RU2084780C1 - Method of providing cold air flows and design of turbo-refrigerating plant - Google Patents

Method of providing cold air flows and design of turbo-refrigerating plant Download PDF

Info

Publication number
RU2084780C1
RU2084780C1 RU94031048A RU94031048A RU2084780C1 RU 2084780 C1 RU2084780 C1 RU 2084780C1 RU 94031048 A RU94031048 A RU 94031048A RU 94031048 A RU94031048 A RU 94031048A RU 2084780 C1 RU2084780 C1 RU 2084780C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
compressor
turbine
air
heat exchanger
cold
Prior art date
Application number
RU94031048A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU94031048A (en
Inventor
Вадим Борисович Вологодский
Ким Васильевич Чащин-Семенов
Original Assignee
Вадим Борисович Вологодский
Ким Васильевич Чащин-Семенов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Вадим Борисович Вологодский, Ким Васильевич Чащин-Семенов filed Critical Вадим Борисович Вологодский
Priority to RU94031048A priority Critical patent/RU2084780C1/en
Publication of RU94031048A publication Critical patent/RU94031048A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2084780C1 publication Critical patent/RU2084780C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25DREFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D2400/00General features of, or devices for refrigerators, cold rooms, ice-boxes, or for cooling or freezing apparatus not covered by any other subclass
    • F25D2400/30Quick freezing

Abstract

FIELD: refrigerating engineering; turbo-refrigerating plants of high power rating (removal of heat up to 2000 kcal/s) for quick freezing of large amounts of products. SUBSTANCE: compressed air flow is built in two steps with intermediate cooling by water in heat exchanger (refrigerator) between two stops. Degree of pressure rise at second step is selected to provide equality of compression in compressor and expansion in turbine mounted on common drive shaft and operating on cold compressed air. Gas turbine engine is used as drive of first compressor. Exhaust device of engine is connected to turbine of first turbocompressor. Air only is used as cold carrier. No electric power is required. Turbojet aircraft engines removed from aircraft after expiration of their service life are used as both turbocompressors operating at ratings close to designed one. EFFECT: enlarged operating capabilities. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области холодильной техники, в частности к турбохолодильным установкам большой мощности с отводом тепла до 2000 ккал/сек (≈8000 кВт) при температуре холодного потока воздуха (-80) - (-170)oC. Указанные параметры необходимы для быстрого замораживания десятков тонн продуктов в течение не более 20-60 минут (оптимально 15-30 минут), например свежевыловленной рыбы, до t= -80oC, что значительно повышает ее качество и стоимость. Известно, что в настоящее время с этой целью используют жидкий азот (см. приложение N 1, где приведены технические данные стандартного английского контейнера для замораживания продуктов жидким азотом). Аналогичные параметры холодильных устройств требуются для быстрого замораживания больших партий мяса, овощей и фруктов, получения твердого CO2, а также в ряде областей техники, например при криогенном отделении компонентов газовой смеси и для других целей. Широко применяемые холодильные машины с обычными хладагентами (аммиак, фреоны) столь низких температур не могут обеспечить [1] Такие параметры получают в работающих на воздухе турбокомпрессорах (сочетание турбины и компрессора на одном валу) с электроприводом. При этом важно не только то, что в лопаточных машинах быстро охлаждается воздух, выполняющий функции хладагента, но появляется возможность осуществлять обдув холодным воздухом охлаждаемых объектов для создания интенсивного конвективного теплообмена между захолаживаемыми продуктами и потоком хладагента (воздуха), поскольку последний безвреден для продуктов. При других хладагентах охлаждение идет путем естественной конвекции, когда тепловые потоки во много раз меньше.The invention relates to the field of refrigeration equipment, in particular to high-power turbo-refrigeration units with heat dissipation up to 2000 kcal / s (≈8000 kW) at a temperature of cold air flow (-80) - (-170) o C. These parameters are necessary for quick freezing tens of tons of products for no more than 20-60 minutes (optimally 15-30 minutes), for example freshly caught fish, up to t = -80 o C, which significantly increases its quality and cost. It is known that liquid nitrogen is currently used for this purpose (see Appendix No. 1, for technical data on a standard English container for freezing products with liquid nitrogen). Similar parameters of refrigeration devices are required to quickly freeze large quantities of meat, vegetables and fruits, to obtain solid CO 2 , as well as in a number of technical fields, for example, in the cryogenic separation of gas mixture components and for other purposes. Widely used chillers with conventional refrigerants (ammonia, freons) cannot provide such low temperatures [1] Such parameters are obtained in air-powered turbochargers (a combination of a turbine and a compressor on one shaft) with an electric drive. At the same time, it is important not only that the air that performs the functions of the refrigerant is quickly cooled in the blade machines, but it becomes possible to blow cold objects into the air to create intense convective heat exchange between the refrigerated products and the flow of refrigerant (air), since the latter is harmless to the products. With other refrigerants, cooling occurs by natural convection, when the heat flux is many times smaller.

