ВОЗДУШНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к холодильной технике и может быть использована в различных технологических процессах, требующих охлаждения объектов до низких температур с заданной «холодопроизводительностью».
Известны регенеративные холодильные машины замкнутого цикла, содержащие компрессор, промежуточный холодильник, детандер или турбину в качестве расширителя, теплообменный аппарат и регенератор (см. Зайцев В.П. Холодильная техника. ГИТЛ, 1962. стр. 26, рис. 9; "Холодильные машины", под ред. Сакуна И.А., Машиностроение, 1985 г., с. 360-367, рис. 8.2), "Холодильные машины", Л. Машиностроение, 1985 г, с. 360-367, рис. 8.2; авторское свидетельство СССР N 151358, кл. F25B 11/001; авторское свидетельство СССР N 1208432, кл. F25B 11/00). Сжатый газ поступает в промежуточный холодильник, где охлаждается и через регенератор направляется в детандер. В регенераторе происходит отвод теплоты от "прямого" потока и его охлаждение водой или "обратным" потоком из теплообменного аппарата. В детандере газ расширяется, его давление падает. После этого газ поступает в теплообменный аппарат или холодильную камеру, температура газа повышается и через регенератор газ направляется в компрессор или сбрасывается в атмосферу. Получение требуемых температур осуществляется, как правило, подбором глубины регенерации.
Недостатком указанных машин является недостаточно низкие температуры (180-200 К) и невысокое значение холодильного коэффициента.
Близким к заявляемому решением является воздушная турбохолодильная машина по авторскому свидетельству СССР N 1776942, кл. F25B 11/00, 1990 г., содержащая компрессор, турбодетандер, блок регенераторов с клапанами переключения, вентилятор с электродвигателем и мультипликатор. Однако основные энергетические показатели машины, как-то холодопроизводительность, точность поддержания температуры в холодильной камере, расход хладагента и потребляемая энергия, не могут удовлетворить технологии, требующие низких температур до 100 К с регулируемой холодопроизводительностью.
В начале 70-х годов были разработаны промышленные системы холодоснабжения с применением воздушной турбохолодильной машины MTXMI-25P (ОКБ "Турбохолод", Москва), эксплуатация которых проводилась на промышленных предприятиях, в технологических процессах которых требовалась температура -30°C и ниже, холодопроизводительностью 30 кВт и выше. Однако, широкого распространения системы холодоснабжения с машинами MTXMI-25P не получили вследствие больших габаритов и веса ХМ, и, главным образом, вследствие невысокого значения ресурса, ограниченного ресурсом гидроклапанных коробок, которые через каждые 60 секунд переключали теплообменные аппараты для того, чтобы при работе в условиях влажного атмосферного воздуха не нарушалась нормальная работа машины [Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. - М., Энергоатомиздат, 1989 г. - 200 с]. При охлаждении до более низких температур машина работает в нерасчетном режиме с низким КПД.
Работает MTXM 1-25P следующим образом (см. ТУ 26-03-348-78, принципиальная схема помещена на сайте от 01.03.2014 г. http://www.zaogm.ru/ru/catalogue/06/001/0080?qs=0).
Холодильная машина содержит смонтированные на общей раме компрессор, осевой турбодетандер, два переключающихся регенератора с коробками перепуска, мультипликатор и электродвигатель. Воздух поступает в герметизированную холодильную камеру, где нагревается, отбирая теплоту от охлаждаемых изделий или продуктов, после чего возвращается в машину. Охлаждение атмосферного воздуха, поступающего потребителю, в соответствии с паспортными характеристиками осуществляется в интервале температур от 223 К до 143 К. Холодильный коэффициент 0,35. КПД 10-12%.
Основные технические характеристики MTXM1-25P представлены в таблице.
Поскольку в машине МТХМ 1-25Р реализованы такие же термодинамические процессы и использованы эквивалентные функциональные блоки, как в заявленном устройстве, данное изделие принято за прототип.
Недостатками машины-прототипа являются, во-первых, часто переключающиеся регенераторы с двумя коробками перепуска и соответственно удвоенным устройством управления, что обусловливает краткость холодильного цикла. Кроме того, необходимость циркуляции очень больших объемов воздуха и тщательной его осушки. Переключение коробок в ряде эксплуатационных режимов вызывает помпаж компрессора (пульсации воздушного потока), который может приводить к разрушению компрессора.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции холодильной машины, расширение ее функциональных возможностей и снижение удельных энергозатрат при работе в нерасчетных режимах, возникающих при необходимости увеличить холодопроизводительность.
Этим задачам соответствует заявленная воздушная холодильная машина, включающая источник сжатого воздуха, например, ресивер, запитанный от заводской пневмосети с Р=0,5-0,7 МПА, очиститель воздуха, кожухотрубный теплообменник, турбодетандер и холодильную камеру, где холодный воздух используется потребителем, при этом очиститель выполнен в виде «молекулярного сита», удаляющего из воздуха влагу и углекислый газ, состоящего из вертикальных баллонов, заполненных цеолитом, выход очистителя воздуха соединен с входом кожухотрубного теплообменника через автоматический регулятор расхода воздуха, выход турбодетандера оборудован датчиком температуры, электрический выход которого соединен с термопреобразователем, преобразующим сигнал датчика температуры в управляющий сигнал, а электрический выход термопреобразователя соединен с электроприводом упомянутого регулятора расхода, при этом выход холодильной камеры оборудован термоизолированной воздушной магистралью, по которой отработанный холодный воздух через теплообменные трубы кожухотрубного теплообменника сбрасывается в атмосферу.
На фиг. 1 приведена схема, иллюстрирующая конструкцию установки.
