RU2743653C1 - Cascade refrigerating machine with compressor thermal stabilization system - Google Patents

Cascade refrigerating machine with compressor thermal stabilization system Download PDF

Info

Publication number
RU2743653C1
RU2743653C1 RU2020116723A RU2020116723A RU2743653C1 RU 2743653 C1 RU2743653 C1 RU 2743653C1 RU 2020116723 A RU2020116723 A RU 2020116723A RU 2020116723 A RU2020116723 A RU 2020116723A RU 2743653 C1 RU2743653 C1 RU 2743653C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cascade
compressor
thermal stabilization
pos
lower branch
Prior art date
Application number
RU2020116723A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Геннадьевич Бычков
Валентин Игоревич Яковлев
Борис Анатольевич Макаров
Вячеслав Львович Уманский
Александр Алексеевич Ковалев
Original Assignee
Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" filed Critical Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс"
Priority to RU2020116723A priority Critical patent/RU2743653C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2743653C1 publication Critical patent/RU2743653C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B7/00Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compression-Type Refrigeration Machines With Reversible Cycles (AREA)

Abstract

FIELD: refrigerating equipment.
SUBSTANCE: invention relates to refrigeration engineering and can be used for cooling objects or maintaining their low temperature by obtaining cold at low temperature level (below 120 °C). Compressor thermal stabilization system comprises serially installed solenoid valve of thermal stabilization line, controlled by programmable control unit, check valve of thermal stabilization line, throttling device of thermal stabilization line. Inlet to the solenoid valve of the thermal stabilization line is located after the supercooler subcooler of the lower branch of the cascade, and the output is connected to the compressor of the lower branch of the cascade.
EFFECT: technical result is stabilization of temperature mode of compressor of cascade cooler bottom stage lower branch at operation in transient modes and in temperature control in automatic mode without external additional cooling devices.
4 cl, 3 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 technology 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 существующего уровня техники известна каскадная холодильная машина [RU Патент №2563049, опубликован 20.09.2015], характеризующаяся тем, что в ней применяются установленные последовательно отделитель жидкости, разделяющий поток хладагента на газообразную и жидкую составляющие, предварительный рекуперативный теплообменник, основной рекуперативный теплообменник, основное дросселирующее устройство, испаритель, компрессор и конденсатор, при этом первый выход отделителя жидкости соединен с входом прямого потока хладагента в предварительный рекуперативный теплообменник, а второй выход отделителя жидкости соединен через предварительное дросселирующее устройство с входом обратного потока в предварительный рекуперативный теплообменник при этом выход потока хладагента из конденсатора и вход в отделитель жидкости связаны между собой теплообменником, являющимся конденсатором-переохладителем для нижней ветви каскада и испарителем для верхней ветви каскада, представляющей собой одноступенчатую холодильную машину, в которой последовательно установлены компрессор, конденсатор, ресивер, дросселирующее устройство, испаритель. При этом указанная холодильная машина будет работает 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.A cascade refrigeration machine is known from the existing prior art [RU Patent No. 2563049, published 09.20.2015], characterized in that it uses a liquid separator installed in series, dividing the refrigerant flow into gaseous and liquid components, a preliminary recuperative heat exchanger, a main recuperative heat exchanger, the main throttling device, evaporator, compressor and condenser, while the first outlet of the liquid separator is connected to the inlet of the direct refrigerant flow to the preliminary recuperative heat exchanger, and the second outlet of the liquid separator is connected through the preliminary throttling device to the return flow inlet to the preliminary recuperative heat exchanger, while the outlet of the refrigerant flow from condenser and the inlet to the liquid separator are interconnected by a heat exchanger, which is a subcooler condenser for the lower branch of the cascade and an evaporator for the upper branch of the cascade, which is a single-stage cooling a ding machine, in which a compressor, a condenser, a receiver, a throttling device, an evaporator are installed in series. In this case, the specified refrigeration machine will only work if it is used as a refrigerant in the lower branch of the cascade of a multicomponent mixture (at least two components). The normal boiling point of the components of the working mixture should lie in the temperature range from the ambient temperature to the required cooling temperature.

Одним из преимуществ указанного технического решения является возможность достижения низких температур (ниже минус 120°С) с применением серийно-выпускаемых одноступенчатых компрессоров, вместо не выпускаемых серийно двухступенчатых или не выпускаемых серийно компрессоров со специальными системами охлаждения картера.One of the advantages of this technical solution is the ability to achieve low temperatures (below minus 120 ° C) using commercially available single-stage compressors, instead of serially produced two-stage or not commercially available compressors with special crankcase cooling systems.

Недостатком указанного технического решения является то, что в переходных режимах работы каскадной холодильной машины (работа в режиме захолаживания: с момента пуска холодильной машины до достижения заданной температуры термостатирования) происходит значительный рост температуры компрессора нижней ветви каскада до определенного высокого уровня с дальнейшим ее снижением. Решение этой проблемы требует применения дополнительных технических средств для внешнего охлаждения компрессора.The disadvantage of this technical solution is that in the transient modes of operation of the cascade refrigeration machine (operation in the cooling down mode: from the moment the refrigeration machine is started until the specified temperature is reached) there is a significant increase in the compressor temperature of the lower branch of the cascade to a certain high level with its further decrease. The solution to this problem requires the use of additional technical means for external cooling of the compressor.

