CZ287444B6 - Způsob regulování výkonu parního kompresorového okruhu - Google Patents

Abstract

Způsob regulování výkonu parního kompresorového okruhu, obsahujícího kompresor (10), chladič (11), škrticí prostředky (13) a výparník (14), zapojené do série a tvořící integrální uzavřený okruh, pracující na vysokotlaké straně okruhu při nadkritickém tlaku, spočívá v tom, že tlak na vysokotlaké straně okruhu se reguluje změnou okamžitého množství chladiva, obsaženého na vysokotlaké straně okruhu, a tato regulace se provádí měněním množství chladiva, obsaženého ve vyrovnávacím zásobníku, vřazeném do okruhu, přičemž zvyšování tlaku se uskutečňuje snižováním množství chladiva v uvedeném vyrovnávacím zásobníku a naopak a tím se působí na specifický výkon okruhu.ŕ

Description

Způsob regulování výkonu parního kompresorového okruhu

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení s kompresním parním chladicím cyklem, jako chladičů, klimatizačních jednotek a tepelných čerpadel při užití chladivá, pracujícího v uzavřeném okruhu za nadkritických podmínek, a zejména způsobu modulování a regulace výkonu takových zařízení.

Dosavadní stav techniky

Obvyklý parní kompresorový okruh pro účely chlazení, klimatizace nebo tepelných čerpadel je v zásadě znázorněn na obr. 1. Zařízení sestává z kompresoru, kondenzačního výměníku tepla, škrticího ventilu a odpařovacího výměníku tepla. Tyto složky jsou spojeny v okruhu s uzavřeným průtokem, ve kterém je uváděno do oběhu chladivo. Pracovní princip zařízení s parním chladicím cyklem je následující: tlak a teplota páry chladivá se kompresorem zvýší než vstoupí do kondenzátoru, kde se ochladí a kondenzuje, přičemž odevzdá teplo sekundárnímu chladivu. Vysokotlaká kapalina se pak expanzním ventilem srazí na tlak a teplotu výpamíku. Ve výpamíku chladivo vře a absorbuje teplo ze svého okolí. Pára se na výstupu z výpamíku odvádí do kompresoru, čímž je cyklus uzavřen.

Obvyklá zařízení s parním kompresorovým okruhem užívají chladiv (jako například R-12, CF2CI2), pracujících zcela při podkritických tlacích. Jako chladivá lze užít celé řady různých látek nebo směsí látek. Volba chladívaje mimo jiné ovlivňována kondenzační teplotou, jelikož kritická teplota tekutiny bude horní mez pro nastávající kondenzaci. Za účelem udržení přijatelné účinnosti je normálně žádoucí použít chladivá s kritickou teplotou nejméně 20 až 30 K nad kondenzační teplotou. Při konstrukci a provozu běžných soustav se obvykle obcházejí teploty blízké kritické teplotě.

O dnešní technologii pojednává literatura velmi podrobně, jak lze zjistit například v „Handbooks of Američan Society of Heating“, „Refrigerating and Air Conditioning Engineers lne., Fundamentals 1989“ a „Refrigeration 1986“.

Okolnost, že dnes běžně užívaná chladivá (halogenované uhlovodíky) ničí ozonovou vrstvu zeměkoule, vedla k silné mezinárodní reakci, aby používání těchto tekutin bylo sníženo nebo zapovězeno. Je zde tedy nezbytně zapotřebí nalézt vhodné alternativy dosavadní technologie.

Řízení výkonu u běžných zařízení parních kompresorových okruhů se dosahuje hlavně regulací průtokového množství chladivá, procházejícího výpamíkem. To se provádí například regulací výkonu kompresoru, přiškrcováním nebo obtokem. Tyto postupy zahrnují složitější průtočný okruh a komponenty, nutnost přídavného vybavení a příslušenství, sníženou účinnost dílčího zatížení a jiné komplikace.

Obvyklým typem zařízení pro regulaci množství kapaliny je termostatický expanzní ventil, který se ovládá přehřátím na výstupu výpamíku. Správné činnosti ventilu při proměnlivých pracovních podmínkách se dosáhne použitím velké části výpamíku pro přehřívání chladivá, což vede k nízkému koeficientu přenosu tepla.

