Установка генерации тепла и холода Российский патент 2024 года по МПК F25B29/00 F25B9/00 F02C5/00 F02B33/42 

Изобретение относится к области энергетики, в частности, к области энергетического машиностроения и может использоваться в устройствах сжатия и расширения газов, в детандер- компрессорах, в холодильных и криогенных агрегатах, в тепловых насосах, в установках сжижения газа, в воздухоразделительных установках, в установках сепарации газов, в энергетических установках, включая паровые, газотурбинные и парогазовые.

Известен генератор холода на основе волнового обменника давлением, выполненного в виде детандер-компрессора криогенной установки. «Результаты экспериментальных исследований криогенного волнового детандер- компрессора», A.M. Архаров и другие, Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение". 2010

Недостатком подобной конструкции является невысокие КПД, степень повышения давления и производительность, сложность и узкая сфера применения.

Известна воздушная холодильная установка каскадного обмена давлением, включающая каскадные обменники давлением с приводом, продувочные вентиляторы и теплообменные аппараты. «Воздушная холодильная установка каскадного обмена давлением» А.И Крайнюк. О.В. Клюс, Zeszyty Naukowe, Akademia Morska w Szczecinie, 2012, 32(104) z. 1 s. 5-11

Недостатками подобной конструкции являются невысокие КПД и производительность, а также узкая сфера применения.

Техническим результатом, достигаемом в данном изобретении является повышение эффективности систем расширения и сжатия газов, выполненных на основе обменников давлением, включая детандер- компрессоры, а также расширение сферы применения и упрощение конструкции, выполненных на их основе холодильных установок и тепловых насосов, двигателей и энергетических установок.

Указанный технический результат достигается тем, что установка генерации тепла и холода, содержащая, по крайне мере, один компрессор или вентилятор, по крайней мере один теплообменник, по крайней мере, один обменник давлением, системы регулирования, защиты, управления , пуска , контроля , отличается тем, что содержит, по крайней мере, один каскадный обменник давлением, каналы в роторе которого выполнены аксиально, или радиально, или диагонально, либо осерадиально, с возможностью периодического перекрытия стенками корпуса впускных и выпускных отверстий каналов и периодического их совмещения с портами подвода и отвода рабочего тела низкого и высокого давления, при этом порт подвода сжимаемого рабочего тела низкого давления подключен трубопроводом, посредством устройства наддува в виде вентилятора или компрессора напрямую, либо посредством теплообменного аппарата , к источнику тепловой энергии - к охлаждаемой среде, например к атмосфере, или к холодильной камере, к сжижаемому ,или охлаждаемому газу или пару, порт отвода рабочего тела низкого давления каскадного обменника давлением подключен к потребителю холода , например к атмосфере, или к холодильной камере , к сжижаемому , или охлаждаемому газу и, или пару, порт подвода рабочего тела высокого давления , через устройство отвода тепла, возможно подведённое к потребителю тепла через теплообменник -охладитель, возможно с сепаратором конденсата, может быть подключен к выпуску из компрессора сжимающего рабочего тела, вход которого напрямую или посредством теплообменного аппарата присоединён к источнику тепла - к атмосфере, или к холодильной камере, к охлаждаемому газу и, или пару, со возможностью отвода тепла, а порт отвода рабочего тела высокого давления, через устройство отвода тепла, подведённое к потребителю тепла , через теплообменник - охладитель, возможно с сепаратором конденсата, подключен, посредством циркуляционного вентилятора к порту подвода рабочего тела высокого давления каскадного обменника давлением, часть портов которого соединены между собой перепускными каналами со стороны порта подвода или порта отвода рабочего тела низкого давления, или, по крайней мере, часть перепускных каналов выполнена со стороны порта подвода, а часть выполнена со стороны порта отвода рабочего тела низкого давления, при этом перепускные каналы каскадного обменника давлением, или по крайней мере часть из них, по крайней мере, высокого давления, вмонтированы в устройство подвода тепла в виде теплообменного аппарата, с нагревающей стороны подключенного к источнику тепловой энергии - к окружающей среде, или к холодильной камере, или к охлаждаемому , газу и, или пару, с возможностью отвода от него тепла, при этом подвод в теплообменный аппарат нагревающей среды может быть выполнен со стороны порта подвода рабочего тела высокого давления , а отвод нагревающей среды может быть выполнен со стороны порта подвода рабочего тела низкого давления каскадного обменника давлением.

Кроме того, установка отличается тем, что в корпусе обменника давлением , с противоположной стороны от, по крайней мере, части перепускных каналов выполнены порты, соединённые между собой попарно отводными каналами, вмонтированными в теплообменник с возможностью подвода тепла, к заполняющему отводные каналы газу или пару, при этом порты выполнены с возможностью периодического совмещения , по ходу вращения ротора , с выполненными в нём каналами таким образом, что первый по ходу вращения ротора порт совмещён с каналом в роторе , заполненном газом или паром наибольшего давления, с противоположной стороны ротора перекрытом стенкой корпуса , с возможностью расширения в нём газа или пара в отводной канал , соединённый далее , по ходу вращения ротора , с каналом в роторе , с возможностью вытеснения находящегося в нём газа или пара в перепускной канал, при этом далее , по ходу вращения ротора , может быть выполнен, по крайней мере , один очередной отводной канал.

