Тепловий компресор каскадного обміну тиском

Реферат: У тепловому компресорі каскадного обміну тиском, що містить каскадний обмінник тиску з вікнами для підведення і відведення високого тиску, канал для відведення стисненого повітря, канал для відведення стискаючого середовища, джерело підведення теплоти з вхідним і вихідним патрубками, розміщено парогенератор, що містить насос для подачі води, теплообмінник, розміщений у каналі для відведення стискаючого середовища, магістраль подачі пари, а кожне з вікон для підведення і відведення високого тиску поділено на два сектори, до першого, по напрямку обертанню ротора, сектора вікна для відведення високого тиску підключено канал для відведення стисненого повітря, а до другого сектора цього ж вікна вхідний патрубок джерела підведення теплоти, до першого, по напрямку обертання, сектора UA 99980 C2 (12) UA 99980 C2 вікна для підведення високого тиску підключений вихідний патрубок джерела підведення теплоти, а до другого сектора цього ж вікна - магістраль підведення пари. Технічний результат: зниження витрат механічної енергії на здійснення робочого циклу компресора і підвищення ККД компресора шляхом використання як додаткового стискаючого середовища водяної пари, одержуваної перегрівом рідини теплотою відпрацьованих стискаючих газів, що дозволить зменшити непродуктивний викид тепла в атмосферу з відпрацьованими стискаючими газами. UA 99980 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 поршневого типу, що містить циліндр, поршень, кривошипно-шатунний механізм, впускний і нагнітальний клапани [див. Шерстюк О.М. Насоси, вентилятори і компресори. Навчальний посібник для Вузів. М., Вища школа, 1972. - С. 30-31]. Недоліком відомого пристрою є відносно висока вартість і складність конструкції, а також необхідність використання для привода компресора механічної енергії. За прототип вибрано тепловий компресор каскадного обміну тиском, який містить каскадний обмінник тиску (КОТ) з вікнами для підведення і відведення високого тиску, канал для відведення стисненого повітря, канал для відведення стискаючого газу, джерело підведення теплоти з вхідним і вихідним патрубками [див. Крайнюк О.І., Крайнюк А.А., Алексеев С.В. Компресор каскадного обміну тиском Крайнюка. Локомотив інформ. Міжнародний інформаційний науково-технічний журнал // Харків, Вид-во "Рухомий склад".- березень 2010. С. 59-62]. Вікна для підведення і відведення високого тиску каскадного обмінника тиску сполучені відповідно з вхідним і вихідним патрубком джерела підведення теплоти. Стискаючим середовищем є частина стисненого у каскадному обміннику повітря, підігрітого або перетвореного у гарячі гази у джерелі підведення теплоти. Проштовхування стисненого повітря через джерело підведення теплоти здійснюється за допомогою витискувального вентилятора з механічним приводом. Робочий цикл компресора здійснюється в основному за рахунок прямого перетворення теплової енергії у роботу стисненого повітря. Недоліком прототипу є високі витрати механічної енергії на привод витискувального вентилятора і недостатньо високий ККД, через великі втрати теплової енергії з відведеними у атмосферу стискаючими відпрацьованими газами. Технічним результатом винаходу є зниження витрат механічної енергії на здійснення робочого циклу компресора і підвищення ККД компресора шляхом використання як додаткового стискаючого середовища водяної пари, одержуваної перегрівом рідини теплотою стискаючих відпрацьованих газів, що дозволить виключити витискувальний вентилятор і зменшити непродуктивний викид тепла у атмосферу з стискаючими відпрацьованими газами. Поставлена задача досягається тим, що в тепловому компресорі каскадного обміну тиском, що містить каскадний обмінник тиску з вікнами для підведення і відведення високого тиску, канал для відведення стисненого повітря, канал для відведення стискаючого газу, джерело підведення теплоти з вхідним і вихідним патрубками, згідно до винаходу, тепловий компресор постачено парогенератором, що містить насос для подачі води, теплообмінник, розміщений у каналі для відведення стискаючого газу, магістраль подачі пари, а кожне з вікон для підведення і відведення високого тиску поділено на два сектори, до