Установка водяного охлаждения

Изобретение относится к области парокомпрессионной холодильной техники и может быть использовано в различных системах водяного охлаждения. Установка содержит охлаждаемый объект (1), холодный источник (2), насос (3) хладоносителя, испаритель (4) с дросселем (5), паровой компрессор (6) с приводным устройством (7), насос (8) конденсатора, конденсатор (9), дроссель (10), регулирующие клапана (11) и (12), устройство впрыска воды (12) и (13). Испаритель (4) сообщен на входе и выходе по воде, соответственно, с выходом и через насос (3) хладоносителя - с входом охлаждаемого объекта (1) по охлаждающей воде. Испаритель выполнен в виде расширительной емкости с дросселем, установленным на входе расширительной емкости испарителя по воде. Паровой компрессор (6) с приводным устройством (7) сообщен на входе по пару с выходом расширительной емкости испарителя (4) по пару. Конденсатор (9) сообщен на входе по пару с выходом парового компрессора (6) по пару, на выходе по воде - через насос (8) конденсатора - с входом холодного источника (2) по охлаждаемой воде. Конденсатор (9) выполнен в виде парового конденсатора смешивающего типа и сообщен также на входе по впрыскиваемой охлаждаемой воде с выходом холодного источника (2) по охлаждаемой воде. Расширительная емкость испарителя (4) на входе по воде сообщена также с выходом насоса (8) конденсатора по воде гидравлической связью, снабженной дополнительным дросселем (10) и регулирующим клапаном (11). При использовании изобретения снижается металлоемкость и потребляемая мощность на привод компрессора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области парокомпрессионной холодильной техники и может быть использовано в различных системах водяного охлаждения излучающих тепло объектов для обеспечения необходимого температурного режима охлаждающей воды, подаваемой на охлаждение объекта, с одновременным повышением температурного уровня воды, подаваемой во внешний холодный источник, с целью отвода тепла во внешнюю среду при высоких температурах внешней среды либо утилизации отводимого тепла для нужд теплоснабжения.

Известна установка водяного охлаждения с использованием парокомпрессионной холодильной машины (теплового насоса) [Большая Советская энциклопедия, www.bse.sci-lib.com/particle020303.html], [сайт ЗАО «Энергия» www.risp.ru/~energy/princip.html], содержащей дроссельное устройство в виде терморегулирующего вентиля, низкотемпературный испаритель хладагента, компрессор пара хладагента, конденсатор пара хладагента, связанные друг с другом гидравлическими связями по хладагенту в указанной последовательности, при этом дроссельное устройство на входе по хладагенту сообщено с выходом конденсатора пара хладагента по хладагенту, на выходе по хладагенту соединено с входом испарителя хладагента, образуя замкнутый контур циркуляции хладагента, испаритель и конденсатор хладагента выполнены в виде теплообменников поверхностного типа, испаритель хладагента на входе и выходе по внешнему хладоносителю - охлаждаемой воде - сообщен, соответственно, с выходом и входом охлаждаемого объекта по охлаждающей воде (на чертеже не показан), образуя контур хладоносителя - «холодный» водяной контур, а конденсатор пара хладагента на входе и выходе по охлаждающей воде сообщен, соответственно, с выходом и входом по охлаждаемой воде холодного источника - внешнего потребителя тепла или устройства, отводящего тепло воды в окружающую среду образуя водяной контур холодного источника - «горячий» водяной контур (на чертеже не показан).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является установка водяного охлаждения (ПТУ смешения: проблемы и перспективы. / Ю.С.Елисеев, В.Е.Беляев, М.С.Косой и др. // Газотурбинные технологии, №2, 2006, с.18-20, рис.3, с.20), содержащая охлаждаемый объект КК, холодный источник ГПСВ, насос хладоносителя, испаритель, сообщенный на входе и выходе по воде, соответственно, с выходом и - через насос хладоносителя - с входом охлаждаемого объекта по охлаждающей воде и выполненный в виде расширительной емкости с дросселем, установленным на входе каждой емкости по воде, паровой компрессор с приводным устройством, сообщенный на входе по пару с выходом расширительной емкости испарителя по пару, и конденсатор водяного пара, сообщенный на входе по пару с выходом парового компрессора по пару, на выходе конденсата - через газопаровой тракт парогазовой установки - с входом охлаждаемого объекта по охлаждающей воде. В данной установке в качестве хладагента используется вода, являющаяся одновременно и хладоносителем, посредством которого производится отвод теплоты из охлаждаемого объекта. Конденсатор выполнен в виде теплообменника поверхностного типа, сообщенного на входе и выходе по охлаждающей воде, соответственно, с выходом и входом по охлаждаемой воде холодного источника (сетевой воде). Конденсатор на входе по сетевой воде сообщен с выходом холодного источника по сетевой воде через тракт предвключенного теплообменника по сетевой воде, что может иметь место в частном случае применения прототипа, когда температура охлаждающей воды за охлаждаемым объектом КК оказывается значительно выше температуры сетевой воды на выходе из холодного источника.

