Повітряна холодильна машина крайнюка

Повітряна холодильна машина, що містить холодильну камеру, детандер-компресор, виконаний як каскадний обмінник тиску, оснащений каналом для підведення високого тиску з розміщеним у ньому регенератором, сполученим з холодильною камерою каналом для відведення низького тиску з розміщеним у ньому вентилятором, яка відрізняється тим, що регенератор підключений безпосередньо до каналу для відведення низького тиску, а холодильна камера сполучена з каналом для відведення низького тиску на ділянці між вентилятором і регенератором. Винахід належить до галузі машинобудування і може бути використаний в холодильній і морозильній техніці. Відомо повітряну холодильну машину, що містить турбодетандер і компресор, сполучені між собою магістраллю, з розміщеним у ній охолоджувачем повітря, і підключені до холодильної камери (див. Мурзаков В.В. Основи технічної термодинаміки. - М: Енергія, 1973. - с. 304). Недоліком відомого пристрою є невисока ефективність перетворення підведеної енергії у холод, а також висока частота обертання роторів турбодетандера і компресора, що спричиняє необхідність високоточного виготовлення деталей і балансування роторів. За прототип вибрано повітряну холодильну машину, що містить холодильну камеру, детандеркомпресор, виконаний у вигляді каскадного обмінника тиску, оснащеного каналом для підведення високого тиску з розміщеним у ньому регенератором, сполученим з холодильною камерою каналом для відведення низького тиску з розміщеним у ньому вентилятором. Регенератор безпосередньо підключений до холодильної камери. Як компенсаційний ступінь стискування повітря у повітряній холодильній машині застосовується другий каска дний обмінник тиску, робочий цикл якого здійснюється за рахунок теплової енергії, яка підводиться від будь-якого джерела (див. Крайнюк О.І., Брянцев М.А., Крайнюк А.О. Використання принципів каскадного обміну тиском у робочому циклі газових холодильних машин // Двигуни внутрішнього згоряння //Науково-технічний журнал. - Харків: НТУ "ХПІ", 2008. - № 1. - с. 57-61). Недоліком відомого пристрою є обмежена можливість збільшення глибини охолодження холодоагенту у холодильній камері, а також недостатньо висока енергетична ефективність робочого циклу на режимі низькотемпературного охолодження. Зниження температури холодоагенту досягається збільшенням ступеня розширення повітря у детандері за рахунок підвищення максимальної температури циклу, внаслідок чого теплонавантаженість ротора компенсаційного каскадного обмінника зростає, знижується ресурс роботи установки. Крім того, збільшення максимального тиску циклу супроводжується посиленням негативного впливу на ККД витоків робочого тіла і газодинамічних втрат у проточних елементах установки. Підключення регенератора до холодильної камери у відомому пристрої не забезпечує в достатній мірі глибокого охолодження стисненого (19) UA (11) 97163 (13) C2 (21) a201002254 (22) 01.03.2010 (24) 10.01.2012 (46) 10.01.2012, Бюл.№ 1, 2012 р. (72) КРАЙНЮК ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ, КРАЙНЮК АНДРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ (73) СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ (56) GB 427957 A; 29.04.1935 RU 2085813 C1; 27.07.1997 UA 44210 U; 25.09.2009 US 6941768 B2; 13.09.2005 Научный вестник Луганского национального аграрного университета. Серия: Технические науки. Луганск: Издательство ЛНАУ. - 2009. -№ 3. - C. 108-116, рис. 1. 