ВОЗДУШНАЯ ТУРБОХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к области холодильной техники и может найти применение при создании турбодетандерных машин, работающих в широком интервале температур охлаждения.

Известна воздушная турбохолодильная установка, содержащая контур, в который включены компрессор, турбодетандер и два параллельно установленных регенератора, поочередно включающих с помощью воздухораспределительных устройств (см. МПК F 25 В 11/00, авторское свидетельство СССР 1208432, 30.01.86 г. ).

Известная установка имеет ряд существенных недостатков:
- низкую холодопроизводительность, обусловленную низким холодильным коэффициентом, малая величина которого определяется неэффективным использованием сжатого газа или воздуха при расширениии в турбодетандере;
- затруднен запуск установки в работу, что обусловлено необходимостью вращения одновременно компрессора и турбодетандера.

Наиболее близкой к заявленной воздушной турбохолодильной установке является установка, содержащая турбокомпрессор, турбодетандер, основной теплообменник, охладитель, потребитель холода, источник внешней энергии (см. МПК F 25 В 11/00, авторское свидетельство СССР 1195151, 30.11.85 г.).

Известная установка имеет ряд существенных недостатков:
- низкая холодопроизводительность, обусловленная низким холодильным коэффициентом, малая величина которого определяется неэффективным использованием энергии сжатого газа или воздуха при расширении его в турбодетандере;
- низкая надежность запуска установки в работу, обусловленная необходимостью вращения одновременно турбокомпрессора и турбодетандера;
- сложная конструкция, обусловленная необходимостью использования противопомпажных средств при повышении давления газа или воздуха в турбокомпрессоре.

Задачей изобретения является создание воздушной турбохолодильной установки, обладающей высокой холодопроизводительностью и надежностью запуска установки в работу, при упрощении конструкции.

Решение задачи достигается тем, что воздушная турбохолодильная установка, содержащая турбокомпрессор, турбодетандер, основной теплообменник, охладитель, потребитель холода, источник энергии согласно изобретению содержит радиатор и дополнительный теплообменник, соединенные с основным теплообменником и охладителем в замкнутый контур, в котором расположен промежуточный хладоноситель, а турбокомпрессор разделен на каскад низкого давления и каскад высокого давления, соединенных между собой каналом, в котором установлен охладитель, а каскад низкого давления механически связан с турбодетандером, входной коллектор которого соединен с основным теплообменником, входной коллектор которого соединен с выходным коллектором каскада высокого давления, механически связанного с источником энергии, при этом каскад низкого давления выполнен как каскад осевого типа, каскад высокого давления - как каскад центробежного типа, а в качестве промежуточного хладоносителя использован тосол.

Предложенное решение имеет существенные отличия от прототипа:
- содержит радиатор;
- содержит дополнительный теплообменник;
- радиатор и дополнительный теплообменник соединены с основным теплообменником и охладителем в замкнутый контур;
- в замкнутом контуре расположен промежуточный хладоноситель;
- турбокомпрессор разделен на каскад низкого и каскад высокого давления;
- каскад низкого давления соединен с каскадом высокого давления каналом;
- в канале установлен охладитель;
- каскад низкого давления механически связан с турбодетандером;
- входной коллектор турбодетандера соединен с основным теплообменником;
- входной коллектор основного теплообменника связан с выходным коллектором каскада высокого давления;
- каскад высокого давления механически связан с источником энергии;
- каскад низкого давления выполнен как каскад осевого типа;
- каскад высокого давления выполнен как каскад центробежного типа;
- в качестве промежуточного хладоносителя использован тосол.

Следовательно, предложенное решение соответствует критерию - "новизна".

Введение радиатора и дополнительного теплообменника, их соединение с основным теплообменником и охладителем в замкнутый контур, в котором расположен промежуточный хладоноситель обеспечивает двухступенчатое охлаждение хладоносителя:
1-я ступень - при прохождении хладоносителя через радиатор, в котором расположен вентилятор и трубопровод, по которому движется хладоноситель;
2-я ступень - при прохождении хладоносителя через дополнительный теплообменник, соединенный с потребителем холода.

Температурный градиент, возникающий в замкнутом контуре с промежуточным хладоносителем, способствует его циркуляции и эффективному теплообмену, при котором увеличивается холодильный коэффициент и холодопроизводительность установки.

Расположение охладителя в канале, соединяющем каскад низкого давления с каскадом высокого давления обеспечивает передачу энергии сжатого газа или воздуха за каскадом низкого давления хладоносителю, при этом происходит увеличение температуры хладоносителя и уменьшение температуры сжатого газа или воздуха, что приводит к снижению потребной работы каскада высокого давления на сжатие газа или воздуха и тем самым к снижению потребной мощности источника энергии и увеличение холодильного коэффициента.

Разделение турбокомпрессора на каскад низкого давления и каскад высокого давления обеспечит вращение каскадов с разным числом оборотов, что дает увеличение напорности газа или воздуха на ступенях турбокомпрессора, а также позволит для вращения каскада низкого давления использовать энергию турбодетандера, при этом уменьшая затраты энергии от источника энергии на запуск, что приводит к улучшению пусковой характеристики и увеличения холодильного коэффициента, а вместе с ним и холодопроизводительности установки. Такой же технический результат обеспечивает механическая связь турбодетандера с каскадом низкого давления, а связь каскадов низкого и высокого давлений посредством канала повышает число оборотов каскада высокого давления по сравнению с оборотами каскада низкого давления и напорность давления в каждой ступени каскада высокого давления, что увеличивает холодильный коэффициент и холодопроизводительность установки. Кроме этого, разделение турбокомпрессора на каскады низкого и высокого давления позволит не применять противопомпажные средства при степенях повышения давления в турбокомпрессоре > 4.

