УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТА ТЕПЛОМ И ХОЛОДОМ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области холодильно-нагревательной техники и может быть использовано для одновременного охлаждения и нагрева воздуха окружающей среды, используемого в промышленных объектах, различных технических процессах, где требуется обеспечение заданных температурных и влажностных диапазонов подаваемого воздуха, в частности, в наземных средствах термостатирования отсеков ракет-носителей и космических аппаратов при подготовке их к пуску на стартовых комплексах в любое время года, когда в зависимости от температуры окружающей среды возникает необходимость в нагреве или охлаждении термостатирующего воздуха.

Известны устройства, обеспечивающие потребителя холодным и горячим воздухом, включающие заборное устройство, фильтр, компрессор, водяной воздухоохладитель, рекуперативные теплообменники, влагоотделители, турбодетандер, адсорбер, например, по а.с. СССР №1740911, F25В 29/00, в котором на одном валу с турбодетандером установлен генератор электрического тока, который используется для питания термоэлектрического охладителя воздуха.

Недостатками этого устройства являются:

1. Необходимость в оборудовании для преобразования переменного тока, вырабатываемого генератором, в постоянный, который необходим для работы термоэлектрических элементов охладителя воздуха.

2. Ограниченное время работы в режиме дополнительной осушки воздуха в адсорбере, обусловленное объемом адсорбера и временем насыщения его влагой.

3. Необходимость регенерации адсорбера после насыщения путем подачи в него сухого воздуха, нагретого до температуры 250°С в течение 8-10 часов, что связано с большим дополнительным потреблением энергии и потерями продукционного воздуха.

В устройстве по а.с. СССР №1749653, F25В 29/00 на одном валу с турбодетандером установлен вакуум-насос для откачки паров влаги из мембранного аппарата, используемого для дополнительной осушки воздуха вместо адсорбера.

Недостатками этого устройства являются:

1. Ограниченное время работы мембранного аппарата ввиду того, что в процессе осушки воздуха происходит засорение пор полупроницаемой мембраны мельчайшими аэрозольными частицами размером менее 0,1 мкм, которые не улавливаются фильтром, установленным на всасывании компрессора, что уменьшает производительность мембранного аппарата и приводит к необходимости замены мембран через 2-3 суток работы.

2. Необходимость регенерации загрязненных мембран в специальном растворе при температуре 80-90°С в течение 3-4 часов, что ухудшает условия эксплуатации устройства.

3. При работе мембранного аппарата вместе с парами влаги вакуум-насос откачивает в атмосферу до 8% продукционного газа, что снижает термодинамическую эффективность устройства в связи с уменьшением производительности подаваемого потребителю воздуха.

Проведенные патентные исследования показали, что наиболее близким по технической сущности является устройство по а.с. СССР №799584, МПК F25В 29/00, которое выбрано в качестве прототипа предлагаемых устройств. Это устройство содержит заборное устройство, фильтр, компрессор, водяной воздухоохладитель, рекуперативные теплообменники, влагоотделители, адсорбер и турбодетандер, на валу которого расположен генератор электрического тока.

Подача потребителю холодного и нагретого воздуха производится в двух режимах в зависимости от степени его осушки:

- с температурой точки росы до минус 10°С при атмосферном давлении практически неограниченное время в режиме только конденсационной сушки без дополнительной осушки в адсорбере;

- с температурой точки росы минус 20...28°С при атмосферном давлении с дополнительной осушкой воздуха в адсорбере.

Однако это устройство имеет следующие недостатки:

1. Необходимость в оборудовании для синхронизации частоты и напряжения электрического тока, вырабатываемого генератором, установленным на одном валу с турбодетандером, и электрического тока сети, питающей компрессор установки и другие потребители объекта, например дополнительные электронагреватели, средства освещения производственных помещений объекта.

2. Ограниченное время работы в режиме дополнительной осушки воздуха в адсорбере, обусловленное объемом адсорбера и временем насыщения его влагой.

3. Необходимость проведения операции по регенерации адсорбера после его насыщения влагой путем подачи в адсорбер сухого воздуха, нагретого до температуры 250°С в течение 8...10 часов, что связано с дополнительным потреблением электроэнергии и потерями продукционного воздуха.

