Повітряна холодильна машина

Реферат: Винахід належить до галузі машинобудування і може бути використано у холодильній і морозильній техніці. У повітряній холодильній машині, що містить детандер-компресор, обмінник компенсаційного ступеня, виконаний як каскадний обмінник тиску основного стиснення з вікнами для підведення стисливого і відведення стискаючого середовища, а також сполучені з атмосферою впускний і випускний тракти, компенсаційний ступінь оснащено додатковим каскадним обмінником тиску попереднього стиснення, у якого вікно для підведення стискаючого середовища сполучене з вікном для відведення стискаючого середовища каскадного обмінника тиску основного стиснення каналом, що містить підігрівник, вікно для відведення стисненого середовища сполучене з вікном для підведення стисливого середовища каскадного обмінника тиску основного стиснення каналом, що містить охолоджувач, а вікна для підведення стисливого і відведення стискаючого середовища каскадного обмінника попереднього стиску сполучені відповідно з впускним і випускним трактом. Досягається збільшення глибини охолодження об'єкта у холодильній камері за рахунок підвищення тиску стисливого у компенсаційному ступені повітря і ступеня розширення повітря у детандер-компресорі без підвищення максимальної температури циклу, що сприятиме збільшенню холодильного коефіцієнта повітряної холодильної машини. UA 98734 C2 (12) UA 98734 C2 UA 98734 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі машинобудування і може бути використаний у 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 обмежений ресурс внаслідок високих частот обертання роторів турбодетандера і компресора. Крім того, жорстокі вимоги до точності виготовлення і балансування роторів спричиняють високу вартість виготовлення і експлуатації пристрою. За прототип вибрано повітряну холодильну машину, що містить детандер-компресор, обмінник компенсаційного ступеня, виконаний як каскадний обмінник тиску основного стиснення з вікнами для підведення стисливого і відведення стискаючого середовища, а також сполучені з атмосферою впускний і випускний тракти (див. Патент UA № 44210, F25В 9/00, Опубл. 25.09.2009, бюл. № 18). Частина повітря, стиснена у обміннику компенсаційного ступеня і детандер-компресорі, підігрівається у джерелі підведення теплоти і використовується як стискаюче середовище у компенсаційному ступені. Інша частина стисненого повітря після попереднього охолодження і наступного розширення у детандер-компресорі використовується як холодоагент у холодильній камері. Недоліком відомої машини є недостатня глибина охолодження холодоагенту у холодильній камері, а також відносно невисокий холодильний коефіцієнт 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 напірності обмінника компенсаційного ступеня, виконаного у вигляді одного агрегату (каскадного обмінника тиску), супроводжується підвищенням середньої температури стисливого повітря і, отже, підвищенням енерговитрат на стиснення повітря в цьому ступені, що, у свою чергу, спричиняє зниження холодильного коефіцієнта в міру збільшення глибини охолодження холодоагенту. Технічним результатом винаходу, що заявляється, є збільшення охолодної здатності і холодильного коефіцієнта повітряної холодильної машини, а також зниження теплонавантаженості її деталей за рахунок підвищення ступеня стиснення обмінника компенсаційного ступеня розміщенням у її конструкції додаткового каскадного обмінника з проміжним охолодженням і підігріванням робочих тіл між агрегатами ступеня, що дозволить знизити теплонавантаженість деталей компенсаційного ступеня і підвищити енергетичну ефективність холодильної машини на режимах виробництва глибокого холоду. Поставлена задача досягається тим, що у повітряній холодильній машині, що містить детандер-компресор, обмінник компенсаційного ступеня стиснення повітря, який містить каскадний обмінник тиску основного стиснення з вікнами для підведення стисливого і відведення стискаючого середовища, а також сполучені з атмосферою впускний і випускний тракти, відповідно до винаходу, обмінник компенсаційного ступеня оснащено додатковим каскадним обмінником тиску попереднього стиснення, у якого вікно для підведення стискаючого середовища сполучене з вікном для відведення стискаючого середовища каскадного обмінника тиску основного стиснення каналом, що містить підігрівник, вікно для відведення стисненого середовища сполучене з вікном для підведення стисливого середовища каскадного обмінника тиску основного стиснення каналом, що містить охолоджувач, а вікна для підведення стисливого і відведення стискаючого середовища каскадного обмінника попереднього стиснення сполучені відповідно з впускним і випускним трактом. Сполучення вікна для підведення стисливого середовища каскадного обмінника основного стиснення з вікном для відведення стисненого середовища додаткового каскадного обмінника і підключення його вікна для підведення стисливого середовища до впускного тракту дозволить