3 повітря у каналі для підведення високого тиску через те, що як охолодне середовище у регенераторі використовується повітря, що вже відібрало тепло від охолоджуваного об'єкта у холодильній камері. При цьому температура повітря на виході з холодильної камери помітно перевищує температуру повітря у вікні для відведення низького тиску. У зв'язку недостатнього охолодження стисненого повітря в каналі для підведення високого тиску обмежується можливість реалізації низькотемпературного циклу каскадного обмінника тиску, що виконує функцію детандер-компресора, що, врешті-решт, приводить до недостатньо низької температури у холодильній камері. Технічним результатом винаходу є підвищення охолодної здатності і ККД повітряної холодильної машини, збільшення ресурсу її роботи, шляхом того, що регенератор підключений безпосередньо до каналу для відведення низького тиску, а холодильна камера сполучена з каналом для відведення низького тиску на ділянці між вентилятором і регенератором, що дозволить збільшити ККД і холодопродуктивність установки без додаткових витрат енергії на здійснення холодильного циклу. Поставлена задача вирішується тим, що в повітряній холодильній машині Крайнюка, що містить холодильну камеру, детандер-компресор, виконаний у вигляді каскадного обмінника тиску, оснащеного каналом для підведення високого тиску з розміщеним у ньому регенератором, сполученим з холодильною камерою каналом для відведення низького тиску з розміщеним у ньому вентилятором, згідно з винаходом, регенератор підключений безпосередньо до каналу для відведення низького тиску, а холодильна камера сполучена з каналом для відведення низького тиску на ділянці між вентилятором і регенератором. Підключення регенератора безпосередньо до каналу для відведення низького тиску забезпечує зниження температури робочого середовища на вході в детандер-компресор, що, у свою чергу, приводить до зниження температури кінця розширення повітряного холодоагенту на виході з детандер-компресора і збільшення охолодної здатності холодильної машини. Одержання більше глибокого холоду в холодильній камері без підвищення максимальної температури циклу і додаткових витрат енергії забезпечує збільшення ККД холодильної машини і підвищення її ресурсу через обмеження максимальної температури циклу. При цьому зниження максимального тиску циклу додатково сприяє збільшенню ККД холодильної машини завдяки зниженню витоків робочого тіла і газодинамічних втрат у проточних елементах і рухливих сполученнях системи. Сполучення холодильної камери з каналом для відведення низького тиску на ділянці між вентилятором і регенератором забезпечує надходження у холодильну камеру частини холодного повітря (холодоагенту) з деяким надлишковим щодо навколишнього середовища тиском. При цьому інша частина холодного повітря з температурою, близькою до температури середовища у вікні для відведення низького тиску каскадного обмінника, надходить як холодоагент у регенера 97163 4 тор, що забезпечує високий ступінь регенеративного охолодження в робочому циклі каскадного обмінника тиску, і, в остаточному підсумку, - підвищення охолодної здатності холодильної машини. Суть винаходу пояснюється кресленням, де зображена повітряна холодильна машина, що містить каскадний детандер-компресор 1, оснащений ротором 2 з комірками 3, каналом 4 для підведення низького тиску, каналом 5 для підведення високого тиску з розміщеним у ньому охолоджувачем повітря 6, каналом 7 для відведення низького тиску з продувним вентилятором 8, послідовно сполученим з холодильною камерою 9 і регенератором 10, підключеним до каналу 4 для підведення низького тиску і розміщеним у каналі 5 для підведення високого тиску, каналом 11 для відведення високого тиску, підключеним до вхідного тракту 12 циркуляційного вентилятора 13, до якого також підключений патрубок 14 для відведення високого тиску компенсаційного ступеня 15. Канал 4 для підведення низького тиску сполучений з холодильною камерою 9 патрубком 16. Каскадний обмінник компенсаційного ступеня 15, оснащений ротором 17 з комірками 18, патрубком 19 для підведення високого тиску з джерелом підведення теплоти 20, сполученим з вихідним патрубком 21 циркуляційного вентилятора 13, патрубками 22 і 23 відповідно для підведення низького тиску з вентилятором 24 і для відведення низького тиску, сполученими з атмосферою. Повітряна холодильна установка працює наступним чином. Підігріте у джерелі підведення теплоти 20 повітря через патрубок 19 для підведення