Автономное устройство охлаждения воздуха

 

Изобретение относится к системам получения холода. Устройство содержит воздушную турбину, входом соединенную с атмосферой и с разрежением по выходу, соединенную с потребителем мощности. Выход турбины соединен с эжектором, активная часть которого подсоединена через редукционный клапан к источнику воздуха высокого давления. Потребителем мощности воздушной турбины является водяной насос. В результате достигается повышение ресурса работы агрегата по получению холодного воздуха и повышение степени его автономности. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области автономного получения холода при высоких экологических показателях. Известные парокомпрессорные агрегаты для получения холода, в частности бытовые холодильники, основаны на использовании в качестве хладоагента фреона и аммиака, которые являются экологически вредными веществами.

В связи с этим широкое распространение находят агрегаты, использующие воздух в качестве хладоагента. В качестве аналога использован турбонагревательный агрегат по патенту Великобритании N2237373, F 25 B 29/00, 1989. Техническое решение по аналогу содержит воздушную турбину, компрессор, образующие турбокомпрессор, и приводящий его электродвигатель, теплообменник, расположенный по потоку между турбиной и компрессором, запорно-регулирующие устройства и соединительные воздуховоды, образующие проточную часть агрегата. В зависимости от положения запорно-регулирующих устройств агрегат обеспечивает либо подогрев, либо охлаждение помещения, обслуживаемого этим агрегатом.

К недостаткам технического решения по аналогу относятся: невозможность одновременного получения на выходе агрегата горячего и холодного воздуха, т. е. ограниченные функциональные возможности, значительные габаритные размеры, высокое потребление электроэнергии, сложность и малая надежность агрегата в эксплуатации.

Известно техническое решение по патенту РФ N2096698, 6 F 25 B 9/00, 1/053, 1994, принятое за прототип и содержащее в известном турбонагревательно-холодильном агрегате с электроприводом воздушную турбину, компрессор, образующие турбокомпрессор, и приводящий его электродвигатель, теплообменник, расположенный по потоку между турбиной и компрессором, запорно-регулирующие устройства и соединительные воздуховоды, образующие проточную часть агрегата. Кроме того, он содержит дополнительно расположенный за компрессором распределительный коллектор, связанный с выходом из компрессора и снабженный двумя выходными патрубками, один из которых служит для отвода горячего воздуха, а второй - для отвода холодного воздуха и снабжен регулирующим устройством. Источником энергии для вращения компрессора является электродвигатель и турбина, причем мощность электродвигателя не превышает 1,5 - 2,0 кВт, что позволяет подключать агрегат к бытовой сети. Многофункциональность агрегата обеспечивается возможностью одновременного получения в нем небольших (до 40 г/с) количеств горячего и холодного воздуха. Сокращение габаритов и массы агрегата достигается оптимальным соосным и концентричным расположением основных его узлов, а также повышенной частотой вращения ротора (до 55000 об/мин). Одной из особенностей агрегата является то, что воздушная турбина работает по выходу на разрежении, создаваемом компрессором, в результате чего в нее на входе поступает атмосферный воздух с созданием конечного значения отношения давлений на турбине. Таким образом, воздушная турбина, входом сообщенная с атмосферой и с разрежением по выходу, соединенная с потребителем мощности, дает возможность не создавать повышенного давления воздуха по ее входу с тем, чтобы обеспечить перепад давлений на ней и при малой ее развиваемой мощности достигать приемлемых размеров лопаток турбины.

Однако недостатками технического решения по прототипу являются: привязанность агрегата к источнику электроэнергии, сложность его конструктивного исполнения и недостаточный ресурс работы из-за повышенной частоты вращения ротора.

Задачами предлагаемого изобретения являются повышение ресурса работы агрегата по получению холодного воздуха и повышение степени его автономности. Эти задачи решаются тем, что автономное устройство охлаждения воздуха содержит воздушную турбину, входом сообщенную с атмосферой, и с разрежением по выходу, соединенную с потребителем мощности, причем выход турбины соединен с эжектором, активная часть которого подсоединена через редукционный клапан к источнику воздуха высокого давления, а потребителем мощности воздушной турбины является водяной насос.

