Холодильная машина с циклонным сепаратором для разделения газа и жидкости

1 Изобретение относится к холодильной машине согласно ограничительной части п.1 формулы. В известных высокопроизводительных холодильных установках используются каплеотделители, устанавленные между испарителем и всасывающей трубой компрессора. Каплеотделитель служит для предотвращения попадания капель жидкого хладагента в компрессор, что могло бы привести к повреждению его механических деталей, особенно вентилей. Кроме того,для достижения максимальной холодопроизводительности желательно, чтобы газ, выходящий из каплеотделителя и подаваемый через всасывающую трубу к компрессору, был сухим, т.е. не содержал хладагента в жидком состоянии. Каплеотделитель работает так, что газ и,возможно, капли жидкости всасываются из испарителя в каплеотделитель, где эти капли под действием силы тяжести падают на его дно, а сухой газ отсасывается из верхней части каплеотделителя в компрессор. Для эффективного отделения газа от капель жидкости необходимо,чтобы каплеотделитель был довольно большим,что само по себе является недостатком. Кроме того, для большого каплеотделителя требуется большое количество хладагента, что также является недостатком, поскольку в качестве хладагента часто применяются ядовитые и/или вредные для окружающей среды вещества. Уменьшение размеров холодильной машины с соответствующим уменьшением количества хладагента может быть достигнуто путем использования центробежного сепаратора вместо каплеотделителя. В центробежном сепараторе смесь газа и жидких капель подается в цилиндрический контейнер приблизительно по касательной. При такой подаче в цилиндре создается вращательное вихревое движение, при котором жидкость отбрасывается к боковой поверхности цилиндpa и стекает по ней вниз на дно, после чего сухой газ может откачиваться из центральной части цилиндра в его верхнюю часть. В выложенной заявке Дании DK 147133 В описана холодильная машина с циклонным сепаратором, установленным между испарителем и компрессором, заключенным в кожух. Преследуется цель предотвратить попадание жидких капель и грязи в компрессор. После отделения жидкости она возвращается внутрь кожуха. Здесь хладагент смешивается с компрессорным маслом и возвращается в систему после испарения хладагента из маслосборника в кожухе компрессора. Недостаток такой холодильной машины заключается в том, что ее холодопроизводительность изменяется во время работы, что особенно плохо для машин, изготавливающих мороженое, так как решающим фактором, влияющим на качество мороженого, является постоян 003381 2 ство холодопроизводительности в процессе изготовления. В патенте Дании DK 74847 описано другое решение, позволяющее уменьшить необходимое количество хладагента. Однако это уменьшение связано не с уменьшением размеров сепаратора жидкости, а с необычными условиями движения потока в испарителе, когда жидкость принимается в верхней части испарителя, а всасывание происходит в нижней части. Благодаря этому исключается накапливание жидкости в испарителе и результате уменьшается количество хладагента. Однако такая машина может работать только с испарителями в виде трубчатых батарей и не может использоваться с затопленными испарителями, например такими, которые используются в холодильных машинах для изготовления мороженого. В европейском патенте ЕР 217605 описан способ регулировки для поддержания постоянного уровня жидкости в резервуаре с хладагентом в холодильной установке. Регулировка осуществляется по сигналам от двух датчиков уровня с помощью шагового двигателя, который устанавливает в определенное положение вентиль с переменным сечением сопла. Недостаток такой системы состоит в том, что управление впрыскиванием жидкости осуществляется не по ее уровню в испарителе, а по уровню в удаленном накопителе, при отсутствии сообщаемости между накопителем и испарителем. Поэтому нельзя обеспечить постоянный уровень жидкости в испарителе. Между тем, например, в холодильных машинах для изготовления мороженого, постоянный уровень жидкости в испарителе является обязательным условием для достижения стабильной работы машины. Целью настоящего изобретения является создание холодильной машины, имеющей известные преимущества, достигаемые при использовании циклонного сепаратора, и не имеющей указанных выше недостатков. Эта цель достигается с помощью холодильной машины типа указанной во вступительной части описания, имеющей признаки,указанные в отличительной части п.1 формулы. Благодаря использованию циклонного сепаратора предлагаемая холодильная машина получается небольшой, так как не требуется большого объема, который был бы нужен для размещения обычного каплеотделителя. Это дает преимущества в отношении изготовления и эксплуатации холодильных машин. Благодаря уменьшению объема холодильной машины, связанному с использованием циклонного сепаратора, необходимое количество хладагента также значительно