воздушная турбохолодильная установка

Формула изобретения

Воздушная турбохолодильная установка, содержащая турбодетандер, многокамерный динамический теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор, отличающаяся тем, что центробежный турбокомпрессор разделен на каскады низкого и высокого давления центробежного типа, причем каскад низкого давления механически связан с источником энергии, а каскад высокого давления механически связан с турбодетандером, и теплообменник выполнен трехкамерным, причем вход в первую камеру теплообменника связан каналом с выходом потребителя холода, выход - с атмосферой, вход во вторую камеру теплообменника - с выходом каскада низкого давления турбокомпрессора, выход - с входом каскада высокого давления турбокомпрессора, вход в третью камеру теплообменника - с выходом каскада высокого давления турбокомпрессора, выход - с входом в турбодетандер.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области холодильной техники и может найти применение при создании турбодетандерных машин, работающих в широком интервале температур охлаждения.

Известна воздушная турбохолодильная установка, содержащая турбодетандер, теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор (см. МПК F 25 В 11/00, RU 2206028 C1, 10.06.2003 г. Воздушная турбохолодильная установка.).

Разделение турбокомпрессора на каскад низкого давления и каскад высокого давления обеспечивает вращение каскадов с разным числом оборотов, а их связь посредством канала повышает число оборотов каскада высокого давления по сравнению с оборотами каскада низкого давления, причем каскад высокого давления приводится во вращение электродвигателем. Однако промышленность не выпускает электродвигателей с высокой частотой вращения (20000 и более об/мин), что ограничивает эффективность установки в целом, а использование мультипликатора между электродвигателем и компрессором каскада высокого давления усложняет ее конструкцию.

Компрессор каскада низкого давления, пропускающий больший объемный расход по сравнению с каскадом высокого давления, по своим габаритным размерам больше компрессорной ступени высокого давления. Поэтому для максимального облегчения высокооборотного ротора турбодетандера целесообразнее объединить последний с компрессором каскада высокого давления с целью его перевода на газовую смазку.

Известная установка имеет еще ряд существенных недостатков:

- конструктивная сложность установки из-за присутствия, кроме основного теплообменника, еще дополнительного теплообменника, охладителя и радиатора;

- значительные габаритные размеры и масса турбокомпрессора из-за использования в качестве каскада низкого давления турбокомпрессора каскада осевого типа;

- невозможность использования установки для охлаждения и заморозки продуктов питания из-за возможности попадания в пищевые продукты, промежуточного хладоносителя - тосола, как сильнодействующего ядовитого вещества.

Наиболее близкой к заявленной воздушной турбохолодильной установке является установка, содержащая турбодетандер, многокамерный динамический теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор (Способ получения холода. RU, Патент 2054146 С1, М6 Кл. F 25 B 9/00. Опубл. 1996.02.10).

Для эффективной работы такой турбохолодильной установки одноступенчатый компрессор должен обеспечивать степень повышения давления не менее двух, что ограничивается высокой частотой вращения электродвигателя и в установке предусмотрен мультипликатор, который имеет сложную конструкцию и большую стоимость. Ротор установки имеет значительную массу, не может быть переведен на газовую смазку и требует системы смазки и охлаждения маслом его подшипников и шестерен мультипликатора.

При одноступенчатом компрессоре воздух нагревается до значительных температур (выше 100 град. по Цельсию) и подается на теплообменник, на который же подается воздух после потребителя холода с минусовой температурой (ниже минус пятидесяти град. по Цельсию).

При вращении теплообменника его конструктивные материалы работают в условиях переменной температуры, ее значительного градиента, конденсации и испарения влаги и имеют различные коэффициенты линейного расширения. Под воздействием центробежной силы и вышеуказанных факторов происходит расслоение гофрированных лент и образование трещин в полимерном составе насадки теплообменника. Кроме того, известная установка имеет еще ряд существенных недостатков:

- низкая надежность запуска установки в работу, обусловленная необходимостью вращения одновременно турбокомпрессора и турбодетандера;

- сложная конструкция, обусловленная необходимостью использования противопомпажных средств при повышении давления газа или воздуха в турбокомпрессоре.

Целью изобретения является создание воздушной турбохолодильной установки, обладающей высокой холодопроизводительностью и надежностью запуска и работы установки при упрощении конструкции.

Решение задачи достигается тем, что воздушная турбохолодильная установка, содержащая турбодетандер, многокамерный динамический теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор, разделенный на каскады низкого и высокого давления центробежного типа, причем каскад низкого давления механически связан с источником энергии, а каскад высокого давления механически связан с турбодетандером, и теплообменник выполнен трехкамерным, причем вход в первую камеру теплообменника связан каналом с выходом потребителя холода, выход - с атмосферой, вход во вторую камеру теплообменника - с выходом каскада низкого давления турбокомпрессора, выход - с входом каскада высокого давления турбокомпрессора, вход в третью камеру теплообменника - с выходом каскада высокого давления турбокомпрессора, выход - с входом в турбодетандер.

