Регенеративний теплообмінник для холодильних компресійних установок

Реферат: Регенеративний теплообмінник для холодильних компресійних установок містить зовнішній всмоктувальний і внутрішній нагнітальний трубопроводи сталого перерізу, виконані з матеріалу з високим коефіцієнтом теплопровідності. Теплообмінник містить щонайменше один додатковий внутрішній нагнітальний трубопровід сталого перерізу, основний внутрішній і щонайменше один додатковий внутрішній нагнітальні трубопроводи, скручені між собою вздовж загальної осі у вигляді циліндричних спіралей з утворенням гвинтоподібних каналів всередині, а назовні - почергово розташованих виступів і западин. UA 86654 U (12) UA 86654 U UA 86654 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до конструктивних елементів холодильних машин, точніше теплообмінників для підключення до випарника системи теплопередачі і може бути використана у холодильних компресійних установках для заморожування та довгострокового зберігання різних біологічних матеріалів, донорських органів, вакцин, сивороток і т.п. (рівень відводу теплоти від мінус 90 °C до мінус 190 °C). Передумови створення корисної моделі. З термодинаміки відомо, що принцип роботи холодильних систем оснований на фазових переходах - випарюванні та конденсації або інакше в котрих використовується робоче тіло, що піддається тиску і випарюванню. Основними складовими частинами холодильних систем є: 1. Компресор - пристрій, що створює необхідну різницю тиску; 2. Випарник - пристрій, що відбирає тепло від внутрішнього об'єму холодильника; 3. Теплообмінний пристрій-конденсатор - пристрій, що віддає тепло в оточуюче середовище; 4. Дросельний пристрій - пристрій, що підтримує різницю тиску за рахунок дроселювання робочого тіла; 5. Робоче тіло - речовина, що переносить тепло від випарника до конденсатора. Сучасні холодильні і морозильні установки не працюють на принципі так званого цикла Карно тому, що відомо, що установка, яка працює на ідеальному циклі для досягнення високої продуктивності потребує чи компресор, що створює дуже високий тиск, чи дуже велику площу охолоджуючого і нагрівального теплообмінника. У теплообміннику перехід тепла від одного тіла з більш високою температурою до другого тіла з меншою температурою здійснюється внаслідок теплопровідності і, при цьому змінюється агрегатний стан і структура тіла. Кількість тепла q, що передане теплопередачею від нагрітого тіла до холодного тіла визначається рівнянням q=k (θ1θ2) t, де: q - це є кількість тепла, що перейшло від одного тіла до другого, віднесене до одиниці площі; θ1 та θ2 - температури найбільш горячого і найбільш холодного тіл; t - час передачі тепла і k - коефіцієнт теплопередачі. Таким чином, із зазначеного вище рівняння слідує, що розробка і створення нових теплообмінників малої площі являє собою актуальну задачу. Відомий регенеративний теплообмінник для холодильних компресійних установок, що являє собою розташовані одна в одній трубки круглі безшовні цільно-тягнуті сталого переріз з міді чи латуні (див. патент України № 31652 А, кл. С09 К 5/00, кл. F 25 В 1/00, бюл. № 7, 15.12.2000 p.). Також відомий регенеративний теплообмінник для холодильних компресійних установок, що є близьким за технічною суттю, кількістю суттєвих ознак до теплообмінника, що заявляється (див. патент Російської Федерації № 2378586, МПК F25B39/02, заявка РСТ: GB 2005/003700 20050923, публікація РСТ: WO 2006/032922 20060330). Цей відомий теплообмінник для холодильних компресійних установок містить співвісно розташовані один в одному зовнішній нагнітальний і внутрішній всмоктувальний теплообмінні трубопроводи сталого перерізу, виконані з матеріалу з високим коефіцієнтом теплопровідності. У відомих теплообмінниках для холодильних і морозильних установок використовують типи поверхонь розділу між