Холодильная машина

Полезная модель относится к области холодильной техники, в частности, к бытовым и промышленным холодильникам а также к тепловым насосам и кондиционерам, работающим на основе переноса теплоты из испарителя в конденсатор за счет вращения. Холодильная машина периодического действия включает неподвижные испаритель и конденсатор, снабженные оребрением, и жестко соединенные между собой термоизолирующим элементом, которые расположены на одной оси. Внутри конденсатора установлен пароротационный многоступенчатый вакуумный насос, снабженный развитым лопаточным аппаратом, так, что ось вала ротора упомянутого насоса совпадает с осью конденсатора и испарителя. В верхней части корпуса вакуумного насоса на уровне последней ступени расположены выходные отверстия для перемещения сжатых паров хладагента в конденсатор. Для перемещения конденсата хладагента из конденсатора в испаритель в термоизолирующем элементе расположено не менее одной дросселирующей вставки, выполненной либо из пористого материала либо в виде калиброванных фильер либо в виде клапана-дросселя. Кроме того, устройство содержит датчик температуры, связанный с терморегулятором для обеспечения автоматического регулирования оборотов насоса, бесконтактную магнитную муфту, через которую вал ротора вакуумного насоса, снабженный хотя бы одним радиальным бесконтактным, например, магнитным, подшипником, связан с валом двигателя.

Предлагаемое устройство относится к области холодильной техники: к бытовым и промышленным холодильникам, а также к тепловым насосам и кондиционерам.

Как правило, наиболее распространены устройства, для которых характерен развитый трубчатый контур, содержащий и трубчатые теплообменники, и трубопроводы для перемещения хладагента по узлам агрегата, снижающий его надежность по герметичности в условиях вибрации, а также удорожающий изделия, что можно считать общим недостатком большинства этих устройств [Бараненко А.В., Бухарин Н.Н., Тимофеевский Л.С. Холодильные машины. Санкт-Петербург: ПОЛИТЕХНИКА. 1997. - 992 с.]

Вторым недостатком таких устройств является использование в качестве хладагента различных типов фреонов [Бараненко А.В., Бухарин Н.Н., Тимофеевский Л.С.Холодильные машины. Санкт-Петербург: ПОЛИТЕХНИКА. 1997. - 992 с..; Вакуумная техника: Справочник / Е.С.Фролов, В.Е.Минайчев, А.Т.Александрова и др.: Под общ. ред. Е.С.Фролова, В.Е.Минайчева. - М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.; Цветков О.Б. CFC-, HCFC- и HFC- хладагенты в перспективе экологического алармизма. - Холодильная техника, 8. - с.8-11], которые, несмотря на их многие положительные характеристики, либо уже запрещены, либо подлежат запрещению в ближайшие годы согласно решению Киотской Всемирной конференции по климату из-за разрушающего действия фреонов на озоновый слой. Решения Киотской конференции имеют юридическую силу с 16 февраля 2005 года, когда их ратифицировали, кроме России, еще 168 государств, которые также выступили за стабильность как озонового слоя, так и климата Земли. В результате этих решений [Цветков О.Б. CFC-, HCFC- и HFC-хладагенты в перспективе экологического алармизма. - Холодильная техника, 8. - с.8-11; Целиков В.Н. Об организации системы государственного регулирования оборота озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции на территории Российской Федерации. - Вестник центра ООН по промышленному развитию «ЮНИДО в России», 4, 2011. - с.21-22.] и не только их, во всех государствах возникла проблема перехода к экологически безопасным и надежным по степени вероятности утечек холодильным устройствам, одно из которых и предлагается в данном изобретении.

Известно устройство по патенту РФ 65193 на полезную модель «Холодильная машина», состоящее из испарителя и конденсатора, жестко соединенных между собой, выполненное с возможностью переноса рабочим телом теплоты испарения из испарителя в конденсатор при вращении за счет капиллярного эффекта по соединяющим их капиллярам. Устройство содержит перегородку, способствующую разделению теплого и холодного воздушных потоков, отбрасываемых холодильной машиной, которая может быть расположена отдельно или на холодильной машине, или между испарителем и конденсатором, соединенным при помощи теплоизолирующих соединительных элементов. Холодильная машина содержит лопасти, имеющие тепловой контакт с испарителем и/или конденсатором.