Кроме того, установка отличается тем, что порт отвода рабочего тела низкого давления обменника давлением подключен к сепаратору сжиженного газа или пара, либо смеси через дроссельный вентиль, возможно, после дополнительного охладителя, при этом отвод несконденсированного газа или пара, или смеси и, или подвод сжижаемого газа или пара , или смеси газов или паров присоединён к впуску вентилятора или компрессора низкого давления, выпуск из которого присоединён к порту подвода рабочего тела низкого давления обменника давлением, также выпуск несконденсированного газа или пара, или смеси из сепаратора конденсата и подвод сжижаемого газа или пара , или смеси газов или паров подключен к компрессору сжимающего рабочего тела, выпуск из которого присоединён , через теплообменник- охладитель, к порту подвода рабочего тела высокого давления обменника давлением.

Кроме того, установка отличается тем, что порт отвода рабочего тела низкого давления обменника давлением подключен, возможно через дроссельный вентиль, после дополнительного охладителя, к теплообменнику, который может быть выполнен в виде испарителя с возможностью отвода тепла от охлаждаемой среды, в результате кипения хладагента или смеси хладагентов , циркулирующего в установке, в виде рабочего тела, или смеси рабочих тел.

Кроме того, установка отличается тем, что каждый перепускной канал, начиная с перепускного канала, заполненного газом с наибольшим давлением, или, по крайней мере, часть каналов, а, возможно и , по крайней мере, один отводной канал, посредством противоточного теплообменного аппарата последовательно подключен ,по мере снижения температуры теплоносителя и давления газа и, или пара в перепускных каналах , а возможно и в отводных каналах, к источнику подвода тепла.

Кроме того, установка отличается тем, что теплообменник с вмонтированными в него перепускными каналами , а, возможно и отводными каналами, подключен к источнику тепла - к выпуску газа и, или пара из компрессора сжимающего рабочего тела, или к выпуску газа и, или пара из порта отвода рабочего тела высокого давления каскадного обменника давлением, возможно через циркуляционный вентилятор, либо одновременно и к выпуску из компрессора и порта отвода рабочего тела высокого давления, при этом выпуск охлаждённого газа и, или пара из теплообменного аппарата с вмонтированными в него перепускными, а возможно и отводными каналами подключен к порту подвода рабочего тела высокого давления каскадного обменника давлением.

Кроме того, установка отличается тем, что теплообменник с вмонтированными в него перепускными каналами, а , возможно и отводными каналами, подключен к источнику тепла через промежуточный теплоноситель , при этом источником тепла может быть окружающая среда, возможно водоём, или теплообменник-охладитель .

Кроме того, установка отличается тем, что в качестве рабочего тела содержит смесь ,по крайней мере, из двух хладагентов с разными температурами и давлением конденсации , при этом выпуск из компрессора сжимающего рабочего тела и выпуск из порта отвода рабочего тела высокого давления обменника давлением, через циркуляционный вентилятор, подключен , по крайней мере, к одному теплообменнику охладителю с сепаратором конденсата легкокипящего хладагента , при этом выпуск несконденсированного рабочего тела - низкокипящего хладагента из сепаратора конденсата подключен к порту подвода рабочего тела высокого давления обменника давлением, а выпуск сжиженного хладагента из сепаратора конденсата подключен , через дополнительный охладитель , к дроссельному вентилю , выпуск из которого подведён к потребителю холода - к теплообменнику охлаждаемого и, или сжижаемого газа или пара, а порт отвода рабочего тела низкого давления обменника давлением также подключен к потребителю холода , например в более, или в менее высокотемпературной части теплообменника охлаждения охлаждаемого и, или сжижаемого газа или пара.

Кроме того, установка отличается тем, что выпуск сжиженного хладагента из сепаратора конденсата, подключенного к теплообменнику -охладителю, установленному в газовом тракте на выходе смеси рабочих тел из порта отвода рабочего тела высокого давления обменника давлением, присоединён к дроссельному вентилю посредством насоса.

Кроме того, установка отличается тем, что часть потока рабочего тела из компрессора сжимающего рабочего тела, а ,возможно, и, или из порта отвода рабочего тела высокого давления обменника давлением , после, по крайней мере одного теплообменника -охладителя подведена через дополнительный охладитель к дроссельному вентилю , выпуск из которого подключен к потребителю холода - к теплообменнику охлаждаемого и, или сжижаемого газа или пара, а порт отвода рабочего тела низкого давления обменника давлением также подключен к потребителю холода, в более , или в менее высокотемпературной части теплообменника охлаждения, охлаждаемого и, или сжижаемого газа или пара.

Кроме того, установка отличается тем, что стенки корпуса обменника

давлением , расположенные между, выполненными в корпусе портами подвода в каналы и отвода из каналов, выполненных в роторе , рабочего тела , выполнены с возможностью перекрытия, при вращении ротора , с минимальным зазором , в котором могут быть установлены уплотнения - бесконтактные лабиринтные , или контактные золотникового типа , впускных и выпускных отверстий ,по крайней мере, одного канала в ряду каналов ротора, при этом в роторе обменника давлением , могут быть выполнены по радиусу ротора несколько рядов каналов, по крайней мере два ряда.

Кроме того, установка отличается тем, что вал ротора обменника давлением, подключен к приводу от электрического двигателя, с возможностью регулирования оборотов ротора и , или ротор выполнен с возможностью самовращения посредством специальных сопел, выполненных в отдельных портах подвода рабочего тела в каналы ротора также с возможностью регулирования оборотов ротора , при этом корпус обменника давлением может быть выполнен герметичным.

