ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ ПРИ ДВУХ ТЕМПЕРАТУРАХ КИПЕНИЯ И ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА ЛАЗАРЕВА Российский патент 1997 года по МПК F25B5/02 

Изобретение относится к холодильному машино- и компрессоростроению и может найти применение при сжатии парообразной фазы рабочих тел в других областях техники.

В хладотехнике известен обратный цикл, реализуемый одноступенчатой холодильной машиной. Основное достоинство такого цикла и машины в предельной простоте получения искусственного холода (Теплофизические основы получения искусственного холода. Справочник. М. Пищепромиздат, 1980, с. 232).

Известен также несколько усложненной конструкции компрессор одноступенчатого сжатия (поршневой или винтовой) с устройством для дозарядки паров хладагента в рабочую полость компрессора, что позволяет при наличии сравнительно простого компрессора с одной ступенью достичь преимуществ двухступенчатого сжатия, т.е. повысить как степень обратимости рабочего процесса, так и уменьшить потери дросселирования, заменив однократное дросселивание агента двукратным (Цыдзик В. И. и др. Холодильные машины и аппараты. М. Машгиз, 1946, с. 672).

В последние годы большое распространение при сжатии и транспортировке газов получили так называемые вихревые компрессоры, обладающие многими достоинствами в сравнении с традиционными типами компрессоров: простотой устройства, высокой напорностью, большой надежностью, нечувствительностью к помпажу, дешевизной изготовления и эксплуатации, нетребовательностью в обслуживании и др. При экономичности сжатия, примерно сравнимой с малыми поршневыми машинами, вихревые компрессоры значительно опережают их по технологичности производства, конструктивной простоте и надежности в работе, что прежде всего подтверждается их применением в системах ядерных энергетических установок, где, как известно, очень высоки требования к безотказности работы (Виршубский И. М. и др. Вихревые компрессоры. Л. Машиностроение, 1988, с. 272).

В связи с данной заявкой необходимо особо выделить, как следует из приведенного первоисточника, относительно невысокий КПД этих машин при сжатии газов и возможность повышения их напора при обеспечении рециркуляции рабочего тела в определенной части рабочей камеры ступени (авт. св. СССР N 1090923, кл. F 04 D 17/06; N 1467253, кл. F 04 D 17/06).

Невысокий КПД вихревых компрессоров обусловлен, в частности, следующими органическими недостатками этих машин:
перетеканием горячих паров через отсекатель со стороны нагнетания на сторону всасывания и связанным с этим значительным повышением температуры всасывания на входе в ступень, а также существенным вследствие расширения сжатых горячих паров и роста температуры всасывания уменьшением производительности ступени;
наличием балластной циркуляции перегретого рабочего тела в межлопаточных каналах вихревых колес, в свою очередь дополнительно повышающей температуру тела на входе ступени, что добавочно снижает производительность ступени;
ухудшение по мере движения в рабочей камере структуры потока в результате уменьшения объема сжимаемого тела при неизменном геометрическом объеме тороидальной полости камеры.

Поэтому очевидно, что устранение или уменьшение негативного влияния перечисленных недостатков способно радикально повысить экономичность процесса сжатия вихревых ступеней. Принципиально же новым в плане повышения экономичности процесса сжатия следует считать не только устранение (практически полное) первых двух недостатков, но и их трансформацию в полезный поток для выработки фактически бесплатного "сверхпланового" холода с помощью организации дополнительного обратного цикла и реализующего его холодильного контура на базе применения одноступенчатого вихревого компрессора по авт. св. N 1467253. При этом в значительной мере сглаживается отрицательное влияние третьего недостатка за счет дозарядки ступени в процессе сжатия дополнительным количеством рабочего тела, что помимо обеспечения рециркуляции ведет также к снижению диффузорности потока в концевой части ступени (на участке после дозарядки), оказывая положительное влияние на экономичность вихревой ступени в целом.

Далее, касаясь преимуществ применения вихревых компрессоров для осуществления парового обратного цикла с дозарядкой, можно утверждать, что благодаря присущим им особенностям протекания рабочего процесса и заявляемым техническим решением в данной заявке они обещают более низкое, чем при сжатии газов, энергопотребление как вследствие экономии работы сжатия, вызванной понижением температуры рабочего тела из-за смешения паров разного термодинамического состояния при дозарядке, так и в результате устранения притока горячих паров перетечек и балласта на сторону всасывания, обусловливая в итоге значительное снижение температуры нагнетания при сжатии и, следовательно, существенный рост КПД вихревой ступени.

В свете изложенного новый обратный цикл и впервые заявляемая для его реализация холодильная машина с нетрадиционным одноступенчатым вихревым компрессором очевидно являются наиболее совершенным на сегодня научно-техническим предложением повышения эффективности холодильных машин.