Зависимость изменения температуры компрессора нижнего каскада во времени при работе реальной каскадной холодильной машины в переходных режимах работы имеет следующий вид - фиг. 1.The dependence of the temperature change of the compressor of the lower stage in time during the operation of a real cascade refrigeration machine in transient modes of operation is as follows - Fig. one.

Такая форма графика объясняется тем, что в процессе выхода на установившийся режим эксплуатации холодопроизводительность каскадной холодильной машины затрачивается на компенсацию изменяющихся теплопритоков из окружающей среды и охлаждение теплоемкой массы корпуса с объектами охлаждения, теплоотдача от которой тоже меняется со временем.This form of the graph is explained by the fact that in the process of reaching a steady-state mode of operation, the cooling capacity of a cascade refrigeration machine is spent on compensating for changing heat inflows from the environment and cooling the heat-intensive mass of the case with objects of cooling, the heat transfer from which also changes over time.

По мере захолаживания теплоизолированного корпуса с объектами охлаждения меняются параметры фазового равновесия многокомпонентной смеси, и температура потока на всасывании в компрессор снижается, что обеспечивает его эффективное охлаждение компрессора парами хладагента с низкой температурой.As the heat-insulated casing with the objects of cooling cools down, the parameters of the phase equilibrium of the multicomponent mixture change, and the temperature of the flow at the suction to the compressor decreases, which ensures its effective cooling of the compressor with refrigerant vapors with a low temperature.

Максимальное достигаемое значение температуры компрессора зависит от ряда изменяющихся параметров, включающих в себя состав многокомпонентной смеси, температуру потока на всасывании и нагнетании, массовый расход рабочего тела и др., что не позволяет прогнозировать штатную работу холодильной машины, поскольку возникновение перегрева компрессора нижнего каскада выше допустимого уровня приводит к его нестабильной работе, срабатыванию внутренних приборов тепловой защиты компрессора и снижению показателей надежности.The maximum achievable value of the compressor temperature depends on a number of changing parameters, including the composition of the multicomponent mixture, the temperature of the suction and discharge flow, the mass flow rate of the working fluid, etc., which does not allow predicting the normal operation of the refrigeration machine, since the occurrence of overheating of the compressor of the lower stage is higher than the permissible level leads to its unstable operation, activation of the internal thermal protection devices of the compressor and a decrease in reliability indicators.

Также из существующего уровня техники известна система регулирования состава хладагента [RU Патент №2576561, опубликован 10.03.2016], характеризующаяся тем, что в ней применяются ресивер, из которого хладагент дросселируется на всасывание компрессора холодильной машины за счет срабатывания соленоидного вентиля, которым в свою очередь управляет по заданной программе программируемый блок управления, входными сигналами для которого является комбинация сигналов давления всасывания и нагнетания компрессора холодильной машины, что в значительной степени ограничивает время работы холодильной машины при высоких давлениях нагнетания (обычно около 30 бар) и повышает надежность компрессора и холодильной машины в целом.Also from the existing prior art, a system for regulating the composition of the refrigerant is known [RU Patent No. 2576561, published 03/10/2016], characterized in that it uses a receiver, from which the refrigerant is throttled to the suction of the compressor of the refrigeration machine due to the actuation of a solenoid valve, which in turn a programmable control unit controls a programmable control unit according to a given program, the input signals for which are a combination of the suction and discharge pressure signals of the compressor of the refrigeration machine, which significantly limits the operating time of the chiller at high discharge pressures (usually about 30 bar) and increases the reliability of the compressor and the chiller in the whole.

Недостатком указанного технического решения является то, что при работе в переходных режимах оно не позволяет обеспечить стабилизацию температурного режима компрессора нижней ветви каскада холодильной машины.The disadvantage of this technical solution is that when operating in transient modes, it does not allow stabilizing the temperature regime of the compressor of the lower branch of the refrigerating machine cascade.

Техническим результатом заявляемого технического решения является стабилизация температурного режима компрессора нижней ветви каскада каскадной холодильной машины при работе в переходных режимах и при термостатировании.The technical result of the proposed technical solution is the stabilization of the temperature regime of the compressor of the lower branch of the cascade of a cascade refrigeration machine during operation in transient modes and during thermostating.

Для достижения указанного технического результата, в заявляемой каскадной холодильной машине с системой термостабилизации компрессора осуществляется контролируемый перепуск охлажденных паров смеси хладагента после конденсатора-переохладителя на всасывание компрессора нижней ветви каскада через систему последовательно установленных элементов и приборов холодильной автоматики, управляемую с помощью программируемого блока управления (ПБУ).To achieve the specified technical result, in the claimed cascade refrigeration machine with a compressor thermal stabilization system, controlled bypass of cooled vapors of the refrigerant mixture after the subcooler condenser to the compressor suction of the lower branch of the cascade through a system of sequentially installed elements and refrigeration automation devices controlled by a programmable control unit (PBU ).

Благодаря данным изменениям в структуре цикла удается стабилизировать температурный режим работы компрессора нижней ветви каскада и обеспечить бесперебойное функционирование каскадной холодильной машины в переходных режимах работы.Thanks to these changes in the structure of the cycle, it is possible to stabilize the temperature regime of the compressor of the lower branch of the cascade and to ensure the uninterrupted operation of the cascade refrigeration machine in transient operating modes.

