RU2370711C1

RU2370711C1 - Air refrigerator

Info

Publication number: RU2370711C1
Application number: RU2008100890/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Иванович Самсонов (RU); Анатолий Иванович Самсонов
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-10-20
Also published as: RU2008100890A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: proposed air refrigerator comprises turbo compressor, turbo expander and combustion chamber. Turbo compressor outlet communicates, via first air cooler, with turbo expander compressor inlet. Turbo compressor turbine inlet communicates with combustion chamber outlet. Turbo expander compressor outlet communicates, via second air cooler, with the inlet of turbo expander turbine, while outlet of the latter communicates with cold consumer. Turbo compressor outlet communicates with the inlet of air control valve that serves to divide the flow into two flows. Second outlet of air control valve communicates, via first air cooler, with turbo expander compressor inlet. Combustion chamber communicates with fuel feed assembly, air control valve first outlet and steam source outlet. Combustion chamber outlet communicates with turbo compressor turbine inlet. Turbo compressor turbine inlet accommodates steam source. Turbo compressor and turbo expander incorporate air-lubed bearings.

EFFECT: increased refrigeration factor.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к воздушным турбохолодильным установкам.The invention relates to refrigeration, in particular to air turbo-refrigeration units.

Известна воздушная турбохолодильная установка, которая содержит турбодетандер, многокамерный динамический теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор (см. патент РФ №2262047, МПК F25B 11/00, 2005 г.).Known air turbo-refrigeration unit, which contains a turboexpander, multi-chamber dynamic heat exchanger, a cold consumer, an energy source and a centrifugal turbocharger (see RF patent No. 2262047, IPC F25B 11/00, 2005).

Недостатком такой установки является то, что для ее работы нужен дополнительный источник энергии, необходимый для обеспечения камеры сгорания воздухом для горения топлива. Кроме того, необходимо наличие электродвигателя, который обычно плохо согласуется с центробежным турбокомпрессором по частоте вращения и требует наличия источника электричества.The disadvantage of this installation is that for its operation you need an additional energy source, necessary to provide the combustion chamber with air for burning fuel. In addition, an electric motor is required, which is usually poorly matched to a centrifugal turbocharger in terms of speed and requires a source of electricity.

Известна турбохолодильная установка, содержащая турбокомпрессор, турбодетандер и узел сжигания топлива, при этом выход компрессора турбокомпрессора через первый воздухоохладитель связан с входом компрессора турбодетандера, при этом вход турбины турбокомпрессора связан с выходом узла сжигания топлива, выход компрессора турбодетандера через второй воздухоохладитель связан с входом турбины турбодетандера, выход которой связан с потребителем холода. В качестве привода компрессора использован газотурбинный двигатель, выхлопное устройство которого подсоединено к турбине турбокомпрессора, в качестве турбокомпрессора использован турбореактивный двигатель (см. патент РФ №2084780, МПК F25В 11/00, опубл. 1997 г.).A turbo-refrigeration unit is known, comprising a turbocompressor, a turbo-expander and a fuel combustion unit, wherein the output of the turbocompressor compressor through the first air cooler is connected to the inlet of the turbo-expander compressor, the turbine compressor turbine inlet connected to the output of the fuel combustion unit, the turbo-expander compressor output through the second air cooler connected to the turbine inlet , the output of which is associated with a consumer of cold. A gas turbine engine was used as a compressor drive, the exhaust device of which was connected to a turbine of a turbocompressor; a turbojet engine was used as a turbocompressor (see RF patent No. 2084780, IPC F25B 11/00, publ. 1997).

Эта турбохолодильная установка выбрана в качестве прототипа, как наиболее близкая по технической сущности.This turbo-refrigeration unit is selected as a prototype, as the closest in technical essence.

Указанная схема требует источника сжатого воздуха для сжигания топлива. При этом расход рабочего тела для газотурбинного двигателя весьма велик (он сравним с подачей турбокомпрессора). Если этот воздух отбирать от турбокомпрессора, то уменьшается подача воздуха на турбодетандер, что снизит хладопроизводительность. Если направлять в камеру сгорания воздух после турбодетандера, то нужно уменьшить перепад давлений в турбодетандере, а значит уменьшить температуру воздуха после турбодетандера, снизить его хладопроизводительность.The indicated scheme requires a source of compressed air for burning fuel. At the same time, the flow rate of the working fluid for a gas turbine engine is very high (it is comparable with the supply of a turbocompressor). If this air is taken from the turbocompressor, then the air supply to the turboexpander is reduced, which will reduce the refrigerating capacity. If air is sent to the combustion chamber after the turboexpander, then it is necessary to reduce the pressure drop in the turboexpander, which means to reduce the air temperature after the turboexpander, to reduce its refrigerating capacity.

В основу изобретения поставлена задача получения автономного источника холода с диапазоном температур -20°С - -80°С.The basis of the invention is the task of obtaining an autonomous source of cold with a temperature range of -20 ° C - -80 ° C.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в увеличении холодильного коэффициента. За счет разделения потока сжатого воздуха на два потока появилась возможность автономной работы холодильной установки без необходимости дополнительного генератора сжатого воздуха.The technical result achieved by solving the problem is expressed in an increase in the refrigeration coefficient. By dividing the compressed air stream into two streams, it became possible to operate the refrigeration unit autonomously without the need for an additional compressed air generator.

