RU2563049C2

RU2563049C2 - Cascade refrigerating machine

Info

Publication number: RU2563049C2
Application number: RU2013152073/06A
Authority: RU
Inventors: Лев Михайлович Клячко; Вячеслав Львович Уманский; Борис Анатольевич Макаров; Александр Сергеевич Кротов; Евгений Геннадиевич Бычков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" (ОАО "ЦНИИ "Курс")
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2015-09-20
Also published as: RU2013152073A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to refrigerating engineering. The cascade refrigerating machine contains in the lower branch of the cascade, installed in series the liquid separator separating the coolant flow into gas and liquid components, the preliminary recuperative heat exchanger, the main recuperative heat exchanger, the main throttling device, the evaporator, the compressor and the condenser. The first outlet of the liquid separator is connected to the coolant direct flow inlet to the preliminary recuperative heat exchanger, and the second outlet of the liquid separator is connected through the preliminary throttling device to the back flow inlet to the preliminary recuperative heat exchanger. The coolant flow outlet from the condenser and the inlet to the liquid separator are connected among themselves by the heat exchanger which is the aftercooling condenser for the lower branch of the cascade and the evaporator for the upper branch of the cascade. The upper branch of the cascade is a one-stage refrigerating machine with series connected the compressor, the condenser, the receiver, the throttling device, the evaporator.

EFFECT: this invention allows to increase thermodynamic efficiency of low-temperature refrigerating cycle during the work at the low temperature levels at the expense of its new organising.

1 dwg

Description

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для охлаждения объектов или поддержания их низкой температуры за счет получения холода на низком температурном уровне (ниже минус 120°С).The invention relates to refrigeration and can be used to cool objects or maintain their low temperature by obtaining cold at a low temperature level (below minus 120 ° C).

Из источника RU 2448308 известно о применении отделителя жидкости и перепускной линии для получения низких температур. Вследствие высокого давления нагнетания в холодильной машине из RU 2448308, нижний предел достижимой температуры ограничен, т.к. при работе на низких температурных уровнях значительно уменьшается удельная холодопроизводительность в таком низкотемпературном холодильном цикле. Кроме того, в RU 2448308 перепускная линия расположена в низкотемпературной части холодильной машины и соответственно требует наличия теплоизоляции, чтобы сократить необратимые потери в цикле.From the source RU 2448308 it is known about the use of a liquid separator and a bypass line to obtain low temperatures. Due to the high discharge pressure in the chiller from RU 2448308, the lower limit of the achievable temperature is limited, because when operating at low temperature levels, the specific cooling capacity in such a low-temperature refrigeration cycle is significantly reduced. In addition, in RU 2448308, the bypass line is located in the low-temperature part of the chiller and accordingly requires thermal insulation to reduce irreversible losses in the cycle.

В предлагаемой каскадной холодильной машине выход потока хладагента из конденсатора 2 и вход в отделитель жидкости 4 связаны между собой теплообменником 3, являющимся конденсатором-переохладителем для нижней ветви каскада и испарителем для верхней ветви каскада, представляющей собой одноступенчатую холодильную машину; также на нижней ветви каскада предусмотрена перепускная линия для сброса избыточного давления нагнетания. Благодаря данным изменениям в структуре цикла понижается давление нагнетания нижнего каскада, поэтому в нем можно использовать вещества, с помощью которых удастся получить более низкие температуры, чем в RU 2448308. За счет данного дополнительного переохлаждения потока хладагента нижней ветви каскада, в предлагаемой каскадной холодильной машине удается повысить удельную холодопроизводительность на низких температурных уровнях, и, следовательно, холодильный коэффициент. Избыточный в пусковой период низкокипящий газ в данном случае отбирается до конденсатора-переохладителя 3, тем самым повышается эффективность теплообмена между потоками хладагента в верхней и нижней ветвях каскада. Кроме того, за счет расположения выхода сдросселированного хладагента из перепускной линии на линию всасывания в компрессор 1, удается понизить температуру начала сжатия в компрессоре и, тем самым, понизить давление нагнетания, что также ведет к уменьшению давления конденсации. Благодаря расположению перепускной линии в нижнем каскаде, температура перепускаемого хладагента - комнатная, это ведет к уменьшению необратимых потерь в низкотемпературном цикле каскадной холодильной машины, а также к отсутствию необходимости теплоизолировать компоненты перепускной линии.In the proposed cascade refrigeration machine, the outlet of the refrigerant stream from the condenser 2 and the inlet to the liquid separator 4 are connected by a heat exchanger 3, which is a condenser-subcooler for the lower branch of the cascade and an evaporator for the upper branch of the cascade, which is a single-stage refrigeration machine; a bypass line is also provided on the lower branch of the cascade to relieve excess discharge pressure. Due to these changes in the structure of the cycle, the discharge pressure of the lower cascade decreases, therefore, substances can be used in it, with which it will be possible to obtain lower temperatures than in RU 2448308. Due to this additional supercooling of the refrigerant stream of the lower branch of the cascade, in the proposed cascade refrigeration machine to increase the specific refrigerating capacity at low temperature levels, and, consequently, the refrigeration coefficient. In this case, excess low-boiling gas in the start-up period is taken up to the condenser-subcooler 3, thereby increasing the heat exchange efficiency between the refrigerant flows in the upper and lower branches of the cascade. In addition, due to the location of the outlet of the throttled refrigerant from the bypass line to the suction line to the compressor 1, it is possible to lower the temperature of the beginning of compression in the compressor and, thereby, lower the discharge pressure, which also leads to a decrease in the condensation pressure. Due to the location of the bypass line in the lower cascade, the temperature of the bypassed refrigerant is room temperature, this leads to a decrease in irreversible losses in the low-temperature cycle of the cascade refrigeration machine, as well as to the absence of the need to insulate the components of the bypass line.

