УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЯ
INDOOR COOLING DEVICE

Изобретение относится к области техники для получения холода и электричества, а поэтому может быть использовано на заводских компрессорных станциях производства сжатого воздуха и в помещениях, например, холодильного хранения сельскохозяйственных продуктов.
Известно, что сжатый воздух является одним из универсальных энергоносителей и на его основе можно получать различные потоки энергии: электрические, «холодильные» и тепловые.
На многих предприятиях, использующих сжатый воздух для различных технологических нужд, имеются заводские компрессорные станции производства сжатого воздуха давлением до 0,6 МПа. Основным оборудованием таких станций являются воздушные компрессоры, приводимые электродвигателями и снабженные теплообменниками. Оптимальный режим функционирования таких станций может быть обеспечен только при круглосуточном режиме работы компрессоров при постоянной заданной частоте вращения независимо от характера расхода сжатого воздуха заводскими потребителями. При таком режиме обеспечивается наиболее длительный ресурс работы компрессоров и электродвигателей.
Сжатый воздух из компрессора нагнетается в накопитель, из которого производится отбор воздуха для различных нужд предприятия. При работе компрессора на постоянном режиме и избытке поступающего воздуха в накопитель для случая его уменьшенного отбора потребителем происходит срабатывание предохранительного клапана накопителя и непроизводительный выброс сжатого воздуха в атмосферу, что снижает кпд компрессорной станции.
Кроме того, при работе оборудования станции выделяется тепло, которое повышает температуру воздуха в помещении. Это также уменьшает кпд оборудования компрессорной станции и снижает удобство работы обслуживающего персонала.
Известна воздушная турбохолодильная установка (Патент РФ №2262047, 7 F25B 11/00, 05.01.2004). Установка содержит турбодетандер, многокамерный динамический теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор. Компрессор разделен на каскады низкого и высокого давления. Каскад низкого давления механически связан с источником энергии, а каскад высокого давления механически связан с турбодетандером. Теплообменник выполнен трехкамерным. Вход в первую камеру теплообменника связан каналом с выходом потребителя холода, выход с атмосферой, вход во вторую камеру с выходом каскада низкого давления, выход с входом каскада высокого давления, вход в третью камеру с выходом каскада высокого давления, выход с входом в турбодетандер. Изобретение позволяет охладить помещение и повысить экономичность работы установки. Недостатком установки является сложность ее газодинамической схемы.
Известна установка для охлаждения воздуха помещения (Патент РФ на полезную модель №39936, 7 F25B 11/00, 20.04.2004). Установка содержит источник сжатого воздуха, воздушную турбину, установленную на одном валу с воздушным компрессором и сообщающуюся своим выходом с низконапорным входом эжектора. Выход эжектора соединен с охлаждаемым помещением, с которым также соединен вход турбины. Высоконапорный вход эжектора подключен к источнику сжатого воздуха. Вход компрессора соединен с источником газа низкого давления, а выход - с емкостью для сжатого газа. Установка надежна в работе, минимальное количество холодообразующих агрегатов позволяет максимально упростить газодинамическую схему устройства, однако она обладает пониженной холодопроизводительностью из-за потерь в магистрали, соединяющей выход эжектора с помещением.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является расположенное в помещении автономное устройство охлаждения воздуха (Патент РФ №2148194, 7 F04F 5/54, F25B 11/00, 31.08.1998). Устройство содержит размещенные в помещении воздушную турбину, соединенную механически с потребителем мощности, источник воздуха высокого давления и эжектор. Эжектор состоит из высоконапорного и низконапорного входа, камеры смешения и диффузора. Высоконапорный вход эжектора подключен к источнику воздуха высокого давления. Выход из турбины соединен с низконапорным входом эжектора. Устройство может быть использовано как экологически чистое средство для охлаждения помещений. Недостатком устройства является повышенный уровень шума в помещении из-за расположения в нем генерирующих шум агрегатов (турбина, трубопроводы) и выходящей из эжектора с большой скоростью струи холодного воздуха.
В основу изобретения положено решение следующих задач:
- поддержание параметров воздуха в помещении на заданном уровне для обеспечения удобства работы персонала и повышения кпд используемого оборудования;
- уменьшение уровня шума в помещении и вне его без ухудшения экономичности работающего устройства.
