УСТРОЙСТВО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И РОТОРНЫЙ КОМПРЕССОР-ДЕТАНДЕР
HEAD SUPPLY DEVICE AND ROTARY EXPANDER COMPRESSOR

Изобретения относятся к области теплоснабжения или снабжения горячей водой в системах централизованного или автономного теплоснабжения.
Известно достаточно много систем теплоснабжения, в которых используется теплота из окружающей среды. Известны также системы теплоснабжения, в которых используется и дополнительно утилизируется теплота, выделяемая механизмами, работающими в этой системе.
Достаточно часто при утилизации теплоты атмосферного воздуха или других газовых сред используются циклы, в которых производится сжатие газа с помощью компрессора. Чаще всего компрессор работает с помощью электродвигателя.
Однако известны системы, в которых приводом компрессора является тепловой двигатель.
В патенте US 4735061 «Энергосберегающая система для тепловой машины - привода системы воздушного кондиционирования», F25B 27/00, приоритет, 1987.09.02; дата публикации 1988.04.05 описана система, в которой утилизируется теплота атмосферного воздуха, которая далее используется потребителем. Система утилизации теплоты атмосферного воздуха включает компрессор, конденсатор с теплообменником и испаритель. Приводом компрессора является тепловая машина.
Тепловая машина используется как привод компрессора. Тепловая машина при своей работе кроме механической энергии выделяет и тепло. В данной системе все тепловые потоки также частично утилизируются. С помощью теплообменника отбирается и далее подается потребителю тепло от системы охлаждения тепловой машины. Тепло выхлопных газов также утилизируется с помощью теплообменников.
Наиболее близким является устройство теплоснабжения, описанное в патенте RU 2364796 «Способ теплоснабжения и устройство теплоснабжения», опубликованном 20.08.2009.
В данном устройстве решена задача по использованию тепловой энергии атмосферного воздуха в сочетании с тепловой энергией тепловой машины.
Устройство включает тепловой двигатель, воздушный компрессор и пневмомашину, механически соединенные между собой. Вход воздушного компрессора соединен с выходом газового смесителя, один вход которого соединен с выходом выхлопных газов теплового двигателя, другой с атмосферой. Выход воздушного компрессора соединен с теплообменником системы теплоснабжения, воспринимающей теплоту от сжатой воздушной смеси. Выход отдавшей теплоту воздушной смеси теплообменника соединен с входом пневмомашины. Выход пневмомашины соединен с атмосферой. Компрессор решает задачу сжатия воздушной смеси, а отдельное устройство - пневмомашина реализует цикл, когда отдавшая теплоту воздушная смесь расширяется и совершает внешнюю работу. Пневмомашиной может являться также детандер, машина для охлаждения газа за счет его расширения с совершением внешней работы. Кроме того, в качестве теплового двигателя может использоваться двигатель с внешним подводом теплоты.
В данной системе достаточно эффективно решена задача использования энергии тепловой машины и энергии атмосферного воздуха, однако тепловая энергия и в данном устройстве использована не полностью.
Известны различные виды пневмомашин, которые могут играть роль компрессоров или детандеров, в частности роликовые машины.
Известна роликовая машина по патенту GB 1419172, содержащая цилиндрический ротор, установленный в полости корпуса, и роликовые замыкатели.
Известно решение по патенту RU 2253735 «Ролико-лопастная машина», публикация 10.06.2005. Устройство содержит корпус и щечку, в расточках которых размещены ротор с лопастями и ролики-распределители. Подводы к карманам-полостям выполнены в виде дросселирующих щелей, образованных коническими поверхностями буртиков роликов и цилиндрическими поверхностями отверстий корпуса.
Известны также компрессоры-детандеры, объединенные конструктивно в одном устройстве.
В патенте US 4241591 приведен пример компрессора-детандера, содержащего корпус, в котором установлен ротор с выдвижными лопастями. Полость компрессора и полость детандера имеют входные и выходные патрубки. Данный компрессор-детандер является частью системы кондиционирования воздуха, с двойным циклом.