збільшити загальний ступінь підвищення тиску обмінника компенсаційного ступеня за рахунок попереднього стискування свіжого повітря у додатковому каскадному обміннику і збільшити ступінь розширення холодоагенту у детандер-компресорі при обмеженні максимальної температури циклу. Завдяки цьому досягається збільшення глибини охолодження об'єкта і підвищення ККД установки, забезпечується прийнятна теплонавантаженість деталей обмінника компенсаційного ступеня. Сполучення вікна для відведення стискаючого середовища каскадного обмінника основного стиснення з вікном для підведення стискаючого середовища додаткового каскадного обмінника і підключення його вікна для відведення стискаючого середовища до випускного тракту дозволить збільшити ступень ефективного розширення стискаючого середовища за рахунок 1 UA 98734 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 збільшення загального числа каскадів масообміну, що забезпечить підвищення ККД обмінника компенсаційного ступеня і повітряної холодильної машини у цілому. Розміщення охолоджувача у каналі, що з'єднує вікно для підведення стисливого середовища каскадного обмінника основного стиснення повітря з вікном для відведення стисненого середовища додаткового каскадного обмінника сприятиме зниженню температури повітря на виході з додаткового каскадного обмінника, внаслідок чого зменшуються витрати енергії на стиснення повітря у каскадному обміннику основного стиснення і, в остаточному підсумку, додатково збільшується холодильний коефіцієнт установки. При цьому зниження температури стисливого повітря у каскадному обміннику основного ступеня дозволить знизити теплонавантаженість його деталей і, таким чином, збільшити ресурс холодильної машини в цілому. Розміщення підігрівника у каналі, що з'єднує вікно для відведення стискаючого середовища каскадного обмінника основного стиснення з вікном підведення стискаючого середовища додаткового каскадного обмінника дозволить підвищити ступінь стиснення у компенсаційному ступені при обмеженні максимальної температури робочого циклу холодильної машини і, таким чином, додатково збільшити глибину охолодження холодоагенту через збільшення ступеня його розширення у детандер-компресорі. Крім того, проміжний підігрів робочого тіла у компенсаційному ступені сприятиме наближенню умов стиснення повітря до найбільш енергетично ефективного процесу - ізотермічного, що, у свою чергу, сприятиме зниженню енерговитрат на виробництво холоду. Відзначені відмітні ознаки винаходу у своїй сукупності дозволять досягти підвищення ККД усієї установки і збільшення глибини охолодження. Суть винаходу пояснюється кресленням, де зображена повітряна холодильна машина, що містить каскадний детандер-компресор 1 і обмінник компенсаційного ступеня 2 стиснення повітря, який містить каскадні обмінники тиску основного стиснення 3 і попереднього стиснення 4. Каскадний детандер-компресор 1 містить ротор 5 з комірками 6, канал 7 для підведення низького тиску, сполучений з атмосферою патрубком 8, і канал 9 для відведення низького тиску з продувним вентилятором 10, які підключені до холодильної камери 11, а також канал 12 для підведення високого тиску з розміщеним у ньому охолоджувачем повітря 13 і канал 14 для відведення високого тиску, відповідно підключені до вихідної 15 і вхідної 16 ділянки циркуляційного вентилятора 17. Каскадний обмінник тиску 3 основного стиснення повітря оснащено ротором 18 з комірками 19, вікном 20 для підведення стискаючого середовища, сполученим патрубком 21, що включає джерело 22 підведення теплоти, з вихідною ділянкою 15 циркуляційного вентилятора 17, вікном 23 для відведення стисненого середовища, сполученим патрубком 24 з вхідною ділянкою 16, вікном 25 для підведення стисливого середовища і вікном 26 для відведення стискаючого середовища. Каскадний обмінник тиску 4 попереднього стиснення повітря оснащено ротором 27 з комірками 28, вікном 29 для підведення стисливого середовища, сполученим з впускним трактом 30, оснащеним вентилятором 31, вікном 32 для відведення стискаючого середовища, сполученим з атмосферою за допомогою випускного тракту 33, вікном 34 для підведення стискаючого середовища, підключеним патрубком 35 з розміщеним у ньому підігрівником 36 до вікна 26 для відведення стискаючого середовища, вікном 37 для відведення стисненого середовища, підключеним патрубком 38 з послідовно розміщеними у ньому вентилятором 39 і охолоджувачем 40 до вікна 25 для підведення стисливого середовища. Повітряна холодильна машина працює наступним чином. Нагріте у підігрівнику 36 повітря з патрубка 35 через вікно 34 для підведення стискаючого середовища надходить у комірки 28 ротора 27 каскадного обмінника 4, де у результаті здійснення робочого процесу попередньо стискає свіжий заряд, що надходить з атмосфери під дією продувного вентилятора 31 у комірки 28 через вікно 29 для підведення стисливого середовища з впускного тракту 30. Віддавши значну частину потенційної енергії, стискаюче повітря через