Техническим результатом является понижение достигаемой температуры охлаждения и повышения термодинамической эффективности низкотемпературного холодильного цикла при работе на низких температурных уровнях.The technical result is to reduce the achieved cooling temperature and increase the thermodynamic efficiency of the low-temperature refrigeration cycle when operating at low temperature levels.

Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION

Каскадная холодильная машина состоит из циркуляционного контура верхней ветви каскада и циркуляционного контура нижней ветви каскада. В нижней ветви каскада установлены последовательно отделитель жидкости 4, разделяющий поток хладагента на газообразную и жидкую составляющие, предварительный рекуперативный теплообменник 5, основной рекуперативный теплообменник 6, основное дросселирующее устройство 7, испаритель 8, компрессор 1 и конденсатор 2, при этом первый выход отделителя жидкости 4 соединен с входом прямого потока хладагента в предварительный рекуперативный теплообменник 5, а второй выход отделителя жидкости 4 соединен через предварительное дросселирующее устройство 9 с входом обратного потока в предварительный рекуперативный теплообменник 5. Выход потока хладагента из конденсатора 2 и вход в A cascade refrigeration machine consists of a circulation circuit of the upper branch of the cascade and a circulation circuit of the lower branch of the cascade. In the lower branch of the cascade, a liquid separator 4 is installed in series, separating the refrigerant stream into gaseous and liquid components, a preliminary recuperative heat exchanger 5, a main recuperative heat exchanger 6, a main throttling device 7, an evaporator 8, a compressor 1 and a condenser 2, while the first outlet of the liquid separator 4 connected to the inlet of the direct flow of refrigerant into the preliminary recuperative heat exchanger 5, and the second output of the liquid separator 4 is connected through a preliminary throttling device your 9 with the return flow input to the preliminary recuperative heat exchanger 5. The refrigerant flow output from the condenser 2 and the input to

отделитель жидкости 4 связаны между собой теплообменником 3, являющимся конденсатором-переохладителем для нижней ветви каскада и испарителем для верхней ветви каскада, представляющей собой одноступенчатую холодильную машину, в которой последовательно установлены компрессор 14, конденсатор 15, ресивер 16, дросселирующее устройство 17, испаритель 3.the liquid separator 4 is interconnected by a heat exchanger 3, which is a condenser-subcooler for the lower branch of the cascade and an evaporator for the upper branch of the cascade, which is a single-stage refrigeration machine in which a compressor 14, a condenser 15, a receiver 16, a throttling device 17, an evaporator 3 are installed.

