RU2472077C1

RU2472077C1 - Method of expanding compression refrigerator operating temperature range

Info

Publication number: RU2472077C1
Application number: RU2011120380/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Григорьевич Сальников; Александр Владимирович Сальников; Сергей Борисович Погребняков
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Термо-Модуль" (Ооо "Термо-Модуль")
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2013-01-10
Also published as: RU2011120380A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: compression refrigerator comprises forced air cooling condenser to expand operating temperature range by adjusting condenser heat exchange power. Coolant is fed from condenser outlet via controlled thermoelectric cooler-heater to condenser inlet. In compliance with another version, condenser rear heat transfer surfaces are cooled-heated by thermoelectric modules with heat-removal radiators arranged at condenser airflow outlet. Note here that control voltage with appropriate polarity is fed to thermoelectric modules after ambient temperature reaches refrigerator limit ratings.

EFFECT: expanded operating temperature range

2 dwg

Description

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к компрессионным холодильникам с конденсаторами принудительного воздушного охлаждения, которые широко используются на предприятиях химической, нефтегазовой, пищевой и других отраслей промышленности, а также в кондиционерах промышленного и бытового назначения.The invention relates to refrigeration, in particular to compression refrigerators with forced air cooling condensers, which are widely used in enterprises of the chemical, oil and gas, food and other industries, as well as in air conditioners for industrial and domestic purposes.

Известно, что нормальный режим работы компрессионного холодильника или кондиционера определяется эффективностью теплообмена его конденсатора с окружающей средой. Поэтому диапазон температур окружающей среды, при котором гарантируются параметры холодильников или кондиционеров, является одной из важнейших их паспортных технических характеристик. Превышение температуры окружающей среды свыше паспортного значения вызывает рост давления и температуры газообразного хладагента на входе конденсатора, при этом одновременно уменьшается отводимая от конденсатора тепловая мощность, что неминуемо приводит к снижению холодопроизводительности и повышенному износу компрессора. Понижение температуры окружающей среды ниже паспортного значения особенно ощутимо сказывается на работе реверсивных кондиционеров, имеющих вентили переключения испарителя и конденсатора и не обеспечивающих в этих условиях выработки необходимой мощности обогрева помещения.It is known that the normal operation of a compression refrigerator or air conditioner is determined by the efficiency of heat exchange of its condenser with the environment. Therefore, the ambient temperature range at which the parameters of refrigerators or air conditioners are guaranteed is one of their most important passport technical characteristics. Exceeding the ambient temperature above the certified value causes an increase in the pressure and temperature of the gaseous refrigerant at the inlet of the condenser, while at the same time the heat output from the condenser decreases, which inevitably leads to a decrease in cooling capacity and increased wear of the compressor. Lowering the ambient temperature below the rating value has a particularly noticeable effect on the operation of reversible air conditioners, which have evaporator and condenser switching valves and do not provide the necessary heating power for the premises under these conditions.

Известные способы расширения температурного диапазона работы компрессионных холодильных устройств для низких температур окружающей среды сводятся к дополнительному обогреву конденсаторов при их выполнении функции испарителей, а для повышенных температур (что более актуально) - к увеличению отводимой от теплопередающей поверхности конденсаторов тепловой мощности. Например, для расширения температурного диапазона при повышенной температуре окружающей среды в холодильной установке по авт. свидетельству СССР №759807, F25B 1/00 конденсатор воздушного охлаждения дополнен конденсатором водяного охлаждения; в холодильниках по авт. свидетельствам СССР №596788, F25B 1/00 и №787816, F25B 1/00 использованы многоступенчатые компрессорные установки с большим количеством переключающих вентилей, срабатывающих при изменении температуры окружающей среды; в авт.свидетельствах СССР №673820, F25B 1/00 и №731215, F25B 1/00 конденсаторы воздушного охлаждения оснащены дополнительными аккумуляторами холода; в книге Лэнгли Б.К. «Холодильная техника и кондиционирование воздуха», пер. с англ., под ред. Л.Г.Каплана, М., Легкая и пищевая промышленность, 1981 г., описан способ регулирования мощности теплообмена конденсаторов путем изменения угла установки лопастей вентиляторов в зависимости от температуры окружающей среды.Known methods for expanding the temperature range of operation of compression refrigeration devices for low ambient temperatures are reduced to additional heating of the condensers when they perform the function of evaporators, and for elevated temperatures (which is more important) to increase the heat output from the heat transfer surface of the condensers. For example, to expand the temperature range at elevated ambient temperatures in a refrigeration unit according to ed. USSR certificate No. 759807, F25B 1/00 air-cooled condenser supplemented with a water-cooled condenser; in refrigerators USSR certificates No. 596788, F25B 1/00 and No. 787816, F25B 1/00 used multistage compressor units with a large number of switching valves that operate when the ambient temperature changes; in the USSR auto certificates No. 673820, F25B 1/00 and No. 731215, F25B 1/00, air-cooled condensers are equipped with additional cold accumulators; in the book of Langley B.K. "Refrigeration and air conditioning", trans. from English, ed. L.G. Kaplana, M., Light and Food Industry, 1981, describes a method for controlling the heat transfer capacity of condensers by changing the angle of installation of the fan blades depending on the ambient temperature.

