PL231786B1 - Korektor dawkowania czynnika chłodniczego do parownika - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest korektor dawkowania czynnika chłodniczego do parownika, mający zastosowanie w urządzeniach klimatyzacyjnych, w szczególności w klimatyzatorach, pompach ciepła do przygotowania cwu, małej mocy pompach ciepła służących do ogrzewania domów.

Znane są sposoby regulacji dawkowania czynnika chłodzącego do parownika przy pomocy elementów pasywnych, takich jak rurki kapilarne i automatyczne zawory rozprężne, oraz elementów aktywnych regulujących przepływ czynnika chłodniczego w pętli sprzężenia zwrotnego, takich jak termostatyczne oraz elektroniczne zawory rozprężne.

Elementy pasywne takie jak rurki kapilarne czy automatyczne zawory rozprężne regulują pracę układu chłodniczego w sposób dostateczny w wąskim przedziale warunków pracy urządzenia chłodniczego. W szerszym zakresie warunków pracy, dawkowanie czynnika chłodniczego są w stanie regulować termostatyczne zawory rozprężne, jednak dla urządzeń przewidzianych do pracy w szerokim zakresie temperatur parowania i skraplania precyzja regulacji jest także zbyt mała. Elektroniczne zawory rozprężne są w stanie regulować układ w bardzo szerokim zakresie, lecz układ regulacji charakteryzuje się stosunkowo dużą złożonością, co ze względów kosztowych utrudnia stosowanie takiego sposobu regulacji w urządzeniach małej mocy.

Stopień dawkowania czynnika chłodniczego do parownika przez element rozprężny ma istotny wpływ na wydajność, efektywność i żywotność układu chłodniczego. Zbyt małe dawkowanie powoduje wzrost strat przepływowych w układzie chłodniczym oraz ograniczenie efektywnej powierzchni wymiany ciepła w parowniku, co prowadzi do spadku temperatury parowania, a więc także spadku wydajności i efektywności układu chłodniczego. Zbyt duże dawkowanie może natomiast prowadzić do niekontrolowanego wydostawania się porcji nieodparowanego czynnika chłodniczego z parownika, co prowadzi do zalewania sprężarki. Zalewanie sprężarki zmniejsza wydajność układu chłodniczego. Dodatkowo wrzący w sprężarce czynnik chłodniczy powoduje pienienie się oleju i wzmożone wydostawanie się takiej piany olejowej ze sprężarki do układu chłodniczego. Może to spowodować zaistnienie deficytu olejowego w sprężarce i nadmierne jej zużywanie się. Dodatkowo zwiększona ilość oleju w układzie chłodniczym powoduje spadek współczynników wymiany ciepła w wymiennikach oraz zakłóca pracę elementów rozprężnych, co także prowadzi do spadku wydajności i efektywności układu chłodniczego.

Z polskiego opisu patentowego Pat. 180087 pod tytułem „Urządzenie dostarczające ciecz kriogeniczną” znane jest urządzenie, służące do dostarczania cieczy kriogenicznej w stanie nasyconym, które zawiera pojemnik służący do przechowywania cieczy kriogenicznej w fazach płynnej i gazowej. Pojemnik posiada przestrzeń główną, oraz umieszczony wewnątrz przestrzeni głównej wymiennik ciepła, służący do pośredniej wymiany ciepła pomiędzy parami znajdującymi się wewnątrz przestrzeni głównej a strumieniem cieczy, utworzonym z fazy płynnej cieczy kriogenicznej. W przypadku gdy ciecz kriogeniczna jest wprowadzana do pojemnika jako ciecz przechłodzona, pary będą skraplać się w fazę płynną, przez co ciecz przechłodzona przekształca się w ciecz nasyconą. Ciecz nasycona będzie odprowadzana przez wylot odprowadzający ciecz, połączony z wymiennikiem ciepła. W przypadku gdy ciecz jest wprowadzana do pojemnika w przepływie dwufazowym, pojemnik będzie spełniał rolę oddzielacza faz. Wprowadzona rozgałęziona instalacja dostarczająca posiada część doprowadzającą ciecz, połączoną z dolnym wlotem pojemnika tak, że strumień zasilający utworzony z cieczy kriogenicznej przedostaje się do pojemnika. Część wlotowa instalacji dostarczającej pary rozgałęzionej instalacji dostarczającej połączona jest z wlotem do przestrzeni głównej. Wprowadzony element podgrzewający służy do podgrzewania części instalacji dostarczającej, dostarczającej pary tak, aby ciecz kriogeniczna odparowała uzupełniając pary wewnątrz przestrzeni głównej, których ilość maleje w wyniku skraplania lub odprowadzenia poprzez wylot odprowadzający pary pojemnika.