Поставленные задачи решаются тем, что устройство для охлаждения помещения содержит размещенные в помещении воздушную турбину, соединенную механически с потребителем мощности, источник воздуха высокого давления с регулятором и эжектор. Эжектор состоит из высоконапорного и низконапорного входа, камеры смешения и диффузора. Высоконапорный вход эжектора подключен к источнику воздуха высокого давления. Выход воздуха из турбины соединен с низконапорным входом эжектора. Помещение снабжено предохранительным клапаном.
Согласно изобретению устройство дополнительно содержит шумозащитную камеру, воздухозаборники помещения и шумозащитной камеры, дополнительный эжектор и трубопровод. Шумозащитная камера расположена смежно с помещением. Воздушная турбина, потребитель мощности, первый эжектор, воздухозаборник и дополнительный эжектор установлены в шумозащитной камере. Потребитель мощности выполнен в виде электрогенератора. Диффузор первого эжектора выполнен со степенью расширения не большей двух. Источник воздуха высокого давления соединен с высоконапорным входом эжектора и расположен вне помещения и шумозащитной камеры. Воздухозаборники помещения и шумозащитной камеры трубопроводом соединены между собой. Дополнительный эжектор пристыкован снаружи с зазором к выходной части первого эжектора. Выход дополнительного эжектора непосредственно связан с помещением и расположен противоположно воздухозаборнику помещения.
Снижение температуры воздуха при расширении его в турбине позволяет поддерживать параметры воздуха в помещении на заданном уровне.
Расположение холодообразующих агрегатов в шумозащитной камере, расположенной смежно с помещением, и выход холодного воздуха из дополнительного эжектора непосредственно в помещение позволяют исключить потери «холода» в устройстве.
Размещение генерирующих шум агрегатов в шумозащитной камере, установка дополнительного эжектора при выходе в помещение воздушной струи понижают уровень звукового давления в помещении от работы устройства, повышая комфортность работы персонала. При этом улучшается и экология прилегающей к помещению территории.
Ограничение степени диффузорности диффузора эжектора позволяет минимизировать потери в эжекторе, а следовательно, и потребный расход сжатого воздуха.
Установка дополнительного эжектора (с диффузором внезапного расширения) за первым эжектором позволяет более эффективно преобразовывать кинетическую энергию выходящего из первого эжектора воздуха в энергию давления, за счет чего сократить расход сжатого воздуха и повысить кпд устройства. Снижение скорости при увеличении расхода подаваемого в помещение воздуха позволяет резко (в десятки раз) сократить уровень звукового давления от работы устройства и повысить комфортность работы в нем персонала.
Применение трубопровода, связывающего воздухозаборники шумозащитной камеры и помещения, позволяет обеспечить максимальное удаление друг от друга места подвода воздуха из дополнительного эжектора и отвода воздуха воздухозаборником помещения, что дает возможность обеспечить большую равномерность температурного поля в помещении и за счет этого сократить потребный расход сжатого воздуха для обеспечения заданного температурного режима во всех местах помещения и соответственно увеличить кпд устройства.
Развитие и уточнение совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев выполнения устройства даны далее.
Источник воздуха высокого давления может быть расположен в помещении.
Воздухозаборники помещения и шумозащитной камеры могут содержать звукопоглощающие покрытия.
Шумозащитная камера может быть выполнена в виде холодильной камеры.
Дополнительный эжектор может быть выполнен с диффузором внезапного расширения.
Трубопровод может быть снабжен блоком кранов и воздухозаборники шумозащитной камеры и помещения через блок кранов могут быть соединены с окружающей средой.
Расположение источника воздуха высокого давления в помещении дает возможность уменьшить температуру воздуха в источнике воздуха высокого давления, позволяя уменьшить потребный расход сжатого воздуха, что повышает кпд устройства.
Воздухозаборники помещения и шумозащитной камеры с звукопоглощающим покрытием позволяет уменьшить возможность проникновения шума из шумозащитной камеры в помещение.
Применение холодильной камеры в качестве шумозащитной камеры позволяет дополнительно уменьшить теплоотвод через стенки в шумозащитную камеру и уменьшить потребный расход сжатого воздуха, т.е. повысить эффективность работы эжектора, а также позволяет снизить стоимость предлагаемого устройства.
