RU203886U1 - Thermal reversible freecooling - Google Patents

Abstract

Парокомпрессионная холодильная машина, включающая компрессор, конденсатор воздушного охлаждения, трубопроводы с арматурой, испаритель и дроссельный вентиль, выполненная с возможностью переноса теплоты из испарителя в конденсатор за счет низкой температуры окружающей среды, отличающаяся тем, что в холодильную систему встроены: байпасный вентиль в обход компрессора, параллельно установлены ресиверные станции с контролем уровня хладагента, ресиверные станции оснащены гибкими ТЭНами, установленными на ресивере, реле давления, соединенное с ресивером, ресиверные станции оснащены байпасными вентилями, соединяющими их с входом в конденсатор.A vapor compression refrigeration machine, including a compressor, an air-cooled condenser, pipelines with fittings, an evaporator and a throttle valve, made with the ability to transfer heat from the evaporator to the condenser due to low ambient temperature, characterized in that the refrigeration system has built-in: a bypass valve bypassing the compressor , receiver stations with refrigerant level control are installed in parallel, receiver stations are equipped with flexible heating elements installed on the receiver, pressure switch connected to the receiver, receiver stations are equipped with bypass valves connecting them to the condenser inlet.

Description

Предлагаемое устройство относится к области холодильной техники к промышленным холодильникам и кондиционерам.The proposed device belongs to the field of refrigeration technology for industrial refrigerators and air conditioners.

Как правило наиболее распространены устройства свободного охлаждения (фрикулинг) с драйкулером позволяющие использовать низкие температуры окружающей среды без использования машинного охлаждения.As a rule, the most common devices for free cooling (freecooling) with a dry cooler allow using low ambient temperatures without using machine cooling.

Сухие градирни (драйкулеры) имеют достаточно широкую область применения в системах кондиционирования и технологического охлаждения воды. Принцип работы системы фрикулинга заключается в том, что холодный воздух прогоняется вентиляторами через теплообменник и охлаждает хладоноситель (гликоль) внутри блока. После чего гликоль поступает в теплообменник и охлаждает воду, поступающую к потребителю. В этом способе внешняя поверхность теплообменника остается сухой, и таких проблем, как накипь и коррозия, не существует благодаря замкнутому контуру. Такая система имеет ряд недостатков.Dry cooling towers (drycoolers) are widely used in air conditioning and process water cooling systems. The principle of operation of the freecooling system is that cold air is driven by fans through a heat exchanger and cools the coolant (glycol) inside the unit. After that, the glycol enters the heat exchanger and cools the water supplied to the consumer. In this method, the outer surface of the heat exchanger remains dry and problems such as scale and corrosion are avoided due to the closed loop. This system has several disadvantages.

Недостатками установки является высокая стоимость системы с драйкулером, гидромодулем, теплообменником; усложнение конструкции приводит к увеличению трудозатрат обслуживающего персонала, габаритных размеров и веса чиллера; применение токсичных антифризов из-за возможности замерзания гидравлического контура в зимний период, а использование антифризов увеличивает сопротивление гидравлического контура и требует увеличения мощности насоса; в зимние месяцы нередко возникает необходимость в регулировании объема охлаждающей жидкости; уменьшение энергоэффективности из-за увеличения энергопотребления вентиляторов (Драйкулер обычно устанавливается последовательно, за конденсатором. Двойной теплообменник - двойное сопротивление движению воздуха).The disadvantages of the installation are the high cost of the system with a dry cooler, hydronic module, heat exchanger; the complication of the design leads to an increase in the labor costs of the maintenance personnel, the overall dimensions and weight of the chiller; the use of toxic antifreezes due to the possibility of freezing of the hydraulic circuit in winter, and the use of antifreezes increases the resistance of the hydraulic circuit and requires an increase in pump power; in the winter months, it is often necessary to regulate the volume of the coolant; decrease in energy efficiency due to increased energy consumption of fans (Drycooler is usually installed in series, behind the condenser. Double heat exchanger - double resistance to air movement).