Известен компрессор-детандер по а.с. SU 520491 «Детандер», публикация 5.07.1976, SU 718666 «Детандер», публикация 28.02.1980, который имеет две полости, компрессионную и расширения, и ведущий ротор с выступами. Устройство снабжено также впускными и выпускными патрубками.
Рассмотренные конструкции компрессоров-детандеров не могут быть применены в заявляемом устройстве теплоснабжения.
Заявляемое изобретение решает техническую задачу по более полному использованию тепловой энергии атмосферного воздуха в сочетании с тепловой энергией тепловой машины. Кроме того, данное устройство более технологично.
В устройстве теплоснабжения используется компрессор-детандер, который может использоваться и в других устройствах и поэтому заявляется как отдельное изобретение. Конструкция компрессора-детандера по изобретению решает задачу рационального воплощения термодинамических процессов, обеспечивая минимальные потери на протечки рабочей среды и неадиабатность, а также минимальные габариты и вес.
Устройство теплоснабжения включает тепловой двигатель, газовый смеситель, теплообменник и компрессор-детандер. Компрессор-детандер содержит компрессионную полость и полость расширения, при этом вход упомянутой компрессионной полости соединен с выходом газового смесителя, один вход которого соединен с выходом выхлопных газов теплового двигателя, другой с атмосферой, выход компрессионной полости через обратный клапан соединен с теплообменником системы теплоснабжения, воспринимающей теплоту от сжатой воздушной смеси, выход отдавшей теплоту воздушной смеси теплообменника соединен с входом упомянутой полости расширения, выход полости расширения соединен с атмосферой. Компрессор-детандер соединен с тепловым двигателем механическим приводом.
В данном устройстве теплоснабжения происходит практически полное использование энергии, выработанной тепловым двигателем. Механическая энергия, выработанная тепловым двигателем, передается компрессору-детандеру, который включен в открытый контур, состоящий из газового смесителя, компрессора и теплообменника, где утилизируется не только низкопотенциальная тепловая энергия атмосферного воздуха, но и тепловая энергия выхлопа тепловой машины. При этом они используются совместно, в наиболее эффективном сочетании. Кроме того, в данном устройстве теплоснабжения также используется потенциальная энергия сжатого воздуха, отдавшего свою теплоту в теплообменнике. Остывший воздух под давлением используется для работы детандера, который является частью устройства компрессор-детандер. Таким образом, низкопотенциальная тепловая энергия атмосферного воздуха в сочетании с энергией тепловой машины используется наиболее эффективно.
Дополнительно, в устройство теплоснабжения подается и теплота системы охлаждения теплового двигателя путем ее подключения к системе теплоснабжения. Смесь атмосферного воздуха и выхлопных газов теплового двигателя может создаваться путем инжектирования.
В отличие от устройства теплоснабжения по патенту RU 2364796 в устройстве по изобретению используются не отдельные устройства - компрессор и пневмомашина, а одно устройство - компрессор-детандер. Применение такого устройства позволяет полностью согласовать термодинамические циклы в компрессоре и устройстве расширения - детандере. Кроме того, обеспечиваются минимальные веса и габариты этого устройства, воплощающего сразу оба цикла компрессии и детантирования. Устройство при применении обратного клапана и золотника позволяет эффективно использовать не только тепловую энергию теплового двигателя, выделяющуюся при его работе, и тепловую энергию окружающего атмосферного воздуха, но и полностью использовать механическую энергию рабочего тела.
Устройство теплоснабжения в частном случае характеризуется тем, что, в качестве компрессора-детандера используется роторный компрессор-детандер, в котором на входе полости расширения установлен золотник, осуществляющий фазированный впуск газа в полость расширения.
В качестве теплового двигателя может использоваться двигатель внутреннего сгорания или газотурбинный двигатель, а в качестве газового смесителя может использоваться инжектор.
Устройство теплоснабжения может быть выполнено как устройство жидкостного теплоснабжения.
В устройство теплоснабжения входит компрессор-детандер, который может использоваться и отдельно, в других устройствах.
