СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОТОКОВ ХОЛОДНОГО ВОЗДУХА И ТУРБОХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к области холодильной техники, в частности к турбохолодильным установкам большой мощности с отводом тепла до 2000 ккал/сек (≈8000 кВт) при температуре холодного потока воздуха (-80) - (-170)^oC. Указанные параметры необходимы для быстрого замораживания десятков тонн продуктов в течение не более 20-60 минут (оптимально 15-30 минут), например свежевыловленной рыбы, до t= -80^oC, что значительно повышает ее качество и стоимость. Известно, что в настоящее время с этой целью используют жидкий азот (см. приложение N 1, где приведены технические данные стандартного английского контейнера для замораживания продуктов жидким азотом). Аналогичные параметры холодильных устройств требуются для быстрого замораживания больших партий мяса, овощей и фруктов, получения твердого CO₂, а также в ряде областей техники, например при криогенном отделении компонентов газовой смеси и для других целей. Широко применяемые холодильные машины с обычными хладагентами (аммиак, фреоны) столь низких температур не могут обеспечить [1] Такие параметры получают в работающих на воздухе турбокомпрессорах (сочетание турбины и компрессора на одном валу) с электроприводом. При этом важно не только то, что в лопаточных машинах быстро охлаждается воздух, выполняющий функции хладагента, но появляется возможность осуществлять обдув холодным воздухом охлаждаемых объектов для создания интенсивного конвективного теплообмена между захолаживаемыми продуктами и потоком хладагента (воздуха), поскольку последний безвреден для продуктов. При других хладагентах охлаждение идет путем естественной конвекции, когда тепловые потоки во много раз меньше.

В турбохолодильных машинах сжатый воздух после охлаждения в теплообменнике направляется в турбину турбодетандер, где при падении давления происходит снижение температуры воздуха, и за счет уменьшения внутренней энергии воздушного потока турбина вырабатывает мощность. Однако мощность турбины оказывается в 1,5-2,5 раза меньше, чем это требуется для сжатия потока воздуха в одном компрессоре (в газотурбинных двигателях воздух после компрессора подогревается в камере сгорания в 2,5-3,5 раза, что обеспечивает соответствующее повышение мощности турбины); в связи с этим в турбохолодильных машинах, равно как и в поршневых холодильниках, требуется подвод мощности для привода турбокомпрессора, что осуществляется с помощью электродвигателя (см. [2] а также приложение N 2; "Технические установки с воздушными турбохолодильными машинами" (турбодетандерами), Министерство тяжелого машиностроения, СКТБА НПО "НИИХИММАШ", 1991; с 1993 г. СКБ "Турбохолод" см. приложение N 3). В настоящее время этим СКБ изготавливаются турбохолодильные машины малой мощности с расходом воздуха 0,5-2,5 кг/сек и теплоотводом 5-20 ккал/сек. Ближайшим техническим решением к предлагаемому ниже способу получения холодного воздуха являются способ и установка, описанные в [2] на стр. 365, которые примем за прототип к заявленному изобретению.

Недостатком известных схем турбохолодильных машин и способов получения потоков холодного воздуха в них является то, что для получения машин большой мощности, например, с теплоотводом до 2000 ккал/сек, с расходом воздуха до 200 кг/сек потребуется электродвигатель мощностью 20-40 МВт, а вес машины будет 100-300 тонн, т.е. по своим параметрам такая машина будет близка к мощным воздуходувкам-эксгаустерам, применяемым в научно-исследовательских центрах для испытания авиадвигателей в высотных условиях. Электропривод указанной мощности требует специальной электроподстанции, а выход на режим будет порядка 30-60 минут (для постепенного прогрева корпусов), при этом достаточно сложно согласовывать обороты электродвигателя и компрессора.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение больших объемов потока холодного воздуха без использования электроэнергии, что повышает мобильность установки, многократно уменьшает вес и удешевляет сооружение, делает всю конструкцию более простой для изготовления и снижает затраты при замораживании, т.к. захолаживание происходит при обдуве воздухом, т.е. при интенсивном отводе тепла, в течение 15-30 мин, а выход на режим занимает у машины несколько минут.