Указанные недостатки снижают термодинамическую эффективность (примерно на 10...15%) и надежность функционирования устройства, а также существенно увеличивают стоимость эксплуатации.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, повышение надежности и термодинамической эффективности устройства, а также улучшение условий его эксплуатации.

Решение указанной задачи обеспечивается по варианту 1 тем, что устройство для обеспечения объекта теплом и холодом содержит турбодетандер и компрессор, соединенные линией высокого давления, которая включает водяной теплообменник и первый влагоотделитель, два рекуперативных теплообменника и второй влагоотделитель, и линию низкого давления, соединяющую турбодетандер с объектом, причем компрессор выполнен многоступенчатым, а устройство снабжено одноступенчатым центробежным компрессором, дополнительными влагоотделителем и теплообменником, линией подачи воздуха, заборным устройством и фильтром, которые последовательно установлены на ней, при этом линия подачи воздуха подсоединена к многоступенчатому компрессору, одноступенчатый центробежный компрессор установлен на одном валу с турбодетандером и размещен между многоступенчатым компрессором и водяным теплообменником, дополнительный влагоотделитель установлен после первого рекуперативного теплообменника, а дополнительный теплообменник установлен на линии низкого давления таким образом, что одна его полость подсоединена ко входу второго рекуперативного теплообменника, а другая - к выходу из него, кроме того, участок линии низкого давления перед объектом выполнен в виде не менее одного трубопровода с электронагревателем для продукционного воздуха.

По варианту 2 устройство для обеспечения объекта теплом и холодом содержит турбодетандер и компрессор, соединенные линией высокого давления, которая включает водяной теплообменник и первый влагоотделитель, два рекуперативных теплообменника и второй влагоотделитель, и линию низкого давления, соединяющую турбодетандер с объектом, причем компрессор выполнен многоступенчатым, а устройство снабжено одноступенчатым центробежным компрессором, дополнительными влагоотделителем и теплообменником, линией подачи воздуха, заборным устройством и фильтром, которые последовательно установлены на ней, дополнительным контуром подачи воздуха и контуром выдачи избыточного тепла, при этом линия подачи воздуха подсоединена к многоступенчатому компрессору, одноступенчатый центробежный компрессор установлен на одном валу с турбодетандером, дополнительный влагоотделитель установлен после первого рекуперативного теплообменника, а дополнительный теплообменник установлен на линии низкого давления таким образом, что одна его полость подсоединена ко входу второго рекуперативного теплообменника, а другая - к выходу из него, кроме того, участок линии низкого давления перед объектом выполнен в виде не менее одного трубопровода с электронагревателем для продукционного воздуха, а дополнительный контур подачи воздуха отведен от линии подачи воздуха перед многоступенчатым компрессором и подсоединен ко входу в одноступенчатый центробежный компрессор, контур же выдачи избыточного тепла - к выходу из одноступенчатого центробежного компрессора.

Кроме того, в устройстве по варианту 1 или 2 водяной и рекуперативные теплообменники конструктивно совмещены с влагоотделителями, установленными после них.

Отличительные признаки предлагаемых устройств от признаков прототипа заключаются в том, что по варианту 1 компрессор выполнен многоступенчатым, а устройство снабжено одноступенчатым центробежным компрессором, дополнительными влагоотделителем и теплообменником, линией подачи воздуха, заборным устройством и фильтром, которые последовательно установлены на ней, при этом линия подачи воздуха подсоединена к многоступенчатому компрессору, одноступенчатый центробежный компрессор установлен на одном валу с турбодетандером и размещен между многоступенчатым компрессором и водяным теплообменником, дополнительный влагоотделитель установлен после первого рекуперативного теплообменника, а дополнительный теплообменник установлен на линии низкого давления таким образом, что одна его полость подсоединена ко входу второго рекуперативного теплообменника, а другая - к выходу из него, кроме того, участок линии низкого давления перед объектом выполнен в виде не менее одного трубопровода с электронагревателем для продукционного воздуха; по варианту 2 компрессор выполнен многоступенчатым, а устройство снабжено одноступенчатым центробежным компрессором, дополнительными влагоотделителем и теплообменником, линией подачи воздуха, заборным устройством и фильтром, которые последовательно установлены на ней, дополнительным контуром подачи воздуха и контуром выдачи избыточного тепла, при этом линия подачи воздуха подсоединена к многоступенчатому компрессору, одноступенчатый центробежный компрессор установлен на одном валу с турбодетандером, дополнительный влагоотделитель установлен после первого рекуперативного теплообменника, а дополнительный теплообменник установлен на линии низкого давления таким образом, что одна его полость подсоединена ко входу второго рекуперативного теплообменника, а другая - к выходу из него, кроме того, участок линии низкого давления перед объектом выполнен в виде не менее одного трубопровода с электронагревателем для продукционного воздуха, а дополнительный контур подачи воздуха отведен от линии подачи воздуха перед многоступенчатым компрессором и подсоединен ко входу в одноступенчатый центробежный компрессор, контур же выдачи избыточного тепла - к выходу из одноступенчатого центробежного компрессора.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию «новизна».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена схема устройства по варианту 1, а на фиг.2 - отличительная часть устройства по варианту 2.

