Спосіб одержання холоду

Спосіб одержання холоду, який полягає в стисканні парів холодоагенту, їх конденсації, регенеративному теплообміні між пароподібним і рідким холодоагентом, розширенні одержаної рідини і її випаровуванні, який відрізняється тим, що стис Запропоноване технічне рішення належить до холодильної техніки, зокрема, до пристроїв і способів роботи машин для одержання штучного холоду й може бути використане в різних галузях народного господарства, наприклад, у гірничій промисловості для охолодження повітря в гірничих виробках. Відомі трикамерні трубчасті живильники, що дозволяють за рахунок гідравлічного тиску стовпа води, подаваної в шахту, здійснювати підняття води на поверхню [див. Cn.Kinne, FJ.Geller, W.Loser Alternative Methodeu des Kaltetranspon.es im Steinkohlen-bergbau bei ubertagig angeordneten kaltemaschinen. Bergbau 12/1990 537-542]. Живильники декількох модифікацій випускає фірма «ЗИМАГ ТРАНСПЛАН ГМБХ» (Німеччина,: а) для гідротра неп орту вання пульпи; б, для систем кондиціонування повітря, щоб знизити тиск холодоносія у вторинній мережі; в) для подачі в шахту льдоводяної суміші з метою охолодження повітря; г) для регенерації гідравлічної енергії. Гідравлічні живильники виконуються з трьох паралельно ввімкнених трубчастих камер. Регулювання подачі тепло- і холодоносія здійснюють кання, конденсацію холодоагенту і регенеративний теплообмін ведуть у теплообмінній зоні шляхом заповнення зони стискання теплоносієм, при забезпеченні циркуляції тепло- і холодоносія через теплообмінну зону, розширення холодоагенту проводять шляхом зміни тиску теплоносія в зоні стискання, випаровування холодоагенту здійснюють у теплообмінній зоні при циркуляції в ній холодоносія й одночасному витісненні теплоносія з зони стискання, температуру теплоносія в зоні стискання підтримують вищою від температури конденсації холодоагенту, а як холодоагент використовують речовину з невеликим питомим об'ємом парів у робочому інтервалі температур. клапанами, що приводяться в дію гідроприводом. У другому випадку (б) принцип роботи живильника полягає в навперемінному заповненні камер теплоносієм (тепла вода) і холодоносієм (холодна вода). Теплоносій витісняється на поверхню холодоносієм, який надходить від холодильних машин. У наступному циклі холодоносій з камери живильника витісняється теплоносієм і направляється до повітроохолоджувачів. Живильник з'єднано з підземним контуром низького тиску, по якому холодоносій подають до повітроохолоджувачів, а також контуром високого тиску, по якому рух води забезпечують помпою, установленою на поверхні шахти. Гідравлічний к.к.д. живильника досягає 96%. При проходженні через живильник холодоносій нагрівається на 0,5-1,0°С. Однак тритрубчаті живильники, використовувані в системах охолодження повітря, не можуть виробляти холод, тобто не мають функції холодильних машин. Найближчим до запропонованого технічного рішення є «Спосіб одержання холоду і парокомпресійна холодильна машина» [див. патент UA №18579 С1, F25B1/00, Опубл. 25.12.97р., Бюл.№6]. о 00 8410 Відомий спосіб полягає в стискання парів холодоагенту, їх конденсації, транспортуванні рідкого холодоагенту, його розширенні та випаровуванні, причому стискання, конденсацію і випаровування холодоагенту ведуть у герметичних капсулах перемінного об'єму, розміщених у замкненому об'ємі з рідким середовищем шляхом зміни температури і тиску рідкого середовища. Відома холодильна машина містить у собі випарно-конденсаторний агрегат, виконаний у вигляді вертикальної посудини, заповненої рідким середовищем і холодоагентом, поміщеним у герметичні капсули перемінного об'єму, до якого у верхній частині приєднано трубопроводи системи теплоносія, а в нижній - трубопроводи системи холодоносія. Дана машина працює так. Під час знаходження капсул у зоні конденсації, із системи теплоносія під тиском конденсації' подають воду, за