ВИНТОВАЯ МАШИНА, СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2012 года по МПК F04C29/02 F04C18/16 F01C21/04 F01C1/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение согласно первому объекту относится к винтовой машине, предпочтительно расширителю, содержащей два винтовых ротора и корпус, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие, при этом корпус образует рабочее пространство, в котором с возможностью вращения и в зацеплении друг с другом расположены винтовые роторы, по меньшей мере, один из которых снабжен, по меньшей мере, одной осевой шейкой, установленной в подшипниках, смазанных маслом и расположенных в подшипниковой камере, сообщающейся с рабочим пространством через уплотнение зазора.

Согласно второму объекту настоящее изобретение относится к системе преобразования энергии, содержащей расширитель, конденсатор, насос и испаритель, расположенные в замкнутом трубопроводном контуре, и машину, приводимую в действие расширителем.

Согласно третьему объекту настоящее изобретение относится к способу преобразования энергии, при котором рабочую среду пропускают через замкнутый трубопроводный контур, содержащий расширитель, конденсатор, насос и испаритель, расположенные последовательно, при этом расширитель приводит в действие машину.

Уровень техники

Изобретение предназначено для использования в так называемом ОЦР процессе (Органический Цикл Ренкина), который по существу работает как паровой цикл выработки электроэнергии с той разницей, что рабочая среда процесса отличается от пара. Разные виды машин, основанные на турбинной технологии, использовали в таком цикле, чтобы приводиться в действие рабочей средой, приводить в действие генератор или другую поглощающую энергию машину. Однако турбины имеют недостаток, становящийся очень дорогим при мощностях, передаваемых валом, ниже 1 МВт.

Поэтому для более низких уровней мощности использовали винтовой расширитель вместо турбины, причем винтовой расширитель обычно обеспечен впрыском масла, т.е., масло впрыскивают в рабочее пространство расширителя для того, чтобы охлаждать, уплотнять и смазывать.

Винтовой расширитель с впрыском масла имеет превосходную эффективность, но имеет некоторые недостатки.

Одним недостатком является то, что масло должно быть отделено ниже по потоку от расширения. Это означает, что давление рабочей среды затем становится низким, а следовательно, объемный поток становится высоким. Так как отделение масла зависит от низкой скорости потока, то сепаратор масла становится непрактично большим и необоснованно дорогим.

Другим недостатком является то, что типы масляных сепараторов, имеющиеся на рынке, не могут отделять 100% всего масла. Это подразумевает, что некоторое количество масла проходит сепаратор и попадает в теплообменник, серьезно снижая эффективность.

Вместо винтового расширителя с впрыском масла было бы теоретически возможным рассмотреть использование технологии, применяемой в безмасляных винтовых компрессорах для воздуха, имеющих внутренние уплотнения вала между рабочей камерой и подшипниками. Однако практически невозможно получить эти уплотнения полностью плотными, и поэтому предпочтительно выпускать воздух утечки в атмосферу. Однако это не может быть обеспечено в закрытом ОЦР процессе. Кроме того, внутренние утечки особенно трудно проверить во время простоя в системе под давлением, где конденсация происходит на холодных поверхностях. Тогда следствием становится последовательное смешивание масла и рабочей среды, снижение вязкости и, таким образом, проблемы надежности.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является машина, описанная в патенте Великобритании 2008684. В частности, в указанном патенте описана установка для сжатия газа, в которой масло подается к подшипникам, а сжатый газ и масло, смешанное с ним, подаются в первый масляный сепаратор, из которого масло подается через дросселирующее устройство во второй сепаратор более низкого давления. Масло из второго сепаратора смешивается с маслом, непосредственно собранным из компрессора для подачи обратно к подшипнику посредством насоса, охладителя, фильтра и контура. Газ из второго сепаратора подается обратно к компрессору в рабочую камеру под давлением, промежуточным между давлением на входе и давлением на выходе. Это давление ниже давления второго сепаратора.

В этих обстоятельствах задачей настоящего изобретения является обеспечение преобразования энергии посредством ОЦР процесса при относительно низких уровнях мощности с улучшенной производительностью, повышенной надежностью и с устранением недостатков, связанных с известной до настоящего времени технологией в данной области техники.