уменьшается. Например, отношение объемов хладагента в машинах с каплеотделителем и машинах с циклонным сепаратором обычно составляет 12:1. Так как некоторые хладагенты, например аммиак, фреон или пропан, ядовиты и/или вредны 3 для окружающей среды в случае их утечки, а холодильные машины часто установлены в помещениях, где работают люди, уменьшение количества хладагента является очень большим преимуществом. Далее рассмотрены четыре взаимосвязанных фактора, благодаря которым достигается постоянство холодопроизводительности холодильной машины и каждый из которых вносит вклад в уменьшение колебаний холодопроизводительности. Жидкость, отделенная в циклонном сепараторе, возвращается в испаритель через сливную трубу циклонного сепаратора. Уровень жидкости в циклонном сепараторе равен уровню жидкости в подающей трубе над испарителем. Этот уровень жидкости регулируется с помощью датчика уровня, например вибрационного реле уровня, установленного в циклонном сепараторе и определяющего, является ли текучая среда, окружающая его чувствительные элементы, газом или жидкостью. В случае, если датчик определяет, что в циклонном сепараторе находится жидкость, это означает, что испаритель заполнен хладагентом, так как датчик расположен на расстоянии над испарителем. В случае, если датчик не обнаруживает жидкости в циклонном сепараторе, что означает падение ее уровня в подающей трубе и, возможно, в испарителе, то в испаритель подается через вентиль дополнительное количество хладагента. Этот хладагент является, по существу,жидкостью, возвращенной из конденсатора в контуре охлаждения. Таким образом гарантируется, что испаритель постоянно наполнен жидкостью, что является одним из факторов, обеспечиваемых настоящим изобретением, которые улучшают стабильность холодопроизводительности машины. Указанный вентиль для подачи хладагента из конденсатора в испаритель управляется предпочтительно посредством электроники и имеет отверстие с плавно изменяемой площадью, так что подача жидкости к испарителю происходит более равномерно, а не отдельными порциями в определенном количестве. При подаче жидкости порциями существует вероятность того, что при циркуляции жидкости в системе будут возникать колебания, что может привести к колебаниям производительности контура охлаждения. Равномерная подача хладагента из конденсатора в испаритель является другим фактором, обеспечивающим усовершенствование холодильной машины в отношении более стабильной холодопроизводительности. Как альтернативный вариант, подачей жидкости можно управлять с помощью механического устройства, например поплавка, соединенного с вентилем, у которого пропускное сечение изменяется равномерно в зависимости от положения поплавка, т.е. поплавок может уста 003381 4 навливаться в соответствии с фактической потребностью в жидкости, а вентиль обеспечивает почти равномерный поток. Подача хладагента из конденсатора в испаритель осуществляется через эжектор, предусмотренный в сливной трубе. Это позволяет усилить циркуляцию в системе и тем самым повысить холодопроизводительность. Улучшенная циркуляция также противодействует возникновению в системе колебаний, способствуя стабилизации холодопроизводительности. Согласно следующему варианту изобретения регулируется подача жидкости непосредственно в циклонный сепаратор через трубу, из которой жидкость поступает в циклонный сепаратор по касательной. Труба для подачи жидкости установлена так, что направление вращения впрыснутой жидкости совпадает с направлением вращения газа в циклонном сепараторе, что позволяет получить дополнительные преимущества. Во-первых, усиливается вращение газа,что приводит к более эффективному отделению жидкости. Во-вторых, достигается более быстрое отделение так называемого дроссельного газа, который может образовываться в жидкости при впрыскивании. В-третьих, впрыснутая жидкость собирается в циклонном сепараторе 21 очень быстро, в результате чего устраняются временные задержки между моментом впрыскивания и моментом измерения уровня жидкости. Это является еще одним фактором, предотвращающим возникновение колебаний. Далее изобретение описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 схематично изображает испаритель с каплеотделителем, используемым в известной холодильной машине; фиг. 2 - испаритель с циклонным сепаратором, используемым в холодильной машине согласно изобретению; фиг. 3 - циклонный сепаратор, используемый в холодильной машине согласно изобретению; фиг. 4 - испаритель, соединенный с циклонным сепаратором, используемым в холодильной машине согласно изобретению; фиг. 5 - эжектор, используемый в холодильной машине согласно изобретению; фиг. 6 - альтернативный вариант выполнения испарителя, соединенного с циклонным сепаратором, используемым в холодильной машине согласно изобретению. На чертежах представлены различные варианты выполнения холодильной машины согласно изобретению, однако изобретение