Кроме того, установка отличается тем, что в стенках корпуса каскадного обменника давлением напротив, по крайней мере части каналов в роторе , с противоположной стороны совмещённых полностью или частично с окнами, соединёнными с перепускными - массообменными каналами, с возможностью повышения давления в этих каналах ротора , а возможно и ,частично, напротив порта подвода рабочего тела высокого давления каскадного обменника давлением , выполнены форсунки с возможностью впрыска в каналы под давлением охлаждающей жидкости , подключенные через насос к сборнику конденсата, одного из сепараторов конденсата, при этом охлаждающей жидкостью может быть вода или , по крайней мере, один из хладагентов, циркулирующих в установке, по крайней мере, в части цикла, в жидком состоянии.

Кроме того, установка отличается тем, что в стенках корпуса каскадного обменника давлением напротив, по крайней мере части каналов в роторе, с противоположной стороны совмещённых полностью или частично с окнами, соединёнными с перепускными -массообменными каналами, с возможностью снижения

давления в этих каналах ротора , выполнены форсунки , с возможностью впрыска в каналы под давлением нагревающей жидкости - воды , сжиженного хладагента, подключенные через насос, к источнику нагревающей жидкости в виде водоёма, в виде котла -утилизатора , в виде охладителя сжатого газа с сепарацией горячего конденсата, при этом на выходе из порта отвода рабочего тела низкого давления каскадного обменника давлением выполнен сепаратор нагревающей жидкости, возможно подключенный к источнику нагревающей жидкости, с возможностью повторного нагрева.

Кроме того, установка отличается тем, что содержит последовательно подключенные к теплообменникам предварительного охлаждения, сжижения и переохлаждения газа и, или пара, по мере его охлаждения , ряд установок с различными хладагентами или смесями хладагентов в качестве рабочих тел, вначале , по ходу охлаждения газа или смеси газов с легкокипящими хладагентами , затем с более низкокипящими , при этом между каскадами могут быть установлены сепараторы, с возможностью извлечения из потока, охлаждаемой смеси газов, легкокипящих газов.

Кроме того, установка отличается тем, что подвод сжатого рабочего тела перед портом подвода рабочего тела высокого давления обменника давлением вмонтирован в устройство отвода тепла в виде теплообменного аппарата, подключенного к источнику холода.

На чертежах изображено

Фигура 1. Установка генерации тепла и холода в качестве воздушной холодильной установки и, или теплового насоса. Показана развёртка квазиизотермического каскадного обменника давлением.

Фигура 2. Установка генерации тепла и холода в качестве гибридной парогазовой холодильной установки. Показана развёртка каскадного обменника давлением.

Фигура 3. Установка генерации тепла и холода в качестве воздушной системы отопления и кондиционирования воздуха. Показана развёртка квазиизотермического каскадного обменника давлением.

Фигура 4. Установка генерации тепла и холода в качестве гибридной газо- парокомпрессионной установки охлаждения (сжижения) газов. Показана развёртка квазиизотермического каскадного обменника давлением.

Фигура 5. Установка генерации тепла и холода в качестве гибридной парогазовой установки охлаждения (сжижения) газа. Показана развёртка квазиизотермического каскадного обменника давлением.

Фигура 6. Установка генерации тепла и холода в качестве установки сжижения газа. Показана развёртка квазиизотермического каскадного обменника давлением.

Фигура 7. Установка генерации тепла и холода в качестве холодильной и , или теплонасосной установки . Показана развёртка квазиизотермического каскадного обменника давлением.

Установка генерации тепла и холода содержит, систему наддува , сжимаемого рабочего тела в виде вентилятора 1 или компрессора низкого давления, и компрессор сжимающего рабочего тела 2, со стороны входа подключенные к источнику тепла , при этом выпуск из вентилятора 1 присоединён к порту подвода рабочего тела низкого давления 3 каскадного обменника давлением 4, а выпуск из компрессора сжимающего рабочего тела 2 подключен через устройство отвода тепла, в виде теплообменника - охладителя 5 с сепаратором конденсата 6 к порту подвода рабочего тела высокого давления 7 обменника давлением 4 , порт отвода рабочего тела низкого давления 8, обменника давлением 4 присоединён к потребителю холода, порт отвода рабочего тела высокого давления 9 , обменника давлением 4 подключен , через охладитель 5 с сепаратором конденсата 6 и через циркуляционный вентилятор 10 к порту подвода рабочего тела высокого давления 7 обменника давлением 4 , который содержит порты , соединённые между собой перепускными - массообменными каналами 11 , а ,возможно, и отводными каналами 12 , при этом перепускные 11, возможно, и отводные 12 каналы вмонтированы в теплообменник 13, с возможностью подвода к ним тепла, также может содержать устройство впрыска охлаждающей жидкости 14 в каналы ротора, насос 15, мотор 16, устройство регулирования оборотов ротора 17 обменника давлением 4 . запорно-регулирующие клапаны 18 , может содержать дроссельный вентиль 19 , сепаратор сжиженного газа 20 , теплообменник охлаждения 21 , низкотемпературный теплообменник охлаждения 22, теплообменник подвода тепла 23, теплообменник 24 с возможностью подвода тепла к отводным каналам 12, воздушный фильтр 25.

Установка генерации тепла и холода работает следующим образом.