Данное устройство позволяет обеспечить непрерывную работу, работоспособность независимо от наличия силы тяжести, работоспособность в любом положении и при любой скорости вращения. К преимуществам следует отнести отсутствие потребности в сосуде для хладагента, радиальных пластин и теплоизолирующего патрубка. При вращении конструкции хладагент под действием центробежной силы испаряется с наружной поверхности пористого испарителя, который при этом в основном внутренней поверхностью поглощает низкопотенциальное тепло из окружающего воздуха. На периферии кольцевой полости в зоне повышенного давления паров хладагента от центробежных сил идет конденсация на внутренней поверхности пористого конденсатора с отводом тепла повышенной температуры с его наружной поверхности тоже в воздух. Основное отличие рассматриваемой модели автор видит в полном поглощении жидкой фазы хладагента неким пористым наполнителем во всех деталях устройства. Это отличие дает, по мнению автора, возможность работы устройства в любом положении. Однако возврат жидкой фазы из конденсатора к оси вращения - к испарителю - против действия центробежных сил, обеспечивающийся капиллярными силами в спицах и испарителе заведомо весьма ограничивает скорость вращения рассматриваемой модели, а также ограничивает применение высококипящих хладагентов. Если исходить из свойств перспективного безопасного хладагента - этанола - то для работы конденсатора и испарителя в практически важном диапазоне температур холодильника или теплонасоса необходимо соотношение давлений конденсатора и испарителя от 20 и выше. В ротационной машине эти давления определяются центробежными силами вращающегося разреженного газа, а значит, при одной угловой скорости прямо пропорциональны диаметрам конденсатора и испарителя и плотности газа. Простой подсчет дает соотношение диаметров конденсатора и испарителя от 5 и выше, тогда как в рассматриваемой модели - около 1,5. Кроме того, использование пористого испарителя и конденсатора, теплопроводность которых уступает обычным металлическим, снижает эффективность передачи тепла в этой модели и ее общую экономичность.

За прототип принято устройство "Пароротационная холодильная машина" периодического действия бесконтурного типа [5], состоящая из жестко соединенных между собой термоизолирующим элементом испарителя и конденсатора цилиндрической формы, снабженных внешним оребрением и выполненных с возможностью вращения вокруг центральной общей оси. При вращении данная холодильная машина за счет действия центробежных сил переносит с парообразным рабочим телом - хладагентом - теплоту испарения из испарителя с низким давлением в конденсатор с большим давлением. В качестве рабочего тела используются высококипящие (температура кипения больше нуля градусов Цельсия при атмосферном давлении) вещества, в качестве которых могут быть использованы экологически безопасные хладагенты, например, вода, спирты и их водные растворы. Диаметр конденсатора больше диаметра испарителя в 10-12 раз, диаметр испарителя больше диаметра термоизолирующего элемента в 1,5-2 раза, а дно конденсатора выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона 1,5-3 градуса. Это сделано для периодического слива рабочего тела в виде конденсата без переноса теплоты конденсации в испаритель, осуществляемого во время остановки вращения. Длительность прерывания работы зависит от времени торможения, слива конденсата и ускорения вращения испарителя и конденсатора для восстановления номинальной разности давлений и температур рабочего режима.

Недостатками данной конструкции холодильной машины являются:

- нестабильность создаваемого у потребителя температурного режима из-за длительного вынужденного прерывания ее работы после испарения всего жидкого хладагента из испарителя;

- значительные габариты и высокая энергоемкость, обусловленная затратами на достижение необходимой скорости вращения конденсатора, диаметр которого превышает диаметр испарителя в 10-12 раз;

- сложность изготовления, обусловленная необходимостью соблюдения угла наклона усеченного конуса для слива конденсата в диапазоне 1,5-3 градуса.

Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа, т.е. создание надежной и экономичной пароротационной холодильной машины периодического действия, работающей на высококипящем хладагенте и обеспечивающей стабильный температурный режим у потребителя.

Технический результат:

- непрерывность циркуляции хладагента, несмотря на сохранение периодического отключения двигателя, что позволяет обеспечить стабильный температурный режим у потребителя;

- простота, надежность, компактность конструкции и безопасность эксплуатации устройства, а также снижение энергоемкости за счет выполнения конденсатора, испарителя и разделительного термоизолирующего элемента неподвижными, а также за счет размещения внутри конденсатора пароротационного многоступенчатого вакуумного насоса, снабженного развитым лопаточным аппаратом с высоким коэффициентом компрессии каждой ступени.

Дополнительный технический результат:

- большая эффективность за счет многоступенчатого сжатия паров в роторе встроенного пароротационного многоступенчатого вакуумного насоса;

- полная герметичность, а значит надежность и экономичность, за счет того, что встроенный вакуумный насос связан с приводным двигателем не механически, а посредством магнитного поля.