Заявителю неизвестны технические решения, содержащие признаки, схожие с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, что позволяет считать предложенное решение патентоспособным.

Конструктивная схема устройства, реализующего предложенное техническое решение, представлена на чертеже. Она включает воздушную турбину 1, входом сообщенную с атмосферой, и с разрежением по выходу, соединенную механически с водяным насосом 2, включенным в замкнутый контур 3 с баком 4, эжектор 5 с активной частью 6, источник 7 воздуха высокого давления, редукционный клапан 8. Система смонтирована в охлаждаемом помещении 9 с предохранительным клапаном 10.

Работа устройства, представленного на чертеже, осуществляется следующим образом. При подготовке устройства к работе, заключающейся в его монтаже в охлаждаемом помещении 9 и заливке контура 3 водой, производится пуск турбины 1 в работу путем открытия редукционного клапана 8 и соединения источника 7 с активной частью 6 эжектора 5. При этом воздух повышенного давления поступает из источника 7 в активную часть 6 эжектора 5, создавая на ее срезе разрежение воздушной среды. Из-за создавшегося разрежения воздух из помещения 9 поступает в турбину 1, приводя ее во вращение. Создаваемая мощность турбины 1 передается водяному насосу 2, с помощью которого циркулирует вода по замкнутому контуру 3, включающему насос 2 и бак 4. В результате работы турбины 1 воздух, проходящий через нее, охлаждается и, смешиваясь в эжекторе 5 с воздухом, поступающим из активной части 6, вытекает из эжектора 5 в виде охлажденного равномерного потока в помещение 9, в котором предусмотрен предохранительный клапан 10 для предотвращения повышения давления воздуха в помещение 9.

Повышение ресурса работы устройства достигается тем, что частота вращения ротора турбины 1 не превышает 3000-5000 об/мин, при которой из условия достижения малой окружной скорости в опорах ротора применяется автономная (не принудительная) система смазки подшипников. Кроме того, работа устройства осуществляется без использования источника электроэнергии, что повышает степень ее автономности по сравнению с прототипом.

Одним из преимуществ предлагаемого устройства является его возможность осуществления быстрого охлаждения помещения.

Для иллюстрации изложенного приводим результаты расчета устройства, схематично представленного на чертеже, при следующих исходных данных.

1. Давление воздуха после редукционного клапана 8 - 5,0 МПа 2. Расход воздуха через активную часть 6 эжектора 5 - 0,33 кг/с 3. Расход воздуха через турбину 1 - 0,28 кг/с 4. Коэффициент полезного действия турбины 1 - 0,42 5. Расход воздуха на выходе из эжектора 5 - 0,61 кг/с 6. Отношение давлений воздуха на турбине 1 - 2,0 7. Объем помещения 9 - 12,0 м³ 8. Отношение выходного диаметра активной части 6 эжектора 5 к ее критическому диаметру - 3,07 Расчеты при использовании приведенных исходных данных показывают, что при работе представленного устройства в помещение 9 по истечении 20-25 сек температура воздуха в помещении 9 снизится с 288 до 271 К.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в качестве аварийного средства при охлаждении холодильных камер в случае выхода из строя штатного генератора холода. Кроме того, большими возможностями рассматриваемое устройство располагает при замене экологически вредных холодильных аппаратов, использующих фреон или аммиак в качестве хладоагента.

В настоящее время изготовлен опытный образец устройства быстрого охлаждения помещения. Его опытно-промышленное испытание предполагается провести в 1998 году.

Формула изобретения

Автономное устройство охлаждения воздуха, содержащее воздушную турбину, входом соединенную с атмосферой и с разрежением по выходу, соединенную с потребителем мощности, отличающееся тем, что выход турбины соединен с эжектором, активная часть которого подсоединена через редукционный клапан к источнику воздуха высокого давления, а потребителем мощности воздушной турбины является водяной насос.

РИСУНКИ

Рисунок 1