УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ПОМЕЩЕНИЯ
INDOOR AIR TEMPERATURE VARIATION DEVICE

Изобретение относится к области техники для получения холода, тепла и электричества, а поэтому может быть использовано на заводских компрессорных станциях производства сжатого воздуха и в помещениях 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 на постоянных заданных оборотах 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.
Кроме того, при работе энергооборудования 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 F25В 11/00, 05.01.2004). Установка содержит турбодетандер, многокамерный динамический теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор. Турбокомпрессор 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 увеличить холодопроизводительность и экономичность работы установки. Недостатком установки является сложность ее газодинамической схемы и неоптимальность работы по оборотам каждого из механически связанных между собой компрессора каскада высокого давления и турбины детандера.
Известна установка для охлаждения воздуха помещения (Патент РФ на полезную модель №39936, 7 F25В 11/00, 20.04.2004). Установка содержит источник сжатого воздуха, воздушную турбину, установленную на одном валу с воздушным компрессором и сообщающуюся своим выходом с низконапорной частью эжектора. Выход эжектора соединен с охлаждаемым помещением, с которым также соединен вход турбины. Высоконапорная часть эжектора подключена к источнику сжатого воздуха. Вход компрессора соединен с источником газа низкого давления, а выход - с емкостью для сжатого газа. Установка надежна в работе, однако обладает пониженной холодопроизводительностью из-за потерь в магистрали, соединяющей выход эжектора с помещением. Кроме того, снижен эффект перемешивания воздуха в помещении из-за малой скорости воздуха в подводящей и отводящей магистралях.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является автономное устройство охлаждения воздуха (Патент РФ №2148194, 7 F04F 5/54, F25В 11/00, 31.08.1998). Устройство содержит размещенные в помещении воздушную турбину с входом и выходом, соединенную валом с потребителем мощности, воздушные магистрали высокого и низкого давления, источник воздуха высокого давления с редукционным клапаном и эжектор. Эжектор состоит из высоконапорной и низконапорной частей на входе и выходной части. Высоконапорная часть эжектора через редукционный клапан подключена к источнику воздуха высокого давления, а выход воздуха из турбины соединен с низконапорной частью эжектора. Помещение снабжено предохранительным клапаном для выравнивания давления воздуха. Устройство может быть использовано как экологически чистое для охлаждения холодильных камер. Недостатками установки являются:
- кратковременность ее работы вследствие использования ограниченного по запасам баллонного источника сжатого воздуха;
- невосполнимые потери в атмосферу охлажденного в помещении воздуха;
- неоптимальность работы по оборотам каждого из механически связанных между собой валом потребителя мощности и турбины.
В основу изобретения положено решение следующих задач:
- эффективное обеспечение потребителей сжатым воздухом высокого давления;
- поддержание параметров воздуха в помещении на заданном уровне для обеспечения удобства работы персонала и повышения КПД используемого оборудования;
- исключение потерь в атмосферу охлажденного в помещении воздуха;
- поддержание своих заданных постоянных оборотов для каждой лопаточной машины устройства с целью обеспечения ее оптимальных газодинамических характеристик.
Поставленные задачи решаются тем, что устройство для изменения температуры воздуха помещения содержит, размещенные в помещении, воздушную турбину с входом и выходом, соединенную валом с потребителем мощности, воздушные магистрали высокого и низкого давления, источник воздуха высокого давления с редукционным клапаном и эжектор. Эжектор состоит из высоконапорной и низконапорной частей на входе и выходной части. Высоконапорная часть эжектора через редукционный клапан подключена к источнику воздуха высокого давления, а выход воздуха из турбины соединен с низконапорной частью эжектора.
