Тепловий компресор каскадного обміну тиском

Реферат: Тепловий компресор каскадного обміну тиском містить камеру згоряння з вхідним і вихідним патрубком, каскадний обмінник тиску з ротором і каналами підведення і відведення стискаючого газу. Канал для відведення стискаючого газу оснащений охолоджувачем і підключений до впускного патрубка лопаткового компресора, нагнітальний патрубок якого сполучений з каналом для підведення стискаючого газу за допомогою проточної частини теплообмінника, розміщеного у вихідному патрубку камери згоряння, підключеному до газовпускного патрубка турбіни, вихлопний патрубок якої з'єднаний з атмосферою. При цьому турбіна і лопатковий UA 103965 C2 (12) UA 103965 C2 компресор розміщені на одному валу, сполученому через редуктор з ротором каскадного обмінника. UA 103965 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області енергетичного машинобудування, зокрема до компресорних установок і може бути використаний для живлення стисненим повітрям різних споживачів. Відомо компресор теплового стиску, що містить патрубки для підведення і відведення робочого тіла, ротор з лопатками, що охоплює частину статора з виконаними у ньому паралельними один одному каналами, що попарно з'єднують суміжні міжлопаткові обсяги, і опозитно розташованими вікнами для підведення низького і високого тиску. Зовнішня поверхня ротора охоплена кожухом, що містить вікна для відведення низького і високого тиску, вікно для підведення високого тиску і вікно для відведення високого тиску зв'язані магістраллю, у якій розміщене джерело підведення теплоти, а на ділянці, що примикає до вікна для відведення високого тиску, розташований патрубок відбору стисненого робочого тіла до споживача [див. Патент РФ № 2189497, MПК F04B 19/24, Опубл. 20.09.2002, бюл. № 26]. Недоліком відомого пристрою є недостатньо висока ефективність перетворення тільки теплової енергії джерела підведення теплоти в енергію стиснутого повітря, а також значні витрати механічної енергії зовнішнього джерела на привід ротора. За прототип вибрано тепловий компресор каскадного обміну тиском (КОТ), що містить камеру згоряння з вхідним і вихідним патрубками, каскадний обмінник тиску з ротором і каналами для підведення і відведення стискаючого газу. Вікна для відведення стисненого повітря і для підведення стискаючого газу каскадного обмінника сполучені відповідно із вхідним і вихідним патрубком камери згоряння. Як стискаюче середовище використовуються гази, отримані в камері згоряння у результаті спалювання палива з частиною стисненого у каскадному обміннику повітря. Проштовхування стисненого повітря через камеру згоряння і продування комірок ротора свіжим повітрям здійснюється відповідно витискувальним і продувним вентиляторами з механічним приводом. Робочий цикл компресора здійснюється за рахунок прямого перетворення теплової енергії продуктів згоряння у роботу стисненого повітря з незначним залученням механічної енергії на привод ротора компресора від зовнішнього джерела [див. О.І. Крайнюк Нові схеми і принципи організації робочих процесів теплоенергетичних машин // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля, Луганськ, Вид-цтво СНУ. - 2010. - № 3 (145). 4.2. - С. 187-204]. Недоліком відомого теплового компресора є його невисока автономність внаслідок необхідності використання зовнішніх джерел механічної або електричної енергії для привода продувного, витискувального вентиляторів і ротора каскадного обмінника тиску, при цьому наявність приводів ускладнює конструкцію. Іншим недоліком є забруднення стисненого повітря продуктами згоряння через підмішування частини стискаючих газів до стисненого повітря у комірках ротора, що виключає можливість застосування пристрою в галузях промисловості, де пред'являються високі технологічні вимоги до чистоти стисненого повітря, наприклад, у харчовій і медичній промисловості. Технічним результатом винаходу є зменшення витрат механічної енергії на здійснення робочого циклу теплового компресора шляхом того, що як витискувальний та продувний вентилятори застосовано лопатковий компресор, що приводиться в дію турбіною, робочим тілом у якій служать продукти згоряння, які підводяться з камери згоряння через теплообмінник, у якому підігрівають