Способ охлаждения замкнутого объекта и установка для охлаждения замкнутого объекта

 

Использование: в холодильной технике, в частности, в компрессионных воздушных холодильных машинах и установках. Сущность изобретения: воздух поступает из атмосферы в турбодетандер 2, где расширяется до давления 45-65 кПа с понижением температуры, затем направляется в двухполостной рекуперативный теплообменник 7, вторая полость 14 которого подключена к охлаждаемому объекту 17 с образованием замкнутого воздушного контура. После теплообменника 7 воздух направляется в компрессор 10, сжимается и выбрасывается в атмосферу. В замкнутом воздушном контуре последовательно установлены вентилятор 18 и фильтр 19. 2 с.п. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Группа изобретений относится к холодильной технике, более конкретно к способам и устройствам, предназначенным для охлаждения замкнутых объектов, в которых охлаждающей средой является воздух. В качестве объектов охлаждения могут быть приборные отсеки, рабочие места экологически вредных производств, кабины кранов, электрических транспортных средств и т.д.

Известны способы охлаждения замкнутых объектов путем забора воздуха из атмосферы, его детандирования, последующего теплообмена с воздухом, проходящим через замкнутый объект, и компримирования [1] В этом патенте компримирование осуществляется до процесса детандирования, а теплообмен ведут путем непосредственного контакта охлаждающего воздуха с воздухом замкнутого объекта. Данные о приводе компрессора в патенте отсутствуют, при этом между процессами детандирования и компримирования предусмотрено охлаждение воздуха. Данных о давлении детандирования не содержится. Данный способ заметно уступает предлагаемому по экономичности и эксплуатационной надежности, т.к. он требует для своего осуществления большего автономного оборудования, магистралей, арматуры и т. п. Кроме того, компрессор должен иметь энергоемкий привод.

Известен также способ охлаждения замкнутых объемов путем отбора воздуха из атмосферы, его детандирования, последующего теплообмена с воздухом, проходящим через замкнутый объект, и выброса его в атмосферу; предусмотрено также компримирование воздуха [2] В указанном способе процесс компримирования осуществляют в две стадии до процесса детандирования, компримирование осуществляют с помощью турбинного привода. Данных о давлении детандирования и оборотах привода не содержится.

Данный способ по указанным выше причинам (из-за сложности оборудования) значительно уступает предложенному по экономичности и эксплуатационной надежности.

Известен также способ охлаждения замкнутого объема путем забора воздуха из атмосферы, его детандирования, последующего теплообмена с воздухом, проходящим через замкнутый объем, и компримирования охлаждающего воздуха с выбросом его в атмосферу, при этом компримирование осуществляют с помощью электропривода [3] Данный способ также требует сложного оборудования (в частности систему регенераторов для осуществления теплообмена), поэтому он уступает предложенному по экономичности и эксплуатационной надежности.

Задача данного изобретения создание экономичного способа, обеспечивающего охлаждение замкнутого объекта, позволяющего достичь с максимальной надежностью комфортной температуры для работающих в данном объекте людей или находящегося в нем оборудования.

Технический результат, достигаемый данным изобретением повышение экономичности и эксплуатационной надежности.

Данный технический результат достигается тем, что в способе охлаждения замкнутого объекта путем забора воздуха из атмосферы, его детандирования, последующего теплообмена с воздухом, проходящим через замкнутый объект и компримирования охлаждающего воздуха с выбросом в атмосферу, при этом компримирование осуществляют с выбросом его в атмосферу. Детандирование ведут до давления 45.65 кПа, а теплообмен с воздухом замкнутого объекта осуществляют при расходе детандированного воздуха меньшем расхода воздуха, проходящего через замкнутый объект, в 1,5.3 раза. В частном случае тот же технический результат достигается тем, что в способе характеризуемом вышеперечисленными признаками, процесс детандирования ведут при переменной скорости вращения электродвигателя от 20 до 72 тысяч оборотов в минуту.

Все вышеперечисленные существенные признаки находятся в причинно-следственной связи.2 Известны установки для охлаждения замкнутого объекта, содержащие компрессор и детандер [1] Компрессор и детандер последовательно расположены на одной воздушной линии, проходящей затем через охлаждаемый объект; между компрессором и детандером установлен охладитель; сведений о приводе компрессора нет.

Данная установка недостаточно экономична и надежна в эксплуатации из-за большого количества автономных агрегатов, магистралей, арматуры и т.п. Кроме того, компрессор должен иметь энергоемкий привод.

