RU148542U1

RU148542U1 - AIR COOLING MACHINE

Info

Publication number: RU148542U1
Application number: RU2014108524/06U
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Губанов; Алексей Юрьевич Крайнов
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2014-12-10

Abstract

Воздушная холодильная машина, включающая источник сжатого воздуха 1, последовательно соединенные очиститель воздуха, теплообменник, турбодетандер и холодильную камеру, отличающаяся тем, что очиститель воздуха от влаги и углекислого газа выполнен в виде «молекулярного сита», состоящего из двух вертикальных баллонов 2 и 3, заполненных цеолитом, выход очистителя воздуха соединен с входом кожухотрубного теплообменника 5 через автоматический регулятор расхода сжатого воздуха 4, выход турбодетандера 6 оборудован датчиком температуры 10, электрический выход которого соединен с термопреобразователем 11, преобразующим сигнал датчика температуры в управляющий сигнал, а электрический выход термопреобразователя 11 соединен с электроприводом регулятора расхода 4, при этом выход холодильной камеры 7 оборудован теплоизолированной воздушной магистралью 8, по которой отработанный холодный воздух через теплообменные трубы кожухотрубного теплообменника 5 сбрасывается в атмосферу.An air cooler comprising a source of compressed air 1, an air purifier, a heat exchanger, a turboexpander and a refrigerating chamber connected in series, characterized in that the air purifier from moisture and carbon dioxide is made in the form of a "molecular sieve" consisting of two vertical cylinders 2 and 3, filled with zeolite, the outlet of the air purifier is connected to the inlet of the shell-and-tube heat exchanger 5 through an automatic regulator of the flow of compressed air 4, the outlet of the turbo expander 6 is equipped with a temperature sensor 10, whose output is connected to a thermal converter 11, which converts the temperature sensor signal into a control signal, and the electrical output of the thermal converter 11 is connected to an electric drive of the flow regulator 4, while the output of the cooling chamber 7 is equipped with a heat-insulated air line 8, through which the exhausted cold air through heat exchanging pipes of a shell-and-tube heat exchanger 5 is discharged into the atmosphere.

Description

Полезная модель относится к холодильной технике и может быть использована в различных технологических процессах, требующих охлаждения объектов до низких температур с заданной «холодопроизводительностью».The utility model relates to refrigeration and can be used in various technological processes that require cooling facilities to low temperatures with a given "cooling capacity".

Известны регенеративные холодильные машины замкнутого цикла, содержащие компрессор, промежуточный холодильник, детандер или турбину в качестве расширителя, теплообменный аппарат и регенератор (см. Зайцев В.П. Холодильная техника. ГИТЛ, 1962. стр. 26, рис. 9; "Холодильные машины", под ред. Сакуна И.А., Машиностроение, 1985 г., с. 360-367, рис. 8.2), "Холодильные машины", Л. Машиностроение, 1985 г, с. 360-367, рис. 8.2; авторское свидетельство СССР N 151358, кл. F25B 11/001; авторское свидетельство СССР N 1208432, кл. F25B 11/00). Сжатый газ поступает в промежуточный холодильник, где охлаждается и через регенератор направляется в детандер. В регенераторе происходит отвод теплоты от "прямого" потока и его охлаждение водой или "обратным" потоком из теплообменного аппарата. В детандере газ расширяется, его давление падает. После этого газ поступает в теплообменный аппарат или холодильную камеру, температура газа повышается и через регенератор газ направляется в компрессор или сбрасывается в атмосферу. Получение требуемых температур осуществляется, как правило, подбором глубины регенерации.Known closed loop regenerative chillers containing a compressor, an intermediate cooler, an expander or a turbine as an expander, a heat exchanger and a regenerator (see Zaitsev VP Refrigeration equipment. GITL, 1962. p. 26, Fig. 9; "Refrigerators ", under the editorship of I. Sakuna, Engineering, 1985, p. 360-367, Fig. 8.2)," Refrigeration machines ", L. Engineering, 1985, p. 360-367, fig. 8.2; USSR author's certificate N 151358, cl. F25B 11/001; USSR author's certificate N 1208432, cl. F25B 11/00). Compressed gas enters the intermediate cooler, where it is cooled and sent through the regenerator to the expander. In the regenerator, heat is removed from the “direct” stream and it is cooled by water or a “return” stream from the heat exchanger. In the expander, the gas expands, its pressure drops. After that, the gas enters the heat exchanger or the refrigerator, the gas temperature rises and through the regenerator the gas is directed to the compressor or discharged into the atmosphere. Obtaining the required temperatures is carried out, as a rule, by selecting the depth of regeneration.

Недостатком указанных машин является недостаточно низкие температуры (180-200 К) и невысокое значение холодильного коэффициента.The disadvantage of these machines is not enough low temperatures (180-200 K) and a low value of the refrigeration coefficient.

