МУЛЬТИТЕПЛОТРУБНАЯ ПАРОЭЖЕКТОРНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА
MULTIPLE HEAT PIPE STEAM EJECTOR REFRIGERATING MACHINE

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для получения холода.
Известна пароэжекторная холодильная машина, которая содержит кипятильник (испарительная камера высокого давления) высококипящего компонента, соединенный с сопловым вводом эжектора, приемная камера которого подсоединена к испарителю низкокипящего компонента (испарительная камера низкого давления), конденсатор, размещенный на выходе из эжектора и выполненный из капиллярно-пористых структур (фитиля), позволяющий за счет капиллярного потенциала транспортировать конденсат из секции низкого давления в секцию высокого давления (кипятильник) [А.с. СССР №№1537979, М. Кл. F25B 1/06, 1990].
Основными недостатками известной пароэжекторной холодильной машины являются невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных тепловых энергоресурсов и тепловых ресурсов природных источников, использование в качестве рабочего тела двух реагентов, что усложняет эксплуатацию и снижает ее эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является теплотрубная пароэжекторная холодильная машина, которая содержит помещенные в одном корпусе испарительные камеры высокого и низкого давления с каплеотбойником, конденсационные камеры, частично заполненные легкокипящей (рабочей) жидкостью, причем испарительные камеры высокого и низкого давления помещены коаксиально, их боковые стенки покрыты изнутри фитилями, покрытыми в свою очередь кожухами, внутренняя поверхность торцов которых покрыта полосами капиллярного материала, соединенными с фитилями испарительных камер, разделенных между собой по пару горизонтальной перегородкой, после которой в корпусе сбоку устроены вертикальные перегородки, за которыми помещены конденсационные камеры, покрытые изнутри своими фитилями, покрытые кожухами и разделенными между собой перегородкой на сегменты высокого и низкого давления, внутренняя поверхность которых покрыта полосами капиллярного материала, соединенными с фитилями своих конденсационных камер, в вертикальные перегородки конденсационных камер вмонтированы эжекторы, в которых сопловые вводы соединены с испарительной камерой высокого давления, приемные камеры с испарительной камерой низкого давления, диффузоры с конденсационными камерами [Заявка РФ №2008142979, М. Кл. F25B 1/06, 2008].
Основными недостатками известной теплотрубной пароэжекторной холодильной машины являются незначительная площадь контакта с горячей и холодной средами, обусловленная этим малая мощность (меньше 1 кВт) и установка испарительных и конденсационных камер в одном корпусе, делающая невозможным размещения их на удалении друг от друга, что ограничивает область ее применения при утилизации низкопотенциального тепла вторичных и природных источников в промышленных масштабах и, в конечном итоге, снижает ее эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности мультитеплотрубной пароэжекторной холодильной машины.
Технический результат достигается тем, что мультитеплотрубная пароэжекторная холодильная машина включает в себя помещенную в первом корпусе испарительную камеру высокого давления, состоящую из вертикальных испарительных гильз, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос капиллярного материала, образующей ячейки, соединенных открытыми торцами с крышкой сепарационной секции, внутренняя поверхность крышки, боковых стенок и конусного днища которой покрыты слоем фитиля, соединенным на входе в испарительные гильзы с решеткой из полос капиллярного материала, а снизу размещен каплеотбойник, под которым устроен транспортный патрубок, внутри которого помещены паровой патрубок и транспортный фитиль, соединенные с паровым пространством и фитилем испарительной камеры высокого давления; помещенные коаксиально во втором корпусе, испарительную камеру низкого давления, состоящую из вертикальных испарительных гильз, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос капиллярного материала, образующей ячейки, соединенных открытыми торцами с днищем сепарационной секции, внутренняя поверхность днища, боковых стенок и конусной крышки которой покрыты слоем фитиля, соединенным на входе в испарительные гильзы с решеткой из полос капиллярного материала, а вверху размещен каплеотбойник; конденсационную камеру, состоящую из вертикальных конденсационных гильз, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос капиллярного материала, образующей ячейки, соединенных открытыми торцами с днищем распределительной секции, внутренняя поверхность днища, боковых стенок и конусной крышки которой покрыты слоем фитиля, покрытого в свою очередь кожухом и соединенным на входе в конденсационные гильзы с решеткой из полос капиллярного материала; эжекторную камеру, соединенную с крышкой испарительной камеры низкого давления и днищем конденсационной камеры; покрытую изнутри фитилем-коллектором, покрытым в свою очередь своим кожухом, соединенным с кожухом конденсационной камеры, разделенную поперечной перегородкой на испарительную и конденсационную зоны, в которую вмонтирован эжектор, причем второй корпус в районе испарительной зоны снабжен своим транспортным патрубком, внутри которого помещен паровой патрубок и транспортный фитиль, соединенный с фитилем-коллектором, сопловой ввод эжектора соединен с вышеупомянутым паровым патрубком, приемная камера через испарительную зону - с испарительной камерой низкого давления, диффузор - через конденсационную зону с конденсационной камерой, соответственно, транспортные патрубки испарительных камер высокого и низкого давления соединены между собой транспортной трубой, состоящей из паровой трубы и транспортного фитиля, а все фитили и капиллярный материал решеток заполнены рабочей жидкостью.