Принципиальная схема разработанной каскадной холодильной машины с системой термостабилизации компрессора представлена на фиг. 2.A schematic diagram of the developed cascade refrigeration machine with a compressor thermal stabilization system is shown in Fig. 2.

Перечень элементов, указанных на рисунке 2:List of items shown in Figure 2:

поз. 1 - компрессор нижней ветви каскада;pos. 1 - compressor of the lower branch of the cascade;

поз. 2 - маслоотделитель;pos. 2 - oil separator;

поз. 3 - воздушный конденсатор нижней ветви каскада;pos. 3 - air condenser of the lower branch of the cascade;

поз. 4 - конденсатор - переохладитель;pos. 4 - condenser - subcooler;

поз. 5 - отделитель жидкости;pos. 5 - liquid separator;

поз. 6 - предварительный рекуперативный теплообменник;pos. 6 - preliminary recuperative heat exchanger;

поз. 7 - основной рекуперативный теплообменник;pos. 7 - main recuperative heat exchanger;

поз. 8 - основное дросселирующее устройство;pos. 8 - main throttling device;

поз. 9 - испаритель;pos. 9 - evaporator;

поз. 10 - предварительное дросселирующее устройство;pos. 10 - preliminary throttling device;

поз. 11 - входной соленоидный вентиль;pos. 11 - inlet solenoid valve;

поз. 12 - перепускной ресивер;pos. 12 - bypass receiver;

поз. 13 - выходной соленоидный вентиль;pos. 13 - output solenoid valve;

поз. 14 - обратный клапан;pos. 14 - check valve;

поз. 15 - дополнительное дросселирующее устройство;pos. 15 - additional throttling device;

поз. 16 - соленоидный вентиль линии термостабилизации;pos. 16 - solenoid valve of the thermal stabilization line;

поз. 17 - обратный клапан линии термостабилизации;pos. 17 - check valve of the thermal stabilization line;

поз. 18 - дросселирующее устройство линии термостабилизации;pos. 18 - throttling device of the thermal stabilization line;

поз. 19 - компрессор верхней ветви каскада;pos. 19 - compressor of the upper branch of the cascade;

поз. 20 - воздушный конденсатор верхней ветви каскада;pos. 20 - air condenser of the upper branch of the cascade;

поз. 21 - ресивер;pos. 21 - receiver;

поз. 22 - дросселирующее устройство верхней ветви каскада; поз.23 - дополнительное дросселирующее устройство; ПБУ - программируемый блок управления; Т - датчик температуры на корпусе компрессора.pos. 22 - throttling device of the upper branch of the cascade; item 23 - additional throttling device; PBU - programmable control unit; T - temperature sensor on the compressor housing.

Каскадная холодильная машина с системой термостабилизации компрессора состоит из циркуляционного контура верхней ветви каскада и циркуляционного контура нижней ветви каскада. В нижней ветви каскада установлены последовательно отделитель жидкости (поз. 5), разделяющий поток хладагента на газообразную и жидкую составляющие, предварительный рекуперативный теплообменник (поз. 6), основной рекуперативный теплообменник (поз. 7), основное дросселирующее устройство (поз. 8), испаритель (поз. 9), компрессор нижней ветви каскада (поз. 1), маслоотделитель (поз. 2) и воздушный конденсатор нижней ветви каскада (поз. 3), при этом первый выход отделителя жидкости (поз. 5) соединен с входом прямого потока хладагента в предварительный рекуперативный теплообменник (поз. 6), а второй выход отделителя жидкости (поз. 5) соединен через предварительное дросселирующее устройство (поз. 10) с входом обратного потока в предварительный рекуперативный теплообменник (поз. 6). Выход потока хладагента из конденсатора (поз. 3) и вход в отделитель жидкости (поз. 5) связаны между собой теплообменником (поз. 4), являющимся конденсатором-переохладителем для нижней ветви каскада и испарителем для верхней ветви каскада, представляющей собой одноступенчатую холодильную машину, в которой последовательно установлены компрессор верхней ветви каскада (поз. 19), воздушный конденсатор верхней ветви каскада (поз. 20), ресивер (поз. 21), дросселирующее устройство верхней ветви каскада (поз.22), конденсатор-переохладитель (поз. 4). Кроме того, нижняя ветвь каскада снабжена перепускной линией, содержащей последовательно установленные входной соленоидный вентиль (поз. 11), перепускной ресивер (поз. 2), выходной соленоидный вентиль (поз. 13), обратный клапан (поз. 14), дополнительное дросселирующее устройство (поз. 15), при этом вход перепускной линии расположен между конденсатором нижней ветви каскада (поз. 3) и конденсатором-переохладителем нижней ветви каскада (поз. 4), а выход между компрессором нижней ветви каскада (поз. 1) и выходом из предварительного теплообменника (поз. 6).A cascade refrigeration machine with a compressor thermal stabilization system 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 (pos. 5) is installed in series, separating the refrigerant flow into gaseous and liquid components, a preliminary recuperative heat exchanger (pos. 6), a main recuperative heat exchanger (pos. 7), a main throttling device (pos. 8), the evaporator (pos. 9), the compressor of the lower branch of the cascade (pos. 1), the oil separator (pos. 2) and the air condenser of the lower branch of the cascade (pos. 3), while the first outlet of the liquid separator (pos. 5) is connected to the inlet of the direct refrigerant flow into the pre-recuperative heat exchanger (pos. 6), and the second outlet of the liquid separator (pos. 5) is connected through a preliminary throttling device (pos. 10) with the return flow inlet to the pre-recuperative heat exchanger (pos. 6). The outlet of the refrigerant flow from the condenser (item 3) and the inlet to the liquid separator (item 5) are interconnected by a heat exchanger (item 4), which is a subcooler condenser 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 the compressor of the upper branch of the cascade (pos. 19), the air condenser of the upper branch of the cascade (pos. 20), the receiver (pos. 21), the throttling device of the upper branch of the cascade (pos. 22), the condenser-subcooler (pos. four). In addition, the lower branch of the cascade is equipped with a bypass line containing in series installed inlet solenoid valve (item 11), bypass receiver (item 2), outlet solenoid valve (item 13), check valve (item 14), additional throttling device (item 15), while the inlet of the bypass line is located between the condenser of the lower branch of the cascade (item 3) and the subcooler-condenser of the lower branch of the cascade (item 4), and the outlet is between the compressor of the lower branch of the cascade (item 1) and the outlet from preliminary heat exchanger (pos. 6).