Близким к заявляемому решением является воздушная турбохолодильная машина по авторскому свидетельству СССР N 1776942, кл. F25B 11/00, 1990 г., содержащая компрессор, турбодетандер, блок регенераторов с клапанами переключения, вентилятор с электродвигателем и мультипликатор. Однако основные энергетические показатели машины, как-то холодопроизводительность, точность поддержания температуры в холодильной камере, расход хладагента и потребляемая энергия, не могут удовлетворить технологии, требующие низких температур до 100 К с регулируемой холодопроизводительностью.A solution close to the claimed one is an air turbo-refrigerating machine according to the USSR copyright certificate N 1776942, class. F25B 11/00, 1990, comprising a compressor, a turboexpander, a regenerator unit with switching valves, a fan with an electric motor and a multiplier. However, the main energy indicators of the machine, such as cooling capacity, the accuracy of maintaining the temperature in the refrigerator, the flow rate of the refrigerant and the energy consumed, cannot satisfy technologies requiring low temperatures of up to 100 K with adjustable cooling capacity.

В начале 70-х годов были разработаны промышленные системы холодоснабжения с применением воздушной турбохолодильной машины MTXMI-25P (ОКБ "Турбохолод", Москва), эксплуатация которых проводилась на промышленных предприятиях, в технологических процессах которых требовалась температура -30°C и ниже, холодопроизводительностью 30 кВт и выше. Однако, широкого распространения системы холодоснабжения с машинами MTXMI-25P не получили вследствие больших габаритов и веса ХМ, и, главным образом, вследствие невысокого значения ресурса, ограниченного ресурсом гидроклапанных коробок, которые через каждые 60 секунд переключали теплообменные аппараты для того, чтобы при работе в условиях влажного атмосферного воздуха не нарушалась нормальная работа машины [Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. - М., Энергоатомиздат, 1989 г. - 200 с]. При охлаждении до более низких температур машина работает в нерасчетном режиме с низким КПД.In the early 70s, industrial refrigeration systems using the MTXMI-25P air turbo-refrigerating machine (OKB Turboholod, Moscow) were developed, the operation of which was carried out at industrial enterprises, in the technological processes of which a temperature of -30 ° C or lower was required, with a cooling capacity of 30 kW and higher. However, the refrigeration system with MTXMI-25P machines was not widely used due to the large size and weight of the XM, and mainly due to the low value of the resource, limited by the resource of the valve boxes, which switched heat exchangers every 60 seconds so that when working in conditions of humid air did not interrupt the normal operation of the machine [Martynov A.V. Installations for the transformation of heat and cooling. - M., Energoatomizdat, 1989 - 200 s]. When cooled to lower temperatures, the machine operates in off-design mode with low efficiency.

Работает MTXM 1-25P следующим образом (см. ТУ 26-03-348-78, принципиальная схема помещена на сайте от 01.03.2014 г. http://www.zaogm.ru/ru/catalogue/06/001/0080?qs=0).MTXM 1-25P works as follows (see TU 26-03-348-78, the circuit diagram is posted on the website from 03/01/2014 http://www.zaogm.ru/ru/catalogue/06/001/0080? qs = 0).

Холодильная машина содержит смонтированные на общей раме компрессор, осевой турбодетандер, два переключающихся регенератора с коробками перепуска, мультипликатор и электродвигатель. Воздух поступает в герметизированную холодильную камеру, где нагревается, отбирая теплоту от охлаждаемых изделий или продуктов, после чего возвращается в машину. Охлаждение атмосферного воздуха, поступающего потребителю, в соответствии с паспортными характеристиками осуществляется в интервале температур от 223 К до 143 К. Холодильный коэффициент 0,35. КПД 10-12%.The chiller includes a compressor mounted on a common frame, an axial turboexpander, two switchable regenerators with bypass boxes, a multiplier and an electric motor. Air enters the sealed refrigeration chamber, where it heats up, taking heat from the cooled products or products, and then returns to the machine. The cooling of the atmospheric air entering the consumer, in accordance with the passport characteristics, is carried out in the temperature range from 223 K to 143 K. The refrigeration coefficient is 0.35. Efficiency 10-12%.

Основные технические характеристики MTXM1-25P представлены в таблице.The main technical characteristics of MTXM1-25P are presented in the table.

Поскольку в машине МТХМ 1-25Р реализованы такие же термодинамические процессы и использованы эквивалентные функциональные блоки, как в заявленном устройстве, данное изделие принято за прототип.Since the MTXM 1-25P machine implements the same thermodynamic processes and uses equivalent functional units as in the claimed device, this product is taken as a prototype.