Для решения поставленной задачи воздушная холодильная установка, содержащая турбокомпрессор, турбодетандер и узел сжигания топлива, при этом выход компрессора турбокомпрессора через первый воздухоохладитель связан с входом компрессора турбодетандера, при этом вход турбины турбокомпрессора связан с выходом узла сжигания топлива, выход компрессора турбодетандера через второй воздухоохладитель связан с входом турбины турбодетандера, выход которой связан с потребителем холода, отличается тем, что выход компрессора турбокомпрессора связан с входом пневморегулятора, выполненного с возможностью разделения потока сжатого воздуха на два потока, при этом второй выход пневморегулятора через первый воздухоохладитель связан с входом компрессора турбодетандера, при этом узел сжигания топлива выполнен в виде камеры сгорания, связанной со средством подачи топлива, полость которой связана с первым выходом пневморегулятора и связана с выходом источника пара, при этом выход камеры сгорания связан с входом турбины турбокомпрессора.To solve this problem, an air-cooled unit containing a turbocompressor, a turboexpander and a fuel combustion unit, the output of the turbocompressor compressor through the first air cooler connected to the inlet of the turboexpander compressor, the turbine compressor turbine inlet connected to the output of the fuel combustion unit, the output of the turboexpander compressor through the second air cooler with the turbine expander turbine inlet, the output of which is connected to the consumer of cold, characterized in that the compressor output of the turbocompressor with it is connected to the inlet of the pneumatic regulator, which is capable of dividing the compressed air flow into two streams, while the second output of the pneumatic regulator through the first air cooler is connected to the inlet of the turboexpander compressor, while the fuel combustion unit is made in the form of a combustion chamber associated with the fuel supply means, the cavity of which is connected with the first output of the pneumatic regulator and is connected with the output of the steam source, while the output of the combustion chamber is connected to the turbine compressor turbine inlet.

Кроме того, на выходе турбины турбокомпрессора установлен источник пара. При этом турбокомпрессор и турбодетандер выполнены на подшипниках с воздушной смазкой. Кроме того, пневморегулятор выполнен с возможностью разделения сжатого воздуха на два потока, предпочтительно различного расхода.In addition, a steam source is installed at the turbine output of the turbocharger turbine. In this case, the turbocompressor and turboexpander are made on bearings with air lubrication. In addition, the pneumatic regulator is configured to separate the compressed air into two streams, preferably of different flow rates.

Сравнение существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».Comparison of the essential features of the proposed technical solution with the essential features of analogues and prototype indicates its compliance with the criterion of "novelty."

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.The features of the characterizing part of the claims solve the following functional tasks.

Признаки - «…выход компрессора турбокомпрессора связан с входом пневморегулятора, выполненного с возможностью разделения потока сжатого воздуха на два потока, при этом второй выход пневморегулятора через первый воздухоохладитель связан с входом компрессора турбодетандера…» - обеспечивают автоматический отбор необходимого количества воздуха для работы газовой турбины (турбины турбокомпрессора), при этом оставшийся воздух направляется в турбодетандер.Signs - “... the output of the turbocompressor compressor is connected to the inlet of the pneumatic regulator, configured to separate the flow of compressed air into two flows, while the second output of the pneumatic regulator through the first air cooler is connected to the inlet of the turboexpander compressor ...” - provide automatic selection of the required amount of air for the gas turbine ( turbocharger turbines), with the remaining air being sent to the turbo expander.

Признаки - «…узел сжигания топлива выполнен в виде камеры сгорания, связанной со средством подачи топлива, полость которой связана с первым выходом пневморегулятора и связана с выходом источника пара, при этом выход камеры сгорания связан с входом турбины турбокомпрессора…» - обеспечивают необходимое соотношение между топливом и воздухом при сгорании, а также нужную температуру рабочего тела на входе в турбину и необходимое количество этого тела.Signs - "... the fuel combustion unit is made in the form of a combustion chamber associated with a fuel supply means, the cavity of which is connected to the first output of the pneumatic regulator and is connected to the output of the steam source, while the output of the combustion chamber is connected to the turbine compressor turbine inlet ..." - provide the necessary relationship between fuel and air during combustion, as well as the desired temperature of the working fluid at the turbine inlet and the required amount of this fluid.

Признаки второго дополнительного пункта формулы изобретения позволяют увеличить отбор воздуха на детандер (турбину турбодетандера), направляя вместо воздуха в газовую турбину (турбину турбокомпрессора) пар.The features of the second additional claim make it possible to increase the air extraction to the expander (turbine of the expander), instead of sending air to the gas turbine (turbine of the turbocompressor), steam.

Признаки третьего дополнительного пункта формулы изобретения позволяют получить на выходе установки холодный воздух без масляных примесей, который можно направлять непосредственно на охлаждаемый продукт.The features of the third additional claim allow to obtain cold air without oil impurities at the outlet of the installation, which can be sent directly to the cooled product.

