RU2239131C1 - Method and device for cold obtaining - Google Patents
Method and device for cold obtaining Download PDFInfo
- Publication number
- RU2239131C1 RU2239131C1 RU2003105579/06A RU2003105579A RU2239131C1 RU 2239131 C1 RU2239131 C1 RU 2239131C1 RU 2003105579/06 A RU2003105579/06 A RU 2003105579/06A RU 2003105579 A RU2003105579 A RU 2003105579A RU 2239131 C1 RU2239131 C1 RU 2239131C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat exchanger
- regenerative heat
- working fluid
- temperature
- expander
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области холодильной техники, а именно к способу получения холода и устройствам его реализации, и может быть использовано в промышленных установках для получения холода в условиях хранения различных скоропортящихся продуктов: например, для кондиционирования помещений, для охлаждения молока и подогрева воды для мытья посуды на молочных фермах, для охлаждения продуктов при хранении.The invention relates to the field of refrigeration, and in particular to a method for producing cold and devices for its implementation, and can be used in industrial installations for producing cold in the storage conditions of various perishable products: for example, for air conditioning, for cooling milk and heating water for washing dishes on dairy farms, for cooling products during storage.
Известен способ получения холода путем сжатия смеси высококипящей и низкокипящей компонент в замкнутом криогенном цикле, разделения смеси, подачи на дросселирование и испарения, отличающийся тем, что с целью повышения эксплуатационной надежности и экономичности в режимах повышенной температуры испарения часть низкокипящей компоненты отбирают после разделения смеси, а затем вновь направляют на сжатие (Авторское свидетельство СССР №1774139, кл. F 25 9/02, 1989).A known method of producing cold by compressing a mixture of high-boiling and low-boiling components in a closed cryogenic cycle, separating the mixture, feeding to throttling and evaporation, characterized in that in order to increase operational reliability and economy in high evaporation temperatures, part of the low-boiling component is selected after separation of the mixture, and then again sent for compression (USSR Author's Certificate No. 1774139, class F 25 9/02, 1989).
Этот способ не использует работу расширения рабочего тела при расширении и не использует работоспособность пара полученного в испарителе.This method does not use the expansion work of the working fluid during expansion and does not use the working capacity of the vapor obtained in the evaporator.
Известен способ работы криогенной газовой машины с отбором части холодного рабочего тела. По этому способу рабочий переменный объем тепловой машины разделяют на две полости: детандерную - “холодную” и компрессорную - “горячую” при помощи регенеративного теплообменника и двух аппаратов внешнего теплообмена. Это производится для подвода тепла со стороны детандерной полости и отвода тепла со стороны компрессорной полости. Переталкивание рабочего тела из “горячей” полости в “холодную” и наоборот, а также изменение давления в рабочем объеме производят при помощи двух поршней, соединенных с валом тепловой машины. Способ предусматривает также отбор части холодного рабочего тела через клапан и дроссель на нагрузку, подогрев его в нагрузке до температуры окружающей среды и подачу рабочего тела с температурой окружающей среды в компрессорную полость через клапан (Суслов А.Д., Гороховский Г.А, Полтараус В.Б., Горшков А.М. Криогенные газовые машины, Москва, Машиностроение, 1982, с.160-163, рис.51).A known method of operation of a cryogenic gas machine with the selection of part of a cold working fluid. According to this method, the working variable volume of the heat engine is divided into two cavities: expander - “cold” and compressor - “hot” using a regenerative heat exchanger and two external heat exchangers. This is done to supply heat from the expander cavity and to remove heat from the compressor cavity. The repulsion of the working fluid from the “hot” cavity to the “cold” and vice versa, as well as the change in pressure in the working volume, is carried out using two pistons connected to the shaft of the heat engine. The method also includes the selection of a part of the cold working fluid through the valve and the throttle to the load, heating it in the load to ambient temperature and the supply of the working fluid with the ambient temperature to the compressor cavity through the valve (Suslov A.D., Gorokhovskiy G.A., Poltaraus B .B., Gorshkov A.M. Cryogenic gas machines, Moscow, Mechanical Engineering, 1982, p.160-163, Fig. 51).
Данный способ применяется для снижения тепловых потерь в 1,5-2 раза и увеличения производительности в 1,4 раза за счет промежуточного подогрева при получении криогенных температур, например, для сжижения воздуха. Однако его недостатком является то, что способ не использует работоспособность пара, полученного в испарителе.This method is used to reduce heat loss by 1.5-2 times and increase productivity by 1.4 times due to intermediate heating during cryogenic temperatures, for example, to liquefy air. However, its disadvantage is that the method does not use the health of the steam obtained in the evaporator.
Ближайшим аналогом заявленного способа является способ сжижения газов Клода и Хайландта (Хейвуд Р.В. Анализ циклов в технической термодинамике, Москва, 1979, с.238-242, рис.10-11). В известном способе получения холода, в котором поток сжижаемого газа после сжатия в компрессоре охлаждают до температуры окружающей среды и подают в регенеративный теплообменник, где отбирают тепло возвратным потоком рабочего тела, чем снижают температуру до величины подачи на детандер и второй регенеративный теплообменник, у части рабочего тела, поданного на второй регенеративный теплообменник, отбирают тепло возвратным потоком рабочего тела третьего регенеративного теплообменника и возвратным потоком, расширенным и охлажденным в детандере, что снижает температуру рабочего тела до температуры входа в третий регенеративный теплообменник, в третьем регенеративном теплообменнике снижают температуру рабочего тела до температуры входа на дроссельный вентиль, отбирая тепло в возвратную ветвь третьего регенеративного теплообменника, дросселирование охлажденного рабочего тела в сепаратор превращает его в парожидкостную смесь, откуда пар подается в возвратную ветвь третьего регенеративного теплообменника, а жидкая фракция изымается, недостачу рабочего тела в возвратной ветви восполняют подачей рабочего тела при температуре окружающей среды в холодильный контур.The closest analogue of the claimed method is a method for liquefying Claude and Highland gases (Haywood R.V. Cycle Analysis in Technical Thermodynamics, Moscow, 1979, pp. 238-242, Fig. 10-11). In the known method of producing cold, in which the stream of liquefied gas after compression in a compressor is cooled to ambient temperature and fed to a regenerative heat exchanger, where heat is removed by the return flow of the working fluid, which reduces the temperature to the flow rate to the expander and the second regenerative heat exchanger, at a part of the working of the body fed to the second regenerative heat exchanger, heat is removed by the return flow of the working fluid of the third regenerative heat exchanger and the return flow expanded and cooled in expander, which reduces the temperature of the working fluid to the temperature of the inlet to the third regenerative heat exchanger, in the third regenerative heat exchanger reduce the temperature of the working fluid to the temperature of the inlet to the throttle valve, taking heat to the return branch of the third regenerative heat exchanger, throttling the cooled working fluid into the separator turns it into a vapor-liquid mixture , from where the steam is fed into the return branch of the third regenerative heat exchanger, and the liquid fraction is withdrawn, the lack of working fluid in the return atnoy branches fill supply working fluid at ambient temperature in the refrigeration circuit.
