Спосіб повітряного охолодження (змішаний універсальний цикл разумцевих)

Реферат: Спосіб повітряного охолодження - динамічний повітряний цикл для повітряної холодильної машини характеризується тим, що над повітрям здійснюють такі технологічні дії: адіабатичне та ізоентропійне стиснення в компресорі, адіабатичне та ізоентропійне розширення, охолодження і прискорення у геометричному соплі, ізотермічний відбір кінетичної енергії повітряного потоку у повітряній турбіні, ізобаричне нагрівання при відведенні теплоти з охолоджуваного об'єму холодильної камери. UA 118618 U (54) СПОСІБ ПОВІТРЯНОГО ОХОЛОДЖЕННЯ (ЗМІШАНИЙ УНІВЕРСАЛЬНИЙ ЦИКЛ РАЗУМЦЕВИХ) UA 118618 U UA 118618 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до способу охолодження повітря до температури нижче температури навколишнього середовища і може бути використана при створенні екологічно безпечних і енергоефективних побутових і промислових холодильних машин. Ефективність холодильної машини визначається двома факторами: ефективністю розробленого теоретичного циклу, закладеного в спосіб перетворення енергії, і технічною можливістю створення конструкції, реальний цикл якої максимально наближений до теоретичного циклу. Відомий термодинамічний цикл для повітряної холодильної машини - зворотний цикл Брайтона. Апаратно реалізація цього циклу відображена на Фіг. 2. Вона забезпечується: компресором з електродвигуном для стиснення повітря 1, водяним охолоджувачем стисненого повітря 2, турбодетандером 3 і холодильною камерою 4. Цей цикл об'єднує адіабатичні процеси стиснення повітря в компресорі і його розширення в детандері, а також ізобаричні процеси охолодження стисненого повітря у водяному охолоджувачі і його нагріванні при відведенні теплоти з охолоджуваного об'єму холодильної камери. Недоліками даного циклу є: низький холодильний коефіцієнт; необхідність скидання теплого повітря в атмосферу; необхідність використання води в технологічному циклі; великі втрати енергії у реальному циклі у порівнянні з теоретичним, особливо при високому тиску. Крім того, пристрої створені на основі зворотного циклу Брайтона для повітряної холодильної машини відрізняються значними габаритами. В основу корисної моделі поставлена задача подолання зазначених недоліків. Поставлена задача вирішується тим, що у способі охолодження повітря згідно з корисною моделлю здійснюють такі технологічні дії над повітрям: адіабатичне та ізоентропійне стиснення повітря у компресорі; адіабатичне та ізоентропійне розширення, охолодження і прискорення повітря у геометричному соплі; ізотермічний відбір кінетичної енергії повітряного потоку у повітряній турбіні; ізобаричне нагрівання повітря при відведенні теплоти з охолоджуваного об'єму холодильної камери. Вказані термодинамічні та газодинамічні процеси об'єднані у динамічний повітряний цикл для повітряної холодильної машини. Динамічний повітряний цикл для повітряної холодильної машини на діаграмі відображений в координатах T  W (Фіг. 1). Апаратна реалізація цього циклу відображена на Фіг. 3 і включає: компресор з електродвигуном 5, в якому здійснюють адіабатичне та ізоентропійне стиснення повітря, геометричне сопло 6, в якому здійснюють адіабатичне та ізоентропійне розширення, охолодження і прискорення повітря, повітряну турбіну з електрогенератором 7, в якій здійснюють ізотермічний відбір кінетичної енергії повітряного потоку, холодильну камеру 8, в якій здійснюють ізобаричне нагрівання повітря при відведенні теплоти з охолоджуваного об'єму. Повітря з холодильної камери 8, де підтримується температура T1 , засмоктується компресором 5 і стискається від тиску p 0 до тиску p (термодинамічний процес 1-2). При цьому швидкість повітря на вході в компресор W1 і на виході з компресора W2 не змінюється, а температура незначно зростає від T1 до T2 . Стиснене повітря з тиском p і температурою T2 надходить в геометричне сопло 6, де воно відповідно до Закону звертання дієвості розганяється від дозвукової швидкості W2 до надзвукової швидкості W1 . Рівняння звертання дієвості для геометричного впливу на потік описується рівнянням Гюгоніо: dW dF , (1) M2  1  W F де: M - число Маха, W - швидкість повітряного потоку, F - площа поперечного перерізу. Відповідно до закону збереження енергії в рухомому суцільному середовищі повна енергія потоку повітря складається з його внутрішньої енергії UBE і кінетичної енергії UKE . Закон збереження енергії в рухомому суцільному середовищі є справедливим лише до повної енергії повітряного потоку внаслідок чого зростання кінетичної енергії повітряного потоку веде дозменшення внутрішньої енергії повітря цього потоку. Таким чином, температура повітря падає  50 55  1 UA 118618 U від T2 до