(«Ксирон-Холод» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.xiron.ru/content/view/32025/200/, свободный - (06.10.2019)).("Ksiron-Holod" [Electronic resource]. - Access mode: http://www.xiron.ru/content/view/32025/200/, free - (06.10.2019)).

Компания «SMARDT» предлагает систему фрикулинга с драйкулером заменить на более экономичную систему - термосифон. Термосифонный контур можно использовать в настоящее время в качестве эффективной замены методов воздушного и водяного охлаждения.The company "SMARDT" proposes to replace the freecooling system with a dry cooler with a more economical system - a thermosyphon. The thermosiphon circuit can now be used as an effective replacement for air and water cooling methods.

Отводимая теплота поступает в нижнюю часть устройства в испаритель, испаряя хладагент и заставляя его пары подниматься к верхней части устройства в конденсатор. В результате чего пар хладагент конденсируется на стенке трубы. Жидкость стекает обратно к испарителю под действием гравитации, и процесс повторяется. Процесс переноса теплоты, использующий эту естественную циркуляцию, называют "термосифон".The rejected heat enters the bottom of the device into the evaporator, evaporating the refrigerant and forcing its vapor to rise to the top of the device into the condenser. As a result, refrigerant vapor condenses on the pipe wall. The liquid flows back to the evaporator under the action of gravity, and the process is repeated. The heat transfer process using this natural circulation is called a "thermosyphon".

Поскольку в этом процессе не используется никаких устройств перемещения, мы имеем значительно более высокую надежность, низкий шум, низкую стоимость обслуживания, более высокую долговечность и низкую себестоимость. В конструкцию термосифона входит охлаждающий контур с хладагентом, который циркулирует без компрессора. Единственными подвижными элементами являются вентилятор конденсатора и хладагент, движущийся в охлаждающем контуре в процессе естественной конвекции.Since no movement device is used in this process, we have significantly higher reliability, lower noise, lower maintenance cost, higher durability, and lower production cost. The design of the thermosyphon includes a refrigerant circuit that circulates without a compressor. The only moving parts are the condenser fan and the refrigerant moving in the cooling circuit by natural convection.

Принцип работы установки с термосифоном логичен и прост. В чиллере не появляется нового теплообменного оборудования, как при аналогичных гликолевых решениях, а появляется несколько дополнительных фреоновых элементов. Условием работы фрикулинга с помощью термосифона является разность температур между двумя точками системы - это конденсатор и испаритель. За счет создания повышенного давления в испарителе происходит естественная циркуляция фреона. Теплота переносится от испарителя (охлаждаемой воды) к конденсатору (передавая его к окружающей среде). Процесс переноса теплоты происходит естественным образом и для его работы необходима только работа вентиляторов конденсатора, насоса на испарителе.The principle of operation of the installation with a thermosyphon is logical and simple. New heat exchange equipment does not appear in the chiller, as with similar glycol solutions, but several additional freon elements appear. The condition for freecooling with the help of a thermosyphon is the temperature difference between two points of the system - a condenser and an evaporator. Due to the creation of increased pressure in the evaporator, the natural circulation of freon occurs. Heat is transferred from the evaporator (chilled water) to the condenser (transferring it to the environment). The process of heat transfer occurs naturally and for its operation only the operation of the condenser fans, the pump on the evaporator is required.

Теплота испарения и конденсации фреона значительна, поэтому производительность такой системы свободного охлаждения достаточна.The heat of vaporization and condensation of freon is significant, so the performance of such a free cooling system is sufficient.

Главным недостатком такой системы является обязательное расположение конденсатора над испарителем; увеличение габаритных размеров установки вследствие чего не все помещения подходят для монтажа; невозможность регулирования холодопроизводительности. В связи с этими недостатками, такие системы не применяются на практикеThe main disadvantage of such a system is the obligatory location of the condenser above the evaporator; an increase in the overall dimensions of the installation, as a result of which not all rooms are suitable for installation; impossibility of regulating refrigerating capacity. Due to these shortcomings, such systems are not applied in practice.