Данный способ сжижения рабочего тела является наиболее целесообразным за счет увеличения производительности и снижения работы, затрачиваемой компрессором на единицу массы газа, но не решает задачу охлаждения продукта, т.к. его целью является получение сжиженного газа, поэтому он не использует энергию, получаемую от продукта при его охлаждении.This method of liquefying the working fluid is most appropriate due to an increase in productivity and a decrease in the work expended by the compressor per unit mass of gas, but does not solve the problem of cooling the product, because its purpose is to produce liquefied gas, so it does not use the energy received from the product when it is cooled.
Задачей настоящего изобретения по способу является получение тепла и холода с минимальными энергетическими затратами в быту и на небольших предприятиях:The objective of the present invention according to the method is to obtain heat and cold with minimal energy costs in everyday life and in small enterprises:
например, для кондиционирования помещений или для охлаждения молока и подогрева воды для мытья посуды на молочных фермах, для охлаждения продуктов при хранении.for example, for air conditioning or for cooling milk and heating water for washing dishes on dairy farms, for cooling food during storage.
Для решения задачи изобретения на первом этапе выбирают рабочее тело из следующих условий: это должна быть легкокипящая жидкость, закипающая при температуре холодильной камеры и максимальном давлении в компрессорной полости (не более 1 МПа), например фреон-13 (температура кипения минус 30°С при давлении 0,84 МПа). В способе получения холода, в котором поток сжижаемого газа после сжатия в компрессоре охлаждают до температуры окружающей среды и подают в регенеративный теплообменник, где отбирают тепло возвратным потоком рабочего тела, чем снижают температуру до величины подачи на детандер и второй регенеративный теплообменник, у части рабочего тела, поданного на второй регенеративный теплообменник, отбирают тепло возвратным потоком рабочего тела третьего регенеративного теплообменника и возвратным потоком, расширенным и охлажденным в детандере, что снижает температуру рабочего тела до температуры входа в третий регенеративный теплообменник, в третьем регенеративном теплообменнике снижают температуру рабочего тела до температуры входа на дроссельный вентиль, отбирая тепло в возвратную ветвь третьего регенеративного теплообменника, дросселирование охлажденного рабочего тела в сепаратор превращает его в парожидкостную смесь, откуда пар подается в возвратную ветвь третьего регенеративного теплообменника, а жидкая фракция изымается, недостачу рабочего тела в возвратной ветви восполняют подачей рабочего тела при температуре окружающей среды в холодильный контур, согласно изобретению рабочее тело повторно расширяют в детандерах до получения парожидкой смеси в сепараторе, причем последнюю ступень расширения производят параллельно дросселированию перед сепаратором, полученную в сепараторе жидкую фракцию насосом сжимают до давления компрессора и подают в испаритель холодильной камеры, а затем в магистраль за компрессором.To solve the problem of the invention, at the first stage, a working fluid is selected from the following conditions: it should be a low-boiling liquid boiling at the temperature of the refrigerating chamber and the maximum pressure in the compressor cavity (not more than 1 MPa), for example, freon-13 (
Для лучшего использования энергии сжатого тела рабочее тело после испарителя (пар) подогревают.For the best use of the energy of the compressed body, the working fluid after the evaporator (steam) is heated.
Для уменьшения потерь на разность температур при смешивании пара в холодильном контуре с паром, поступившим из испарителя холодильной камеры, ввод делают в месте, где температура регенеративного теплообменника равна температуре вводимого пара.To reduce losses in temperature difference when mixing steam in the refrigeration circuit with steam coming from the evaporator of the refrigerating chamber, the input is made at the place where the temperature of the regenerative heat exchanger is equal to the temperature of the introduced steam.
Для уменьшения потерь рабочего тела в результате негерметичности системы ресивер с рабочим телом устанавливают в холодильной камере и присоединяют к испарителю.To reduce the loss of the working fluid as a result of a leak in the system, the receiver with the working fluid is installed in a refrigerator and connected to the evaporator.
Известна турбокомпрессорная машина для производства тепла и холода ТХМ-300, содержащая турбокомпрессор и турбодетандер, соединенные с валом двигателя, два переключающихся регенератора с насадками, устройство ввода холодного воздуха в холодильную камеру и забора отработавшего воздуха из холодильной камеры, устройство вывода горячего воздуха в тепловую нагрузку и устройство забора воздуха из окружающей среды, автоматический переключатель, настраиваемый на температуру воздуха, поступающего в холодильную камеру (Мартыновский B.C. Анализ действительных термодинамических циклов, Москва, Энергия, 1972, с.129-137, рис 6.3 а).Known turbocharger machine for the production of heat and cold TXM-300, containing a turbocompressor and a turboexpander connected to the engine shaft, two switching regenerators with nozzles, a device for introducing cold air into the refrigerating chamber and extracting exhaust air from the refrigerating chamber, a device for outputting hot air to the heat load and device for air intake from the environment, an automatic switch tunable to the temperature of the air entering the refrigerating chamber (Martynovsky BC Analysis d actual thermodynamic cycles, Moscow, Energia, 1972, p.129-137, Fig 6.3 a).