Kromě toho nastává odvádění teploty v kondenzátoru s obvyklým parním kompresorovým okruhem hlavně při konstantní teplotě. Termodynamické ztráty proto nastávají v důsledku velkých rozdílů teploty, když se teplo odevzdává sekundárnímu chladivu s velkým nárůstem teploty, jako při aplikacích s tepelným čerpadlem, nebo když je dostupný sekundární průtok chladivá malý.

Provoz parního kompresorového okruhu za nadkritických podmínek byl do určité míry prováděn již dříve. Až do doby, kdy se uplatnily halogenované uhlovodíky před 40 až 50 lety, se běžně užívalo CO₂ jako chladivá, zejména pro chlazení na lodích a chlazení zásob a nákladu. Příležitostně, zejména když loď projížděla tropickými oblastmi, mohla být chladicí teplota mořské vody příliš vysoká pro účinné provádění normální kondenzace, a zařízení pracovalo

-1 CZ 287444 B6 s nadkritickou teplotou na vysokotlaké straně. Kritická teplota pro CO₂ je -31 °C. V této situaci byla praxe taková, že se obsah chladivá na vysokotlaké straně zvětšoval až do bodu, při kterém tlak na výpusti kompresoru dosáhl zvýšení na 9 až 10 MPa tak, aby se chladicí výkon udržel na přijatelné úrovni. Technologie chlazení s CO₂ je popsána ve starší literatuře, například v publikaci P. Ostertag: „Kalteprozesse“, Springer 1933, nebo v publikaci H. J. Maclntire: „Refrigeration Engineering“, Wiley 1937.

Obvyklá praxe ve starších soustavách s CO₂ záležela v přidání dalšího množství chladivá z oddělených zásobních válců. Sběrač, zařazený za kondenzátorem, normálním způsobem nebude však schopen vykonávat funkce, zamýšlené vynálezem.

ío Jiná možnost zvýšení výkonu a účinnosti daného parního kompresorového okruhu, pracujícího s nadkritickým tlakem na vysokotlaké straně, je známa z německého patentového spisu DE č. 278 095 (1912). Tento postup zahrnuje dvoustupňovou kompresi s mezichlazením v nadkritické oblasti. Ve srovnání se standardním systémem toto uspořádání zahrnuje instalaci přídavného kompresoru nebo čerpadla a výměníku tepla.

Publikace „Principles of Refrigeration“, autor W. B. Gosney, Cambridge Univ. Press 1982, poukazuje na některé zvláštnosti práce v blízkosti kritického tlaku. Navrhuje se, že by zvýšení množství chladivá na vysokotlaké straně mohlo být prováděno dočasným uzavřením expanzního ventilu tak, aby docházelo k převedení určitého množství chladivá z výpamíku. Avšak zdůrazňuje se, že by takto výpamík vykazoval nedostatek kapaliny, což by způsobovalo 20 snižování výkonu v době, kdy je ho nejvíce zapotřebí.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu proto je vytvoření nových, zlepšených, jednoduchých a účinných prostředků pro modulování a regulaci výkonu nadkritického parního kompresorového okruhu při odstranění shora uvedených nevýhod a nedostatků dřívějšího stavu techniky.

Dalším účelem vynálezu je vytvořit parní kompresorový okruh při vyloučení použití chladiv typu CFC, a zároveň dát možnost použití různých atraktivních chladiv se zřetelem na bezpečnost, ohrožení okolního prostředí a pořizovací náklady.

Jiným účelem vynálezu je poskytnout nový způsob regulace výkonu, kteiý zahrnuje práci při zásadně konstantní rychlosti průtokového množství chladivá a jednoduché modulaci výkonu 30 činností ventilu.

Ještě dalším předmětem vynálezu je vytvoření cyklu, odstraňujícího teplo při sestupné teplotě a snížení ztrát při výměně tepla v aplikacích, kde je průtok sekundárního chladivá malý, nebo když má být sekundární chladivo zahříváno na poměrně vysokou teplotu.

Shora uvedených i jiných předmětů a účelů vynálezu se dosáhne způsobem, který je činný 35 obvykle za nadkritických podmínek (tj. při nadkritickém tlaku na vysokotlaké straně a podkritickém tlaku na nízkotlaké straně), přičemž se termodynamických vlastností v nadkritickém stavu použije pro řízení chladicího a zahřívacího výkonu zařízení.