Известны также установки для охлаждения замкнутого объекта, содержащие компрессор и детандер [2] Компрессор и детандер последовательно расположены на одной воздушной линии, проходящей затем через охлаждаемый объект. Компрессор выполнен многоступенчатым и имеет турбинный привод, по первой ступени имеющий общий вал с детандером. Данная установка также недостаточно экономична и недостаточно надежна в эксплуатации по изложенным выше причинам из-за сложности оборудования.

Известны установки для охлаждения замкнутого объекта, содержащие турбодетандер-компрессор с электроприводом, вход турбины которого соединен с атмосферой, а выход через промежуточный охладитель сообщен с входом компрессора, причем выход последнего соединен также с атмосферой [3] В этой установке электропривод размещен на автономном валу компрессора, тип электродвигателя неизвестен, вход турбодетандера соединен с атмосферой через регенератор, охладитель выполнен в виде упомянутого регенератора.

Данная установка по тем же причинам, что и предыдущие аналоги менее экономична и менее надежна в эксплуатации по сравнению с предложенной установкой. Кроме того, упомянутая установка не обеспечивает охлаждение объекта при атмосферном давлении.

Задача данного изобретения создание установки, обеспечивающей эффективное охлаждение замкнутого объекта, позволяющей достичь с максимальной надежностью комфортной температуры для работающих в объекте людей или размещенной в нем аппаратуры.

Технический результат, достигаемый данным изобретением, повышение экономичности и эксплуатационной надежности с одновременным обеспечением компактности.

Дополнительный технический результат уменьшение мощности электропривода компрессора за счет передачи ему крутящего момента, образуемого в процессе детандирования.

Другой дополнительный результат обеспечение подогрева воздуха замкнутого объема.

основной технический результат достигается тем, что в установке для охлаждения замкнутого объема, содержащей турбодетандер-компрессор с электроприводом, вход турбины которого соединен с атмосферой, а выход через промежуточный охладитель сообщен с входом компрессора, причем выход последнего соединен также с атмосферой; вход турбины соединен с атмосферой непосредственно, а промежуточный охладитель выполнен в виде двухполостного рекуперативного теплообменника, вторая полость которого подключена к охлаждаемому объекту с образованием замкнутого циркуляционного контура, имеющего последовательно установленные вентилятор и фильтр.

Первый дополнительный технический результат достигается тем, что в установке (характеризуемой вышеперечисленными признаками) турбодетандер-компрессор размещен на общем валу с электропpиводом при консольном расположении его колес, при этом электропривод выполнен в виде вентиляторного электродвигателя с воздушным охлаждением и снабжен частотным регулятором скорости вращения.

Второй дополнительный технический результат достигается тем, что в установке, характеризуемой вышеперечисленными признаками турбодетандер-компрессор снабжен ротором на лепестковых газовых опорах, отделенных от турбины и компрессора динамическими уплотнениями, причем расстояние между подшипниками составляет 4-6 диаметров цапфы подшипника.

Еще один дополнительный технический результат достигается тем, что в замкнутом циркуляционном контуре установки между вентилятором и фильтром установлен калорифер.

Все вышеперечисленные признаки имеют между собой причинно-следственную связь Группа изобретений иллюстрируется чертежами: фиг. 1 принципиальная схема установки для охлаждения замкнутого объекта; фиг. 2 продольный разрез турбодетандера-компрессора с электроприводом.

Установка для охлаждения замкнутого объекта включает в себя турбодетандер-компрессор 1, вход турбины 2 которого соединен трубопроводами 3, 4 через фильтр 5 с патрубком 6, через который на турбину 2 поступает атмосферный воздух. Выход турбины 2 через промежуточный охладитель, в качестве которого используется рекуперативный теплообменник 7, трубопроводами 8, 9 сообщен с входом компрессора 10. После сжатия в компрессоре 10 воздух через глушитель 11 по трубопроводу 12 выбрасывается в атмосферу. Теплообменник 7 имеет две полости, из которых первая 13 соединяет трубопроводы 8 и 9, а вторая 14 входным и выходным трубопроводами 15, 16 соответственно подключена к охлаждаемому объекту 17 (не показан) с образованием замкнутого воздушного циркуляционного контура, включающего последовательно расположенные вентилятор 18 и фильтр 19 для очистки поступающего в охлаждаемый объект воздуха от аэрозолей. Параллельно теплообменнику 7 в циркуляционном контуре перед фильтром 19 включена обводная линия с трубопроводами 20, 21 и регулирующей заслонкой 22 между ними, служащая для регулирования температуры подаваемого в охлаждаемый объект воздуха и отогрева теплообменника 7 при пуске установки.