(Трейд Групп (Smardt) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.vent-tk.ru/articles/2013/chillery-smardt-na-baze-kompressorov-41, свободный - (06.10.2019)).(Trade Group (Smardt) [Electronic resource]. - Access mode: http://www.vent-tk.ru/articles/2013/chillery-smardt-na-baze-kompressorov-41, free - (06.10.2019) ).

За прототип принято устройство (Левенцов А.А. Фрикулинг. Можно ли удивить специалиста? // Журнал С.О.К. - 2005. - №4.), предлагаемое компанией «Carrier», где предлагается оснастить систему с фрикулингом фреоновым насосом.For the prototype, the device (Leventsov AA Freekilling. Can you surprise a specialist? // Journal SOK - 2005. - No. 4.), offered by the Carrier company, where it is proposed to equip the system with freecooling with a freon pump.

Естественное охлаждение с прямым испарением позволяет значительно сократить расход энергии, требующейся для охлаждения зимой. В режиме естественного охлаждения компрессоры останавливаются, и работают только вентилятор и фреоновый насос системы охлаждения. Автоматическое переключение с режима охлаждения компрессорами на режим естественного охлаждения осуществляется системой управления по тепловой нагрузке чиллера и перепаду температур охлажденной воды и наружного воздуха.Free cooling with direct evaporation can significantly reduce the energy consumption required for cooling in winter. In Free Cooling mode, the compressors are stopped and only the cooling fan and freon pump are running. Automatic switching from compressor cooling mode to free cooling mode is carried out by the control system based on the chiller heat load and the temperature difference between chilled water and outdoor air.

Когда перепад температур охлажденной воды и наружного воздуха превышает пороговое значение, система управления сравнивает мгновенное значение холодопроизводительности системы с полной холодопроизводительностью в режиме естественного охлаждения. Если условия позволяют работу в режиме естественного охлаждения, то компрессоры выключаются, трехходовой вентиль в линии всасывания соединяет испаритель с конденсатором, позволяя миграцию пара холодильного агента в конденсатор. Пары холодильного агента конденсируются в теплообменниках конденсатора, и фреоновый насос холодильной машины создает давление перед дроссельным вентилем. Холодопроизводительность в режиме естественного охлаждения регулируется открытием дроссельного вентиля.When the temperature differential between chilled water and outdoor air exceeds a threshold, the control compares the instantaneous cooling capacity of the system with the total cooling capacity in Free Cooling mode. If conditions permit free cooling, the compressors are turned off and a three-way valve in the suction line connects the evaporator to the condenser, allowing refrigerant vapor to migrate into the condenser. The refrigerant vapors are condensed in the condenser coils and the refrigeration freon pump builds up pressure upstream of the throttle valve. The cooling capacity in Free Cooling mode is controlled by opening the throttle valve.

Недостатком данной конструкции является необходимость дорогостоящего фреонового насоса, обеспечивающего работоспособность холодильного контура; дополнительные затраты на обслуживание фреонового насоса. Стоимость фреонового насоса сопоставима со стоимостью драйкулера, но его надежность намного меньше, поэтому такие системы не применяются на практике.The disadvantage of this design is the need for an expensive freon pump, which ensures the operability of the refrigeration circuit; additional costs for the maintenance of the freon pump. The cost of a freon pump is comparable to the cost of a dry cooler, but its reliability is much less, so such systems are not used in practice.

Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа, т.е. создание экономичной и надежной системы подачи жидкого хладагента с необходимым давлением на дроссельный элемент без фреоновых насосов для получения холодопроизводительности за счет естественного холода и затрат электроэнергии только на работу ТЭНа подогрева ресивера.The task of the utility model is to eliminate the shortcomings of the prototype, i.e. creation of an economical and reliable system for supplying liquid refrigerant with the required pressure to the throttle element without freon pumps to obtain refrigeration capacity due to natural cold and electricity consumption only for the operation of the heating element for heating the receiver.