Данное устройство предназначено для обеспечения теплом и холодом целого жилого квартала или большого производственного комплекса, потребляющего тепло и холод в значительных масштабах.This device is designed to provide heat and cold to an entire residential quarter or large industrial complex that consumes heat and cold on a significant scale.
Применение его для кондиционирования отдельных помещений и небольших производств невозможно, так как в турбокомпрессорах и турбодетандерах мощностью около одного килoвата возникают значительные потери, снижающие их эффективность.Its use for air conditioning of individual rooms and small industries is impossible, since in turbocompressors and turbo expanders with a capacity of about one kilowatt there are significant losses that reduce their effectiveness.
Ближайшим аналогом заявленного устройства непрерывного действия является установка для сжижения газа по методу Клода и Ханландта для получения холода по предлагаемому способу с непрерывным циклом, содержащее двигатель, компрессор, последовательно включенный теплообменник с окружающей средой и первый регенеративный теплообменник, за которым параллельно включен детандер со вторым регенеративным теплообменником, причем выход детандера присоединен к возвратной ветви второго регенеративного теплообменника; последовательно за вторым регенеративным теплообменником включен третий регенеративный теплообменник, прямая ветвь которого через регулируемый дроссель соединена с входом сепаратора, а возвратная - с паровым выходом сепаратора (Хейвуд Р.В. Анализ циклов в технической термодинамике, Москва, 1979, с.238-242, рис.10, 11).The closest analogue of the claimed continuous device is a gas liquefaction apparatus according to the Claude and Hanlandt method for producing cold by the proposed continuous cycle method, comprising an engine, a compressor, a heat exchanger connected to the environment in series, and a first regenerative heat exchanger, followed by an expander with a second regenerative parallel a heat exchanger, wherein the expander exit is connected to the return branch of the second regenerative heat exchanger; sequentially behind the second regenerative heat exchanger, the third regenerative heat exchanger is switched on, the direct branch of which is connected to the input of the separator through an adjustable choke, and the return branch to the steam output of the separator (R. Heywood, Cycle Analysis in Technical Thermodynamics, Moscow, 1979, p. fig. 10, 11).
Благодаря применению детандера увеличивается степень охлаждения, что приводит к увеличению производительности и снижению подводимой работы от двигателя по сравнению с обычной установкой Линде. Однако данное устройство не использует энергии, отнимаемой от охлаждаемого продукта, так как назначение установки - получение сжиженного газа.Thanks to the use of an expander, the degree of cooling increases, which leads to an increase in productivity and a decrease in the input work from the engine compared to a conventional Linde installation. However, this device does not use energy taken away from the cooled product, since the purpose of the installation is to produce liquefied gas.
Задача изобретения (повышение энергетической экономичности) может быть решена в установке, работающей по непрерывному или периодическому циклу.The objective of the invention (improving energy efficiency) can be solved in the installation, operating on a continuous or periodic cycle.
Указанная цель в первом варианте устройства достигается тем, что устройство для получения холода по предлагаемому способу с непрерывным циклом, содержащее двигатель, компрессор, последовательно включенный теплообменник с окружающей средой и первый регенеративный теплообменник, за которым параллельно включен детандер со вторым регенеративным теплообменником, причем выход детандера присоединен к возвратной ветви второго регенеративного теплообменника; последовательно за вторым регенеративным теплообменником включен третий регенеративный теплообменник, прямая ветвь которого через регулируемый дроссель соединена с входом сепаратора, а возвратная - с паровым выходом сепаратора, согласно изобретению имеет второй детандер, включенный параллельно третьему регенеративному теплообменнику, причем выход детандера соединен с возвратной ветвью третьего регенеративного теплообменника и паровой ветвью сепаратора, и третий детандер, включенный параллельно дросселю, а также насос, присоединенный к жидкостному выходу сепаратора и испарителю холодильной камеры, который в свою очередь присоединен к прямой ветви холодильного контура за компрессором.This goal in the first embodiment of the device is achieved by the fact that the device for producing cold according to the proposed method with a continuous cycle, comprising an engine, a compressor, a heat exchanger in series with the environment and a first regenerative heat exchanger, behind which an expander with a second regenerative heat exchanger is connected in parallel, the expander output attached to the return branch of the second regenerative heat exchanger; sequentially behind the second regenerative heat exchanger, a third regenerative heat exchanger is connected, the direct branch of which is connected to the inlet of the separator through an adjustable choke and the return branch to the steam output of the separator according to the invention has a second expander connected in parallel with the third regenerative heat exchanger, the output of the expander being connected to the return branch of the third regenerative a heat exchanger and a steam branch of the separator, and a third expander connected in parallel with the throttle, as well as a pump, ny to the liquid outlet of the separator and the evaporator of the refrigerating chamber, which in turn is connected to the line branch of the refrigerant circuit after the compressor.
Для получения большей работоспособности пара испаритель соединяют с холодильным контуром через теплообменник.In order to obtain better steam operability, the evaporator is connected to the refrigeration circuit through a heat exchanger.
Для уменьшения потерь на смешивание при подаче пара в прямую ветвь охлаждения холодильный контур присоединен к регенеративному теплообменнику в том месте, где температура набивки регенеративного теплообменника равна температуре вводимого пара.To reduce mixing losses when steam is fed into the direct cooling branch, the refrigeration circuit is connected to the regenerative heat exchanger at the place where the temperature of the regenerative heat exchanger packing is equal to the temperature of the introduced steam.
Для возмещения потерь рабочего тела в результате негерметичности системы ресивер с рабочим телом установлен в холодильной камере и присоединен к испарителю.To compensate for the losses of the working fluid as a result of a leak in the system, the receiver with the working fluid is installed in the refrigerating chamber and connected to the evaporator.
