СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА В ТУРБОХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ С ОТБОРОМ ВОЗДУХА ОТ КОМПРЕССОРА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F25B11/02 F25B49/02 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в холодильных системах, системах кондиционирования воздуха и жизнеобеспечения.

Известны способы получения холода в турбохолодильных агрегатах, состоящих из холодильной турбины и тормозного устройства, установленных на одном валу, включающие процесс расширения сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением температуры и отдачей механической энергии тормозному устройству - тормозному турбокомпрессору или вентилятору (US 2618125 А, 18.11.52; RU 2188368 C1, 27.08.2002).

Известны способы получения холода в турбохолодильных установках, включающие сжатие атмосферного воздуха в компрессоре, его охлаждение в воздухо-воздушном теплообменнике воздухом, поступающим из атмосферы, расширение в холодильной турбине с понижением температуры и отдачей механической энергии тормозному устройству - тормозному турбокомпрессору или вентилятору (US 4493195 А, 01.15.85; RU 2190814 C1, 10.10.2002).

Известен способ получения холода в турбохолодильной установке с отбором воздуха от компрессора турбореактивного двигателя путем сжатия атмосферного воздуха в компрессоре двигателя, регулирования давления отбираемого от компрессора воздуха в сетевом регуляторе давления, охлаждения его в воздухо-воздушном теплообменнике с отдачей тепла продувочному воздуху, поступающему из атмосферы (окружающей среды) через воздухозаборный канал, расширения сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением его температуры и отдачей механической энергии вращения ротора холодильной турбины тормозному устройству (тормозному турбокомпрессору или вентилятору), связанному приводом с ротором турбины (Воронин Г.И., Верба М.И. Кондиционирование воздуха на летательных аппаратах. - М.: Машиностроение 1965, с.52-57).

Однако известный способ не обеспечивает высокой эффективности получения холода, поскольку в условиях переменных режимов работы и изменяющихся параметров окружающей среды, характерных для турбореактивного двигателя (ТРД), и, как следствие этого, меняющихся во времени рабочих параметров холодильной турбины и тормозного устройства и отклонения значений рабочих параметров от расчетных, происходит значительное понижение КПД турбины. Чтобы компенсировать снижение КПД холодильной турбины и наступившее вследствие этого повышение температуры воздуха за турбиной выше заданной, приходится увеличивать количество продувочного (охлаждающего) воздуха через воздухо-воздушный теплообменник, что приводит к увеличению расхода энергии ТРД, затрачиваемой на получение холода.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке способа, который обеспечивает высокую энергетическую эффективность получения холода в турбохолодильной установке в широком диапазоне переменных режимов работы, в частности снижение расхода топлива ТРД, затрачиваемого на производство холода.

Указанный технический результат (повышение энергетической эффективности) достигается тем, что в известном способе получения холода в турбохолодильной установке с отбором воздуха от компрессора турбореактивного двигателя путем сжатия атмосферного воздуха в компрессоре двигателя, регулирования давления отбираемого от компрессора воздуха в сетевом регуляторе давления, охлаждение его в воздухо-воздушном теплообменнике продувочным воздухом, поступающим из атмосферы, последующее расширение сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением его температуры и отдачей механической энергии тормозному устройству, кинематически связанному с ротором турбины, согласно изобретению задают значение температуры воздуха за турбиной и начальное значение давления за сетевым регулятором давления, измеряют давление воздуха, отбираемого от компрессора двигателя, температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора. Определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины. Если текущее значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают. При этом тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины. Если измеренное значение температуры воздуха за турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. Если измеренное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. Если невозможно достичь равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины путем воздействия на тормозное устройство, то задают новое значение давления за сетевым регулятором более низкое, чем начальное значение, при этом новом заданном значении давления вновь измеряют давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора, определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД холодильной турбины. Если текущее значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают, причем тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины. Затем, если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. Если измеренное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. Если снова невозможно достичь равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины путем воздействия на тормозное устройство, то задают новое значение давления за сетевым регулятором более низкое, чем заданное предыдущее значение, и повторяют упомянутую выше последовательность процессов, начиная с измерения давления на входе в турбину, измерения температуры и давления за турбиной и частоты вращения ее ротора, пока не наступит равенство оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины и равенство заданного и измеряемого значений температур воздуха за турбиной.

