Результат интеллектуальной деятельности: ВОЗДУШНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к воздушным турбохолодильным установкам.

Известна воздушная турбохолодильная установка, которая содержит турбодетандер, многокамерный динамический теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор (РФ, патент №2262047, МПК F25B 11/00, опубл. 2005.10.10).

Недостатком такой установки является то, что для ее работы нужен дополнительный источник энергии, необходимый для обеспечения камеры сгорания воздухом для горения топлива. Кроме того, наличие электродвигателя, который обычно плохо согласуется с центробежным турбокомпрессором по частоте вращения и требует наличия источника электричества.

Известна воздушная холодильная установка (ВХУ), содержащая турбокомпрессор, турбодетандер и камеру сгорания топлива, при этом выход компрессора турбокомпрессора связан с входом пневморегулятора, выполненного с возможностью разделения потока сжатого воздуха на два потока, при этом первый выход пневморегулятора сообщен с камерой сгорания, а второй выход пневморегулятора через первый воздухоохладитель связан с входом компрессора турбодетандера, выход которого через второй воздухоохладитель сообщен с входом турбодетандера, причем вход турбины турбокомпрессора сообщен с выходом камеры сгорания, а ее выход через регенератор сообщен с атмосферой, кроме того, паровой выход тепловоспринимающего контура регенератора сообщен с камерой сгорания, связанной со средством подачи топлива (РФ, патент №2370711, MПК F25B 11/02, F25B 9/06, опубл. 20.10.2009).

Недостатком такой установки является то, что она имеет низкий холодильный коэффициент, низкие значения температуры пара перед камерой сгорания, подводимый в камеру сгорания, пар после прохождения регенератора выбрасывается в атмосферу (что приводит к дополнительному тепловому загрязнению окружающей среды и выбросу значительного количества энергии теплоты парообразования). Все это приводит к недостаточно полному использованию энергии рабочего тела.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является увеличение коэффициента использования энергии рабочего тела и улучшение экологии окружающей среды.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в увеличении холодильного коэффициента, улучшении экологии окружающей среды за счет снижения теплового выброса в окружающую среду и эмиссии окисей азота.

Поставленная задача решается тем, что воздушная холодильная установка, содержащая турбокомпрессор, турбодетандер и камеру сгорания топлива, при этом выход компрессора турбокомпрессора связан с входом пневморегулятора, выполненного с возможностью разделения потока сжатого воздуха на два потока, при этом первый выход пневморегулятора сообщен с камерой сгорания, а второй выход пневморегулятора через первый воздухоохладитель связан с входом компрессора турбодетандера, выход которого через второй воздухоохладитель сообщен со входом турбодетандера, причем вход турбины турбокомпрессора сообщен с выходом камеры сгорания, а ее выход через регенератор сообщен с атмосферой, кроме того, паровой выход тепловоспринимающего контура регенератора сообщен с камерой сгорания, связанной со средством подачи топлива, отличается тем, что установка снабжена тепловым насосом, контур которого включает парогазовый конденсатор, дополнительный компрессор, выполненный с возможностью привода от турбины турбокомпрессора, при этом выход дополнительного компрессора через теплоотдающий контур парового испарителя и дроссель сообщен с тепловоспринимающим контуром парогазового конденсатора, выход которого сообщен со входом дополнительного компрессора, причем на газоотводящей линии между выходом турбины турбокомпрессора и регенератором установлен пароперегреватель, кроме того, на газоотводящей линии между выходом регенератора и атмосферой установлены последовательно связанные парогазовый конденсатор, теплообменник и сепаратор, при этом газовый выход сепаратора сообщен с атмосферой, а его конденсатный выход сообщен со входом тепловоспринимающего контура регенератора, кроме того, паровой выход тепловоспринимающего контура регенератора сообщен с камерой сгорания линией, включающей последовательно связанные тепловоспринимающие контуры парового испарителя и пароперегревателя. Кроме того, между вторым воздухоохладителем и входом турбодетандера установлен влагоотделитель.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак «…установка снабжена тепловым насосом…» обеспечивает возможность утилизации тепла, содержащегося в сбрасываемом (исходящем) объеме рабочего тела - парогазовой смеси.

Признаки, указывающие, что контур теплового насоса включает «парогазовый конденсатор, дополнительный компрессор, выполненный с возможностью привода от турбины турбокомпрессора, при этом выход дополнительного компрессора через теплоотдающий контур парового испарителя и дроссель сообщен с тепловоспринимающим контуром парогазового конденсатора, выход которого сообщен со входом дополнительного компрессора…» обеспечивают отбор тепла, содержащегося в сбрасываемом (исходящем) объеме рабочего тела - парогазовой смеси в контур теплового насоса.