Упомянутые способы лишь в незначительной степени позволяют расширить температурный диапазон безотказной работы холодильников в сторону повышения температуры окружающего воздуха, который по сути является единственным переносчиком отводимого от конденсатора тепла.The mentioned methods only to a small extent allow expanding the temperature range of the trouble-free operation of refrigerators in the direction of increasing ambient temperature, which in fact is the only carrier of heat removed from the condenser.

Более качественные результаты обеспечивает испарительный способ повышения отводимой от конденсатора тепловой мощности, при котором теплопередающую поверхность конденсатора постоянно увлажняют испаряющейся водой (патент РФ №2234645, F25B 1/00, 2004 г.). В этом случае действуют два фактора теплоотвода: отбор тепла продуваемым воздухом и отбор тепла механизмом охлаждения при испарении.Better results are provided by the evaporative method of increasing the heat output from the condenser, in which the heat transfer surface of the condenser is constantly moistened with evaporating water (RF patent No. 2234645, F25B 1/00, 2004). In this case, there are two factors of heat removal: heat extraction by purged air and heat extraction by the cooling mechanism during evaporation.

Поскольку предложенный способ также основан на использовании двух факторов теплоотвода, вышеупомянутый патент, как наиболее близкий аналог, выбран в качестве прототипа. Недостатки прототипа, отмеченные его автором (Осацкий С.А. «Исследование влияния испарительного конденсатора на теплоэнергетические характеристики бытового холодильного прибора компрессионного типа», канд. диссертация, г. Шахты, 2004 г.), а именно, необходимость выполнения герметичности конструкции конденсатора, необходимость постоянного подвода воды - все это требует принципиально новых конструктивных решений холодильных агрегатов и поэтому данный способ не может быть использован для применяемых в настоящее время компрессионных холодильников. Кроме того, упомянутый способ расширения диапазона рабочих температур эффективен лишь в случае экстремального повышения температуры окружающей среды.Since the proposed method is also based on the use of two heat sink factors, the aforementioned patent, as the closest analogue, is selected as a prototype. The disadvantages of the prototype, noted by its author (Osatsky S. A. "Research on the effect of an evaporative condenser on the heat and power characteristics of a household refrigeration appliance of compression type", Ph.D. thesis, mines, 2004), namely, the need to perform the tightness of the condenser design, the need constant water supply - all this requires fundamentally new design solutions of refrigeration units and therefore this method cannot be used for compression compressors currently used Ilnyk. In addition, the aforementioned method of expanding the operating temperature range is effective only in the case of an extreme increase in ambient temperature.

Задачей предложенного способа является расширение температурного диапазона безотказной работы практически всех типов используемых в настоящее время компрессионных холодильников с конденсаторами принудительного воздушного охлаждения без необходимости существенного изменения их конструкций.The objective of the proposed method is to expand the temperature range of uptime of almost all types of compression refrigerators currently used with forced air cooling condensers without the need for a significant change in their designs.

Сущность решения поставленной задачи согласно изобретению заключается в том, что для расширения температурного диапазона работы компрессионных холодильников с конденсаторами принудительного воздушного охлаждения или хладагент с выходом компрессора подают на вход конденсатора через управляемый термоэлектрический охладитель-нагреватель, или тыльные теплопередающие поверхности конденсатора охлаждают - нагревают термоэлектрическими модулями, теплоотводящие радиаторы которых размещают на выходе воздушного потока конденсатора, при этом подачу на термоэлектрические модули управляющего напряжения с соответствующей полярностью осуществляют при достижении температуры окружающей среды предельных паспортных значений холодильника.The essence of the solution of the problem according to the invention lies in the fact that to expand the temperature range of operation of compression refrigerators with forced air cooling condensers or refrigerant with compressor output is fed to the condenser inlet through a controlled thermoelectric cooler-heater, or the rear heat-transfer surfaces of the condenser are cooled - heated by thermoelectric modules, heat sink radiators which are placed at the outlet of the air flow of the condenser, when this feed to the thermoelectric modules of the control voltage with the appropriate polarity is carried out when the ambient temperature reaches the limit passport values of the refrigerator.