Известна холодильная установка, содержащая холодильную машину, работающую по обратному циклу Стирлинга, выполненную в виде компрессора и детандера с общим коленчатым валом, установленных между ними охладителя и контактного теплообменника-регенератора, и холодильного контура, подключенного к машине посредством клапанного устройства, кинематически связанного с коленчатым валом (Авторское свидетельство СССР №421860, кл. F 25 В 9/00, 1974).Known refrigeration unit containing a refrigeration machine operating on the reverse Stirling cycle, made in the form of a compressor and an expander with a common crankshaft, a cooler and a contact heat exchanger-regenerator installed between them, and a refrigeration circuit connected to the machine through a valve device kinematically connected to the crankshaft shaft (USSR Author's Certificate No. 422160, class F 25 B 9/00, 1974).
Ближайшим аналогом заявленного устройства периодического действия является холодильная установка периодического действия для получения холода по предлагаемому способу, содержащая холодильную машину, работающую на легкокипящей жидкости, по обратному циклу Стирлинга, выполненную в виде компрессора и детандера с общим коленчатым валом и установленных между ними охладителя и контактного теплообменника-регенератора, холодильный контур, подключенный к машине посредством клапанного устройства, кинематически связанного с коленчатым валом, и отделитель жидкости с насосом, кинематически связанным с коленчатым валом, причем напорная сторона насоса подсоединена к холодильному контуру (Авторское свидетельство СССР №848910, кл. F 25 В 9/00, 1981).The closest analogue of the claimed periodic batch device is a batch-type refrigeration unit according to the proposed method, comprising a low-boiling-type refrigerating machine using the reverse Stirling cycle, made in the form of a compressor and an expander with a common crankshaft and a cooler and a contact heat exchanger installed between them -regenerator, refrigeration circuit connected to the machine by means of a valve device kinematically connected with the crankshaft ohm, and a liquid separator with a pump kinematically connected to the crankshaft, the pressure side of the pump connected to the refrigeration circuit (USSR Author's Certificate No. 848910, class F 25 V 9/00, 1981).
Данное устройство производит тепло и холод и может быть использовано в устройствах для кондиционирования в малых промышленных установках для одновременного производства тепла и холода, т.е. в качестве теплового насоса. Однако при одноступенчатом расширении и сепарации количество сжиженного рабочего тела, полученного в одном цикле, невелико. Поэтому эффект, получаемый от работы пара в цикле Ренкина, слабый.This device produces heat and cold and can be used in air conditioning devices in small industrial plants for the simultaneous production of heat and cold, i.e. as a heat pump. However, with a single-stage expansion and separation, the amount of liquefied working fluid obtained in one cycle is small. Therefore, the effect obtained from the work of steam in the Rankine cycle is weak.
Недостаток установки - малая экономичность, т.к. она работает на газообразном рабочем теле и не использует энергии сжатого в испарителе пара.The disadvantage of installation is low profitability, because It works on a gaseous working fluid and does not use the energy of steam compressed in the evaporator.
Задачей предлагаемого устройства является повышение экономичности установки путем использования работы охлаждаемого пара при расширении и сжатого пара легкокипящего хладагента в испарителе холодильной камеры.The objective of the proposed device is to increase the efficiency of the installation by using the work of the cooled steam during expansion and compressed steam of low-boiling refrigerant in the evaporator of the refrigerating chamber.
Решение задачи изобретения во втором варианте устройства достигается тем, что устройство периодического действия для получения холода по предлагаемому способу, содержащее холодильную машину, работающую на легкокипящей жидкости, по обратному циклу Стирлинга, выполненную в виде компрессора и детандера с общим коленчатым валом и установленных между ними охладителя и контактного теплообменника-регенератора, холодильный контур, подключенный к машине посредством клапанного устройства, кинематически связанного с коленчатым валом, и отделитель жидкости с насосом, кинематически связанным с коленчатым валом, причем напорная сторона насоса подсоединена к холодильному контуру, согласно изобретению, снабжено двигателем, а детандерная ступень выполнена многосекционной в виде уменьшающихся по диаметру полых проточных плунжеров с набивкой контактных регенераторов-теплообменников, последняя ступень расширения снабжена всасывающим клапаном, установленным параллельно с дросселем, и нагнетательным клапаном, и подключена к холодильному контуру, который, в свою очередь, присоединен к контактному теплообменнику–регенератору.The solution to the problem of the invention in the second embodiment of the device is achieved by the fact that a batch device for producing cold according to the proposed method, comprising a refrigerating machine operating on low boiling liquid, according to the reverse Stirling cycle, made in the form of a compressor and an expander with a common crankshaft and a cooler installed between them and a contact heat exchanger-regenerator, a refrigeration circuit connected to the machine via a valve device kinematically connected to the crankshaft, and a department a fluid isolator with a pump kinematically connected to the crankshaft, the pressure side of the pump being connected to the refrigeration circuit, according to the invention, equipped with an engine, and the expander stage made of multi-section in the form of hollow flowing plungers decreasing in diameter with the packing of contact regenerator-heat exchangers, the last expansion stage is equipped a suction valve installed in parallel with the throttle and a discharge valve, and connected to the refrigeration circuit, which, in turn, is connected Nen to the contact heat exchanger-regenerator.
Для увеличения работоспособности пара, полученного в испарителе между испарителем и впускным управляемым клапаном устанавливают теплообменник.To increase the efficiency of the steam received in the evaporator, a heat exchanger is installed between the evaporator and the inlet controlled valve.
Для уменьшения потерь при смешивании пара в холодильном контуре с паром, поступившим из испарителя холодильной камеры, ввод трубопровода от впускного клапана в контактный теплообменник-регенератор произведен в месте, где средняя температура набивки равна температуре принимаемого пара.To reduce losses when mixing the steam in the refrigeration circuit with the steam coming from the evaporator of the refrigerating chamber, the pipeline was introduced from the inlet valve into the contact heat exchanger-regenerator at the place where the average temperature of the packing is equal to the temperature of the received steam.
