Тепловий компресор каскадного обміну тиском

Реферат: Запропоновано тепловий компресор з каскадним обмінником тиску. Компресор містить патрубки для відведення і підведення низького тиску, патрубок для відведення високого тиску з розміщеним у ньому витискувальним вентилятором. Патрубок для підведення низького тиску сполучений за допомогою встановленого в ньому охолоджувача з нагнітальним патрубком компресора турбокомпресора, газовпускний патрубок турбіни якого оснащений камерою згоряння, підключений до патрубка для відведення низького тиску. Турбокомпресор і витискувальний вентилятор розміщені на одному валу, сполученому через редуктор з ротором каскадного обмінника. UA 104694 C2 (12) UA 104694 C2 UA 104694 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області енергетичного машинобудування, зокрема до агрегатів для стискування повітря шляхом безпосереднього обміну енергією між стискаючим газом і стисливим повітрям, і може бути використаний в компресорних системах. 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, MПK 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 привод ротора. За найближчий аналог вибрано тепловий компресор каскадного обміну тиском з каскадним обмінником тиску (КОТ), що містить патрубки для відведення і підведення низького тиску, патрубок для відведення високого тиску з розміщеним у ньому витискувальним вентилятором (див. О.І. Крайнюк Нові схеми і принципи організації робочих процесів теплоенергетичних машин // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля, Луганськ, Вид-во СНУ ім. В. Даля. - 2010. - № 3(145). Ч.2. – С. 187-204). Основними недоліками найближчого аналога є низька напірність (=4-5), пов'язана зі зростанням частки витоків на фоні загальної витрати стисливого середовища, а також невисока енергетична ефективність, обумовлена малим ступенем розширення гарячих газів у КОТ. Крім того, має місце невисока автономність теплового компресора 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. Технічним результатом винаходу є підвищення напірності і енергетичної ефективності теплового компресора шляхом того, що як продувний вентилятор застосовано компресор, що приводиться до дії розташованою на одному з ним валу турбіною, робочим тілом у якій є продукти згоряння, отримані в результаті допалювання у камері згоряння відпрацьованих у циклі КОТ газів і надлишкового продувного повітря. Крім того, отримана надлишкова робота в турбіні використовуватиметься для привода витискувального вентилятора і ротора КОТ, що дозволить здійснити автономний привод всіх елементів теплового компресора. Поставлена задача вирішується тим, що у тепловому компресорі каскадного обміну тиском з каскадним обмінником тиску, що містить патрубки для відведення і підведення низького тиску, патрубок для відведення високого тиску з розміщеним у ньому витискувальним вентилятором, відповідно до винаходу, патрубок для підведення низького тиску сполучений за допомогою встановленого в ньому охолоджувача з нагнітальним патрубком компресора турбокомпресора, газовпускний патрубок турбіни якого оснащений камерою згоряння, підключений до патрубка для відведення низького тиску, причому турбокомпресор і витискувальний вентилятор розміщені на одному валу, сполученому через редуктор з ротором каскадного обмінника. Сполучення патрубка для підведення низького тиску за допомогою встановленого в ньому охолоджувача з нагнітальним патрубком компресора турбокомпресора поліпшить продування контуру низького тиску КОТ і збільшить напірність теплового компресора за рахунок попереднього підвищення тиску повітря у першому низьконапірному ступені стиску повітря. Розміщення у нагнітальному патрубку компресора охолоджувача дозволить у результаті зниження температури стисненого у першому ступені повітря зменшити роботу стискування робочого тіла у каскадному обміннику тиску, що сприятиме збільшенню ККД теплового компресора. Підключення газовпускного патрубка турбіни турбокомпресора до патрубка для відведення низького тиску дозволить збільшити ступінь розширення гарячих газів, що залишають каскадний обмінник тиску, за рахунок додаткового їхнього розширення у турбіні, що підвищує ККД теплового компресора. Розміщення у газовпускному патрубку турбіни камери згоряння, а також розміщення