Достоинство прототипа состоит в его экологической чистоте, поскольку в качестве хладагента в нем используется вода, а не какой-либо из озоноразрушающих фреонов или других вредных веществ.

Недостатком известных технических устройств является большая металлоемкость используемых теплообменников, в частности конденсатора и испарителя, за счет выполнения их в виде теплообменников поверхностного типа, в конструкции которого используются теплообменные трубы, а также большой расход энергии на привод компрессора, связанный с тем, что температура конденсации пара в конденсаторе должна быть выше требуемой температуры охлаждающей (сетевой) воды - перед холодным источником на величину температурного напора в конденсаторе, т.е. минимум на 4…7°, что приводит к увеличению требуемой степени сжатия пара в компрессоре.

Техническим результатом заявляемой установки водяного охлаждения является снижение ее металлоемкости и потребляемой мощности на привод компрессора за счет уменьшения требуемой степени сжатия пара в компрессоре.

Поставленная задача достигается тем, что в установке водяного охлаждения, содержащей охлаждаемый объект, холодный источник, насос хладоносителя, испаритель, сообщенный на входе и выходе по воде, соответственно, с выходом и - через насос хладоносителя - с входом охлаждаемого объекта по охлаждающей воде и выполненный в виде расширительной емкости с дросселем, установленным на входе расширительной емкости испарителя по воде, паровой компрессор с приводным устройством, сообщенный на входе по пару с выходом расширительной емкости испарителя по пару, насос конденсатора и конденсатор, сообщенный на входе по пару с выходом парового компрессора по пару, на выходе по воде - через насос конденсатора - с входом холодного источника по охлаждаемой воде, согласно изобретению конденсатор выполнен в виде парового конденсатора смешивающего типа и сообщен на входе по охлаждающей воде с выходом холодного источника по охлаждаемой воде, а расширительная емкость испарителя на входе по воде сообщена также с выходом насоса конденсатора по воде гидравлической связью, снабженной дополнительным дросселем и регулирующим клапаном, выполненным с возможностью регулирования расхода воды через дополнительный дроссель по уровню воды в расширительной емкости испарителя.

При этом дополнительный дроссель выполнен в виде устройства впрыска воды, размещенного в расширительной емкости испарителя на выходе по пару.

Кроме того, паровой компрессор снабжен устройством впрыска воды, установленным на входе компрессора по пару и сообщенным на входе по впрыскиваемой воде с выходом насоса конденсатора по воде, при этом паровой компрессор сообщен на входе по пару с выходом расширительной емкости испарителя по пару через паровой тракт устройства впрыска воды.