Технический результат:Technical result:

обеспечение циркуляции хладагента на такое расстояние, когда термосифон уже непригоден и возникает необходимость во фреоновых насосах. При этом вместо герметичного насоса с электродвигателем используются две ресиверные станции с системой термостатирования;ensuring the circulation of the refrigerant at such a distance when the thermosyphon is no longer suitable and there is a need for freon pumps. In this case, instead of a sealed pump with an electric motor, two receiver stations with a temperature control system are used;

простота, надежность, компактность конструкции и безопасность эксплуатации устройства.simplicity, reliability, compact design and safe operation of the device.

Дополнительный технический результат:Additional technical result:

значительная энергетическая эффективность использования ТЭНа для создания давления жидкого хладагента на линии подачи в дроссельное устройство.significant energy efficiency of using a heating element to create a pressure of liquid refrigerant in the supply line to the throttle device.

Поставленная задача решается тем, что для достижения технического результата предложена холодильная машина, включающая компрессор, трубопроводы с арматурой, испаритель, конденсатор и дроссельный вентиль, содержащая следующие новые признаки:The problem is solved by the fact that to achieve the technical result, a refrigeration machine is proposed, including a compressor, pipelines with fittings, an evaporator, a condenser and a throttle valve, containing the following new features:

машина оснащена байпасным вентилем, обеспечивающим циркуляцию хладагента по системе, минуя компрессор;the machine is equipped with a bypass valve that circulates the refrigerant through the system, bypassing the compressor;

на машине устанавливается две параллельные ресиверные станции, каждая из которых оборудована нагревателем, установленным на ресивере. Этот признак обеспечивает возможность сбора конденсата в один из ресиверов в зимний период времени, когда давление в конденсаторе ниже давления в испарителе, давление в ресивере в это время равно давлению в конденсаторе, ТЭН в это время отключен реле уровня. В то же время, во втором ресивере ТЭНы создают необходимую температуру и давление, достаточное для подачи жидкого хладагента в дроссельное устройство. Реле давления поддерживает заданное давление в ресивере путем включения и выключения ТЭНа;two parallel receiver stations are installed on the machine, each of which is equipped with a heater installed on the receiver. This feature makes it possible to collect condensate in one of the receivers in the winter period, when the pressure in the condenser is lower than the pressure in the evaporator, the pressure in the receiver at this time is equal to the pressure in the condenser, the heating element at this time the level switch is turned off. At the same time, in the second receiver, the heating elements create the required temperature and pressure sufficient to supply liquid refrigerant to the throttle device. The pressure switch maintains the set pressure in the receiver by turning the heating element on and off;

каждый ресивер оснащен реле нижнего уровня жидкого хладагента, которое выключает реле давления и соответственно ТЭН одного ресивера при заданном уровне и открывает байпасную линию на входе в конденсатор. За счет чего время выхода на низкое давление в ресивере сокращается до минимума. При этом включается реле давления, соответственно включается ТЭН второго ресивера, наполненного жидким холодильным агентом.each receiver is equipped with a low level switch for liquid refrigerant, which turns off the pressure switch and, accordingly, the heating element of one receiver at a given level and opens the bypass line at the inlet to the condenser. Due to this, the time to reach low pressure in the receiver is reduced to a minimum. At the same time, the pressure switch turns on, respectively, the heating element of the second receiver, filled with a liquid refrigerant, turns on.

Совокупность указанных признаков соответствует условию «новизна», т.к. из уровня техники не было выявлено совокупности подобных признаков для решения поставленной задачи, а также условию «промышленная применимость», что подтверждает приведенный ниже пример для иллюстрации указанных технических результатов.The combination of these features corresponds to the "novelty" condition, since the prior art did not reveal a set of similar features to solve the problem, as well as the condition "industrial applicability", which is confirmed by the example below to illustrate the specified technical results.