В основе работы предлагаемой мультитеплотрубной пароэжекторной холодильной машины лежит способность транспортировки жидкости фитилем за счет капиллярных сил из зоны пониженного давления в зону повышенного давления и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты) [В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с.146; Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М.: 1990, с.106].
На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2-5 - разрезы, на фиг.6, 7 - узлы предлагаемой мультитеплотрубной пароэжекторной холодильной машины (МТТПЭХМ).
МТТПЭХМ включает помещенную в корпусе 1 испарительную камеру высокого давления 2, состоящую из вертикальных испарительных гильз 3, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос капиллярного материала 4, образующей ячейки 5, соединенных открытыми торцами с крышкой сепарационной секции 6, внутренняя поверхность крышки, боковых стенок и конусного днища которой покрыты слоем фитиля 7, соединенным на входе в испарительные гильзы 3 с решеткой из полос капиллярного материала 4, а снизу размещен каплеотбойник 8, под которым устроен транспортный патрубок 9, внутри которого помещены паровой патрубок 10 и транспортный фитиль 11, соединенные с паровым пространством и фитилем 7 испарительной камеры высокого давления 2; помещенные коаксиально в корпусе 12 испарительную камеру низкого давления 13, состоящую из вертикальных испарительных гильз 14, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос капиллярного материала 4, образующей ячейки 5, соединенных открытыми торцами с днищем репарационной секции 15, внутренняя поверхность днища, боковых стенок и конусной крышки которой покрыты слоем фитиля 7, на входе в испарительные гильзы 14 соединенным с решеткой из полос капиллярного материала 4, а вверху размещен каплеотбойник 16; конденсационную камеру 17, состоящую из вертикальных конденсационных гильз 18, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос капиллярного материала 4, образующей ячейки 5, соединенных открытыми торцами с днищем распределительной секции 19, внутренняя поверхность днища, боковых стенок и конусной крышки которой покрыты слоем фитиля 7, на входе в конденсационные гильзы 18 соединенным с решеткой из полос капиллярного материала 4, покрытого в свою очередь кожухом 20; соединенную с крышкой испарительной камеры низкого давления 13 и днищем конденсационной камеры 17; эжекторную камеру 21, покрытую изнутри фитилем-коллектором 22, покрытым в свою очередь кожухом 23, соединенным с кожухом 20, разделенную горизонтальной перегородкой 24 на испарительную и конденсационную зоны 25 и 26, соответственно, в которую вмонтирован эжектор 27, причем корпус 12 в районе испарительной зоны 25 снабжен транспортным патрубком 28, внутри которого помещен паровой патрубок 29 и транспортный фитиль 11, соединенный с фитилем-коллектором 22, сопловой ввод эжектора 27 соединен с паровым патрубком 29, приемная камера через испарительную зону 25 - с испарительной камерой низкого давления 13, диффузор через конденсационную зону 26 - с конденсационной камерой 17, соответственно, транспортные патрубки 9 и 28 соединены между собой транспортной трубой 30, состоящей из паровой трубы 31 и транспортного фитиля 11, а капиллярный материал решеток 4, все фитили 7, транспортный фитиль 11 и фитиль-коллектор 22 заполнены рабочей жидкостью.