При работе установки в качестве воздушной холодильной установки и, или теплового насоса (Фиг. 1), на вход вентилятора 1 системы наддува и компрессора сжимающего рабочего тела 2 подаётся сжимаемый газ, в данном случае воздух , например из охлаждаемого помещения или из холодильной камеры в холодильнике, либо из атмосферы в тепловом насосе. Воздух из вентилятора 1 разделяется на две части. Одна часть воздуха подаётся в теплообменник 13 с возможностью подвода тепла к перепускным каналам 11 и охлаждается в нём, отдавая тепло воздуху, расширяющемуся в перепускных каналах 11. После чего, охлаждённый в теплообменнике 13 воздух отводится потребителю холода (на чертеже не показан), либо в атмосферу, а другая часть воздуха из вентилятора 1 поступает в порт подвода рабочего тела низкого давления 3 каскадного обменника давлением 4 и сжимается в нём, при вращении ротора. Ещё одна часть, охлаждаемого воздуха, сжимается в компрессоре сжимающего рабочего тела 2 , после сжатия в котором воздух охлаждается в теплообменнике - охладителе 5 , при этом в сепараторе конденсата 6 от него отделяется водный конденсат, после чего воздух подаётся в порт подвода рабочего тела высокого давления 7 каскадного обменника давлением 4 . сжимая, находящийся в каналах ротора воздух и выталкивая его в порт отвода рабочего тела высокого давления 9 , после выхода из которого воздух охлаждается в теплообменнике -охладителе 5 , а в сепараторе конденсата 6 от него отделяется водный конденсат. После чего воздух, посредством циркуляционного вентилятора 10, подаётся в порт подвода рабочего тела высокого давления 7 каскадного обменника давлением 4 , сжимая, находящийся в каналах ротора воздух. При вращении ротора обменника давлением 4, сжимающий воздух расширяется в каналах ротора и, в перепускных каналах 11 , при этом сжимающий воздух охлаждается сам и, в процессе расширения, охлаждает воздух, заполняющий теплообменник 13. Далее, при совмещении каналов ротора с портом отвода рабочего тела низкого давления 8, холодный воздух выталкивается к потребителю холода, например в виде охлаждаемого помещения, или холодильной камеры в холодильнике, либо выбрасывается в атмосферу, например в тепловом насосе. При этом, при работе установки в качестве теплового насоса тепло от теплообменников - охладителей 5 подводится к потребителю тепла. Подвод тепла, посредством теплообменника 13 к воздуху, расширяющемуся в перепускных каналах 11 увеличивает холодильный коэффициент холодильной установки, а также коэффициент преобразования тепла в тепловом насосе, в результате отвода тепла от охлаждаемого воздуха в теплообменнике 13, с преобразованием этого тепла в работу сжатия в каскадном обменнике давлением 4. Что увеличивает количество, сжимаемого в каскадном обменнике давлением 4 воздуха, соответственно, увеличивается эффективность и холодопроизводительность установки, а повышение температуры воздуха на выходе из порта отвода рабочего тела низкого давления 8 снижает излишнее переохлаждение воздуха, что также повышает холодильный коэффициент установки.

В установке может использоваться смесь, по крайней мере, из двух рабочих тел (хладагентов) легкокипящего и низкокипящего (Фиг. 2). После сжатия смеси рабочих тел в компрессоре сжимающего рабочего тела 2 и, в обменнике давлением 4 смесь хладагентов охлаждается в теплообменниках охладителях 5, а в сепараторах конденсата 6 из смеси отделяется конденсат легкокипящего хладагента, который, например частично при помощи насоса 15 подается в теплообменник охлаждения 21, в котором дополнительно охлаждается, затем поступает в дроссельный вентиль 19, в котором легкокипящий хладагент расширяется и подается в теплообменник охлаждения 21. где кипит, отбирая тепло от потребителя холода. При этом порт отвода рабочего тела низкого давления 8 обменника давления 4 подключен, вначале к низкотемпературному теплообменнику охлаждения 22, в котором низкокипящий хладагент нагревается, отбирая тепло от потребителя холода, после чего подается в менее низкотемпературный теплообменник охлаждения 21, в котором низкокипящий хладагент вновь нагревается, отбирая тепло от потребителя холода. При этом низкокипящий хладагент перед впуском в порт подвода рабочего тела высокого давления 7 может также дополнительно охлаждаться, например в теплообменнике охлаждения 21 или в отдельной холодильной машине (на чертежах не показано). Нагретые в теплообменнике охлаждения 21 хладагенты, в газообразном состоянии поступают на вход вентилятора 1 и компрессора сжимающего рабочего тела 2, и цикл повторяется.