Данный технический результат достигается тем, что атмосферный воздух засасывается первым компрессором (фиг. 1), после выхода из которого охлаждается в теплообменнике (до 15-25^oC), далее сжатый воздух (с давлением 2-4 ата в зависимости от заданной температуры на входе в потребитель холода) дожимается во втором компрессоре (до 2,5-5,5 ата), на выходе из которого вновь охлаждается и высушивается в теплообменнике холодным воздухом, выходящим из потребителя холода; после второго теплообменника сжатый воздух поступает к турбине, в которой срабатывается избыточное давление, а далее воздух (хладоноситель), приобретая заданную низкую температуру, подается при атмосферном давлении в потребитель холода, а затем через теплообменник в атмосферу, при этом для привода первого компрессора используется не электродвигатель, а газовая турбина, расположенная с ним на одном валу и подключенная к выхлопному устройству турбореактивного двигателя, например серийного авиационного двигателя, отработавшего летный ресурс.

Введение в устройство турбохолодильной машины двух турбокомпрессоров от серийных авиационных двигателей позволяет применить простой и дешевый газотурбинный привод, снизить работу сжатия за счет промежуточного охлаждения между двумя компрессорами и применить для создания турбохолодильной машины готовые турбокомпрессоры, которые являются основными по сложности и стоимости узлами любого турбохолодильного устройства и позволяют осуществлять быстрый запуск, свойственный авиационным машинам.

Затраты на отвод тепла с помощью потока холодного воздуха, вырабатываемого, например, машиной ТМХЗ-5 (см. приложение N 2), на порядок меньше, чем затраты на жидкий азот для такого же отвода тепла, несмотря на то, что расход энергии на единицу отводимого тепла в турбохолодильных машинах, работающих на воздухе, в два-четыре раза больше, чем в аммиачных или фреоновых из-за более низких температур (-80 -170^oC) и отсутствия изменений агрегатного состояния у хладагента (воздуха) в процессе осуществления холодильного цикла.

Данное изобретение поясняется общей схемой турбохолодильной машины для получения потока холодного воздуха, изображенной на фиг. 1. Предложенный способ получения холодного воздуха заключается в том, что атмосферный воздух засасывается первым компрессором (1), после выхода из которого в первом водовоздушном теплообменнике (2) охлаждается до 15-25^oC; далее сжатый воздух с давлением 2-4 ата (в зависимости от заданной температуры на входе в потребитель холода) дожимается во втором компрессоре (3) до 2,5-5,5 ата, на выходе из которого сначала охлаждается в водовоздушном теплообменнике (4) до 15-24^oC, после чего охлаждается и высушивается в теплообменнике (5) холодным воздухом, выходящим из потребителя холода, как это делается обычно в турбохолодильных машинах; после теплообменника (5) сжатый воздух поступает к турбине-детандеру (6), в которой срабатывается избыточное давление, и далее воздухохладоноситель, приобретя заданную низкую температуру, подается при атмосферном давлении в потребитель холода (7) и выходит через теплообменник (5) в атмосферу. Ниже приводятся основные параметры состояния хладоносителя для трех из возможных режимов работы описанной выше турбохолодильной машины с расходом воздуха 150-200 кг/сек, отводом тепла в количестве до 1300-2000 ккал/сек и мощностью газотурбинного привода 20-30 мВт. Если в качестве обоих турбокомпрессоров (I) и (II) (фиг. 1) взяты газотурбинные двигатели (например, РД-3М или ВД-7, расход воздуха на них соответственно 160 и 210 кг/сек) с выработанным летным ресурсом, то основные узлы, которые необходимо проектировать и изготовлять заново в процессе производства турбохолодильной машины, это только теплообменники, газовые тракты, потребитель холода и система управления. В связи с этим стоимость такой турбохолодильной машины на основе опыта создания турбохолодильной машины и нескольких двухступенчатых эксгаустеров, состоящих так же, как и трубохолодильная машина, описанная выше, из двух турбокомпрессоров от авиадвигателей, теплообменников и одного ТРД (8) (фиг. 1) источника горячих газов [3, 4, 5] поступающих в турбину (9), будет около двух миллионов долларов, и она может устанавливаться даже на больших рыболовных судах, поскольку ее вес 15-25 тонн, а потребная площадь для размещения около 200 м². Стационарная воздуходувка (эксгаустер) с электроприводом и аналогичными параметрами стоит 10-20 миллионов долларов.