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа по первому варианту, согласно которому в компрессионном холодильнике, содержащем компрессор 1, испаритель 2, дроссельный вентиль 3 и конденсатор 4, хладагент с выхода компрессора 1 подают на вход конденсатора 4 через термоэлектрический охладитель-нагреватель 5, управляемый блоком управления 6 по сигналам термодатчика 7, измеряющим температуру окружающей среды.Figure 1 presents the implementation diagram of the proposed method according to the first embodiment, according to which in a compression refrigerator containing a compressor 1, an evaporator 2, a throttle valve 3 and a condenser 4, the refrigerant from the output of the compressor 1 is fed to the input of the condenser 4 through a thermoelectric cooler-heater 5, controlled by the control unit 6 by the signals of the temperature sensor 7, measuring the ambient temperature.

На фиг.2 представлена схема реализации предлагаемого способа по второму варианту, когда тыльную поверхность трубы 8 конденсатора, обдуваемую воздушным потоком, охлаждают (нагревают) термоэлектрическим модулем 9, теплоотводящий радиатор 10 которого размещают на выходе воздушного потока конденсатора компрессионного холодильника.Figure 2 presents a diagram of the implementation of the proposed method according to the second embodiment, when the back surface of the condenser pipe 8, blown by the air flow, is cooled (heated) by a thermoelectric module 9, the heat sink radiator 10 of which is placed at the outlet of the air stream of the condenser of the compression refrigerator.

Обоснование предлагаемого способа расширения верхнего предела рабочего температурного диапазона холодильника заключается в следующем. Отводимая от конденсатора 4 воздушным потоком тепловая мощность практически линейно падает с ростом температуры окружающей среды, и при подходе этой температуры к паспортному значению верхнего предела работы холодильника его холодопроизводительность резко уменьшается по причинам, рассмотренным выше. С учетом того, что температурный интервал резкого падения холодильной мощности составляет 5-10% от всего рабочего температурного диапазона холодильника, при дополнительном охлаждении поступающего в конденсатор газообразного хладагента с холодильной мощностью, составляющей 5-10% от отводимой воздушным потоком номинальной тепловой мощности, верхний температурный предел работы холодильника сдвигается в сторону повышения на величину вышеупомянутого интервала резкого падения вырабатываемой холодильной мощности.The rationale for the proposed method of expanding the upper limit of the operating temperature range of the refrigerator is as follows. The heat output from the condenser 4 by the air flow almost linearly decreases with increasing ambient temperature, and when this temperature approaches the rated value of the upper limit of the refrigerator, its cooling capacity decreases sharply for the reasons discussed above. Given that the temperature range of a sharp drop in refrigerating power is 5-10% of the entire operating temperature range of the refrigerator, with additional cooling of the gaseous refrigerant entering the condenser with a refrigerating capacity of 5-10% of the rated heat output from the air flow, the upper temperature the limit of operation of the refrigerator is shifted upward by the value of the above-mentioned interval of a sharp drop in the generated refrigerating power.

Аналогичным образом, при падении температуры окружающей среды ниже предельного паспортного значения холодильника, дополнительный подогрев конденсатора компенсирует снижение давления газообразного хладагента, что позволяет расширить диапазон работы в сторону более низких температур.Similarly, when the ambient temperature falls below the limit passport value of the refrigerator, additional heating of the condenser compensates for the decrease in pressure of the gaseous refrigerant, which allows you to expand the operating range towards lower temperatures.

Наилучшим образом поставленная задача решается путем использования термоэлектрических модулей благодаря их следующим свойствам:The best task is solved by using thermoelectric modules due to their following properties:

- термоэлектрические модули сохраняют работоспособность при температуре окружающей среды до +200°С и выше, обеспечивая при этом температуру холодных пластин на 50-70°С ниже температуры окружающей среды (см. каталог фирмы КРИОТЕРМ «Термоэлектрические Модули и Охлаждающие Системы», г. Санкт-Петербург, 2005 г.);- thermoelectric modules maintain their operability at an ambient temperature of up to + 200 ° С and higher, while ensuring that the temperature of cold plates is 50-70 ° С lower than the ambient temperature (see the catalog of KRIOTERM Thermoelectric Modules and Cooling Systems, St. Petersburg, 2005);