Система термостабилизации компрессора представляет из себя перепускную линию термостабилизации, включающую установленные последовательно соленоидный вентиль линии термостабилизации (поз. 16), обратный клапан линии термостабилизации (поз. 17) и дросселирующее устройство линии термостабилизации (поз. 18). При этом, вход в перепускную линию термостабилизации расположен между конденсатором-переохладителем нижней ветви каскада (поз. 4) и отделителем жидкости (поз. 5), а выход между компрессором нижней ветви каскада (поз. 1) и выходом из предварительного теплообменника (поз. 6).The compressor thermal stabilization system is a thermal stabilization bypass line that includes a thermal stabilization line solenoid valve (pos. 16) installed in series, a thermal stabilization line check valve (pos. 17) and a throttling device for the thermal stabilization line (pos. 18). In this case, the inlet to the bypass line of thermal stabilization is located between the condenser-subcooler of the lower branch of the cascade (pos. 4) and the liquid separator (pos. 5), and the outlet is between the compressor of the lower branch of the cascade (pos. 1) and the outlet from the preliminary heat exchanger (pos. 6).

Управление соленоидными вентилями (поз. 11, 13, 16) осуществляется с помощью программируемого блока управления (ПБУ) по заданной программе, входными сигналами для которого является комбинация сигналов датчиков давления всасывания, давления нагнетания и температуры «Т» на корпусе компрессора нижней ветви каскада (поз. 1).The solenoid valves (pos. 11, 13, 16) are controlled by a programmable control unit (PBU) according to a given program, the input signals for which are a combination of signals from the suction pressure, discharge pressure and temperature "T" sensors on the compressor housing of the lower branch of the cascade ( pos. 1).

Холодильная машина работает следующим образом: в нижней ветви каскада многокомпонентная смесь хладагентов сжимается в компрессоре (поз. 1) и попадает в маслоотделитель (поз. 2), в котором происходит отделение большей части смазочного масла с возвратом его в компрессор через дополнительное дросселирующее устройство (поз. 23). После этого рабочее тело охлаждается до температуры окружающей среды частично конденсируясь в воздушном конденсаторе нижней ветви каскада (поз. 3) и попадает в конденсатор-переохладитель (поз. 4), где продолжается процесс конденсации за счет низкопотенциальной теплоты, полученной от работы одноступенчатой холодильной машины верхней ветви каскада. Затем многокомпонентная смесь хладагентов попадает в отделитель жидкости (поз. 5), где разделяется на жидкую и газообразную фазы. Газообразный хладагент из отделителя жидкости поступает сначала в предварительный рекуперативный теплообменник (поз. 6), затем в основной рекуперативный теплообменник (поз. 7), где постепенно конденсируется за счет охлаждения обратным потоком. Охлажденный таким образом хладагент проходит через основное дросселирующее устройство (поз. 8), где происходит его расширение и понижение температуры, после чего он поступает в испаритель (поз. 9), где подогревается за счет тепла, отводимого от охлаждаемых объектов. Далее поток хладагента поступает в основной рекуперативный теплообменник (поз. 7), где подогревается за счет охлаждения прямого потока. Жидкий хладагент из отделителя жидкости (поз. 5) проходит через предварительное дросселирующее устройство (поз. 10), где понижается его давление и температура, после чего он смешивается с обратным потоком перед предварительным рекуперативным теплообменником (поз. 6). Далее поток хладагента еще подогревается в предварительном рекуперативном теплообменнике (поз. 6), и поступает на всасывание компрессора (поз. 1). На этом цикл работы холодильной машины замыкается.The refrigerating machine works as follows: in the lower branch of the cascade, the multicomponent refrigerant mixture is compressed in the compressor (pos. 1) and enters the oil separator (pos. 2), in which most of the lubricating oil is separated and returned to the compressor through an additional throttling device (pos. . 23). After that, the working fluid is cooled to ambient temperature, partially condensing in the air condenser of the lower branch of the cascade (item 3) and enters the condenser-subcooler (item 4), where the condensation process continues due to the low-potential heat obtained from the operation of the single-stage refrigeration machine of the upper branches of the cascade. Then the multicomponent refrigerant mixture enters the liquid separator (pos. 5), where it is separated into liquid and gaseous phases. The gaseous refrigerant from the liquid separator enters first the recuperative pre-heat exchanger (pos. 6), then into the main recuperative heat exchanger (pos. 7), where it is gradually condensed due to cooling by the reverse flow. The refrigerant cooled in this way passes through the main throttling device (pos. 8), where it expands and decreases in temperature, after which it enters the evaporator (pos. 9), where it is heated by the heat removed from the cooled objects. Then the refrigerant flow enters the main recuperative heat exchanger (item 7), where it is heated by cooling the direct flow. The liquid refrigerant from the liquid separator (pos. 5) passes through the pre-throttling device (pos. 10), where its pressure and temperature are reduced, after which it is mixed with the return flow upstream of the pre-recuperative heat exchanger (pos. 6). Further, the refrigerant flow is still heated in the preliminary recuperative heat exchanger (pos. 6) and enters the compressor suction (pos. 1). This closes the refrigeration machine cycle.

