ТУРБОНАГРЕВАТЕЛЬНО-ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ Российский патент 1997 года по МПК F25B9/00 F25B1/53 

Предлагаемое изобретение относится к области бытовых нагревательно-холодильных устройств, которые используются для подачи в закрытые помещения или теплоизолированные емкости нагретого воздуха с температурой t≅150^oC и холодного воздуха с температурой t≅-20^oC.

Известен холодильно-нагревательный агрегат, представляющий собой турбохолодильную машину с единым газовоздушным трактом, снабженную газотурбинным двигателем для привода машины. Этот агрегат содержит холодильную расширительную турбину с теплообменником и газовоздушным приводом. При работе этого агрегата воздух из окружающей среды расширяется в воздушной турбине, в результате чего его полная температура и давление становятся ниже соответствующих параметров окружающей среды. Нагреваясь в охлаждающем тракте теплообменника, воздух далее сжимается в компрессоре до давления выше давления окружающей среды. После этого часть сжатого воздуха поступает в камеру сгорания и после нее расширяется в газовой турбине, мощность которой передается на привод компрессора. Другая часть сжатого воздуха подается в охлаждающий тракт теплообменника, откуда, охладившись, направляется к потребителю холодного воздуха (см. книгу Емина О.Н. Турбохолодильные машины в системах охлаждения газотурбинных двигателей, М. Машиностроение, 1978, с. 128 129, аналог).

Недостатками этого агрегата является то, что турбохолодильная машина не может быть использована для производства небольшого количества холодного воздуха (до 40 г/с), невозможность одновременного генерирования горячего чистого воздуха, так как этот агрегат представляет, по существу, газотурбинный двигатель, который не может быть использован в бытовых условиях в качестве нагревательно-холодильной установки.

Известен турбонагревательно-холодильный агрегат с электроприводом, содержащий воздушную турбину, компрессор, образующие турбокомпрессор, и приводящий его электродвигатель, теплообменник, расположенный по потоку между турбиной и компрессором, запорно-регулирующие устройства и соединительные воздуховоды, образующие проточную часть агрегата. В зависимости от положения запорно-регулирующих устройств агрегат обеспечивает либо подогрев, либо охлаждение помещения, обслуживаемого этим агрегатом (см. патент Великобритании N 2237373, F 25 B 29/00, 1989, прототип).

К недостаткам этого известного решения относятся: невозможность одновременного получения на выходе агрегата горячего и холодного воздуха, т.е. ограниченные функциональные возможности, значительные габаритные размеры, высокое потребление электроэнергии, сложность и малая надежность агрегата в эксплуатации.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение функциональных возможностей агрегата при одновременном сокращении габаритов и потребления электроэнергии, а также повышение эксплуатационной надежности.

Эта задача решается тем, что в известном турбонагревательно-холодильном агрегате с электроприводом, содержащем воздушную турбину, компрессор, образующие турбокомпрессор, и приводящий его электродвигатель, теплообменник, расположенный по потоку между турбиной и компрессором, запорно-регулирующие устройства и соединительные воздуховоды, образующие проточную часть агрегата, он содержит дополнительно расположенный за компрессором распределительный коллектор, связанный с выходом из компрессора и снабженный двумя выходными патрубками, один из которых служит для отвода горячего воздуха, а второй для отвода холодного воздуха и снабжен регулирующим устройством, причем в полости распределительного коллектора в зоне выхода из компрессора установлен фильтр очистки закопрессорного воздуха, а перед регулирующим устройством размещен теплообменник.

Особенностью предлагаемого агрегата является выполнение распределительного коллектора, теплообменника и фильтра в виде осесимметричных тел, образующих защитный пояс турбокомпрессора.

На входе в воздушную турбину установлен воздухоочиститель, примыкающий к торцу турбокомпрессора и выполненный в виде двух секций с отдельными входами, снабженными сблокированными запорными устройствами.