Для восполнения потерь рабочего тела в процессе работы к испарителю холодильной камеры присоединяют ресивер, который установлен в холодильной камере.To make up for the losses of the working fluid during operation, a receiver is mounted to the evaporator of the refrigerating chamber, which is installed in the refrigerating chamber.
Для восполнения потерь рабочего тела в процессе работы к испарителю холодильной камеры присоединяют ресивер, который располагают в холодильной камере.To make up for the losses of the working fluid during operation, a receiver is attached to the evaporator of the refrigerating chamber, which is located in the refrigerating chamber.
На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства, работающего в соответствии с предлагаемым способом получения холода в непрерывном цикле.Figure 1 shows a schematic diagram of a device operating in accordance with the proposed method for producing cold in a continuous cycle.
На фиг.2 приведена принципиальная схема устройства периодического действия, работающего по предлагаемому способу получения холода.Figure 2 shows a schematic diagram of a batch device operating on the proposed method for producing cold.
Для реализации предлагаемого способа получения холода в непрерывном цикле необходимо иметь перечисленное ниже оборудование. Основу установки составляют приводной двигатель 1 (фиг.1), соединяемый с компрессором 2; теплообменник с внешней средой 3 и n (например, три) регенеративных теплообменника 4, 5, 6, а также n (например, три) детандера 7, 8, 9. Кроме того, необходимы сепаратор 10, отделяющий жидкую фракцию от пара; регулируемый дроссель 11; насос 12. Для реализации жидкой фракции сжиженного рабочего тела применяют холодильную камеру 13 с ресивером рабочего тела 14 и испарителем 15. Испаритель холодильной камеры 15 соединяют трубопроводами 16 и 17 с прямой ветвью регенеративного теплообменника 4. Холодная часть установки отделена от окружающей среды теплоизоляционным покрытием 18. Вал компрессора 2 связан с валами детандеров 7, 8 и 9 кинематическим звеном 19. Для дополнительных изменений способа возможно применение теплообменника 20 и трубопровода 21.To implement the proposed method for producing cold in a continuous cycle, it is necessary to have the equipment listed below. The basis of the installation is a drive motor 1 (figure 1), connected to the compressor 2; a heat exchanger with an external environment 3 and n (for example, three)
Работа по прелагаемому способу осуществляется следующим образом. Сперва выбирают рабочее тело, температура кипения которого при максимальном давлении сжатия компрессора меньше или равна установившейся температуре холодильной камеры (например, фреон-13: температура кипения равна минус 24°С при давлении в 1 МПа или минус 51°С при 0,4 МПа). Выбранное рабочее тело сжимают компрессором 2 при помощи двигателя 1, которое охлаждают до температуры окружающей среды в теплообменнике 3 и подают на регенеративный теплообменник 4, где его температуру снижают до верхней температуры первого детандера 7. Затем рабочее тело подают во второй регенеративный теплообменник 5 и детандер 7. В детандере 7 снижают температуру рабочего тела до входной температуры второго детандера 8, совершая работу расширения и “помогая” компрессору через кинематическое звено 19, и подают охлажденное рабочее тело в возвратную ветвь регенеративного теплообменника 5. Рабочее тело, поданное на второй регенеративный теплообменник 5, охлаждают возвратным потоком пара из третьего регенеративного теплообменника 6 и рабочим телом, охлажденным в первом детандере 7, а затем подают на вход следующего детандера 8 и прямую ветвь следующего третьего регенеративного теплообменника 6. Во втором детандере 8, совершая работу на валу компрессора через кинематическое звено 19, вновь снижают температуру рабочего тела до входной температуры последнего детандера 9 и дроссель 11. Расширенное в детандере 9 и дросселе 11 рабочее тело подают в сепаратор 10 в виде парожидкостной смеси. Образовавшуюся парожидкую смесь в сепараторе 10 разделяют на паровую и жидкую фракции, откуда паровая фракция подается в возвратную ветвь регенеративного теплообменника 6, а жидкая или парожидкая фракция насосом 12 сжимается до максимального давления компрессора, превращаясь в жидкую фракцию, подается в испаритель 15 холодильной камеры 13. В испарителе под действием тепла, отнимаемого от охлаждаемого продукта 18, и тепловых утечек холодильной камеры рабочее тело испаряется и в виде пара или парожидкой смеси по трубопроводу 16 и 17 подается в прямую ветвь регенеративного теплообменника, за компрессором.Work on the proposed method is as follows. First, a working fluid is selected whose boiling point at the maximum compressor compression pressure is less than or equal to the steady-state temperature of the refrigerating chamber (for example, Freon-13: the boiling point is minus 24 ° C at a pressure of 1 MPa or minus 51 ° C at 0.4 MPa) . The selected working fluid is compressed by compressor 2 using an
Для увеличения работоспособности полученного в испарителе пара рабочее тело может быть подогрето в теплообменнике 20 между трубопроводами 16 и 17.To increase the efficiency of the vapor obtained in the evaporator, the working fluid can be heated in the heat exchanger 20 between the pipelines 16 and 17.
Для уменьшения тепловых потерь при смешивании потоков пара текущего по прямой ветви регенераторов и пара, поступающего из испарителя, рабочее тело подают в то место, где температура регенератора равна температуре пара из испарителя.To reduce heat loss when mixing the steam flows of the current along the straight branch of the regenerators and the steam coming from the evaporator, the working fluid is fed to the place where the temperature of the regenerator is equal to the temperature of the steam from the evaporator.
Для восполнения потерь рабочего тела в процессе работы к испарителю холодильной камеры присоединяют ресивер, который располагают в холодильной камере.To make up for the losses of the working fluid during operation, a receiver is attached to the evaporator of the refrigerating chamber, which is located in the refrigerating chamber.