В пусковой период компрессор (поз .1) создает разряжение в низкотемпературной части цикла нижней ветви каскада - испарителе (поз. 9), основном рекуперативном теплообменнике (поз. 7) и предварительном рекуперативном теплообменнике (поз. 6), в результате чего жидкая фаза многокомпонентного смесевого хладагента, состоящая из высококипящих компонентов, испаряется, обеспечивая начальное охлаждение и повышение давления на всасывании компрессора (поз. 1). В связи с тем, что объем газообразного хладагента в системе постоянного объема увеличивается, в контуре холодильной машины растет давление нагнетания. Из-за ограничений по давлению нагнетания для компрессора (поз. 1) программируемый блок управления (ПБУ) при определенном значении давления нагнетания дает сигнал на открытие входного соленоидного вентиля (поз. 11), перепуская тем самым в перепускной ресивер (поз.12) порцию рабочего тела холодильной машины в газообразной фазе. При этом давление нагнетания в цикле снижается, входной соленоидный вентиль (поз. 11) закрывается. Вследствие высокого давления всасывания в пусковой период в нижней ветви каскада выходной соленоидный вентиль (поз. 13) находится в закрытом состоянии.During the start-up period, the compressor (pos. 1) creates a vacuum in the low-temperature part of the cycle of the lower branch of the cascade - the evaporator (pos. 9), the main recuperative heat exchanger (pos. 7) and the preliminary recuperative heat exchanger (pos. 6), as a result of which the liquid phase of the multicomponent Mixed refrigerant, consisting of high-boiling components, evaporates, providing initial cooling and increasing the pressure at the compressor suction (item 1). As the volume of gaseous refrigerant in a constant volume system increases, the discharge pressure increases in the refrigeration circuit. Due to limitations on the discharge pressure for the compressor (item 1), the programmable control unit (PBU), at a certain discharge pressure value, gives a signal to open the inlet solenoid valve (item 11), thereby bypassing a portion into the bypass receiver (item 12) working medium of the refrigerating machine in the gaseous phase. In this case, the discharge pressure in the cycle decreases, the inlet solenoid valve (item 11) closes. Due to the high suction pressure during the start-up period in the lower branch of the cascade, the outlet solenoid valve (pos. 13) is in a closed state.

Таким образом, в пусковой период из цикла изымается часть многокомпонентного смесевого хладагента, что обеспечивает снижение давления нагнетания в компрессоре и, соответственно, температуры нагнетания. Благодаря этому в начальный период времени удается обеспечить приемлемые температурные условия работы компрессора (поз. 1).Thus, during the start-up period, a part of the multicomponent mixed refrigerant is withdrawn from the cycle, which ensures a decrease in the discharge pressure in the compressor and, accordingly, the discharge temperature. Due to this, in the initial period of time, it is possible to provide acceptable temperature conditions for the compressor (item 1).

По мере снижения температуры кипения и начала конденсации промежуточных компонентов (изменения фазового равновесия) многокомпонентного смесевого хладагента давления всасывания и нагнетания со временем снижаются и ПБУ дает сигнал на открытие выходного соленоидного вентиля (поз. 13) при значениях давления всасывания и нагнетания» одновременно ниже оптимальных.As the boiling point decreases and the condensation of the intermediate components begins (changes in phase equilibrium) of the multicomponent mixed refrigerant, the suction and discharge pressures decrease over time and the PBU gives a signal to open the outlet solenoid valve (item 13) at the values of the suction and discharge pressures "simultaneously lower than optimal.

После открытия выходного соленоидного вентиля (поз. 13) порция хладагента начинает дросселироваться через дополнительное дросселирующее устройство (поз. 15) из перепускного ресивера (поз. 12) на всасывание компрессора (поз. 1), повышая давление всасывания и нагнетания до оптимальных значений, после чего соленоидный вентиль выходного потока (поз. 2) закрывается.After opening the outlet solenoid valve (pos. 13), the refrigerant portion begins to throttle through the additional throttling device (pos. 15) from the bypass receiver (pos. 12) to the compressor suction (pos. 1), increasing the suction and discharge pressures to optimal values, after which closes the outlet flow solenoid valve (item 2).