Роторный компрессор-детандер включает корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор, в карманах корпуса также расположены, по меньшей мере, два роликовых замыкателя, связанных через синхронизатор с упомянутым ротором. Ротор снабжен, по меньшей мере, двумя лопастями, которые совместно с замыкателями образуют в корпусе компрессионную полость и полость расширения. В корпусе выполнены соответствующие каналы для подвода и отвода рабочей среды к компрессионной полости и соответствующие каналы подвода и отвода рабочей среды к полости расширения, при этом на входном канале к полости расширения установлен золотник, также связанный синхронизатором с ротором, а в выходном канале из компрессионной полости установлен обратный клапан.
Устройство компрессора детандера по изобретению, как будет показано в примере его конкретного выполнения, позволяет эффективно согласовать процессы компрессии и расширения (детантирования) при минимальных габаритах и весах устройства. Особенность данного устройства заключается в том, что оно может работать на газовом рабочем теле, обеспечивая минимальные потери рабочего тела, надежное запирание между полостями компрессии и расширения. Кроме того, данное устройство может работать при достаточно больших мощностях.
В частном случае, обеспечивающем наибольшую эффективность, роторный компрессор-детандер характеризуется тем, что ротор содержит три лопасти и снабжен четырьмя роликовыми замыкателями.
Ось ротора и оси роликовых замыкателей выполнены параллельными. Для эффективной работы ротор и роликовые замыкатели установлены с возможностью обкатывания относительно друг друга.
Синхронизатор может быть выполнен механическим, например, в виде набора зубчатых шестерен.
В частности, золотник выполнен в виде вала, по меньшей мере, с одним поперечным газовым каналом.
При большой мощности роторного компрессора-детандера каждый входной и выходной канал компрессионной полости и полости расширения снабжен несколькими патрубками для соединения с другими устройствами.
Изобретение поясняется рисунками.
На Фиг.1 приведена схема устройства теплоснабжения как автономной системы, а на Фиг.2 приведена схема устройства теплоснабжения, являющегося частью системы центрального теплоснабжения.
На фиг.3 приведен разрез компрессора-детандера по оси вала, а на Фиг.4 - сечение по А-А.
На Фиг.5 приведена схема синхронизатора. На Фиг.6 приведена схема компрессора-детандера для четырех положений ротора и роликовых замыкателей.
Устройство теплоснабжения (Фиг.1) включает тепловой двигатель 1, газовый смеситель 2, теплообменник 3 и компрессор-детандер 4. Компрессор-детандер 4 содержит компрессионную полость 5 и полость 6 расширения, при этом вход 9 упомянутой компрессионной полости 5 соединен с выходом газового смесителя 2, один вход которого соединен с выходом 10 выхлопных газов теплового двигателя 1, другой с атмосферой 11. Выход 12 компрессионной полости через обратный клапан 7 соединен с теплообменником 3 системы теплоснабжения, воспринимающей теплоту от сжатой воздушной смеси, выход 13 отдавшей теплоту воздушной смеси теплообменника 3 соединен с входом 14 упомянутой полости 6 расширения, выход 15 полости 6 расширения соединен с атмосферой. Компрессор-детандер 4 соединен с тепловым двигателем 1 механическим приводом 16.
В качестве привода компрессора-детандера 4 от теплового двигателя 1 может использоваться электрический привод, например электрический двигатель, который приводится в действие от генератора, подсоединенного к тепловому двигателю 1.
Устройство теплоснабжения работает следующим образом. Тепловой двигатель 1 за счет теплотворной способности потребляемого топлива вырабатывает механическую мощность, передаваемую компрессору-детандеру 4, с помощью механического привода 16. Кроме механической мощности тепловой двигатель 1 выделяет теплоту, которая отводится от него с выхлопными газами и, если это поршневая машина, то и от «рубашки» охлаждения, жидким теплоносителем системы теплоснабжения (на фигурах не показано).