Таким образом, пар, полученный в испарителе, подается на детандеры, минуя компрессор, и увеличивает производительность детандеров, не нагружая компрессора, т.е. реализуется цикл Ренкина - цикл паровой машины - за счет тепла, отнимаемого от охлаждаемого продукта.Thus, the steam received in the evaporator is fed to the expanders bypassing the compressor, and increases the performance of the expanders without loading the compressor, i.e. the Rankine cycle — the steam engine cycle — is being realized due to the heat taken from the product being cooled.
Принципиальная схема устройства непрерывного действия приведена на фиг.1. Здесь двигатель 1 соединен валом с компрессором 2, который последовательно соединен с первым теплообменником 3, который последовательно соединен с прямой ветвью регенеративного теплообменника 4. Прямая ветвь первого теплообменника соединена последовательно с прямой ветвью второго регенеративного теплообменника 5 и третьего регенеративного теплообменника 6, а также с входом детандера 7, включенным параллельно второму регенеративному теплообменнику 5. Выход первого детандера присоединен к возвратной ветви второго регенеративного теплообменника 5. К соединению между вторым и третьим теплообменниками присоединен входной патрубок второго детандера 8 (жирные линии), а выход второго детандера присоединен к входу обратной ветви третьего регенеративного теплообменника 6, т.е. второй детандер включен параллельно третьему регенеративному теплообменнику. Третий детандер 9 (жирныe линии) своим входом присоединен к выходу прямой ветви третьего регенеративного теплообменника, а выходным патрубком - к сепаратору 10. Параллельно третьему детандеру включен дроссель 11, соединяющий прямую ветвь третьего регенеративного теплообменника с сепаратором 10. Паровой выход сепаратора 10 соединен с возвратной ветвью третьего регенеративного теплообменника. Жидкостный выход сепаратора 10 соединен с насосом 12. В холодильной камере 13 установлены ресивер с рабочим телом 14 (показан штрихпунктирной линией) и испаритель 15, присоединенный входом к насосу 12 и ресиверу 14, а выходом к трубопроводу 16, переходящему в трубопровод 17, который присоединяется к прямой ветви холодильного контура (жирная линия). Все холодильные агрегаты: теплообменники 4, 5, 6, детандеры 7, 8, 9, сепаратор 10, вентиль 11 и насос 12 закрыты теплозащитным кожухом 18. Детандеры 7, 8, 9 соединены с компрессорным валом кинематической связью 19. На трубопроводе 16 может быть установлен теплообменник 20 (штриховые линии). Трубопровод 17 может быть присоединен к точке регенеративного теплообменника с температурой, соответствующей температуре поступающего из испарителя пара, трубопроводом 21 (точечная линия).A schematic diagram of a continuous device is shown in figure 1. Here, the
Работа устройства с непрерывным циклом по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.The operation of the device with a continuous cycle according to the proposed method is as follows.
Рабочее тело сжимают компрессором 2 при помощи двигателя 1, которое охлаждают до температуры окружающей среды в теплообменнике 3 и подают на регенеративный теплообменник 4, где его температуру снижают до верхней температуры первого детандера 7. Затем рабочее тело подают во второй регенеративный теплообменник 5 и детандер 7. В детандере 7 снижают температуру рабочего тела до входной температуры второго детандера 8, совершая работу расширения и “помогая” компрессору через кинематическое звено 19, затем охлажденное рабочее тело подается в возвратную ветвь второго регенеративного теплообменника 5. Рабочее тело, поданное на второй регенеративный теплообменник 5, охлаждают возвратным потоком пара из третьего регенеративного теплообменника 6 и рабочим телом, охлажденным в первом детандере 7, подают на вход следующего детандера 8 и прямую ветвь следующего регенеративного теплообменника 6. Во втором детандере 8, совершая работу на валу компрессора через кинематическое звено 19, вновь снижают температуру рабочего тела до входной температуры последнего детандера 9 и дросселя 11. Расширенное в детандере 9 и дросселе 11 рабочее тело подают в сепаратор 10 в виде парожидкостной смеси. Образовавшуюся парожидкую смесь в сепараторе 10 разделяют на паровую и жидкую фракции, откуда паровая фракция подается в возвратную ветвь регенеративного теплообменника 6, а жидкая или паро-жидкая фракция насосом 12 сжимается до максимального давления компрессора, превращаясь в жидкую фракцию, подается в испаритель 15 холодильной камеры 13. В испарителе под действием тепла, отнимаемого от охлаждаемого продукта 18, и тепловых утечек холодильной камеры рабочее тело испаряется и в виде пара или парожидкой смеси по трубопроводам 16 и 17 подается в прямую ветвь регенеративного теплообменника за компрессором.The working fluid is compressed by the compressor 2 using the
Для увеличения работоспособности полученного в испарителе пара рабочее тело может быть подогрето в теплообменнике 20 между трубопроводами 16 и 17.To increase the efficiency of the vapor obtained in the evaporator, the working fluid can be heated in the heat exchanger 20 between the pipelines 16 and 17.
Для уменьшения тепловых потерь при смешивании потоков пара, текущего по прямой ветви регенераторов, и пара, поступающего из испарителя, рабочее тело подают в то место, где температура регенератора равна температуре пара из испарителя 15.To reduce heat loss when mixing steam flows flowing along a straight branch of the regenerators and steam coming from the evaporator, the working fluid is fed to the place where the temperature of the regenerator is equal to the temperature of the steam from the evaporator 15.
Для восполнения потерь рабочего тела в процессе работы к испарителю 15 холодильной камеры 13 присоединяют ресивер 14, который располагают в холодильной камере 13.To make up for the losses of the working fluid during operation, a receiver 14 is attached to the evaporator 15 of the refrigerating chamber 13, which is located in the refrigerating chamber 13.
Таким образом, пар, полученный в испарителе, подается на детандеры, минуя компрессор, и увеличивает производительность детандеров, не нагружая компрессора, т.е. в устройстве реализуется цикл Ренкина - цикл паровой машины - за счет тепла, отнимаемого от охлаждаемого продукта.Thus, the steam received in the evaporator is fed to the expanders bypassing the compressor, and increases the performance of the expanders without loading the compressor, i.e. the device implements the Rankine cycle - the steam engine cycle - due to the heat taken from the cooled product.