не ограничивается этими конкретными конструкциями. На фиг. 1 схематично показан испаритель 1 с каплеотделителем 2, используемым в известной холодильной машине. В испарителе 1 хладагент испаряется и в виде смеси газа и ка 5 пель жидкости подается через подающую трубу 3 в каплеотделитель 2. В каплеотделителе 2 капли 4 жидкости падают на его дно 5, а ставший сухим газ всасывается через всасывающую трубу 6 с регулирующим вентилем 7 в компрессор(не показан). Газ сжимается в компрессоре и конденсируется в конденсаторе (не показан),после чего жидкость подается в испаритель 1 через подводящую трубу 8 с вентилем 9. Каплеотделитель 2 и испаритель 1 непосредственно соединены друг с другом через сливную трубу 10. В каплеотделителе 2 установлен датчик 12 уровня, регулирующий количество жидкости в испарителе, чтобы оно не изменялось слишком сильно. При снижении уровня жидкости 11 в каплеотделителе 2 датчик 12 реагирует на это снижение, в результате чего вентиль 9 открывается и через впускную трубу 8 в испаритель 1 поступает новая жидкость. Обычно используются вентили, находящиеся или в открытом,или в закрытом положении, что приводит к колебаниям уровня жидкости в испарителе и, как следствие, к колебаниям холодопроизводительности машины. На фиг. 2 схематично показан испаритель 1 с циклонным сепаратором 21, используемым в холодильной машине согласно изобретению. В этом варианте каплеотделитель выполнен в виде циклонного сепаратора 21, который сам по себе известен. Циклонный сепаратор 21 намного меньше каплеотделителя 2 и поэтому значительно уменьшается необходимое количество хладагента в холодильной машине. Кроме того,благодаря меньшему количеству жидкости система измерения уровня жидкости в испарителе 1 является более чувствительной и поэтому регулировка уровня жидкости может осуществляться быстрее, что уменьшает колебания в процессе циркуляции жидкости. Как и каплеотделитель, циклонный сепаратор 21 имеет датчик 12 уровня для регулировки уровня жидкости над испарителем. Однако в этом варианте вентиль 22 для подачи жидкости к испарителю имеет плавную характеристику, так что подача жидкости из конденсатора в испаритель через впускную трубу происходит более равномерно, чем в машине, показанной на фиг. 1. На фиг. 3 схематично показан циклонный сепаратор 21 с вертикальной центральной осью 31, который используется в холодильной машине согласно изобретению. Циклонный сепаратор 21 состоит из цилиндрической трубы 32, соединенной в своей верхней части 33 с подающей трубой 3, которая расположена со смещением от центра и имеет наклонную внутреннюю стенку 34, так что отверстие 44 подающей трубы сужается к циклонному сепаратору 21, благодаря чему газ с каплями жидкости подается в цилиндрическую трубу 32 приблизительно по касательной. Это лучше видно на фиг. 3b, изображающей вид сверху на циклонный сепаратор 21. В циклонном сепараторе 21 смесь из капель 6 жидкости и газа циркулирует с большой скоростью вокруг вертикальной оси 31, при этом капли отбрасываются в наружном направлении к цилиндрической стенке 33 и под действием силы тяжести стекают в нижнюю часть 35 циклонного сепаратора 21. Газ, оставшийся в центральной части 36 циклонного сепаратора 21,будет сухим, т.е. без капель жидкости. Сухой газ подается через всасывающую трубу 6 в компрессор. В нижней части 35 циклонного сепаратора 21 жидкость собирается в воронкообразном сужении 37, откуда стекает в сливную трубу 10 и возвращается в испаритель. При нормальном уровне 38 жидкости в системе жидкость будет заполнять половину трубы 39 к датчику уровня. Нижний конец 40 воронкообразного сужения 37 находится ниже нормального уровня 38 жидкости, чтобы турбулентность жидкости в камере 41 для сбора жидкости и вокруг датчика уровня была мала. В этом устройстве турбулентность жидкости уменьшается в направлении от верхней части 42 воронкообразного сужения 37 к нижней части 43. На фиг. 4 схематично показан испаритель 1, соединенный с циклонным сепаратором 21,используемым для холодильной машины согласно изобретению, в двух проекциях. Испаритель 1, в данном случае представляющий собой машину для изготовления мороженого, выполнен цилиндрическим, с наружным кожухом 51 и внутренним морозильным цилиндром 52. Мороженое изготавливается во внутреннем морозильном цилиндре. Таким образом, сам испаритель образован объемом 53, ограниченным внутренним цилиндром 52 и наружным кожухом 51. Подающая труба 3 соединяет испаритель 1 с верхней частью 33 циклонного сепаратора 21. В этом варианте датчик уровня расположен на трубе 39 выше кожуха 51 испарителя,например на высоте 66 мм над испарителем. Сливная труба 10 в своей нижней части 54 соединена со сливным клапаном (не показан). Сливная труба 10 имеет два выходных отверстия 55 и 56 для возврата жидкости из конденсатора в испаритель. Кроме того, слив из впускной трубы, идущей от испарителя, производится в эжектор 57, предусмотренный в сливной трубе. При подаче