Таким образом, введение в устройстве турбохолодильной машины двух турбокомпрессоров от серийных авиационных двигателей позволяет применить простой и дешевый газотурбинный привод, снизить работу сжатия и применить для создания турбохолодильной машины готовые турбокомпрессоры, которые являются основными по сложности и стоимости узлами лобового турбохолодильного устройства.

Следует отметить, что использовать в турбохолодильной машине один турбокомпрессор от ТРД можно лишь с низкой эффективностью, т.к. турбина, работающая на холодном воздухе, должна работать на оборотах вдвое меньше расчетных (температура потока примерно в 4 раза ниже), чем в системе ТРД, но тогда компрессор оказывается в совершенно неудовлетворительных условиях, а привод по-прежнему должен быть на базе мощных эл.двигателей. Применение двух турбокомпрессоров (фиг. 1) дает возможность всем четырем лопаточным машинам работать на режимах, близких к расчетным. Компрессор (3) второго этапа сжатия, имеющий степень повышения давления 1,3-1,8, должен состоять только из последних 2-3 ступеней (остальные колеса многоступенчатого осевого компрессора вместе с направляющими аппаратами снимаются).

При такой небольшой степени повышения давления и малом числе ступеней осевой компрессор, если обеспечено расчетное отношение осевой скорости потока к окружной скорости колеса, работает удовлетворительно независимо от абсолютной величины числа оборотов. Тогда турбина (5), в которой течет холодный воздух, может работать на таком же числе оборотов, при которых ее режим будет близок к расчетному. У первого турбокомпрессора (1) (фиг. 1) обороты незначительно отличаются от тех, на которых он работает в системе авиационного двигателя, т.к. к турбине поступают горячие газы, а компрессор в этом случае также оказывается на расчетных оборотах. Уменьшение степени повышения давления в компрессоре (1) первого этапа сжатия с обычных π_к 6-12 до 2-4 достигается за счет снятия нескольких последних ступеней осевого компрессора или путем регулирования поворотных лопаток статора на первых и последних ступенях компрессора. Некоторые осевые компрессоры газотурбинных двигателей имеют поворотные лопатки на статоре компрессора.

Указанное выше соотношение степеней повышения давления первого и второго этапа следует из равенства работ сжатия в компрессоре (3) (фиг. 1) и расширения в турбине (6) второго турбокомпрессора (II) для средней температуры воздуха перед турбиной (6) -100 -130^oC:

где T_IIк и Т_IIт температуры воздуха на входе соответственно в компрессор (3) и турбину (6);
π_кII, π_тII степени повышения во втором компрессоре (3) и понижения давления во второй турбине (6);
η_кII, η_тII кпд компрессора (3) и турбины (6).

Если
где 0,85⁴ потери полного напора в трех теплообменниках (2), (4), (5) (теплообменник (5) воздух проходит дважды), в воздушных трактах и ресиверах на выходе из компрессоров, где числа М бывают обычно достаточно велики.

Степень повышения давления в первом компрессоре (I) при наиболее высокой температуре холодного потока воздуха, которую приняли выше t_х.п. -60^oC, нагреве холодного воздуха в количестве 210 кг/сек в потребителе холода (7) на 40^oC, чему соответствует q=2000 ккал/сек, должна быть π_кI = 2,5. При этом температура воздуха на выходе из потребителя холода будет и, следовательно, при перепаде температур на стенках теплообменника в 10^o температура воздуха на входе в холодную турбину будет -30^oC.