Признак, указывающий, что «на газоотводящей линии между выходом турбины турбокомпрессора и регенератором установлен пароперегреватель» обеспечивает утилизацию тепла сбрасываемого (исходящем) объеме рабочего тела - парогазовой смеси, при ее исходных температурных параметрах (ее максимальной температуре).

Признаки «…на газоотводящей линии между выходом регенератора и атмосферой установлены последовательно связанные парогазовый конденсатор, теплообменник и сепаратор…» обеспечивают утилизацию остаточного тепла сбрасываемого (исходящем) объеме рабочего тела - парогазовой смеси и возможность исключения сброса в атмосферу воды, содержащейся в нем.

Признак «…газовый выход сепаратора сообщен с атмосферой…» обеспечивает сброс в атмосферу обезвоженной газовой компоненты исходящей парогазовой смеси.

Признак, указывающий, что конденсатный выход сепаратора «сообщен с входом тепловоспринимающего контура регенератора» обеспечивает возврат конденсировавшейся воды в тепловоспринимающий контур регенератора.

Признак «…паровой выход тепловоспринимающего контура регенератора сообщен с камерой сгорания…» обеспечивает возможность формирования в ней рабочего тела - парогазовой смеси.

Признаки, указывающие, что выход тепловоспринимающего контура регенератора сообщен с камерой сгорания «линией включающей последовательно связанные тепловоспринимающие контуры парового испарителя и пароперегревателя» обеспечивают формирование пара из конденсата, за счет утилизации тепла сбрасываемого (исходящем) объеме рабочего тела - парогазовой смеси.

Признаки, указывающие, что «между вторым воздухоохладителем и входом турбодетандера установлен влагоотделитель» направлены на осушение холодильного агента.

На чертеже показана тепловая схема ВХУ с тепловым насосом.

На чертеже показаны воздушный фильтр 1, турбокомперссор 2, компрессор 3, турбина 4, пневморегулятор 5, камера сгорания 6, регенератор 7, первый воздухоохладитель 8, турбокомпрессор 9, второй компрессор 10, турбодетандер 11, второй воздухоохладитель 12, влагоотделитель 13, парогазовый конденсатор 14, дополнительный компрессор 15, паровой испаритель 16, пароперегреватель 17, дроссель 18, теплообменник 19, сепаратор 20 и циркуляционный насос 21.

Воздушная холодильная установка содержит воздушный фильтр 1, турбокомпрессор 2, турбодетандер 11 и камеру сгорания топлива 6. Выход компрессора 3 турбокомпрессора 2 связан со входом пневморегулятора 5, выполненного с возможностью разделения потока сжатого воздуха на два потока. Первый выход пневморегулятора 5 сообщен с камерой сгорания 6, а второй выход пневморегулятора 5 через первый воздухоохладитель 8 связан с входом второго компрессора 10 турбодетандера 11, выход которого через второй воздухоохладитель 12 сообщен с входом турбодетандера 11, причем вход турбины 4 турбокомпрессора 2 сообщен с выходом камеры сгорания 6, а ее выход через регенератор 7 сообщен с атмосферой. Кроме того, паровой выход тепловоспринимающего контура регенератора 7 сообщен с камерой сгорания 6, связанной со средством подачи топлива. Установка снабжена тепловым насосом, контур которого включает парогазовый конденсатор 14, дополнительный компрессор 15, выполненный с возможностью привода от турбины 4 турбокомпрессора 3, при этом выход дополнительного компрессора 15 через теплоотдающий контур парового испарителя 16 и дроссель 18 сообщен с тепловоспринимающим контуром парогазового конденсатора 14, выход которого сообщен со входом дополнительного компрессора 15. На газоотводящей линии между выходом турбины 4 турбокомпрессора 2 и регенератором 7 установлен пароперегреватель 17, кроме того, на газоотводящей линии между выходом регенератора 7 и атмосферой установлены последовательно связанные парогазовый конденсатор 14, теплообменник 19 и сепаратор 20. Газовый выход сепаратора 20 сообщен с атмосферой, а его конденсатный выход сообщен с входом тепловоспринимающего контура регенератора 7, кроме того, паровой выход тепловоспринимающего контура регенератора 7 сообщен с камерой сгорания 6 линией, включающей последовательно связанные тепловоспринимающие контуры парового испарителя 16 и пароперегревателя 17. Кроме того, между вторым воздухоохладителем 12 и входом турбодетандера 11 установлен влагоотделитель 13.

Воздушная холодильная установка работает по разомкнутому циклу.