Согласно изобретению потребитель мощности турбины выполнен в виде электрогенератора, а источник воздуха высокого давления - в виде воздушного компрессора с выходом и входами, расположенными соответственно внутри помещения и вне его, который соединен валом с электродвигателем. Устройство дополнительно содержит накопитель воздуха высокого давления, запорные краны, предохранительный клапан, краны магистралей отбора воздуха потребителями, электрическую цепь включающую электрогенератор, электрический аккумулятор и провода, источник питания. Краны магистралей отбора воздуха потребителями, предохранительный клапан и накопитель воздуха высокого давления включены в магистраль, соединяющую выход компрессора с высоконапорной частью эжектора. Накопитель воздуха высокого давления установлен вне помещения. Один запорный кран установлен на участке магистрали между накопителем воздуха и эжектором, а другой кран - на входе в компрессор расположенном вне помещения. Кроме того, электрогенератор подключен к аккумулятору, а электродвигатель - к источнику питания через выключатель.
Выполнение потребителя мощности турбины в виде электрогенератора, а источника воздуха высокого давления - в виде воздушного компрессора, который соединен валом с электродвигателем, не требует механически связывать турбину и компрессор. Это позволяет непрерывно снабжать потребителей сжатым воздухом высокого давления и поддерживать свои постоянные обороты для каждой лопаточной машины устройства, что обеспечивает их оптимальные газодинамические характеристики. Снижение температуры воздуха при расширении в турбине позволяет поддерживать параметры воздуха в помещении на заданном уровне.
Объединение электрогенератора и электроаккумулятора проводами в электрическую цепь, включение накопителя воздуха высокого давления в магистраль, соединяющую выход компрессора с высоконапорной частью эжектора, позволяет исключить потери в атмосферу охлажденного в помещении воздуха, сохранить избытки вырабатываемой энергии в устройстве, что повышает его КПД.
Наличие воздушных магистралей высокого и низкого давления, кранов отбора воздуха потребителями, запорных кранов и предохранительного клапана обеспечивает работу основных агрегатов и узлов устройства в штатном режиме и непредвидимой ситуации. Установка накопителя воздуха высокого давления вне помещения обеспечивает безопасность работы обслуживающего персонала.
Развитие и уточнение совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев выполнения устройства даны далее.
Возможен вариант того, что устройство дополнительно содержит запорный кран на участке магистрали, соединяющей выход компрессора после редукционного клапана с накопителем воздуха и воздухо-воздушный рекуперативный теплообменник с двумя полостями, где коллектор одной полости подключен к этому участку магистрали: входом со своим запорным краном до запорного крана участка этой магистрали и выходом со своим запорным краном после запорного крана участка этой магистрали, а коллектор другой полости подключен к участку магистрали между накопителем воздуха и эжектором: входом со своим запорным краном до запорного крана участка этой магистрали и выходом со своим запорным краном после запорного крана участка этой магистрали.
Использование теплообменника, включенного таким образом в магистрали устройства, позволяет снизить температуру воздуха на выходе из компрессора и повысить температуру воздуха в помещении.
Возможно, что к электрической цепи подключены дополнительная нагрузка, например сеть освещения помещения, электродвигатель и преобразователь частоты, причем дополнительная нагрузка подключена к аккумулятору через свой выключатель, а электродвигатель - через свой выключатель и преобразователь частоты. Это расширяет диапазон использования дополнительно вырабатываемой электрогенератором энергии.
Желательно, чтобы вход воздушной турбины и выходная часть эжектора были расположены в противоположных сторонах помещения. Это усиливает процесс перемешивания воздуха в помещении и способствует лучшему охлаждению работающего оборудования.
Полезно, когда выход эжектора расположен в зоне электродвигателя и направлен в его сторону. Это обеспечивает направленный обдув охлажденным воздухом двигателя, что повышает эффективность его работы.