стиснуте лопатковим компресором повітря, що надалі використовується як стискаюче середовище у робочому циклі КОТ. Відзначене дозволить спростити конструкцію, одержати стиснене повітря без домішок продуктів згоряння і здійснити автономний привод всіх елементів тепловогокомпресора. Поставлена задача вирішується тим, що в тепловому компресорі каскадного обміну тиском, що містить камеру згоряння з вхідним і вихідним патрубками, каскадний обмінник тиску з ротором і каналами для підведення і відведення стискаючого газу, відповідно до винаходу, канал для відведення стискаючого газу оснащений охолоджувачем і підключений до впускного патрубка лопаткового компресора, нагнітальний патрубок якого сполучений з каналом для підведення стискаючого газу за допомогою проточної частини теплообмінника, розміщеного у вихідному патрубку камери згоряння, підключеному до газовпускного патрубка турбіни, вихлопний патрубок якої з'єднаний з атмосферою, причому турбіна і лопатковий компресор розміщені на одному валу, сполученому через редуктор з ротором каскадного обмінника. Підключення каналу для відведення стискаючого газу до впускного патрубка лопаткового компресора, нагнітальний патрубок якого сполучений з каналом для підведення стискаючого газу за допомогою проточної частини теплообмінника забезпечить продування і витиснення в контурах низького і високого тиску одним лопатковим компресором, що спростить конструкцію теплового компресора. Завдяки сполученню нагнітального патрубка з каналом для підведення стискаючого газу за допомогою проточної частини теплообмінника, розміщеного у вихідному патрубку камери 1 UA 103965 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 згоряння здійснюється підвищення температури стисненого лопатковим компресором повітря за рахунок теплової енергії газів з камери згоряння, що, в остаточному підсумку, дозволить використовувати чисте стиснене повітря як стискаюче середовище у робочому циклі КОТ і, таким чином, виключити підмішування продуктів згоряння до стисненого повітря, забезпечуючи можливість його використання в різних галузях промисловості з високими технологічними вимогами до чистоти стисненого повітря. Підключення вихідного патрубка камери згоряння до газовпускного патрубка турбіни, вихлопний патрубок якої з'єднаний з атмосферою, а також розміщення турбіни і лопаткового компресора на одному валу, сполученому через редуктор з ротором каскадного обмінника дозволить використовувати енергію гарячих газів, які генеруються камерою згоряння, для одержання механічної енергії у турбіні, що витрачається на привод всіх елементів теплового компресора. При цьому наявність охолоджувача у впускному патрубку лопаткового компресора зменшує витрати потужності на стискування повітря в ньому, сприяючи достатності механічної енергії турбіни для привода всіх елементів теплового компресора, що дозволить відмовитися від додаткових зовнішніх джерел механічної або електричної енергії, спростить конструкцію і забезпечить автономність установки. Суть винаходу пояснюється схематичним зображенням теплового компресора каскадного обміну тиском. Тепловий компресор каскадного обміну тиском містить каскадний обмінник тиску 1, постачений ротором 2 з комірками 3, статором 4 з напорообмінними каналами 5, що включає вікно 6 для підведення повітря, сполучене з атмосферою каналом 7 для підведення свіжого повітря, вікно 8 для відведення газів, з'єднане каналом 9 для відведення стискаючого газу з розмішеним у ньому охолоджувачем 10 із впускним патрубком 11 лопаткового компресора 12, нагнітальний патрубок 13 якого сполучений за допомогою проточної частини 14 теплообмінника 15 і каналу 16 для підведення стискаючого газу з вікном 17 для підведення газів, а також вікно 18 для відведення повітря, з'єднане одночасно з патрубком 19 для відведення повітря до споживача і з каналом 20 для відведення стисненого повітря, підключеним до камери згоряння 21, у вихідному патрубку 22 якої розміщено теплообмінник 15, підключений до газовпускного патрубка 23 турбіни 24, сполученої з атмосферою вихлопним патрубком 25. Турбіна 24 і лопатковий компресор 12 розміщені на одному валу 26, сполученому через редуктор 27 з ротором 2 каскадного обмінника 1. Тепловий компресор каскадного