В турбохолодильных машинах сжатый воздух после охлаждения в теплообменнике направляется в турбину турбодетандер, где при падении давления происходит снижение температуры воздуха, и за счет уменьшения внутренней энергии воздушного потока турбина вырабатывает мощность. Однако мощность турбины оказывается в 1,5-2,5 раза меньше, чем это требуется для сжатия потока воздуха в одном компрессоре (в газотурбинных двигателях воздух после компрессора подогревается в камере сгорания в 2,5-3,5 раза, что обеспечивает соответствующее повышение мощности турбины); в связи с этим в турбохолодильных машинах, равно как и в поршневых холодильниках, требуется подвод мощности для привода турбокомпрессора, что осуществляется с помощью электродвигателя (см. [2] а также приложение N 2; "Технические установки с воздушными турбохолодильными машинами" (турбодетандерами), Министерство тяжелого машиностроения, СКТБА НПО "НИИХИММАШ", 1991; с 1993 г. СКБ "Турбохолод" см. приложение N 3). В настоящее время этим СКБ изготавливаются турбохолодильные машины малой мощности с расходом воздуха 0,5-2,5 кг/сек и теплоотводом 5-20 ккал/сек. Ближайшим техническим решением к предлагаемому ниже способу получения холодного воздуха являются способ и установка, описанные в [2] на стр. 365, которые примем за прототип к заявленному изобретению. In turbo-refrigerating machines, compressed air after cooling in the heat exchanger is sent to the turbine expander, where, when the pressure drops, the air temperature decreases, and the turbine generates power by reducing the internal energy of the air flow. However, the turbine power is 1.5-2.5 times less than that required to compress the air flow in one compressor (in gas turbine engines, the air after the compressor is heated in the combustion chamber by 2.5-3.5 times, which provides a corresponding increase turbine power); in this regard, in turbo-refrigerating machines, as well as in piston refrigerators, power supply is required to drive the turbocompressor, which is carried out using an electric motor (see [2] and also appendix N 2; "Technical installations with air turbo-refrigerating machines" (turbo expanders) , Ministry of Heavy Engineering, SKTBA NPO NIIKHIMMASH, 1991; since 1993 SKB Turboholod see Appendix No. 3). Currently, these SKBs produce low-power turbo-refrigerating machines with an air flow rate of 0.5-2.5 kg / s and a heat sink of 5-20 kcal / s. The closest technical solution to the proposed below method for producing cold air are the method and installation described in [2] on page 365, which we take as a prototype of the claimed invention.

Недостатком известных схем турбохолодильных машин и способов получения потоков холодного воздуха в них является то, что для получения машин большой мощности, например, с теплоотводом до 2000 ккал/сек, с расходом воздуха до 200 кг/сек потребуется электродвигатель мощностью 20-40 МВт, а вес машины будет 100-300 тонн, т.е. по своим параметрам такая машина будет близка к мощным воздуходувкам-эксгаустерам, применяемым в научно-исследовательских центрах для испытания авиадвигателей в высотных условиях. Электропривод указанной мощности требует специальной электроподстанции, а выход на режим будет порядка 30-60 минут (для постепенного прогрева корпусов), при этом достаточно сложно согласовывать обороты электродвигателя и компрессора. A disadvantage of the known schemes of turbo-refrigerating machines and methods for producing cold air streams in them is that to obtain machines of high power, for example, with a heat sink of up to 2000 kcal / s, with an air flow of up to 200 kg / s, an electric motor with a power of 20-40 MW is required, and the weight of the machine will be 100-300 tons, i.e. in terms of parameters, such a machine will be close to powerful exhauster blowers used in research centers for testing aircraft engines in high-altitude conditions. An electric drive of the indicated power requires a special electrical substation, and the mode will be on the order of 30-60 minutes (for the gradual heating of the cases), and it is rather difficult to coordinate the speed of the electric motor and compressor.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение больших объемов потока холодного воздуха без использования электроэнергии, что повышает мобильность установки, многократно уменьшает вес и удешевляет сооружение, делает всю конструкцию более простой для изготовления и снижает затраты при замораживании, т.к. захолаживание происходит при обдуве воздухом, т.е. при интенсивном отводе тепла, в течение 15-30 мин, а выход на режим занимает у машины несколько минут. The technical result of the claimed invention is to obtain large volumes of cold air flow without the use of electricity, which increases the mobility of the installation, significantly reduces the weight and reduces the cost of the structure, makes the entire structure easier to manufacture and reduces the cost of freezing, because cooling occurs when air is blown, i.e. with intensive heat dissipation, for 15-30 minutes, and access to the mode takes a few minutes at the machine.