Наружный воздух с подмешанными в смесителе 2, который может быть выполнен в виде инжектора, выхлопными газами приводного теплового двигателя 1 за счет разрежения создающегося в компрессионной полости 5 компрессора-детандера 4 засасывается через вход 9. Когда давление сжимаемого газа превысит давление газа в теплообменнике 3, происходит вытеснение сжатого газа в полость теплообменника 3. Сжатый и горячий газ, проходя через полость теплообменника, изобарно охлаждается, отдавая теплоту теплоносителю системы теплоснабжения и остывая при этом до температуры ≈90-100°C. Из теплообменника через золотник 26 газ порциями поступает в полость 6 расширения, где расширяется, совершая работу, частично компенсирующую затраты энергии на вращение системы. Золотник 8 выполняет важную функцию, осуществляя фазированный впуск газа в полость 6 расширения. Золотник 8 имеет симметричный профиль газового канала, что позволяет ему при двух открытиях за один оборот обеспечивать три цикла подачи газа на каждый оборот ротора. Профиль канала золотника 26 выбирается таким образом, чтобы фаза его открытия по углу поворота ротора 18 соответствовала заданной степени расширения газа. При расширении и совершении работы температура газа сильно понижается. Из полости 6 расширения газ вытесняется в выхлопную систему (атмосферу) следующей лопастью 21. Очередная лопасть 21 переходит из зоны детантирования в компрессорную зону через разделяющие их запорные ролики.
Наружный воздух с подмешанными в смесителе 2, который может быть выполнен в виде инжектора, выхлопными газами приводного теплового двигателя 1 за счет разрежения возникающего за движущейся лопастью 21 засасывается через вход 9 в компрессионную полость 5. Следующая лопасть 21 отсекает поступивший газ от атмосферы и образует замкнутую компрессионную полость 5 сжатия, ограниченную поверхностями ротора 18, неподвижного корпуса 17 и крышек 28, движущейся лопастью 21 и вращающимися роликовыми замыкателями 19. Обратный лепестковый клапан 7 открывается, когда давление сжимаемого газа превысит давление газа в теплообменнике 3, после чего происходит вытеснение сжатого газа в полость теплообменника 3. Лопасть 21, обеспечившая сжатие газа, через роликовые замыкатели 19 уходит в полость 5 расширения, а цикл сжатия повторяется со следующей лопастью 21. Для того чтобы переход лопастей 21 из компрессионной полости 5 в полость 5 расширения сопровождался минимальными потерями на протечки, профиль выемок в роликовых замыкателях имеет специальную геометрию, обеспечивающую минимальные зазоры.
Сжатый и горячий газ, проходя через полость теплообменника, изобарно охлаждается, отдавая теплоту теплоносителю системы теплоснабжения и остывая при этом до температуры ≈90-100 C°. Из теплообменника через золотник 8 газ порциями поступает в детандер, где расширяется, совершая работу, частично компенсирующую затраты энергии на вращение системы. Золотник 8 выполняет важную функцию, осуществляя фазированный впуск газа в полость расширения. Золотник имеет симметричный профиль газового канала, что позволяет ему при двух открытиях за один оборот обеспечивать три цикла подачи газа на каждый оборот ротора. Профиль канала золотника выбирается таким образом, чтобы фаза его открытия по углу поворота ротора соответствовала заданной степени расширения газа. При расширении и совершении работы температура газа сильно понижается. Из полости расширения газ вытесняется в выхлопную систему следующей лопастью. Очередная лопасть переходит из зоны детантирования в компрессорную зону через разделяющие их запорные ролики.
Благодаря этому осуществляется эффективный перенос низкотемпературной теплоты окружающего воздуха и выхлопных газов теплового двигателя 1 на высокий температурный уровень, обеспечивающий ее передачу потребителю.
Газовый смеситель 2 (инжектор) позволяет изменять соотношение расходов свежего воздуха и выхлопных газов, поступающих в компрессионную полость 5, воздействуя на характеристики устройства и поддерживая оптимальный режим работы при изменении температуры воздуха.
На Фиг.2 приведен пример устройства в системе водяного центрального теплоснабжения, где теплообменник 3 включен между ветвью возврата воды и блочным теплопунктом 27, который гидравлически развязывает систему центрального теплоснабжения и систему теплоснабжения отдельного дома или группы домов.
Таким образом, устройство по изобретению может быть использовано в системе отдельного дома или в условиях централизованного теплоснабжения.