Vynález zahrnuje regulaci specifické entalpie na vstupu výpamíku úmyslným použitím tlaku před přiškrcením za účelem regulace výkonu. Výkon se reguluje tím, že se mění rozdíl entalpie 40 chladivá ve výpamíku, a to změnou specifické entalpie chladivá před přiškrcením. V nadkritickém stavu se toto může provádět tak, že se nezávisle mění tlak a teplota. U výhodného provedení se tato modulace specifické entalpie provádí změnou tlaku před zaškrcením. Chladivo se ochlazuje co možná nejvíce pomocí dostupného chladicího prostředí a tlak se reguluje pro dosažení žádané entalpie.

Podstatu vynálezu tvoří způsob regulování výkonu parního kompresorového okruhu, obsahujícího kompresor, chladič, škrticí ústrojí a výpamík, zapojené do série a tvořící integrální uzavřený okruh, pracující na vysokotlaké straně okruhu při nadkritickém tlaku. Regulace výkonu se provádí změnou okamžitého množství chladicí náplně na vysokotlaké straně okruhu.

-2CZ 287444 B6

Jedno z výhodných provedení způsobu spočívá v tom, že regulace výkonu je založena na modulaci nadkritického tlaku a prováděna měněním kapalinové zásoby nízkotlakového přijímače (16) chladivá, umístěného mezi výpamíkem (14) a kompresorem (10) při použití pouze škrticího ústrojí (13) jako prostředku pro regulování výkonu.

Podle dalšího provedení se změna okamžitého množství chladivá na vysokotlaké straně proudového okruhu provádí modulováním ventilu (21) a škrticího ústrojí (13) za účelem nadkriticky stlačené náplně chladivá v přijímači (21), upraveném v proudovém okruhu mezi ventilem (21) a škrticím ústrojím (13).

Další provedení spočívá v tom, že změna okamžitého množství chladivá na vysokotlaké straně proudového obvodu se provede plynulým regulováním odstraňování nebo naplňování chladivá do zásobníku (25) zařízení, popřípadě z tohoto zásobníku, spojeného s nízkotlakou a vysokotlakou stranou proudového okruhu trubkami s ventily (23, 24) a udržováním tlaku v zásobním zařízení (25) na hodnotě, pohybující se mezi tlaky na vysokotlaké straně a nízkotlaké straně okruhu.

Podle ještě dalšího provedení se postupuje tak, že se stav výstupu výpamíku udržuje jako dvoufázová směs páry a kapaliny za vytvoření nadbytku kapaliny na nízkotlakém vstupu přídavného výměníku (12) tepla, ve kterém je nízkotlaké chladivo před vstupem do kompresoru podrobeno vypařování a přehřívání teplem, získaným z chladivá o vysokém tlaku.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude níže podrobněji popsán v souvislosti s výkresy, kde:

Obr. 1 znázorňuje schematicky běžný podkritický parní kompresorový okruh;

obr. 2 znázorňuje schematicky nadkritický parní kompresorový okruh, vytvořený podle výhodného provedení vynálezu;

obr. 3 znázorňuje schematicky nadkritický parní kompresorový okruh, vytvořený podle druhého provedení vynálezu, přičemž toto provedení zahrnuje mezilehlý zásobník tlaku, zapojený přímo do průtokového okruhu mezi dvěma ventily;

obr. 4 znázorňuje schematicky nadkritický parní kompresorový okruh, vytvořený podle třetího provedení vynálezu, přičemž toto provedení zahrnuje zvláštní zásobník pro udržování chladivá v kapalném nebo v nadkritickém stavu;

obr. 5 je graf, znázorňující vztah tlaku proti entalpii u nadkritického parního kompresorového okruhu podle obr. 2, 3 nebo 4 za různých pracovních podmínek;

obr. 6 je graf, znázorňující průběh řízení chladicího výkonu způsobem řízení tlaku podle vynálezu, přičemž znázorněné výsledky jsou měřeny za použití laboratorní předváděcí soustavy, vytvořené podle výhodného provedení vynálezu; a obr. Ί je diagram znázorňující vzájemnou souvislost teplota - entalpie v nadkritickém parním kompresorovém okruhu podle obr. 3, pracujícím při různých tlacích na vysokotlaké straně za použití oxidu uhličitého jako chladivá.

