Мультитеплотрубная холодильная машина

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников. Холодильная машина включает силовой блок и холодильный блок. Силовой блок снабжен корпусом, в котором последовательно расположены соединенные между собой испарительная камера, рабочая камера, заполненная фитилем, и конденсационная камера с фитилем, находящаяся в контакте с холодной средой. Холодильный блок снабжен корпусом, в котором расположены низкотемпературная испарительная камера и компрессионная конденсационная камера, разделенные между собой в паровом пространстве кожухом и соединенные по жидкости капиллярами фитилей, а по пару - компрессором, ротор которого также насажен на вал, напорный патрубок помещен в компрессионную конденсационную камеру, всасывающий патрубок - в низкотемпературную испарительную камеру. Испарительная камера состоит из испарительных гильз. Конденсационная камера снабжена конденсационными гильзами. Торцевая стенка низкотемпературной испарительной камеры через отверстия соединена с испарительными гильзами, внутренняя поверхность которых покрыта полосами пористого материала, образуя между собой канавки. Полосы фитиля соединены через подъемные фитили с центральным массивом фитиля. Поверхность подъемных фитилей со стороны низкотемпературной испарительной камеры покрыта кожухом, образуя дроссельную зону. Техническим результатом является повышение мощности и эффективности холодильной машины. 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для комплексного производства тепла и холода.

Известна транспортная турбохолодильная машина, содержащая, помещенные в корпус и установленные на одном валу турбину, компрессор, электродвигатель, конденсатор (конденсационную камеру), испаритель (испарительную камеру) и капилляры для дросселирования рабочей жидкости [1].

Основными недостатками известной турбохолодильной машины являются невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных тепловых энергоресурсов, тепловых ресурсов природных источников, громоздкость конструкции и невозможность работы при отсутствии электроэнергии, что сужает область ее применения и, в конечном счете, снижает ее эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является теплотрубная холодильная машина, которая содержит в одном корпусе, разделенном глухой перегородкой, силовую и холодильную секции (блоки), внутри которых помещены: в силовой секции - последовательно соединенные между собой, испарительная камера, рабочая камера, конденсационная камера, питательный насос, при этом испарительная камера отделена от рабочей перегородкой с сепарационным элементом, боковые стенки ее и перегородка изнутри покрыты фитилем, а внутренняя поверхность торцевой стенки выполнена с канавками и покрыта тонким слоем пористого материала, в рабочей камере стены корпуса также покрыты изнутри фитилем, а через вертикальные стены холодильной и силовой секций, глухую перегородку и слои фитиля насквозь пропущен вал, на который насажено колесо силовой турбины, помещенной в корпус турбины, сообщающейся с испарительной камерой через паровое сопло, соединенное со стыковочной кромкой сепарационного элемента и перегородки и, через патрубок мятого пара, с конденсационной камерой, боковые стеки которой также покрыты изнутри фитилем, являющимся продолжением фитиля рабочей камеры, при этом на конец вала со стороны силовой секции насажен ротор питательного насоса, который всасывающим отверстием сообщается с резервуаром рабочей жидкости, выполненным толще фитиля, и сообщается с ним через поры фитиля, а с испарительной камерой соединен напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой, а со стороны холодильной секции на конец вала насажен ротор компрессора; в холодильной секции помещены низкотемпературная испарительная камера, внутренняя поверхность торцевой стенки которой также снабжена канавками и покрыта пористым материалом, и компрессионная конденсационная секция, разделенные между собой в паровом пространстве и соединенные по жидкости капиллярами фитиля, покрывающего внутреннюю поверхность вертикальных стенок холодильной секции, частично покрытого в низкотемпературной испарительной камере кожухом с зазором у торцевой стенки, образующим дроссельную зону, а по пару - компрессором, ротор которого также насажен на вал, напорный патрубок помещен в компрессионную конденсационную камеру, всасывающий патрубок - в низкотемпературную испарительную камеру и снабжен полусферическим перфорированным каплеотбойником [2].

Основным недостатком известной теплотрубной холодильной машины является невозможность ее использования ввиду малой мощности (меньше 1 кВт) при утилизации низкопотенциального тепла вторичных и природных источников тепловой энергии в промышленных масштабах, что сужает область ее применения и снижает эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение мощности теплотрубной холодильной машины и связанные с этим возможность ее применения в промышленных масштабах при утилизации тепла (в том числе и низкопотенциального) в различных отраслях народного хозяйства, а также повышение эффективности.