теплоносіями, що мають коефіцієнти тепловіддачі всередині і зовні труби однаковими; такими трубами є труби з гладкою поверхнею. Конструктивно теплообмінник являє собою чи мідний, чи латунний, чи стальний трубопровід виконаний у вигляді труба у трубі. Участь в теплообміні приймають чи пароподібні чи рідкі речовини, потоки яких рухаються одночасно й безперервно. Основною характеристикою конструкцій відомих теплообмінників є тип відносного руху потоків холодоагентів нагнітаючої лінії (прямий потік) й всмоктувальної лінії (зворотній потік) і взаємна геометрія цих течій, яким у відомих теплообмінників є протиток, тобто зворотний потік рідких речовин, протікав удовж трубок в кільцевому зазорі між ними (див. фіг. 1). Відомі теплообмінники є невеликої площі, але створюваний компресором тиск конденсації є відносно високим в залежності від робочого тіла, на якому працює холодильна установка, наприклад в компресійній холодильній установці за патентом України № 31652 А, що працює на суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах він дорівнює близько 4,0…6,0 МПа. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити регенеративний теплообмінник для холодильних компресійних установок шляхом наявності нових деталей і елементів, їх нового розташування і співвідношення забезпечити зниження створюваного компресором тиску конденсації, розвантаження компресора і зменшення витрат спожитої електроенергії. Ця задача вирішена регенеративним теплообмінником для холодильних компресійних установок, що містить зовнішній всмоктувальний і внутрішній нагнітальний трубопроводи 1 UA 86654 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сталого перерізу, виконані з матеріалу з високим коефіцієнтом теплопровідності, цей теплообмінник містить щонайменше один додатковий внутрішній нагнітаючий трубопровід сталого перерізу, основний внутрішній і щонайменше один додатковий внутрішній нагнітаючі трубопроводи скручені між собою вздовж загальної вісі у вигляді циліндричних спіралей, витки яких виконані з однаковим шагом з утворенням гвинтоподібних каналів в середині, а назовні почергово розташованих виступів і западин. Можливий варіант виконання регенеративного теплообмінника, у якому співвідношення прохідного перерізу зовнішнього всмоктувального і щонайменше двох внутрішніх нагнітальних трубопроводів дорівнює як 1,2…3,3. Можливий варіант виконання регенеративного теплообмінника, у якому основний і один додатковий внутрішні нагнітальні трубопроводи виконані з мідної трубки діаметром 3,,,8 мм. Можливий варіант виконання регенеративного теплообмінника, у якому зовнішній всмоктувальний трубопровід виконаний з мідної трубки діаметром 18,,,22 мм. Можливий варіант виконання регенеративного теплообмінника, у якому основний і два додаткові внутрішні нагнітальні трубопроводи скручені між собою вздовж загальної осі, виконані з мідної трубки одного діаметра 5 мм, при цьому зовнішній всмоктувальний трубопровід виконаний з мідної трубки діаметром 20 мм. Можливий варіант виконання регенеративного теплообмінника, у якому основний і один додатковий внутрішні нагнітальні трубопроводи скручені між собою вздовж загальної осі, виконані з мідної трубки одного діаметра 7 мм, при цьому зовнішній всмоктувальний трубопровід виконаний з мідної трубки діаметром 20 мм. Першим аспектом корисної моделі є наявність таких нових деталей, а саме: щонайменше одного додаткового внутрішнього нагнітального трубопроводу. Це забезпечує зниження створюваного компресором тиску конденсації, розвантаження компресора і зменшення витрат спожитої електроенергії. Другим аспектом корисної моделі є нове розташування деталей регенеративного теплообмінника, а саме: основний і додатковий внутрішні нагнітальні трубопроводи скручені між собою вздовж загальної осі у вигляді циліндричних спіралей, гілки яких виконані