проходящий в дроссельный клапан 64 через теплообменник 60 для самоохлаждения и затем через трубопровод 66 во всасывающий трубопровод 16.