- термоэлектрические модули при переключении полярности управляющего напряжения обеспечивают как охлаждение, так и нагревание контактирующих с их пластинами поверхностей, причем в режиме нагревания выделяемая тепловая мощность на 30-40% выше потребляемой модулями электрической мощности;- thermoelectric modules when switching the polarity of the control voltage provide both cooling and heating of the surfaces in contact with their plates, and in the heating mode, the released heat power is 30-40% higher than the electric power consumed by the modules;

- термоэлектрические модули незначительно теряют холодильную мощность при необходимости получения относительно небольшой (до 20°С) разности температур холодной и горячей пластин;- thermoelectric modules slightly lose refrigeration capacity if it is necessary to obtain a relatively small (up to 20 ° C) temperature difference between cold and hot plates;

- при обдуве трубчатой поверхности воздушным потоком со скоростью до 4 м/сек отводимая тепловая мощность не превышает 1-2 Вт/см², в то время как холодильная мощность термоэлектрических модулей, согласно упомянутому каталогу, достигает 8 Вт/см² (напр., модуль ТВ-199-2,0-0,9);- when blowing a tubular surface with an air stream at a speed of up to 4 m / s, the heat output does not exceed 1-2 W / cm ² , while the cooling power of thermoelectric modules, according to the mentioned catalog, reaches 8 W / cm ² (e.g. TV-199-2.0-0.9 module);

- чрезвычайно широкая номенклатура типоразмеров и мощностей серийно выпускаемых термоэлектрических модулей позволяет нагревать или охлаждать с заданными характеристиками поверхности любых конфигураций.- an extremely wide range of sizes and capacities of commercially available thermoelectric modules allows heating or cooling with the given surface characteristics of any configuration.

При реализации предлагаемого способа по первому варианту в разрыв трубопровода, соединяющего компрессор 1 и конденсатор 4, включают прямоточный термоэлектрический охладитель-нагреватель 5, обладающий минимальным динамическим сопротивлением потоку газа или жидкости. Подобные термоэлектрические устройства общеизвестны, например, выпускаемая ООО «Системы СТК» «Термоэлектрическая система охлаждения жидкость-воздух OverFrost-480-AL-1», руководство по эксплуатации, г. Пермь, 2011 г. Упомянутое устройство, обладая холодильной мощностью 480 Вт и мощностью нагревания не менее 900 Вт, способно расширить температурный диапазон работы компрессионных холодильников и кондиционеров с производительностью по холоду до 5 кВт, а его подключение между компрессором и конденсатором не вызывает особых затруднений, так как в регламент технического обслуживания компрессорных холодильников входит периодическая поверка и при необходимости пополнение или полная замена хладагента, при которых неизбежны разгерметизация трубопровода и последующее восстановление его герметичности. Блок управления 6 с термодатчиком 7, например РТ-104, также выпускается ООО «Системы СТК».When implementing the proposed method according to the first embodiment, a straight-through thermoelectric cooler-heater 5 having a minimum dynamic resistance to gas or liquid flow is included in a pipeline rupture connecting a compressor 1 and a condenser 4. Such thermoelectric devices are well-known, for example, “Thermo-electric liquid-air cooling system OverFrost-480-AL-1” manufactured by LLC Systems STK, operating manual, Perm, 2011. The mentioned device, having a cooling capacity of 480 W and power heating not less than 900 W, is able to expand the temperature range of compression refrigerators and air conditioners with a cold capacity of up to 5 kW, and its connection between the compressor and the condenser does not cause special difficulties, as in the regulations The maintenance of compressor refrigerators includes periodic calibration and, if necessary, replenishment or complete replacement of the refrigerant, in which depressurization of the pipeline and the subsequent restoration of its tightness are inevitable. The control unit 6 with a temperature sensor 7, for example RT-104, is also produced by LLC "System STK".