Устройство для обеспечения объекта теплом и холодом по варианту 1 содержит заборное устройство 1 воздуха окружающей среды, линию подачи воздуха 2, фильтр 3, многоступенчатый компрессор 4, одноступенчатый центробежный компрессор 5, смонтированный на одном валу с турбодетандером 6, линию высокого давления 7, водяной теплообменник 8, первый влагоотделитель 9, первый рекуперативный теплообменник 10, дополнительный влагоотделитель 11, второй рекуперативный теплообменник 12, второй влагоотделитель 13, линию низкого давления 14, дополнительный теплообменник 15, участок линии низкого давления 16 и электронагреватель 17.

Устройство для обеспечения объекта теплом и холодом по варианту 2 содержит помимо элементов, входящих в устройство по варианту 1, дополнительный контур подачи воздуха 18 и контур выдачи избыточного тепла 19, первый из которых отведен от линии подачи воздуха 2 перед многоступенчатым компрессором 4 и подсоединен ко входу в одноступенчатый центробежный компрессор 5, а второй подсоединен к выходу из него и отведен потребителю (на чертеже не показан).

Устройство по варианту 1 работает следующим образом. Воздух окружающей среды через заборное устройство 1, линию подачи воздуха 2 и фильтр 3, в котором он очищается от твердых аэрозольных частиц, поступает в многоступенчатый компрессор 4, где сжимается до давления, обеспечивающего получение требуемой температуры точки росы на входе в объект в длительном непрерывном режиме путем отделения влаги только конденсационным методом после охлаждения воздуха до температуры плюс 2-3°С.

(Например, в системе термостатирования, разработанной ОАО «Криогенмаш» и находящейся в настоящее время в эксплуатации, в которой использовано изобретение по А.С. СССР №799584, F25В 29/00, принятое за прототип предлагаемого изобретения, воздух сжимается в многоступенчатом компрессоре до давления 0,9 МПа и охлаждается в водяном и рекуперативных теплообменниках до температуры 3°С, при этом с учетом сопротивления линии высокого давления и неполного отделения влаги во влагоотделителях в длительном непрерывном процессе конденсационной осушки получается воздух с температурой точки росы минус 15°С при атмосферном давлении).

Затем воздух подается в одноступенчатый центробежный компрессор 5, смонтированный на одном валу с турбодетандером 6, где обеспечивается повышение давления на 20-25% от первоначального значения за счет использования работы расширения воздуха в турбодетандере (при этом дополнительная электроэнергия из сети на сжатие воздуха не потребляется). (Например, при вышеуказанном давлении воздуха на выходе из многоступенчатого компрессора 0,9 МПа он сжимается в одноступенчатом компрессоре 5 до давления 1,2 МПа и после охлаждения до температуры 3°С имеет температуру точки росы минус 20°С при атмосферном давлении. Для получения воздуха с еще более низкой температурой точки росы, например минус 28°С, при атмосферном давлении без использования адсорбера необходимо увеличить степень сжатия воздуха в многоступенчатом центробежном компрессоре до 1,6 МПа, при этом давление воздуха после сжатия в одноступенчатом компрессоре 5 составит 1,9 МПа, что позволит после его охлаждения до температуры 3°С получить указанную температуру точки росы минус 28°С).