рахунок чого стискають і конденсують холодоагент у капсулах. Капсули під дією своєї ваги опускаються в нижню частину посудини - у зону випаровування. Після цього посудину підключають до системи холодоносія, що знаходиться при тиску випаровування. Холодоагент у капсулах починає розширюватися і випаровуватися, охолоджуючи холодоносій у зоні випаровування. У процесі випаровування холодоагенту капсули за рахунок збільшення в об'ємі підвищують свою плавучість і спливають у зону конденсації, після чого процес повторюється. До недоліків такої холодильної машини належить складність виготовлення капсул з холодоагентом і низька швидкість переміщення капсул із зони випаровування в зону конденсації і назад під дією сил Архімеда, що знижує ефективність роботи й істотно збільшує масогабаритні показники машини. У основу корисної моделі поставлено завдання зі створення способу одержання холоду, у якому процес стискання холодоагенту здійснюють за рахунок використання гідравлічної енергії рідини, подаваної для відводу тепла конденсації', що дозволяє підвищити економічність одержання холоду й забезпечити конструктивну простоту пристрою для реалізації способу. Поставлене завдання розв'язується за рахунок того, що в способі одержання холоду, який полягає в стисканні парів холодоагенту, їх конденсації, регенеративному теплообміні між пароподібним і рідким холодоагентом, розширенні одержаної рідини і її випаровуванні, відповідно до корисної моделі, стискання, конденсацію холодоагенту і регенеративний теплообмін ведуть у теплообмінній зоні шляхом заповнення зони стискання теплоносієм, при забезпеченні циркуляції тепло- і холодоносія через теплообмінну зону, розширення холодоагенту проводять шляхом зміни тиску теплоносія в зоні стискання, випаровування холодоагенту здійснюють у теплообмінній зоні при циркуляції в ній холодоносія й одночасному витісненні теплоносія з зони стискання, температуру теплоносія в зоні стискання підтримують вище температури конденсації холодоагенту, а за останнього використовують речовину з невеликим питомим об'ємом парів у робочому інтервалі температур. На Фіг.1 наведено принципову схему холодильної машини; на Фіг.2 - конструктивну схему холодильного елемента машини; на Фіг.З - послідовність операцій роботи холодильної машини; на Фіг.4 - термодинамічний цикл роботи мАшини. Холодильна машина містить холодильні елементи 1, багатоходові вентилі 2, триходові вентилі З, ємність 4, насос 5, градирню 6, трубопроводи 7 системи теплоносія (конденсаторної води), трубопроводи 8 системи холодоносія. Датчик температури 9 встановлений у місці з'єднання трубопроводів 7 і 8 систем теплоносія та холодоносія з теплообмінником 10. Холодильний елемент 1 складається з теплообмінника 10 (див. Фіг.2), теплообмінна поверхня якого виконана у вигляді оребрених трубок 11, газової камери 12, розділеної еластичною мембраною 13 на дві порожнини - парову 14 і гідравлічну 15. Парова порожнина 14 з'єднана каналами 16 з міжтрубним простором теплообмінника 10. Гідравлічну порожнину 15 з'єднано каналами 17 з гідравлічною системою, яку через триходові вентилі 3 підключено до системи теплоносія. Внутрішня порожнина теплообмінника 10 має теплоізоляцію 18. У каналі 16, у місці його підключення до газової камери 12 розміщено датчик тиску 19. Холодильна машина має декілька паралельно встановлених холодильних елементів 1, підключених через вентилі 2 і 3 до трубопроводів 7 системи теплоносія й трубопроводам 8 системи холодоносія. Як тепло- і холодоносій може бути використана вода. Тиск теплоносія на рівні розміщення холодильних елементів 1 підтримується за рахунок стовпа рідини таким, що дорівнює чи більшим за тиск конденсації Рн холодоагенту. Холодильний елемент за допомогою трубопроводу з'єднується з ємністю 4, яка встановлюється на висоті, що забезпечує тиск стовпа рідини на рівні розміщення холодильних елементів 1, таким, що