Установка может содержать теплообменник 13 с возможностью подвода тепла к перепускным 11 каналам и устройство впрыска охлаждающей жидкости 14, в данном случае воды, в каналы ротора (Фиг. 3). При этом, при работе установки в качестве воздушной системы отопления и кондиционирования воздуха, воздух из атмосферы, или из отапливаемого, либо из охлаждаемого помещения, разделяется на две части. Одна часть подается на вход вентилятора 1 системы наддува и компрессора сжимающего рабочего тела 2. Воздух из вентилятора 1 поступает в порт подвода рабочего тела низкого давления 3 каскадного обменника давлением 4 и сжимается в нем при вращении ротора. Другая часть воздуха сжимается в компрессоре сжимающего рабочего тела 2, после сжатия в котором, воздух подается в теплообменник 13 с возможностью подвода тепла к перепускным каналам 11, где от него отводится тепло и передается воздуху, заполняющему перепускные каналы 11. После выходя из теплообменника 13, в сепараторе конденсата 6 от воздуха отделяется водный конденсат, после чего воздух подается в порт подвода рабочего тела высокого давления 7 обменника давлением 4, сжимая, находящийся в каналах ротора воздух и выталкивая его в порт отвода рабочего тела высокого давления 9, после выхода из которого эта часть воздуха подается в теплообменник-охладитель 5, отдавая тепло потребителю тепла. После выходя из теплообменника 5, в сепараторе конденсата 6 от воздуха отделяется водный конденсат, после чего и эта часть воздуха подается в порт подвода рабочего тела высокого давления 7 обменника давлением 4, сжимая находящийся в каналах ротора воздух. В процессе сжатия воздуха, в каналы ротора, в сжимаемый воздух впрыскивается вода, которая испаряется и отбирает тепло от сжимаемого воздуха. При охлаждении в теплообменнике 13 вода конденсируется, отдавая дополнительное тепло воздуху, заполняющему перепускные каналы 11. А при охлаждении другой части воздуха в теплообменнике -охладителе 5 вода конденсируется, отдавая дополнительное тепло потребителю тепла. Благодаря квазиизотермическому расширению и квазиизотермическому сжатию воздуха в каскадном обменнике давлением 4 уменьшается расход воздуха через компрессор сжимающего рабочего тела 2, что снижает расход энергии на привод компрессора 2, соответственно эффективность установки растет. Также снижается перепад температур между охлаждающей и охлаждаемой средами, что дополнительно повышает эффективность холодильного цикла.

При использовании установки в качестве гибридной газо-парокомпрессионной установки охлаждения (сжижения) газов (Фиг. 4), в установке может использоваться смесь, по крайней мере, из двух рабочих тел (хладагентов) легкокипящего и низкокипящего (например, этана и метана). После сжатия смеси рабочих тел в компрессоре сжимающего рабочего тела 2 и в каскадном обменнике давлением 4 смесь хладагентов охлаждается в теплообменниках охладителях 5, а в сепараторах конденсата 6 из смеси отделяется конденсат легкокипящего хладагента. После чего низкокипящий хладагент подается в порт подвода рабочего тела высокого давления 7 (каскадного) обменника давлением, а сжиженный легкокипящий хладагент, например частично при помощи насоса 15 подается в теплообменник 13 с возможностью подвода тепла к перепускным каналам 11, в котором дополнительно охлаждается, затем поступает в дроссельный вентиль 19, в котором легкокипящий хладагент расширяется и подается в низкотемпературный теплообменник охлаждения 22, где кипит, отбирая тепло от охлаждаемого и, или сжижаемого газа (потребителя) холода. При этом порт отвода рабочего тела низкого давления 8 обменника давления 4 подключен, например в более высокотемпературной части, к низкотемпературному теплообменнику охлаждения 22, в котором низкокипящий хладагент нагревается, отбирая тепло от потребителя холода, после чего смесь хладагентов подается в менее низкотемпературный теплообменник охлаждения 21, в котором смесь хладагентов вновь нагревается, отбирая тепло от охлаждаемого газа (потребителя холода). Из охлажденного в теплообменнике охлаждения 21, например сырьевого природного газа могут, перед его подачей в низкотемпературный теплообменник 22 отделяться легкокипящие фракции. Далее, нагретые в теплообменнике охлаждения 21 хладагенты, в газообразном состоянии поступают на входы вентилятора 1 и компрессора сжимающего рабочего тела 2, и цикл повторяется.

В варианте установки, в качестве гибридной газо-парокомпрессионной установки охлаждения (сжижения) газов (Фиг. 5) весь объем смеси хладагентов поступает в теплообменник 13 с возможностью подвода тепла к перепускным каналам 11 и охлаждается в нем. При этом часть смеси, сжатой в компрессоре сжимающего рабочего тела 2 может предварительно охлаждаться в теплообменнике - охладителе 5. На выходе из теплообменника 13 с возможностью подвода тепла к перепускным каналам 11 смесь хладагентов подается в сепаратор конденсата 6, в котором из нее отделяется низкокипящий хладагент и направляется в порт подвода рабочего тела высокого давления 7 каскадного обменника давлением 4, а легкокипящий хладагент подается в низкотемпературный теплообменник 22, дополнительно охлаждается в нем и поступает в дроссельный вентиль 19, через который расширяется в низкотемпературный теплообменник 22. Помимо этого, сжиженный легкокипящий хладагент, например изобутан, или изопентан, или пропан или их смеси, впрыскивается через устройство впрыска охлаждающей жидкости в каналы ротора 14, уменьшая расход рабочих тел через компрессор сжимающего рабочего тела 2. Испарившийся в низкотемпературном теплообменнике 22, легкокипящий хладагент подается в менее низкотемпературный теплообменник охлаждения 21, куда также поступает низкокипящий хладагент из порта отвода рабочего тела низкого давления 8 (каскадного) обменника давлением 4. После чего цикл повторяется.