На фиг. 2 на s-T диаграмме показаны процессы, протекающие в установке-прототипе и в установке по формуле полезной модели.
На фиг. 1 цифрами обозначены: 1 - источник сжатого воздуха; 2, 3 - очиститель воздуха в виде двух вертикальных баллонов, заполненных цеолитом; 4 - автоматический регулятор расхода сжатого воздуха; 5 - кожухотрубный теплообменник; 6 - турбодетандер; 7 - холодильная камера; 8 - термоизолированная воздушная магистраль подачи холодного воздуха в теплообменник; 9 - сброс отработанного воздуха в атмосферу; 10 - датчик температуры; 11 - термопреобразователь, управляющий регулятором расхода.
Холодильная машина работает следующим образом.
раб
Рабочим телом служит сжатый воздух с параметрами Р≈0,5-0,7 МПа и Т=300 К, который поступает от источника сжатого воздуха 1. Таким источником может служить серийная компрессорная установка, или, например, заводская сеть воздухоснабжения, что встречается в подавляющем большинстве случаев. Ввиду работы оборудования при низких температурах воздух должен быть хорошо очищен. Очистка сжатого воздуха заключается в удалении из него углекислоты и влаги до заданной точки росы. Для этого введен комплексный очиститель воздуха, который состоит из вертикальных баллонов 2 и 3, заполненных цеолитом и работающих поочередно.
Очищенный воздух с температурой 290-300 К через регулятор расхода 4 поступает в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника 5 на предварительное охлаждение. Изменение холодопроизводительности установки при переменной тепловой нагрузке обеспечивается изменением массового расхода воздуха с помощью регулятора расхода 4. В качестве регулятора расхода может быть использован регулирующий клапан «Камфлекс» серии 35002 производства компании Masoneilan (поставщик в РФ ООО «Компания «АРГО»).
т/д
В теплообменнике прямой поток сжатого воздуха захолаживается до температуры около 170 К отходящим от холодильной камеры по теплоизолированной воздушной магистрали 8 обратным холодным потоком. Захоложенный сжатый воздух поступает в турбодетандер 6, где при совершении внешней работы при адиабатическом расширении охлаждается до требуемой температуры. Высвобождаемая механическая работа может использоваться любым известным способом, например, для привода электрогенератора. После турбодетандера воздух, охлажденный до температуры Т=103 К при давлении Р≈0,01 МПа поступает в холодильную камеру 7, где используется потребителем.
Как указано выше, из холодильной камеры 7 охлажденный воздух по теплоизолированному трубопроводу 8 направляется в кожухотрубный теплообменник 5, где происходит предварительное захолаживание прямого потока, после чего отработанный воздух, отобрав часть тепла воздуха прямого потока, сбрасывается в атмосферу. Таким образом, воздух является и энергетическим приводом установки и рабочим телом, охлаждающим объект.
Отличие термодинамических характеристик наглядно видно на диаграмме энтальпия-температура (см. фиг. 2). Индекс «п» - прототип, индекс «т» - предлагаемая турбодетандерная холодильная машина.
Кривая 1п-2′п - сжатие воздуха в машине-прототипе с отводом тепла в водяном воздухоохладителе; 2′п-2п - охлаждение воздуха в теплообменнике-регенераторе;
2п-3п - снятие холода, т.е. подогрев рабочего тела в холодильной камере;
3п-4п - дросселирование сжатого воздуха до промежуточного давления перед подачей в турбодетандер;
4п-5п - охлаждение воздуха с отдачей внешней работы в турбодетандере;
5п-1п - подогрев обратного холодного потока в регенеративном теплообменнике, т.е. захолаживание теплого прямого потока воздуха. Характерные точки цикла машины прототипа: точка 2п - температура воздуха после теплообменника-регенератора (она же - минимальная температура в холодильной камере) при давлении ~1,2 МПа; точка 5п - температура воздуха на выходе из турбодетандера, самая низкая температура цикла. При подаче низкотемпературного потока в теплообменник неизбежны энергетические (тепловые) потери.
Характерные точки цикла полезной модели: точка 2т - температура воздуха после теплообменника, точка 5т (потребитель холода) - температура воздуха на выходе из турбодетандера при давлении, близком к атмосферному, самая низкая температура цикла, она же - минимальная температура в холодильной камере.
Сравнение диаграмм показывает, что в полезной модели достижение более низких температур возможно при меньших начальных давлениях сжатого воздуха 0,5-0,7 МПа (компрессор меньшей мощности или заводская пневмосеть), а меньшая площадь замкнутой кривой характеризует более низкие энергозатраты на производство холода при схожих условиях.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей ВХМ по сравнению с прототипом за счет достижения более низких температур холодильника, снижение удельных энергозатрат при работе в нерасчетных режимах компримирования, автоматический контроль холодопроизводительности.
Заявленный технический результат достигается в диапазоне температур от 173 К до 103 К. Верхняя граница области рабочих температур (173 К) находится в области технических характеристик прототипа. Нижняя граница (до 103 К и ниже) определена потребностями решаемых технологических задач и ограничена превращением газов в жидкость, что расширяет функциональные возможности машины по сравнению с прототипом.
Использованные источники.
1 Зайцев В.П. Холодильная техника. ГИТЛ, 1962, с.26
2 "Холодильные машины", п/р Сакуна И.А., Машиностроение, 1985 г, с. 360-367
3 А.с. СССР N 151358; А.с. СССР N 1208432, кл. F25B 11/00.
4 А.с. СССР N 1776942, кл. F25B 11/00, 1990 г.
5 MTXM1-25P ТУ 26-03-348-78, ttp://www.zaogm.ru/ru/catalogue/06/001/0080?qs=0 (прототип).
7 Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. - М., Энергоатомиздат, 1989 г. - 200 с.