Выполнение конденсатора в виде парового конденсатора смешивающего типа и сообщение его на входе по охлаждающей воде с выходом холодного источника по охлаждаемой воде позволяет уменьшить металлоемкость установки водяного охлаждения в целом за счет того, что не содержит поверхностей теплообмена в сравнении с конденсатором поверхностного типа, применяемого в прототипе. Теплообмен между конденсируемым паром и охлаждающей водой происходит путем смешения пара и воды, т.е. с температурными напорами, близкими к нулевым, в то время как в конденсаторе поверхностного типа температура конденсируемого пара должна превышать выходную температуру охлаждающей воды, по крайней мере, на 4…7°С, вследствие чего давление в конденсаторе и, соответственно, степень сжатия в компрессоре и расход энергии на привод компрессора заявляемого устройства оказываются ниже, чем в прототипе.

Исполнение дополнительного дросселя в виде устройства впрыска воды, размещенного в расширительной емкости испарителя на выходе по пару, либо установка устройства впрыска воды на входе компрессора по пару обеспечивают создание ненулевой влажности пара на входе в компрессор 6 (порядка 1-2%), при этом часть теплоты, подведенная к пару при сжатии в компрессоре, будет расходоваться на испарение этой влаги, что приведет к снижению прироста температуры пара в компрессоре и дополнительному снижению мощности, расходуемой на привод компрессора 6.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 схематично изображена установка водяного охлаждения;

на фиг.2 установка снабжена дополнительным регулирующим клапаном, установленным на линии подачи воды насосом конденсатора через дроссель в испаритель;

на фиг.3 установка снабжена устройством впрыска воды, установленным на входе компрессора по пару и сообщенным на входе по впрыскиваемой воде с выходом насоса по воде и с выходом расширительной емкости испарителя по пару.

Установка водяного охлаждения (фиг.1) содержит охлаждаемый объект 1, холодный источник (в данном примере - аппарат воздушного охлаждения) 2, насос 3 хладоносителя, испаритель 4 с дросселем 5, паровой компрессор 6 с приводным устройством 7, насос 8 конденсатора, конденсатор 9, дроссель 10, регулирующие клапана 11 и 12, устройство впрыска воды 13. Испаритель 4 сообщен на входе и выходе по воде, соответственно, с выходом и - через насос хладоносителя 3 - с входом охлаждаемого объекта 1 по охлаждающей воде. Испаритель 4 выполнен в виде расширительной емкости с дросселем 5, установленным на входе расширительной емкости испарителя 4 по воде. Паровой компрессор 6 с приводным устройством 7 (в приведенном примере - электроприводом) сообщен на входе по пару с выходом расширительной емкости испарителя 4 по пару. Конденсатор 9 сообщен на входе по пару с выходом компрессора 6 по пару, на выходе по воде - через насос конденсатора 8 - с входом холодного источника 2 по охлаждаемой воде. Конденсатор 9 выполнен в виде конденсатора смешивающего типа и также сообщен на входе по впрыскиваемой охлаждающей воде с выходом холодного источника 2 по охлаждаемой воде. Расширительная емкость испарителя 4 на входе по воде сообщена также с выходом насоса конденсатора 8 по воде гидравлической связью, снабженной дополнительным дросселем 10 и регулирующим клапаном 11, выполненным с возможностью регулирования расхода воды через дополнительный дроссель 10 по уровню воды в расширительной емкости испарителя 4. Установка снабжена также регулирующим клапаном 12, установленном на линии подачи воды насосом конденсатора 8 в холодный источник 2.

Дополнительный дроссель 10 может быть выполнен в виде устройства впрыска воды, размещенного в расширительной емкости испарителя 4 на выходе по пару (фиг.2).

Паровой компрессор 6 может быть также снабжен устройством впрыска воды 13 (фиг.3), установленным на входе компрессора 6 по пару и сообщенным на входе по впрыскиваемой воде с выходом насоса 8 конденсатора по воде, при этом паровой компрессор 6 оказывается сообщенным на входе по пару с выходом расширительной емкости испарителя 4 по пару через паровой тракт устройства впрыска воды 13.

Устройство работает следующим образом.