Раскрытие изобретения

Вышеуказанная задача согласно первому объекту изобретения достигается тем, что винтовая машина, упомянутая выше, предпочтительно расширитель, содержит два винтовых ротора и корпус, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие, при этом корпус образует рабочее пространство, в котором с возможностью вращения и в зацеплении друг с другом расположены винтовые роторы, причем, по меньшей мере, один из роторов снабжен, по меньшей мере, одной осевой шейкой, установленной в подшипниках, которые смазаны маслом и расположены в подшипниковой камере, сообщающейся с рабочим пространством через уплотнение зазора, при этом подшипниковая камера также сообщается с маслоподводящим трубопроводом и дренажным трубопроводом, связанным с давлением, которое ниже, чем самое низкое давление в рабочем пространстве, когда оно открыто к выпускному отверстию.

Посредством такой роторной винтовой машины, выполненной в виде расширителя, безмасляное расширение обеспечивается тогда, когда подшипники становятся надежно смазанными маслом. При этом становится возможным использовать ее в качестве ведущего узла в ОЦР процессе, причем экономическая эффективность достигается также при более низких мощностях, чем при таких, когда турбины являются практически возможными.

Таким образом, отсутствует необходимость в масляном сепараторе в основном потоке газа.

Преимущества, достигнутые винтовой машиной согласно изобретению, в частности, полезны, когда ее используют в ОЦР процессе. Также ее преимущества, естественно, представляют интерес, когда машину используют как расширитель в других применениях, где могут встречаться подобные условия. Аналогичные преимущества достигаются, когда машина работает в качестве компрессора.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретенной винтовой машины масляный сепаратор расположен в дренажном трубопроводе для отделения масла от среды, протекающей через дренажный трубопровод. При этом полностью устранена опасность попадания масла в теплообменник ОЦР контура.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления масляный сепаратор соединен с маслоподводящим трубопроводом через масляный насос.

При этом простым способом гарантируется, что смазка подшипника обеспечивается замкнутым масляным контуром, который устраняет необходимость в постоянной подаче масла и наблюдении за отработанным маслом.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления масляный сепаратор соединен с насосом откачки через трубопровод для рабочей среды.

При этом гарантия требуемого перепада давления достигается простым способом.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления масляный сепаратор через соединительный трубопровод для рабочей среды соединен с трубопроводом, соединенным с выпускным отверстием винтового расширителя.

Этот вариант осуществления, в частности, выгодно использовать, когда машину используют в качестве расширителя. По мере того как давление в упомянутом трубопроводе становится ниже, чем упомянутое давление в рабочей камере вследствие потерь давления при сжатии, происходящих на выходе, согласно этому варианту осуществления автоматически достигается установленное отношение давлений. Дополнительным преимуществом является то, что рабочая среда, протекающая через подшипниковую камеру, вводится снова в основной поток рабочей среды. Это, в частности, полезно, когда расширитель включают в ОЦР процесс, поскольку важно избежать выпуска рабочей среды наружу. Также устранена необходимость подачи дополнительной рабочей среды.

Задача согласно второму объекту изобретения достигается тем, что система преобразования энергии, упомянутая выше, содержит расширитель, конденсатор, насос и испаритель, расположенные последовательно в замкнутом трубопроводном контуре, и машину, приводимую в действие расширителем, который представляет собой вышеописанную винтовую машину.

Благодаря изобретенной системе преобразования энергии получены выгоды от преимуществ изобретенной винтовой машины в контексте, где упомянутые преимущества особенно важны.

При этом рентабельное и технически целесообразное применение ОЦР процесса становится возможным также при относительно средних уровнях мощности.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретенной системы преобразования энергии дренажный трубопровод от подшипниковой камеры соединен с контуром системы между расширителем и насосом. Затем надлежащее соединение обеспечено между расширителем и конденсатором.

Задача согласно третьему объекту изобретения достигается способом преобразования энергии, при котором рабочую среду пропускают через замкнутый трубопроводный контур, содержащий расширитель, конденсатор, насос и испаритель, при этом расширитель выполнен с возможностью приведения в действие машины, при этом расширитель представляет собой винтовую машину, имеющую, по меньшей мере, два винтовых ротора, по меньшей мере, один из которых установлен в, по меньшей мере, одном подшипнике, смазанном маслом, причем пропускаемая рабочая среда просачивается к указанному подшипнику, при этом смесь масла и рабочей среды направляют от подшипника.

Благодаря изобретенному способу обеспечиваются преимущества подобного типа, который достигнут изобретенной системой преобразования энергии и который рассмотрен выше.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретенного способа, масло отделяют от упомянутой смеси.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления, рабочая среда представляет собой соединение на основе углерода, фтора или азота.

Таким образом, благодаря применению способа для типа рабочих сред, которые обычно могут быть использованы в ОЦР процессе, преимущества изобретенного способа использованы в контексте, где упомянутые преимущества особенно важны.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления, рабочую среду, прошедшую масляный сепаратор, подают в трубопроводный контур между расширителем и насосом.