Технический результат достигается в мультитеплотрубной холодильной машине (МТТХМ), включающей силовой блок и холодильный блок, причем силовой блок снабжен корпусом, в котором последовательно расположены соединенные между собой испарительная камера, рабочая камера, заполненная фитилем, в котором помещен цилиндрический резервуар рабочей жидкости, через боковые стенки которой пропущен вал, на который насажены колесо силовой турбины и ротор питательного насоса, и конденсационная камера с фитилем, находящаяся в контакте с холодной средой, а холодильный блок снабжен корпусом, в котором расположены низкотемпературная испарительная камера и компрессионная конденсационная камера, разделенные между собой в паровом пространстве кожухом и соединенные по жидкости капиллярами фитилей, а по пару - компрессором, ротор которого также насажен на вал, напорный патрубок помещен в компрессионную конденсационную камеру, всасывающий патрубок - в низкотемпературную испарительную камеру и снабжен перфорированным каплеотбойником, при этом испарительная камера состоит из испарительных гильз, внутренняя поверхность которых покрыта полосами пористого материала (фитиля), образующими между собой канавки, причем испарительные гильзы соединены открытыми торцами с отверстиями в крышке сепарационной секции, в которой размещены распределительные коллекторы с форсунками, установленными в центре входа в каждую испарительную гильзу, испарительная камера выполнена отделенной снизу глухой перегородкой, также покрытой фитилем, с перфорированным элементом, и контактирующей с горячей средой, рабочая камера снабжена вторым резервуаром рабочей жидкости и вторым питательным насосом, конденсационная камера снабжена конденсационными гильзами, соединенными открытыми торцами с днищем распределительной секции, дно конденсационных гильз соединено подъемными фитилями, пропущенными по центру каждой из них, не касаясь их стенок, с фитилем рабочей камеры; в холодильном блоке торцевая стенка компрессионной конденсационной камеры через отверстия в днище соединена с конденсационными гильзами, дно которых соединено подъемными фитилями, также размещенными по оси гильз, не касаясь их стенок, с центральным массивом фитиля, торцевая стенка низкотемпературной испарительной камеры через отверстия соединена с испарительными гильзами, внутренняя поверхность которых покрыта полосами пористого материала, образуя между собой канавки, при этом полосы фитиля соединены через подъемные фитили, размещенные по оси испарительных гильз, не касаясь их внутренних стенок, с центральным массивом фитиля, причем поверхность подъемных фитилей со стороны низкотемпературной испарительной камеры покрыта кожухом, образуя дроссельную зону.

На фиг.1-6 представлена предлагаемая мультитеплотрубная холодильная машина (МТТХМ).

МТТХМ содержит: силовой блок (СБ), который состоит из корпуса 1, внутри которого по ходу движения пара расположены испарительная камера 2, состоящая из испарительных гильз 3, соединенных своими открытыми торцами с сепарационной секцией 4, внутренняя поверхность которых покрыта полосами пористого материала (фитиля) 5, образующими между собой канавки 6, в которой размещены передний и задний распределительные коллекторы 7 и 8 соответственно, снабженные форсунками 9, размещенными в центре входа в испарительные гильзы 3, отделенная снизу глухой перегородкой 10, также покрытой слоем фитиля 5, с перфорированным сепарационным элементом 11, рабочая камера 12, заполненная фитилем 13, через боковые стенки которой и слои фитиля 13 насквозь пропущен вал 14, на который насажено колесо 15 силовой турбины, помещенной в корпус 16, сообщающийся с испарительной камерой 2 через паровое сопло 17, соединенное со стыковочной кромкой перегородки 10, а через патрубок мятого пара 18 с конденсационной камерой 19, состоящей из распределительной секции, 20 днище которой через отверстия соединено с конденсационными гильзами 21, дно которых в свою очередь соединено с фитилем 13 подъемными фитилями 22, проходящими через центр конденсационных гильз 21, не касаясь поверхности их внутренних стенок, причем на наружной поверхности торцевых стенок рабочей камеры 12 устроены передний и задний питательные насосы 23 и 24 соответственно, соединенные через всасывающие отверстия с передним и задним резервуарами рабочей жидкости 25 и 26 соответственно, представляющими собой цилиндрические полости, размещенные в фитиле 13 и сообщающиеся с ним через поры в наружной поверхности, причем по центральной оси резервуаров 25, 26 проходит вал 14, на который насажены роторы насосов 23 и 24, соединенных через напорные трубопроводы 27 и 28 с передним и задним коллекторами 7 и 8 испарительной камеры 2; холодильный блок (ХБ), состоящий из корпуса 29, в котором помещены низкотемпературная испарительная камера 30, торцевая стенка которой через отверстия соединена с испарительными гильзами 31, внутренняя поверхность которых покрыта полосами фитиля 32, образуя между собой канавки 33, который соединен подъемными фитилями 34 с центральным массивом фитиля 35, поверхность которых со стороны испарительной камеры 30 покрыта кожухом 36, образуя дроссельную зону в полости испарительных гильз 31, и компрессионная конденсационная камера 37, торцевая стенка которой через отверстия соединена с конденсационными гильзами 38, дно которых соединено подъемными фитилями 39 с центральным массивом фитиля 35, который совместно с кожухом 36 разделяет между собой в паровом пространстве испарительную камеру 30 и конденсационную камеру 37, соединенные между собой по жидкости капиллярами фитилей, 32, 34, 35, 39, а по пару компрессором 40, ротор которого также насажен на вал 14, напорный патрубок 41 помещен в компрессионную конденсационную камеру 37, а всасывающий патрубок 42 в низкотемпературную испарительную камеру 30 и снабжен перфорированным каплеотбойником 43.