Natomiast z polskiego opisu wynalazku za numerem P.324294 pod tytułem „Sposób obniżenia ciśnienia skraplania w instalacji klimatyzacyjnej”, znany jest sposób obniżenia ciśnienia skraplania w urządzeniu chłodniczym instalacji klimatyzacyjnej, znajdujący zastosowanie w urządzeniach klimatyzacyjnych. Sposób obniżenia ciśnienia skraplania polega na doprowadzaniu wody, pochodzącej z ochładzanego powietrza do strugi usuwanego powietrza z klimatyzowanego obiektu, przepływającej przez wymiennik ciepła, usytuowany w układzie wywiewnym.

Celem rozwiązania wedle wynalazku jest uzyskanie konstrukcji pozwalającej na regulację dawkowania czynnika chłodniczego do parownika, zwiększającego efektywność wykorzystania powierzchni wymiany ciepła w parowniku.

PL 231 786 B1

Korektor dawkowania czynnika chłodniczego do parownika, o zamkniętej, cylindrycznej obudowie, charakteryzuje się tym, że w rezerwuarze z czynnikiem chłodniczym, zamontowana jest przelotowo rura ssąca oraz niezależnie w rezerwuarze zamontowany jest zespół rozprężny, zbudowany z kapilary połączonej z reduktorem ciśnienia poprzez punkt węzłowy.

Korzystnie, ssąca rurka, a także kapilara z reduktorem usytuowane są pionowo.

Korzystnie, powierzchnia rurki ssącej przylega do cieczy czynnika chłodniczego znajdującego się w rezerwuarze.

Korzystnie, punkt węzłowy, będący punktem podziału ciśnienia, zakończony jest otwartą rurką umieszczoną na dole rezerwuaru. Korzystnie, rurka wyprofilowana jest łukowo, z wylotem skierowanym ku dołowi.

Korzystnie, kapilara ma spiralny kształt.

Korzystnie, rezerwuar, ssąca rurka, kapilara, reduktor ciśnienia i węzłowy punkt wykonane są z miedzi.

Przy zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, uzyskuje się korekcję dawkowania czynnika chłodniczego do parownika w szerokim zakresie warunków pracy urządzenia chłodniczego, bez konieczności stosowania termostatycznych i elektronicznych zaworów rozprężnych. Nadto, korekcja dawkowania czynnika chłodniczego do parownika następuje bez konieczności stosowania elementów mechanicznych, co obniża awaryjność i koszty urządzenia, w którym będzie zastosowany układ. Następuje także precyzyjniejsza regulacja dawkowania czynnika chłodniczego, z uwagi na sposób identyfikacji zjawiska wydostawania się cieczy z parownika. Identyfikacja owa odbywa się przez pomiar średniej temperatury na obwodzie rurki, a nie w konkretnym punkcie rurociągu, jak to ma miejsce podczas pomiaru temperatury niezbędnej do regulacji dawkowania czynnika chłodniczego do parownika przez elektroniczne lub termostatyczne zawory rozprężne. Adaptacyjny sposób dostosowywania poziomu dawkowania czynnika chłodniczego do parownika zależny od warunków pracy urządzenia chłodniczego i jakości dystrybucji w parowniku, bez konieczności stosowania rozwiązań elektronicznych. Dawkowanie czynnika chłodniczego do parownika regulowane jest nie stałowartościowo, lecz optymalnie pod kątem efektywności pracy układu przy jednoczesnej ochronie sprężarki. Większy jest także margines błędu przy doborze elementu rozprężnego oraz większy jest margines błędu w ilości czynnika przy napełnianiu układu. Ponadto, uzyskuje się korzyść przejawiającą się w tym, że w przypadku drobnych nieszczelności układu chłodniczego, praca układu z założonymi parametrami wydajnościowymi i efektywnościowymi jest nadal możliwa przy niezbyt szybko postępującym ubytku czynnika chłodniczego.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym na Fig. 1 przedstawiono przekrój poprzeczny korektora, na Fig. 2 uwidoczniono schemat układu chłodniczego z zamontowanym korektorem.