При этом достигаются преимущества, аналогичные вышеуказанным для соответствующего варианта осуществления изобретенной системы преобразования энергии.

Изобретение описано более подробно посредством последующего описания примера его предпочтительного варианта осуществления со ссылкой на приложенные чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схему, иллюстрирующую систему преобразования энергии согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 представляет собой поперечное сечение винтового расширителя согласно настоящему изобретению.

Описание примеров варианта осуществления изобретения

На фиг.1, показана система преобразования энергии согласно настоящему изобретению. Система использует ОЦР процесс с соответствующей рабочей средой, такой как, например, R134a, аммиак, углеводородное соединение или диоксид углерода. Рабочую среду подают с начальным давлением через трубопровод 5 на впуск винтового расширителя 1, в котором рабочая среда расширяется до более низкого давления и выходит из расширителя 1 через выпускной трубопровод 6.

Выпускной трубопровод 6 направляет рабочую среду с низким давлением в конденсатор 2 так, что рабочая среда выходит из него в жидкой фазе через трубопровод 7. Посредством насоса 3 давление жидкой рабочей среды увеличивают и ее подают через трубопровод 8 в испаритель 4, в котором рабочая среда испаряется и подается обратно во впускной трубопровод 5 расширителя 1 с начальным давлением.

Расширитель приводит в действие машину 9, которая может быть либо генератором, либо машиной, которая непосредственно использует механическую энергию.

Таким образом, рабочая среда проходит через замкнутый контур и испытывает фазовые переходы рассеиванием и подачей, соответственно, тепла. Система может быть использована для генерации холода, тепловой очистки, преобразования энергии тепла в механическую энергию и/или генерации электричества.

Система хорошо подходит для использования низкопотенциальной теплоты, такой как, например, от солнечной энергии и сжигания. Могут быть использованы поданное тепло обычно с температурой ниже, чем 140°С и с подходящим выбором рабочей среды, источники тепла, имеющие температуру, пониженную до 30-40°С.

Описанное выше является известным и используется сегодня.

Расширитель 1 описан более подробно ниже со ссылкой на фиг.2, на которой он выполнен особым образом согласно настоящему изобретению.

Расширитель 1 содержит два винтовых ротора 102, только один из которых виден на чертеже. Один из роторов является ротором ведущего типа, а другой - ведомого типа, и они окружены корпусом 101, который ограничивает рабочее пространство 115, имеющее форму двух цилиндров, пересекающих друг друга. Между роторами 102 и корпусом 101 образованы V-образные рабочие камеры, которые при вращении роторов смещаются от впуска 114 расширителя к его выпуску 113. Подробный функциональный режим винтового расширителя должен быть, в общем, известен, и поэтому не требует в связи с этим никакого дополнительного подробного описания.

Винтовой ротор 102, видимый на чертеже, имеет выпускной вал 113, соединенный с ведомым узлом 9, показанным на фиг.1. На другом его конце винтовой ротор снабжен осевой шейкой 104, установленной в подшипнике 106. Он расположен в подшипниковой камере 105. Подшипниковая камера сообщается с рабочим пространством расширителя 1 через узкий зазор 107.

Масляный контур, имеющий подающий трубопровод 111, дренажный трубопровод 108, масляный сепаратор 109 и масляный насос 110 соединены с подшипниковой камерой 105. Масляный сепаратор через трубопровод 112 для рабочей среды соединен с выпускным трубопроводом 6 расширителя 1.

При работе газообразную рабочую среду относительно высокого давления подают во впускное отверстие 114 расширителя, расширяют в расширителе 1 и выпускают через выпуск 113 расширителя с более низким давлением через выпускной трубопровод 6.

Масло подают в подшипниковую камеру посредством масляного насоса 110 через трубопровод подачи 111. Затем масло отводят из подшипниковой камеры 105 через дренажный трубопровод 108 и масляный сепаратор 109 так, чтобы оно рециркулировало.

Параметры давления являются такими, что давление в подшипниковой камере ниже, чем в части рабочего пространства расширителя, которое открыто к зазору 107 между концевым участком 116 расширителя и подшипниковой камерой 105. При этом нет опасности, что масло из смазочного контура просочится из подшипниковой камеры 105 через зазор 107 в рабочее пространство 115 расширителя. Вместо этого существует поток утечки рабочей среды из рабочего пространства 115 расширителя через зазор 107 в подшипниковую камеру 105, в которой рабочая среда перемешивается с маслом.