Признаки четвертого пункта формулы изобретения позволяют направлять необходимое количество сжатого воздуха на турбодетандер.The features of the fourth claim make it possible to direct the necessary amount of compressed air to a turboexpander.

Техническая сущность предлагаемого решения поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема воздушной холодильной установки.The technical essence of the proposed solution is illustrated by the drawing, which presents a schematic diagram of an air refrigeration unit.

На чертеже показаны воздушный фильтр 1, турбокомпрессор 2, компрессор 3, газовая турбина 4, пневморегулятор 5, камера 6 сгорания, регенератор 7, первый воздухоохладитель 8, турбодетандер 9, компрессор 10, детандер 11, второй воздухоохладитель 12.The drawing shows an air filter 1, a turbocharger 2, a compressor 3, a gas turbine 4, a pneumatic regulator 5, a combustion chamber 6, a regenerator 7, a first air cooler 8, a turboexpander 9, a compressor 10, an expander 11, a second air cooler 12.

Предложенная воздушная холодильная установка работает следующим образом. Компрессор 3 через воздушный фильтр 1 засасывает атмосферный воздух и сжимает его. Затем пневморегулятор 5 разделяет сжатый воздух на две части. Одна его часть поступает в камеру 6 сгорания, куда поступает топливо, а также пар с регенератора 7 пара. Другая часть сжатого воздуха поступает через первый воздухоохладитель 8 в компрессор 10 турбодетандера 9. В компрессоре 10 происходит повышение давления воздуха. Затем сжатый воздух через второй воздухоохладитель 12 поступает в детандер 11, где происходит срабатывание перепада давлений и охлаждение воздуха. Пар, получаемый в регенераторе 7 за счет утилизации тепла отработанных газов и поступающий в камеру 6 сгорания, увеличивает массу рабочего тела для газовой турбины 4, т.к. часть воздуха отбирается на турбодетандер 9, а также используется для понижения температуры продуктов сгорания до значения, определяемого максимальной теплонапряженностью материала лопаток турбины. Использование подшипников с воздушной смазкой в турбокомпрессоре и турбодетандере позволяет направлять холодный воздух непосредственно на охлаждаемый продукт, т.к. холодный воздух на выходе такой установки не содержит масляных примесей.The proposed air refrigeration unit operates as follows. The compressor 3 through the air filter 1 draws in atmospheric air and compresses it. Then the pneumatic regulator 5 divides the compressed air into two parts. One part of it enters the combustion chamber 6, where fuel is supplied, as well as steam from the steam regenerator 7. Another part of the compressed air enters through the first air cooler 8 into the compressor 10 of the turboexpander 9. In the compressor 10, the air pressure increases. Then, compressed air through the second air cooler 12 enters the expander 11, where the differential pressure is triggered and the air is cooled. The steam received in the regenerator 7 by utilizing the heat of the exhaust gases and entering the combustion chamber 6 increases the mass of the working fluid for the gas turbine 4, because part of the air is taken to a turboexpander 9, and is also used to lower the temperature of the combustion products to a value determined by the maximum heat stress of the material of the turbine blades. The use of air-lubricated bearings in the turbocharger and turboexpander allows directing cold air directly to the cooled product, as cold air at the outlet of such a unit does not contain oil impurities.

Предлагаемая установка полностью автономна, не требует потребления электроэнергии и не требует дополнительного генератора сжатого воздуха. В качестве турбокомпрессоров могут быть использованы серийно выпускаемые турбокомпрессоры наддува дизелей.The proposed installation is completely autonomous, does not require electricity consumption and does not require an additional generator of compressed air. As turbochargers, commercially available diesel boost turbochargers can be used.

Claims

1. An air cooler comprising a turbocompressor, a turbo-expander and a fuel combustion unit, wherein the output of the turbocompressor compressor through the first air cooler is connected to the inlet of the turbo-expander compressor, wherein the turbine compressor turbine inlet is connected to the output of the fuel combustion unit, the turbo-expander compressor output is connected to the inlet through the second air-cooler turbine of an expander, the output of which is connected to a consumer of cold, characterized in that the output of the compressor of the turbocompressor is connected to the input of the pneumatic control RA, made with the possibility of dividing the compressed air stream into two streams, while the second output of the pneumatic regulator through the first air cooler is connected to the inlet of the turboexpander compressor, while the fuel burning unit is made in the form of a combustion chamber associated with the fuel supply means, the cavity of which is connected to the first outlet the pneumatic regulator and is connected with the output of the steam source, while the output of the combustion chamber is connected to the turbine inlet of the turbocompressor.

2. Air refrigeration unit according to claim 1, characterized in that a steam source is installed at the output of the turbine of the turbocompressor.

3. The air cooler according to claim 1, characterized in that the turbocompressor and turboexpander are made with air-lubricated bearings.

4. The air refrigeration unit according to claim 1, characterized in that the pneumatic regulator is configured to separate compressed air into two streams, preferably of different flow rates.