ТЕПЛОТРУБНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2006 года по МПК F25B1/04 F25B11/02 

Предлагаемое изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для комплексного производства тепла и холода.

Известна теплоэнергетическая установка, содержащая замкнутый циркуляционный контур для хладагента, включающий насос, теплообменник, турбину, конденсатор, ресивер, разомкнутый воздушный контур, в который входят компрессор, турбина и двигатель, причем насос, турбина, компрессор и двигатель размещены на одном валу (а.с. SU 1460554, F 25 B 11/00, F 01 K 23/04, 1989).

Более близким к предлагаемому изобретению является транспортная турбохолодильная машина, содержащая помещенные в корпус и установленные на одном валу турбину, компрессор, электродвигатель, конденсатор (конденсационную камеру), испаритель (испарительную камеру) и капилляры для дросселирования рабочей жидкости (а.с. SU 1346919, F 25 B 11/00, 1987).

Недостатками известной теплоэнергетической установки являются невозможность при ее эксплуатации использования вторичных тепловых энергоресурсов и природных источников низкопотенциального тепла.

Основными недостатками известной турбохолодильной машины являются невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных тепловых энергоресурсов, тепловых ресурсов природных источников, громоздкость конструкции и невозможность работы при отсутствии электроэнергии, что сужает область ее применения и в конечном счете снижает ее эффективность.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности холодильной машины.

Поставленная задача реализуется в теплотрубной холодильной машине (ТТХМ), которая содержит расположенные в одном корпусе, разделенные глухой перегородкой силовую и холодильную секции, внутри которых помещены: в силовой секции последовательно соединенные между собой испарительная камера, рабочая камера, конденсационная камера, питательный насос, при этом испарительная камера отделена от рабочей перегородкой с вогнутым перфорированным сепарационным элементом, боковые стенки ее и перегородка изнутри покрыты фитилем, а внутренняя поверхность торцевой стенки выполнена с канавками и покрыта тонким слоем пористого материала, в рабочей камере стены корпуса также покрыты изнутри фитилем, а через стены корпуса силовой и холодильной секций, глухую перегородку и слои фитиля насквозь пропущен вал, на который насажено колесо силовой турбины, помещенной в корпус турбины, сообщающейся с испарительной камерой через паровое сопло, соединенное со стыковочной кромкой вогнутого перфорированного сепарационного элемента и перегородки, а через патрубок мятого пара - с конденсационной камерой, боковые стенки которой также покрыты изнутри фитилем, являющимся продолжением фитиля рабочей камеры, при этом на конец вала со стороны вертикальной наружной стенки силовой секции насажен ротор питательного насоса, который всасывающим отверстием сообщается с резервуаром рабочей жидкости, выполненным в форме цилиндрической трубы, размещенной в толще фитиля, и сообщающийся с ним через поры фитиля на своей наружной поверхности, по центральной оси которого проходит вал, а с испарительной камерой питательный насос соединен напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой; в холодильной секции помещены низкотемпературная испарительная камера, внутренняя поверхность торцевой стенки которой также снабжена канавками и покрыта пористым материалом, и компрессионная конденсационная камера, разделенные между собой в паровом пространстве перегородкой и соединенные по жидкости капиллярами фитиля, покрывающего внутреннюю поверхность боковых стенок холодильной секции и в свою очередь частично покрытого в низкотемпературной испарительной камере кожухом с зазором у торцевой стенки, образующим дроссельную зону, а по пару - компрессором, ротор которого также насажен на вал, напорный патрубок помещен в компрессионную конденсационную камеру, всасывающий патрубок - в низкотемпературную испарительную камеру и снабжен полусферическим перфорированным каплеотбойником.

На фиг.1 представлена предлагаемая теплотрубная холодильная машина (ТТХМ) в продольном разрезе. На фиг.2 - вид слева относительно фиг.1, на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2, на фиг.5 - увеличение мест А на фиг.1.