Данный технический результат достигается тем, что атмосферный воздух засасывается первым компрессором (фиг. 1), после выхода из которого охлаждается в теплообменнике (до 15-25oC), далее сжатый воздух (с давлением 2-4 ата в зависимости от заданной температуры на входе в потребитель холода) дожимается во втором компрессоре (до 2,5-5,5 ата), на выходе из которого вновь охлаждается и высушивается в теплообменнике холодным воздухом, выходящим из потребителя холода; после второго теплообменника сжатый воздух поступает к турбине, в которой срабатывается избыточное давление, а далее воздух (хладоноситель), приобретая заданную низкую температуру, подается при атмосферном давлении в потребитель холода, а затем через теплообменник в атмосферу, при этом для привода первого компрессора используется не электродвигатель, а газовая турбина, расположенная с ним на одном валу и подключенная к выхлопному устройству турбореактивного двигателя, например серийного авиационного двигателя, отработавшего летный ресурс.This technical result is achieved by the fact that atmospheric air is sucked in by the first compressor (Fig. 1), after which it is cooled in a heat exchanger (up to 15-25 o C), then compressed air (with a pressure of 2-4 atm, depending on the set temperature entering the consumer of cold) is pressurized in a second compressor (up to 2.5-5.5 ata), at the outlet of which it is again cooled and dried in the heat exchanger with cold air leaving the consumer of cold; after the second heat exchanger, compressed air enters the turbine, in which excess pressure is triggered, and then the air (coolant), acquiring a predetermined low temperature, is supplied at atmospheric pressure to the cold consumer, and then through the heat exchanger to the atmosphere, while not using the first compressor an electric motor, and a gas turbine located on the same shaft with it and connected to an exhaust device of a turbojet engine, for example, a serial aircraft engine that has performed a flight LAS.

Введение в устройство турбохолодильной машины двух турбокомпрессоров от серийных авиационных двигателей позволяет применить простой и дешевый газотурбинный привод, снизить работу сжатия за счет промежуточного охлаждения между двумя компрессорами и применить для создания турбохолодильной машины готовые турбокомпрессоры, которые являются основными по сложности и стоимости узлами любого турбохолодильного устройства и позволяют осуществлять быстрый запуск, свойственный авиационным машинам. The introduction of two turbochargers from serial aircraft engines into the device of a turbo-refrigerating machine allows the use of a simple and cheap gas-turbine drive, reducing the work of compression due to intermediate cooling between the two compressors and using ready-made turbocompressors, which are the main components of any turbo-refrigerating device in terms of complexity and cost, and allow quick start-up characteristic of aircraft.

Затраты на отвод тепла с помощью потока холодного воздуха, вырабатываемого, например, машиной ТМХЗ-5 (см. приложение N 2), на порядок меньше, чем затраты на жидкий азот для такого же отвода тепла, несмотря на то, что расход энергии на единицу отводимого тепла в турбохолодильных машинах, работающих на воздухе, в два-четыре раза больше, чем в аммиачных или фреоновых из-за более низких температур (-80 -170oC) и отсутствия изменений агрегатного состояния у хладагента (воздуха) в процессе осуществления холодильного цикла.The costs of heat removal using a cold air stream generated, for example, by the TMHZ-5 machine (see Appendix N 2), are an order of magnitude lower than the costs of liquid nitrogen for the same heat removal, despite the fact that the energy consumption per unit the heat removed from turbo-refrigerators operating in air is two to four times greater than in ammonia or freon coolers due to lower temperatures (-80 -170 o C) and the absence of changes in the state of aggregation of the refrigerant (air) during refrigeration cycle.

Данное изобретение поясняется общей схемой турбохолодильной машины для получения потока холодного воздуха, изображенной на фиг. 1. Предложенный способ получения холодного воздуха заключается в том, что атмосферный воздух засасывается первым компрессором (1), после выхода из которого в первом водовоздушном теплообменнике (2) охлаждается до 15-25oC; далее сжатый воздух с давлением 2-4 ата (в зависимости от заданной температуры на входе в потребитель холода) дожимается во втором компрессоре (3) до 2,5-5,5 ата, на выходе из которого сначала охлаждается в водовоздушном теплообменнике (4) до 15-24oC, после чего охлаждается и высушивается в теплообменнике (5) холодным воздухом, выходящим из потребителя холода, как это делается обычно в турбохолодильных машинах; после теплообменника (5) сжатый воздух поступает к турбине-детандеру (6), в которой срабатывается избыточное давление, и далее воздухохладоноситель, приобретя заданную низкую температуру, подается при атмосферном давлении в потребитель холода (7) и выходит через теплообменник (5) в атмосферу. Ниже приводятся основные параметры состояния хладоносителя для трех из возможных режимов работы описанной выше турбохолодильной машины с расходом воздуха 150-200 кг/сек, отводом тепла в количестве до 1300-2000 ккал/сек и мощностью газотурбинного привода 20-30 мВт. Если в качестве обоих турбокомпрессоров (I) и (II) (фиг. 1) взяты газотурбинные двигатели (например, РД-3М или ВД-7, расход воздуха на них соответственно 160 и 210 кг/сек) с выработанным летным ресурсом, то основные узлы, которые необходимо проектировать и изготовлять заново в процессе производства турбохолодильной машины, это только теплообменники, газовые тракты, потребитель холода и система управления. В связи с этим стоимость такой турбохолодильной машины на основе опыта создания турбохолодильной машины и нескольких двухступенчатых эксгаустеров, состоящих так же, как и трубохолодильная машина, описанная выше, из двух турбокомпрессоров от авиадвигателей, теплообменников и одного ТРД (8) (фиг. 1) источника горячих газов [3, 4, 5] поступающих в турбину (9), будет около двух миллионов долларов, и она может устанавливаться даже на больших рыболовных судах, поскольку ее вес 15-25 тонн, а потребная площадь для размещения около 200 м2. Стационарная воздуходувка (эксгаустер) с электроприводом и аналогичными параметрами стоит 10-20 миллионов долларов.The present invention is illustrated by the general scheme of a turbo-refrigeration machine for producing a cold air flow shown in FIG. 1. The proposed method for producing cold air is that the atmospheric air is sucked in by the first compressor (1), after which it is cooled in the first water-air heat exchanger (2) to 15-25 o C; then compressed air with a pressure of 2-4 ata (depending on the set temperature at the inlet to the cold consumer) is compressed in the second compressor (3) to 2.5-5.5 ata, at the outlet of which it is first cooled in a water-air heat exchanger (4) to 15-24 o C, after which it is cooled and dried in the heat exchanger (5) with cold air leaving the consumer of cold, as is usually done in turbo-refrigerating machines; after heat exchanger (5), compressed air enters the turbine-expander (6), in which excess pressure is triggered, and then the air cooler, having acquired a predetermined low temperature, is supplied at atmospheric pressure to the cold consumer (7) and exits through the heat exchanger (5) into the atmosphere . Below are the main parameters of the state of the coolant for three of the possible modes of operation of the turbo-refrigerating machine described above with an air flow rate of 150-200 kg / s, heat removal in an amount up to 1300-2000 kcal / s and a gas turbine drive power of 20-30 mW. If both turbocompressors (I) and (II) (Fig. 1) are gas turbine engines (for example, RD-3M or VD-7, the air flow on them, respectively, 160 and 210 kg / s) with the exhausted air resource, then the main the nodes that need to be designed and manufactured anew during the production of a turbo-refrigeration machine are only heat exchangers, gas paths, a cold consumer and a control system. In this regard, the cost of such a turbo-refrigerating machine based on the experience of creating a turbo-refrigerating machine and several two-stage exhausters, consisting, like the pipe refrigerating machine described above, of two turbochargers from aircraft engines, heat exchangers and one turbojet engine (8) (Fig. 1) of the source there will be about two million dollars of hot gases [3, 4, 5] entering the turbine (9), and it can even be installed on large fishing vessels, since its weight is 15–25 tons, and the required area for placement is about 200 m 2 . A stationary blower (exhauster) with an electric drive and similar parameters costs $ 10-20 million.