Величина π_кII получается опять из равенства работ компрессора (3) и турбины (6) при необходимом понижении температуры воздуха в турбине (6) [-80^o (-30^o)]-50^oC и давления на выходе из холодной турбины 1,1 ата:
π_кI= 2,5; π_тII= 2,58; π_кII= 1,54.
При t^o холодного потока -80^oC и снижении теплообъема до 1500 ккал/сек π_кI= 2,05; π_кII= 1,35; π_тII= 2.
Техническим эффектом данного изобретения является то, что введением в систему турбохолодильной машины двух турбокомпрессоров и двух теплообменников, разбиением процесса сжатия на два этапа с промежуточным охлаждением, выбором разных окружных скоростей (чисел оборотов) для двух турбокомпрессоров в соответствии с температурами газовых потоков, проходящих через турбины, можно уменьшить работу сжатия, получить безвредный хладоноситель (воздух) с t^o=(-80^o) (-170^o)C в количестве 100-200 кг/сек, применить вместо электропривода газотурбинный привод и использовать для создания турбохолодильных машин готовые турбокомпрессоры от серийных авиадвигателей с выработанным летным ресурсом, без чего турбохолодильные машины большой мощности с хладоносителем воздухом получаются столь тяжелыми, дорогими, с большей продолжительностью запуска и привязанными к линиям эл.передач большей мощности, что в силу указанных причин производство мощных турбохолодильных машин оказывается нерациональным, и для быстрого отвода больших количеств тепла q= 500-2000 ккал/сек при t^o=(-80^o) (-170^o)C используют азот (см. приложение N 1).

При необходимости вырабатывать углекислоту (CO₂) одновременно с теплоотводом на вход в первый компрессор (I) подаются охлажденные до 15-20^oC продукты сгорания (выходящие из первой турбины (9), фиг. 2), в которых на каждый кг сгорания топлива содержится в зависимости от вида горючего 2,8-3,2 кг CO₂. Углекислый газ будет осаждаться в первой части потребителя холода (7) в твердой фазе. При мощности привода 20-35 мВт (расход топлива 4600-9000 кг/час) выработка CO₂ составит 13-28 тонн/час и 10-23 тонны воды. Стоимость углекислоты в 3-7 раз выше топлива. При выработке CO₂ наряду с потоком холодного газа в систему турбохолодильной машины добавляется третий водогазовый теплообменник (10), а теплоотвод снижается в среднем на 50% из-за конденсации 2,8-3,2 кг/сек CO₂. Поскольку в предлагаемой установке через турбину первого компрессора весовой расход газа меньше, чем через первый компрессор, т. к. в ТРД давления на выходе из компрессора (P_кI)₂ и на входе в турбину (P_тI)₁ равны, а в системе турбохолодильной машины (P_кI)₂>(P_тI)₁, то на вход в компрессор при выработке CO₂ необходимо подавать не только продукты сгорания, прошедшие через турбину, но также воздух из атмосферы. Если турбохолодильная машина работает в комплексе с газотурбинной электростанцией (ГТЭ), то продукты сгорания от ГТЭ целесообразно также подавать на вход в турбохолодильную машину для увеличения выработки CO₂.

В воздушных турбохолодильных машинах, описанных в приложении N 2, воздух сначала охлаждается в теплообменнике, далее поступает в охлаждаемый объект, оттуда в турбину, где опять охлаждается, из турбины с давлением в 0,3-0,5 ата идет в теплообменник на охлаждение засасываемого из атмосферы воздуха и через компрессор выбрасывается в атмосферу. В предлагаемой холодильной турбомашине (фиг. 1) воздух сначала сжимается (в двух компрессорах), потом охлаждается холодным воздухом, поступающим из потребителя холода, далее идет в турбину, оттуда в потребитель холода и в атмосферу.

В схеме, описанной в приложении N 2, компрессор и теплообменник работают с давлением на входе в 2-3 раза ниже, чем в предлагаемой автором заявке. В связи с этим устройства, работающие по такой схеме, имеют большие вес и габариты при том же теплоотводе. Преимуществом такой схемы является более низкая температура воздуха на входе в компрессор и меньшие затраты энергии на сжатии воздуха при том же теплоотводе по сравнению с предлагаемой схемой. При расходах в 0,5-2 кг/сек воздуха увеличенные габариты компрессора и теплообменника большой роли не играют, и предпочтение отдается чаще улучшению экономичности. Однако в самолетных кондиционерах применяется схема с лучшими весовыми и габаритными параметрами [1] Предлагаемые авторами изменения в процессах, происходящих в турбомашине, и в ее устройстве в равной мере могут быть использованы в обоих схемах холодильной машины, выполненной на базе турбокомпрессора. С точки зрения термодинамических процессов отличие одной схемы от другой состоит в том, что, работая по одному и тому же циклу, в одной схеме цикл начинается в точке 0, а во второй в точке 4, но при P=1 ата (см. цикл в приложении N 2). При объемах потребителя холода в сотни м³ воздуха пониженное давление, определяемое потерями давления в теплообменнике и турбине, нежелательно, что является недостатком цикла, начинающегося в точке 0.

