Спосіб здійснення теоретичного циклу парокомпресорних холодильних машин

Реферат: Винахід належить до галузі холодильної техніки і може знайти застосування, насамперед, при великих потужностях холодильних установок берегових морозильників і рефрижераторних суден. Спосіб полягає в тому, що пара холодоагенту регенеративно перегрівається до температури конденсації, після чого процес стиснення пари в компресорі до тиску конденсації здійснюється ізотермічно. Це обумовлює зменшення витрачуваної роботи в циклі та температури наприкінці стиснення і дозволяє здійснити максимальний ступінь регенерації і тим самим підвищити питому масову холодопродуктивність і холодильний коефіцієнт, а також покращити умови роботи компресора і масогабаритні показники конденсатора та зменшити потужність приводу компресора. Покращення вказаних характеристик циклу холодильної машини підтверджується відповідними розрахунками. Впровадження пропонованого циклу UA 110869 C2 (12) UA 110869 C2 може забезпечити суттєвий економічний ефект, особливо при створенні та експлуатації нових холодильних машин великої холодопродуктивності. UA 110869 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі холодильної техніки і може знайти застосування, насамперед, при великих потужностях холодильних установок берегових морозильників і рефрижераторних суден. Аналогом способу, що пропонується, є спосіб, який використовується в циклі холодильної машини, що працює в так званих стандартних умовах. В такому циклі холодоагент після конденсації переохолоджується водою на 5 °C, а регенеративний теплообмін між рідиною та парою відсутній. Вказаний спосіб використовувався раніше в більшості парокомпресорних холодильних установок малої потужності [1]. Недоліком способу-аналога є відсутність процесу регенерації теплоти і, як наслідок, менша питома масова холодопродуктивність у порівнянні з холодильними установками з регенерацією теплоти. Прототипом способу, що пропонується, є спосіб, в якому використовується регенерація теплоти, але ступінь регенерації обмежується у зв'язку з необхідністю обмеження температури пари після компресора і роботи тиснення при ізоентропному стисненню пари в компресорі, тому регенеративне переохолодження зрідженого холодоагенту не перевищує 10 °C. Такий спосіб використовується у всіх сучасних парокомпресорних холодильних установках незалежно від їх холодопродуктивності [1]. Недоліком способу-прототипу є вищезгадана обмеженість ступеня регенерації, що обмежує потенційно можливу питому масову холодопродуктивність, а також непропорційне зростання роботи стиснення, що в деяких випадках обумовлює зменшення холодильного коефіцієнта в порівнянні з циклом, працюючим за стандартними умовами. В основу винаходу поставлена задача розробити новий теоретичний цикл парокомпресорних холодильних машин шляхом впровадження максимально можливого регенеративного теплообміну між зрідженим холодоагентом та його парою та зменшення роботи її стиснення, завдяки чому збільшувались би питома масова холодопродуктивність і холодильний коефіцієнт і зменшувались би, потужність привода компресора, температура пари наприкінці стиснення та маса і габарити конденсатора. У зв'язку з цим пропонується спосіб здійснення теоретичного циклу парокомпресорних холодильних машин, який полягає в тому, що пара, яка утворюється в випарнику, піддається регенеративному перегріву, згідно з винаходом, пара регенеративно перегрівається до температури конденсації, а її стиснення до тиску конденсації здійснюється ізотермічно. Отже, при такому здійсненні теоретичного циклу парокомпресорних холодильних машин звичайне ізоентропне стиснення пари холодоагенту в компресорі заміняється ізотермічним при температурі конденсації холодоагенту, що дозволяє реалізувати максимальний ступінь регенерації та