Кроме того, предусмотрено, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на входе его в воздухо-воздушный теплообменник.

Также предусмотрено, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на выходе его из воздухо-воздушного теплообменника.

Рекомендуется в качестве тормозного устройства использовать гидронасос, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая степень дросселирования рабочей жидкости на стороне нагнетания гидронасоса.

Целесообразно в качестве тормозного устройства использовать турбокомпрессор, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети на стороне нагнетания турбокомпрессора.

Наряду с этим рекомендуется в качестве тормозного устройства использовать электрогенератор, при этом тормозящий момент ротора изменяют путем увеличения или уменьшения внешней нагрузки электрогенератора.

На чертеже приведена схема турбохолодильной установки с отбором воздуха от компрессора высокого давления турбореактивного двухконтурного двигателя с разделением контурных потоков.

Способ получения холода в турбохолодильной установке осуществляется следующим образом.

Атмосферный воздух сжимается с повышением температуры в компрессоре (1) турбореактивного двигателя и по магистрали (2) высокого давления подается через сетевой регулятор давления (3) “после себя” в воздухо-воздушный теплообменник (4), в котором охлаждается продувочным воздухом. Продувочный (охлаждающий) воздух поступает из атмосферы через воздухозаборный канал (5) и затем, пройдя воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ), выбрасывается в окружающую среду (атмосферу). Предварительно охлажденный в ВВТ сжатый воздух направляют на расширение в холодильную турбину (6). В процессе расширения происходит понижение температуры воздуха и отдача механической энергии тормозному устройству, например тормозному турбокомпрессору (7), кинематически связанному валом (8) с ротором холодильной турбины. После турбины (6) холодный воздух по линии (9) подается потребителю, например в систему охлаждения гермокабины и отсеков оборудования или в систему охлаждения турбины двигателя. В процессе функционирования установки задают значение температуры воздуха за холодильной турбиной и начальное значение давления за сетевым регулятором давления, измеряют давление воздуха, отбираемого от компрессора двигателя, температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора. Определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины. Если текущее значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают. При этом тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора холодильной турбины. Если измеренное значение температуры воздуха за турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. Если измеренное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. Если невозможно достичь равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины путем воздействия на тормозное устройство, то задают новое значение давления за сетевым регулятором более низкое, чем начальное значение, при этом новом заданном значении давления вновь измеряют давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора, определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины. Если текущее значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают, причем тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины. Затем, если измеренное значение температуры воздуха за турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. Если измеренное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. Если снова невозможно достичь равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины путем воздействия на тормозное устройство, то задают новое значение давления за сетевым регулятором более низкое, чем заданное предыдущее значение, и повторяют упомянутую выше последовательность процессов, начиная с измерения давления на входе в турбину, измерения температуры и давления за турбиной и частоты вращения ее ротора, пока не наступит равенство оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины и равенство заданного и измеряемого значений температур воздуха за турбиной.

Количество продувочного воздуха можно изменять путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха с помощью заслонки (10) на входе или выходе его из воздухо-воздушного теплообменника.

В качестве тормозного устройства может быть применен гидронасос или турбокомпрессор (7), или электрогенератор. В случае использования гидронасоса тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая степень дросселирования рабочей жидкости на стороне нагнетания. При использовании турбокомпрессора (вентилятора) тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети с помощью дросселя (11) на стороне нагнетания турбокомпрессора (7), а при установке электрогенератора тормозящий момент изменяют путем увеличения или уменьшения внешней нагрузки электрогенератора.