першого, по напрямку обертанню ротора, сектора вікна для відведення високого тиску підключений канал для відведення стисненого повітря, а до другого сектора цього ж вікна - вхідний патрубок джерела підведення теплоти, до першого, по напрямку обертання, сектора вікна для підведення високого тиску підключений вихідний патрубок джерела підведення теплоти, а до другого сектора цього ж вікна - магістраль підведення пари. Оснащення теплового компресора парогенератором, що містить насос для подачі води, магістраль подачі пари і теплообмінник, розміщений у каналі для відведення стискаючого газу, дозволить знизити втрати теплоти з вихідними у атмосферу стискаючими газами і підвищити ККД теплового компресора за рахунок використання як додаткового стискаючого середовища у КОТ пари, отриманої перегрівом рідини теплотою стискаючих газів, що випускаються з компресора. Поділ кожного з вікон для підведення і відведення високого тиску на два сектори і підключення до першого, по напрямку обертанню ротора, сектора вікна для відведення високого тиску каналу для відведення стисненого повітря, а до другого сектора цього вікна вхідного патрубка джерела підведення теплоти, а також підключення до першого, по напрямку обертання, сектора вікна для підведення високого тиску вихідного патрубка джерела підведення теплоти, а до другого сектора цього вікна - магістралі підведення пари, дозволить здійснити проштовхування стисненого повітря через джерело підведення теплоти за рахунок використання потенційної енергії водяної пари без застосування вентилятора. Завдяки цьому виключаються витрати механічної енергії на привод вентилятора, що забезпечує додаткове підвищення ККД компресора. Суть винаходу пояснюється схематичним зображенням теплового компресора каскадного обміну тиском, що містить парогенератор 1, оснащений резервуаром 2, насосом 3 для подачі води, теплообмінником 4, магістраллю подачі пари 5, а також джерело підведення теплоти 6 з вхідним 7 і вихідним 8 патрубками і каскадний обмінник тиску 9 (КОТ), що включає ротор 10 з 1 UA 99980 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 комірками 11, статор 12 з напірообмінними каналами 13, у якому розміщені вікна для підведення 14 (ПНТ) і відведення 15 (ВНТ) низького тиску, відповідно підключені до каналу 16 для підведення свіжого повітря з вентилятором 17 і до каналу 18 для відведення стискаючого газу з розмішеним у ньому теплообмінником 4, підключеним до сепаратора 19, сполученого з навколишнім середовищем патрубком 20 і з резервуаром 2, а також вікна для підведення 21 (ПВТ) і відведення 22 (ВВТ) високого тиску, кожне з яких розділене на два сектори 23,24 і 25, 26. До першого, по напрямку обертання ротора 10, сектора 26 вікна 22 підключений канал 27 для відведення стисненого повітря, а до другого сектора 25 вікна 22 - вхідний патрубок 7 джерела підведення теплоти 6, до першого, по напрямку обертання, сектора 23 вікна 21 підключений вихідний патрубок 8 джерела підведення теплоти 6, а до другого сектора 24 вікна 21 магістраль 5 подачі пари. Тепловий компресор каскадного обміну тиском працює наступним чином. У процесі обертання ротора 10 кожна з його комірок 11 послідовно сполучається з вікнами 14 ПНТ і 15 ВНТ. У цей період під дією вентилятора 17, розміщеного в каналі 16 для підведення свіжого повітря, здійснюється продування комірки 11 свіжим повітрям. Відроблене стискаюче середовище, яке являє собою суміш водяної пари і газу, витісняється через канал 18 для відведення стискаючого середовища у теплообмінник 4, де прохолоджується водою, що нагнітається насосом 3, у результаті чого водяна пара суміші частково конденсується. Далі суміш надходить у сепаратор 19, у якому здійснюється подальше конденсування парів води і сепарування води з відпрацьованого стискаючого середовища. Відпрацьовані гази відводяться у атмосферу через патрубок 20, а вода надходить у резервуар 2, звідки насосом 3 нагнітається у теплообмінник 4 парогенератора 1, де перегрівається до пароподібного стану теплотою відпрацьованого стискаючого середовища і направляється через магістраль 5 подачі пари до сектора 24 вікна 21 ПВТ. При подальшому повороті ротора 10 розглянута комірка 11, заповнена свіжим