Предлагаемая МТТПЭХМ работает следующим образом.
1
1
3
1
3
2
3
Предварительно, перед началом работы из камер 2, 13, 17, 21 и транспортной трубы 30 МТТПЭХМ удаляют воздух и закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала горячей и нагреваемой сред и требуемой температуры охлаждаемого теплоносителя (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1-7 не показаны) в количестве, достаточном для заполнения объема пор фитилей 7, 11, 22 и решеток из полос капиллярного материала 4, после чего корпус 1 МТТПЭХМ устанавливают таким образом, чтобы испарительные гильзы 3 испарительной камеры высокого давления 2 контактировали с горячей средой, корпус 12 - чтобы испарительные гильзы 14 испарительной камеры низкого давления 13 контактировали с охлаждаемым теплоносителем, а конденсационные гильзы 18 конденсационной камеры 17 контактировали с нагреваемой средой. В результате нагрева испарительных гильз 3 испарительной камеры высокого давления 2 происходит испарение рабочей жидкости в ячейках 5 решетки 4 из полос капиллярного материала, наличие которых практически полностью предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности гильз 3, в результате чего интенсифицируется процесс испарения и образуется пар при высоком давлении P. Полученный пар, проходит через каплеотбойник 8, освобождаясь от уносимых капель рабочей жидкости, которая отбрасывается на поверхность фитиля 7 и транспортируется им обратно в зону испарения, после чего осушенный пар через паровой патрубок 10 и паропровод 31 по транспортной трубе 30 под давлением Р поступает в эжектор 27. Одновременно в испарительных гильзах 14 испарительной камеры низкого давления 13 в результате их нагрева охлаждаемым теплоносителем при низкой температуре протекает процесс испарения рабочей жидкости, транспортируемой фитилем 7 в ячейках 5 решетки 4 при низком давлении Р, который происходит аналогично испарению в камере 2, в результате чего теплоноситель охлаждается до требуемой температуры. В эжекторе 27 пар высокого давления P проходит через его сопло, увлекая за собой пар, поступающий через его приемную камеру из испарительной камеры 13, создавая тем самым в ней низкое давление Р, смешивается с ним и при среднем давлении Р через его диффузор поступает в конденсационную камеру 17. В камере 17 в конденсационных гильзах 18 в ячейках 5 решетки 4, наличие которых также интенсифицирует процесс конденсации, при давлении Р происходит конденсация паров рабочей жидкости, поглощение образовавшегося конденсата полосами капиллярного материала решетки 4, который за счет капиллярных сил транспортируется фитилем 7 в фитиль-коллектор 22. Последний имеет значительно больший массив, чем остальные фитили 7 вместе взятые, в результате чего в нем аккумулируется количество жидкости, в несколько раз превосходящее требуемый расход рабочей жидкости для снабжения испарительных камер высокого и низкого давления 2 и 13, соответственно. Поэтому рабочая жидкость непрерывно и в достаточном количестве из фитиля-коллектора 22 поступает в соединенный с ним фитиль 7 испарительной камеры низкого давления 13, откуда распределяется в капиллярном материале решеток 4 испарительных гильз 14 и в транспортный фитиль 11, соединенный с фитилем 7 и решеткой 4 из капиллярного материала в испарительных гильзах 3 испарительной камеры высокого давления 2, где происходят вышеописанные процессы испарения рабочей жидкости, после чего цикл повторяется. При этом расстояние от первого корпуса 1, котором располагается испарительная камера высокого давления 2 от второго корпуса 12, в котором расположены остальные камеры 13, 17 и 21, определяется длиной транспортной трубы 30, которая зависит в первую очередь от технико-эксплуатационных характеристик транспортного фитиля 11.
Таким образом, конструкция предлагаемой МТТПЭХМ обеспечивает получение холода за счет утилизации вторичных тепловых энергоресурсов различного потенциала (энергии сбросных вод, отходящих газов и т.д.) и тепловых ресурсов природных источников (энергии солнца, воды и т.д.) в количестве, достаточном для применения в промышленных масштабах, и позволяет помещать испарительную камеру высокого давления отдельно от других камер в любой ориентации относительно их в пространстве, что значительно расширяет ее функциональные возможности и, в конечном итоге, повышает эффективность.