високого тиску надходить у комірки 18 ротора 17 каскадного обмінника компенсаційного ступеня 15, де в результаті здійснення робочого процесу каскадного обміну енергією стискає свіжий заряд, що надходить у комірки 18 з атмосфери через патрубок 22 під дією вентилятора 24. Віддавши значну частину потенційної енергії, стискаюче повітря через патрубок 23 для відведення низького тиску відводиться у атмосферу, а стиснене у роторі 17 повітря через патрубок 14 для відведення високого тиску надходить у вхідний патрубок 12 циркуляційного вентилятора 13, де змішується з повітрям, що надходить з каналу 11 для відведення високого тиску. У циркуляційному вентиляторі 13 тиск потоку підвищується до рівня, достатнього для подолання гідроопору складених елементів двох паралельно підключених контурів високого тиску детандеркомпресора 1 (канал 5 з охолоджувачем 6, канал 11 і проточний сегмент ротора 2 між каналами 5 і 11) і компенсаційного ступеня 15 (патрубок 19 із джерелом підведення теплоти 20, патрубок 14 і проточний сегмент ротора 17 між патрубками 14 і 19). З вихідного тракту 21 циркуляційного вентилятора 13 одна частина потоку повітря направляється у джерело підведення теплоти 20, а інша - у охолоджувач повітря 6, де охолоджується до температури, близької до температури навколишнього середовища, і потім надходить у регенератор 10. Тут відбувається подальше охолодження повітря холодоагентом, за який використовується частина 5 холодного повітря з каналу 7 для відведення низького тиску. Далі охолоджене до температури нижче навколишнього середовища повітря через канал 5 для підведення високого тиску надходить у комірки 3 ротора 2 каскадного детандеркомпресора 1, де, розширюючись, охолоджується і робить роботу стискування повітря, що надходить в комірки 3 з каналу 4 для підведення низького тиску. Частина охолодженого до мінімальної температури повітря через канал 7 для відведення низького тиску за допомогою продувного вентилятора 8, що здійснює продування комірок ротора 2, направляється у холодильну камеру 9, у якій відбирає тепло від охолоджуваного об'єкта і відводиться по патрубку 16 у канал 4 для підведення низького тиску. Частина повітря, яка залишилася, з каналу 7 для відведення низького тиску, маючи ще досить низьку температуру, направляється у регенератор 10, де охолоджує повітря, що рухається по каналу високого тиску 5. Завдяки додатковому зниженню температури стисненого повітря у регенераторі 10 досягається його глибоке охолодження в процесі розширення у детандер-компресорі 1 без залучення додаткової теплової енергії у джерелі підведення теплоти 20 і підвищення максимальної температури циклу. Стиснене у комірках 3 повітря направляється у канал 11 для відведення Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 97163 6 високого тиску, звідки надходить у вхідний тракт 12 циркуляційного вентилятора 13, де змішується з повітрям, що надходить з патрубка 14 для відведення високого тиску. Масова витрата стисненого у такий спосіб у детандер-компресорі 1 повітря становить 50-60 % загальної витрати холодоагенту. Дефіцит витрати холодоагенту у контурі високого тиску детандер-компресора 1 компенсується роботою компенсаційного ступеня стиску повітря 15. Таким чином, знижується мінімальна температура холодильного циклу і глибина охолодження об'єкта без збільшення максимального тиску циклу. При цьому реалізується можливість зниження максимальної температури робочого тіла у каскадному обміннику компенсаційного ступеня, що дозволить зменшити витрати теплової енергії на здійснення низькотемпературного охолодження і збільшити ресурс холодильної машини, через зниження теплонавантаженості деталей установки. Причому обмеження максимального тиску циклу додатково, у свою чергу, сприяє підвищенню ресурсу холодильної установки і підвищенню її економічності за рахунок зниження витоків робочого тіла у рухомих сполученнях роторів обох обмінників. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601