з однаковим кроком з утворенням гвинтоподібних каналів всередині, а назовні - почергово розташованих виступів і западин. Це забезпечує зниження створюваного компресором тиску конденсації, розвантаження компресора і зменшення витрат спожитої електроенергії. Іншим аспектом корисної моделі є співвідношення розмірів деталей регенеративного теплообмінника, а саме: співвідношення прохідного перерізу зовнішнього всмоктувального трубопроводу до щонайменше двох внутрішніх нагнітальних основного і додаткового трубопроводів дорівнює як 1,2…3,3, а основний внутрішній і щонайменше один додатковий внутрішній нагнітальні трубопроводи виконані з мідної трубки діаметром 3,,,8 мм. Це забезпечує зниження створюваного компресором тиску конденсації, розвантаження компресора і зменшення витрат спожитої електроенергії. Короткий опис графічних матеріалів. В подальшому корисна модель пояснюється прикладом конкретного виконання і графічними материалами, на яких зображено таке: на фіг. 1 схематично зображена компресійна холодильна установка для отримання низьких температур відповідно до корисної моделі; на фіг. 2 схематично зображений холодильний цикл з регенерацією теплоти в координатах T-S (TS- діаграма) компресійної холодильної установки для отримання низьких температур відповідно до корисної моделі; на фіг. 3 схематично зображений теплообмінний пристрій-рекуператор відповідно до корисної моделі; на фіг. 4 схематично зображені прямий „пр" і зворотний „зв" потоки регенерації теплоти відповідно до корисної моделі; на фіг. 5 схематично зображене переріз А-А фіг. 4; на фіг. 6 схематично зображене переріз Б-Б фіг. 5. Найкращий варіант виконання корисної моделі. Одноступенева компресійна установка містить компресор 1, теплообмінний пристрійконденсатор 2, теплообмінний пристрій-рекуператор 3, дросельний пристрій 4, випарник 5, що герметично зв'язані між собою для створення прямого і зворотного потоків робочого тіла (див. Фіг. 1). Як робоче тіло використовують суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах, переважно холодоагенти з високою точкою кипіння, такі як ізобутан та пропан і холодоагенти з 2 UA 86654 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 низькою точкою кипіння, такі як етилен, метан та азот при наступному їх співвідношенні, об., %: ізобутан -40,0-75,0; пропан -3,0-6,0; етилен -14,0-17,0; метан - 3,0-6,0; азот - 5,0-10,0. Підвід і відвід теплоти описується TS- діаграмою через зміну ентропії S, де і нижче позначено таке (див. фіг. 2): S - ентропія; при підводі до робочого тіла теплоти його ентропія зростає, а при відводі теплоти - зменшується; Т - температура; точками а, b, с, …, позначений стаціонарний характерний стан робочого тіла; лініями а-b, b-с і т.п. - зміни параметрів робочого тіла, що відповідають процесам, що відбуваються в установці; То - температура оточуючого середовища; Тконд п - температура початку конденсації робочого тіла; Тконд к - температура кінця конденсації робочого тіла; Ткип п - температура початку кипіння робочого тіла; Ткип к - температура кінця кипіння робочого тіла; q0 - кількість тепла, що віднімається від охолоджуваного об'єкта. Рконд - тиск конденсації Ркип - тиск кипіння. Як видно з фіг. 3, 4, 5, 6 конструктивно теплообмінний пристрій-рекуператор для холодильних компресійних установок містить два, основний і додатковий, внутрішні нагнітаючі 6, 7 відповідно і зовнішній всмоктуючий 8 теплообмінні трубопроводи сталого переріз, виконані з матеріалу з високим коефіцієнтом теплопровідності. Зовнішній всмоктувальний 8 теплообмінний трубопровід виконаний з гладкою зовнішньою і внутрішньою поверхнями. Внутрішні нагнітальні основний 6 і додатковий 7 теплообмінні трубопроводи виконані розташованими вздовж осі зовнішнього всмоктувального 8 трубопроводу. Ці основний 6 і додатковий 7 внутрішні нагнітальні