Установка состоит из трех контуров: контур ВХУ, контур парогазовой турбины и контур теплового насоса. В контуре ВХУ рабочим телом является воздух. В контуре теплового насоса хладагентом является, например, вода. Для контура парогазовой турбины рабочее тело на первом этапе воздух (до камеры сгорания 6), на втором этапе (после камеры сгорания 6) смесь пара и продуктов сгорания топлива.

В состав контура ВХУ входят следующие элементы: воздушный фильтр 1, компрессор 3, пневморегулятор 5, первый воздухоохладитель 8, второй компрессор 10, турбодетандер 11, второй воздухоохладитель 12, влагоотделитель 13.

В состав контура парогазовой турбины входят следующие элементы: воздушный фильтр 1, компрессор 3, пневморегулятор 5, камера сгорания 6, турбина 4, пароперегреватель 17, регенератор 7, парогазовый конденсатор 14, паровой испаритель 16, теплообменник 19 и сепаратор 20.

В состав контура теплового насоса входят следующие элементы: дроссель 18, парогазовый конденсатор 14, дополнительный компрессор 15, паровой испаритель 16.

Холодный воздух получается путем последовательного его сжатия в компрессорах и последующего расширения в турбодетандере.

Установка работает следующим образом.

Контур ВХУ. Компрессор 3 через воздушный фильтр 1 засасывает атмосферный воздух и сжимает его. После компрессора 3 сжатый воздух поступает в пневморегулятор 5, где он разделяется на два потока. Основная часть сжатого воздуха поступает через первый воздухоохладитель 8 во второй компрессор 10. Во втором компрессоре 10 происходит дальнейшее повышение давления воздуха. Затем сжатый воздух через второй воздухоохладитель 12 и влагоотделитель 13 поступает в турбодетандер 11, где происходит расширение воздуха с отдачей работы и, вследствие этого, снижение температуры воздуха.

Чем выше будет перепад давления в турбодетандере 11 и его коэффициент полезного действия, тем ниже температура воздуха после турбодетандера.

Другая часть сжатого воздуха после пневморегулятора 5 поступает в камеру сгорания 6, где используется в качестве воздуха для сгорания топлива. По периферии камеры сгорания 6 в нее поступает водяной пар, полученный в пароперегревателе 17.

Контур парогазовой турбины. Для привода компрессора 3 используется турбина 4. Вторая часть воздуха после пневморегулятора 5 направляется в камеру сгорания 6, где используется в качестве первичного воздуха для сгорания топлива. По периферии камеры сгорания 6 в нее вместо вторичного воздуха поступает перегретый водяной пар. Пар, поступающий в камеру сгорания 6, образуется путем последовательного нагрева в теплообменных аппаратах. Из сепаратора 20 горячая вода, прокачиваемая циркуляционным насосом 21, поступает в регенератор 7. В нем за счет нагрева (утилизации тепла) от отработавших в турбине 4 газов температура воды повышается. Далее вода поступает в паровой испаритель 16, где происходит парообразование. После парового испарителя 16 пар поступает в пароперегреватель 17, где происходит перегрев пара. Перегретый пар поступает в камеру сгорания 6, смешиваясь с продуктами сгорания топлива. Он увеличивает массу рабочего тела для парогазовой турбины 4, а также снижает температуру продуктов сгорания топлива до значения, определяемого допустимой максимальной теплонапряженностью материала лопаток турбины 4.

После турбины 4 отработавшая парогазовая смесь проходит ряд теплообменных аппаратов: пароперегреватель 17, регенератор 7, парогазовый конденсатор 14 и теплообменник 19, в которых происходит отдача теплоты смесью. После них смесь поступает в сепаратор 20, где разделяется на жидкость и газ. Газ выбрасывается в атмосферу, а жидкость возвращается в цикл.

Контур теплового насоса. Тепловой насос необходим для более полной утилизации тепла отработавшей парогазовой смеси.

В парогазовом конденсаторе 14 происходит подвод тепла хладагенту (воде) с утилизацией тепла конденсации пара, содержащегося в отработавшей смеси. В парогазовом конденсаторе 14 происходит вскипание хладагента, потому как он имеет низкое давление после дросселирования. После этого хладагент поступает в дополнительный компрессор 15, где происходит его сжатие. Вследствии сжатия происходит повышение температуры хладагента. Из дополнительного компрессора 15 хладагент направляется в паровой испаритель 16, где отдает тепловую энергию воде и конденсируется. После этого хладагент дросселируется в дроссельном клапане 18.

Главными преимуществами ВХУ являются высокая экологическая чистота, доступность рабочего тела. Для воздуха не требуется его производство, хранение, перевозка, утилизация в отличии от других хладагентов, применяемых в холодильных машинах. Он не горюч, не взрывоопасен, доступен в любой местности в любое время.