Поэтому масло смешивается с рабочей средой, протекающей через дренажный трубопровод 108 в масляный сепаратор 109. В нем масло и рабочую среду отделяют, и последнюю подают из него через трубопровод 112 в выпускной трубопровод расширителя, в котором давление ниже, чем в рабочем пространстве расширителя, открытого к зазору 107.

Таким образом, масляный сепаратор должен иметь размеры только для отделения относительно ограниченного количества масла рабочей среды, которая просачивается через зазор 107, и ограниченного количества масла, которое циркулирует в смазочном контуре для подшипника. Он будет иметь совершенно другой размер, чем в расширителе с впрыском масла, в котором имеется значительно большее количество масла и в котором вся рабочая среда смешивается с маслом.

Следует понимать, что соответствующая подшипниковая камера может быть расположена также на выпускном валу 103 расширителя, а также и на осевой шейке другого ротора.

Изобретение относится к винтовым машинам, системам преобразования энергии и способам преобразования энергии. Винтовая машина имеет два винтовых ротора 102 и корпус 101, имеющий впускное отверстие 114 и выпускное отверстие 113. Роторы 102 снабжены осевыми шейками 104, установленными в подшипниках 106. Подшипник 106 смазан маслом и расположен в подшипниковой камере 105, сообщающейся с рабочим пространством 115 машины через уплотнение 107 зазора. Подшипниковая камера 105 также сообщается с маслоподводящим трубопроводом 111 и дренажным трубопроводом 108, связанным с давлением, которое ниже, чем самое низкое давление в рабочем пространстве 115, когда оно открыто к выпускному отверстию 113. Изобретение направлено на обеспечение преобразования энергии при относительно низких уровнях мощности с улучшенной производительностью, повышенной надежностью. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Винтовая машина, предпочтительно расширитель, содержащая два винтовых ротора (102) и корпус (101), имеющий впускное отверстие (114) и выпускное отверстие (113), при этом корпус (101) образует рабочее пространство (115), в котором с возможностью вращения и в зацеплении друг с другом расположены винтовые роторы (102), причем, по меньшей мере, один из роторов (102) снабжен, по меньшей мере, одной осевой шейкой (104), установленной в подшипниках (106), которые смазаны маслом и расположены в подшипниковой камере (105), сообщающейся с рабочим пространством (115) через уплотнение (107) зазора, отличающаяся тем, что подшипниковая камера (105) также сообщается с маслоподводящим трубопроводом (111) и дренажным трубопроводом (108), связанным с давлением, которое ниже, чем самое низкое давление в рабочем пространстве (115), когда оно открыто к выпускному отверстию (113).

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что масляный сепаратор (109) расположен в дренажном трубопроводе (108) для отделения масла от среды, протекающей через дренажный трубопровод (108).

3. Машина по п.2, отличающаяся тем, что масляный сепаратор (109) соединен с маслоподводящим трубопроводом (111) через масляный насос (110).

4. Машина по п.2 или 3, отличающаяся тем, что масляный сепаратор (109) соединен с насосом откачки через трубопровод для рабочей среды.

5. Машина по п.2 или 3, отличающаяся тем, что масляный сепаратор (109) через соединительный трубопровод (112) для рабочей среды соединен с трубопроводом (6), соединенным с выпускным отверстием (113) винтового расширителя.

6. Система преобразования энергии, содержащая расширитель (1), конденсатор (2), насос (3) и испаритель (4), расположенные последовательно в замкнутом трубопроводном контуре (5, 6, 7, 8), и машину (9), приводимую в действие расширителем, отличающаяся тем, что расширитель (1) представляет собой винтовую машину по любому из пп.1-5.

7. Система по п.6, при выполнении винтовой машины по п.5, отличающаяся тем, что соединительный трубопровод (112) подсоединен к указанному контуру (5, 6, 7, 8) между расширителем (1) и насосом (3).

8. Способ преобразования энергии, при котором рабочую среду пропускают через замкнутый трубопроводный контур, содержащий расширитель (1), конденсатор (2), насос (3) и испаритель (4), при этом расширитель (1) выполнен с возможностью приведения в действие машины (9), отличающийся тем, что расширитель (1) представляет собой винтовую машину, имеющую, по меньшей мере, два винтовых ротора (102), по меньшей мере, один из которых установлен в, по меньшей мере, одном подшипнике (106), смазанным маслом, причем пропускаемая рабочая среда просачивается к указанному подшипнику (106), при этом смесь масла и рабочей среды направляют от подшипника (106).

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что масло отделяют от указанной смеси.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что рабочая среда представляет собой соединение на основе углерода, фтора или азота.

11. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что рабочую среду, прошедшую масляный сепаратор (109), подают в трубопроводный контур между расширителем (1) и насосом (3).