На выходе из воздушной турбины расположена камера улавливания конденсата из затурбинного воздуха, выполненная в виде осесимметричной полости, снабженной патрубками подачи затурбинного воздуха в каналы теплообменника.

Конструктивная схема предлагаемого турбонагревательно-холодильного агрегата представлена на чертеже.

Агрегат содержит воздушную расширительную турбину 1, компрессор 2, установленные на общем валу 3 и образующие турбокомпрессор, приводимый электродвигателем 4. При необходимости между электродвигателем 4 и турбокомпрессором может быть установлен мультипликатор для повышения скорости вращения вала турбокомпрессора. Между турбиной 1 и компрессором 2 по потоку расположен воздушно-воздушный теплообменник 5 с первичным "холодным" и вторичным "горячим" трактами и камера 6 улавливания конденсата из затурбинного воздуха, снабженная патрубками 7 подачи затурбинного воздуха в теплообменник 5. Камера 6 улавливания конденсата может быть снабжена патрубком слива, не показанным на фигуре. На выходе из компрессора 2 расположен распределительный коллектор 8, снабженный двумя выходными патрубками 9 для отвода горячего воздуха и 10 для отвода холодного воздуха, перед которым установлено регулирующее устройство 11. В полости распределительного коллектора 8 в зоне из компрессора 2 расположен фильтр 12 очистки закомпрессорного воздуха. На входе в воздушную турбину 1 установлен воздухоосушитель 13, примыкающий к торцу турбокомпрессора и выполненный в виде двух секций с отдельными входами, снабженными сблокированными между собой запорными устройствами 14. При необходимости вместо сблокированных запорных устройств 14 может быть установлено одно двухпозиционное устройство, осуществляющее попеременное включение секций воздухоосушителя. Распределительный коллектор 8, теплообменник 5, фильтр 12 и камера 6 улавливания конденсата выполнены в виде осесимметричных тел, причем коллектор 8, теплообменник 5 и фильтр 12 образуют защитный пояс турбокомпрессора. Полости и соединительные воздуховоды между основными узлами агрегата образуют его проточную часть.

Работа агрегата осуществляется следующим образом. Воздух из атмосферы через одну из секций воздухоосушителя 13 поступает в воздушную турбину 1, где расширяется до давления ниже атмосферного p_в ≈ 0,5 кг/см² с одновременным понижением температуры до минус 60 70^oC. На выходе из турбины 1 оставшаяся в воздухе после воздухоосушителя 13 влага в виде конденсата (в жидкой или твердой фазе) отделяется в камере 6 от воздуха. После этого холодный воздух через патрубки 7 поступает в первичный "холодный" тракт теплообменника 5, где подогревается до температуры t_в≅150^oC закомпрессорным воздухом, проходящим по вторичному "горячему" тракту, и далее поступает в компрессор 2, сжимается до давления 1,08 1,1 кг/см² и поступает в полость распределительного коллектора 8, предварительно пройдя через фильтр 11. Из коллектора 8 одна часть горячего воздуха идет непосредственно к потребителю через патрубок 9, а оставшаяся часть воздуха поступает во вторичный "горячий" тракт теплообменника 5 и охлаждается затурбинным воздухом до температуры минус 15 20^oC и через регулирующее устройство 11 поступает к потребителю холодного воздуха. Источниками энергии для вращения компрессора 2 являются электродвигатель 4 и турбина 1, причем мощность, потребляемая электродвигателем, не превышает 1,5 2,0 кВт, что позволяет подключать агрегат к бытовой электросети. Скапливающийся в камере 6 конденсат в виде влаги и снега может быть удален через патрубок слива (на чертеже не показан). Секции воздухоосушителя 13, например, силикагелевого, работают попеременно и включаются или выключаются путем открытия или закрытия сблокированных между собой заслонок запорных устройств 14. Смена силикагеля в секциях производится в зависимости от условий эксплуатации влажности воздуха, его температуры и т.д. и производится через лючки (на чертеже не показаны), выполненные в корпусе воздухоосушителя 13. Фильтр 12 служит для гарантированной очистки воздуха, поступающего к потребителям, на режимах запуска, останова и других переменных режимах, от возможного попадания масла из уплотнений подшипников и других посторонних частиц в проточную часть турбокомпрессора. Регулирующее устройство 11 обеспечивает при постоянном расходе воздуха через агрегат различные соотношения расходов горячего и холодного воздуха, например, возможна работа агрегата при минимальном расходе холодного воздуха (5 10%) от общего расхода с соответствующим увеличением расхода горячего воздуха.