Таким образом, введение в устройстве турбохолодильной машины двух турбокомпрессоров от серийных авиационных двигателей позволяет применить простой и дешевый газотурбинный привод, снизить работу сжатия и применить для создания турбохолодильной машины готовые турбокомпрессоры, которые являются основными по сложности и стоимости узлами лобового турбохолодильного устройства. Thus, the introduction of two turbochargers from serial aircraft engines in the device of a turbo-refrigerating machine allows using a simple and cheap gas-turbine drive, reducing the compression work and using ready-made turbocompressors, which are the main components of the frontal turbo-refrigerating device in terms of complexity and cost.

Следует отметить, что использовать в турбохолодильной машине один турбокомпрессор от ТРД можно лишь с низкой эффективностью, т.к. турбина, работающая на холодном воздухе, должна работать на оборотах вдвое меньше расчетных (температура потока примерно в 4 раза ниже), чем в системе ТРД, но тогда компрессор оказывается в совершенно неудовлетворительных условиях, а привод по-прежнему должен быть на базе мощных эл.двигателей. Применение двух турбокомпрессоров (фиг. 1) дает возможность всем четырем лопаточным машинам работать на режимах, близких к расчетным. Компрессор (3) второго этапа сжатия, имеющий степень повышения давления 1,3-1,8, должен состоять только из последних 2-3 ступеней (остальные колеса многоступенчатого осевого компрессора вместе с направляющими аппаратами снимаются). It should be noted that using a turbo-compressor from a turbojet engine from a turbojet engine is only possible with low efficiency, because a cold-air turbine should operate at half the design speed (flow temperature about 4 times lower) than in a turbojet engine, but then the compressor will be in completely unsatisfactory conditions, and the drive should still be based on powerful electric motors. engines. The use of two turbochargers (Fig. 1) makes it possible for all four blade machines to work in modes close to the calculated ones. The compressor (3) of the second compression stage, having a degree of pressure increase of 1.3-1.8, should consist only of the last 2-3 stages (the remaining wheels of the multistage axial compressor together with the guide devices are removed).

При такой небольшой степени повышения давления и малом числе ступеней осевой компрессор, если обеспечено расчетное отношение осевой скорости потока к окружной скорости колеса, работает удовлетворительно независимо от абсолютной величины числа оборотов. Тогда турбина (5), в которой течет холодный воздух, может работать на таком же числе оборотов, при которых ее режим будет близок к расчетному. У первого турбокомпрессора (1) (фиг. 1) обороты незначительно отличаются от тех, на которых он работает в системе авиационного двигателя, т.к. к турбине поступают горячие газы, а компрессор в этом случае также оказывается на расчетных оборотах. Уменьшение степени повышения давления в компрессоре (1) первого этапа сжатия с обычных πк 6-12 до 2-4 достигается за счет снятия нескольких последних ступеней осевого компрессора или путем регулирования поворотных лопаток статора на первых и последних ступенях компрессора. Некоторые осевые компрессоры газотурбинных двигателей имеют поворотные лопатки на статоре компрессора.With such a small degree of pressure increase and a small number of stages, an axial compressor, if a calculated ratio of the axial flow rate to the peripheral speed of the wheel is provided, works satisfactorily regardless of the absolute value of the speed. Then the turbine (5), in which cold air flows, can operate at the same number of revolutions at which its mode will be close to the calculated one. At the first turbocharger (1) (Fig. 1), the speed slightly differs from those at which it operates in the aircraft engine system, as hot gases come to the turbine, and the compressor in this case also appears at the design speed. The decrease in the degree of increase in pressure in the compressor (1) of the first compression stage from conventional π to 6-12 to 2-4 is achieved by removing the last few stages of the axial compressor or by adjusting the stator rotary blades in the first and last stages of the compressor. Some axial compressors of gas turbine engines have rotary blades on the compressor stator.