Реализация предлагаемого способа по второму варианту обеспечивается следующим образом. Независимо от конструкции конденсатора (трубчато-змеевиковая, кожухозмеевиковая, кожухотрубная) теплопередача от хладагента к окружающей среде передается через стенки обдуваемых труб 8. При этом в максимальной степени тепловая мощность отводится с фронтальной поверхности трубы, обращенной встречно к направлению потока, в то время как противоположная тыльная сторона трубы передает тепловую мощность лишь за счет теплопроводности материала, из которого изготовлена труба. Это обстоятельство позволяет разместить на тыльной необдуваемой поверхности теплопроводник холодной пластины термоэлектрического модуля 9, а поскольку теплопроводность указанного теплопроводника несравненно выше теплопроводности воздуха, подобное размещение даже и при неработающем термомодуле несколько увеличивает теплоотдачу участка трубы с установленным теплопроводником модуля и значительно увеличивает теплоотдачу при включении модуля в режим охлаждения посредством блока управления 6. Количество размещаемых модулей определяется требуемой величиной дополнительного охлаждения конденсатора, необходимого для расширения диапазона рабочих температур холодильника в сторону верхних значений, а теплоотвод от горячих пластин модулей осуществляют расположением их радиаторов 10 на выходе воздушного потока, проходящего через конденсатор. Обдув этих радиаторов «отработанным» воздушным потоком практически не изменяет аэродинамические характеристики вентиляции конденсатора, но позволяет эффективно отводить тепло от пластин радиаторов термоэлектрических модулей и тем самым обеспечить выработку необходимой холодильной мощности.The implementation of the proposed method according to the second embodiment is provided as follows. Regardless of the design of the condenser (tubular-coil, shell-coil, shell-and-tube), heat transfer from the refrigerant to the environment is transmitted through the walls of the blown pipes 8. In this case, to the maximum extent, the heat power is removed from the front surface of the pipe facing towards the flow direction, while the opposite the back side of the pipe transfers heat power only due to the thermal conductivity of the material of which the pipe is made. This circumstance makes it possible to place the thermal conductor of the cold plate of the thermoelectric module 9 on the back non-blown surface, and since the thermal conductivity of the specified thermal conductor is incomparably higher than the air thermal conductivity, such placement even with the inoperative thermal module slightly increases the heat transfer of the pipe section with the installed thermal conductor of the module and significantly increases the heat transfer when the module is switched on cooling by means of the control unit 6. The number of placed modules is determined etsya desired quantity of additional condenser cooling necessary to extend the range of operating temperatures of the refrigerator in the direction of the upper values, and heat from the hot plates of the modules is carried radiators 10 located on the air flow passing through the condenser. Blowing these radiators with the "exhausted" air flow practically does not change the aerodynamic characteristics of the condenser ventilation, but it allows you to effectively remove heat from the radiator plates of thermoelectric modules and thereby ensure the generation of the necessary cooling power.

При пониженных температурах окружающей среды блок управления 6 переключает полярность управляющего напряжения питания термоэлектрических модулей, переводя их в режим нагревания труб конденсатора. Обычно в этих условиях выключаются вентиляторы конденсаторов, в холодильниках с естественной циркуляцией хладагента выключаются компрессоры, а в реверсивных кондиционерах осуществляется переключение функций конденсаторов и испарителей. Дополнительный нагрев термоэлектрическими модулями осуществляется с повышенным коэффициентом полезного действия за счет охлаждения радиаторов 10, т.е. перекачки тепла из окружающей среды с пониженной температурой к контактирующим с модулями 9 поверхностям труб 8. Тем самым сдвигается температурный диапазон нормальной работы холодильника или компрессора в сторону более низких значений.At low ambient temperatures, the control unit 6 switches the polarity of the control voltage of the thermoelectric modules, putting them in the heating mode of the condenser pipes. Typically, under these conditions, condenser fans are turned off, compressors are turned off in refrigerators with natural refrigerant circulation, and the functions of condensers and evaporators are switched in reversed air conditioners. Additional heating by thermoelectric modules is carried out with an increased efficiency due to cooling of radiators 10, i.e. heat transfer from a low-temperature environment to the pipe surfaces 8 in contact with the modules 9. This shifts the temperature range of the normal operation of the refrigerator or compressor to lower values.

Таким образом, оба варианта использования термоэлектрических методов в предложенном способе позволяют улучшить эксплуатационные характеристики компрессионных холодильников и кондиционеров за счет расширения диапазона их рабочих температур без существенного изменения их конструкций.Thus, both options for the use of thermoelectric methods in the proposed method can improve the operational characteristics of compression refrigerators and air conditioners by expanding the range of their operating temperatures without significantly changing their designs.

Claims

A method of expanding the operating temperature range of a compression refrigerator with a forced air cooling condenser by controlling the heat transfer capacity of the condenser, characterized in that either the refrigerant from the compressor output is fed to the condenser inlet through a controlled thermoelectric cooler-heater, or the rear heat-transfer surfaces of the condenser are cooled-heated by thermoelectric modules, heat-transferring radiators which are placed at the outlet of the air flow of the condenser, while m the supply to the thermoelectric modules of the control voltage with the appropriate polarity is carried out when the ambient temperature reaches the limit passport values of the refrigerator.