Воздушный теплотрансформирующий агрегат Советский патент 1989 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к холодильной технике, а точнее к расширительным машинам.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей агрегата путем дополнительного охлаждения воздуха.

На фиг.1 представлен агрегат, общий вид; на фиг.2 - то же, продоль- ный разрез агрегата; на фиг.З - сечение А-А на фиг,2 двигателя в начале впуска сжатия, рабочего хода и выпуска; на фиг.4 - то же, в конце впуска, сжатия, рабочего хода и вы- пуска; на фиг.5 - сечение Б-:Б на фиг,2 детандера во время впуска и вьшуска и теплообменника в период подвода к нему тепла; на фиг.6 - то же, во время расширения в конце вьшуска; на фиг.7 - сечение В-В на фиг.2 компрессора в начале впуска и сжатия, а его теплообменник во время отвода от него, тепла к воздуху; на фиг.8 - то же, во время впус- ка и нагнетания; .на фиг.9 - сечение Г-Г на фиг.2; на фиг.10 - сечение Г-Г на фиг.2 регенератора в другом режиме; на фиг.11 - сечение Б-Б на фиг.2 пакетов пластин; на фиг.12 - вид на пакеты пластин со стороны решеток.

Предлагаемый агрегат содержит двигатель 1, компрессор 2, детандер 3, регенератор 4, теплообменники 5 и 6 соответственно детандера 3 и компрессора 2, объединенные в один агрегат и размещенные в корпусе 7. Кроме того, агрегат содержит вентиляторы 8 и 9 и теплообменник Ю, подклю- ченные к агрегату. Все элементы агрегата объединены в четыре контура. Контур рабочего воздуха содержит компрессор 2, выпускное окно 11 которого- соединено с впускным окном 12 обогреваемой части регенератора 4, выпускное окно 13 которой соединено с впускным окном 14 дета ндера 3. Выпускное окно 15 детандера 3 соединено с впускным окном 16 обогрева ющей части регенератора 4, вьшускное окно 17 которой соединено с впускным окном 18 компрессора 2.

Контур охлаждаемого воздуха со- держит вентилятор 8, выход которого сообщается с атмосферой, а вход через окно 19 коллектора 20 сообщается с полостью теплообменника 5.

Впускное окно 21 теплообменника 5 сообщается с атмосферой.

Контур нагреваемого воздуха со- держит вентилятор 9, выход которого через окно 22 коллектора 20 сообщается с полостью теплообменника 6. Выпускное окно 23 теплообменника 6 через рубашку охлаждения двигателя 1 и корпус теплообменника 40 сообщается с потребителем тепла 24. Потребитель тепла 24 соединен также со входом вентилятора 9.

Контур двигателя содержит двигатель 1, впускное окно 25 которого сообщается с атмосферой и вьшускное окно 26 через теплообменник Ю сообщается с атмо сферой.

В полости двигателя 1 укреплены форсунка 27, датчик 28 управления форсункой 27, свеча 29, пусковые стопоры 30 и 31, труба 32 для подвода сжатого воздуха при пуске.

Корпус 7 закрыт с торцов крьшзками 33, к которым прикреплен коллектор 20, коаксиально размещенный в корпусе 7. В корпусе 7 коаксиально размещены роторы 34 и 35. Ротор 34 име- ет два радиальных поршня 36 двига те- ля 1, два поршня 37 компрессора 2, два поршня 38 детандера 3 и два поршня 39 регенератора 4, соединенные кольцами 40. Ротор 35 имеет два.поршня 41 двигателя 1, два поршня 42 компрессора 2, два поршня 43 детандера 3 и два поршня 44 регенератора 4, соединенные кольцами 45, Ротор 34 кинематически посредством шестерни 46, прикрепленной к ротору 34, и шестерни 47 соединен с пневмодвига- телем 48. Коллектор 20 в полости регенератора 4 имеет две перепускные выемки 49.

Между поршнями 37 и. 42 компрессора 2, поршнями 38 и 43 детандера 3, поршнями 39 и 44 регенератора 4 имеются по четыре камеры, в которых помещены па кеты теплообменных пл астин 50. Пластины 50 волнистые и соединены между собой радиальными швами, проходящими по гребням волн в пру-. жиняш 1е пакеты, работающи е как на сжатие, так и на растяжение. Имеются силовые пластины 51, помещённые в пакеты и делящие пакеты на равные части, прикрепленные к силовым. пластинам 51. Крайние силовые пластины 51 пакета соединены сильфона- ми 52 с поршнями 37 (38, 39, 42,

43, 44). Сильфоны 52 не пропускают воздух в радиальном направлении.Име ются- решетки 53, прикрепленные к корпусу 7 и размещенные в окнах 21, 23, 12, 13, 16, 17. Силовые ила стины 51 имеют перепускные окна 54, а СИЛЬФОНЫ 52 имеют перепускные окна 55, вьфезанные пЪ краям сильфо- нов 52. Все пакеты и решетки 53 имеют одинаковое устройство. Имеется ргулирующий вентиль 56, соединяющий, впускное окно 18 компрессора 2 с атмосферой.