Таким образом решены поставленные в изобретении задачи:
- обеспечено эффективное снабжение потребителей сжатым воздухом высокого давления;
- обеспечено поддержание параметров воздуха в помещении на заданном уровне для обеспечения удобства работы персонала и повышения КПД используемого оборудования;
- исключены потери в атмосферу охлажденного в помещении воздуха;
- обеспечено поддержание заданных постоянных оборотов для каждой лопаточной машины устройства с целью обеспечения ее оптимальных газодинамических характеристик.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции устройства, представленной на фиг.1 и 2, где
на фиг.1 изображена схема устройства для изменения температуры воздуха помещения;
на фиг.2 - развитие схемы устройства для изменения температуры воздуха помещения. 1
Устройство для изменения температуры воздуха помещения 1 (см. фиг.1), содержит размещенные в помещении 1, воздушную турбину 2 с входом 3 и выходом 4, соединенную валом 5 с потребителем мощности, воздушные магистрали высокого и низкого давления, источник воздуха высокого давления с редукционным клапаном 6 и эжектор 7. Эжектор 7 состоит из высоконапорной 8 и низконапорной 9 частей на входе и выходной части 10. Высоконапорная часть 8 эжектора 7 через редукционный клапан 6 подключена к источнику воздуха высокого давления, а выход 4 воздуха из турбины 2 соединен с низконапорной частью 9 эжектора 7. Потребитель мощности турбины 2 выполнен в виде электрогенератора 11, а источник воздуха высокого давления - в виде воздушного компрессора 12 с выходом 13 и входами 14 и 15, расположенными соответственно внутри помещения и вне его. Компрессор 12 соединен валом 16 с электродвигателем 17. Устройство дополнительно содержит накопитель 18 воздуха высокого давления, запорные краны, предохранительный клапан 19, краны 20 магистралей отбора воздуха потребителями, электрическую цепь 21, включающую электрогенератор 11, электрический аккумулятор 22 и провода, источник питания 23.
Краны 20 магистралей отбора воздуха потребителями, предохранительный клапан 19 и накопитель 18 воздуха высокого давления включены в магистраль, соединяющую выход 13 компрессора 12 с высоконапорной частью 8 эжектора 7. Накопитель 18 воздуха высокого давления установлен вне помещения 1.
Один запорный кран 24 установлен на участке магистрали между накопителем 18 воздуха и высоконапорной частью 8 эжектора 7, а другой кран 25 - на входе 15 в компрессор 12, расположенном вне помещения 1. Электрогенератор 11 подключен к аккумулятору 22, а электродвигатель 17 - к источнику питания 23 через выключатель 26.
В развитии данной схемы устройство для изменения температуры воздуха помещения 1 дополнительно содержит (см. фиг.2), запорный кран 27 на участке магистрали, соединяющей выход 13 компрессора 12 после редукционного клапана 6 с накопителем 18 воздуха и воздухо-воздушный рекуперативный теплообменник 28 с двумя полостями, где коллектор одной полости подключен входом 29 с запорным краном 30 до запорного крана 27 этой магистрали и выходом 31 - с запорным краном 32 после запорного крана 27, а коллектор другой полости подключен к участку магистрали между накопителем 18 воздуха и высоконапорной частью 8 эжектора 7: входом 33 с запорным краном 34 до запорного крана 24 этой магистрали и выходом 35 с запорным краном 36 после запорного крана 24.
В устройстве для изменения температуры воздуха помещения 1 (см. фиг.2) к электрической цепи 21 могут быть подключены дополнительная нагрузка 37, например сеть освещения помещения 1, электродвигатель 17 и преобразователь 38, причем дополнительная нагрузка 37 подключена к аккумулятору 22 через выключатель 39, а электродвигатель 17 - через выключатель 40 и преобразователь 38.
В устройстве для изменения температуры воздуха помещения 1 (см. фиг.1, 2) вход 3 воздушной турбины 2 и выходная часть 10 эжектора 7 расположены в противоположных сторонах помещения, а выход 10 эжектора 7 расположен в зоне электродвигателя 17 и направлен в его сторону.
Заявляемая конструкция устройства для изменения температуры воздуха помещения 1 работает следующим образом.