Литература
1. Н. Д. Кочетков, Холодильная техника, изд. "Машиностроение", Москва, 1966.

2. Холодильные машины./ Под ред. И.А. Сакуна, Ленинград, изд. "Машиностроение", 1985.

3. В. Б. Вологодский, К.В. Чащин-Семенов, Многоступенчатый эксгаустер непрерывного действия для сверхзвуковых аэродинамических труб переменной плотности, авт. свид. N 27216, 1963.

4. В.Б. Вологодский, К.В. Чащин-Семенов, Сверхзвуковая аэродинамическая труба непрерывного действия с применением турбореактивных двигателей, авт. свид. N 29314, 1964.

5. В.Б. Вологодский, Р.М. Пушкин, К.В. Чащин-Семенов. Способ регенерации тепла и экологической очистки выхлопных газов в газотурбинном двигателе со свободной турбиной, патент N 20428417, 07.08.93.

Использование: воздушные турбохолодильные установки большой мощности (теплоотвод до 2000 ккал/сек) для быстрого замораживания больших объемов продукции. Сущность изобретения: получение потока сжатого воздуха осуществляют последовательно в два этапа с промежуточным охлаждением водой в теплообменнике (холодильнике) между двумя этапами, при этом степень повышения давления на втором этапе выбирают из условия обеспечения равенства работ сжатия в компрессоре и расширения в турбине, находящихся на одном приводном валу и работающих на холодном сжатом воздухе, при этом в качестве привода первого компрессора используется газотурбинный двигатель, выхлопное устройство которого подсоединено к турбине первого турбокомпрессора. Хладоноситель - только воздух. Потребление электроэнергии отсутствует. В качестве обоих турбокомпрессоров используются турбореактивные двигатели с выработанным летным ресурсом, работающие на режимах, близких к расчетным. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения потоков холодного воздуха, заключающийся в том, что воздух, сжатый в компрессоре, охлаждают в теплообменнике, расширяют в турбине, затем направляют в потребитель холода, далее воздух нагревают в теплообменнике и удаляют в атмосферу, отличающийся тем, что воздух из атмосферы сначала направляют в первый дополнительный компрессор с самостоятельным приводом и сжимают последовательно в два этапа с промежуточным охлаждением в дополнительном теплообменнике (холодильнике) между первым и вторым компрессорами, при этом на втором этапе степень сжатия выбирают из условия равенства работ сжатия в компрессоре и расширения в турбине, находящихся на одном валу без внешнего привода и работающих на холодном сжатом воздухе, причем данное равенство обеспечивают выбором общей степени сжатия, близкой к степени расширения в турбине, числа ступеней и углов установки лопаток статора компрессора и числа оборотов, соответствующих расчетному режиму турбины и компрессора. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первом этапе сжатия воздуха обеспечивают большую степень сжатия, чем на втором, и для привода компрессора первого этапа сжатия используют дополнительную турбину, работающую на выхлопных газах, поступающих от газотурбинного двигателя, и с числом оборотов, соответствующих расчетному режиму дополнительного компрессора и его турбины. 3. Турбохолодильная установка, содержащая компрессор и турбину на общем валу с приводом от внешнего источника мощности, теплообменник, потребитель холода, при этом выхлопной тракт турбины подключен к потребителю холода и далее через теплообменник соединен с атмосферой, отличающаяся тем, что установка снабжена дополнительным компрессором с самостоятельным приводом и дополнительным теплообменником, при этом вход дополнительного компрессора соединен с атмосферой, а выход через дополнительный теплообменник с входом в компрессор, находящийся на общем валу с турбиной без привода от внешнего источника мощности. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что в качестве самостоятельного привода дополнительного компрессора на первом этапе сжатия установлена дополнительная турбина, вход в которую подключен газовым трактом к выхлопу отдельно установленного газотурбинного двигателя.