Příklady provedení vynálezu

Nadkritický parní kompresní okruh podle vynálezu obsahuje chladivo, jehož kritická teplota je mezi teplotou vstupu a průměrná teplota je dodávané teplo, a dále obsahuje uzavřený pracovní tekutinový okruh, kde je chladivo uváděno do oběhu.

Vhodná tekutá chladivá mohou být například ethylen (C2H4), diboran (B₂H₆), oxid uhličitý (CO₂), ethan (C₂H₆) a oxid dusný (N₂O).

Uzavřený pracovní okruh sestává ze smyčky toku chladivá s integrovaným zásobním úsekem. Obr. 2 znázorňuje výhodné provedení vynálezu, kde zásobní úsek je integrální součástí výpamíkové soustavy. Průtočný okruh obsahuje kompresor 10. spojený do série s výměníkem 11

-3CZ 287444 B6 tepla, protiproudý výměník 12 tepla a škrticí ventil 13. Škrticí ventil může být nahrazen vhodným expanzním zařízením. Výpamý výměník 14 tepla, zásobník 16 kapaliny a na nízkotlaké straně uspořádaný protiproudý výměník 12 tepla jsou zapojeny v proudu mezi škrticím ventilem 13 a vstupem 19 kompresoru JO. Zásobník 16 kapaliny je spojen s výstupem 15 výpamíku a výstup plynné fáze zásobníku 16 je spojen s protiproudým výměníkem 12 tepla.

Protiproudý výměník 12 tepla není absolutně nutný pro funkci zařízení, avšak zlepšuje jeho účinnost, zejména rychlost jeho odezvy na požadavek zvýšení výkonu. Slouží také pro navrácení oleje do kompresoru. Za tím účelem je vedení kapalné fáze od zásobníku 16 (znázorněno přerušovanou čárou na obr. 2) spojeno se sacím vedením buď před protiproudým výměníkem 12 tepla v místě Γ7, nebo za ním v místě 18, nebo kdekoliv mezi těmito dvěma body. Tok kapaliny, tj. chladivá a oleje, je řízen vhodným obvyklým zařízením pro omezení proudu kapaliny (na vyobrazení neznázoměno). Tím, že se připustí, aby do parního vedení vstoupilo určité množství nadbytečného kapalného chladivá, obdrží se nadbytek kapaliny na výstupu 15 výpamíku.

U druhého provedení vynálezu podle obr. 3 zahrnuje zásobní úsek obvodu pracovní tekutiny zásobník 22, zařazený v proudovém okruhu mezi ventilem 21 a škrticím ventilem 13. Ostatní členy 10 až 14 proudového obvodu jsou tytéž jako stejně označené členy prvního provedení, i když výměník 12 tepla může být vynechán bez větších následků. Tlak v zásobníku_22se udržuje mezi tlaky na nízkotlaké straně a vysokotlaké straně proudového obvodu.

Ve třetím provedení vynálezu podle obr. 4 zahrnuje zásobní úsek okruhu pracovní tekutiny zvláštní zásobník 25, kde je tlak udržován mezi tlakem vysokotlaké strany a tlakem nízkotlaké strany proudového obvodu. Zásobní úsek dále sestává z ventilů 23 a 24, které jsou připojeny k vysokotlaké, popřípadě k nízkotlaké, části proudového okruhu.

Při provozuje chladivo stlačeno na vhodný nadkritický tlak v kompresoru JO, přičemž výpusť .20 je na obr. 5 znázorněna jako stav „a“. Chladivo cirkuluje výměníkem 11 tepla, kde se chladí na stav „b“, přičemž odevzdává teplo vhodnému chladicímu činidlu, například chladicímu vzduchu nebo vodě. Je-li zapotřebí, může být chladivo dále ochlazeno do stavu „c“ v protiproudém výměníku 12 tepla, než se zaškrtí na stav , J“. Snížením tlaku ve škrticím ventilu 13 se vytvoří dvoufázová směs plyn/kapalina, znázorněná jako stav „d“ na obr. 3. Chladivo absorbuje teplo ve výpamíku 14 vypařováním kapalné fáze. Ze stavu „e“ na výpusti výpamíku může být plynné chladivo přehříváno v protiproudém výměníku 12 tepla na stav než stoupá do vstupu 19 kompresoru, čímž se cyklus dokončí.