Korektor 7 dawkowania czynnika chłodniczego do parownika 6, o zamkniętej, cylindrycznej obudowie posiada w rezerwuarze 11 z czynnikiem chłodniczym 8, zamontowaną przelotowo ssąca rurkę 10. Niezależnie w rezerwuarze 11 zamontowany jest zespół rozprężny, zbudowany z kapilary 3 połączonej z reduktorem 4 ciśnienia poprzez węzłowy punkt 9. Ssąca rurka 10, a także kapilara 3 z reduktorem 4 usytuowane są pionowo. Powierzchnia rurki ssącej 10 przylega do cieczy czynnika chłodniczego 8 znajdującej się w rezerwuarze 11. Punkt węzłowy 9 będący punktem podziału ciśnienia zakończony jest otwartą rurką 12 umieszczoną na dole rezerwuaru 11. Rurka 12 wyprofilowana jest łukowo, z wylotem skierowanym ku dołowi. Kapilara 3 ma spiralny kształt. Rezerwuar 11, ssąca rurka 10, kapilara 3, reduktor 4 ciśnienia i węzłowy punkt 9 wykonane są z miedzi.

Korektor 7 napełnienia właściwego jest w stanie samoczynnie regulować dawkowanie czynnika chłodniczego czynnika 8 do parownika 6, w sposób adaptacyjny na optymalnym poziomie, czyli na możliwie najwyższym poziomie gwarantującym maksymalne wykorzystanie parownika, ale jednocześnie na tyle niskim poziomie, aby na ssaniu sprężarki 1 nie pojawiały się krople cieczy. Jednocześnie regulacja taka jest możliwa przy szerokim zakresie temperatur parowania i skraplania. Sprężarka 1 spręża i tłoczy chłodniczy czynnik 8 do skraplacza 2. W skraplaczu 2 zachodzi dochłodzenie sprężonego gazu, skraplanie oraz dochłodzenie skroplonej cieczy. Dochłodzona ciecz pod wysokim ciśnieniem trafia do kapilary 3 oraz na reduktor ciśnienia 4, które jako zespół tworzą element rozprężny. Jednocześnie kapilara 3 i reduktor ciśnienia 4 tworzą dzielnik ciśnienia, którego punkt węzłowy 9 jest połączony rurociągiem otwartym z dołem rezerwuaru korektora 7 napełnienia właściwego. Czynnik chłodniczy 8 o obniżonym ciśnieniu wydostaje się z zespołu rozprężnego, składającego się z kapilary 3 i reduktora ciśnienia 4 i dostaje się

PL 231 786 B1 do parownika 6, gdzie zachodzi jego całkowite odparowanie i wzrost temperatury par ponad ich temperaturę nasycenia, bądź też częściowe odparowanie i wydostawanie się cieczy czynnika chłodniczego 8 z parownika 6. Z parownika 6 chłodniczy czynnik 8 dostaje się do korektora 7 napełnienia właściwego płynąc rurką 10 częściowo zanurzoną w cieczy czynnika chłodniczego 8. Gdy z parownika 6 wydostają się krople cieczy, choćby z uwagi na złą dystrybucję, częściowo odparowane w tej części rurociągu 10 korektora 7 napełniania właściwego, która ma kontakt z cieczą 8 znajdującą się w rezerwuarze 11 korektora napełnienia właściwego 7. Następuje wtedy szybkie schładzanie cieczy, a tym samym lokalny spadek ciśnienia w objętości korektora 7 napełnienia właściwego, stanowiącego rezerwuar 11 czynnika chłodniczego 8 w ilości: mr = mc - mw, gdzie: mr - ilość czynnika w rezerwuarze korektora napełnienia właściwego, mc - całkowita ilość czynnika w układzie, mw - napełnienie właściwe, czyli ilość czynnika krążącego w głównym obiegu. Ciśnienie w rezerwuarze 11 korektora 7 napełnienia właściwego zaczyna wtedy zbliżać się do ciśnienia parowania. Jednocześnie z uwagi na istnienie reduktora ciśnienia 4, ciśnienia w punkcie węzłowym 9 jest wyższe niż ciśnienie parowania. Powstaje zatem dodatnia różnica ciśnień pomiędzy punktem węzłowym 9 a rezerwuarem 11 korektora 7 napełnienia właściwego, co skutkuje przepływem chłodniczego czynnika 8 z obiegu głównego do rezerwuaru 11 korektora 7 napełnienia właściwego. Przy stałej wartości mc zmniejsza się napełnienie właściwe mw w obiegu głównym o tyle, o ile wrasta mr, czyli ilość chłodniczego czynnika 8 w rezerwuarze 11. Mniejsze napełnienie właściwe mw prowadzi do zmniejszenia dochłodzenia cieczy wydostającej się ze skraplacza 2, co skutkuje spadkiem wydajności na zespole rozprężnym składającym się z kapilary 3 i reduktora ciśnienia 4. Spadek wydajności zespołu rozprężnego prowadzi do ograniczenia ilości czynnika aplikowanego do parownika 6, aż do wyeliminowania cieczy na ssaniu sprężarki 1.