Далее, из дополнительного одноступенчатого центробежного компрессора 5 по линии высокого давления 7 воздух поступает в водяной теплообменник 8, где охлаждается водой оборотной системы водоснабжения (не показана) до температуры 23-28°С с отделением капельной влаги в первом влагоотделителе 9, а затем поочередно поступает в первый рекуперативный теплообменник 10, где охлаждается противотоком охлажденного воздуха линии высокого давления с отделением капельной влаги в дополнительном влагоотделителе 11, и во второй рекуперативный теплообменник 12, где охлаждается потоком холодного воздуха линии низкого давления до температуры 3°С, а затем во второй влагоотделитель 13. Противоток сухого воздуха линии высокого давления после первого рекуперативного теплообменника 10 с температурой 20-25°С поступает в турбодетандер 6, в котором охлаждается при расширении до температуры (-3)-(-5)°С с отводом работы расширения на привод одноступенчатого центробежного компрессора 5. Из турбодетандера 6 поток холодного воздуха линии низкого давления 14 предварительно поступает в одну из полостей дополнительного теплообменника 15 и подогревается до температуры, обеспечивающей исключение вымораживания влаги во втором рекуперативном теплообменнике 12, после которого возвращается во вторую полость дополнительного теплообменника 15 и поступает на участок линии низкого давления 16, где перед объектом установлен электронагреватель 17. Этот участок может быть выполнен в виде одного или нескольких трубопроводов с электронагревателями, что обеспечивает подачу продукционного воздуха с нужной температурой в одну или несколько секций объекта. Если температура продукционного воздуха после дополнительного теплообменника 15 не требует изменений - электронагреватель 17 не включается.

В случае требования более компактного размещения устройства используется конструкция совмещенных аппаратов: водяного теплообменника с первым влагоотделителем, первого рекуперативного теплообменника с дополнительным влагоотделителем и при необходимости второго рекуперативного теплообменника со вторым влагоотделителем.

Устройство по варианту 2 в части подачи сухого холодного и нагретого воздуха в объект работает аналогично устройству по варианту 1, кроме дополнительного сжатия воздуха в одноступенчатом центробежном компрессоре 5. На вход одноступенчатого центробежного компрессора 5, смонтированного на одном валу с турбодетандером 6, подается по дополнительному контуру подачи воздуха 18 воздух окружающей среды, прошедший через заборное устройство 1 и фильтр 3. При сжатии в одноступенчатом центробежном компрессоре 5 до давления 0,13...0,15 МПа воздух нагревается ˜ на 45...50°С по сравнению с температурой окружающей среды и поступает в контур выдачи избыточного тепла 19 подачи нагретого воздуха потребителю (например, для обогрева помещения), при этом влажность подаваемого воздуха равна влажности окружающей среды.

В результате использования изобретения по варианту 2 происходит длительная и непрерывная подача в объект сухого холодного и нагретого воздуха, а также дополнительная подача потребителю нагретого воздуха (без осушки), при этом не затрачивается дополнительная электроэнергия на подачу и нагрев дополнительного расхода воздуха, что существенно повышает термодинамическую эффективность устройства.

Следовательно:

- введение одноступенчатого центробежного компрессора, установленного на одном валу с турбодетандером, позволяет понизить точку росы воздуха с минус 15 до минус 20°С, а в случае повышения давления в многоступенчатом компрессоре с 0,9 до 1,6 МПа получить точку росы минус 28°С;

- введение дополнительного влагоотделителя позволяет улучшить работу второго рекуперативного теплообменника;

- введение дополнительного теплообменника позволяет исключить вымерзание влаги во втором рекуперативном теплообменнике;

- наличие электронагревателей на участке линии низкого давления перед входом в объект обеспечивает возможность регулирования температуры продукционного воздуха перед подачей в секции объекта.

Таким образом, предлагаемые устройства для обеспечения объекта теплом и холодом, благодаря совокупности существенных признаков, изложенных в вариантах формулы изобретения, делают возможным непрерывное обеспечение заданного температурного и влажностного режимов объекта без использования адсорбера для дополнительной осушки воздуха, при этом повышается термодинамическая эффективность и надежность устройств, а также исключаются эксплуатационные расходы, связанные с регенерацией адсорбера.

Сравнение существенных признаков предложенных и известных решений дает основание считать, что предложенные технические решения отвечают критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».