Указанное выше соотношение степеней повышения давления первого и второго этапа следует из равенства работ сжатия в компрессоре (3) (фиг. 1) и расширения в турбине (6) второго турбокомпрессора (II) для средней температуры воздуха перед турбиной (6) -100 -130oC:

Figure 00000002

где TIIк и ТIIт температуры воздуха на входе соответственно в компрессор (3) и турбину (6);
πкII, πтII степени повышения во втором компрессоре (3) и понижения давления во второй турбине (6);
ηкII, ηтII кпд компрессора (3) и турбины (6).The above ratio of the degrees of pressure increase of the first and second stages follows from the equality of the compression work in the compressor (3) (Fig. 1) and the expansion in the turbine (6) of the second turbocompressor (II) for the average air temperature in front of the turbine (6) -100 -130 o C:
Figure 00000002

where T IIk and T IIt are the inlet air temperatures to the compressor (3) and turbine (6), respectively;
π kII , π tII degree of increase in the second compressor (3) and pressure decrease in the second turbine (6);
η kII , η tII efficiency of the compressor (3) and turbine (6).

Если

Figure 00000003

где 0,854 потери полного напора в трех теплообменниках (2), (4), (5) (теплообменник (5) воздух проходит дважды), в воздушных трактах и ресиверах на выходе из компрессоров, где числа М бывают обычно достаточно велики.If a
Figure 00000003

where 0.85 is the 4 total pressure loss in the three heat exchangers (2), (4), (5) (the heat exchanger (5) passes air twice), in the air ducts and receivers at the outlet of the compressors, where the numbers M are usually quite large.

Степень повышения давления в первом компрессоре (I) при наиболее высокой температуре холодного потока воздуха, которую приняли выше tх.п. -60oC, нагреве холодного воздуха в количестве 210 кг/сек в потребителе холода (7) на 40oC, чему соответствует q=2000 ккал/сек, должна быть πкI = 2,5. При этом температура воздуха на выходе из потребителя холода будет

Figure 00000004
и, следовательно, при перепаде температур на стенках теплообменника в 10o температура воздуха на входе в холодную турбину будет -30oC.The degree of pressure increase in the first compressor (I) at the highest temperature of the cold air flow, which was taken above t h.p. -60 o C, heating of cold air in an amount of 210 kg / s in a cold consumer (7) by 40 o C, which corresponds to q = 2000 kcal / s, should be π кI = 2.5. In this case, the air temperature at the outlet of the consumer will be cold
Figure 00000004
and therefore, when the temperature difference on the walls of the heat exchanger is 10 o, the air temperature at the inlet to the cold turbine will be -30 o C.

Величина πкII получается опять из равенства работ компрессора (3) и турбины (6) при необходимом понижении температуры воздуха в турбине (6) [-80o (-30o)]-50oC и давления на выходе из холодной турбины 1,1 ата:
πкI= 2,5; πтII= 2,58; πкII= 1,54.
При to холодного потока -80oC и снижении теплообъема до 1500 ккал/сек πкI= 2,05; πкII= 1,35; πтII= 2.
Техническим эффектом данного изобретения является то, что введением в систему турбохолодильной машины двух турбокомпрессоров и двух теплообменников, разбиением процесса сжатия на два этапа с промежуточным охлаждением, выбором разных окружных скоростей (чисел оборотов) для двух турбокомпрессоров в соответствии с температурами газовых потоков, проходящих через турбины, можно уменьшить работу сжатия, получить безвредный хладоноситель (воздух) с to=(-80o) (-170o)C в количестве 100-200 кг/сек, применить вместо электропривода газотурбинный привод и использовать для создания турбохолодильных машин готовые турбокомпрессоры от серийных авиадвигателей с выработанным летным ресурсом, без чего турбохолодильные машины большой мощности с хладоносителем воздухом получаются столь тяжелыми, дорогими, с большей продолжительностью запуска и привязанными к линиям эл.передач большей мощности, что в силу указанных причин производство мощных турбохолодильных машин оказывается нерациональным, и для быстрого отвода больших количеств тепла q= 500-2000 ккал/сек при to=(-80o) (-170o)C используют азот (см. приложение N 1).
The value of π kII is again obtained from the equality of the compressor (3) and turbine (6) operations with the necessary decrease in the air temperature in the turbine (6) [-80 o (-30 o )] - 50 o C and the pressure at the outlet of the cold turbine 1, 1 ata:
π kI = 2.5; π tII = 2.58; π kII = 1.54.
When t o cold flow -80 o C and a decrease in heat volume to 1500 kcal / s π kI = 2,05; π kII = 1.35; π tII = 2.
The technical effect of this invention is that the introduction of two turbocompressors and two heat exchangers into the system of the turbo-refrigerating machine, splitting the compression process into two stages with intermediate cooling, choosing different peripheral speeds (speed) for two turbocompressors in accordance with the temperatures of the gas flows passing through the turbines , you can reduce the work of compression, get a harmless coolant (air) with t o = (- 80 o ) (-170 o ) C in the amount of 100-200 kg / s, use a gas turbine drive instead of an electric drive and use ready-made turbochargers from serial aircraft engines with exhausted air resources to create turbo-refrigerating machines, without which large-capacity turbo-refrigerating machines with an air coolant are so heavy, expensive, with a longer start-up time and tied to electric power lines of greater power, which for these reasons the production of powerful turbo-refrigerating machines is irrational, and for the rapid removal of large quantities of heat q = 500-2000 kcal / s at t o = (- 80 o ) (-170 o ) C use nitrogen (see Appendix N 1).