Ближайшим в газовом компрессоростроении прототипами являются образцы вихревых компрессоров с отсосом горячих газов из отсекателя (авт. св. N 1467253, кл. F 04 D 17/06) и с дозарядкой в рабочую камеру ступени (авт. св. N 332251, кл. F 04 D 17/18; N 1090923, кл. F 04 D 17/06).

Цель изобретения существенное повышение КПД при общем росте производительности и напора вихревой ступени, а также получение второй температуры кипения и значительное расширение возможностей регулирования расходных и напорных характеристик при выработке искусственного холода за счет внедрения спаренного обратного цикла, объединяющего при совместном сжатии в одноступенчатом компрессоре два отдельных цикла, и реализующей его двухконтурной холодильной машины.

Указанная цель достигается тем, что в схеме холодильной машины, осуществляющей основной цикл, применен вихревой компрессор, снабженный по меньшей мере двумя дополнительными патрубками один для отбора горячих паров на участке отсекателя, другой для подачи холодных в полость ступени, благодаря чему удается реализовать второй, параллельно действующий обратный цикл, отличающийся от первого (основного) в общем случае меньшей производительностью и повышенными температурами конденсации и кипения, который, практически устраняя присущие вихревым машинам серьезные недостатки, сопряженные с перетечками пара со стороны нагнетания на всасывание и неизбежной балластной циркуляцией, по сути превращает этот отдельный и значительный по расходу вредный суммарный поток в новый источник дополнительного холода с возможностью использования этого "дарового" холода как для улучшения термодинамических, энергетических и объемных параметров основного цикла, так и для выработки потребительского холода при второй температуре кипения, что в целом резко повысит КПД предложенных новых циклов вихревого компрессора и холмашины.

Особую значимость в плане обозначения новых качеств и ранее неизвестных существенных признаков изобретения приобретает такое новое свойство предложенной системы, как возможность ее работы при нулевом расходе в основном контуре (закрыт нагнетательный вентиль), когда холод вырабатывается за счет реализации дополнительного цикла во втором холодильном контуре, т.е. целиком за счет потока отводимого из зоны отсекателя с более высоким давлением. Это несомненно резко повысит степень повышения давления ступени, т.к. известно, что при нулевом расходе давление в полости рабочей камеры возрастает в несколько раз. Происходит еще одна качественная трансформация заявляемые цикл и машина с компрессором одноступенчатого сжатия становятся системой двуступенчатого сжатия. Причем такой переход не требует каких-либо конструктивных изменений или переоборудования, а осуществляется на уровне простого регулирования, свидетельствуя о небывало широких и гибких возможностях последнего по сравнению с традиционными способами изменения расходных и напорных характеристик динамических машин.

На фиг. 2 представлен спаренный обратный цикл Лазарева, состоящий из основного одноступенчатого цикла 1-2-3-4 и дополнительного одноступенчатого цикла 5-6-7-8, реализуемого путем преобразователя значительного по расходу суммарного вредного потока (перетечки горячих паров с нагнетания на всасывание и балластная циркуляция горячих паров в межлопаточных каналах рабочего колеса) в полезный источник выработки фактически бесплатного холода на другом температурном уровне при одновременном практически полном устранении негативного влияния на экономичность рабочего процесса двух видов типичных для вихревых ступеней потерь. Характерной особенностью осуществления спаренного цикла является совместное сжатие двух (основного и дополнительного) потоков при раздельном протекании известных изотермических процессов кипения и конденсации, а также двукратное дросселирование хладагента. Заштрихованная на диаграмме состояния lgP-i площадь характеризует экономию работы сжатия в предложенном цикле. При этом очевидна возможность осуществления полного промежуточного охлаждения за счет лишь "дарового" холода, т.е. без использования водяного холодильника, без которого нельзя обойтись в обычной схеме с промежуточным давлением.

На фиг.1 представлена принципиальная схема двухконтурной холодильной машины Лазарева для реализации вышеописанного нового цикла.

Предложенная холмашина состоит из вихревого компрессора 1 с патрубком 2 дополнительного подвода пара в рабочую камеру вихревой ступени и дополнительным патрубком 3 отвода горячих паров из отсекателя, конденсатора 4, испарителя 5 и регвентиля 6 (РВ 1) основного контура, а также конденсатора 7, испарителя 8 и регвентиля 9 (РВ 2) дополнительного контура машины.

Специфика работы вихревой ступени позволяет вводить в рабочую камеру дополнительное количество рабочего тела при некотором значении промежуточного давления в зависимости от места расположения такого патрубка, имея в виду, что величина этого давления растет по длине камеры в направлении от всасывания к нагнетанию. Следовательно, предложенный одноступенчатый вихревой компрессор с дополнительными патрубками 2 (для дозарядки) и 3 (для отвода горячих паров) сможет реализовать два раздельно протекающих обратных цикла при совместном сжатии в рабочей ступени самостоятельных потоков этих циклов, спаренных воедино.

Спаренный обратный цикл и работа описываемой холмашины с одноступенчатым вихревым компрессором и двумя холодильными контурами осуществляется следующим образом.