Поставленная задача решается тем, что для достижения технического результата предложена холодильная машина периодического действия, включающая испаритель и конденсатор, снабженные оребрением, и жестко соединенные между собой термоизолирующим элементом, выполненная с возможностью переноса теплоты из испарителя в конденсатор за счет вращения, содержащая следующие новые признаки:

- испаритель, конденсатор и термоизолирующий элемент расположены на одной оси и выполнены неподвижными, что исключает необходимость выполнять конденсатор с большим диаметром по сравнению с испарителем, т.е. обеспечивается возможность снизить габариты, а также обеспечивается снижение энергопотребления и повышение экономичности устройства за счет исключения энергозатрат на вращение испарителя и конденсатора;

- пароротационный многоступенчатый вакуумный насос, снабженный развитым лопаточным аппаратом, установлен внутри конденсатора так, что ось вала ротора упомянутого насоса совпадает с осью конденсатора и испарителя, заостренный конец вала ротора установлен в осевой опорный подшипник, расположенный на дне испарителя под слоем жидкого хладагента, одновременно выполняющего для него роль непрерывной смазки, а входное отверстие упомянутого насоса соединено с откачным отверстием испарителя через отверстие в термоизолирующем элементе. Этот признак обеспечивает компактность устройства, его надежность и удобство в эксплуатации за счет отсутствия внешних вращающихся элементов, а также повышение экономичности при работе устройства за счет обеспечения многоступенчатого сжатия паров;

- в верхней части корпуса вакуумного насоса на уровне последней ступени расположены выходные отверстия для перемещения сжатых паров хладагента в конденсатор; где пары хладагента конденсируются на внутренней стороне стенок конденсатора с выделением теплоты конденсации, что обеспечивает гарантированный переход хладагента в конденсатор;

- наличие не менее одной дросселирующей вставки, расположенной в термоизолирующем элементе и выполненной либо из пористого материала либо в виде калиброванных фильер либо в виде клапана-дросселя, такое решение позволяет конденсату хладагента под действием гравитации и разницы давлений в конденсаторе и испарителе вновь поступать в испаритель;

- связанный с терморегулятором датчик температуры, который может быть установлен в нижней, холодной, зоне вблизи испарителя, если машина служит холодильником, или в верхней, горячей, зоне вблизи конденсатора, если она служит теплонасосом, обеспечивает автоматическое регулирование оборотов насоса вплоть до его выключения/включения с целью поддержания температуры у потребителя в заданных пределах;

- бесконтактная магнитная муфта, через которую вал ротора вакуумного насоса, снабженный хотя бы одним радиальным бесконтактным, например, магнитным, подшипником, связан с валом двигателя, что обеспечивает полную герметизацию всей машины.

Совокупность указанных признаков соответствует условию «новизна», т.к. из уровня техники не было выявлено совокупности подобных признаков для решения поставленной задачи, а также условию «промышленная применимость», что подтверждает приведенный ниже пример, подтверждающий достижение указанных технических результатов.

Сущность полезной модели поясняется фигурой, где приведена принципиальная схема холодильной машины, которая содержит неподвижный испаритель 1 с вертикальной осью, выполненный в виде вакуумной камеры, частично наполненной жидким хладагентом 2. Испаритель 1 находится в нижней зоне устройства - зоне охлаждения - и снабжен наружным оребрением 3 и откачным отверстием 4, которое совпадает с отверстием в неподвижном термоизолирующем элементе 5 и входным отверстием такого же диаметра на нижней стенке вакуумного пароротационного центробежного насоса 6, тип которого - газоротационный центробежный - наиболее приемлем для высококипящих хладагентов. Выходные отверстия 7, расположенные на уровне последней ступени в верхней части корпуса вакуумного насоса 6, обеспечивают перемещение сжатых паров хладагента 2 в конденсатор 8. Герметичный цилиндрический конденсатор 8 с наружным оребрением 3, выполнен также в виде вакуумной камеры, жестко соединенной с испарителем 1 посредством разделительной термоизолирующей перегородки 4. Переход конденсата хладагента 2 из конденсатора 8 в испаритель 1 осуществляется под действием гравитации и разницы давлений в конденсаторе 8 и испарителе 1 через по меньшей мере одну дросселирующую вставку 9, расположенную в термоизолирующем элементе 5, и выполненную либо из пористого материала либо в виде калиброванных фильер либо в виде клапана-дросселя. Ось вала ротора вакуумного газоротационного насоса 6 совпадает с осью конденсатора 8 и испарителя 1. Пароротационный многоступенчатый вакуумный насос 6 снабжен развитым лопаточным аппаратом 10, включающим статорные колеса в виде дисков с односторонним радиальным оребрением, установленные на корпусе, и роторные колеса, выполненные в виде радиальных крыльчаток изогнутых по спирали в направлении, противоположном направлению вращения и закрытые с двух сторон дисками. Причем диск, выполненный с центральным отверстием, диаметр которого равен 0,2-0,3 диаметра роторного колеса, расположен на расстоянии не превышающим 1,0-2,5 мм от неоребренной поверхности статорного колеса.