Турбодетандер-компрессор (фиг. 2 имеет детандерное 23 и компрессорное 24 колеса, консольно размещенные на общем валу 25 с бесконтактным вентильным электродвигателем с воздушным охлаждением. Электродвигатель (который является электроприводом) имеет ротор 26 и статор 27. Вал 25 установлен на радиальных лепестковых газодинамических подшипниках 28, 29 по сторонами ротора 26. Для восприятия осевой нагрузки предусмотрена пята 30, расположенная между ротором 26 и колесом 24 компрессора 10, имеющего осевой входной патрубок 31 и тангенциальный выпускной патрубок 32. Ротор 26 отделен от колес турбины 2 и компрессора 10 динамическими уплотнениями. Расстояние между подшипниками 28, 29 составляет 4-6 диаметром вала 10 (цапфы подшипников). Для отвода тепла от электродвигателя предусмотрено оребрение 33 корпуса 34. На входном патрубке 35 детандера 2 установлен сетчатый фильтр 36 для предотвращения попадания аэрозолей в полость 37 корпуса 34, в которой размещены подшипники 28, 29, 30. Описанное выполнение корпуса 34 обеспечивает воздушное охлаждение электродвигателя. Поступлению загрязненного воздуха в полость 37 препятствует уплотнение 38, расположенное между колесом 23 и подшипником 28. Таким образом, в качестве электропривода турбодетандера-компрессора 1 используется двухполюсный вентильный электродвигатель. Для регулирования скорости вращения вала электродвигателя предусмотрены: преобразователь частоты 38, электрически связанный с пультом управления 39, датчик температуры 40 и источник электропитания 41. В циркуляционный контур между вентилятором 18 и фильтром 19 может быть установлен калорифер 42, который включается при необходимости в зимнее время, при неработающем турбодетандер-компрессоре.

Установка работает следующим образом.

При подаче электропитания от источника 41 запускаются вентилятор 23 и турбодетандер-компрессор 1, причем вентилятор 23 работает с постоянной частотой вращения и всасывает через патрубок 17 из охлаждаемого объекта 17 воздух, и с постоянным расходом прокачивает его через теплообменник 7 и фильтр 19. Компрессор 19 турбодетандера-компрессора 1 работает в режиме вакуум-насоса, создавая разрежение в полости 13 теплообменника 17. Создается перепад давления между полостью 13 и окружающей атмосферой, с которой сообщен патрубок 6. Под действием перепада давления через патрубок 6 по трубопроводу 4 воздух поступает через фильтр 5 и трубопровод 3 в детандер 2, в котором охлаждается и затем проходит через полость 13 теплообменника 17, в которой к нему подводится тепло воздуха, прокачиваемого через полость 14 теплообменника 7. Расходы воздуха, прокачиваемого через полости 13 и 14, разные, причем расход воздуха через полость 14 больше в 1,5 3 раза для недопущения выпадения в теплообменнике 7 влаги в виде инея и забивания одной из полостей инеем, и одновременно обеспечить максимальный теплосъем пpи минимальных габаритах теплообменника 7.

Воздух забирают из атмосферы и через патрубок 6 подают на турбину 2, где расширяют до давления 45 65 кПа. Одновременно происходит процесс компримирования в режиме вакуум-насоса при переменной скорости вращения от 20 до 72 тысяч оборотов в минуту.

Для уменьшения габаритов турбодетандера-компрессора 1 необходимо пропускать через него минимальный расход воздуха, а для предотвращения обмерзания трубопровода 8 и полости 13 теплообменника 7 необходимо поддерживать минимальный перепад температуры на детандере 2. Условия противоречат одно другому, поскольку Q = Cp·G·ΔT, где Q заданная холодопроизводительность установки, кВт; Ср удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/кг К; G расход воздуха через теплообменник; кг/с; ΔT разность температур между трубопроводами 3 и 8.

Оптимизация параметров осуществляется, кроме соблюдения условия незамерзаемости теплообменника 7, по минимальной мощности электропривода турбодетандера-компрессора 1. Экспериментальным путем найдены оптимальное давление в трубопроводе 8 за детандером 2, равное 45 65 кПа, и расход через полость 13 в 1,5 3 раза меньше расхода воздуха через полость 14 теплообменника 7, который определяется потребностями охлаждаемого объекта и задается при расчете установки.