Принципиальная схема устройства периодического действия приведена на фиг.2. Устройство содержит приводной двигатель 23, жестко соединенный с приводным коленчатым валом 24 машины Стирлинга, расположенным в картере 25, кривошипы 26 и 27, соединенные шатунами с поршнем 28 компрессорного цилиндра 29 и детандерным поршнем 30 цилиндра 31. Компрессорная полость А отделена от детандерной полости Б охладителем 32 и регенератором 33 с набивкой 34. Первая основная детандерная полость Б разделена на вторую детандерную полость расширения В и третью полость расширения Г при помощи поршней вытеснителей 35 и 36 с регенеративной набивкой 37 и 38. Поршень-вытеснитель третьей полости расширения 38 снабжен всасывающим клапаном 39 и дросселем 40, а цилиндр третьей ступени расширения снабжен нагнетательным клапаном 41, который соединен с испарителем 42 холодильной камеры 43, ввод трубопровода от впускного клапана в контактный теплообменник-регенератор произведен в месте, где средняя температура набивки равна температуре принимаемого пара. Испаритель холодильной камеры соединен с ресивером 44 рабочего тела, который находится в холодильной камере 43, и с клапаном 45, управляемым при помощи кулачка 46. Управляемый клапан 45 соединен трубопроводом 47 с регенератором 33, где средняя температура набивки 42 примерно равна температуре холодильной камеры. Для более полного использования возможностей сжатого в испарителе 42 пара трубопровод может быть снабжен теплообменником с окружающей средой 48 (обозначен штриховой линией). Детандерные цилиндры и регенератор покрыты теплозащитным кожухом 49.A schematic diagram of a batch device is shown in figure 2. The device comprises a
Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.
При включении двигателя 23 коленчатый вал 24 начинает вращаться с постоянной угловой частотой (φ=const), при этом поршни 28 и 30 совершают возвратно-поступательные движения, близкие к синусоидальным, причем поршень детандера движется с опережающим фазовым сдвигом (вид по стрелке А). Фазовый сдвиг в машинах Стерлинга принимают от 50 до 110°. При прохождении нижней мертвой точки компрессорным поршнем 30 оба поршня движутся вверх, увеличивая объем детандерной и компрессорной полостей, что вызывает понижение давления и температуры рабочего тела. После прохождения верхней мертвой точки детандерным поршнем 30 начинается переталкивание части рабочего тела из детандерной (“холодной”) полости Б в (“горячую”) компрессорную полость А охлажденного рабочего тела. В результате конец набивки 34 со стороны детандерной полости охлаждается почти до температуры расширившегося рабочего тела. После прохождения компрессорным поршнем 28 верхней мертвой точки начинается совместное движение поршней 28 и 30 вниз, т.е. процесс сжатия рабочего тела в обеих полостях.When the
При достижении детандерным поршнем нижней мертвой точки сжатие рабочего тела достигает максимального значения (т.е. точки Рмакс, Тмакс), начинается переталкивание горячего рабочего тела из компрессорной (“горячей”) полости А в детандерную Б. В результате конец набивки со стороны компрессорной (“горячей”) полости А нагревается почти до температуры сжатого рабочего тела, а со стороны детандерной (“холодной”) полости Б проходящее рабочее тело, отдавая тепло регенераторной набивке, охлаждается почти до температуры расширения рабочего тела. Далее цикл повторяется, но с разными начальными условиями в компрессорной А и детандерной Б полостях. Благодаря наличию охладителя 32 температура компрессорной полости А немного превышает температуру хладагента (немного больше температуры окружающей среды). Температура рабочего тела детандерной полости Б оказывается значительно ниже температуры окружающей среды. После второго цикла разность температур становится более значительной. Но в нашей машине имеются еще дополнительные расширители 35, 36 с регенераторными набивками 37 и 38, в которых происходит дополнительное расширение рабочего тела с регенеративным теплообменом, где через несколько десятков циклов начнет образовываться конденсат рабочего тела (парожидкостная фракция), которая поступает в полость Г через всасывающий клапан 39 и дроссель 40. В цикле сжатия парожидкостная фракция большей частью перейдет в жидкую фракцию и через нагнетательный клапан 41 будет подана в испаритель 42 холодильной камеры 43 с давлением сжатия в основном цикле машины, а паровая фракция, находящаяся в верхней части полости Г, через дроссель 40 будет возвращена в набивку 38 регенератора 36. Так как набивка регенераторов делается из условия малого сопротивления газу, то давление во всех трех полостях Б, В, Г детандера и компрессора А можно считать одинаковым. Таким образом, третья полость детандера Г выполняет функцию детандера и сепаратора при расширении, а всасывающий клапан выполняет функцию дросселя. При сжатии полость детандера выполняет функцию насоса, а дроссель 40 хорошо пропускает пар в регенератор, но задерживает жидкую фракцию. Жидкая фракция, сжатая до максимального давления, подается в испаритель 42 холодильной камеры 43, где, отнимая тепло от охлаждаемого продукта, вскипает и превращается в пар и по трубопроводу 47 через регенератор 33 при открытии клапана 45 возвращается в первую ступень расширения при максимальном сжатии. В результате отбора сконденсировавшегося в цикле рабочего тела, сжатие будет неполным, и только после подачи в систему очередной порции через клапан 45 достигнет своего максимального значения, но после этого начнется процесс расширения, т.е. совершения работы.When the expander piston reaches bottom dead center, the compression of the working fluid reaches its maximum value (i.e., the point P max , T max ), and the repulsion of the hot working fluid from the compressor (“hot”) cavity A to the expander B begins. As a result, the end of packing from the side the compressor (“hot”) cavity A is heated almost to the temperature of the compressed working fluid, and from the expander (“cold”) cavity B, the passing working fluid, giving off heat to the regenerative packing, is cooled to almost the expansion temperature of the working fluid I ate. The cycle then repeats, but with different initial conditions in the compressor A and expander B cavities. Due to the presence of a cooler 32, the temperature of the compressor cavity A is slightly higher than the temperature of the refrigerant (slightly higher than the ambient temperature). The temperature of the working fluid of the expander cavity B is significantly lower than the ambient temperature. After the second cycle, the temperature difference becomes more significant. But in our machine there are still
В соответствии с предложенным способом получения холода на трубопроводе 47 может быть установлен теплообменник 48 (штриховые линии) для увеличения работоспособности подогретого пара.In accordance with the proposed method for producing cold, a heat exchanger 48 (dashed lines) can be installed on the
Для уменьшения потерь при смешивании пара из испарителя холодильника с паром, работающим в машине, трубопровод присоединен к регенеративному теплообменнику в месте, где средняя температура набивки равна температуре подаваемого пара.To reduce losses when mixing steam from the evaporator of the refrigerator with steam working in the machine, the pipeline is connected to a regenerative heat exchanger in a place where the average temperature of the packing is equal to the temperature of the supplied steam.