ТТХМ состоит из корпуса 1, разделенного глухой перегородкой 2 на силовую секцию 3 и холодильную секцию 4, внутри которых помещены: в силовой секции по ходу движения пара испарительная камера 5, отделенная перегородкой 6 с вогнутым перфорированным сепарационным элементом 7, боковые стенки которой и перегородка 6 покрыты фитилем 8, а внутренняя поверхность торцевой стенки снабжена канавками 9 и покрыта пористым материалом 10, рабочая камера 11 также покрытая изнутри фитилем 12, отделенным от фитиля 8 перегородкой 6, через стенки силовой и холодильной секций соответственно и слои фитиля 12 насквозь пропущен вал 13, на который насажено колесо силовой турбины 14, помещенной в корпус турбины 15, сообщающийся с испарительной камерой 5 через паровое сопло 16, соединенное со стыковочной кромкой вогнутого перфорированного сепарационного элемента 7 и перегородки 6, а через патрубок мятого пара 17 - с конденсационной камерой 18, внутренняя поверхность стенок которой покрыта тем же фитилем 12, при этом на конец вала 13 со стороны вертикальной наружной стенки корпуса 1 рабочей камеры 11 насажен ротор 19 питательного насоса 20, который всасывающим отверстием сообщается с резервуаром рабочей жидкости 21, представляющим собой полость в форме цилиндрической трубы, размещенной в фитиле 12 и сообщающейся с ним через поры фитиля на своей наружной поверхности, по центральной оси которого проходит вал 13, а с испарительной камерой 5 питательный насос 20 соединен напорным трубопроводом 22, снабженным форсункой 23; в холодильной секции 4 низкотемпературная испарительная камера 24, внутренняя поверхность торцевой стенки которой также снабжена канавками 25 и покрыта пористым материалом 26, и компрессионная конденсационная камера 27, разделенные между собой в паровом пространстве перегородкой 28 и соединенные между собой по жидкости капиллярами фитиля 29, покрывающего внутреннюю поверхность боковых стенок холодильной секции 4 и в свою очередь покрытого в низкотемпературной испарительной камере 24 кожухом 30 с зазором у торцевой стенки, образующим дроссельную зону 31, а по пару - компрессором 32, ротор которого также насажен на вал 13, напорный патрубок 33 помещен в компрессионную конденсационную камеру 27, а всасывающий патрубок 34 - в низкотемпературную испарительную камеру 24 и снабжен полусферическим перфорированным каплеотбойником 35.

В основе работы силовой секции 3 предлагаемого ТТХМ лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, согласно которому положительная работа расширения пара в турбине значительно превышает отрицательную работу насоса по сжатию конденсата холодильной секции 4, положен холодильный цикл паровой компрессионной холодильной установки, согласно которому для ее работы необходима затрата определенного количества внешней энергии (И.Н.Сушкин. Теплотехника. - Москва: Металлургия, 1973 (1), с.117, с.127) и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты), покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы и т.д. (В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. -Минск: Высшая школа, 1988 (2), с.106).

Предлагаемая ТТХМ работает следующим образом.

Предварительно перед началом работы из камер 5, 11, 18 силовой секции 3, камер 24, 27 холодильной секции 4 ТТХМ удаляют воздух и отдельно закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (например, воду), в испарительную камеру 5 и совместно в рабочую и конденсационную камеры 11 и 18 соответственно (штуцеры для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1 не показаны) в количестве, достаточном для заполнения объема пор фитилей 8 и 11, покрытия 10 и канавок 9, резервуара рабочей жидкости 21 и насоса 20 с напорным трубопроводом 22, хладон - в камеры 24 и 27 соответственно, после чего корпус 1 ТТХМ устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 5 контактировала с горячей средой (например, отработавшими газами), а конденсационная камера 18 - с нагреваемой средой (например, воздухом), низкотемпературная испарительная камера 24 - с охлаждаемой средой (например, воздухом), компрессионная конденсационная камера 27 - с нагреваемой средой. В результате нагрева торца испарительной камеры 5 силовой секции 3 происходит испарение рабочей жидкости в канавках 9 и пористом материале 10, который предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и таким образом интенсифицирует процесс испарения (Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М.: 1990 (3), с.22), образуется пар, создается давление в испарительной камере 3, полученный пар, проходя через вогнутый перфорированный сепарационный элемент 7, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости и через сопло 16 поступает на лопатки колеса силовой турбины 14, вращая его совместно с валом 13, который сообщает вращательное движение ротору 19 питательного насоса 20 и ротору компрессора 32 холодильной секции 4, в результате чего в корпусе турбины 15 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления (1, с.331), после чего отработавший пар через патрубок мятого пара 17 попадает в конденсационную камеру 18, давление в которой значительно меньше, чем в испарительной камере 5, конденсируется там за счет контакта наружной поверхности камеры 18 с нагреваемой средой, после чего образовавшийся конденсат всасывается порами фитиля 12 и под воздействием капиллярных сил и разрежения, создаваемого насосом 20, адиабатно (3, с.106) транспортируется в резервуар рабочей жидкости 21, откуда насосом 20 через напорный трубопровод 22 и форсунку 23 под давлением, величина которого определяется рабочим давлением пара в испарительной камере 5, рабочая жидкость разбрызгивается по поверхности пористого материала 10, поглощается им, поступает в канавки 9, где происходит вышеописанный процесс испарения, пар освобождается от капель рабочей жидкости на сепарационном элементе 7 и далее через сопло 16 попадает на лопатки колеса турбины 14, а капли рабочей жидкости, большая часть которых за счет кривизны сепарационного элемента 7 отбрасывается на поверхность фитиля 8, поглощаются им и совместно с неиспарившимися каплями, поступающими из форсунки 23, за счет капиллярных сил движутся в испарительную часть камеры 5, как в обычной тепловой трубе. Одновременно в холодильной секции 4 в результате работы компрессора 32, который снижает давление в низкотемпературной испарительной камере 24, и контакта испарительной камеры с охлаждаемой средой происходит испарение при небольшом давлении и соответственно низкой температуре хладона, в результате чего происходит охлаждение охлаждаемой среды, в результате повышения давления в компрессионной конденсационной камере 27 и контакта ее с нагреваемой средой происходит конденсация паров хладона при повышенном давлении и соответственно повышенной температуре, в результате чего происходит нагрев нагреваемой среды, а образовавшийся конденсат всасывается капиллярами фитиля 29 и под действием капиллярных сил и разности давлений в камерах 24 и 27 поступает в дроссельную зону 31, откуда дросселируется, снижая свое давление, на испарительную поверхность низкотемпературной испарительной камеры 24, после чего вышеописанный процесс повторяется.