дорівнює чи трохи меншин від тиску випаровування Ро холодоагенту. У трубки 11 теплообмінника 10 періодично подається холодоносій і теплоносій, а в паровій порожнині 14 і міжтрубному просторі теплообмінника 10 знаходиться холодоагент, наприклад, вуглекислота. Внутрішня теплоізоляція 18 теплообмінника 10 виконана, наприклад, із твердого пінополіуретану чи жароміцного матеріалу. Конструктивно машина містить кілька зон, у яких організують різні термодинамічні процеси. Область теплообмінника являє собою теплообмінну зону, у якій забезпечуються процеси теплообміну між тепло- чи холодоносієм і холодоагентом. Газова камера являє собою зону стискання, у якій за рахунок зміни об'єму здійснюються процеси стискання та витиснення холодоагенту в теплообмінну зону. Процес стискання, у цілому, йде одночасно як у зоні стискання, так і в теплообмінній зоні, тому що вони зв'язані між собою. Тепло конденсації відводиться в атмосферне повітря від теплоносія в градирні 6, а холодний холодоносій подається на повітроохолоджувачі. 8410 Холодильна машина працює так. На першому етапі холодоагент знаходиться в газовій камері й у міжтрубному просторі теплообмінника 10 у пароподібному стані, еластична мембрана 12 займає положення Y (Фіг.2). Трубки 11 теплообмінної поверхні заповнено охолодженим холодоносієм. На цьому етапі (операція 1, Фіг.З) закрито лінії А, С, N, М, відкрито лінії В, D І холодоносій прокачується через трубки 11 теплообмінної поверхні. У холодильному елементі 1 з боку холодоагенту підтримується тиск випаровування Ро (низький тиск), тому що лінія Е відкрита і з'єднує гідравлічну порожнину 15 з ємністю 4. На другому етапі (операція 2, Фіг.З) відкриваються лінії N, М і закриваються лінії В і D. Вентилі А І С залишаються закритими, а лінію Е включено на низький тиск Ро. Холодний холодоносій із трубок теплообмінної поверхні витісняється теплим теплоносієм із сусіднього паралельно встановленого холодильного елемента, який працює з даним холодильним елементом у протифазі. У цьому разі температура холодоагенту й всього теплообмінника підвищується за рахунок регенерації тепла шляхом рециркуляції води по замкненому контуру між двома паралельними холодильними елементами. При цьому вода по замкненому контуру прокачується через трубки обох холодильних елементів, відводячи тепло від одного і підводячи тепло регенерації до другого. Під час підведення тепла регенерації температура та тиск холодоагенту будуть підвищуватися в ізохорному термодинамічному процесі, у зв'язку з чим наприкінці процесу установиться тиск регенерації Рс, що вище тиску випаровування. Еластична перегородка протягом усього етапу займає положення Y. На третьому етапі (операція 3, Фіг.З) закрито лінії В, D, N, М і відкриваються лінії А, С. Лінія Е включається на тиск конденсації (високий тиск) Рн. Теплоносій високого тиску надходить у гідравлічну порожнину 15, при цьому мембрана 13 піднімається вгору, стискаючи холодоагент. На цьому етапі через трубки 11 теплообмінника прокачується теплоносій, відводячи тепло стискання та конденсації холодоагенту. Пароподібний холодоагент конденсується на трубках теплообмінної поверхні й переходить у рідкий стан. Наприкінці етапу еластична перегородка займе положення X (Фіг.2). На четвертому етапі (операція 4, Фіг.З) закриваються лінії А, В, С, D і відкриваються лінії N, М, а лінія Е залишається включеною на високий тиск Рн- На цьому етапі здійснюється регенеративний теплообмін з холодильним елементом, що працює з даним елементом у протифазі. Теплий теплоносій з теплообмінника витісняється холодним холодоносієм із сусіднього холодильного елемента. При цьому температура холодоагенту й усього теплообмінника знижується. Еластична перегородка протягом всього етапу займає положення X (Фіг.2). На останньому етапі (операція 5, Фіг.