турбокомпресора і витискувального вентилятора на одному валу, сполученому через редуктор з ротором каскадного обмінника, дозволить використовувати енергію гарячих газів, генерованих камерою згоряння для одержання механічної енергії у турбіні, що витрачається на привод всіх 1 UA 104694 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 елементів теплового компресора, що, врешті-решт, реалізує повну автономність роботи теплового компресора. Суть винаходу пояснюється схематичним зображенням теплового компресора каскадного обміну тиском з каскадним обмінником тиску 1, що містить ротор 2 з комірками 3, патрубок 4 для підведення низького тиску, сполучений за допомогою встановленого у ньому охолоджувача 5 з нагнітальним патрубком 6 компресора 7 турбокомпресора 8, патрубок 9 для відведення низького тиску з камерою згоряння 10, підключений до газовпускного патрубка 11 турбіни 12 турбокомпресора 8, патрубок 13 для підведення високого тиску з камерою згоряння 14, сполучені з витискувальним вентилятором 15 патрубка 16 для відведення високого тиску з підключеним до нього патрубком 17 для відведення повітря до споживача. Турбіна 12 і витискувальний вентилятор 15 розміщені на одному валу 18, сполученому через редуктор 19 з ротором 2 каскадного обмінника 1. Тепловий компресор працює наступним чином. Стиснене компресором 7 турбокомпресора 8 атмосферне повітря надходить через нагнітальний патрубок 6 до охолоджувача 5, звідки, знизивши свою температуру, направляється через патрубок 4 для підведення низького тиску у комірку 3 ротора 2 КОТ 1, де здійснює її продування. При цьому комірка 3 заповнюється попередньо стисненим повітрям, а гази, що відпрацювали у робочому процесі КОТ 1, значно розведені продувальним повітрям, витісняються у патрубок 9 для відведення низького тиску, звідки надходять у камеру згоряння 10. Тут суміш із газів і продувного повітря спалюється, а отримані у результаті цього продукти згоряння направляються через газовпускний патрубок 11 у турбіну 12 турбокомпресора 8, де розширюються і відводяться до атмосфери. Отримана механічна енергія турбіни 12 витрачається на привод розташованих на одному з нею валу 18 агрегатів, таких як компресор 7, витискувальний вентилятор 15 і ротор 2 КОТ 1 через редуктор 19, що дозволить відмовитися від використання додаткових джерел зовнішньої механічної або електричної енергії і, таким чином, забезпечити автономність установки. Стиснене у комірці 3 у процесі каскадного масообміну в КОТ 1 повітря частково направляється через патрубок 17 для відведення повітря до споживача, а частина, що залишилася, за допомогою витискувального вентилятора 15 надходить у камеру згоряння 14, звідки вже у вигляді продуктів згоряння повітря з паливом направляється через патрубок 13 для підведення високого тиску у комірку 3 КОТ 1 як стискаюче середовище. Після передачі своєї енергії стисливому повітрю в результаті робочого процесу КОТ 1 стискаюче середовище, що відпрацювало, відводиться через патрубок 9 для відведення низького тиску. Таким чином, підвищення напірності і енергетичної ефективності теплового компресора досягається за рахунок теплової енергії гарячого робочого тіла, яке розширилося у КОТ 8, при цьому механічна енергія, необхідна для приводу витискувального вентилятора 14, компресора 7 і ротора 2, виробляється турбіною 12, що виключає необхідність застосування зовнішніх джерел механічної енергії і, як наслідок, визначає автономність роботи теплового компресора. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Тепловий компресор з каскадним обмінником тиску, що містить патрубки для відведення і підведення низького тиску, патрубок для відведення високого тиску з розміщеним у ньому витискувальним вентилятором, який відрізняється тим, що патрубок для підведення низького тиску сполучений за допомогою встановленого в ньому охолоджувача з нагнітальним патрубком компресора турбокомпресора, газовпускний патрубок турбіни якого оснащений камерою згоряння, підключений до патрубка для відведення низького тиску, причому турбокомпресор і витискувальний вентилятор розміщені на одному валу, сполученому через редуктор з ротором каскадного обмінника. 2 UA 104694 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій 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