Ve výhodném provedení vynálezu, znázorněném na obr. 2, bude stav „e“ výpusti výpamíku ve dvoufázové oblasti v důsledku přebytku kapaliny na výpusti výpamíku. Modulace výkonu nadkritického okruhu se provádí měněním stavu chladivá na vstupu výpamíku, tj. do bodu ,J“ na obr. 5. Chladicí výkon na jednotku proudu hmoty chladivá odpovídá rozdílu entalpie mezi stavem „d“ a stavem „e“. Tento rozdíl entalpie je dán vodorovnou vzdáleností v diagramu entalpie - tlak, viz obr. 5.

Přiškrcování je postup pro udržení konstantní entalpie, takže entalpie v bodu ,jd“ je stejná jako entalpie v bodu „c“. V důsledku toho může být chladicí výkon Q (v kW) při konstantním toku množství chladivá řízen měněním entalpie v bodu „c“.

Je třeba poznamenat, že v nadkritickém okruhu není pára vysokotlakého jednofázového chladivá kondenzována, nýbrž že se snižuje jeho teplota ve výměníku JI tepla. Konečná teplota chladivá ve výměníku tepla (bod „b“) bude několik stupňů nad teplotou vstupujícího chladicího vzduchu nebo vody, užije-li se protiproudu. Vysokotlaká pára může pak být ochlazena o několik málo stupňů níže, do bodu „c“, v protiproudém výměníku 12 tepla. Výsledkem však je, že při konstantní vstupní teplotě chladicího vzduchu nebo vody bude teplota v bodu „c“ většinou konstantní, nezávislá na úrovni tlaku na vysokotlaké straně.

Proto se modulace výkonu zařízení provádí měněním tlaku na vysokotlaké straně, zatímco teplota v bodu „c“ je prakticky konstantní. Zakřivení izoterm v blízkosti kritického bodu vede ke změnám entalpie s tlakem, jak je znázorněno v grafu na obr. 5. Graf znázorňuje referenční okruh a-b-c-d-e-f, okruh se sníženým výkonem v důsledku snížení tlaku na vysokotlaké straně

-4CZ 287444 B6 (a'-b'-c'-d'-e-f), a okruh se zvýšenou kapacitou v důsledku vyššího tlaku na vysokotlaké straně (a-b-c-d-e-f). Tlak výpamíku je podle předpokladu konstantní.

Tlak na vysokotlaké straně je nezávislý na teplotě, protože je naplněna jednofázovou tekutinou. Pro změnu tlaku je zapotřebí měnit množství chladivá na vysokotlaké straně, tj. přidat nebo odstranit z okamžité náplně chladivá na vysokotlaké straně. Tyto změny musí být zachycovány tlumičem, aby se zabránilo přetečení kapaliny nebo vyschnutí výpamíku.

U výhodného provedení vynálezu, naznačeného na obr. 2, může být množství chladivá na vysokotlaké straně zvýšeno dočasným zmenšením otvoru škrticího ventilu _13. V důsledku náhodného snížení proudu chladivá k výpamíku bude zmenšen podíl přebytečné kapaliny na výstupu 15 výpamíku. Proud kapalného chladivá od zásobníku 16 do sacího vedení je však konstantní. V důsledku toho je posunuta rovnováha mezi proudem kapaliny, vstupujícím do zásobníku 16, a proudem jej opouštějícím, což vede k patrnému snížení obsahu kapaliny v zásobníku a k odpovídajícímu hromadění chladivá na vysokotlaké straně proudového okruhu.

Zvětšení množství chladivá na vysokotlaké straně vede ke stoupání tlaku a tím k vyššímu chladicímu výkonu. Tento převod hmoty chladivá z nízkotlaké na vysokotlakou stranu okruhu bude pokračovat, dokud nedojde k dosažení rovnováhy mezi chladicím výkonem a zatížením.