вікно 32 для відведення стискаючого середовища і випускний тракт 33 відводиться у атмосферу, а стиснене у роторі 27 повітря витискується вентилятором 39 через вікно 37 для відведення стисненого середовища і патрубок 38 у охолоджувач 40, де прохолоджується до температури, близької до температури навколишнього середовища. Завдяки зниженню температури повітря на вході, зменшуються витрати енергії на стиснення повітря у наступному ступені і підвищується загальний ККД повітряної холодильної машини. Далі охолоджене повітря через вікно 25 для підведення стисливого середовища надходить у комірки 19 ротора 18 каскадного обмінника 3 основного стиснення, де в результаті здійснення робочого процесу каскадного обміну тиском стискується підігрітим у джерелі 22 підведення 2 UA 98734 C2 5 10 15 20 25 30 35 теплоти повітрям, що надходить у комірки 19 через канал 21 і вікно 20 для підведення стискаючого середовища. Віддавши значну частину потенційної енергії, стискаюче повітря через вікно 26 для відведення стискаючого середовища відводиться у підігрівник 36, а стиснене у роторі 18 повітря через вікно 23 для відведення стисненого середовища і патрубок 24 надходить у вхідну ділянку 16 циркуляційного вентилятора 17. У циркуляційному вентиляторі 17 тиск потоку підвищується до рівня, достатнього для подолання гідравлічного опору складених елементів двох паралельно підключених контурів високого тиску - детандер-компресора 1 (каналу 12 з охолоджувачем 13, каналу 14 і проточного сегмента ротора 5 між каналами 12 і 14) і обмінника компенсаційного ступеня стиснення повітря 2 (патрубки 21 з джерелом 22 підведення теплоти, патрубка 24 і проточного сегмента ротора 18 між вікнами 23 і 20). З вихідного тракту 15 циркуляційного вентилятора 17 одна частина повітря направляється у джерело 22 підведення теплоти, де нагрівається, і далі використовується як стискаюче середовище у компенсаційному ступені 2, а частина повітря направляється до охолоджувача повітря 13, де прохолоджується до температури, близької до температури навколишнього середовища, і потім надходить через канал 12 для підведення високого тиску у комірки 6 ротору 5 каскадного детандер-компресора 1, де, розширюючись, прохолоджується і робить роботу стиснення повітря, що надходить у комірки 6 з холодильної камери 11 через канал 7 для підведення низького тиску. Охолоджене до мінімальної температури повітря через канал 9 для відведення низького тиску за допомогою продувного вентилятора 10, що здійснює продувку комірок 6 ротору 5, нагнітається у холодильну камеру 11, у якій відбирає тепло від охолоджуваного об'єкта. Оскільки масова витрата повітря у каналі 9 для відведення низького тиску вища, ніж у каналі 7, надлишкова частина повітря відводиться до атмосфери через патрубок 8. Стиснене у комірках 6 повітря направляється у канал 14 для відведення високого тиску, звідки надходить у вхідний тракт 16 циркуляційного вентилятора 17, де змішується з повітрям, що надходить з патрубка 24. Масова витрата стисненого таким чином у детандер-компресорі 1 повітря становить 40-60 % загальної витрати холодоагенту. Дефіцит витрати холодоагенту у контурі високого тиску детандер-компресора 1 компенсується роботою обмінника компенсаційного ступеня стиснення повітря 2. Таким чином, застосування двоступінчастого стиснення повітря з проміжним охолодженням стисненого повітря і додатковим підігрівом стискаючого середовища дозволить збільшити глибину охолодження об'єкта за рахунок підвищення тиску стисненого у компенсаційному ступені повітря і ступеня розширення повітря у детандер-компресорі без підвищення максимальної температури циклу. Проміжне охолодження і підігрів робочих середовищ у компенсаційному ступені підвищує енергетичну ефективність роботи компенсаційного ступеня, що сприятиме збільшенню холодильного коефіцієнта повітряної холодильної машини. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 Повітряна холодильна машина, що містить детандер-компресор, обмінник компенсаційного ступеня, виконаний як каскадний обмінник тиску основного стиснення з вікнами для підведення стисливого і відведення стискаючого середовища, а також сполучені з атмосферою впускний і випускний тракти, яка відрізняється тим, що обмінник компенсаційного ступеня оснащено додатковим каскадним обмінником тиску попереднього стиснення, у якого вікно для підведення стискаючого середовища сполучене з вікном для відведення стискаючого середовища каскадного обмінника тиску основного стиснення каналом, що містить підігрівник, вікно для відведення стисненого середовища сполучене з вікном для підведення стисливого середовища каскадного обмінника тиску основного стиснення каналом, що містить охолоджувач, а вікна для підведення стисливого і відведення стискаючого середовища каскадного обмінника попереднього стиснення сполучені відповідно з впускним і випускним трактами. 3 UA 98734 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 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 4