обміну тиском працює наступним чином. У процесі обертання ротора 2 кожна з комірок 3 з попередньо стисненим повітрям сполучається з вікнами 17 для підведення газу і 18 для відведення повітря. У цей період, підігріте у проточній частині 14 теплообмінника 15 стиснене повітря, що нагнітається з патрубка 13 лопаткового компресора 12 через канал 16 для підведення стискаючого газу надходячи в комірку 3, дотискує попередньо стиснене повітря і витісняє його у канал 20 для відведення стисненого повітря, звідки частина повітря відводиться до споживача через патрубок 19 для відведення повітря, а інша частина стисненого повітря направляється у камеру згоряння 21, де відбувається згоряння паливоповітряної суміші. Продукти згоряння, які утворилися, через вихідний патрубок 22 надходять у теплообмінник 15, де віддають частину своєї теплової енергії стисненому у лопатковому компресорі 12 повітрю, підвищуючи його теплоперепад, і направляються у газовпускний патрубок 23. Використання як стискаючого середовища у робочому процесі каскадного обмінника тиску 1 гарячого стисненого повітря, виключає влучення у кінцевий продукт теплового компресора продуктів згоряння. Отримана у турбіні 24 механічна енергія передається по валу 26 на привод лопаткового компресора 12 і за допомогою редуктора 27 ротору 2 КОТ 1, що дозволить відмовитися від використання додаткових джерел зовнішньої механічної або електричної енергії і, таким чином, забезпечити автономність установки. При подальшому обертанні ротора 2, потенційна енергія стискаючого гарячого повітря, що заповнює комірку 3 після роз'єднання з вікном 17 для підведення газу і вікном 18 для відведення повітря, корисно витрачається на попередній стиск свіжого заряду у комірках 3 у процесах каскадного масообміну крізь напорообмінні канали 5, що періодично сполучають суміжні комірки ділянок стиску і розширення, при цьому тиск газів у комірках 3 ділянки стиску підвищується, а комірках 3 ділянки розширення знижується. У період сполучення з вікном 6 для підведення повітря і вікном 8 для відведення газів комірка 3 заповнюється атмосферним повітрям з каналу 7 для підведення повітря, а відпрацьоване повітря, за рахунок розрідження, створюваного у впускному патрубку 11 лопаткового компресора 12, надходить через канал 9 для відведення стискаючих газів до охолоджувача 10, де знижує свою температуру у результаті теплообміну з навколишнім 2 UA 103965 C2 5 10 середовищем. Охолодження повітря на впуску у лопатковий компресор 12 забезпечує зниження витрат на стиск повітря в ньому і достатність потужності турбіни 24 для привода лопаткового компресора 12 і ротора 2 КОТ 1, що дозволить відмовитися від використання зовнішніх джерел енергії. Таким чином, використання одного лопаткового компресора як енергетичного джерела проштовхування робочого середовища через теплообмінник і здійснення продування комірок ротора, забезпечить спрощення конструкції теплового компресора і реалізацію робочого циклу КОТ, стискуючим середовищем, у якому використовується повітря, з кінцевим продуктом повітрям, яке не містить домішок продуктів згоряння, що розширює область використання теплового компресора. Здійснення привода лопаткового компресора 12 і ротора 2 КОТ 1 турбіною 24 дозволяє відмовитися від використання додаткових джерел зовнішньої механічної енергії, спрощує конструкцію і підвищує автономність теплового компресора. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 Тепловий компресор каскадного обміну тиском, що містить камеру згоряння з вхідним і вихідним патрубком, каскадний обмінник тиску з ротором і каналами підведення і відведення стискаючого газу, який відрізняється тим, що канал для відведення стискаючого газу оснащений охолоджувачем і підключений до впускного патрубка лопаткового компресора, нагнітальний патрубок якого сполучений з каналом для підведення стискаючого газу за допомогою проточної частини теплообмінника, розміщеного у вихідному патрубку камери згоряння, підключеному до газовпускного патрубка турбіни, вихлопний патрубок якої з'єднаний з атмосферою, причому турбіна і лопатковий компресор розміщені на одному валу, сполученому через редуктор з ротором каскадного обмінника. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 3