Otevření škrticího ventilu 13 zvětší přebytek kapalné frakce na výstupu 15 výpamíku, jelikož vypařované množství chladivá je v podstatě konstantní. Rozdíl mezi tímto proudem kapaliny, vstupujícím do zásobníku, a mezi proudem kapaliny ze zásobníku do sacího potrubí, se bude zvětšovat. Výsledkem je jednoznačná doprava chladivá z vysokotlaké strany na nízkotlakou stranu proudového okruhu za snížení obsahu vsázky na vysokotlaké straně, uložené v kapalném stavu v zásobníku. Snížením obsahu vsázky na vysokotlaké straně, a v důsledku toho i tlaku, se sníží výkon zařízení až do dosažení rovnováhy.

Aby se zabránilo hromadění maziva v kapalné fázi zásobníku, je také zapotřebí určité dopravy kapaliny ze zásobníku do sacího vedení kompresoru.

U druhého provedení vynálezu, znázorněného na obr. 2, může být množství chladivá na vysokotlaké straně zvýšeno současným uzavřením ventilu 21 a modulováním škrticího ventilu 13 pro opatření výpamíku dostatečným proudem kapaliny. To sníží proud chladivá ve směru z vysokotlaké strany do zásobníku přes ventil 21, zatímco se množství chladivá dopravuje kompresorem ve směru z nízkotlaké strany na vysokotlakou stranu.

Snížení náplně na vysokotlaké straně se dosáhne otevřením ventilu 21, zatímco se proud škrticím ventilem 13 udržuje v podstatě konstantní. To převede chladivo z vysokotlaké strany proudového okruhu k zásobníku 22.

U třetího provedení vynálezu podle obr. 4 může být množství chladivá na vysokotlaké straně zvýšeno otevřením ventilu 24 a současným snížením proudu škrticím ventilem _13 Obsah chladivá se nahromadí na vysokotlaké straně, což je důsledkem snížení proudu škrticím ventilem 13. Dostatečný proud kapaliny k výpamíku se dosáhne otevřením ventilu 24.

Snížení obsahu chladivá na vysokotlaké straně může být dosaženo otevřením ventilu 23 pro převedení části obsahu chladivá z vysokotlaké strany směrem do zásobníku 22. Řízení výkonu zařízení se tak dosáhne modulováním ventilů 23 a 24 a současným zapojením škrticího ventilu 13.

Výhoda výhodného provedení vynálezu podle obr. 2 spočívá v jeho jednoduchosti a v tom, že řízení výkonu se provádí ovládáním pouze jednoho ventilu. Dále má nadkritický parní kompresorový okruh, konstruovaný podle tohoto provedení, určitou samoregulační schopnost přizpůsobováním se změnám chladicího zatížení změnami obsahu kapaliny v zásobníku _16, což zahrnuje změny obsahu chladivá na vysokotlaké straně a tím i chladicího výkonu. Kromě toho dává provoz s přebytkem kapaliny na výpusti výpamíku příznivé vlastnosti v ohledu přenosu tepla.

Výhoda druhého provedení, znázorněného na obr. 3, spočívá vtom, že činnost ventilu je jednodušší. Ventil 21 pouze reguluje tlak na vysokotlaké straně zařízení a škrticí ventil 13 pouze

-5CZ 287444 B6 zajišťuje, že výpamík je dostatečně napájen. Pro škrcení lze tak užít běžného termostatického ventilu. Návratu oleje do kompresoru se dosáhne snadno tím, že se chladivu umožní proudit skrze zásobník. Toto provedení však neumožňuje řízení výkonu pří tlacích na vysokotlaké straně pod kritickým tlakem. Objem zásobníku 22 musí být poměrně velký, jelikož pracuje pouze mezi vypouštěcím tlakem a tlakem kapalinového vedení.

Ještě další provedení, znázorněné na obr. 4, má tu výhodu, že při provozu za stabilních podmínek pracuje jako běžný parní kompresorový okruh. Ventily 23 a 24, spojující zásobník 25 s proudovým okruhem, se uvádějí v činnost pouze při řízení výkonu. Toto provedení vyžaduje v obdobích změny výkonu užití tří různých ventilů.

Uvedené provedení , má nevýhodu vyššího tlaku v zásobníku ve srovnání s výhodným provedením. Rozdíly mezi jednotlivými systémy co do konstrukce a provozních charakteristik nejsou však natolik podstatné.