В основу работы СБ предлагаемой МТТХМ лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, согласно которому положительная работа расширения пара в турбине значительно превышает отрицательную работу насоса по сжатию конденсата, ХБ-холодильный цикл паровой компрессионной холодильной установки, согласно которому для ее работы необходима затрата определенного количества внешней энергии [3, с.117, 127] и высокая скорость передачи теплоты в тепловых трубах, покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы и т.д. [4, с.106].

Предварительно перед началом работы из камер 2, 12, 19 СБ и 30, 37 ХБ МТТХМ удаляют воздух. В камеры 2, 12, 19 СБ закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (например, воду) отдельно в испарительную камеру 2 до полного насыщения фитиля 5 и совместно в рабочую и конденсационную камеры 12 и 19 соответственно (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1, 2 не показаны), в количестве достаточном для заполнения объема пор фитилей 13 и 22, резервуаров рабочей жидкости 25, 26, насосов 23, 24 и напорных трубопроводов 27, 28 с коллекторами 7 и 8. В камеры 30, 37 закачивают хладон до полного насыщения фитилей 32, 34, 35, 39, после чего корпус 1 и 29 МТТХМ устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 2 с испарительными гильзами 3 контактировала с горячей средой (например, отработавшими газами), а конденсационная камера 19 с конденсационными гильзами 21 с холодной (например, воздухом), низкотемпературная испарительная камера 30 с охлаждаемой средой (например, воздухом), компрессионная конденсационная камера 37 с нагреваемой средой (например, водой). В результате нагрева испарительных гильз 3 испарительной камеры 2 происходит испарение рабочей жидкости в канавках 6, находящейся в фитиле 5, который предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и таким образом интенсифицирует процесс испарения [5, с.22], образуется пар, создается давление в испарительной камере 2, полученный пар, проходя через перфорированный сепарационный элемент 11, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которая отбрасывается на поверхность фитиля 5 и транспортируется им в испарительные гильзы 3, через паровое сопло 17 поступает на лопатки колеса 15 силовой турбины, вращая его совместно с валом 14, который сообщает вращательное движение роторам питательных насосов 23 и 24 и вращающий момент М на рабочем конце вала 14, в результате чего в корпусе 16 турбины происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления [3, с.331], после чего отработавший пар через патрубок мятого пара 18 попадает в конденсационную камеру 19 через распределительную секцию 20, где давление пара уменьшается еще в результате его дальнейшего расширения, откуда равномерно распределяется по конденсационным гильзам 21, конденсируется там за счет контакта наружной поверхности конденсационных гильз 21 с холодной средой, после чего образовавшийся конденсат всасывается подъемными фитилями 22 в поры фитиля 13, откуда под воздействием капиллярных сил и разрежения, создаваемого насосами 23 и 24 адиабатно [5, с.106] транспортируется в резервуары рабочей жидкости 25 и 26, откуда насосами 23 и 24 через напорные трубопроводы 27 и 28, коллекторы 7 и 8 и форсунки 9 под давлением, величина которого определяется рабочим давлением пара в испарительной камере 2, рабочая жидкость разбрызгивается по внутренней поверхности испарительных гильз 3, испаряется с поверхности канавок 6 и в соответствии с вышеописанным процессом цикл повторяется. При этом парная установка питательных насосов 23 и 24, резервуаров 25 и 26, напорных трубопроводов 27 и 28 коллекторов 7 и 8 с форсунками 9 обусловлена необходимостью обеспечения равномерной нагрузки на фитиль 13 и равномерного распределения рабочей жидкости в испарительные гильзы 3. Одновременно в ХБ в результате работы компрессора 40, обусловленной вращением вала 14, снижается давление в низкотемпературной испарительной камере 30 и контакта испарительных гильз 31 с охлаждаемой средой, происходит испарение (аналогично вышеописанному в СБ) при небольшом давлении и, соответственно, низкой температуре хладона, происходит охлаждение охлаждаемой среды. Компрессор 40, всасывая пары хладона, через каплеотбойник 43, всасывающий патрубок 42, нагнетает их через напорный патрубок 41 в компрессионную конденсационную камере 37, повышая в ней давление, отчего конденсация паров хладона осуществляется при повышенных давлении и температуре, наружная среда нагревается, а образовавшийся конденсат всасывается капиллярами фитилей 39, 35, 34, 32 и под действием капиллярных сил и разности давлений в камерах 30 и 37 поступает в испарительные гильзы 31, где нагревается в полосах фитиля 32, на поверхности канавок 33 испаряется и дросселируется, снижая свое давление, после цикл повторяется. При этом конструкция МТТХМ позволяет оснастить испарительные 2, 30 и конденсационные 19, 37 камеры СБ и ХБ значительным числом испарительных 3, 31 и конденсационных 21, 38 гильз (тепловых труб), что на несколько порядков увеличивает ее мощность.