Применение диффузора с внезапным расширением (одно- или многокаскадного) в дополнительном эжекторе позволяет с минимальными потерями преобразовывать кинетическую энергию выходящего из эжектора воздуха в энергию давления при величине скорости входящего в помещение воздуха, обеспечивающей низкий уровень шума. При этом уменьшается и длина дополнительного эжектора, что полезно как с точки зрения экономии металла, так и для уменьшения габаритов устройства.
Установка блока кранов на трубопроводе позволяет в зависимости от соотношения температур в помещении и окружающей среде подавать воздух в шумозащитную камеру из помещения, если температура в помещении меньше, чем в окружающей среде или из окружающей среды, если в ней температура меньше, чем в помещении. Это позволяет уменьшить температуру воздуха в шумозащитной камере и соответственно снизить величину потребного расхода сжатого воздуха.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- обеспечено поддержание параметров воздуха в помещении на заданном уровне для удобства работы персонала и повышения надежности, а также эффективности работы используемого оборудования;
- сокращены потери энергии с воздухом, выбрасываемым в атмосферу и повышен кпд устройства;
- уменьшен уровень шума в помещении и, следовательно, повышена комфортность условий работы персонала, а также уменьшен шум на прилегающей к помещению территории.
Настоящее изобретение будет более понятно после рассмотрения последующего подробного описания устройства для охлаждения помещения со ссылкой на прилагаемую на чертеже схему.
Устройство для охлаждения помещения 1 содержит воздушную турбину 2, соединенную механически с потребителем мощности 3, источник 4 воздуха высокого давления с регулятором 5 и эжектор 6. Эжектор 6 состоит из высоконапорного входа 7, низконапорного входа 8, камеры смешения 9 и диффузора 10. Высоконапорный вход 7 эжектора 6 подключен к источнику 4 воздуха высокого давления. Выход турбины 2 соединен с низконапорным входом 8 эжектора 6. Помещение 1 снабжено предохранительным клапаном 11. Дополнительно устройство для охлаждения помещения также содержит шумозащитную камеру 12, воздухозаборники камеры 13 и шумозащитной камеры 14, дополнительный эжектор 15, трубопровод 16 и проходные изоляторы 17. В устройстве для охлаждения помещения воздушная турбина 2, потребитель мощности 3, проходные изоляторы 17, эжектор 6, воздухозаборник 14 и дополнительный эжектор 15 установлены в шумозащитной камере 12. Потребитель мощности 3 выполнен в виде электрогенератора. Источник 4 воздуха высокого давления соединен с высоконапорной частью 7 эжектора 6 и расположен вне шумозащитной камеры 12. Воздухозаборники помещения 13 и шумозащитной камеры 14 газодинамически соединены трубопроводом 16. Проходные изоляторы 17 установлены на шумозащитной камере 12 и электрически соединены с электрогенератором 3. Дополнительный эжектор 15 пристыкован снаружи с зазором 18 к диффузору 10 эжектора 6, а выход его газодинамически связан с помещением 1 и расположен на максимальном удалении от воздухозаборника 13.
Источник 4 воздуха высокого давления может быть расположен в помещении 1.
Диффузор 19 дополнительного эжектора 15 может быть диффузором с внезапным расширением.
Трубопровод 16 может быть снабжен блоком кранов 20, соединяющим через краны 21, 22 и 23 воздухозаборники помещения 13 и шумозащитной камеры 14, а также помещение 1 и шумозашитную камеру 12 с окружающей средой.
Устройство для охлаждения помещения работает следующим образом.