Shora popsaná provedení vynálezu jsou míněna pouze jako neomezující příklady. Je také s výhodou možné řídit výkon nadkritického okruhu tím, že se tlak na vysokotlaké straně udržuje v podstatě konstantní a reguluje se teplota chladivá před přiškrcením (stav „c“) měněním rychlosti oběhu chladicího vzduchu nebo vody. Snížením proudu chladicí tekutiny, tj. vzduchu nebo vody, se zvýší teplota před zaškrcením a výkon se sníží. Zvýšení proudu chladicí tekutiny sníží teplotu před zaškrcením a tím zvýší kapacitu okruhu. Je také možno kombinovat řízení tlaku a teploty.

Praktické použití vynálezu pro účely chlazení nebo tepelného čerpadla je ilustrováno následujícími příklady, udávajícími výsledky zkoušek nadkritických parních kompresorových okruhů, konstruovaných podle provedení vynálezu, znázorněného na obr. 2, a při použití oxidu uhličitého jako chladivá.

Laboratorní testovací zařízení užívá vody jako zdroje tepla, tj. voda se ochlazuje výměnou tepla s vroucím CO₂ ve výpamíku 14. Vody je také užito jako chladicího činidla, zahřívaného pomocí CO₂, ve výměníku LI tepla. Testovací zařízení obsahuje pístový kompresor JO o obsahu 61 cm³ a zásobník o celkovém objemu 4 litry. Soustava také zahrnuje protiproudý výměník 12 tepla a tekutinové spojovací vedení mezi zásobníkem a bodem 17, jak je naznačeno na obr. 2. Škrticí ventil 13 je ovládán ručně.

Příklad 1

Tento příklad ukazuje, jak se dosáhne řízení chladicího výkonu měněním polohy škrticího ventilu 13, čímž se mění tlak na vysokotlaké straně proudového okruhu. Měněním tlaku na vysokotlaké straně se mění specifická entalpie chladivá na vstupu výpamíku, což vede k modulaci chladicího výkonu při konstantním průtokovém množství chladivá.

Graf na obr. 6 znázorňuje změnu chladicího výkonu (Q), výkon (W) hřídele kompresoru, tlak (ph) na vysokotlaké straně, průtokové množství (m) chladivá, teplotu (T_e) na výstupu výpamíku, teplotu (T_b) na výstupu výměníku 11 tepla a výšku hladiny (H) kapaliny v zásobníku v případě, když je škrticí ventil 13 ovládaný v grafu shora naznačeným způsobem. Jedinou manipulací je seřízení polohy škrticího ventilu.

Jak je z grafu patrné, je výkon (Q) snadno řízen škrticím ventilem 13. Z grafu dále vyplývá, že při stabilních podmínkách je cirkulující průtokové množství (m) CO₂ v podstatě konstantní a nezávislé na chladicím výkonu. Teplota (T_b) CO₂ na výstupu výměníku 11 tepla je také v podstatě konstantní. Graf ukazuje, že změna výkonu je výsledkem pouze měnění tlaku (ph) na vysokotlaké straně.

Z grafu je rovněž patrné, že zvýšený tlak na vysokotlaké straně znamená snížení hladiny (H) kapaliny v zásobníku, což je důsledkem převodu náplně CO₂ na vysokotlakou stranu okruhu.

Z grafu lze rovněž zjistit, že přechodné období při zvyšování výkonu nezahrnuje žádné výrazné přehřátí na výstupu výpamíku, tj. pouze malá kolísání hodnoty teploty (T_e).

-6CZ 287444 B6

Příklad 2

Při vyšší vstupní teplotě vody, přiváděné do výměníku 11 tepla, například vyšší okolní teplotě, je třeba zvýšit tlak na vysokotlaké straně pro udržení konstantního chladicího výkonu. Tabulka 1 znázorňuje výsledek zkoušek, prováděných při různé teplotě (t_w) vody, zaváděné do výměníku 11 tepla.

Teplota vody, vystupující do výpamíku, je udržována konstantní, na hodnotě 20 °C, a kompresor běží konstantní rychlostí.

Jak ukazuje tabulka, může být chladicí výkon udržován v podstatě konstantní, když okolní teplota stoupá, a to zvyšováním tlaku na vysokotlaké straně. Průtokové množství chladivá je v podstatě konstantní, jak je uvedeno. Zvýšené tlaky na vysokotlaké straně zahrnují snížení obsahu kapaliny v zásobníku, jak je seznatelné z uvedených hodnot výšky hladiny kapaliny.