Реализация рабочего процесса сжатия газа или воздуха сначала в каскаде низкого давления осевого типа с высоким коэффициентом полезного действия, а затем в каскаде высокого давления центробежного типа с повышенной степенью повышения давления, обеспечит повышение холодильного коэффициента, а следовательно, и холоднопроизводительность установки, а использование в качестве промежуточного хладоносителя тосола увеличивает теплопередачу за счет большего коэффициента теплопередачи.

В предложенном решении все отличительные признаки взаимосвязаны и в сочетании с другими признаками позволяют получить новый технический результат: увеличить холодопроизводительность установки, повысить надежность запуска установки при упрощении конструкции.

Следовательно, предложенное решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежом, где представлен общий вид воздушной турбохолодильной установки в разрезе.

Воздушная турбохолодильная установка содержит турбокомпрессор, разделенный на каскад низкого давления 1 и каскад высокого давления 2, соединенные между собой каналом 3, турбодетандер 4, основной теплообменник 5, охладитель 6, потребитель холода, например холодильную камеру 7, источник механической энергии 8, например электродвигатель, дополнительный теплообменник 9 и радиатор 10, соединенные с основным теплообменником 5 и охладителем 6 посредством трубопроводов 11, 12, 13, 14, 15 в замкнутый контур, в котором расположен промежуточный хладоноситель 16, например тосол. Каскад низкого давления 1 преимущественно осевого типа соединен валом 17 с турбодетандером 4, а каскад высокого давления 2 преимущественно центробежного типа, валом 18 соединен с внешним источником механической энергии 8. Выходной коллектор каскада высокого давления 2 трубопроводом 19 соединен с входным коллектором основного теплообменника 5, выходной коллектор которого трубопроводом 20 соединен с входным коллектором турбодетандера 4, выходной диффузор которого трубопроводом 21 соединен с потребителем холода 7.

Воздушная турбохолодильная установка работает следующим образом. Хладагент в газообразной или воздушной фазе поступает в каскад низкого давления 1, приводимый во вращение за счет аккумуляции механической энергии турбодетандера 4, где сжимается до определенного (заданного) давления, затем сжатый газ или воздух через канал 3, проходя охладитель 6, охлаждается и попадает в каскад высокого давления 2, который приводится во вращение электродвигателем 8. Циркулирующий в замкнутом контуре теплоноситель 16 из охладителя 6 и основного теплообменника 5 по трубопроводу 14 поступает в радиатор 10, где осуществляется 1-я ступень его охлаждения, а 2-я ступень его охлаждения осуществляется в дополнительном теплообменнике 9, поступающим из холодильной камеры 7 охлажденным газом или воздухом. Последующее сжатие газа или воздуха в каскаде высокого давления 2 реализует процесс вращения ротора с повышенными оборотами и повышенными степенями давления. Сжатый газ или воздух из каскада 2 через трубопровод 19 поступает в основной теплообменник 5, где охлаждается промежуточным хладоносителем 16 замкнутого контура, затем охлажденный газ или воздух поступает через трубопровод 20 в турбодетандер 4, где расширяется, снижая температуру до заданной, после чего поступает по трубопроводу 21 к потребителю холода - холодильной камере 7.

Применение изобретения позволит увеличить холодопроизводительность установки, повысить надежность запуска, упростить конструкцию, повысить экономичность работы.

Изобретение относится к холодильной технике и может найти применение при создании турбодентандерных машин, работающих в широком интервале температур охлаждения. Технический результат состоит в повышении холодопроизводительности и надежности запуска установки в работу при упрощении конструкции. Достигается он тем, что в конструкцию установки введен радиатор и дополнительный теплообменник, соединенные с основным теплообменником в замкнутый контур, в котором расположен промежуточный хладоноситель, а турбокомпрессор разделен на каскад низкого давления и каскад высокого давления, соединенных между собой каналом, в котором установлен охладитель. Каскад низкого давления механически связан с турбодетандером, входной коллектор которого соединен с основным теплообменником, входной коллектор которого соединен с выходным коллектором каскада высокого давления, механически соединенного с источником энергии. Каскад осевого типа, каскад высокого давления - как каскад центробежного типа, а в качестве промежуточного хладоносителя использован тосол. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Воздушная турбохолодильная установка, содержащая турбокомпрессор, турбодетандер, основной теплообменник, охладитель, потребитель холода, источник энергии, отличающаяся тем, что содержит радиатор и дополнительный теплообменник, соединенные с основным теплообменником и охладителем в замкнутый контур, в котором расположен промежуточный хладоноситель, а турбокомпрессор разделен на каскад низкого давления и каскад высокого давления, соединенных между собой каналом, в котором установлен охладитель, а каскад низкого давления механически связан с турбодендером, входной коллектор которого соединен с основным теплообменником, входной коллектор которогоо соединен с выходным коллектором каскада высокого давления, механически связанного с источником энергии. 2. Воздушная турбохолодильная установка по п.1, отличающаяся тем, что каскад низкого давления выполнен как каскад осевого типа, а каскад высокого давления выполнен как каскад центробежного типа. 3. Воздушная турбохолодильная установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в качестве промежуточного хладоносителя использован тосол.