Агрегат работает следующим образом.

В двигателе 1 воздух всасывается через окно 25, сжимается, производится сжигание топлива, расширение образовавшихся газов и их выпуск через окно 26 и теплообменник 10 в атмосферу. Двигатель 1 вместе с детандером 3 приводит в действие компрессор 2 и регенератор 4.

В контуре рабочего воздуха воздух входит через окно 18 в компрессор 2. Так как тепло при сжатии отводится к пластинам 5Р, воздух в компрессоре -2 сжимается почти изотермически и нагнетается через окно 11, ок но 12 в обогреваемую часть регенератора 4. В регенераторе 4 воздух изобарически охлаждается, отдавая тепло пластинам 50 регенератора 4 и через окно 13, окно 14 поступает в детандер 3. Так как при расширении тепло к воздуху подводится от пластин 50, в детандере 3 воздух .расширяется почти изотермически и вытесняется через окно 15, окно 16 в обогревающую часть регенератора 4. Там воздух изобарически нагревается, получая тепло от пластин 50 регенератора 4 и через окно 17, окно 18 поступает в компрессор 2. Минимальное давление в агрегате регулируется открытием вентиля 56 и при минимальной тепловой нагрузке устанавливают на входе компрессора 2 давление мень

ше атмосферного, а при максимальной тепловой нагрузке устанавливают на входе компрессора 2 давление, равное атмосферному.

В контуре охлаждаемого воздуха воздух из атмосфры засасывается через окно 21, проходит теплообменник 5, окно 19 коллектора 20 и выбрасывается вентилятором 8 в атмосферу.

1460553

10

15

20

30

35

В теплообменнике 5 воздух охлаждается, отдавая тепло пластинам 50.

Б контуре нагреваемого воздуха воздух из потребителя тепла 24 вентилятором 9 подается через окно 22 коллектора 20 в теплообменник 6. В теплообменнике 6 воздух нагревается, получая тепло от пластин 50 и

через окно 23, рубашку охлаждения двигателя 1, теплообменник 10 посту-, пает к потребителю тепла 24. Воздух, получая тепло от рубашки охлаждения двигателя 1 и теплообменника 10, подогревается.

Роторы 34 и 35 вращаются по часовой стрелке с изменяющимися по синусоидальному закону скоростями,причем ротор 34 движется в противофазе к ротору 35, а максимальная скорость в несколько раз больше минимальной. Между поршнями 36 и 41 двигателя 1, поршнями 37 и 42 компрессора 2, поршнями 38 и 43 детандера 3 и поршнями 25 39 и 44 регенератора 4 имеются по четыре камеры, которые движутся по окружности и изменяются в размерах, причем камеры имеют минимальный размер при прохождении их мимо горизонтальной оси и максимальный размер при прохождении камер мимо вертикальной оси.

В двигателе 1, когда камера между поршнями 36 и 41 движется мимо окна 25, она увеличивается и в нее засасывается воздух. Когда камера перестает сообщаться с окном 25, она начинает уменьшаться и воздух в ней сжимается. Когда воздух будет сжат, пор- шень 36 или 41 воздействует на датчик 28 и форсунка 27 впрыскивает топливо,Kotopoe воспламеняется свечой 29. Топливо сгорает, температура и давление газов повьш1ается и происходит расширение газов, то есть рабочий ход. Когда камера увеличивается до максимума, она начинает сообщаться с окном 26, начинает уменьшаться, и отработанный газ вытесняется в

40

45

50 атмосферу.

За один оборот камеры по окружности происходит впуск, сжатие, рабочий ход и вьшуск. Смена процессов 5 при движении камеры по окружности

показана на круговой диаграмме фаз .газораспределения (фиг.З). Начало продессов показано на фиг.З, окончание - на фиг.4.