T3 . Взаємозв'язок між геометрією каналу ( F ), температурою ( T ), швидкістю повітряного потоку ( W ) і режимом течії ( M ) описується такими рівняннями: dF 1  M2  1  dT , (2)    F k  1  M2  T     5 dF dW . (3)  M2  1 F W Розрахунки і математичне моделювання показують, що при тиску p  3 бари температура повітряного потоку T3 на виході з геометричного сопла буде нижче температури T2 не менше 10 ніж на 90 °C. При цьому швидкість потоку повітря W3 на виході з геометричного сопла у порівнянні із швидкістю W2 збільшиться не менше ніж на 330 м/с (газодинамічний процес 2-3). Для відбору кінетичної енергії повітряного потоку і зниження таким чином швидкості охолодженого повітря для його ефективного використання як холодоагенту, повітряний потік спрямовується на повітряну турбіну з електрогенератором 7. Після виконання на повітряній турбіні роботи, кінетична енергія повітряного потоку зменшується, а швидкість потоку повітря відповідно знижується від W3 до W4 . При цьому температура повітря не змінюється, в 15 20 25 30 35 40 45 50 результаті чого температура на виході з турбіни T4 дорівнює температурі на вході у турбіну T3 (газодинамічний процес 3-4). Далі повітря спрямовується в холодильну камеру 8. Нагріваючись в об'ємі холодильної камери при постійному тиску p 0 від T4 до T1 (термодинамічний процес 4-1), повітря охолоджує холодильну камеру. Особливістю запропонованого циклу є використання геометричного сопла для перетворення частини внутрішньої енергії повітря у кінетичну енергію цього ж повітряного потоку на основі закону збереження енергії у рухомому суцільному середовищі. Рівняння для розрахунку холодильного коефіцієнту динамічного повітряного циклу для повітряної холодильної машини має такий вигляд: T1  T4 . (4)  T2  T3   T1  T4  Розрахунки показують, що для нормальних умов ( T1  20  C ) холодильний коефіцієнт динамічного повітряного циклу складе не менше 6. Відзначимо, що за наявними даними холодильний коефіцієнт теоретичного зворотного циклу Брайтона для повітряної холодильної машини становить 2,29, а холодильної машини на основі теоретичного зворотного циклу Карно - 10,7. Таким чином, розрахунковий показник холодильного коефіцієнту динамічного повітряного циклу для повітряної холодильної машини більше показника холодильного коефіцієнту зворотного циклу Брайтона для повітряної холодильної машини, але менше показника холодильного коефіцієнту зворотного циклу Карно. Для повної оцінки ефективності реальної холодильної машини на основі динамічного повітряного циклу необхідно також враховувати ефективність окремих процесів, апаратів холодильної машини і загальний енергетичний баланс технологічного циклу. Так, відцентровий компресор та геометричне сопло є апаратами, що мають високий ККД, продуктивність та надійність, а при використанні компресора з електродвигуном потужністю 6 кВт повітряний потік, який надходить на повітряну турбіну, забезпечує генерацію електричної енергії в обсязі не менше 2,5 кВт*год. В цілому, перевагами холодильної машини, що працює на основі запропонованого динамічного повітряного циклу, є: відсутність теплового забруднення атмосфери; використання як холодоагенту повітря; енергоефективність технологічного циклу. Джерела інформації: 1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика [Текст]. В 2 ч. Ч 1.: учеб. руководство для втузов. - 5-е изд., перераб. и доп./ Г.Н. Абрамович. - М.: Наука, 1991. - 600 с. 2. Левич В.Г. Курс теоретической физики [Текст]. В 2 т. Т 2.: учеб. пособие для студентов физико-технических специальностей ВУЗ. - 2-е изд./ В.Г. Левич. -М.: Наука, 1971. - 936 с. 3. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты [Текст]. - 3 изд., перераб./ Е.Я. Соколов [и др.] -М.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с. 2 UA 118618 U 4. Кирилиллин В.А. Техническая термодинамика [Текст]. Учебник для вузов. - 5-е изд., перераб. и доп. -М.: Изд. дом МЭИ, 2008. - 496 с. 5. Зайцев В.П. Холодильная техника [Текст]. Учебное пособие для технических специальностей вузов. -М.: Государственное издательство торговой литературы, 1962. - 344 с. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Спосіб повітряного охолодження - динамічний повітряний цикл для повітряної холодильної машини, який характеризується тим, що над повітрям здійснюють такі технологічні дії: адіабатичне та ізоентропійне стиснення в компресорі, адіабатичне та ізоентропійне розширення, охолодження і прискорення у геометричному соплі, ізотермічний відбір кінетичної енергії повітряного потоку у повітряній турбіні, ізобаричне нагрівання при відведенні теплоти з охолоджуваного об'єму холодильної камери. 3 UA 118618 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4