трубопроводи скручені між собою вздовж загальної осі (див. фіг. 4). Вони являють собою циліндричні спіралі, витки яких виконані з однаковим кроком з утворенням гвинтоподібних каналів в середині них, а назовні - почергово розташовані по гвинтоподібній лінії виступи і западини. Можливий варіант виконання регенеративного теплообмінника, у якому співвідношення прохідних перерізів зовнішнього всмоктувального 8 і двох внутрішніх нагнітальних 6, 7 трубопроводів дорівнює як 1,2…3,3. Можливий варіант виконання регенеративного теплообмінника, у якого основний 6 і додатковий 7 внутрішні нагнітаючі трубопроводи виконані з мідної трубки діаметром 3,,,8 мм. Можливий варіант виконання регенеративного теплообмінника, у якого зовнішній всмоктуючий 8 трубопровід виконаний з мідної трубки діаметром 18,,,22 мм. Можливий варіант виконання регенеративного теплообмінника, у якому основний 6 і додатковий 7 внутрішні нагнітальні трубопроводи, скручені між собою вздовж загальної осі, виконані з мідної трубки одного діаметра 5 мм, при цьому зовнішній всмоктувальний 8 трубопровід виконаний з мідної трубки діаметром 20 мм. Найкращим варіантом є варіант виконання регенеративного теплообмінника з основним 6 і одним додатковим 7 внутрішніми нагнітальними трубопроводами, скрученими між собою вздовж загальної осі, виконані з мідної трубки одного діаметра 7 мм, при цьому зовнішній всмоктувальний 8 трубопровід виконаний з мідної трубки діаметром 22 мм. Суміш зазначених вище парів холодоагентів, що містить холодоагенти, що киплять при більш високих температурах, переважно ізобутан та пропан, та холодоагенти, що киплять при більш низьких температурах, переважно етилен, метан та азот у відповідному їх співвідношенні стискають у компресорі 1 (див. фіг. 1, таблицю 1) до тиску конденсації 1,5-2,5 МПа. Стиснену і при стисненні нагріту суміш парів холодоагентів нагнітають до теплообмінного пристрою-конденсатора 2. У теплообмінному пристрої-конденсаторі 2 нагріті пари ізобутану та пропану охолоджують до тиску їх конденсації; відбувається зміна їх фазового стану у рідину, а нагріті пари етилену, метану та азоту знаходяться у пароподібному фазовому стані і, таким чином, робоче тіло частково зріджують. Для зміни фазового стану ізобутану та пропану від кожної одиниці їх маси відводять теплоту, що дорівнює питомій теплоті їх конденсації або питомій теплоті пароутворення. Об'єм рідини залишається незмінним, поки зміни тиску пару або температури не призведуть відповідні зміни інтенсивності зрідження. 3 UA 86654 U Таблиця 1 Холодильний агент і його назва за ИЮПАК (англ. International Хімічна формула Union of Pure and Applied Chemistry, IUРАС) Ізобутан (англ. isobutene; метилпропан, 2С4Н10 метилпропан) Пропан (англ. propane, нім. Propane n) СН3СН2СН3. Етилен (англ. Ethane) С2Н4, Метан (англ. Methane, Tetrahvdridocarbon) CH4. Азот Onate.Nitroqenium, нім. Stickstoff) N 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Температура кипіння при тиску 760 мм рт. ст, °C tкип = -11,7 °C tкип = - 42,07 °C. tкип = -103,71 °C tкип = - 161,6 °C tкип = -195,8 °C Після теплообмінного пристрою-конденсатора 2 робоче тіло у паро-рідинному стані з зріджених ізобутану та пропану і не зріджених етилену, метану та азоту, тобто прямий потік під тиском через фільтр-висушувач (на фіг. 1 не зображений) нагнітають до теплообмінного пристрою-рекуператора 3, що містить два нагнітальних трубопроводів 6, 7 для прямого потоку і один всмоктувальний трубопровід 8 для зворотного потоку (див. фіг. 2, 3, 4). Нагнітальні трубопроводи 6, 7 теплообмінного пристрою-рекуператора 3 скручені один з одним у вигляді циліндричних спіралей, гілки яких виконані з однаковим кроком і утворюють гвинтоподібні канали. Таким чином, нагнітальними трубопроводами 6, 7 прямий потік розділяють переважно на два потоки і придають