З) лінія Е включається на низький тиск Ро, лінії А, С, N, М закриті, лінії В, D відкриті. У зв'язку з витісненням з гідравлічної порожнини 15 частини теплоносія в ємність 4, тиск холодоагенту в холодильному елементі падає до тиску випаровування і холодоагент починає випаровуватися, відводячи тепло від холодоносія, що прокачується в цей момент через трубки 11 холодильного елемента. Пароподібний холодоагент заповнює газову камеру, витісняючи теплоносія з гідравлічної порожнини 15 у ємність 4. Еластична мембрана 13 наприкінці етапу займає положення Y, і надалі етапи роботи машини повторюються. На Фіг.4 приведено термодинамічний цикл роботи холодильної машини з вуглекислотою як холодоагент. Після випаровування парів холодоагенту надходять з теплообмінника в газову камеру й перегріваються під час регенеративного теплообміну при постійному об'ємі до тиску Рс. Процес характеризується лінією 1-2. Процес стискання (лінія 2-3) йде з відводом теплоти від холодоагенту. У точці 3 тиск холодоагенту буде дорівнювати тискові конденсації Рн. Тепловідведення з газової камери забезпечують таким, щоб уникнути конденсації холодоагенту на мембрані 13. Для цього, наприклад, у гідравлічну порожнину 15 подають теплоносій з температурою вищою від температури конденсації. Далі процес охолодження і конденсації холодоагенту при тиску Рк характеризується лінією 3-4. У точці 4 холодоагент буде в рідкому вигляді при тиску конденсації. Процес 4-5 характеризує регенеративний теплообмін, у результаті якого температура рідкого холодоагенту знижується. Після скидання тиску в гідравлічній порожнині холодоагент адіабатичне розширюється (лінія 5-6), витісняючи частину теплоносія в ємність 4. Процес випаровування холодоагенту описує лінія 7-1, після чого термодинамічні процеси повторюються. У процесі регенеративного теплообміну частина рідкого холодоагенту випаровується (лінія 6-7), тобто кількість тепла, підведена до холодоагенту в процесах 6-7 і 1 -2 дорівнює кількості тепла, відведеного від холодоагенту в процесі 4-5. Визначимо енергетичні параметри холодильної машини. Приймаємо за холодоагент вуглекислоту і такий режим роботи машини: тиск випаровування Ро=3,ЗМПа; температура випаровування Т0=272°К; тиск конденсації Рн=6,7МПа; початкова температура конденсаторної води Tw1=293°K; температура холодоносія, що приходить після повітроохолоджувачів ТР=278°К. Приймаємо конструктивні параметри холодильного елемента: діаметр газової камери с(0=370мм, довжина І=3,5м; зовнішній і внутрішній діаметр холодильного елемента di=400MM І сІ2=300мм; товщина ізоляції 40мм; довжина теплообмінника [=3,5м. Кількість титанових трубок діаметром 16мм із стінками завтовшки 2мм - 100шт. Маса теплообмінної поверхні - 140кг, площа теплообмінної поверхні - FT=15M 2 . КІЛЬКІСТЬ холодоагенту (СОг) У холодильному елементі G=50w\ Термодинамічні параметри вуглекислоти в різних точках термодинамічного циклу (фіг.4) представлені в таблиці. 8410 Таблиця 6 (б,71-4,00).10 Па 1 Точка ЕнтроТемпе- Питомий Ентальдіа- Тиск, пія, ратура, об'єм, пія, грам- МПа кДж/кг 3 °К дм /кг кДж/кг °К ми 10,64 734,7 3,971 1 3,38 272 4,00 10,64 738,0 3,980 2 285 6,71 717,1 305 4,65 3,830 3 4 3,68 689,0 3,737 300 6,71 585,4 300 1,47 3,392 5 6,71 539,0 287 1,20 3,243 6 6,71 2,57 536,5 7 3,38 272 3,243 604,3 3,38 272 5,27 3,495 8 Питома робота зворотного термодинамічного циклу Іс=21,7кДж/кг; питома холодопродуктивність до=13О,4кДж/кг. Кількість тепла, відведена у випарнику від холодоносія за один цикл О=6520кДж, а віддане в конденсаторі конденсаторній воді О=7605кДж. Кількість тепла регенерації, передана в процесі регенеративного теплообміну, 0=2300кДж. Визначимо час одного циклу роботи машини. Час випаровування холодоагенту й охолодження холодоносія при коефіцієнті теплопередачі від вуглекислоти до холодоносія, який дорівнює Ко=800-1000Вт/м2оС, складе ДОо 6520000 = 107с 15 900 Час регенеративного теплообміну при коефіцієнті теплопередачі від вуглекислоти до холодоносія, який