Для восполнения потерь рабочего тела в результате утечек ресивер с рабочим телом присоединен к испарителю холодильной камеры и размещен в холодильной камере.To make up for the losses of the working fluid as a result of leaks, the receiver with the working fluid is connected to the evaporator of the refrigerating chamber and placed in the refrigerating chamber.
В результате мы имеем два цикла: цикл сжижения рабочего тела, в котором за счет совершения работы в детандерах и отвода тепла в регенеративных теплообменниках производится охлаждение рабочего тела до сжижения его некоторой части, и второй цикл Ренкина, в процессе которого сжиженную часть рабочего тела мы сжимаем насосом до давления компрессора, и в испарителе холодильной камеры превращаем ее в пар за счет подвода тепла от охлаждаемого продукта при максимальном давлении машины и вновь подаем полученный пар в систему за компрессором, который совершает работу в детандерах.As a result, we have two cycles: the working fluid liquefaction cycle, in which, by working in expanders and removing heat in regenerative heat exchangers, the working fluid is cooled to liquefy a certain part of it, and the second Rankine cycle, during which we compress the liquefied fluid pump to the compressor pressure, and in the evaporator of the refrigerating chamber we turn it into steam by supplying heat from the product to be cooled at the maximum pressure of the machine and again supply the resulting steam to the system behind the compressor, which first performs work in expanders.
Применение предлагаемого способа работы на устройствах большой мощности с непрерывным циклом и с обратным циклом Стирлинга на устройствах относительно малой мощности позволяет создать энергетически выгодные устройства, которые используют работу в детандерах охлаждаемого до сжижения рабочего тела, а также работу сжатого насосом пара от охлаждаемого продукта.The application of the proposed method of operation on devices of high power with a continuous cycle and with a reverse Stirling cycle on devices of relatively low power allows you to create energy-efficient devices that use work in the expanders of the working fluid cooled to liquefaction, as well as the operation of steam compressed by the pump from the cooled product.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003105579/06A RU2239131C1 (en) | 2003-02-26 | 2003-02-26 | Method and device for cold obtaining |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003105579/06A RU2239131C1 (en) | 2003-02-26 | 2003-02-26 | Method and device for cold obtaining |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003105579A RU2003105579A (en) | 2004-09-10 |
| RU2239131C1 true RU2239131C1 (en) | 2004-10-27 |
Family
ID=33537662
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003105579/06A RU2239131C1 (en) | 2003-02-26 | 2003-02-26 | Method and device for cold obtaining |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2239131C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2705696C2 (en) * | 2017-01-26 | 2019-11-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Multi-stage heat pump plant |
-
2003
- 2003-02-26 RU RU2003105579/06A patent/RU2239131C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ХЕЙВУД Р.В. Анализ циклов в технической термодинамике. - М.: Энергия, 1979, с. 238-242, рис.10-11. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2705696C2 (en) * | 2017-01-26 | 2019-11-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Multi-stage heat pump plant |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6847966B2 (en) | Very low temperature freezer | |
| CN106949655B (en) | A kind of cryogenic system | |
| KR101422439B1 (en) | Gas balanced cryogenic expansion engine | |
| CN108474271B (en) | ORGANIC Rankine cycle for converting waste heat from a heat source into mechanical energy and compressor device utilizing same | |
| RU2239131C1 (en) | Method and device for cold obtaining | |
| Kohler et al. | Construction of a gas refrigerating machine | |
| US20150159586A1 (en) | Brayton cycle engine | |
| US5209065A (en) | Heat engine utilizing a cycle having an isenthalpic pressure-increasing process | |
| Török et al. | Quasi-izothermal compressors and expanders with liquid piston | |
| RU2581292C1 (en) | Compressor plant for gas compression | |
| JP2824946B2 (en) | Adiabatic pulse tube refrigerator | |
| US5575155A (en) | Cooling system | |
| CN113007915A (en) | Thermodynamic method and device for changing state by utilizing steam pressure | |
| US20100263392A1 (en) | Refrigerator | |
| RU2319912C2 (en) | Heat transformation method and heating-and-refrigeration device for method realization | |
| RU2806951C1 (en) | Thermal energy conversion system | |
| RU2738531C1 (en) | Integrated cooling unit of natural gas | |
| Wagner | Refrigeration | |
| CN110375454B (en) | Natural gas pressure energy refrigerating system | |
| CN115727559B (en) | Combined type refrigerating ice machine for diketene production | |
| CN113375892B (en) | Wind tunnel test method based on reverse Brayton cycle of turboexpander | |
| SU591667A1 (en) | Method of cooling working body | |
| RU2003105579A (en) | METHOD FOR COOLING AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION (OPTIONS) | |
| SU1575024A1 (en) | Cryogenic unit | |
| KR102300875B1 (en) | Separable refrigerant compressor for liquefaction of natural gas |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050227 |