Холодильная машина работает следующим образом: в нижней ветви каскада хладагент сжимается в компрессоре 1, затем охлаждается до температуры окружающей среды и частично конденсируется в конденсаторе 2, после чего попадает в конденсатор-переохладитель 3, где продолжается процесс конденсации за счет низкопотенциальной теплоты, полученной от работы одноступенчатой холодильной машины верхней ветви каскада, затем хладагент попадает в отделитель жидкости 4, где разделяется на жидкую и газообразную фазы. Газообразный хладагент из отделителя жидкости поступает сначала в предварительный рекуперативный теплообменник 5, затем в основной рекуперативный теплообменник 6, где постепенно конденсируется за счет охлаждения обратным потоком. Охлажденный хладагент проходит через основное дросселирующее устройство 7, где происходит его расширение и понижение температуры, после чего поступает в испаритель 8, где подогревается за счет тепла, отводимого от охлаждаемого объекта. Далее поток хладагента поступает в основной рекуперативный теплообменник 6, где подогревается за счет охлаждения прямого потока. Жидкий хладагент из отделителя жидкости 4 проходит через предварительное дросселирующее устройство 9, где понижается его давление и температура, после чего смешивается с обратным потоком перед предварительным рекуперативным теплообменником. Далее поток хладагента еще подогревается в предварительном рекуперативном теплообменнике 5, и поступает на всасывание компрессора 1. На этом цикл работы холодильной машины замыкается.The chiller operates as follows: in the lower branch of the cascade, the refrigerant is compressed in the compressor 1, then cooled to ambient temperature and partially condensed in the condenser 2, after which it enters the condenser-cooler 3, where the condensation process continues due to the low-potential heat received from the work single-stage refrigeration machine of the upper branch of the cascade, then the refrigerant enters the liquid separator 4, where it is divided into liquid and gaseous phases. The gaseous refrigerant from the liquid separator enters first into the preliminary recuperative heat exchanger 5, then into the main recuperative heat exchanger 6, where it gradually condenses due to cooling by the return flow. The cooled refrigerant passes through the main throttling device 7, where it expands and the temperature drops, and then enters the evaporator 8, where it is heated by heat removed from the cooled object. Next, the flow of refrigerant enters the main recuperative heat exchanger 6, where it is heated by cooling the direct flow. The liquid refrigerant from the liquid separator 4 passes through a preliminary throttling device 9, where its pressure and temperature are reduced, and then mixed with the return flow before the preliminary recuperative heat exchanger. Further, the flow of refrigerant is still heated in the preliminary recuperative heat exchanger 5, and enters the suction of the compressor 1. At this point, the operation cycle of the chiller is closed.

Соленоидный вентиль 10 нормально находится в закрытом положении и Solenoid valve 10 is normally in the closed position and

открывается при помощи электрического сигнала от управляющего устройства. В случае повышения давление нагнетания выше некоторой заданной величины соленоидный вентиль открывается и перепускает часть газообразного потока хладагента в ресивер 11. Соленоидный вентиль закрывается, как только давление падает до заданного значения. Из ресивера хладагент проходит через обратный клапан 12 и дросселирующее устройство 13, где его давление падает до давления обратного потока, а температура понижается, и смешивается с обратным потоком перед компрессором 1. Обратный клапан необходим для предотвращения попадания хладагента в ресивер со стороны обратного потока в случае повышения давления всасывания.opens with an electric signal from a control device. If the discharge pressure rises above a certain set value, the solenoid valve opens and bypasses part of the gaseous stream of refrigerant into the receiver 11. The solenoid valve closes as soon as the pressure drops to the set value. From the receiver, the refrigerant passes through the check valve 12 and the throttling device 13, where its pressure drops to the pressure of the return flow, and the temperature drops, and mixes with the return flow in front of compressor 1. The check valve is necessary to prevent the refrigerant from entering the receiver from the return flow in case of increase suction pressure.

Данная холодильная машина будет работать только в случае применения в качестве хладагента в нижней ветви каскада многокомпонентной смеси (не менее двух компонентов). Нормальная температура кипения компонентов рабочей смеси должна лежать в области температур от температуры окружающей среды до необходимой температуры охлаждения.This refrigeration machine will only work if a multicomponent mixture (at least two components) is used as a refrigerant in the lower branch of the cascade. The normal boiling point of the components of the working mixture should lie in the temperature range from ambient temperature to the required cooling temperature.

Принципиальная схема разработанного устройства каскадной холодильной установки представлена на чертеже.A schematic diagram of the developed device cascade refrigeration unit shown in the drawing.

Claims

A cascade refrigeration machine comprising a liquid separator sequentially installed in the lower branch of the cascade, separating the refrigerant stream into gaseous and liquid components, a preliminary recuperative heat exchanger, a main recuperative heat exchanger, a main throttling device, an evaporator, a compressor and a condenser, while the first output of the liquid separator is connected to the input direct refrigerant flow into the preliminary recuperative heat exchanger, and the second outlet of the liquid separator is connected through a preliminary an integral throttling device with a return flow inlet to a preliminary recuperative heat exchanger, characterized in that the outlet of the refrigerant stream from the condenser and the entrance to the liquid separator are interconnected by a heat exchanger, which is a condenser-cooler for the lower branch of the cascade and an evaporator for the upper branch of the cascade, which is a single-stage refrigeration a machine in which a compressor, a condenser, a receiver, a throttling device, an evaporator are installed in series.