розділеним потокам гвинтоподібні траєкторії відповідно до гвинтоподібних каналів (див. фіг. 3, 4, позначені стрілками „пр"). При цьому у кожному розділеному потоці зріджені холодоагенти набувають обертальний рух, а не зріджені холодоагенти нагнітаються прямолінійно. В результаті інтенсивного обертального руху зріджених холодоагентів по гвинтоподібній траєкторії не зріджені холодоагенти, що у стані пари пропускають крізь шар зріджених. Відбувається дроблення безперервного об'єму не зріджених холодоагентів з утворенням бульбашок з парів етилену, метану та азоту. Як наслідок, утворюється структурований потік з обумовленим підвищенням тиску до тиску, що відповідає тиску конденсації не зріджених холодоагентів. Кожний з розділених потоків піддають переохолодженню зворотнім потоком, що всмоктують з випарника 5 (див. фіг. 3, 4, позначений стрілкою „зв"). При переохолодженні бульбашки розчиняються у рідині. Таким чином, відбувається додатковий процес конденсації, тобто повне зрідження робочого тіла перед дроселюванням. Після переохолодження розділені потоки об'єднують в один прямий потік. Далі здійснюють дроселювання переохолодженого структурованого нагнітального прямого потоку холодоагентів. При дроселюванні крізь звуження прохідного каналу дросельного пристрою 4 здійснюється подальше незначне зниження температури, зберігає підвищений тиск. Дросельний пристрій 4 являє собою капілярну трубку сталого перерізу, де різність тиску конденсації Рконд і кипіння Ркип холодоагентів забезпечується за рахунок гідравлічного опору по всій довжині капілярної трубки. Капілярна трубка, що з'єднує лінії нагнітання і всмоктування, зрівноважує тиск у холодильній установці при зупинці компресора. Це сприяє розвантаженню компресора в момент пуска і дозволяє використовувати електродвигуни з невисоким пусковим моментом. Під дією розрідження, створюваного у всмоктувальному трубопроводі компресора прямий потік холодоагентів з дросельного пристрою 4 надходить у випарник 5. При розрідженні в випарнику 5 відбувається кипіння (випаровування) рідких холодоагентів. При випаровуванні холодоагенти відбирають тепло від охолоджуваного об'єкта. Процес випарування це є термодинамічний процес, при якому в результаті відбувається поглинання молекулами рідини теплової енергії. При випаруванні відбувається швидка зміна об'єму рідини. Необхідна для кипіння теплота віднімається від охолоджуваного об'єкта, завдяки чому цей об'єкт охолоджується з відповідним зниженням температури, а холодоагенти, що киплять при більш високій температурі кипіння, наприклад ізобутан та пропан киплять повністю до пароподібного стану у випарнику 5. З випарника 5 робоче тіло всмоктують зворотним потоком до теплообмінного пристрою-рекуператора 3 (див. фіг. 1). Об'єм рідини залишається незмінним, поки зміни тиску пару або температури не призведуть відповідні зміни інтенсивності випарування. Як зображено на фіг. 4, 6 у теплообмінному пристрої-рекуператорі 3, саме у каналі його всмоктувального трубопроводу 8 зворотний потік направляють покриволінійних поверхнях витків двох скручених нагнітальних трубопроводів 6, 7. Як наслідок, холодоагенти, що випарувалися (тобто у стані вологого пару) всмоктуються прямолінійно, а холодоагенти, що не 4 UA 86654 U 5 10 15 20 25 30 35 випарувалися (тобто у стані рідини) набувають інтенсивний обертальний рух по гвинтоподібній траєкторії. В результаті холодоагенти, що випарувалися (тобто у стані вологого пару) пропускають крізь шар холодоагентів, що не випарувалися (тобто у стані рідини). Відбувається розрив безперервного паро-рідинного потоку з суміші холодоагентів і дроблення холодоагентів, що не випарувалися на бульбашки. При протіканні з великою швидкість рідини і бульбашок у каналі всмоктувального трубопроводу 8 по криволінійних поверхнях двох скручених нагнітальних трубопроводів 