обумовлює вказане вище покращення показників циклу. На фіг. 1 зображено цикл холодильної машини, яка працює при стандартних умовах: процес 4-5 - переохолодження зрідженого холодоагенту водою на 5 °C, процес 7-1 перегрів пари на 10 °C. На фіг. 2 зображено цикл холодильної машини, яка працює з регенеративним теплообміном між рідиною і парою: процес 4-5 - регенеративне переохолодження зрідженого холодоагенту на 10 °C, процес 1-1' - відповідний регенеративний перегрів пари, процес 1-2 і 1-2 - стиснення пари при відсутності та при наявності регенерації відповідно. На фіг. 3 зображено пропонований цикл холодильної машини, яка працює з максимально можливим ступенем регенерації теплоти між рідиною і парою: процес 8-3 - необхідне охолодження перегрітої пари у випадку використання ізоентропного стиснення 1'-8. Пропонований спосіб здійснення теоретичного цикла парокомпресорних холодильних машин виконується наступним чином. Впроваджується максимально можливий регенеративний перегрів пари (процес 1-1', фіг. 3), тому температура пари холодоагенту, що надходить до компресора, дорівнює температурі конденсації холодоагенту. Після цього перегріта пара стискується ізотермічно (процес 1'-3, фіг. 3). Отже в циклі виключається процес охолодження перегрітої пари холодоагенту (процеси 2-3, 2'-3 і 8-3 на фіг. 1, 2 і 3 відповідно), який є найбільш необоротним процесом у циклах парокомпресорних холодильних установок. Ізотермічне стиснення пари в компресорі можна забезпечити інтенсивним охолодженням компресора та зменшенням числа обертів вала компресора за хвилину для збільшення часу охолодження. При цьому умови роботи компресора значно покращаться і його моторесурс збільшиться. З діаграми T, s (фіг. 3) можна зробить висновок, що кількість теплоти, яка відводиться від холодоагенту при ізотермічному стисненні в компресорі (в процесі 1'-3), менше кількості теплоти, яку необхідно відводити при охолодженні перегрітої пари холодоагенту до температури конденсації (в процесі 8-3). Це призводить до зменшення масогабаритних показників конденсатора. 1 UA 110869 C2 5 10 15 20 25 Спосіб, що пропонується, ліквідує вказаний вище недолік способу-аналога, оскільки на відміну від аналога використовує регенеративний теплообмін між рідиною та парою. До того ж виключається недолік способу-прототипу, оскільки в пропонованому способі використовується максимально можливий ступінь регенерації, що призводить до збільшення питомої масової холодопродуктивності холодильної установки. Нижче в таблиці наведені результати порівняння основних характеристик циклів аналога та прототипу з характеристиками циклу, який пропонується. Розрахунки виконані для шести холодоагентів з використанням даних про термодинамічні властивості цих холодоагентів з відомої системи REFPROP [2]. При розрахунках циклу-аналога приймались стандартні умови: температура конденсації tконд. = 30 °C, температура кипіння tкип = -15 °C, зріджений холодоагент переохолоджується водою до tохол. = 25 °C, а поверхневий перегрів пари вище температури кипіння складає 10 °C, тобто температура на початку стиснення пари дорівнює -5 °C. Небажаний поверхневий перегрів пари здійснюється має місце завдяки припливам теплоти до пари при її перетіканні із випарника до компресора та безпосередньо при вході в компресор. Для циклу-прототипу приймались такі ж самі значення температур конденсації і кипіння та величини поверхневого перегріву, як і для циклу-аналога. Але замість переохолодження зрідженого холодоагенту водою здійснювався регенеративний теплообмін між рідиною та парою, при якому рідина переохолоджується на 10 °C. В циклі, що пропонується, збережені значення температур конденсації, кипіння та поверхневого перегріву, але впроваджено максимально можливий регенеративний перегрів пари до температури конденсації. Для