В детандере 3, когда камера между поршнями 38 и 43 движется мимо окна 14, она увеличивается и заполняется сжатым рабочим воздухом. Когда поршень 38 и 43 перекроет окно 14, сжатый воздух, поступивший в камеру, расширяется,перераспределяясь в пакете через перепускные окна 54 и 55 и с торцов пластин 50. Когда температура воздуха станет меньше температуры плартин 50, тепло от пластин 50 подводится к расширяющемуся воздзгху и расширение производится почти изотермически. Когда камера увеличивается до максимума, она начинает сообщаться с окноМ 15, начинает зт еньшаться, и воздух вытесняется в регенератор 4. Когда камера начинает сообщаться с окнами 19 и 21 теплообменника 5, пластины 50 расходятся и воздух вентилятором 8 прокачивается между пластинами 50 детандера 3, нагревая их.

За пол-оборота камеры по окружности в детандере 3 производится впуск сжатого воздз а, расширение с подводом тепла и выпуск. Другие полоборота камеры по окружности в теплообменнике 5 производится отвод тепла от охлаждаемого воздуха. Смена процессов при движении камер по окружности показана на диаграмме фаз газораспределения (фиг.5).

В компрессоре 2, когда камера между поршнями 37 и 42 движется мимо окна 18, она увеличивается и в нее засасывается воздух. Когда камера .увеличивается до максимума, она перестает -сообщаться с ркном 18, начинает уменьшаться и роздух в ней .сжимается, перераспределяясь в пакете через окна 54 и 55 и с торцов пластий 50. Когда температура воздуха становится вьш1е температуры

пластин 50, тепло от сжимаемого во . ... . духа передается пластинам 50. Когда

камера начинает сообщаться с цкном 11, сжатый воздух нагнетается в регенератор 4. Когда камера окажется против перемычки между окнами 11 и 23, почти весь воздух будет вытесне в окно 11, а пластины 50, силовые пластины 51 и сильфоны 52 сложатся в плотньш пакет. Небольшое количест воздуха, оставшееся между пластинам 50, амортизирует, предотвращая соударение поршней 37 и 42. При движении камеры мимо перемычки между

о

10

15

20

25

30

35

40

45

50

окнами 11 и 23, она увеличивается и остатки находящегося в ней сжатого воздуха расширяются, совершая полезную работу. Когда камера начинает сообщаться с окнами 22 и 23 теплообменника 6, пластины 50 расходятся, воздух вентилятором 9 прокачивается между пластинами 50 и тепло подводится к нагреваемому воздзгху, а пластины 50 охлаждаются.

За пол-оборота камеры по окружности в компрессоре 2 производится впуск, сжатие с отводом тепла к пластинам 50 и нагнетание. Другие полоборота камеры по окружности в теплообменнике 6 производится подвод тепла к нагреваемому воздуху от пла- стин 50. Смена процессов при движении камер по окружности показана на диаграмме фаз газораспределения (фиг.7).

В регенераторе 4, когда камера между поршнями 39 и 44 движется в верхней части, она сообщается с окнами 12 и 13, перепускной выемкой 49 коллектора 20 и сжатый воздух поступает через окно 12 проходит между пластинами 50, охлаждаясь, и уходит через окно 13. Когда камера подойдет к перемычке между окнами 12 и 16, она уменьшится до минимума и пластины 50 и 51 и сильфоны 52 сложатся в плотный пакет. Когда камера движется мимо перемычки между окнами 12 и 16, она увеличивается и остатки сжатого воздуха в ней расширяются, совершая полезную работу. Когда камера начинает сообщаться с окнами 16 и 17 и перепускной выемкой 49 коллектора 20, воздух после детандера поступает через окно 16, проходит между пластинами 50, нагреваясь, и уходит через окно 17.

Напротив перемычек между окнами 12, 16 и 13, 17 всегда находится одна из пар поршней 39 или 44, от- деляя верхнюю полость высокого дав- ления регенератора 4 от нижней полости регенератора 4.

5

Пакеты пластин 50 переходят из, половины высокого давления в половину низкого давления в плотно сложенном виде и перетекание сжатогЪ рабочего воздуха в половину низкого давления незначительно.

Смена процессов в регенераторе 4 при движении камер по окружности по

7

казана на диаграмме фаз газораспределения (фиг.9).