Многофункциональность предлагаемого агрегата обеспечивается возможность одновременного получения в нем небольших количеств (до 40 г/с) горячего и холодного воздуха при небольших до 1,5 2,0 кВт/час затратах электроэнергии. Это важно, например, для индивидуальных хозяйств или садово-огородных товариществ при ограничениях в потребляемой мощности энергоустановок. Предлагаемый агрегат может быть модифицирован и для производства больших количеств теплого и холодного воздуха, необходимых в фермерских и коллективных сельских хозяйствах, например, до расходов воздуха в диапазоне 0,10 0,5 кг/с с соответствующим увеличением потребляемой мощности электродвигателя до 5 25 кВт.

Сокращение габаритов агрегата достигается оптимальным соосным и концентричным расположением основных его узлов, что одновременно повышает эксплуатационную безопасность агрегата.

Использование: в области нагревательно-холодильных устройств, используемых для подачи нагретого или охлажденного воздуха в закрытые помещения или емкости. Сущность изобретения: агрегат содержит воздушную турбокомпрессорную установку с электродвигателем, в турбине которой происходит расширение атмосферного воздуха до давления 0,5 кг/см² с одновременным понижением его температуры. После прохождения по "холодному" тракту теплообменника воздух поступает в компрессор и сжимается до давления (1,08 - 1,1) кг/см² с одновременным повышением его температуры. Сжатый в компрессоре воздух поступает затем в распределительный коллектор, из которого часть горячего воздуха подается непосредственно потребителю, а оставшаяся часть после охлаждения в "горячем" тракте теплообменника до температуры минус 15 - 20^oC поступает к потребителю холодного воздуха. На входе в турбину установлен воздухоосушитель, а за компрессором - фильтр очистки закомпрессорного воздуха. Различные соотношения расходов горячего и холодного воздуха обеспечиваются установленным в тракте холодного воздуха регулирующим устройством. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Турбонагревательно-холодильный агрегат с электроприводом, содержащий воздушную турбину и компрессор, установленные на одном валу с электродвигателем, теплообменник, расположенный по потоку между турбиной и турбокомпрессором, запорно-регулирующие устройства и соединительные воздуховоды, образующие проточную часть агрегата, отличающийся тем, что агрегат снабжен регулирующим устройством, фильтром очистки закомпрессорного воздуха и расположенным за компрессором распределительным коллектором, связанным с выходом из компрессора и имеющим два выходных патрубка, один из которых предназначен для отвода горячего воздуха, а второй для отвода холодного воздуха, причем в последнем размещено регулирующее устройство, в полости распределительного коллектора в зоне выхода из компрессора установлен фильтр, а перед регулирующим устройством размещен теплообменник. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что распределительный коллектор, теплообменник и фильтр установлены коаксиально турбокомпрессору, образуя защитный пояс вокруг него. 3. Агрегат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной надежности, на входе в воздушную турбину установлен воздухоосушитель, примыкающий к торцу турбокомпрессора и выполненный в виде двух секций с отдельными входами, снабженными сблокированными запорными устройствами. 4. Агрегат по пп.1 3, отличающийся тем, что на выходе воздушной турбины расположена соосно с последней камера улавливания конденсатора из затурбинного воздуха. 5. Агрегат по пп.1 4, отличающийся тем, что камера улавливания конденсата снабжена патрубками подачи затурбинного воздуха в каналы теплообменника.