При необходимости вырабатывать углекислоту (CO2) одновременно с теплоотводом на вход в первый компрессор (I) подаются охлажденные до 15-20oC продукты сгорания (выходящие из первой турбины (9), фиг. 2), в которых на каждый кг сгорания топлива содержится в зависимости от вида горючего 2,8-3,2 кг CO2. Углекислый газ будет осаждаться в первой части потребителя холода (7) в твердой фазе. При мощности привода 20-35 мВт (расход топлива 4600-9000 кг/час) выработка CO2 составит 13-28 тонн/час и 10-23 тонны воды. Стоимость углекислоты в 3-7 раз выше топлива. При выработке CO2 наряду с потоком холодного газа в систему турбохолодильной машины добавляется третий водогазовый теплообменник (10), а теплоотвод снижается в среднем на 50% из-за конденсации 2,8-3,2 кг/сек CO2. Поскольку в предлагаемой установке через турбину первого компрессора весовой расход газа меньше, чем через первый компрессор, т. к. в ТРД давления на выходе из компрессора (PкI)2 и на входе в турбину (PтI)1 равны, а в системе турбохолодильной машины (PкI)2>(PтI)1, то на вход в компрессор при выработке CO2 необходимо подавать не только продукты сгорания, прошедшие через турбину, но также воздух из атмосферы. Если турбохолодильная машина работает в комплексе с газотурбинной электростанцией (ГТЭ), то продукты сгорания от ГТЭ целесообразно также подавать на вход в турбохолодильную машину для увеличения выработки CO2.If necessary, produce carbon dioxide (CO 2 ) simultaneously with the heat sink to the inlet of the first compressor (I), the products of combustion cooled to 15-20 o C are fed (leaving the first turbine (9), Fig. 2), in which for every kg of fuel combustion depending on the type of fuel 2.8-3.2 kg of CO 2 . Carbon dioxide will precipitate in the first part of the consumer of cold (7) in the solid phase. With a drive power of 20-35 mW (fuel consumption of 4600-9000 kg / h), CO 2 production will be 13-28 tons / hour and 10-23 tons of water. The cost of carbon dioxide is 3-7 times higher than fuel. When producing CO 2, along with the cold gas flow, a third water-gas heat exchanger (10) is added to the turbo-refrigeration machine system, and the heat removal is reduced by an average of 50% due to condensation of 2.8-3.2 kg / s CO 2 . Since in the proposed installation through the turbine of the first compressor the weighted gas flow rate is less than through the first compressor, because in the turbojet engine the pressure at the outlet of the compressor (P kI ) 2 and at the inlet to the turbine (P tI ) 1 are equal, and in the turbo-refrigerating system machines (P KI ) 2 > (P TI ) 1 , then at the entrance to the compressor when producing CO 2 it is necessary to supply not only the combustion products that have passed through the turbine, but also the air from the atmosphere. If a turbo-refrigerating machine works in conjunction with a gas turbine power plant (GTE), then it is advisable to also supply combustion products from a GTE to the entrance to the turbo-refrigerating machine to increase the production of CO 2 .

В воздушных турбохолодильных машинах, описанных в приложении N 2, воздух сначала охлаждается в теплообменнике, далее поступает в охлаждаемый объект, оттуда в турбину, где опять охлаждается, из турбины с давлением в 0,3-0,5 ата идет в теплообменник на охлаждение засасываемого из атмосферы воздуха и через компрессор выбрасывается в атмосферу. В предлагаемой холодильной турбомашине (фиг. 1) воздух сначала сжимается (в двух компрессорах), потом охлаждается холодным воздухом, поступающим из потребителя холода, далее идет в турбину, оттуда в потребитель холода и в атмосферу. In the air turbo-refrigerating machines described in Appendix No. 2, the air is first cooled in a heat exchanger, then it enters a cooled object, and from there it goes to a turbine, where it is again cooled, it goes from a turbine with a pressure of 0.3-0.5 ata to the heat exchanger to cool the suction from the atmosphere and through the compressor is emitted into the atmosphere. In the proposed refrigeration turbomachine (Fig. 1), the air is first compressed (in two compressors), then it is cooled by cold air coming from the cold consumer, then it goes to the turbine, and from there to the cold consumer and to the atmosphere.