При работе установки в качестве установки сжижения газа (Фиг. 6), на вход вентилятора 1 и компрессора сжимающего рабочего тела 2 подается сжижаемый газ. После сжатия часть газа охлаждается в теплообменнике -охладителе 5, а часть может охлаждаться в теплообменнике 13 с возможностью подвода тепла к перепускным каналам 11, после чего сжатый газ подается в порт подвода рабочего тела высокого давления 7 каскадного обменника давлением 4 и расширяется в нем. Перед этим, в сепараторе конденсата из газа могут удаляться легкокипящие фракции (на чертежах не показано). После расширения в каскадном обменнике давлением 4 двухфазная среда может напрямую подаваться в сепаратор сжиженного газа 20, при этом каналы в роторе могут быть выполнены диагонально к валу (на чертежах не показано). Выходящий из порта отвода рабочего тела 8 газ может предварительно дополнительно охлаждаться, после чего газ расширяется в дроссельном вентиле 19, из которого двухфазная среда подается в сепаратор сжиженного газа 20, откуда сжиженный газ поступает потребителю, а несконденсированный газ вновь поступает на вход вентилятора 1 системы наддува (либо компрессора низкого давления) и компрессора сжимающего рабочего тела 2, после чего цикл повторяется.

Установка, например в виде холодильной или теплонасосной установки (Фиг. 7) может в содержать в корпусе каскадного обменника давлением 4, с противоположной стороны от, по крайней мере, части перепускных каналов 11 порты, соединенные между собой попарно отводными каналами 12, вмонтированные в теплообменник с возможностью подвода тепла к отводным каналам 24, к заполняющему отводные каналы 12 газу и, или пару, при этом, при вращении ротора, первый после порта отвода рабочего тела высокого давления 9, по ходу вращения ротора, порт совмещен с каналом (каналами) в роторе, например, заполненном газом или паром наибольшего давления, с противоположной стороны ротора перекрытом стенкой корпуса, при этом находящийся в нем газ или пар расширяется в отводной канал 12, нагревается в теплообменнике 24 с возможностью подвода тепла к отводным каналам 12 и вытесняет газ или пар из канала ротора, соединенного с перепускным каналом 11. Сжимаемый в каскадном обменнике давлением 4 газ или пар, охлаждается в процессе сжатия посредством устройства впрыска охлаждающей жидкости 14 в каналы ротора, затем охлаждается в теплообменнике -охладителе 5, подключенному к потребителю тепла, а сжатый в компрессоре сжимающего газа 2 газ или пар охлаждается в теплообменнике - охладителе 5, также отдавая тепло потребителю тепла, например в тепловом насосе. При этом часть охлаждаемой среды охлаждается в теплообменнике 13 с возможностью подвода тепла к перепускным каналам 11 и в теплообменнике 24 с возможностью подвода тепла к отводным каналам 12, повышая эффективность и производительность установки. Расширившийся в каскадном обменнике давления газ или пар, из порта отвода рабочего тела низкого давления 8 подается в теплообменник подвода тепла 23, где к нему подводится тепло от охлаждаемой среды, после чего газ или пар вновь подается на входы вентилятора 1 системы наддува и компрессора сжимающего рабочего тела 2. При этом каждый перепускной канал 11, или часть каналов 11, а, возможно, и, по крайней мере, часть отводных каналов 12, например посредством, теплообменника 13 и теплообменника 24, выполненных противоточными, могут быть последовательно подключены, по мере снижения температуры теплоносителя и давления газа или пара в перепускных 11 и отводных 12 каналах, к источнику подвода тепла, например из охлаждаемой среды.

В стенках корпуса каскадного обменника давлением 4 напротив каналов в роторе, с противоположной стороны совмещенных полностью или частично с окнами, соединенными с перепускными (массообменными) каналами 11, с возможностью снижения давления в этих каналах ротора, могут быть выполнены форсунки для впрыска в каналы под давлением нагревающей среды, например в виде предварительно испаренной жидкости, например воды, подключенные, например через насос, к источнику нагревающей жидкости (на чертежах не показано). При этом, предварительно испаренная, нагревающая жидкость отдает тепло газу или пару, а, возможно, и дополнительно сжимает его в каналах ротора каскадного обменника давлением 4, в процессе его расширения (квазиизотермический процесс), что повышает мощность и КПД установки.

Использование данного изобретения позволит разрабатывать высокоэффективные установки генерации тепла и холода, том числе холодильные и криогенные установки, тепловые насосы, системы отопления и кондиционирования помещений, воздухоразделительные установки, установки сжижения различных газов, а также высокоэффективные устройства сжатия и расширения газа и т.п.