Proces przeciwny zachodzi, gdy para opuszczająca parownik 6 ma temperaturę za wysoką w stosunku do temperatury nasycenia. Wtedy ciecz czynnika chłodniczego 8 znajdująca się w rezerwuarze 11 korektora 7 napełnienia właściwego jest podgrzewana, więc w rezerwuarze 11 rośnie lokalnie ciśnienie powyżej ciśnienia parowania. Kiedy ciśnienie to wzrośnie powyżej ciśnienia parowania o spadek ciśnienia na reduktorze 4, w rezerwuarze 11 korektora 7 napełnienia właściwego pojawia się nadciśnienie w stosunku do punktu węzłowego 9. Następuje wtedy migracja czynnika chłodniczego 8 z rezerwuaru korektora 7 napełnienia właściwego i spadek mr przy jednoczesnym wzroście mw. Wzrasta zatem ilość czynnika chłodniczego 8 krążącego w głównym obiegu. Skutkuje to wtedy wzrostem dochłodzenia cieczy w skraplaczu 2, a tym samym wzrostem wydajności zespołu rozprężnego. Prowadzi to następnie do zwiększenia ilości czynnika podawanego przez zespół rozprężny do parownika 6. Zespół rozprężny składający się z kapilary 3 i reduktora ciśnienia 4, umieszczony wewnątrz rezerwuaru 11 korektora 7 napełnienia właściwego, koryguje charakterystykę regulacji układu. Przy różnym poziomie cieczy w rezerwuarze 11 zmienia się bowiem powierzchnia wymiany ciepła pomiędzy ssącą rurką 10 a cieczą chłodniczego czynnika 8. Przy wysokim poziomie cieczy w rezerwuarze 11 współczynnik sprzężenia jest zbyt duży, co objawia się nadmiernym spadkiem poziomu dawkowania czynnika do parownika 6. Zwiększające się zanurzenie kapilary 3 w cieczy chłodniczego czynnika 8 powoduje jej coraz większe dochłodzenie, przez co zwiększa się wydajność kapilary, kompensując zarazem to niekorzystne zjawisko. Dodatkowo umieszczenie kapilary 3 wewnątrz rezerwuaru 11 cieczy chłodniczego czynnika 8 pozwala na kompaktyzację urządzenia i zmniejsza prawdopodobieństwo uszkodzenia mechanicznego samej kapilarnej rurki 3.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Korektor dawkowania czynnika chłodniczego do parownika, o zamkniętej, cylindrycznej obudowie, znamienny tym, że w rezerwuarze (11) z czynnikiem chłodniczym (8), zamontowana jest przelotowo ssąca rurka (10) oraz niezależnie w rezerwuarze (11) zamontowany jest zespół rozprężny, zbudowany z kapilary (3) połączonej z reduktorem (4) ciśnienia poprzez węzłowy punkt (9).
2. 2. Korektor, według zastrz. 1, znamienny tym, że ssąca rurka (10), a także kapilara (3) z reduktorem (4) usytuowane są pionowo.
3. 3. Korektor, według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnia rurki ssącej (10) przylega do cieczy czynnika chłodniczego (8) znajdującej się w rezerwuarze (11).
4. 4. Korektor, według zastrz. 1, znamienny tym, że punkt węzłowy (9), będący punktem podziału ciśnienia, zakończony jest otwartą rurką (12) umieszczoną na dole rezerwuaru (11).

   PL 231 786 Β1
5. 5. Korektor, według zastrz. 4, znamienny tym, że rurka (12) wyprofilowana jest łukowo, z wylotem skierowanym ku dołowi.
6. 6. Korektor, według zastrz. 1, znamienny tym, że kapilara (3) ma spiralny kształt.
7. 7. Korektor, według zastrz. 1, znamienny tym, że rezerwuar (11), ssąca rurka (10), kapilara (3), reduktor (4) ciśnienia i węzłowy punkt (9) wykonane są z miedzi.