Tabulka 1

Vstupní teplota (tw)	35,1	45,9	57,3	[°C]
Chladicí výkon (Q)	2,4	2,2	2,2	[kW]
Tlak (ph) na vysokotlaké straně	84,9	94,3	114,1	[bar]
Průtokové množství (m) chladivá	0,026	0,024	0,020	[kg/s]
Výška hladiny (H) kapaliny	171	166	115	[mm]

Příklad 3

Obr. 7 je grafické znázornění nadkritických cyklů za použití diagramu entropie/teplota. Okruhy, znázorněné v diagramu, jsou založeny na měřeních na laboratorním testovacím zařízení během činnosti okruhu při pěti odlišných tlacích na vysokotlaké straně. Tlak výpamíku se udržuje konstantní. Použitým chladivém je oxid uhličitý CO₂.

Diagram dává dobrou informaci o principu řízení výkonu, přičemž vyznačuje změny specifické entalpie (h) na vstupu výpamíku, kteréžto změny jsou vyvolány změnou tlaku (p) na vysokotlaké straně.

Průmyslová využitelnost

Nadkritické parní kompresorové okruhy, konstruované podle popsaných provedení, jsou použitelné v různých oblastech. Jejich technologie je velmi vhodná pro malé a středně velké stacionární i mobilní klimatizační jednotky, malé a středně velké chladiče/zmrazovače a pro menší jednotky tepelných čerpadel. Jednou z nejslibnějších aplikací je automobilní klimatizace, kde se jeví dnes nutná potřeba nových, lehkých a účinných alternativ systémů s chladivém typu R-12.

Claims (6)

1. Způsob regulování výkonu parního kompresorového okruhu, obsahujícího kompresor (10), chladič (11), škrticí prostředky (13) a výpamík (14), zapojené do série a tvořící integrální uzavřený okruh, pracující na vysokotlaké straně okruhu při nadkritickém tlaku, vyznačující se tím, že tlak na vysokotlaké straně okruhu se reguluje změnou okamžitého množství chladivá, obsaženého na vysokotlaké straně okruhu, a tato regulace se provádí měněním množství chladivá, obsaženého ve vyrovnávacím zásobníku, vřazeném do okruhu, přičemž zvyšování tlaku se uskutečňuje snižováním množství chladivá v uvedeném vyrovnávacím zásobníku a naopak a tím se působí na specifický výkon okruhu.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že regulace nadkritického tlaku se provádí prostřednictvím změny množství chladivá o nízkém tlaku a v kapalném stavu obsaženého v zásobníku (16), vřazeném mezi výpamíkem (14) a kompresorem (10), za použití pouze škrticích prostředků (13) jako řídicích prostředků.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že změna okamžitého množství chladivá na vysokotlaké straně okruhu se dosahuje změnou množství nadkritickým tlakem stlačeného chladivá v zásobníku (22), vřazeném do okruhu mezi ventilem (21) a škrticími prostředky (13), prováděnou prostřednictvím modulace ventilu (21) a škrticích prostředků (13).

4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že změna okamžitého množství chladivá na vysokotlaké straně okruhu se dosahuje prostřednictvím spojité regulace odebírání chladivá ze nebo přivádění chladivá do zásobníku (25), spojeného s vysokotlakou a nízkotlakou stranou okruhu prostřednictvím trubek s ventily (23, 24), a udržování tlaku v tomto zásobníku (25) na hodnotě, pohybující se mezi tlakem na vysokotlaké straně okruhu a na nízkotlaké straně okruhu.

5. Způsob podle nároků 2, 3 nebo 4, vyznačující se tím, že výstup výpamíku se udržuje ve formě dvoufázové směsi chladivá jako páry a kapalné fáze, která zajišťuje na vstupu nízkotlaké strany přídavného výměníku (12) tepla, ve kterém se chladivo o nízkém tlaku před vstupem do kompresoru podrobuje vypařování a předehřivání teplem, získaným z chladivá o vysokém tlaku, nadbytek kapalné fáze chladivá.

6. Způsob podle jednoho nebo několika předcházejících nároků, vyznačující se tím, že chladivém je oxid uhličitý.