Изобретение относится к области энергетики и может использоваться в устройствах сжатия и расширения газов, в детандер-компрессорах, в холодильных и криогенных агрегатах, в тепловых насосах, в установках сжижения газа, в воздухоразделительных установках и т.п. Техническим результатом, достигаемым в данном изобретении, является повышение эффективности систем расширения и сжатия газов, выполненных на основе обменников давлением, расширение сферы применения и упрощение конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что установка генерации тепла и холода содержит каскадный обменник давлением, порт подвода рабочего тела низкого давления которого подключен посредством устройства наддува к источнику тепловой энергии, порт отвода рабочего тела низкого давления каскадного обменника давлением подключен к потребителю холода, порт подвода рабочего тела высокого давления через устройство отвода тепла, подведённое к потребителю тепла, подключен к выпуску из компрессора сжимающего рабочего тела, вход которого присоединён к источнику тепла, а порт отвода рабочего тела высокого давления через устройство отвода тепла, подведённое к потребителю тепла, подключен посредством циркуляционного вентилятора к порту подвода рабочего тела высокого давления, при этом перепускные каналы каскадного обменника давлением вмонтированы в устройство подвода тепла в виде теплообменного аппарата. 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Установка генерации тепла и холода, содержащая по крайне мере один компрессор или вентилятор, по крайней мере один теплообменник, по крайней мере один обменник давлением, системы регулирования, защиты, управления, пуска, контроля, отличающаяся тем, что содержит по крайней мере один каскадный обменник давлением, каналы в роторе которого выполнены аксиально, или радиально, или диагонально, либо осерадиально, с возможностью периодического перекрытия стенками корпуса впускных и выпускных отверстий каналов и периодического их совмещения с портами подвода и отвода рабочего тела низкого и высокого давления, при этом порт подвода сжимаемого рабочего тела низкого давления подключен трубопроводом, посредством устройства наддува в виде вентилятора или компрессора напрямую либо посредством теплообменного аппарата, к источнику тепловой энергии - к охлаждаемой среде, например к атмосфере или к холодильной камере, к сжижаемому или охлаждаемому газу или пару, порт отвода рабочего тела низкого давления каскадного обменника давлением подключен к потребителю холода, например к атмосфере или к холодильной камере, к сжижаемому или охлаждаемому газу и/ или пару, порт подвода рабочего тела высокого давления, через устройство отвода тепла, возможно подведённое к потребителю тепла через теплообменник-охладитель, возможно с сепаратором конденсата, может быть подключен к выпуску из компрессора сжимающего рабочего тела, вход которого напрямую или посредством теплообменного аппарата присоединён к источнику тепла - к атмосфере или к холодильной камере, к охлаждаемому газу и/ или пару, с возможностью отвода тепла, а порт отвода рабочего тела высокого давления, через устройство отвода тепла, подведённое к потребителю тепла, через теплообменник-охладитель, возможно с сепаратором конденсата, подключен посредством циркуляционного вентилятора к порту подвода рабочего тела высокого давления каскадного обменника давлением, часть портов которого соединены между собой перепускными каналами со стороны порта подвода или порта отвода рабочего тела низкого давления или по крайней мере часть перепускных каналов выполнена со стороны порта подвода, а часть выполнена со стороны порта отвода рабочего тела низкого давления, при этом перепускные каналы каскадного обменника давлением или по крайней мере часть из них, по крайней мере высокого давления, вмонтированы в устройство подвода тепла в виде теплообменного аппарата, с нагревающей стороны подключенного к источнику тепловой энергии - к окружающей среде, или к холодильной камере, или к охлаждаемому газу и/или пару, с возможностью отвода от него тепла, при этом подвод в теплообменный аппарат нагревающей среды может быть выполнен со стороны порта подвода рабочего тела высокого давления, а отвод нагревающей среды может быть выполнен со стороны порта подвода рабочего тела низкого давления каскадного обменника давлением.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в корпусе обменника давлением с противоположной стороны от по крайней мере части перепускных каналов выполнены порты, соединённые между собой попарно отводными каналами, вмонтированными в теплообменник с возможностью подвода тепла к заполняющему отводные каналы газу или пару, при этом порты выполнены с возможностью периодического совмещения, по ходу вращения ротора, с выполненными в нём каналами таким образом, что первый по ходу вращения ротора порт совмещён с каналом в роторе, заполненным газом или паром наибольшего давления, с противоположной стороны ротора перекрытым стенкой корпуса, с возможностью расширения в нём газа или пара в отводной канал, соединённый далее, по ходу вращения ротора, с каналом в роторе, с возможностью вытеснения находящегося в нём газа или пара в перепускной канал, при этом далее, по ходу вращения ротора, может быть выполнен по крайней мере один очередной отводной канал.

3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что порт отвода рабочего тела низкого давления обменника давлением подключен к сепаратору сжиженного газа или пара либо смеси через дроссельный вентиль, возможно, после дополнительного охладителя, при этом отвод несконденсированного газа, или пара, или смеси и/или подвод сжижаемого газа или пара или смеси газов или паров присоединён к впуску вентилятора или компрессора низкого давления, выпуск из которого присоединён к порту подвода рабочего тела низкого давления обменника давлением, также выпуск несконденсированного газа, или пара, или смеси из сепаратора конденсата и подвод сжижаемого газа, или пара, или смеси газов или паров подключен к компрессору сжимающего рабочего тела, выпуск из которого присоединён, через теплообменник-охладитель, к порту подвода рабочего тела высокого давления обменника давлением.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что порт отвода рабочего тела низкого давления обменника давлением подключен, возможно, через дроссельный вентиль, после дополнительного охладителя, к теплообменнику, который может быть выполнен в виде испарителя с возможностью отвода тепла от охлаждаемой среды в результате кипения хладагента или смеси хладагентов, циркулирующего в установке, в виде рабочего тела или смеси рабочих тел.

5. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что каждый перепускной канал, начиная с перепускного канала, заполненного газом с наибольшим давлением, или по крайней мере часть каналов, а возможно и по крайней мере один отводной канал посредством противоточного теплообменного аппарата последовательно подключен по мере снижения температуры теплоносителя и давления газа и/или пара в перепускных каналах, а возможно и в отводных каналах к источнику подвода тепла.

6. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что теплообменник с вмонтированными в него перепускными каналами, а возможно и отводными каналами подключен к источнику тепла - к выпуску газа и/или пара из компрессора сжимающего рабочего тела или к выпуску газа и/или пара из порта отвода рабочего тела высокого давления каскадного обменника давлением, возможно, через циркуляционный вентилятор либо одновременно и к выпуску из компрессора и порта отвода рабочего тела высокого давления, при этом выпуск охлаждённого газа и/или пара из теплообменного аппарата с вмонтированными в него перепускными, а возможно и отводными каналами подключен к порту подвода рабочего тела высокого давления каскадного обменника давлением.

7. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что теплообменник с вмонтированными в него перепускными каналами, а возможно и отводными каналами подключен к источнику тепла через промежуточный теплоноситель, при этом источником тепла может быть окружающая среда, возможно водоём, или теплообменник-охладитель.

8. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела содержит смесь по крайней мере из двух хладагентов с разными температурами и давлением конденсации, при этом выпуск из компрессора сжимающего рабочего тела и выпуск из порта отвода рабочего тела высокого давления обменника давлением, через циркуляционный вентилятор, подключен по крайней мере к одному теплообменнику-охладителю с сепаратором конденсата легкокипящего хладагента, при этом выпуск несконденсированного рабочего тела - низкокипящего хладагента из сепаратора конденсата - подключен к порту подвода рабочего тела высокого давления обменника давлением, а выпуск сжиженного хладагента из сепаратора конденсата подключен, через дополнительный охладитель, к дроссельному вентилю, выпуск из которого подведён к потребителю холода - к теплообменнику охлаждаемого и/или сжижаемого газа или пара, а порт отвода рабочего тела низкого давления обменника давлением также подключен к потребителю холода, например, в более или в менее высокотемпературной части теплообменника охлаждения охлаждаемого и/или сжижаемого газа или пара.

9. Установка по п. 8, отличающаяся тем, что выпуск сжиженного хладагента из сепаратора конденсата, подключенного к теплообменнику-охладителю, установленному в газовом тракте на выходе смеси рабочих тел из порта отвода рабочего тела высокого давления обменника давлением, присоединён к дроссельному вентилю посредством насоса.

10. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что часть потока рабочего тела из компрессора сжимающего рабочего тела, а возможно и/или из порта отвода рабочего тела высокого давления обменника давлением после по крайней мере одного теплообменника-охладителя подведена через дополнительный охладитель к дроссельному вентилю, выпуск из которого подключен к потребителю холода - к теплообменнику охлаждаемого и/или сжижаемого газа или пара, а порт отвода рабочего тела низкого давления обменника давлением также подключен к потребителю холода в более или в менее высокотемпературной части теплообменника охлаждения, охлаждаемого и/ или сжижаемого газа или пара.

11. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что стенки корпуса обменника давлением, расположенные между выполненными в корпусе портами подвода в каналы и отвода из каналов, выполненных в роторе, рабочего тела, выполнены с возможностью перекрытия, при вращении ротора, с минимальным зазором, в котором могут быть установлены уплотнения - бесконтактные лабиринтные или контактные золотникового типа - впускных и выпускных отверстий по крайней мере одного канала в ряду каналов ротора, при этом в роторе обменника давлением могут быть выполнены по радиусу ротора несколько рядов каналов, по крайней мере два ряда.

12. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что вал ротора обменника давлением подключен к приводу от электрического двигателя с возможностью регулирования оборотов ротора и/или ротор выполнен с возможностью самовращения посредством специальных сопел, выполненных в отдельных портах подвода рабочего тела в каналы ротора также с возможностью регулирования оборотов ротора, при этом корпус обменника давлением может быть выполнен герметичным.

13. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в стенках корпуса каскадного обменника давлением напротив по крайней мере части каналов в роторе, с противоположной стороны совмещённых полностью или частично с окнами, соединёнными с перепускными - массообменными каналами, с возможностью повышения давления в этих каналах ротора, а возможно и, частично, напротив порта подвода рабочего тела высокого давления каскадного обменника давлением, выполнены форсунки с возможностью впрыска в каналы под давлением охлаждающей жидкости, подключенные через насос к сборнику конденсата, одного из сепараторов конденсата, при этом охлаждающей жидкостью может быть вода или по крайней мере один из хладагентов, циркулирующих в установке, по крайней мере в части цикла, в жидком состоянии.

14. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в стенках корпуса каскадного обменника давлением напротив по крайней мере части каналов в роторе, с противоположной стороны совмещённых полностью или частично с окнами, соединёнными с перепускными - массообменными каналами, с возможностью снижения давления в этих каналах ротора, выполнены форсунки с возможностью впрыска в каналы под давлением нагревающей жидкости - воды, сжиженного хладагента, подключенные через насос к источнику нагревающей жидкости в виде водоёма, в виде котла-утилизатора, в виде охладителя сжатого газа с сепарацией горячего конденсата, при этом на выходе из порта отвода рабочего тела низкого давления каскадного обменника давлением выполнен сепаратор нагревающей жидкости, возможно подключенный к источнику нагревающей жидкости, с возможностью повторного нагрева.

15. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что содержит последовательно подключенные к теплообменникам предварительного охлаждения, сжижения и переохлаждения газа и/или пара, по мере его охлаждения, ряд установок с различными хладагентами или смесями хладагентов в качестве рабочих тел, вначале по ходу охлаждения газа или смеси газов с легкокипящими хладагентами, затем с более низкокипящими, при этом между каскадами могут быть установлены сепараторы с возможностью извлечения из потока охлаждаемой смеси газов легкокипящих газов.

16. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что подвод сжатого рабочего тела перед портом подвода рабочего тела высокого давления обменника давлением вмонтирован в устройство отвода тепла в виде теплообменного аппарата, подключенного к источнику холода.