Открывается регулятор 5 и из источника 4 воздуха высокого давления воздух поступает в высоконапорный вход 7 эжектора 6, где его скорость увеличивается, а давление уменьшается ниже давления воздуха в шумозащитной камере 12. Вследствие этого в низконапорный вход 8 эжектора 6 из шумозащитной камеры 12 подсасывается воздух через турбину 2. При этом турбина 2 вырабатывает энергию, которая передается механически связанному с ней электрогенератору 3, энергия от которого передается через проходные изоляторы 17 потребителям. Воздух из высоконапорного и низконапорного входов поступает в камеру смешения 9 эжектора 6, где происходит смешение обоих потоков воздуха и выравнивание их скоростей. Затем в диффузоре 10 скорость потока воздуха уменьшается, но при выходе из него величина скорости еще достаточно велика, чтобы создавать повышенное звуковое давление. После выхода из эжектора 6 поток воздуха поступает в дополнительный эжектор 15, где подсасывает воздух из шумозащитной камеры 12 через зазор 18 между ним и выходным срезом первого эжектора 6. В дополнительном эжекторе 15 происходит смешение потоков и уменьшение скорости, что снижает уровень шума выходящей в помещение струи воздуха. В случае, если давление воздуха в помещении 1 станет выше предельно допустимого значения, срабатывает предохранительный клапан 11 и часть воздуха перепускается в атмосферу. Уходящий из шумозащитной камеры 12 через турбину 2 и эжектор 6 в помещение 1 воздух компенсируется притоком его из помещения 1 через воздухозаборник помещения 13, трубопровод 16, кран 23 (при закрытых кранах 21 и 22) и воздухозаборник шумозащитной камеры 14.
Если температура в помещении больше, чем в окружающей среде, то можно при закрытом кране 23 и открытых кранах 21 и 22 подавать воздух в шумозащитную камеру 12 из окружающей среды, а воздух из помещения 1 выбрасывать в окружающую среду.
Целесообразность реализации предлагаемого устройства для охлаждения помещения показана в приведенном примере.
3
В качестве шумозащитной камеры выбрана известная, серийно выпускаемая малогабаритная холодильная камера объемом V=4.4 м, которая обладает и хорошими звукоизоляционными качествами, так как ее стенки толщиной более 100 мм выполнены из синтетического материала с низкими акустическими показателями. В этой камере установлен опытный образец устройства, содержащего турбину, электрогенератор и эжектор. Источник сжатого воздуха в виде баллонной рампы установлен вне холодильной камеры.
3
3
с.в.
э
B
Испытания устройства показали возможность полного обновления воздуха в помещении объемом V=1000 м с температурой Т=300К при понижении исходной температуры на ΔT=5 К за время τ=2 часа. При этом расход сжатого воздуха составлял не более G=0,04 кг/с (~2 нм/мин) при давлении в баллонной рампе р=0,4 МПа и мощности электрогенератора N≈1 кВт; при выходе из эжектора (диаметр сечения D=64 мм) расход воздуха составлял G=0.12 кг/с, а скорость воздуха - с=31 м/с. Уровень шума от выходящего в помещение из эжектора потока воздуха был высокий (более 85 дБ).
Известно, что уровень шума струи воздуха пропорционален величине ее скорости в восьмой степени. Известно также, что если высокоскоростную струю газа окружает поток низкоскоростной, то уровень шума становится ниже, при этом уровень звукового давления понижается пропорционально увеличению расхода в степени полтора. Тогда уменьшения шума, генерируемого выходящим потоком воздуха, можно добиться установкой дополнительного эжектора, имеющего существенно больший диаметр выходного среза, чем у первого эжектора.
п
эж
вых
Расчет показывает, что постановка дополнительного эжектора с диаметром выходного среза D=320 мм (при выходном диаметре первого эжектора D=64 мм) позволяет увеличить расход воздуха через дополнительный эжектор (по сравнению с первым эжектором) в четыре с половиной раза и снизить скорость на выходе его до с=5.4 м/с (т.е. в ~6 раз), что должно понизить уровень звукового давления в помещении более чем на порядок. Следует отметить, что расположение щумогенерирующих узлов в шумоизолирующей камере улучшает экологическую атмосферу и в пространстве, окружающем помещение.
3
Следует особо подчеркнуть, что применение в качестве шумозащитной камеры серийно выпускаемой холодильной камеры позволяет значительно сократить затраты на ее приобретение: стоимость типовой холодильной камеры объемом V=4.4 м составляет около 35 тысяч рублей. Эти затраты компенсируются в течение 1.5 лет за счет того, что снижение температуры в помещении позволяет повысить эффективность работы энергооборудования, в частности уменьшение температуры на 5°С увеличивает эффективность работы компрессора на 1.5%. Кроме того, снижение уровня заболеваемости персонала, связанного с высоким уровнем шума, с лихвой компенсирует все затраты, связанные с использованием предлагаемого устройства, предназначенного для охлаждения помещения при существенном уменьшении шума в нем.