дорівнює Кр=400-600 Вт/м2°С і температурному перепаді ^=15°С, AQp 2300000 Дір = іі = = 20с d Ff Кр-Д1р 15 500-15 Час стискання І конденсації холодоагенту при коефіцієнті теплопередачі від вуглекислоти до теплоносія, який дорівнює Кт=800-1000Вт/м2оС, складе AQk _ 7605000 = 113c 15 900 (27-22) FT Коефіцієнти Кт, КО І К Р прийняті за даними для аналогічних теплообмінних апаратів, використовуваних під час виробництва вуглекислоти. Приймаючи загальний час циклу (з 25% запасом) Ц -н- з*- £=325з, одержимо холодопродуктивність одного холодильного елемента QQ 2 =20KBT, теоретичний холодильний коефіцієнт =6,02. Потужність, споживана машиною для підйому теплоносія з ємності 4 на поверхню за один цикл, складе Ах 325 3 де V = 0 , 3 1 M - об'єм теплоносія, що витісняється з газової камери холодильного елемента в процесі стискання (різниця між об'ємом газової камери й об'ємом рідини, витиснутої з газової камери в процесі 5-6). Споживана електрична потужність з урахуванням к.к.д. насоса й електродвигуна - 5,1кВт. Потужність насоса, затрачувана на подолання гідравлічних опорів, при рециркуляції води в процесі регенеративного теплообміну - N2=0,9KBT. Споживана потужність з урахуванням к.к.д. електродвигуна - 1,2кВт. Коефіцієнти корисної дії вибиралися з урахуванням реальних насосів і електродвигунів, необхідних для забезпечення відповідних витрат середовищ. Сумарна потужність, споживана холодильним елементом складе N=6,3KBT, а дійсний холодильний коефіцієнт дорівнює 3,17. Холодильна машина холодопродуктивністю 120кВт буде мати 3 блоки, скомпонованих групами по 2 холодильних елементи. Для цієї холодильної машини питомий займаний об'єм складе =9>80м3/тис.кВт, питома займана площа може скласти від s=30 до S=50M 2 /THC.KBT залежно від компонування холодильних елементів. Фреонові парокомпресійні холодильні машини холодопродуктивністю 100-200кВт =£5у цей час мають такі питомі показники 55м3/тис.кВт і S=15-30M 2 /THC.KBT, у зв'язку з чим видно, що запропонована машина може мати близькі питомі показники. Фреонові холодильні машин, що існують, при роботі в аналогічному температурному інтервалі мають дійсний холодильний коефіцієнт =3,0-3,9, а компресорні вуглекислотні холодильні машини можуть мати не більшим за 1,5-2,0. Крім високої економічності запропонована холодильна машина має також ряд переваг. Слід зазначити відсутність компресора в звичайному розумінні - найскладнішого елемента холодильної машини, простоту конструкції і пов'язану з цим високу надійність роботи. Машина відрізняється використанням екологічно безпечного холодоагенту - вуглекислоти, можливістю забезпечення практично будь-якого ступеня стискання холодоагенту. Запропонована холодильна машина може використовуватися в загальнопромислових холодильних установках, шахтних холодильних машинах і установках опріснення води виморожуванням. Зазначені переваги дозволять використовувати цей тип холодильних машин у цілому ряді галузей промисловості й сільському господарстві. 10 8410 ч/ /v \ V ФІГ. 1 Фіг. 2 г т;с У 5 6 л 1—--^>fc, То / Фіг.З і \ 11 8410 12 Таблиця Послідовність огіеряьій Операції засувок хола A, С, Н М-закрито Випаровування доагету. Охолодзкен B, D - відкрито Б - воючено на ня холодоносія НИЗЬКИЙ ТНГСКРО' теп- А, В, С D - закрито Регенеративний лообмін рахунок N> M - відкрито. за циркуляції ВОДИ по Б - включено на замкненому контуру. низький Стиск і конденсація холодоагенту, ВІдве денця тепла кокден Е - включено на саторвою ЕОДОЮ ВИСОКИЙ ТИСК ?ц. А, В, С, D - закрито рахунок N, М - відкрито. яообмїв за цйркудяшї вода по Е - включено на контуру. я дрзгенту. хода Охолоджен B 3 D - відкрито ня хододоиосія Е - включено на низький тиск Ps. Фіг. 4 Комп'ютерна верстка Н. Лисенко Підписне Тираж 26 прим. Міністерсгео освгги і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислово'і власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601