При закрытом кране 24 после открытия запорного крана 25 и включения выключателя 26 (см. фиг.1) питание от источника 23 подается на электродвигатель 17. Двигатель 17 через вал 16 выводит компрессор 12 на заданные постоянные обороты. При этом воздух засасывается в компрессор через вход 14 внутри помещения 1 и вход 15 вне помещения 1 и через выход 13 и редукционный клапан 6 нагнетается в накопитель 18. Из накопителя 18 через краны 20 воздух отбирается в магистрали потребителей. При достижении давления воздуха в накопителе сверх предельного значения (из-за малого расхода воздуха потребителями) срабатывает предохранительный клапан 19 и избыток воздуха перепускается в атмосферу.
С началом работы компрессора 12 открывают кран 24 и подают воздух высокого давления из накопителя 18 в высоконапорную часть 8 эжектора 7. В высоконапорной части 8 воздух разгоняют со снижением давления и направляют в низконапорную часть 9 эжектора 7. В низконапорной части 9 давление в потоке воздуха снижают до уровня ниже атмосферного, чем создают разряжение на выходе 4 турбины 2. Из-за разряжения на выходе 4 турбины 2 на ее вход 3 поступает воздух из помещения 1 и раскручивает ее. Турбина 2 валом 5 вращает электрогенератор 11, который через провода электрической цепи 21 заряжает аккумулятор 22. Охлажденная в турбине 2 масса воздуха в смеси с воздухом из высоконапорной части 8 эжектора 7 поступает из его выходной части 10 со скоростью около 30 м/с в помещение 1 и далее на вход 14 компрессора 12, создавая эффект дополнительного перемешивания и обновления воздуха в помещении 1. Таким образом, избыточная энергия сжатого воздуха не рассеивается бесполезно из накопителя в атмосферу через предохранительный клапан 19, а используется для зарядки аккумулятора электрической цепи 21, охлаждения и обновления воздуха в помещении 1.
Устройство для изменения температуры воздуха помещения 1 может быть использовано и для его нагрева в холодное время года. Для этого при закрытых кранах 24, 27 и открытых кранах 30, 32, 34, 36 (см. фиг.2) нагретый воздух из компрессора 12 направляют в накопитель 18 через одну полость теплообменника 28, снабженную входом 29 и выходом 31. Из накопителя 18 сжатый воздух поступает в высоконапорную часть 8 эжектора 7 через другую полость теплообменника 28, снабженную входом 33 и выходом 35, где нагревается через стенку теплом сжатого воздуха, поступающего в теплообменник 28 из компрессора 12. Нагретый в теплообменнике 28 воздух поступает в эжектор 7, там смешивается с воздухом, поступающим из турбины 2, и нагревает его. Нагретый в эжекторе 7 воздух поступает в помещение 1 с температурой выше температуры воздуха помещения и также нагревает его.
Электрическая энергия накапливаемая в аккумуляторе 22 может передаваться через выключатель 39 дополнительной нагрузке 37, а через выключатель 40 и преобразователь 38 электродвигателю 17. Это расширяет диапазон использования дополнительно получаемой с помощью генератора 11 электроэнергии.
Расположение входа 3 воздушной турбины 2 и выходной части 10 эжектора 7 в противоположных сторонах помещения 1, а также направленный обдув электродвигателя 17 потоком воздуха из эжектора 7 способствует усилению процессов перемешивания и обновления воздуха в помещении 1 и созданию рационального теплового режима для работающего энергооборудования.
Кроме использования на компрессорных станциях, предлагаемое техническое решение может применяться и в помещениях с иным энергооборудованием, например турбогенераторами. Так как для эффективной работы турбогенераторов в теплое время года требуется интенсивное охлаждение его корпусных деталей.
3
Изготовлен опытный образец устройства, содержащий турбину, компрессор, накопитель, эжектор и электрогенератор. Испытания устройства показали возможность полного обновления воздуха в помещении объемом около 1000 м с понижением исходной температуры от 300 К на 4-6 градусов за время 2-2,5 часа. При этом мощность компрессора составляла 150 кВт, расход сжатого воздуха из накопителя в эжектор составлял не более 0,04 кг/с (~8 нм/мин) при давлении 0,4 МПа, а мощность электрогенератора составляла порядка 1 кВт.