Таким образом, из-за периодических добавок порций многокомпонентного смесевого хладагента в контур нижней ветви каскада со временем увеличивается массовый расход рабочего тела через компрессор (поз. 1). Это приводит к увеличению его температуры при недостаточном охлаждении парами многокомпонентного смесевого хладагента на всасывании вследствие их высокой температуры в переходных режимах из-за большой теплоотдачи от теплоемкой массы корпуса и объектов охлаждения.Thus, due to periodic additions of portions of the multicomponent mixed refrigerant to the circuit of the lower branch of the cascade, the mass flow rate of the working fluid through the compressor (item 1) increases over time. This leads to an increase in its temperature with insufficient cooling by the vapors of the multicomponent mixed refrigerant at the suction due to their high temperature in transient modes due to the high heat transfer from the heat-intensive mass of the body and objects of cooling.

При этом, по достижении заданной температуры на корпусе компрессора (поз. 1), измеряемой датчиком «Т», начинает работать система термостабилизации: ПБУ дает сигнал на открытие соленоидного вентиля линии термостабилизации (поз. 16), через который порция многокомпонентного смесевого хладагента, охлажденного в конденсаторе-предохладителе (поз. 4), через обратный клапан линии термостабилизации (поз. 17) и дросселирующее устройство линии термостабилизации (поз. 18) поступает на линию всасывания компрессора (поз. 1), смешиваясь с потоком из предварительного теплообменного аппарата (поз. 6).At the same time, upon reaching the set temperature on the compressor casing (pos. 1), measured by the "T" sensor, the thermal stabilization system begins to operate: the PBU gives a signal to open the solenoid valve of the thermal stabilization line (pos. 16), through which a portion of the multicomponent mixed refrigerant cooled in the condenser-pre-cooler (item 4), through the check valve of the thermal stabilization line (item 17) and the throttling device of the thermal stabilization line (item 18) enters the compressor suction line (item 1), mixing with the flow from the preliminary heat exchanger (item . 6).

Благодаря включению системы термостабилизации, снижается температура рабочего тела на всасывании в компрессор (поз. 1), что обеспечивает его охлаждение парами хладагента с низкой температурой.Due to the inclusion of the thermal stabilization system, the temperature of the working fluid at the suction to the compressor (pos. 1) decreases, which ensures its cooling by refrigerant vapor with a low temperature.

По мере захолаживания теплоизолированного корпуса с объектами охлаждения меняются параметры фазового равновесия многокомпонентной смеси хладагентов и снижается температура рабочего тела на всасывании в компрессор (поз. 1). При этом, температура на корпусе компрессора (поз. 1), фиксируемая датчиком «Т» также снижается до заданной и ПБУ дает сигнал на закрытие соленоидного вентиля линии термостабилизации (поз. 16). Система термостабилизации прекращает свою работу, что обеспечивает циркуляцию рабочего тела в полном объеме через испаритель (поз. 9).As the heat-insulated casing with the objects of cooling cools down, the parameters of the phase equilibrium of the multicomponent refrigerant mixture change and the temperature of the working fluid at the compressor suction (item 1) decreases. At the same time, the temperature on the compressor casing (pos. 1), recorded by the "T" sensor, also decreases to the set one and the PBU gives a signal to close the solenoid valve of the thermal stabilization line (pos. 16). The thermal stabilization system stops its work, which ensures the circulation of the working fluid in full through the evaporator (pos. 9).

Таким образом, удается организовать ступенчатое охлаждение с обеспечением оптимального состава многокомпонентного рабочего тела в испарителе холодильной машины при поддержании приемлемых температурных условий работы компрессора (поз. 1).Thus, it is possible to organize staged cooling to ensure the optimal composition of the multicomponent working fluid in the evaporator of the refrigerating machine while maintaining acceptable temperature conditions for the compressor (item 1).

Продолжительность открытия и закрытия входного соленоидного вентиля (поз. 11), выходного соленоидного вентиля (поз. 13), соленоидного вентиля линии термостабилизации (поз. 6), а также значения уставок - оптимальных давлений и температур срабатывания, и их гистерезисы устанавливаются в зависимости от типоразмера холодильной машины, работающей по указанному циклу, а также в зависимости от качественного и количественного состава многокомпонентной смеси хладагентов - рабочего тела холодильной машины.The duration of opening and closing of the inlet solenoid valve (pos. 11), the outlet solenoid valve (pos. 13), the solenoid valve of the thermal stabilization line (pos. 6), as well as the values of the setpoints - the optimal pressures and response temperatures, and their hysteresis are set depending on the standard size of the refrigeration machine operating according to the specified cycle, as well as depending on the qualitative and quantitative composition of the multicomponent mixture of refrigerants - the working fluid of the refrigeration machine.

Благодаря использованию предлагаемой каскадной холодильной машины с системой термостабилизации компрессора удается обеспечить приемлемые температурные условия работы компрессора (поз. 1) в автоматическом режиме без внешних дополнительных устройств охлаждения. Это обеспечивает возможность применения серийно-выпускаемых одноступенчатых компрессоров в указанной схеме каскадной холодильной машины для получения холода на низких температурных уровнях (ниже минус 120°С).Thanks to the use of the proposed cascade refrigeration machine with a compressor thermal stabilization system, it is possible to provide acceptable temperature conditions for the compressor (item 1) in automatic mode without external additional cooling devices. This makes it possible to use commercially available single-stage compressors in the specified scheme of a cascade refrigeration machine to obtain cold at low temperature levels (below minus 120 ° C).

