ПАРОКОМПРЕССИОННАЯ УСТАНОВКА
STEAM COMPRESSION PLANT

Изобретение относится к парокомпрессионной технике, в частности к парокомпрессионным установкам, работающим по разомкнутому циклу, принцип действия которых основан на создании в камере разрежения, сопровождающегося кипением и испарением жидкого рабочего тела, последующего сжатия полученного пара и его конденсации в камере конденсации (обратный цикл Карно).
Известна парокомпрессионная установка, содержащая выполненный в виде замкнутой емкости испаритель, снабженный патрубками подвода и отвода воды, компрессор с приводом, сообщенный с паровым каналом испарителя, а также выполненный в виде замкнутой емкости и снабженный патрубком отвода конденсатор, сообщенный с компрессором; вход компрессора размещен непосредственно в паровом канале испарителя, а его выход - в полости конденсатора; корпус компрессора герметично установлен в стенках испарителя и конденсатора: в качестве привода компрессора использована паровая турбина (см. патент РФ №2327934, кл. F25B 1/053, опубл. 27.06.2008 г.).
Недостатком известной парокомпрессионной установки является ограниченность применения, обусловленная необходимостью подвода пара высокого давления для приводной турбины.
Известна также парокомпрессионная установка, содержащая компрессор с приводным электродвигателем, снабженные разбрызгивателями патрубки подвода воды на вход компрессора, патрубок отвода пара к потребителю, приводной электродвигатель, расположенный за пределами корпуса компрессора и соединенный с последним посредством вала, введенного в корпус компрессора через уплотнение (см. патент РФ №2309327, кл. F22B 3/04, опубл. 27.10.2007 г.).
Недостатком известной парокомпрессионной установки является невозможность ее эффективного использования в качестве генератора холодильного агента (генератора холодной воды). Это обусловлено, прежде всего, тем, что для обеспечения кипения подводимой воды при температуре, близкой к 0°С, необходимо разрежение на входе в компрессор 4-5 мбар, которому соответствует давление пара на выходе из компрессора 40-75 мбар (при коэффициенте повышения давления в компрессоре 10-15). При таком давлении на выходе из компрессора трудно обеспечить необходимую газоплотность (при заданных значениях надежности и ресурса) уплотнения вала компрессор-электродвигатель. Втекание атмосферного воздуха через уплотнение существенно ухудшает параметры установки и не позволяет с минимальными затратами энергии достичь требуемого значения разрежения на входе в компрессор. Кроме того, в известной установке отсутствует испаритель, как таковой, что исключает возможность накопления в установке холодильного агента с последующей его передачей потребителю.
Наиболее близкой к заявленной является парокомпрессионная установка, содержащая испаритель с патрубками подвода и отвода рабочего тела, конденсатор с патрубком отвода конденсата, снабженный приводным электродвигателем компрессор, вход которого сообщен с полостью испарителя, а выход - с полостью конденсатора, при этом приводной электродвигатель размещен в герметичном корпусе и снабжен каналом жидкостного охлаждения его статора (см. заявку РСТ WO 95/21009, кл. B01D 1/28, опубл. 10.08.95).
Недостатком известной установки является то, что при ее функционировании не удается достичь достаточно большой разности температур рабочего тела в испарителе и в конденсаторе, что ограничивает возможность использования известного решения в качестве производителя холодильного агента (например, холодной воды или льда). Это обусловлено ограничением по мощности электродвигателя, вызванным возможностью его перегрева.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении кпд установки при одновременном увеличении ее надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что в парокомпрессионной установке, содержащей испаритель с патрубками подвода и отвода рабочего тела, конденсатор с патрубком отвода конденсата, снабженный электродвигателем и герметичным корпусом компрессор, вход которого сообщен с полостью испарителя, а выход сообщен с полостью конденсатора через кольцевой диффузор с наружной обечайкой, при этом полости испарителя и конденсатора гидравлически изолированы друг от друга, а электродвигатель размещен в герметичном корпусе и снабжен каналом жидкостного охлаждения герметичного корпуса, кольцевой диффузор дополнительно оснащен внутренней обечайкой, образующей полость, в которой размещен электродвигатель, вал ротора которого консольно закреплен на валу ротора компрессора.