всіх циклів, в яких використовується аміак, ступінь поверхневого перегріву його пари вище температури кипіння прийнято 5 °C на підставі рекомендації [1]. В таблиці величини 8 означають відносні відхилення (в %) відповідних характеристик циклів аналогу і прототипу від характеристик пропонованого циклу. Відхилення розраховані за формулами типу     a  l a  l пр / l пр  100,% і 30    a  l a  l пр / l пр  100, % Індекс "пр" належить до характеристик пропонованого циклу, індекс "а" - до відповідних характеристик циклу-аналога, а "п" - до прототипу. З таблиці видно, що пропонований спосіб здійснення теоретичного циклу парокомпресорних холодильних машин забезпечує зменшення роботи стиснення 35 . l (в більшості випадків) та стале зростання питомої масової холодопродуктивності q 0 і холодильного коефіцієнта  . Завдяки зменшенню роботи та зростанню питомої масової холодопродуктивності зменшуються потужності привода компресора N . Відносні відхилення (в %) характеристик холодильних циклів аналога і прототипу від характеристик пропонованого циклу Холодоагент 45 q 0п l а l п  а  п N a N п R22 R32 R134a R407A R600a R717 40 q 0a -9,4 -8,3 -12,7 -12,0 -14,1 -9,6 -6,1 -5,0 -8,7 -8,0 -10,3 -7,7 -0,2 4,5 -4,0 -2,2 -5,4 6,6 8,3 15,0 3,6 6,2 0,6 16,1 -9,2 -12,2 -9,1 -10,0 -9,1 -15,2 -13,3 -17,4 -11,9 -13,3 -10,8 -20,5 10,2 14,0 10,0 11,2 10,8 18,0 15,3 21,1 13,4 15,4 12,2 25,8 Дані, наведені в таблиці, свідчать, що зростання холодильного коефіцієнта є пропонованого циклу в порівнянні з аналогом і прототипом є достатньо суттєвим і залежитьвід виду холодоагенту. В середньому зростання холодильного коефіцієнта складає 10,8 % в порівняні з циклом аналогом і 14,5 % в порівнянні з прототипом. Найменше зростання має місце для ізобутану R600a (9,1 % в порівнянні з циклом-аналогом і 10,8 % в порівнянні з прототипом), найбільше - для аміаку R717 (15,2 і 20,5 % відповідно). Зменшення теоретичної потужності приводу компресора у всіх випадках перевищує зростання холодильного коефіцієнта. Відносні відхилення цих характеристик можна розрахувати за формулами 2 UA 110869 C2   5 10 15  a   пр  пр  q0,a  lпр l a  q0,пр  1, N  Na  Nпр Nпр  q0,пр  l a lпр  q0,a  1, з яких видно, що абсолютні значення відхилень  і N не повинні співпадати. При впровадженні пропонованого способу здійснення циклу парокомпресорних холодильних машин, як вказано вище, збільшаться питома масова холодопродуктивність і холодильний коефіцієнт і зменшаться робота стиснення, потужність привода компресора та масогабаритні показники конденсатора. Впровадження способу буде найбільш ефективним для холодильних установок великої холодопродуктивності, які використовуються на рефрижераторних суднах і берегових морозильниках. Потужність таких установок значна, а витрати на паливо при роботі суднових електростанцій (або електроенергії при роботі стаціонарних холодильників) складають значну частку собівартості зберігання рефрижераторних вантажів при їх перевезені та зберіганні в берегових морозильниках. Все це в сукупності може забезпечити суттєвий економічний ефект, особливо при створенні та експлуатації нових холодильних машин. Джерела інформації: 1. Загоруйко В.О., Голіков О.А. Суднова холодильна техніка. - Київ: Наукова думка, 2002-575 с. 2. Lemmon E.W., Huber M.L., McLinden M.O. NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP, Version 8.0. Gaithersburg, 2007-51 p. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 Спосіб здійснення теоретичного циклу парокомпресорних холодильних машин, за яким пару, яка утворюється в випарнику, піддають регенеративному перегріву, який відрізняється тим, що пару регенеративно перегрівають до температури конденсації, а її стиснення до тиску конденсації здійснюють ізотермічно. 3 UA 110869 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4