Охлаждающую воду (хладоноситель) подают из охлаждаемого объекта 1 через дроссель 5 в расширительную емкость испарителя 4. Необходимое разряжение в этой емкости, при котором температура насыщения снижается до требуемого по условиям охлаждения объекта 1 значения, обеспечивается компрессором 6 с приводным устройством 7, откачивающим из емкости испарителя 4 пар, образующийся при расширении воды в дросселе 5. Охлажденную таким образом воду из испарителя 4 подают насосом 3 в охлаждаемый объект 1, а образовавшийся пар сжимают в компрессоре 6 до давления, при котором температура конденсации пара в конденсаторе 9 достигает требуемой величины по условиям отвода теплоты в холодном источнике 2, и подают в конденсатор 9, куда также впрыскивают воду, подаваемую из холодного источника 2. Пар конденсируется, впрыскиваемая вода нагревается. Теплота конденсации пара в конденсаторе 9 равна теплоте образования пара в испарителе 4 плюс теплота, сообщенная пару при его сжатии в компрессоре 6. Воду из конденсатора 9 (смесь охлаждающей воды и конденсата пара) подают насосом 8 конденсатора на охлаждение в холодный источник 2, в данном примере - с регулированием при помощи регулирующего клапана 12 по уровню температуры на выходе конденсатора 9 по воде, при этом часть воды за насосом 8 конденсатора подают через регулирующий клапан 11 и дополнительный дроссель 10 на вход расширительной емкости испарителя 4 по воде с регулированием по уровню воды в расширительной емкости испарителя 4, обеспечивая тем самым возврат воды в тракт хладоносителя в количестве, равном отбору пара из тракта хладоносителя компрессором 6.

Приведенные примеры не исчерпывают всех возможных вариантов заявляемого изобретения и приведены лишь для его иллюстрации. В частности, в качестве приводного устройства 7 может использоваться не электропривод (электродвигатель с частотным регулированием), а паровая или гидротурбина. Испаритель 4 и компрессор 6 могут быть выполнены двухкаскадными, при этом первый и второй (по ходу хладоносителя) каскады испарителя на выходе по пару сообщены с входами, соответственно, второго и первого каскада парового компрессора. Устройство впрыска воды в этом случае может быть применено только на входе по пару второго каскада компрессора и т.д.

Таким образом, экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в упрощении и удешевлении конструкции установки за счет снижения металлоемкости конденсатора и потребляемой мощности на привод компрессора путем уменьшения требуемой степени сжатия пара в компрессоре.

1. Установка водяного охлаждения, содержащая охлаждаемый объект, холодный источник, насос хладоносителя, испаритель, сообщенный на входе и выходе по воде соответственно с выходом и через насос хладоносителя - с входом охлаждаемого объекта по охлаждающей воде и выполненный в виде расширительной емкости с дросселем, установленным на входе расширительной емкости испарителя по воде, паровой компрессор с приводным устройством, сообщенный на входе по пару с выходом расширительной емкости испарителя по пару, насос конденсатора и конденсатор, сообщенный на входе по пару с выходом парового компрессора по пару, на выходе по воде через насос конденсатора - с входом холодного источника по охлаждаемой воде, отличающаяся тем, что конденсатор выполнен в виде парового конденсатора смешивающего типа и сообщен на входе по впрыскиваемой охлаждаемой воде с выходом холодного источника по охлаждаемой воде, а расширительная емкость испарителя на входе по воде сообщена также с выходом насоса конденсатора по воде гидравлической связью, снабженной дополнительным дросселем и регулирующим клапаном, выполненным с возможностью регулирования расхода воды через дополнительный дроссель по уровню воды в расширительной емкости испарителя.

2. Установка водяного охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный дроссель выполнен в виде устройства впрыска воды, размещенного в расширительной емкости испарителя на выходе по пару.

3. Установка водяного охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что паровой компрессор снабжен устройством впрыска воды, установленным на входе компрессора по пару и сообщенным на входе по впрыскиваемой воде с выходом насоса конденсатора по воде, при этом паровой компрессор сообщен на входе по пару с выходом расширительной емкости испарителя по пару через паровой тракт устройства впрыска воды.