Указанный технический результат достигается тем, что вал ротора электродвигателя выполнен полым с открытым торцом и снабжен системой оросительного охлаждения с подводящим и отводящим каналами.
Указанный технический результат достигается тем, что подводящий канал системы оросительного охлаждения вала ротора электродвигателя выполнен в виде закрепленного на неподвижной части установки трубопровода с форсункой, сопло которой направлено в полость вала ротора электродвигателя, а отводящий канал выполнен в виде сливного отверстия в стенке вала ротора, сообщающегося с полостью конденсатора.
Указанный технический результат достигается тем, что вал ротора электродвигателя расположен горизонтально и снабжен побудителем движения охлаждающей среды по внутренней поверхности вала.
Указанный технический результат достигается тем, что побудитель движения охлаждающей среды по внутренней поверхности вала ротора электродвигателя выполнен в виде спиральной канавки на внутренней поверхности вала ротора, начинающейся с отступом от открытого торца вала ротора и заканчивающейся сливным отверстием в стенке вала ротора.
Указанный технический результат достигается тем, что в герметичном корпусе электродвигателя выполнено перепускное окно, сообщающее полость герметичного корпуса с полостью конденсатора.
Указанный технический результат достигается тем, что канал жидкостного охлаждения герметичного корпуса электродвигателя выполнен винтовым.
Указанный технический результат достигается тем, что корпус электродвигателя выполнен состоящим из концентричных, помещенных одна в другую цилиндрических оболочек, а винтовой канал жидкостного охлаждения корпуса образован проточкой на внутренней поверхности наружной оболочки и/или на наружной поверхности внутренней оболочки.
Указанный технический результат достигается тем, что патрубок подвода рабочего тела к испарителю снабжен распылителем.
Указанный технический результат достигается тем, что связь кольцевого диффузора с полостью конденсатора выполнена в виде улиточного патрубка.
На чертежах показана конструкция заявленной установки. На фиг.1 показана схема парокомпрессионной установки. На фиг.2 показан блок компрессора с приводным электродвигателем. На фиг.3 показан элемент С, обозначенный на фиг.2. На фиг.4 показан элемент Р, обозначенный на фиг.3.
Парокомпрессионная установка (фиг.1) содержит испаритель 1 с патрубками 2 и 3, соответственно, подвода и отвода рабочего тела (в качестве рабочего тела может использоваться хладагент R 718 - вода), конденсатор 4 с патрубком 5 отвода конденсата, снабженный электродвигателем 6 и герметичным корпусом 7 компрессор 8 (например, осевого типа), вход 9 которого сообщен с полостью испарителя 1, а выход 10 сообщен с полостью конденсатора 4 через кольцевой диффузор 11 с наружной обечайкой 12 и внутренней обечайкой 13, образующей полость 14, в которой размещен электродвигатель 6. Полости испарителя 1 и конденсатора 4 гидравлически изолированы друг от друга, а электродвигатель 6 размещен в герметичном корпусе 15 и снабжен каналом 16 жидкостного охлаждения герметичного корпуса 15. Вал 17 ротора 18 электродвигателя 6 консольно закреплен на валу 19 ротора 20 компрессора 8. Такое закрепление вала ротора электродвигателя способствует повышению надежности установки.