На фиг. 3 в качестве примера применения представлена зависимость изменения температуры компрессора нижней ветви каскада (поз. 1) и температуры воздуха в рабочем объеме от времени в переходных режимах работы реальной каскадной холодильной машины с системой термостабилизации компрессора.FIG. 3, as an example of application, the dependence of the temperature change of the compressor of the lower branch of the cascade (item 1) and the air temperature in the working volume on time in the transient modes of operation of a real cascade refrigeration machine with a compressor thermal stabilization system is presented.

Типоразмеры элементов холодильной машины и настройки управляющих устройств подобраны таким образом, чтобы обеспечить температуру компрессора в переходных режимах не выше 70°С и в режиме термостатирования при работающей холодильной машине не выше 55С.The standard sizes of the refrigerating machine elements and the settings of the control devices are selected in such a way as to ensure the compressor temperature in transient modes is not higher than 70 ° C and in the thermostatting mode when the refrigerating machine is running, not higher than 55C.

Предлагаемая каскадная холодильная машина с системой термостабилизации компрессора основана на применении оборудования и аппаратов, которые могут быть изготовлены на отечественных предприятиях и/или серийно выпускаемых комплектующих элементов (компрессоров, теплообменных аппаратов, датчиков температуры и давления, программируемых блоков управления и др.).The proposed cascade refrigeration machine with a compressor thermal stabilization system is based on the use of equipment and devices that can be manufactured at domestic enterprises and / or commercially available components (compressors, heat exchangers, temperature and pressure sensors, programmable control units, etc.).

Предлагаемое изобретение может успешно применяться для решения актуальных задач по созданию низкотемпературного холодильного оборудования для медицины, машиностроения и металлообработки и др.The proposed invention can be successfully applied to solving urgent problems of creating low-temperature refrigeration equipment for medicine, mechanical engineering and metalworking, etc.

Claims (4)

1. Каскадная холодильная машина с системой термостабилизации компрессора, содержащая в нижней ветви каскада установленные последовательно отделитель жидкости, разделяющий поток хладагента на газообразную и жидкую составляющие, предварительный рекуперативный теплообменник, основной рекуперативный теплообменник, основное дросселирующее устройство, испаритель, компрессор нижней ветви каскада, маслоотделитель, воздушный конденсатор нижней ветви каскада, перепускную линию с входным и выходным соленоидными вентилями, управляемыми программируемым блоком управления, перепускным ресивером, дополнительным дросселирующим устройством, при этом первый выход отделителя жидкости соединен с входом прямого потока хладагента в предварительный рекуперативный теплообменник, а второй выход отделителя жидкости соединен через предварительное дросселирующее устройство с входом обратного потока в предварительный рекуперативный теплообменник, а выход потока хладагента из конденсатора и вход в отделитель жидкости связаны между собой теплообменником, являющимся конденсатором-переохладителем для нижней ветви каскада и испарителем для верхней ветви каскада, представляющей собой одноступенчатую холодильную машину, в которой последовательно установлены компрессор верхней ветви каскада, воздушный конденсатор верхней ветви каскада, ресивер, дросселирующее устройство верхней ветви каскада, отличающаяся тем, что снабжена системой термостабилизации компрессора, содержащей последовательно установленные соленоидный вентиль линии термостабилизации, управляемый программируемым блоком управления, обратный клапан линии термостабилизации, дросселирующее устройство линии термостабилизации, при этом вход в соленоидный вентиль линии термостабилизации расположен после конденсатора-переохладителя нижней ветви каскада, а выход соединен с компрессором нижней ветви каскада.1. A cascade refrigeration machine with a compressor thermal stabilization system, containing in the lower branch of the cascade a liquid separator installed in series, dividing the refrigerant flow into gaseous and liquid components, a preliminary recuperative heat exchanger, a main recuperative heat exchanger, a main throttling device, an evaporator, a compressor of the lower branch of the cascade, an oil separator, air condenser of the lower branch of the cascade, a bypass line with inlet and outlet solenoid valves controlled by a programmable control unit, a bypass receiver, an additional throttling device, while the first outlet of the liquid separator is connected to the inlet of the direct refrigerant flow to the preliminary recuperative heat exchanger, and the second outlet of the liquid separator is connected through a preliminary throttling device with a return flow inlet to the preliminary recuperative heat exchanger, and the outlet of the refrigerant flow from the condenser and the inlet to the liquid separator and are interconnected by a heat exchanger, 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 the compressor of the upper branch of the cascade, an air condenser of the upper branch of the cascade, a receiver, a throttling device of the upper branch of the cascade, are installed in series, characterized in that it is equipped with a compressor thermal stabilization system, containing a series-installed solenoid valve of the thermal stabilization line controlled by a programmable control unit, a check valve for the thermal stabilization line, a throttling device for the thermal stabilization line, while the entrance to the solenoid valve of the thermal stabilization line is located after the condenser-supercooler of the lower branch of the cascade, and the outlet is connected to the compressor of the lower branch of the cascade. 2. Каскадная холодильная машина с системой термостабилизации компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что вход перепускной линии с входным и выходным соленоидными вентилями, управляемыми программируемым блоком управления, перепускным ресивером, дополнительным дросселирующим устройством расположен между воздушным конденсатором нижней ветви каскада и конденсатором-переохладителем.2. A cascade refrigeration machine with a compressor thermal stabilization system according to claim 1, characterized in that the inlet of the bypass line with inlet and outlet solenoid valves controlled by a programmable control unit, a bypass receiver, an additional throttling device is located between the air condenser of the lower branch of the cascade and the subcooler condenser ... 3. Каскадная холодильная машина с системой термостабилизации компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что предварительный и основной рекуперативные теплообменные аппараты могут быть выполнены в виде единого изделия с подключением предварительного дросселирующего устройства между секциями рекуперативного теплообменного аппарата.3. A cascade refrigeration machine with a compressor thermal stabilization system according to claim 1, characterized in that the preliminary and main recuperative heat exchangers can be made as a single product with a preliminary throttling device connected between sections of the recuperative heat exchanger. 4. Каскадная холодильная машина с системой термостабилизации компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что воздушный конденсатор верхней ветви каскада и воздушный конденсатор нижней ветви каскада могут быть выполнены в едином корпусе и представлять из себя один многозаходный теплообменный аппарат с одним вентилятором.4. A cascade refrigeration machine with a compressor thermal stabilization system according to claim 1, characterized in that the air condenser of the upper branch of the cascade and the air condenser of the lower branch of the cascade can be made in a single casing and represent one multi-pass heat exchanger with one fan.
RU2020116723A 2020-05-21 2020-05-21 Cascade refrigerating machine with compressor thermal stabilization system RU2743653C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020116723A RU2743653C1 (en) 2020-05-21 2020-05-21 Cascade refrigerating machine with compressor thermal stabilization system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020116723A RU2743653C1 (en) 2020-05-21 2020-05-21 Cascade refrigerating machine with compressor thermal stabilization system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2743653C1 true RU2743653C1 (en) 2021-02-20