Сущность полезной модели поясняется фигурой, где приведена принципиальная схема холодильной машины, которая содержит компрессор 1, конденсатор с воздушным охлаждением 4, ресиверную станцию 7 и 8, дроссельный вентиль 11, испаритель 12, трубопроводы с арматурой 2, 3, 5, 6, 11, 10, 13, 14, реле уровня 15, 16.The essence of the utility model is illustrated by a figure, which shows a schematic diagram of a refrigerating machine, which contains a compressor 1, an air-cooled condenser 4, a receiver station 7 and 8, a throttle valve 11, an evaporator 12, pipelines with fittings 2, 3, 5, 6, 11, 10, 13, 14, level relay 15, 16.

Ресиверная станция устанавливается на жидкостной линии между конденсатором и испарителем. Поверхность установки должна быть ровной и горизонтальной. Каждый ресивер оборудован предохранительным клапаном, давление срабатывания которого рассчитано под конкретный хладагент согласно ГОСТ Р 12.2.142-99. Для поддержания высокого давления хладагента в ресивере в условиях низких температур окружающей среды установлена система нагрева. Система нагрева включает в себя гибкий ТЭН подогрева, теплоизоляцию ресивера и управляющее реле давления или температуры. При использовании подогрева ресивера требуется обязательная установка обратного клапана перед ресивером. The receiver station is installed on the liquid line between the condenser and the evaporator. The installation surface must be level and horizontal. Each receiver is equipped with a safety valve, the response pressure of which is designed for a specific refrigerant in accordance with GOST R 12.2.142-99. To maintain a high pressure of the refrigerant in the receiver at low ambient temperatures, a heating system is installed. The heating system includes a flexible heating element, receiver thermal insulation and a pressure or temperature control switch. When using receiver heating, a check valve must be installed in front of the receiver.

Пример.Example.

Холодильная машина работает следующим образом.The chiller works as follows.

При понижении температуры окружающей среды и падении давления в ресиверах ниже заданного уровня, реле давления включает нагреватели и поддерживает таким образом давление на заданном уровне. Если ресиверы устанавливаются снаружи здания, они оснащаются теплоизоляцией устойчивой к воздействию солнца и влаги. Устройство, представленное на рис. 1, работает следующим образом. При понижении температуры окружающей среды ниже заданной температуры кипения в испарителе, компрессор 1 выключается. Открывается байпасный клапан 13. Как уже было описано выше, в ресивере 7 поддерживается давление конденсации, жидкий хладагент под давлением через дроссельный вентиль направляется в испаритель 12, кипит, и его пары поступают в конденсатор 4, где происходит его конденсация. В это время ресивер 8 соединен с линией всасывания, реле давления и ТЭН отключен, соответственно давление в нем соответствует давлению в конденсаторе, а жидкий хладагент собирается в ресивер. По достижению нижнего уровня жидкого фреона в ресивере 7 соленоидный клапан 11 на испаритель закрывается, нагреватель на ресивере выключается, а соленоидный клапан 2 на линии входа в конденсатор открывается, выравнивая давление в ресивере и конденсаторе. В этот момент соленоидный клапан 6 на линии входа в ресивер 8 закрыт, нагреватель включается, давление повышается до давления конденсации, и жидкий хладагент направляется в испаритель. После достижения нижнего уровня жидкого хладагента срабатывает реле уровня 15 и ресиверы переключаются. Нагреватель ресивера 7 выключается, байпасный клапан 2 открывается, и давление в ресивере 7 и конденсаторе 4 выравнивается. Жидкий хладагент из конденсатора 4 собирается в ресивер 7. В это время реле давления на ресивере 8 включает нагреватель, и жидкий хладагент под давлением устремляется через дроссельный вентиль в испаритель, цикл замыкается.When the ambient temperature drops and the pressure in the receivers falls below a predetermined level, the pressure switch turns on the heaters and thus maintains the pressure at a predetermined level. If the receivers are installed outside the building, they are equipped with thermal insulation that is resistant to sun and moisture. The device shown in Fig. 1 works as follows. When the ambient temperature drops below the set evaporating temperature in the evaporator, compressor 1 is switched off. Bypass valve 13 opens. As already described above, condensation pressure is maintained in receiver 7, liquid refrigerant under pressure is directed through a throttle valve to evaporator 12, boils, and its vapors enter condenser 4, where it condenses. At this time, the receiver 8 is connected to the suction line, the pressure switch and the heating element are disconnected, respectively, the pressure in it corresponds to the pressure in the condenser, and the liquid refrigerant is collected in the receiver. Upon reaching the lower level of liquid freon in the receiver 7, the solenoid valve 11 on the evaporator closes, the heater on the receiver turns off, and the solenoid valve 2 on the inlet line to the condenser opens, equalizing the pressure in the receiver and the condenser. At this moment, the solenoid valve 6 on the inlet line to the receiver 8 is closed, the heater turns on, the pressure rises to the condensing pressure, and the liquid refrigerant is directed to the evaporator. After reaching the lower level of the liquid refrigerant, the level switch 15 is activated and the receivers are switched over. The heater of the receiver 7 is turned off, the bypass valve 2 opens, and the pressure in the receiver 7 and condenser 4 is equalized. The liquid refrigerant from the condenser 4 is collected in the receiver 7. At this time, the pressure switch on the receiver 8 turns on the heater, and the liquid refrigerant under pressure rushes through the throttle valve into the evaporator, the cycle is closed.