Таким образом, предлагаемая МТТХМ обеспечивает возможность получения тепла и холода за счет утилизации вторичных тепловых энергоресурсов различного потенциала (энергии сбросных вод, отходящих газов и т.д.), тепловых ресурсов природных источников (энергии солнца, воды и т.д.) в промышленных масштабах, что обеспечивает ее высокую эффективность в различных отраслях народного хозяйства.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.с. №1346910, М кл. F25В 11/00, 1987.

2. Патент РФ №2283461, М кл. F25В 11/00, М кл. F25В 1/04. 2006.

3. И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, 480 с.

4. В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, 170 с.

5. Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М.: 1990, 157 с.

Холодильная машина, включающая силовой блок и холодильный блок, причем силовой блок снабжен корпусом, в котором последовательно расположены соединенные между собой испарительная камера, рабочая камера, заполненная фитилем, в котором помещен цилиндрический резервуар рабочей жидкости, через боковые стенки которой пропущен вал, на который насажены колесо силовой турбины и ротор питательного насоса, и конденсационная камера с фитилем, находящаяся в контакте с холодной средой, а холодильный блок снабжен корпусом, в котором расположены низкотемпературная испарительная камера и компрессионная конденсационная камера, разделенные между собой в паровом пространстве кожухом и соединенные по жидкости капиллярами фитилей, а по пару - компрессором, ротор которого также насажен на вал, напорный патрубок помещен в компрессионную конденсационную камеру, всасывающий патрубок - в низкотемпературную испарительную камеру и снабжен перфорированным каплеотбойником, отличающаяся тем, что испарительная камера состоит из испарительных гильз, внутренняя поверхность которых покрыта полосами пористого материала (фитиля), образующими между собой канавки, причем испарительные гильзы соединены открытыми торцами с отверстиями в крышке сепарационной секции, в которой размещены распределительные коллекторы с форсунками, установленными в центре входа в каждую испарительную гильзу, испарительная камера выполнена отделенной снизу глухой перегородкой, также покрытой фитилем, с перфорированным элементом, и контактирующей с горячей средой, рабочая камера снабжена вторым резервуаром рабочей жидкости и вторым питательным насосом, конденсационная камера снабжена конденсационными гильзами, соединенными открытыми торцами с днищем распределительной секции, дно конденсационных гильз соединено подъемными фитилями, пропущенными по центру каждой из них, не касаясь их стенок, с фитилем рабочей камеры, в холодильном блоке торцевая стенка компрессионной конденсационной камеры через отверстия в днище соединена с конденсационными гильзами, дно которых соединено подъемными фитилями, также размещенными по оси гильз, не касаясь их стенок, с центральным массивом фитиля, торцевая стенка низкотемпературной испарительной камеры через отверстия соединена с испарительными гильзами, внутренняя поверхность которых покрыта полосами пористого материала, образуя между собой канавки, при этом полосы фитиля соединены через подъемные фитили, размещенные по оси испарительных гильз, не касаясь их внутренних стенок, с центральным массивом фитиля, причем поверхность подъемных фитилей со стороны низкотемпературной испарительной камеры покрыта кожухом, образуя дроссельную зону.