Образовавшийся в испарителе 5 основного контура после дросселирования вентилем 6 холодный пар отсасывается компрессором 1 через всасывающий патрубок и затем нагнетается в конденсатор 4 основного контура, после чего жидкость поступает к регвентилю 6, как в обычной одноступенчатой холодильной машине. Одновременно с этим горячие пары протечек и балластной циркуляции из отсекателя через патрубок 3 нагнетаются в конденсатор 7 дополнительного контура, а сконденсировавшаяся жидкость, дросселируясь вентилем 9, попадает в испаритель 8 дополнительного контура, откуда холодный пар отсасывается через дополнительный патрубок 2, предназначенный для дозарядки ступени, компрессором 1. Таким образом и дополнительный контур также работает в режиме одноступенчатой холмашины.

Другими словами, одна ступень вихревого компрессора обслуживает как бы две самостоятельные одноступенчатые холодильные машины различной производительности, одна из которых (меньшая) трансформирует обычные для вихревых машин объемные потери в полезный бесплатный холод со второй температурой кипения. Благодаря этому снижается работа сжатия в основном цикле другой машины (большей производительности), представляющей из себя собственно первый контур предложенной холодильной машины. Уменьшение работы на сжатие связано с понижением температур всасывания и нагнетания после смешения паров различного состояния при дозарядке. Причем возникают преимущества цикла с промежуточным давлением и двукратным дросселиpованием, уменьшающим необратимые дроссельные потери в цикле.

Понижение температуры нагнетания обусловливает рост КПД вихревой ступени, работающей в режиме паровой холодильной машины. В то же время при дозарядке происходит повышение напорности ступени в результате возникновения так называемой рециркуляции, улучшающей структуру потока и уменьшающей благодаря подводу добавочного количества пара в ступень диффузорность потока в ее концевой части, что также способствует росту КПД рабочего процесса.

Таким образом, вновь заявляемые и ранее неизвестные спаренный обратный цикл и реализующая его двухконтурная холмашина на базе нетрадиционного одноступенчатого вихревого компрессора с дополнительными патрубками дозарядки и отбора паров хладагента позволяют не только практически полностью устранить большие объемные потери вихревых ступеней, но и превратить их в дополнительный источник бесплатного холода с новой температурой кипения при общем увеличении производительности и напора, а также открывает небывало широкие возможности регулирования производительности и напора вплоть до трансформации одноступенчатой холодильной системы в высоконапорную двуступенчатую.

Использование: в холодильном машиностроении. Сущность изобретения: холодильная машина содержит два автономных замкнутых контура относительно низкого и высокого давлений с компрессором, содержащим два всасывающих патрубка различных давлений и два нагнетательных патрубка. Контур относительно низкого давления образован последовательно подключенным нагнетательным патрубком компрессора, конденсатором, регулирующим вентилем низкого давления и всасывающим патрубком компрессора низкого давления. Контур относительно высокого давления образован нагнетательным патрубком, конденсатором, регулирующим вентилем высокого давления, испарителем высокого давления и всасывающим патрубком компрессора высокого давления. Компрессор может быть выполнен вихревого типа, а дополнительный нагнетательный патрубок расположен в области отсекателя рабочей камеры компрессора. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Обратный цикл при двух температурах кипения, включающий сжатие хладагента, конденсацию, дросселирование и испарение, отличающийся тем, что реализуют основной цикл, содержащий сжатие части потока хладагента до относительно низкого давления, конденсацию, дросселирование и испарение при пониженном давлении, и дополнительный цикл, содержащий сжатие части потока до относительно высокого давления, конденсацию, дросселирование и испарение при повышенном давлении. 2. Холодильная машина, содержащая компрессор с двумя всасывающими патрубками различных давлений и нагнетательным патрубком, подключенным к рабочей камере, конденсатор, регулирующие вентили различных давлений, отличающаяся тем, что включает два автономных замкнутых контура относительно низкого и высокого давлений и дополнительный конденсатор, компрессор снабжен дополнительным нагнетательным патрубком, причем контур относительно низкого давления образован последовательно подключенными нагнетательным патрубком компрессора, конденсатором, регулирующим вентилем низкого давления, испарителем низкого давления и всасывающим патрубком компрессора низкого давления, а контур относительно высокого давления дополнительным нагнетательным патрубком компрессора, дополнительным конденсатором, регулирующим вентилем высокого давления, испарителем высокого давления и всасывающим патрубком компрессора высокого давления. 3. Машина по п.2, отличающаяся тем, что компрессор выполнен вихревого типа, причем дополнительный нагнетательный патрубок расположен в области отсекателя рабочей камеры компрессора. 4. Машина по п.3, отличающаяся тем, что компрессор снабжен по меньшей мере двумя нагнетательными патрубками компрессора высокого давления, расположенными по длине рабочей камеры между всасывающим патрубком компрессора низкого давления и нагнетательным патрубком высокого давления.