Предложенное решение имеет существенные отличия от прототипа:

- турбокомпрессор разделен на каскад низкого и каскад высокого давления;

- каскад высокого давления центробежного типа механически связан с турбодетандером;

- каскад низкого давления центробежного типа механически связан с источником энергии;

- теплообменник выполнен трехкамерным;

- вход во вторую камеру теплообменника связан каналом с выходом каскада низкого давления турбокомпрессора;

- выход из второй камеры теплообменника связан каналом с входом каскада высокого давления турбокомпрессора;

- вход в третью камеру теплообменника связан каналом с выходом каскада высокого давления турбокомпрессора;

- выход из третьей камеры теплообменника связан каналом входом в турбодетандер.

Следовательно, предложенное решение соответствует критерию «новизна».

Введение дополнительных центробежной компрессорной ступени и камеры теплообменника, их взаимное соединение обеспечивают двухступенчатое охлаждение сжатого воздуха.

Каскад турбокомпрессора низкого давления соединен каналом через вторую камеру теплообменника с каскадом турбокомпрессора высокого давления, при этом происходит уменьшение температуры сжатого воздуха, что приводит к уменьшению пиковых положительных температур воздуха, охлаждаемого в теплообменнике, к снижению потребной мощности источника энергии и увеличению холодильного коэффициента. Уменьшение пиковых положительных температур воздуха, охлаждаемого в теплообменнике, ведет к повышению долговечности и надежности работы теплообменника.

Разделение турбокомпрессора на каскад низкого давления и каскад высокого давления обеспечит вращение каскадов с разным числом оборотов, что дает увеличение напорности газа или воздуха на ступенях турбокомпрессора, а также позволит использовать для вращения каскада высокого давления энергию турбодетандера, при этом уменьшая затраты энергии от источника энергии (электродвигателя) на запуск, что приводит к улучшению пусковой характеристики и увеличению холодильного коэффициента, а вместе с ним и холодопроизводительности установки. Такой же технический результат обеспечивает механическая связь турбодетандера с каскадом высокого давления, а связь каскадов низкого и высокого давлений посредством канала повышает число оборотов каскада высокого давления по сравнению с оборотами каскада низкого давления, что позволяет отказаться от дорогостоящего мультипликатора, требующего смазки и охлаждения, и максимально облегчить ротор турбодетандера и перейти на газовую смазку и охлаждение его подшипников. Кроме этого, разделение турбокомпрессора на каскады низкого и высокого давления позволит не применять противопомпажные средства при степенях повышения давления в турбокомпрессоре > 4.

В предложенном решении все отличительные признаки взаимосвязаны и в сочетании с другими признаками позволяют получить новый технический результат: увеличить холодопроизводительность установки, повысить надежность запуска и работы установки при упрощении конструкции.

Следовательно, предложенное решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструктивная схема установки; на фиг.2 - вид сбоку на трехкамерный динамический теплообменник.

Воздушная турбохолодильная установка содержит (фиг.1) турбодетандер 1, трехкамерный динамический теплообменник 2, потребитель холода 3, источник энергии (электродвигатель) 4, каскады низкого 5 и высокого давления 6 центробежного типа, причем каскад низкого давления 5 механически связан с источником энергии 4, а каскад высокого давления 6 механически связан с турбодетандером 1, причем вход в первую камеру 7 теплообменника 2 (фиг.2) связан каналом 8 с выходом потребителя холода 3, выход - с атмосферой, вход во вторую камеру 9 теплообменника 2 связан каналом 10 с выходом каскада низкого давления 5 турбокомпрессора, выход связан каналом 11 с входом каскада высокого давления 6 турбокомпрессора, вход в третью камеру 12 теплообменника 2 связан каналом 13 с выходом каскада высокого давления 6 турбокомпрессора, выход связан каналом 14 с входом в турбодетандер 1, выходной диффузор которого трубопроводом 15 соединен с потребителем холода 3.

Воздушная турбохолодильная установка работает следующим образом. Газ или воздух из окружающей атмосферы поступает в каскад низкого давления 5, приводимый во вращение электродвигателем 4, где сжимается до определенного (заданного) давления. Сжатие газа или воздуха в каскаде низкого давления 5 реализует процесс вращения ротора турбодетандера с повышенными оборотами и повышенными степенями давления. Затем сжатый газ или воздух через канал 10, проходя вторую камеру 9 теплообменника 2, охлаждается за счет контакта с повернувшейся охлажденной частью теплообменника 2 и попадает в каскад высокого давления 6, приводимый во вращение за счет аккумуляции механической энергии турбодетандера. Происходит последующее сжатие газа или воздуха, который по каналу 13 поступает на вход в третью камеру 12 теплообменника 2, охлаждается за счет контакта с повернувшейся охлажденной частью теплообменника 2 и поступает через трубопровод 14 в турбодетандер 1, где расширяется, снижая температуру до заданной, после чего поступает по трубопроводу 15 к потребителю холода - холодильной камере 3. Нагретый газ или воздух поступает в полость низкого давления - первую камеру 7 теплообменника 2, где воздух далее нагревается за счет передачи тепла от повернувшихся и нагретых областей высокого давления - второй и третьей камер 9 и 12 вращающегося теплообменника 2 с последующим выдуванием наружу.

Применение изобретения позволит увеличить холодопроизводительность установки, повысить надежность запуска, упростить конструкцию, повысить надежность и экономичность работы.

Эксплуатационные испытания установки, проведенные ОАО «СКТБР», показали конкурентоспособность опытных образцов, их повышенную надежность в системе холодоснабжения рефрижераторных установок.