Высокая эффективность устройства теплоснабжения определяется следующим.
А) Отсутствием испарителя, дорогого и сложного устройства и применением всегда доступного «бесплатного» рабочего тела - атмосферного воздуха, в отличие от фреонов, которые являются дорогими и экологически небезопасными веществами. При этом используется и тепловая энергия из атмосферного воздуха.
2
2
Б) Более низким требуемым давлением в теплообменнике-охладителе, для получения температуры в 100 C° фреон нужно сжимать до давлений 25-30 кг/см, а воздух до давлений 4-6 кг/см.
С) Более глубокой утилизацией теплоты выхлопных газов. В аналоге температура выходных газов снижается до температуры 105-120 C°, а в заявляемом изобретении до температуры выхода газовой смеси из полости расширения компрессора детандера от -30 C° до -70 C°, в зависимости от температуры окружающего воздуха и коэффициента смешения в инжекторе.
Д) Более высокой степенью отбора теплоты от окружающего воздуха, в аналоге воздух охлаждается в испарителе на 3-5 C°, а в предлагаемом устройстве на 30-70 C°.
Компрессор-детандер выполнен следующим образом.
Роторный компрессор-детандер 4 (Фиг.3-Фиг.5) включает корпус 17, в цилиндрической полости которого установлен ротор 18, в карманах корпуса 17 также расположены четыре роликовых замыкателя 19 с выемками для прохождения лопастей 21. Роликовые замыкатели 19 связаны через синхронизатор 20 с ротором 18. Ротор 18 снабжен тремя лопастями 21, которые совместно с замыкателями 19 образуют в корпусе компрессионную полость 5 и полость 6 расширения. В корпусе 17 выполнены соответствующие каналы 22, 23 для подвода и отвода рабочей среды к компрессионной полости 5 и соответствующие каналы 24, 25 подвода и отвода рабочей среды к полости 6 расширения. На входном канале 24 к полости 6 расширения установлен золотник 8, также связанный синхронизатором 20 с ротором 18, а в выходном канале 23 из компрессионной полости 5 установлен обратный клапан 7.
Синхронизация работы вращающихся частей компрессора-детандера обеспечивается синхронизатором 20 (Фиг.3, Фиг.5) с помощью ведущего зубчатого колеса 29, зубчатых колес 30, обеспечивающих синхронную работу роликовых замыкателей 19 и колес 31 и 32, обеспечивающих синхронную работу золотника 8. Роторные замыкатели 19 вращаются в три раза быстрее ротора 18, а золотник 8 вращается в полтора раза быстрее ротора 18. Это обеспечивает надлежащее протекание процессов компрессии и расширения.
Компрессия осуществляется следующим образом (Фиг.6а, б, в). В начале цикла компрессии компрессора-детандера 4 ротор с лопастями занимает положение, показанное на Фиг.6а. Далее наружный воздух с подмешанными в смесителе 2 выхлопными газами приводного теплового двигателя 1 за счет разрежения, возникающего за движущейся лопастью 21 (Фиг.6б), засасывается через входной патрубок в компрессионную полость 5. Следующая лопасть 21 отсекает поступивший газ от атмосферы и образует замкнутую полость сжатия, ограниченную поверхностями ротора 18, неподвижного корпуса 17, крышками 28, движущейся лопастью 21 и вращающимися роликовыми замыкателями 19. Обратный лепестковый клапан 7, установленный в напорном коллекторе, открывается, когда давление сжимаемого газа превысит давление газа в теплообменнике, после чего происходит вытеснение сжатого газа в полость теплообменника. Цикл расширения, происходящий в полости 6 расширения, происходит параллельно, со сдвигом по фазе. На Фиг.6б в полость расширения с помощью золотника 8 из теплообменника поступает порция охлажденного рабочего тела. Далее золотник 8 отсекает теплообменник от полости 6 расширения. Благодаря этому газ расширяется и охлаждается. Работа, совершаемая в полости расширения, производится за счет внутренней энергии газа путем давления на лопатку 21 (Фиг.6в). Компрессионный цикл и цикл расширения за время одного поворота ротора происходят три раза.