Максимальная холодопроизводительность установки достигается при максимальной температуре окружающей атмосферы. При снижении окружающей температуры необходимо температуру в трубопроводе 8 на входе в теплообменник 7 сохранить постоянной, чего можно достичь уменьшением степени расширения детандера 2 путем повышения давления в полости 13 вследствие уменьшения скорости вращения компрессора 10 и степени сжатия в нем. Регулирование числа оборотов электродвигателя осуществляется путем изменения частоты питающего электрического тока в преобразователе частоты 38, электрически связанном с пультом управления 39. При изменении температуры за рекуперативным теплообменником 7, воспринимаемом датчиком температуры 40, сигнал передается через пульт 39, подключенный к источнику электропитания 41, на статический преобразователь частоты 38, которым изменяется частота питающего тока и число оборотов турбодетандера-компрессора 1.

Наиболее совершенные холодильные установки, например, транспортных машин, должны иметь значительно меньшие габариты по сравнению со стационарными, что обеспечивается высокоскоростными компрессорными и детандерными машинами. Широко применяемые подшипники качения непригодны при больших скоростях вращения. В турбодетандере-компрессоре 1 применен газодинамический подшипниковый узел, состоящий из радиальных опорных лепестковых газовых подшипников 28, 29 и осевой упорной лепестковой опоры 30, прилегающей к компрессору 10. Бесконтактный вентильный электродвигатель включает ротор 26 и статор 27. Такое выполнение ротора детандера-компрессора 1 обеспечивает его надежную работу при высоких скоростях вращения и частотном регулировании числа оборотов. Компактный турбодетандер-компрессор 1 при номинальной скорости вращения 72000 об/мин устойчиво работает и при меньшей частоте вращения. Плавным регулированием числа оборотов от 72000 об/мин до 20000 об/мин холодопроизводительность установки изменяется от 100% до нуля. Устойчивость работы ротора при переменной скорости вращения обеспечивается оптимальным расстоянием между подшипниками, составляющим по экспериментальным данным 4-6 диаметров цапфы подшипника.

Статический преобразователь частоты изменяет частоту питающего электрического тока от 1 Гц до 1,2 кГц.

Весь комплекс использованных технических решений, характеризующих настоящую установку, приводит к возможности реализации новой компоновки детандера-компрессора с размещением на общем валу ротора электродвигателя с консольным расположением колес компрессора и детандера. При номинальной частоте вращения такая компоновка позволяет получить экономию электроэнергии до 20% Под действием перепада давления детандер 2 раскручивается, передавая крутящий момент на общий с компрессором 10 вал, рекуперируя часть мощности, затрачиваемой на компримирование воздуха.

При запуске установки из холодного состояния включается калорифер 42, либо открывается клапан 22, уменьшая расход воздуха через полость 14 теплообменника 7.

В настоящее время установка изготовлена. Испытаниями подтверждены ее работоспособность и возможность осуществления предложенного способа.

Формула изобретения

1. Способ охлаждения замкнутого объекта путем забора воздуха из атмосферы, его детандирования, последующего теплообмена с воздухом, проходящим через замкнутый объем, и компримирования охлаждающего воздуха с выбросом его в атмосферу, при этом компримирование осуществляется с помощью электропривода, отличающийся тем, что детандирование ведут до давления 45 65 кПа, а теплообмен с воздухом замкнутого объема осуществляют при расходе детандированного воздуха, меньшим расхода воздуха, проходящего через замкнутый объем, в 1,5 3 раза.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс детандирования ведут при изменении скорости вращения электропривода 20000 72000 мин^-1, при этом процесс компримирования осуществляют в режиме вакуум-насоса.

3. Установка для охлаждения замкнутого объекта, содержащая турбодетандер-компрессор с электроприводом, вход турбины которого соединен с атмосферой, а выход через промежуточный охладитель сообщен с входом компрессора, причем выход последнего соединен также с атмосферой, отличающаяся тем, что вход турбины соединен с атмосферой непосредственно, а промежуточный охладитель выполнен в виде двухполостного рекуперативного теплообменника, вторая полость которого подключена к охлаждаемому объекту с образованием замкнутого воздушного циркуляционного контура, имеющего последовательно установленные вентилятор и фильтр.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что турбодетандер-компрессор размещен на общем валу с электроприводом при консольном расположении его колес, при этом электропривод выполнен в виде безконтактного вентильного электродвигателя с воздушным охлаждением и снабжен статическим преобразователем частоты электрического тока.

5. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что турбодетандер-компрессор снабжен ротором на газовых опорах, отделенных динамическими уплотнениями от турбины и компрессора, причем расстояние между подшипниками составляет 4 6 диаметров цапфы подшипника.

6. Установка по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что в замкнутом циркуляционном контуре между вентилятором и фильтром установлен калорифер.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2