В схеме, описанной в приложении N 2, компрессор и теплообменник работают с давлением на входе в 2-3 раза ниже, чем в предлагаемой автором заявке. В связи с этим устройства, работающие по такой схеме, имеют большие вес и габариты при том же теплоотводе. Преимуществом такой схемы является более низкая температура воздуха на входе в компрессор и меньшие затраты энергии на сжатии воздуха при том же теплоотводе по сравнению с предлагаемой схемой. При расходах в 0,5-2 кг/сек воздуха увеличенные габариты компрессора и теплообменника большой роли не играют, и предпочтение отдается чаще улучшению экономичности. Однако в самолетных кондиционерах применяется схема с лучшими весовыми и габаритными параметрами [1] Предлагаемые авторами изменения в процессах, происходящих в турбомашине, и в ее устройстве в равной мере могут быть использованы в обоих схемах холодильной машины, выполненной на базе турбокомпрессора. С точки зрения термодинамических процессов отличие одной схемы от другой состоит в том, что, работая по одному и тому же циклу, в одной схеме цикл начинается в точке 0, а во второй в точке 4, но при P=1 ата (см. цикл в приложении N 2). При объемах потребителя холода в сотни м3 воздуха пониженное давление, определяемое потерями давления в теплообменнике и турбине, нежелательно, что является недостатком цикла, начинающегося в точке 0.In the circuit described in Appendix N 2, the compressor and heat exchanger operate with inlet pressure 2-3 times lower than in the application proposed by the author. In this regard, devices operating according to this scheme have a large weight and dimensions with the same heat sink. The advantage of such a scheme is lower air temperature at the inlet to the compressor and lower energy consumption for air compression with the same heat sink compared to the proposed scheme. At flow rates of 0.5-2 kg / sec of air, the increased dimensions of the compressor and heat exchanger do not play a big role, and preference is given more often to improving efficiency. However, in air conditioners, a scheme with the best weight and overall parameters is used [1] The changes proposed by the authors in the processes occurring in a turbomachine and in its device can equally be used in both schemes of a refrigeration machine made on the basis of a turbocompressor. From the point of view of thermodynamic processes, the difference of one circuit from another is that, working on the same cycle, in one circuit, the cycle starts at point 0, and in the second at point 4, but at P = 1 ata (see cycle in appendix N 2). When the volumes of the consumer of the cold are hundreds of m 3 of air, a reduced pressure, determined by the pressure loss in the heat exchanger and turbine, is undesirable, which is a drawback of the cycle starting at point 0.

Литература
1. Н. Д. Кочетков, Холодильная техника, изд. "Машиностроение", Москва, 1966.
Literature
1. ND Kochetkov, Refrigeration, ed. "Mechanical Engineering", Moscow, 1966.

2. Холодильные машины./ Под ред. И.А. Сакуна, Ленинград, изд. "Машиностроение", 1985. 2. Refrigerators. / Ed. I.A. Sakuna, Leningrad, ed. "Mechanical Engineering", 1985.

3. В. Б. Вологодский, К.В. Чащин-Семенов, Многоступенчатый эксгаустер непрерывного действия для сверхзвуковых аэродинамических труб переменной плотности, авт. свид. N 27216, 1963. 3. V. B. Vologodsky, K.V. Chashchin-Semenov, Multistage continuous exhauster for variable-density supersonic wind tunnels, ed. testimonial. N 27216, 1963.

4. В.Б. Вологодский, К.В. Чащин-Семенов, Сверхзвуковая аэродинамическая труба непрерывного действия с применением турбореактивных двигателей, авт. свид. N 29314, 1964. 4. V. B. Vologodsky, K.V. Chashchin-Semenov, Supersonic continuous wind tunnel using turbojet engines, ed. testimonial. N 29314, 1964.

5. В.Б. Вологодский, Р.М. Пушкин, К.В. Чащин-Семенов. Способ регенерации тепла и экологической очистки выхлопных газов в газотурбинном двигателе со свободной турбиной, патент N 20428417, 07.08.93. 5. V. B. Vologodsky, R.M. Pushkin, K.V. Chashchin-Semenov. The method of heat recovery and environmental cleaning of exhaust gases in a gas turbine engine with a free turbine, patent N 20428417, 07.08.93.

Claims (4)