6, 7, тобто через перепони, які являють собою почергово розташовані виступи і западини відбувається утворення у зворотному потоці порожнин, в які виділяються бульбашки. Бульбашки стискають одна одну, утворюються бульбашки більших розмірів, які лопаються. Відбувається обумовлене падіння тиску у зворотному потоці до тиску, що відповідає тиску пароутворення. Таким чином, у всмоктувальному трубопроводі 8 теплообмінного пристрою-рекуператора 3 одночасно відбувається місцеве додаткове пароутворення, що виникає після випарника 5, а необхідне тепло для повного випарування холодоагентів віднімається від їх прямого потоку і через внутрішнє тертя між рухомими холодоагентами. І, як результат, перенагріта паро-рідинна суміш холодоагентів випаровується повністю перед повторним стисненням. Після теплообмінного пристрою-рекуператора 3 зворотній потік всмоктується компресором 1 на повторне стиснення. У компресор всмоктується пар з тиском Ро і температурою То. При зупинці компресора відбувається вирівнювання тиску у теплообмінному пристроїконденсаторі і випарнику, тобто Рконд  Р0, що обумовлене наявністю дросельного пристрою. При запуску компресора тиск нагнітання підвищується не миттєво, а поступово до досягнення номінального значення тиску конденсації. Струм, що використовує електродвигун компресора, поступово росте одночасно з ростом тиску нагнітання. Таким чином, двофазний теплообмінний пристрій-рекуператор працює у замкнутому конденсаторно-випарувальному циклі. Наявність перепаду тиску забезпечує непереривну циркуляцію робочого тіла у контурі установки. Участь в теплообміні приймають речовини, потоки яких рухаються одночасно й безперервно. Основною характеристикою такої конструкції теплообмінника є тип відносного руху потоков холодоагентів прямого й зворотного, взаємна геометрія цих течій: протиток та багатоходова течія у трубах. Це дозволяє збільшити продуктивність установки, а також попередити попадання рідкого холодильного агента до компресора. Завдяки цьому теплообмінник стає більш компактним; пуск установки проводиться швидше. Таким чином, цей регенеративний теплообмінник забезпечує зниження створюваного компресором тиску конденсації до 1,5-2,5 МПа на рівні необхідного охолодження до мінус 190 °C, забезпечує розвантаження компресора і зменшення витрат спожитої електроенергії на 15 %. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 1. Регенеративний теплообмінник для холодильних компресійних установок, що містить зовнішній всмоктувальний і внутрішній нагнітальний трубопроводи сталого перерізу, виконані з матеріалу з високим коефіцієнтом теплопровідності, який відрізняється тим, що містить щонайменше один додатковий внутрішній нагнітальний трубопровід сталого перерізу, основний внутрішній і щонайменше один додатковий внутрішній нагнітальні трубопроводи, скручені між собою вздовж загальної осі у вигляді циліндричних спіралей з утворенням гвинтоподібних каналів всередині, а назовні - почергово розташованих виступів і западин. 2. Регенеративний теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що витки циліндричних спіралей, скручених між собою внутрішніх нагнітальних трубопроводів, виконані з однаковим кроком. 3. Регенеративний теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що елементи співвідношення прохідного перерізу зовнішнього всмоктувального і основного та щонайменше одного додаткового внутрішніх нагнітальних трубопроводів дорівнює як 1,2-3,3. 4. Регенеративний теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що зовнішній всмоктувальний трубопровід виконаний з мідної трубки діаметром 18-22 мм., а внутрішні нагнітальні трубопроводи виконані з мідної трубки діаметром 3-8 мм. 5 UA 86654 U 6 UA 86654 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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 7