Family

ID=74666282

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020116723A RU2743653C1 (en) 2020-05-21 2020-05-21 Cascade refrigerating machine with compressor thermal stabilization system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2743653C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2238487C2 (en) * 2002-10-09 2004-10-20 Открытое акционерное общество криогенного машиностроения Method and device for cryostatting object with varying heat load
RU2563049C2 (en) * 2013-11-25 2015-09-20 Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" (ОАО "ЦНИИ "Курс") Cascade refrigerating machine
RU2576561C1 (en) * 2014-10-28 2016-03-10 Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" (ОАО "ЦНИИ "Курс") Control system of the coolant composition
WO2018199682A1 (en) * 2017-04-28 2018-11-01 엘지전자 주식회사 Outdoor unit and method for controlling same
JP2019174024A (en) * 2018-03-28 2019-10-10 富士電機株式会社 Cooling device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2238487C2 (en) * 2002-10-09 2004-10-20 Открытое акционерное общество криогенного машиностроения Method and device for cryostatting object with varying heat load
RU2563049C2 (en) * 2013-11-25 2015-09-20 Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" (ОАО "ЦНИИ "Курс") Cascade refrigerating machine
RU2576561C1 (en) * 2014-10-28 2016-03-10 Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" (ОАО "ЦНИИ "Курс") Control system of the coolant composition
WO2018199682A1 (en) * 2017-04-28 2018-11-01 엘지전자 주식회사 Outdoor unit and method for controlling same
JP2019174024A (en) * 2018-03-28 2019-10-10 富士電機株式会社 Cooling device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DK2147264T3 (en) Refrigerant vapor compression system
US8671703B2 (en) Refrigerant vapor compression system with flash tank economizer
JP5197004B2 (en) Thermal control method and system
US9951974B2 (en) Flash tank economizer cycle control
CA2140179C (en) Two mop expansion valves, one pressure setting for heating mode and one for cooling mode
CA2140192C (en) Combined oil return and compressor discharge temperature limitation regarding flooded economizer heat exchanger
EP2340404B1 (en) High-side pressure control for transcritical refrigeration system
US20090175748A1 (en) Multi-stage compressor unit for refrigeration system
US20050217292A1 (en) Refrigeration system
JPH09318166A (en) Refrigerating apparatus
RU2743653C1 (en) Cascade refrigerating machine with compressor thermal stabilization system
JP5119513B2 (en) Dual refrigerator
CN113048675A (en) Accurate temperature control self-cascade refrigeration system and control method thereof
US7665321B2 (en) Evaporation process control used in refrigeration
US20220252317A1 (en) A heat pump
RU2563049C2 (en) Cascade refrigerating machine
US3500653A (en) Refrigeration apparatus and method having control for refrigeration effect and condenser heat rejection
JPH0682122A (en) Refrigerating apparatus
EP4265983A1 (en) Refrigeration system, control method thereof and transport vehicle
JP2001280729A (en) Refrigerating device
US20240077235A1 (en) Refrigeration plant and method for operating a refrigeration plant
EP4177545A1 (en) Heat source unit and control method therefor
JPH0420752A (en) Double-element type freezer device
JPS6383556A (en) Refrigeration cycle
KR940022035A (en) Refrigerator freezer