На фиг.1 показаны также бесконтактная магнитная муфта 11, радиальный бесконтактный магнитный подшипник 12, датчик 13 температуры, который устанавливается в зоне охлаждения, если устройство работает как холодильник, или в зоне обогрева, если устройство выполняет функцию теплонасоса, электродвигатель 14, осевой опорный подшипник 15 для ротора насоса 6, расположенный на дне испарителя 1 под слоем жидкого хладагента 2, одновременно выполняющего для него роль непрерывной смазки.

Вал ротора вакуумного насоса 6, снабжен хотя бы одним радиальным бесконтактным, например, магнитным, подшипником 12, и через бесконтактную магнитную муфту 11 связан с валом двигателя 14, что обеспечивает полную герметизацию всей машины. Возможен также герметичный вариант холодильной машины, когда двигатель в блоке с насосом также находится внутри конденсатора, при этом насос может быть консольным - на одном валу с двигателем - без собственных подшипников.

Пример.

Холодильная машина работает следующим образом.

Электродвигатель 14 через бесконтактную магнитную муфту 11 вращает ротор вакуумного насоса 6, находящегося в герметичном корпусе конденсатора 8 с внешним оребрением 3. За счет вращения ротора пары высококипящего хладагента 2 всасываются в насос 6 через отверстие 4 из испарителя 1 с внешним оребрением 3, понижая в нем давление до таких величин, при которых хладагент 2 вскипает при заданной температуре, например, ниже нуля по шкале Цельсия. Хладагент 2 интенсивно испаряется и отбирает теплоту кипения у испарителя 1 и примыкающего к нему объема теплоносителя, например, воздуха, омывающего стенки испарителя 1 с оребрением 3, понижая температуру зоны охлаждения до заданной потребителем (если это холодильник или кондиционер). Пары хладагента 2 перекачиваются и сжимаются пароротапионным многоступенчатым вакуумным насосом с высоким коэффициентом компрессии одной ступени, например, по патенту РФ 2237824. Развитый лопаточный аппарат 10 упомянутого насоса 6, включает статорные колеса в виде дисков с односторонним радиальным оребрением, установленные на корпусе, и роторные колеса, выполненные в виде радиальных крыльчаток изогнутых по спирали в направлении, противоположном направлению вращения и закрытые с двух сторон дисками. Причем диск, выполненный с центральным отверстием, диаметр которого равен 0,2-0,3 диаметра роторного колеса, расположен на расстоянии не превышающим 1,0-2,5 мм от неоребренной поверхности статорного колеса. Система радиальных ребер и центральных отверстий на статорных колесах и роторных дисках создает каналы для перетока газа. Фактически для откачки газа используется центробежный эффект. Газ, попавший в указанные каналы, за счет центробежной силы отбрасывается к наружным стенкам насоса, сжимается и откачивается следующей ступенью. Благодаря этому уменьшается обратное перетекание газа, что позволяет увеличить коэффициент компрессии каждой ступени. Через выходные отверстия 7, симметрично расположенные на уровне последней ступени в верхней части корпуса вакуумного насоса 6, сжатые пары хладагента 2 переходят в конденсатор 8, где конденсируются на его стенках. При этом давление в конденсаторе 8 повышается до равновесного значения с выделением теплоты конденсации, которая через стенки конденсатора 8 с оребрением 3 отводится в окружающий объем потребителю тепла, если это тепловой насос, или в окружающую среду, если это холодильник или кондиционер. Причем возможно выполнение на стенках конденсатора 8 и внутреннего оребрения, что повышает теплоотдачу. Далее конденсат хладагента 2 стекает по стенкам конденсатора 8 и накапливается над разделительной термоизолирующей перегородкой 5, где расположена как минимум одна дросселирующая вставка 9, через которую под действием силы тяжести и разности давлений в конденсаторе 8 и испарителе 1 конденсат хладагента 2 просачивается в испаритель 1. При этом дросселирующая вставка 9, расположенная в термоизолирующем элементе 5, выполнена либо из пористого материала либо в виде калиброванных фильер либо в виде клапана-дросселя. В испарителе 1, где давление хладагента 2 снижается, он вскипает, и его температура понижается до равновесного значения. При достижении заданного значения температуры у потребителя обороты электродвигателя 14 изменяются посредством терморегулятора (на фигуре не показан) с целью поддержания постоянной температуры.

