КОМПРЕССОР ТЕПЛОВОГО СЖАТИЯ Российский патент 2002 года по МПК F04B19/24 

Изобретение относится к производству надувочных агрегатов, в частности компрессоров, и может быть использовано к системах утилизации теплоты.

Известно устройство для сжатия газа, которое содержит центрально расположенный подводящий патрубок и рабочее колесо, в котором размещены лопатки, образующие межлопаточных объемы, охватываемые отводящим патрубком (см. Абдурашидов С. А. и др. Насосы и компрессоры. - М., Недра, 1974. - С. 242-250).

Недостатком данного устройства является конструктивная и технологическая сложность изготовления рабочего колеса, при этом возникают проблемы с обеспечением прочности и надежности.

За прототип принимается компрессор, содержащий подводящий и отводящий патрубки и рабочее колесо, в котором расположены радиальные лопатки (Шерстюк О. М. Насосы, вентиляторы и компрессоры. Учебное пособие для ВУЗов, Минск, Виша школа, 1972. - С. 30-31).

Недостатком данного устройства является то, что в нем не обеспечивается достаточный уровень давленая, а увеличение напорности повышением частоты вращения рабочего колеса сопровождается вихревыми и циркуляционными потерями, что приводит к снижению КПД.

Другим серьезным недостатком устройства является то, что в рабочем процессе этого компрессора не предусмотрена возможность использования вторичной теплоты теплосиловых установок, что исключает возможность заметного повышения КПД.

Техническим результатом изобретения является повышение КПД за счет использования тепловой энергия утилизационного контура путем бескомпрессорного сжатия рабочего тела на основе эффекта каскадного обмена энергией.

Это достигается тем, что компрессор теплового сжатия, содержит корпус с подводящим и отводящим патрубками и расположенное внутри него рабочее колесо с радиальными лопатками и дополнительно содержит неподвижный распределительный орган (статор), расположенный внутри рабочего колеса, с выполненными нем каналами, параллельными друг другу и попарно соединяющими смежные межлопаточные объемы, и оппозитно расположенными окнами подвода низкого и высокого давления. В корпусе, охватывающем рабочее колесо, выполнены окна отвода низкого и высокого давления. Окно подвода высокого давления и окно отвода высокого давления связаны магистралью, в которой размещен теплообменник утилизационного контура, а на участке, примыкающем к окну отвода высокого давления, расположен патрубок отбора сжатого рабочего тела потребителю.

Перечисленные выше решения позволяют реализовать цикл с бескомпрессорным предварительным сжатием за счет каскадного тепломассообмена между смежными объемами рабочего колеса с использованием вторичной тепловой энергии утилизационных контуров. Увеличение числа каналов обеспечивает, с одной стороны, повышение параметров конца предварительного сжатия рабочего тела, а с другой стороны, снижение остаточных параметров конца расширения рабочего тела, что способствует повышению эффективной мощности и КПД установки.

Оппозитное расположение окон подвода низкого и высокого давления позволяет реализовать принцип максимального тепломассообмена между объемами, перемещающимися на участке расширения и сжатия рабочего тела, благодаря чему обеспечивается возможность наиболее полно использовать высвобождаемую в процессе расширения энергию для предварительного сжатия рабочего тела.

Наличие окон отвода низкого и высокого давления, расположенных на поверхности кожуха, сопряженной с наружной поверхностью рабочего колеса, обеспечивает возможности продувки объемов свежим воздухом в нижней части установки и вытеснение сжатого относительно холодного воздуха в теплообменник с целью подвода теплоты в конце процесса сжатия.

Размещение в кожухе, перед окном отвода высокого давления, патрубка отбора сжатого рабочего тела позволяет осуществить отбор части рабочего тела к потребителю с максимальным давлением цикла.

Следует отметить, что перечисленные выше признаки устройства обеспечивают реализацию заявляемого эффекта лишь в своей совокупности.

Дальнейшая сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 - поперечный разрез компрессора; на фиг.2 - продольный разрез компрессора А-А на фиг.1.

Компрессор теплового сжатия содержит вал 1, соединенный с рабочим колесом 2, охватывающим статор 3, содержащий каналы 4, попарно соединяющие смежные, относительно каналов, межлопаточные объемы 5 рабочего колеса 2 и оппозитно расположенные окно 6 подвода низкого давления (ПНД) и окно 7 подвода высокого давления (ПВД), наружная поверхность рабочего колеса 2 охвачена кожухом 8, включающим окно 9 отвода низкого давления (ОНД) и окно 10 отвода высокого давления (ОВД), а окно 7 ПВД и окно 10 ОВД соединены магистралью 11 с теплообменником 12 утилизационного контура. На участке, прилегающем к окну 10 ОВД, расположен патрубок 13 отвода сжатого рабочего тела к потребителю.

Компрессор теплового сжатия работает следующим образом.