В турбохолодильной установке, реализующей способ, может быть применен блок управления, выполненный на базе микропроцессоров, устройств преобразования аналоговых сигналов в цифровые и коммутационных устройств. В блоке управления измеряемые и задаваемые параметры в форме электрических сигналов поступают в микропроцессор (ЭВМ), где суммируются с учетом характеристик турбины, хранящихся в памяти микропроцессоpa (ЭВМ), выходные сигналы через исполнительный механизмы подаются на тормозное устройство (7) для варьирования величиной тормозного момента ротора турбины (6), на автоматическую заслонку (10) для изменения количества продувочного воздуха и на клапан сетевого регулятора давления (3) для изменения давления воздуха за ним.

Высокая энергетическая эффективность предлагаемого способа получения холода в турбохолодильной установке с отбором воздуха от компрессора турбореактивного двигателя определяется поддержанием максимального значения КПД холодильной турбины и постоянной заданной температуры воздуха на выходе из турбины в условиях изменяющихся рабочих параметров и тепловых нагрузок с наименьшими затратами энергии.

Способ относится к холодильной технике. Задают значение температуры воздуха за холодильной турбиной и начальное значение давления за сетевым регулятором давления. Измеряют давление воздуха, отбираемого от компрессора двигателя, температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора. Определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины. Если текущее значение приведенной частоты вращения меньше или больше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то соответственно уменьшают или увеличивают тормозящий момент ротора. Если невозможно достичь равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины путем воздействия на тормозное устройство, то задают новое значение давления за сетевым регулятором более низкое, чем начальное значение, при этом новом заданном значении давления вновь измеряют и определяют упомянутые выше параметры и повторяют приведенную выше последовательность процессов, начиная с измерения давления на входе в турбину, пока не наступит равенство оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины и равенство заданного и измеряемого значений температур воздуха за турбиной. Использование изобретения позволит повысить энергетическую эффективность получения холода. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения холода в турбохолодильной установке с отбором воздуха от компрессора турбореактивного двигателя путем сжатия атмосферного воздуха в компрессоре двигателя, регулирования давления отбираемого от компрессора воздуха в сетевом регуляторе давления, охлаждения его в воздухо-воздушном теплообменнике продувочным воздухом, поступающим из атмосферы, последующего расширения сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением его температуры и отдачей механической энергии тормозному устройству, кинематически связанному с ротором холодильной турбины, отличающийся тем, что задают значение температуры воздуха за турбиной и начальное значение давления за сетевым регулятором давления, измеряют давление воздуха, отбираемого от компрессора двигателя, температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора, определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению кпд турбины, если текущее значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора, если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают, при этом тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины, если измеренное значение температуры воздуха за турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур, если измеренное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур, если невозможно достичь равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины путем воздействия на тормозное устройство, то задают новое значение давления за сетевым регулятором, более низкое, чем начальное значение, при этом новом заданном значении давления вновь измеряют давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора, определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению кпд турбины, если текущее значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора, если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают, причем тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины, затем, если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур, если измеренное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур, если невозможно достичь равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины путем воздействия на тормозное устройство, то задают новое значение давления за сетевым регулятором, более низкое, чем заданное предыдущее значение, и повторяют упомянутую выше последовательность процессов, начиная с измерения давления на входе в турбину, измерения температуры и давления за турбиной и частоты вращения ее ротора, пока не наступит равенство оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины и равенство заданного и измеряемого значений температур воздуха за турбиной.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на входе его в воздухо-воздушный теплообменник.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на выходе его из воздухо-воздушного теплообменника.4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве тормозного устройства используют гидронасос, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая степень дросселирования рабочей жидкости на стороне нагнетания гидронасоса.5. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве тормозного устройства используют турбокомпрессор, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети на стороне нагнетания турбокомпрессора.6. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве тормозного устройства используют электрогенератор, при этом тормозящий момент ротора изменяют путем увеличения или уменьшения внешней нагрузки электрогенератора.