Поскольку теплота конденсации/испарения Q в диапазоне рабочих температур намного больше разности удельного теплосодержания q возвращаемого жидкого конденсата, которая равна произведению теплоемкости на разность температур q=с, где с - теплоемкость конденсата, то температура испарителя в зависимости от применяемого хладагента может достигать достаточно низких значений. Например, используемый в качестве хладагента парообразный этиловый спирт при температуре +40°С имеет теплоту конденсации, равную Q=1013 кДж/кг, которую он отдаст высокопотенциальной стороне установки и его конденсат при Т=+40°С направится в испаритель. Теплоемкость спирта в жидком состоянии равна с=2,43 кДж / (кг град), следовательно, при задаваемой разности температур между испарителем и конденсатором Т=60°С, разность теплосодержаний на 1 кг конденсата определяется величиной q=2,43×60=145,8 кДж/кг. Если в испарителе вакуумнасос удерживает абсолютное давление 2,8 мм.рт.ст., температура в испарителе достигает 20°С ниже нуля, а теплота испарения равна 1065 кДж/кг. Из этого количества ~146 кДж/кг отдаст конденсат, остывая до температуры вскипания, а 919 кДж/кг поступит из низкопотенциальной стороны установки (морозильной камеры холодильника). Соотношение возвращаемого конденсатом тепла и «полезного», отбираемого испарителем со стороны, составляет 146/919=0,16, или 16%.

Предлагаемое устройство не содержит элементов, составляющих контур обычного холодильника, поэтому оно по сути представляет собой бесконтурную холодильную машину. Это значительно упрощает конструкцию, повышает ее экономичность, надежность, долговечность, снижает габариты, металлоемкость и стоимость изготовления. Постоянство температуры у потребителя обеспечивается за счет непрерывности циркуляции хладагента, что достигается благодаря выполнению герметичных испарителя, конденсатора и термоизолирующего элемента неподвижными, использованию пароротационного многоступенчатого вакуумного насоса с высоким коэффициентом компрессии каждой ступени, применения дросселирующей вставки либо из пористого материала либо в виде калиброванных фильер либо в виде клапан-дросселя в термоизолирующей перегородке для перемещения конденсата хладагента из конденсатора в испаритель. Причем, предлагаемая холодильная машина на экологически безопасном хладагенте не будет уступать существующим фреоновым аналогам по таким параметрам, как простота конструкции и технологичность изготовления, а по экологической безопасности и экономичности превзойдет их.

Холодильная машина периодического действия, включающая испаритель и конденсатор, снабженные оребрением и жестко соединенные между собой термоизолирующим элементом, выполненная с возможностью переноса теплоты из испарителя в конденсатор за счет вращения, отличающаяся тем, что испаритель, конденсатор и термоизолирующий элемент, расположенные на одной оси, выполнены неподвижными, внутри конденсатора установлен пароротационный многоступенчатый вакуумный насос, снабженный развитым лопаточным аппаратом, так, что ось вала ротора упомянутого насоса совпадает с осью конденсатора и испарителя, при этом заостренный конец вала ротора установлен в осевой опорный подшипник, расположенный на дне испарителя под слоем жидкого хладагента, входное отверстие упомянутого насоса соединено с откачным отверстием испарителя через отверстие в термоизолирующем элементе, а в верхней части корпуса вакуумного насоса на уровне последней ступени расположены выходные отверстия для перемещения сжатых паров хладагента в конденсатор, в термоизолирующем элементе расположено не менее одной дросселирующей вставки, выполненной либо из пористого материала, либо в виде калиброванных фильер, либо в виде клапана-дросселя, кроме того, устройство содержит датчик температуры, связанный с терморегулятором для обеспечения автоматического регулирования оборотов насоса, бесконтактную магнитную муфту, через которую вал ротора вакуумного насоса, снабженный хотя бы одним радиальным бесконтактным, например магнитным, подшипником, связан с валом двигателя.