Роторы 34 и 35 имеют одинаковьй момент инерции относительно оси вращения, движутся свободно и закон их движения определяется давлениями в камерах агрегата. Когда одни из камер имеют минимальный размер и находятся у горизонтальной оси, скорости роторов 34 и 35 равны. В начале процессов суммарное усилие от расширяющихся газов в камере двигателя 1 и впускаемого сжатого воздух в камере детандера 3 превышает суммарное усилие от давления газон и других камерах и ротор 35 разгоняется, так как его поршни 41 и 43 идут впереди, а ротор 34 замедляетс и его поршни 36 и 38 идут сзади, а камеры увеличиваются. Во время расширения газов в камере двигателя 1 и сжатого воздуха в камере детандер 3, давление снижается, а давление сжимаемого воздуха в камере двигателя 1 и в камере компрессора 2 увеличивается и в других камерах давление не меняется. Когда усилие от расширяющихся газов станет меньше суммарного усилия от давления газов в других камерах, ротор 34 начнет разгоняться, а ротор 35 начнет замеляться, расходуя кинематическую энегию на продолжение процессов.- В это момент скорость поршней ротора 34 минимальна и их оси симметрии проходят мимо горизонтальной оси, а оси симметрии поршней 41-44 проходят мимо вертикальной оси с максимальной скоростью, которая в несколько раз больше скорости поршней 36-39. Когда камеры окажутся у горизонтальной оси, они уменьшатся до минимального размера, скорости роторов 34 и 35 сравняются, а поршни 41 пройдут по окружности в три раза большее расстояние, чем поршни 36. Далее все повторяется только теперь поршни 36 идут впереди, а поршни 41 сзади и так далее.

Пневмодвигатель 48 поддерживает вращение роторов 34 и 35, восполняя своей работой потери энергии на трение движущихся .частей о неподвижные, Передача энергии с ротора 34,-соеди- .ненного с пневмодвигателем 48, к ротору 35 осуществляется в момент амортизации пакета пластин 50 во время

максимального схождения поршней 37 и 42.

Пластины 50 соединены между собой в пружинящий пакет, работающий как на сжатие, так и на растяжение, в котором каждая пластина 50 работает на изгиб как плоская пружина, В среднем пакет движется со скоростью, равной средней скорости поршней 37 и 42. Упругость и масса пакетов подобрана такой, что пакет, совершая гармонические колебания, сжимается и расширяется с периодом, за который камера между поршнями 37 и 42 проходит по окружности пол-оборота.

0

5

0

5

В начале, когда камера между поршнями 37 и 42 минимальна, пакет сжат. Во время увеличения камеры пакет раз- ж.имается, пластины 50 разгоняются и когда пакет полностью разожмется, пластины 50 двигаются по инерции, растягивая пакет. Когда камера имеет максимальный размер,пакет и сильфо- ны 52, прикрепленные к нему, имеют максимальное растяжение и расстояние между плас1инами 50 равно двум-четырем толщинам пластины 50. Когда камера начинает уменьшаться, пакет сжимается, пластины 50 разгоняются и, когда растяжение пакета становится равным нулю, пластины 50 двигаются по инерции, сжимая пакет. В этот момент на пакет также воздействуют поршни 37 и 42, сжимая его, и, когда камера становится минимальной, пакет полностью сожмется.

0

0

е

Силовые пластины 51 выполнены в поперечном сечении клиновидными, что позволяет набирать пакеты пластин 50 из плоских в поперечном сечении пластин. Силовые пластины 51 воспринимают центробежное усилие 5 от пластин 50, которые корпуса 7 не касаются, пластины 51 скользят по поверхности корпуса 7 и не позволяют смещаться в радиальном направлений пластинам 50. Максимальные размеры камер значительно больше растяжения пакета и сильфоны 52 при растяжении предотвращают перетекание воздуха мимо пакета. Решетки 53 являются дополнительным сопротивлением для прохода воздуха, причем сопротивление решеток 53 изменяется по длине дуги так,что сопротивление решетки 53 вьш1е там, где пакет имеет минимальное сопротивление,а суммарное сопротивление решетки 53 и пакета примерно постоянно.

При работе компрессора 2 напротив перемычек между окнами 11, 18 и 23 всегда находится одна из пар поршней

37или 42, отделяя полость компрессора 2 от полости теплообменника 6.

При работе детандера 3 напротив перемычек между окнами 14, 15 и 21 всегда.находится одна из пар поршней

38или 43, отделяя полость детандера 3 от полости теплообменника 5.

При работе агрегата среднее давление рабочего воздз а в агрегате больше атмосферного и из-за утечки воздуха со стороны максимального давления в теплообменники 5 и 6, минимальное давление в агрегате установится меньше атмосферного, при этом подсосы воздуха будут равны утечкам. Изменяя величину открытия вентиля 56 можно изменять минимальное давление, т.е. можно изменять среднее давление рабочего воздуха в агрегате в 2 раза.

Для обеспечения надежной работы агрегата среднюю скорость вращения роторов 34 и 35 поддерживают пропорциональной корню квадр.атному от среднего давления рабочего воздуха.

Необходимый температурный режим агрегата устанавливается самостоя- тельно, так как пластины 50 меняют свою температуру вслед за изменением температуры охлаяСдаемого или нагреваемого воздуха.