При наступлении теплого периода все байпасные клапаны и соленоидный клапан на одной ресиверной станции отключаются. Вторая ресиверная станция работает в обычном режиме вместе с компрессором.At the onset of a warm period, all bypass valves and a solenoid valve in one receiver station are turned off. The second receiver station works as usual together with the compressor.

Предлагаемое устройство не содержит элементов, составляющих контур обычной холодильной машины, использующий естественный холод окружающей среды, фреоновых насосов, термосифона, драйкулера. Это значительно упрощает конструкцию, повышает ее экономичность, надежность, долговечность, снижает габариты, металлоемкость и стоимость изготовления. Постоянство температуры у потребителя обеспечивается за счет непрерывности циркуляции хладагента в зимний и в летний периоды.The proposed device does not contain the elements that make up the circuit of a conventional refrigeration machine that uses the natural cold of the environment, freon pumps, thermosyphon, dry cooler. This greatly simplifies the design, increases its efficiency, reliability, durability, reduces dimensions, metal consumption and manufacturing cost. The constancy of the temperature at the consumer is ensured by the continuous circulation of the refrigerant in winter and summer periods.

Claims (1)

Парокомпрессионная холодильная машина, включающая компрессор, конденсатор воздушного охлаждения, трубопроводы с арматурой, испаритель и дроссельный вентиль, выполненная с возможностью переноса теплоты из испарителя в конденсатор за счет низкой температуры окружающей среды, отличающаяся тем, что в холодильную систему встроены: байпасный вентиль в обход компрессора, параллельно установлены ресиверные станции с контролем уровня хладагента, ресиверные станции оснащены гибкими ТЭНами, установленными на ресивере, реле давления, соединенное с ресивером, ресиверные станции оснащены байпасными вентилями, соединяющими их с входом в конденсатор.A vapor compression refrigeration machine, including a compressor, an air-cooled condenser, pipelines with fittings, an evaporator and a throttle valve, made with the ability to transfer heat from the evaporator to the condenser due to low ambient temperature, characterized in that the refrigeration system has built-in: a bypass valve bypassing the compressor , receiver stations with refrigerant level control are installed in parallel, receiver stations are equipped with flexible heating elements installed on the receiver, a pressure switch connected to the receiver, receiver stations are equipped with bypass valves connecting them to the condenser inlet.

Images