хладагента из конденсатора поток, проходящий через эжектор 57, увлекает за собой жидкость в сливной трубе 10, тем самым усиливая циркуляцию жидкости в системе. На фиг. 5 схематично показан в увеличенном масштабе эжектор 57 в сливной трубе 10. В конце 61 впускной трубы 8 хладагент, поступающий из конденсатора, расширяется и засасывает в себя жидкость в сливной трубе 10. Хладагент 64 из конденсатора смешивается с хладагентом 65 из циклонного сепаратора, протекающим через верхнюю часть 62 сливной трубы 10, после чего смешанный хладагент 66 подается в испаритель 1 через горизонтальную 7 часть 63 сливной трубы 10. Нижняя часть 54 сливной трубы 10 соединена со сливным клапаном. На фиг. 6 схематично показан альтернативный вариант выполнения испарителя 1, соединенного с циклонным сепаратором 21, используемым для холодильной машины согласно изобретению. Этот вариант отличается от варианта, показанного на фиг. 4, тем, что впускная труба 8' от испарителя сливает жидкость не в эжектор 57 в сливной трубе, как на фиг. 4, а в циклонный сепаратор 21 по касательной. В этом случае вентиль 22 для подачи жидкости расположен не в том месте, где он находится на фиг. 2, а в другом в связи с изменением местоположения впускной трубы. Впускная труба 8' установлена так, что направление вращения впрыснутой жидкости совпадает с направлением вращения газа в циклонном сепараторе 21, что позволяет получить дополнительные преимущества. Во-первых, усиливается вращение газа и тем самым достигается лучшее отделение жидкости. Во-вторых, происходит более быстрое отделение так называемого дроссельного газа, который образуется в жидкости при впрыскивании. Втретьих, впрыснутая жидкость будет собираться в циклонном сепараторе 21 очень быстро и в результате в системе устраняются временные задержки между моментом подачи и моментом измерения уровня жидкости. Таким образом,устройство работает так, что обеспечивается дополнительный фактор, предупреждающий возникновение колебаний. Обозначения 1. Испаритель 2. Каплеотделитель 3. Подающая труба 4. Капли жидкости 5. Дно каплеотделителя 6. Всасывающая труба 7. Регулирующий клапан 8. Впускная труба 9. Вентиль для подачи жидкости в испаритель 10. Сливная труба 11. Жидкость в каплеотделителе 12. Датчик уровня 21. Циклонный сепаратор 22. Вентиль с плавной характеристикой для подачи жидкости в испаритель 31. Вертикальная центральная ось 32. Цилиндрическая труба 33. Верхняя часть циклонного сепаратора 34. Наклонная внутренняя стенка подающей трубы 35. Нижняя часть циклонного сепаратора 36. Центральная часть циклонного сепаратора 37. Воронкообразное сужение 38. Уровень жидкости 39. Труба для датчика уровня 8 40. Нижний конец воронкообразного сужения 41. Камера для сбора жидкости 42. Верхняя часть воронкообразного сужения 43. Нижняя часть воронкообразного сужения 44. Отверстие из подающей трубы в циклонный сепаратор 51. Наружный кожух испарителя 52. Внутренний морозильный цилиндр в испарителе 53. Объем между наружным кожухом и внутренним морозильным цилиндром 54. Нижняя часть сливной трубы 55. Вход в испаритель 56. Вход в испаритель 57. Эжектор 61. Конец впускной трубы 62. Верхняя часть сливной трубы 63. Горизонтальная часть сливной трубы 64. Хладагент из конденсатора 65. Хладагент из циклонного сепаратора 66. Смешанный хладагент ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Холодильная машина, содержащая испаритель, циклонный сепаратор и впускную трубу для подачи жидкости из конденсатора в испаритель, причем испаритель соединен с верхней частью циклонного сепаратора через подающую трубу, отличающаяся тем, что циклонный сепаратор расположен выше испарителя и на расстоянии от него, нижняя часть циклонного сепаратора, представляющая собой камеру для сбора жидкости, соединена с испарителем через сливную трубу, циклонный сепаратор содержит датчик уровня для определения уровня жидкости в камере для сбора жидкости,впускной канал соединен с вентилем, а датчик уровня является элементом, управляющим вентилем, для поддержания приблизительно постоянного уровня жидкости в циклонном сепараторе. 2. Холодильная машина по п.1, отличающаяся тем, что впускная труба от конденсатора подает жидкость в циклонный сепаратор по касательной. 3. Холодильная машина по п.1, отличающаяся тем, что впускная труба, идущая от конденсатора в испаритель, подает жидкость в сливную трубу, а переход между впускной трубой и сливной трубой выполнен в виде эжектора для усиления циркуляции жидкости в холодильной машине. 4. Холодильная машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что датчик уровня расположен на 50-100 мм, предпочтительно на 66 мм выше испарителя. 5. Холодильная машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что дат 9 чик уровня представляет собой вибрационное реле уровня для жидкостей. 6. Холодильная машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она является установкой для производства мороженого.