На пластинах 50 детандера 3 может откладьтаться, иней. Дпя устранения обледенения выключают вентиляторы 8 и 9,. т.е. прекращают отвод тепла от агрегата. Вся механическая энергия, подводимая двигателем 1, . пойдет на разогрев деталей (в основном пластин 50) агрегата и через 1 - 2 мин пластины 50 детандера 3 оттают и можно будет включать вентиляторы 8 и 9.

Запуск агрегата осзпцествляется так. Включают вентиляторы 8 и 9. Пневмодвигателем 48 проворачивают ротор 34 по часовой стрелке и,когда один из поршней 36 пройдет мимо стопора 31, выдвигают стопор 31 внутрь полости. Вращают ротор 34, пока ротор 35, увлеченный ротором 34,не упрется одним из поршней 41 в стопор 31. Прекращают вращение роторов 34

и 35 и вьщвигают стопор 30. Роторы 34 и 35 оказываются зафиксированными, а одна из камер между поршнями

36 и 41 оказывается над форсункой 27. Заполняем эту камеру сжатым воздухом через трубу 32. Открываем ре- |гулирующий. вентиль 56. Пневмоци- линдром извлекают стопор 31 и одновременно форсункой 27 впрыскивают пусковую порцию топлива, а свечой 29 воспламеняют его. Во всех камерах происходят те же процессы, что и при нормальной работе. Когда портень 36 перестанет упираться в стопор 30, извлекают стопор 30 из камеры двигателя 1. В начале в течение нескольких секунд компрессор 2 подает больше воздуха, чем потребля8Т детандер 3 и давление в части высокого давления возрастает пока не установится расчетное давление в окне 14 детандера 3, при котором весь воздух компрессора 2 расширяется в детандере 3. Воздух для подъема давления засасьтается в компрессор 2 через вентиль 56. Через несколько секунд температуры всех пластин 50 компрессора 2, детандера 3 и регенератора 4 выйдут на необходимый температурный режим.

Формула изобретения

Воздушный теплотрансформирующий агрегат, содержащий цилиндрический корпус с коаксиально расположенными в нем двумя роторами, каждый из ко- торьк снабжен парой диаметрально

расположенных поршней регенератора, двигателя и компрессора, образующих рабочие камеры с впускными и выпускными окнами, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем дополнительного охлаждения воздуха, агрегат дополнительно содержит линии охлаждающего и охлаждаемого воздуха, в корпусе дополнительно размещены

на каждом роторе пара диаметрально расположенных поршней детандера, два теплообменника,, размещенн ых соответственно в компрессоре и детавде- ре, пакеты пружинящих теплообменных

пластин, размещенные между поршнями регенератора, детандера и компрессора и соединенные с ними посредством дополнительно установленных сильфо- нов, неподвижный коллектор, распоW

7 ii7

II I

Изобретение относится к холодильной технике, м.б. использовано в расширительных машинах. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей агрегата путем дополнительного охлаждения воздуха. В цилиндрическом корпусе коаксиально расположены роторы. Каждый ротор снабжен двумя диаметр ально расположенными поршнями регенератора 4, двигателя, компрессора 2, образующих рабочие камеры с впускными и выпускными, окнами, и детандера 3. Теплообменники 6 и 5 расположены соответственно в компрессоре 2 и детандере 3, 11 кеты пружинящих теплообменных пластин - между поршнями регенератора 4, детандера 3 и компрессора 2 и соединены с ними с помощью дополнительно установленных сильфонов. Неподвижный коллектор 20 расположен по оси роторов и разделен на два канала: один канал сообщен с теплообменником компрессора и линией охлаждающего воздуха, а другой - с«теплооб- менником 5 детандера 3 и линией охлаждаемого воздуха. Выпускное окно компрессора 2 соединено через обогреваемую часть регенератора 4 с входом детандера 3, а выход его через обогревающую часть регенератора 4 - с входом компрессора 2. Воздух, проходя между пакетами пластин, охлаждается. Конструкция агрегата позволяет устанавливать необходимый т-рный режим самостоятельно, так как пластины компрессора 2 меняют свою т-ру вслед за изменением т-ры охлаждающего воздуха или .нагреваемого воздуха. ..12 ил. 20 8 (О |й оэ о О1 ел 00 16 456 фиг.1

Фиг. 2

Л-Л

so

i

Б Б

Фш,т

В-Б

«J

Фм.$

r-r

г-г

Фиг. и

шощ

Л

5/

Фие.12

Составитель А.Федотов Редактор С.Патрушева Техред А.Кравчук Корректор М.Самбо рская

528/47

Тираж 462

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Вид

г

55

Л

Подписное