Вал 17 ротора 18 электродвигателя 6 выполнен полым с открытым торцом 21 и снабжен системой оросительного охлаждения с подводящим 22 и отводящим 23 каналами (фиг.3). В частном случае, подводящий канал 22 системы оросительного охлаждения вала 17 ротора 18 электродвигателя 6 выполнен в виде закрепленного на неподвижной части 24 установки (например, на части герметичного корпуса 15 электродвигателя 6, выходящей на внешнюю поверхность установки - фиг.3) трубопровода 25 с форсункой 26, сопло 27 которой направлено в полость 28 вала 17 ротора 18 электродвигателя 6, а отводящий канал 23 выполнен в виде сливного отверстия 29 в стенке вала 17 ротора 18, сообщающегося с полостью конденсатора 4. Возможность такого выполнения системы оросительного охлаждения вала 17 ротора 18 электродвигателя 6 обеспечивается, в том числе, и за счет консольного закрепления вала 17 ротора 18 электродвигателя 6 на валу 19 ротора 20 компрессора 8.
Предпочтительно, чтобы вал 17 ротора 18 электродвигателя 6 был расположен горизонтально. В этом случае он может быть снабжен побудителем движения охлаждающей среды (например, воды) по внутренней поверхности 30 вала 17. В частном случае, побудитель движения охлаждающей среды по внутренней поверхности вала ротора электродвигателя выполнен в виде спиральной канавки 31 на внутренней поверхности 30 вала 17 ротора 18, начинающейся с отступом L от открытого торца 21 вала 17 ротора 18 и заканчивающейся одним или несколькими сливными отверстиями 29 в стенке вала 17 ротора 18.
В герметичном корпусе 15 электродвигателя 6 выполнено перепускное окно 32, сообщающее полость герметичного корпуса 15 с полостью конденсатора 4 (фиг.3).
Канал 16 жидкостного охлаждения герметичного корпуса 15 электродвигателя 6 выполнен винтовым.
В частном случае, корпус 15 электродвигателя 6 выполнен состоящим из концентричных, плотно помещенных одна в другую наружной 33 и внутренней 34 цилиндрических оболочек, а винтовой канал 16 жидкостного охлаждения корпуса 15 образован проточкой на внутренней поверхности наружной оболочки 33 и/или на наружной поверхности внутренней 34 оболочки.
Для повышения эффективности испарения рабочего тела патрубок 2 его подвода к испарителю 1 снабжен одним или несколькими распылителями 35 (фиг.1).
С целью уменьшения гидравлических потерь, связь кольцевого диффузора 11 с полостью конденсатора 4 выполнена в виде улиточного патрубка 36 (фиг.2). Электродвигатель 6 снабжен токопроводами 37. В полости конденсатора 4 размещен теплообменник 38. Для стока воды, охлаждающей ротор электродвигателя 6, в валу 19 ротора компрессора выполнены отверстия 39, в опоре 40 (фиг.2) - отверстия 41, а между диафрагмами 42 и 43 имеется канал 44 (фиг.4). Для организации охлаждения в герметичном корпусе 15 электродвигателя 6 имеются также входной патрубок 45, отводной канал 46 и отводной патрубок 47. При выполнении корпуса 15 электродвигателя 6 из концентричных, плотно помещенных одна в другую наружной 33 и внутренней 34 цилиндрических оболочек, для уплотнения охлаждающих полостей имеются уплотнительные элементы 48, а для дренирования полости корпуса 15 электродвигателя - дренажные отверстия 49. Целям дренирования служат также перепускные патрубки 50 в кольцевом диффузоре 11.
Установка работает следующим образом.
Работу парокомпрессионной установки рассмотрим для случая ее использования в качестве холодильной установки, работающей на хладагенте R 718 - воде.
Перед началом работы внутренние полости установки вакуумируют до давления, значение которого лежит в диапазоне 0,6-20 кПа, для получения температуры воды в испарителе 1, соответственно, в диапазоне значений 0-60°С.
Обеспечивают постоянную прокачку охлаждающей среды через теплообменник 38.