1. Способ получения потоков холодного воздуха, заключающийся в том, что воздух, сжатый в компрессоре, охлаждают в теплообменнике, расширяют в турбине, затем направляют в потребитель холода, далее воздух нагревают в теплообменнике и удаляют в атмосферу, отличающийся тем, что воздух из атмосферы сначала направляют в первый дополнительный компрессор с самостоятельным приводом и сжимают последовательно в два этапа с промежуточным охлаждением в дополнительном теплообменнике (холодильнике) между первым и вторым компрессорами, при этом на втором этапе степень сжатия выбирают из условия равенства работ сжатия в компрессоре и расширения в турбине, находящихся на одном валу без внешнего привода и работающих на холодном сжатом воздухе, причем данное равенство обеспечивают выбором общей степени сжатия, близкой к степени расширения в турбине, числа ступеней и углов установки лопаток статора компрессора и числа оборотов, соответствующих расчетному режиму турбины и компрессора. 1. The method of obtaining streams of cold air, namely, that the air compressed in the compressor is cooled in a heat exchanger, expanded in a turbine, then sent to a consumer of cold, then the air is heated in a heat exchanger and removed into the atmosphere, characterized in that the air from the atmosphere first sent to the first additional compressor with independent drive and compressed sequentially in two stages with intermediate cooling in an additional heat exchanger (refrigerator) between the first and second compressors, while the second th stage, the compression ratio is selected from the condition of equality of compression work in the compressor and expansion in the turbine located on the same shaft without an external drive and working in cold compressed air, and this equality is provided by choosing the total compression ratio close to the expansion ratio in the turbine, the number of stages and the installation angles of the compressor stator vanes and the number of revolutions corresponding to the design mode of the turbine and compressor. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первом этапе сжатия воздуха обеспечивают большую степень сжатия, чем на втором, и для привода компрессора первого этапа сжатия используют дополнительную турбину, работающую на выхлопных газах, поступающих от газотурбинного двигателя, и с числом оборотов, соответствующих расчетному режиму дополнительного компрессора и его турбины. 2. The method according to claim 1, characterized in that the first stage of air compression provides a greater degree of compression than the second, and to drive the compressor of the first stage of compression use an additional turbine that runs on exhaust gases coming from a gas turbine engine, and with a number revolutions corresponding to the design mode of the additional compressor and its turbine. 3. Турбохолодильная установка, содержащая компрессор и турбину на общем валу с приводом от внешнего источника мощности, теплообменник, потребитель холода, при этом выхлопной тракт турбины подключен к потребителю холода и далее через теплообменник соединен с атмосферой, отличающаяся тем, что установка снабжена дополнительным компрессором с самостоятельным приводом и дополнительным теплообменником, при этом вход дополнительного компрессора соединен с атмосферой, а выход через дополнительный теплообменник с входом в компрессор, находящийся на общем валу с турбиной без привода от внешнего источника мощности. 3. Turbo-refrigeration unit containing a compressor and a turbine on a common shaft driven by an external power source, a heat exchanger, a consumer of cold, while the exhaust path of the turbine is connected to the consumer of cold and then connected through the heat exchanger to the atmosphere, characterized in that the installation is equipped with an additional compressor with an independent drive and an additional heat exchanger, while the input of the additional compressor is connected to the atmosphere, and the output through the additional heat exchanger with the entrance to the compressor, finding Drive on a common shaft with a turbine without drive from an external power source. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что в качестве самостоятельного привода дополнительного компрессора на первом этапе сжатия установлена дополнительная турбина, вход в которую подключен газовым трактом к выхлопу отдельно установленного газотурбинного двигателя. 4. The installation according to claim 3, characterized in that as an independent drive of the additional compressor, an additional turbine is installed at the first stage of compression, the entrance to which is connected by a gas path to the exhaust of a separately installed gas turbine engine.
RU94031048A 1994-08-29 1994-08-29 Method of providing cold air flows and design of turbo-refrigerating plant RU2084780C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94031048A RU2084780C1 (en) 1994-08-29 1994-08-29 Method of providing cold air flows and design of turbo-refrigerating plant

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94031048A RU2084780C1 (en) 1994-08-29 1994-08-29 Method of providing cold air flows and design of turbo-refrigerating plant

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU94031048A RU94031048A (en) 1996-07-10
RU2084780C1 true RU2084780C1 (en) 1997-07-20

Family

ID=20159947

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU94031048A RU2084780C1 (en) 1994-08-29 1994-08-29 Method of providing cold air flows and design of turbo-refrigerating plant

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2084780C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Холодильные машины. /Под ред. И.А.Сакуна. - Л.: Машиностроение, 1985, с.365. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU94031048A (en) 1996-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2035711B1 (en) Multistage compressor device
EP2240675B1 (en) Low carbon emissions combined cycle power plant and process
EP2880266B1 (en) Dual-end drive gas turbine
KR102508257B1 (en) Device and process for cooling
CA1121606A (en) Installation for generating pressure gas or mechanical energy
BRPI0924263A2 (en) improvements in multistage centrifugal compressors
EP1243878A2 (en) Cold air refrigerating system and turboexpander turbine for this system
Lamfon et al. Modeling and simulation of combined gas turbine engine and heat pipe system for waste heat recovery and utilization
RU2084780C1 (en) Method of providing cold air flows and design of turbo-refrigerating plant
RU2369808C2 (en) Trigeneration gas turbine plant
US20080047276A1 (en) Combustion turbine having a single compressor with inter-cooling between stages
RU2659696C1 (en) Air turbo-cooling plant (embodiments), turboexpander and the air turbo-cooling plant operation method (embodiments)
KR20030031540A (en) Air cycle low temperature refrigerator for warehouse using high speed brushless direct current motor
RU2206028C1 (en) Air turbocooling plant
CN113375892B (en) Wind tunnel test method based on reverse Brayton cycle of turboexpander
JP2002130852A (en) Multiline air refrigerating system
SU1377540A1 (en) Refrigerating installation
SU454362A1 (en) Steam and gas installation
SU1366815A1 (en) Low-temperature solar compressor station
JP2002181399A (en) Self-cooled air refrigeration system
SU1206576A1 (en) Method of refrigerating plant operation