повітрям, послідовно сполучається з напірообмінними каналами 13 статора 12, через які в неї надходить суміш водяних парів і газів з суміжних, відносно напірообмінних каналів 13, комірок ділянки розширення. У результаті каскадного масообміну тиск повітряного заряду і суміш водяних парів з газами у комірці 11 східчасто підвищується до рівня попереднього стиснення, що становить більшу частину загального ступеня стиснення робочих середовищ у КОТ 9. У період сполучення комірки 11 з сектором 23 вікна 21 ПВТ гарячі гази, що утворяться у джерелі підведення теплоти 6, надходячи у комірку 11 з вихідного патрубка 8, дотискують попередньо стиснене у ній повітря і витискують частину стисненого повітря через сектор 26 у канал 27 для відведення стисненого повітря. При наступному сполученні розглянутої комірки 11 з сектором 24 вікна 21 ПВТ у комірку 11 надходить водяний пар з тиском, що перевищує максимальний тиск робочого середовища у проточному контурі джерела підведення теплоти 6, у результаті чого здійснюється витиснення стиснутого повітря, що залишилося у комірці 11, і його проштовхування через сектор 25, вхідний патрубок 7 і джерело підведення теплоти 6. Далі нагріті у джерелі підведення теплоти 6 гази через вихідний патрубок 8 підводяться як стискаюче середовище до сектора 23 вікна 21 ПВТ. Таким чином, циркуляція робочого тіла у проточному контурі джерела підведення теплоти 6 забезпечується за рахунок тиску пари, створюваного насосом 3, без застосування витискувального вентилятора, що працює від зовнішнього джерела механічної енергії. Крім того, використання як додаткового стискаючого середовища пари, одержаної перегрівом води "скидною" тепловою енергією відпрацьованого стискаючого середовища (у теплообміннику 4) без додаткових витрат теплової енергії у джерелі підведення теплоти 6, забезпечує збільшення продуктивності і напірності компресора 9. Відзначена утилізація "скидної" теплоти, у свою чергу, підвищує економічність і потужність теплового компресора. У процесі подальшого обертання ротора 10 розглянута комірка 11, заповнена сумішшю водяних парів і газів, послідовно сполучається з напірообмінними каналами 13 статора 12, через які у комірку 11 ділянки стиску надходить суміш пари і газів, здійснюючи у них стиснення свіжого повітря, при цьому тиск суміші у комірці 11 по мірі наближення її до вікон низького тиску 14 і 15 знижується. Далі комірка 11 сполучається з каналами 16 для підведення свіжого повітря і 18 відведення стискаючого газу, у цей період здійснюється продування комірки 11 свіжим зарядом і робочій цикл теплового компресора відновляється, забезпечуючи його безперервну роботу. Таким чином, використання пари, отриманої за рахунок утилізації теплової енергії відпрацьованого стискаючого середовища як додаткове стискаюче середовище, а також енергетичного джерела проштовхування робочого середовища через джерело підведення 2 UA 99980 C2 теплоти, забезпечує збільшення ККД, продуктивності теплового компресора і спрощення його конструкції за рахунок виключення витискувального вентилятора. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Тепловий компресор каскадного обміну тиском, який містить каскадний обмінник тиску з вікнами для підведення і відведення високого тиску, канал для відведення стисненого повітря, канал для відведення стискаючого середовища, джерело підведення теплоти з вхідним і вихідним патрубками, який відрізняється тим, що тепловий компресор оснащено парогенератором, що містить насос для подачі води, теплообмінник, розміщений у каналі для відведення стискаючого середовища, магістраль подачі пари, а кожне з вікон для підведення і відведення високого тиску поділено на два сектори, до першого, по напрямку обертання ротора, сектора вікна для відведення високого тиску підключений канал для відведення стисненого повітря, а до другого сектора цього ж вікна - вхідний патрубок джерела підведення теплоти, до першого, по напрямку обертання, сектора вікна для підведення високого тиску підключений вихідний патрубок джерела підведення теплоти, а до другого сектора цього ж вікна - магістраль підведення пари. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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