2
Вода «Б» от внешнего источника (не показан) через патрубок 2 подвода воды и распылители 35 поступает в полость испарителя 1, в которой благодаря работе компрессора 8 создается разрежение с величиной абсолютного давления, соответствующей точке кипения воды при данной температуре воды. Так, например, для получения на выходе испарителя 1 воды «А» с температурой 0°С, давление насыщенного пара в испарителе 1 поддерживают на уровне 0,0062 кг/см. При этом давлении вода «Б» вскипает и образовавшийся пар «Н» поступает на вход в компрессор 8. В обеспечение необходимого разрежения в испарителе 1 последний выполняется герметичным. Это означает, что его стенки выполняются водо- и газонепроницаемыми, что исключает все паразитные (т.е. не предусмотренные конструкцией установки) внешние притоки или оттоки воды в любом агрегатном состоянии. Вполне естественно, что при этом могут иметь место все предусмотренные конструкцией установки притоки и оттоки (т.е. все потоки воды, обусловленные наличием соответствующих входов и выходов испарителя 1). Холодная вода «А» из испарителя 1 через патрубок 3 отвода поступает к потребителю (не показан). Ротор 20 компрессора 8 приводится во вращение электродвигателем 6, подвод тока к которому осуществляется по токопроводам 37. При сжатии пара в компрессоре 8 его давление и температура повышаются. Сжатый "горячий" пар по кольцевому диффузору 11 через улиточный патрубок 36 поступает во внутреннюю полость конденсатора 4. Там происходит конденсация "горячего" пара на поверхности теплообменника 38. При этом тепло от "горячего" пара передается прокачиваемой через теплообменник 38 охлаждающей среде, которая является, в частном случае может являться, теплоносителем во внешней для парокомпрессионной установки системе теплоснабжения или в градирне (не показаны). Конденсат скапливается в нижней части полости конденсатора 4. Часть «Ж» конденсата через патрубок 5 отводится потребителю (не показан). Части «З» и «Е» конденсата используются для охлаждения, соответственно, ротора 18 и герметичного корпуса 15 электродвигателя 6. При этом часть «З» конденсата подается в трубопровод 25, заканчивающийся форсункой 26, сопло которой направлено в полость 28 вала 17 ротора 18 электродвигателя 6. Часть «З» конденсата из сопла форсунки 26 попадает на внутреннюю поверхность 30 вала 17 ротора 18 электродвигателя 6, под действием центробежных сил вода прижимается к указанной поверхности и по спиральной канавке 31 протекает к сливным отверстиям 29. Вытеканию части «З» конденсата через открытый торец 21 вала 17 ротора 18 электродвигателя 6 препятствует то, что спиральная канавка 31 начинается с отступом L от открытого торца 21 вала 17 ротора 18. Из сливных отверстий 29 отработавшая вода (неиспарившаяся часть конденсата, охлаждающего ротор 18 электродвигателя 6) через отверстия 39 в валу 19 ротора компрессора, канал 44 и отверстие 41 в корпусе опоры 40 поступает в конденсатор 4. Испарившаяся часть конденсата, охлаждающего ротор 18, через открытый торец 21 вала 17 ротора электродвигателя 6 и через перепускные окна 32 и патрубки 50 также поступает в конденсатор 4, где вновь конденсируется.
Часть «Е» конденсата через входной патрубок 45 в герметичном корпусе 15 подается в винтовой канал 16 жидкостного охлаждения корпуса 15, а оттуда через отводной канал 46 к отводному патрубку 47 или непосредственно в полость конденсатора 4 (в последнем случае отводной патрубок 47 отсутствует). Через дренажные отверстии 49 из полости корпуса 15 удаляются охлаждающая вода (попадающая туда в незначительных количествах) и водяной пар.
Как следует из приведенного описания предложенная парокомпрессионная установка по сравнению с известной обладает значительно большей эффективностью при работе в качестве производителя холодильного агента (например, холодной воды или льда), благодаря размещению электродвигателя в полости, образованной внутренней обечайкой кольцевого диффузора в самостоятельном герметичном (относительно внешней для парокомпрессионной установки среды) корпусе, а также благодаря описанному выше выполнению систем охлаждения вала ротора (с электрическими обмотками ротора электродвигателя) и корпуса электродвигателя (с электрическими обмотками статора электродвигателя).