Таким образом, предлагаемый ТТХМ обеспечивает возможность получения тепла и холода за счет утилизации вторичных тепловых энергоресурсов различного потенциала (энергии сбросных вод, отходящих газов и т.д.), тепловых ресурсов природных источников (энергии солнца, воды и т.д.), что обеспечивает его высокую эффективность в самых различных ситуациях.

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для утилизации вторичных энергоресурсов и низкопотенциальной энергии природных источников, а именно для комплексного производства тепла и холода. Теплотрубная холодильная машина включает корпус, турбину, компрессор, питательный насос, испарительную и конденсационную камеры, капилляры для дросселирования рабочей жидкости. Корпус разделен глухой перегородкой на силовую и холодильную секции. Внутри силовой секции помещены испарительная, рабочая, конденсационная камеры и питательный насос. Боковые стенки испарительной камеры и перегородка изнутри покрыты фитилем. Внутренняя поверхность торцевой стенки выполнена с канавками и покрыта тонким слоем пористого материала. Через стены корпуса, силовой и холодильной секций, глухую перегородку и слои фитиля насквозь пропущен вал. На вал насажено колесо силовой турбины. На конец вала насажен ротор питательного насоса. Насос сообщается с резервуаром рабочей жидкости. В холодильной секции помещены низкотемпературная испарительная камера и компрессионная конденсационная камера, соединенные по пару компрессором. Ротор компрессора насажен на вал. Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности холодильной машины. 5 ил.

Теплотрубная холодильная машина (ТТХМ), включающая корпус, размещенные в нем турбину и компрессор, питательный насос, испарительную и конденсационную камеры, капилляры для дросселирования рабочей жидкости, отличающаяся тем, что корпус разделен глухой перегородкой на силовую и холодильную секции, внутри которых помещены: в силовой секции последовательно соединенные между собой испарительная камера, рабочая камера, конденсационная камера, питательный насос, при этом испарительная камера отделена от рабочей перегородкой с вогнутым перфорированным сепарационным элементом, боковые стенки ее и перегородка изнутри покрыты фитилем, а внутренняя поверхность торцевой стенки выполнена с канавками и покрыта тонким слоем пористого материала, в рабочей камере стены корпуса также покрыты изнутри фитилем, а через стены корпуса силовой и холодильной секций, глухую перегородку и слои фитиля насквозь пропущен вал, на который насажено колесо силовой турбины, помещенной в корпус турбины, сообщающейся с испарительной камерой через паровое сопло, соединенное со стыковочной кромкой вогнутого перфорированного сепарационного элемента и перегородки, а через патрубок мятого пара - с конденсационной камерой, боковые стенки которой также покрыты изнутри фитилем, являющимся продолжением фитиля рабочей камеры, при этом на конец вала со стороны вертикальной наружной стенки силовой секции насажен ротор питательного насоса, который всасывающим отверстием сообщается с резервуаром рабочей жидкости, выполненным в форме цилиндрической трубы, размещенной в толще фитиля, и сообщающийся с ним через поры фитиля на своей наружной поверхности, по центральной оси которого проходит вал, а с испарительной камерой питательный насос соединен напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой; в холодильной секции помещены низкотемпературная испарительная камера, внутренняя поверхность торцевой стенки которой также снабжена канавками и покрыта пористым материалом, и компрессионная конденсационная камера, разделенные между собой в паровом пространстве перегородкой и соединенные по жидкости капиллярами фитиля, покрывающего внутреннюю поверхность боковых стенок холодильной секции и в свою очередь частично покрытого в низкотемпературной испарительной камере кожухом с зазором у торцевой стенки, образующим дроссельную зону, а по пару - компрессором, ротор которого также насажен на вал, напорный патрубок помещен в компрессионную конденсационную камеру, всасывающий патрубок - в низкотемпературную испарительную камеру и снабжен полусферическим перфорированным каплеотбойником.