При вращении вала 1, соединенного с рабочим колесом 2, каждый из межлопаточных объемов 5 с предварительного сжатым воздухом сообщается с окнами 7 ПВД и 10 ОВД, где поддерживается максимальное давление цикла. Под действием центробежных сил осуществляется вытеснение воздуха из объема 5 рабочего колеса 2 в размещенный в магистрали 11 теплообменник 12 утилизационного контура, причем в объем 5 подводится подогретый в теплообменнике 12 воздух. При вращении рабочего колеса 2, рассматриваемый объем последовательно сообщается с каналами 4, расположенными в статоре 3, через которые часть горячего воздуха отводится в смежные относительно канала 4 межлопаточные объемы, сжимая находящийся в них свежий заряд холодного воздуха. Вследствие этого по мере приближения к окну 9 ОНД давление и температура в межлопаточном объеме 5 постепенно снижаются. В первоначальный момент совмещения с окном 9 ОНД давление и температура в объеме 5 имеют еще некоторый избыточный потенциал по отношению к параметрам окружающей среды. В период подключения рассматриваемого объема к окнам 9 ОНД и 6 ПНД под действием центробежных и инерционных сил осуществляется продувка: свежий заряд поступает через окно 6 ПНД, а отработанный воздух вытесняется в окно 9 ОНД.

При дальнейшем вращении рабочего колеса 2 межлопаточный объем 5 последовательно сообщается с каналами 4, через которые обеспечивается подвод рабочего тела от смежных межлопаточных объемов, что сопровождается ступенчатым повышением давления и температуры в нем.

В момент, предшествующий совмещению межлопаточного объема 5 с патрубком 13 отбора сжатого воздуха, рассматриваемый объем подключается к окну 7 ПВД. Давление, установившееся в окне 7 ПВД, превышает давление на входе в объем 5, следовательно, контактная граница раздела горячего и холодного воздуха перемещается внутри объема в радиальном направлении. После подключения объема 5 к патрубку 13 часть относительно холодного сжатого воздуха отводится из верхней зоны рассматриваемого объема через патрубок 13 к потребителю. Оставшаяся часть сжатого воздуха при совмещении с окном 10 ОВД под действием центробежных сил подводится к теплообменнику 12, где поддерживается максимальное давление цикла, происходит подогрев и расширение воздуха. Причем уровень максимального давления, а следовательно и уровень форсирования всей установки зависит от количества отводимого через патрубок 13 сжатого воздуха. С увеличением количества отводимого воздуха максимальное давление цикла и давление в конце сжатия снижаются.

Описанный процесс осуществляются последовательно в каждом межлопаточном объеме, что обеспечивает непрерывную работу компрессора.

Сжатие рабочего тела осуществляется не только под действием центробежных сил вращения рабочего колеса 2, но и, главным образом, благодаря тепломассообменным процессам в межлопаточных объемах.

Таким образом, в компрессоре достигается рост степени повышения давления и КПД, благодаря использованию эффекта обмена давлением с использованием утилизационного контура тепловых установок.

К преимуществам предложенного технического решения, по сравнению с прототипом следует отнести следующее:
- повышение эффективности установки за счет использования теплоты утилизационных контуров с относительно невысоким температурным потенциалом;
- высокую надежность и простоту, благодаря отсутствию элементов непосредственного преобразования механической энергии в энергию сжатого воздуха;
- возможность получения более высокой удельной мощности ввиду наличия процесса сжатия рабочего тела до начала подвода теплоты в цикле.

Экономический эффект от использования изобретения достигается за счет более эффективного использования тепловой энергии.

Изобретение может быть использовано в утилизационных контурах тепловых установок. В устройстве обеспечивается повышение КПД путем использования эффекта каскадного обмена давления. При вращении рабочего колеса каждый из межлопаточных объемов с предварительно сжатым воздухом сообщается с окнами подвода высокого давления (ПВД) и отвода высокого давления (ОВД), где поддерживается максимальное давление цикла. Под действием центробежных сил осуществляется вытеснение сжатого воздуха в объеме подогретым в теплообменнике воздухом. В процессе дальнейшего вращения ротора давление в объеме снижается вследствие отвода части воздуха в смежные по отношению к каналам межлопаточные объемы. В период подключения рассматриваемого объема к окнам отвода низкого давления (ОНД) и подвода низкого давления (ПНД) осуществляется продувка свежим воздухом. При дальнейшем движении межлопаточного объема к патрубку давление в нем ступенчато повышается благодаря поступлению в него части воздуха из смежных объемов. Далее объем последовательно сообщается с окном ПВД, патрубком и окном ОВД, в результате чего в объеме устанавливается максимальное давление цикла, часть холодного сжатого воздуха отводится к потребителю, а оставшаяся часть вытесняется в теплообменник, где происходит ее подогрев и расширение. При этом максимальное давление цикла превышает давление предварительного сжатия, тем в большей степени, чем меньшая часть воздуха отводится к потребителю. 2 ил.

Компрессор теплового сжатия, содержащий корпус с подводящим и отводящим патрубками и расположенное внутри него рабочее колесо с радиальными лопатками, отличающийся тем, что дополнительно содержит неподвижный распределительный орган, расположенный внутри рабочего колеса, с выполненными в нем параллельными друг другу каналами, попарно соединяющими смежные межлопаточные объемы, и оппозитно расположенными окнами подвода низкого и высокого давления, при этом в корпусе, охватывающем рабочее колесо, выполнены окна отвода низкого и высокого давления, окно подвода высокого давления и окно отвода высокого давления связаны магистралью, в которой размещен теплообменник утилизационного контура, а на участке, примыкающем к окну отвода высокого давления, расположен патрубок отбора сжатого рабочего тела потребителю.