Недостатками машины-прототипа являются, во-первых, часто переключающиеся регенераторы с двумя коробками перепуска и соответственно удвоенным устройством управления, что обусловливает краткость холодильного цикла. Кроме того, необходимость циркуляции очень больших объемов воздуха и тщательной его осушки. Переключение коробок в ряде эксплуатационных режимов вызывает помпаж компрессора (пульсации воздушного потока), который может приводить к разрушению компрессора.The disadvantages of the prototype machine are, firstly, often switching regenerators with two bypass boxes and a correspondingly doubled control device, which makes the refrigeration cycle short. In addition, the need to circulate very large volumes of air and thoroughly dry it. Switching boxes in a number of operating modes causes surging of the compressor (pulsation of the air flow), which can lead to destruction of the compressor.

Задачей полезной модели является упрощение конструкции холодильной машины, расширение ее функциональных возможностей и снижение удельных энергозатрат при работе в нерасчетных режимах, возникающих при необходимости увеличить холодопроизводительность.The objective of the utility model is to simplify the design of the chiller, expand its functionality and reduce specific energy consumption when operating in off-design modes, which arise when it is necessary to increase cooling capacity.

Этим задачам соответствует заявленная воздушная холодильная машина, включающая источник сжатого воздуха, например, ресивер, запитанный от заводской пневмосети с Р=0,5-0,7 МПА, очиститель воздуха, кожухотрубный теплообменник, турбодетандер и холодильную камеру, где холодный воздух используется потребителем, при этом очиститель выполнен в виде «молекулярного сита», удаляющего из воздуха влагу и углекислый газ, состоящего из вертикальных баллонов, заполненных цеолитом, выход очистителя воздуха соединен с входом кожухотрубного теплообменника через автоматический регулятор расхода воздуха, выход турбодетандера оборудован датчиком температуры, электрический выход которого соединен с термопреобразователем, преобразующим сигнал датчика температуры в управляющий сигнал, а электрический выход термопреобразователя соединен с электроприводом упомянутого регулятора расхода, при этом выход холодильной камеры оборудован термоизолированной воздушной магистралью, по которой отработанный холодный воздух через теплообменные трубы кожухотрубного теплообменника сбрасывается в атмосферу.The declared air chiller, including a source of compressed air, for example, a receiver powered from a factory pneumatic network with P = 0.5-0.7 MPA, an air purifier, a shell-and-tube heat exchanger, a turbine expander, and a cooling chamber where cold air is used by the consumer, corresponds to these tasks the purifier is made in the form of a "molecular sieve" that removes moisture and carbon dioxide from the air, consisting of vertical cylinders filled with zeolite, the outlet of the air purifier is connected to the inlet of the shell-and-tube heat exchanger through an automatic air flow regulator, the output of the turboexpander is equipped with a temperature sensor, the electrical output of which is connected to a thermal converter that converts the temperature sensor signal into a control signal, and the electrical output of the thermal converter is connected to the electric drive of the said flow controller, while the cooling chamber output is equipped with a thermally insulated air line, which exhaust cold air is discharged through the heat exchanger pipes of the shell-and-tube heat exchanger into the atmosphere.

На фиг. 1 приведена схема, иллюстрирующая конструкцию установки.In FIG. 1 is a diagram illustrating the construction of the installation.

На фиг. 2 на s-T диаграмме показаны процессы, протекающие в установке-прототипе и в установке по формуле полезной модели.In FIG. 2 on s-T diagram shows the processes occurring in the installation of the prototype and in the installation according to the formula of the utility model.

На фиг. 1 цифрами обозначены: 1 - источник сжатого воздуха; 2, 3 - очиститель воздуха в виде двух вертикальных баллонов, заполненных цеолитом; 4 - автоматический регулятор расхода сжатого воздуха; 5 - кожухотрубный теплообменник; 6 - турбодетандер; 7 - холодильная камера; 8 - термоизолированная воздушная магистраль подачи холодного воздуха в теплообменник; 9 - сброс отработанного воздуха в атмосферу; 10 - датчик температуры; 11 - термопреобразователь, управляющий регулятором расхода.In FIG. 1 numbers indicate: 1 - source of compressed air; 2, 3 - air purifier in the form of two vertical cylinders filled with zeolite; 4 - automatic regulator of the flow of compressed air; 5 - shell and tube heat exchanger; 6 - turboexpander; 7 - a refrigerator; 8 - thermally insulated air line for supplying cold air to a heat exchanger; 9 - discharge of exhaust air into the atmosphere; 10 - temperature sensor; 11 - thermal converter controlling the flow regulator.

Холодильная машина работает следующим образом.The chiller operates as follows.

Рабочим телом служит сжатый воздух с параметрами Р_раб≈0,5-0,7 МПа и Т=300 К, который поступает от источника сжатого воздуха 1. Таким источником может служить серийная компрессорная установка, или, например, заводская сеть воздухоснабжения, что встречается в подавляющем большинстве случаев. Ввиду работы оборудования при низких температурах воздух должен быть хорошо очищен. Очистка сжатого воздуха заключается в удалении из него углекислоты и влаги до заданной точки росы. Для этого введен комплексный очиститель воздуха, который состоит из вертикальных баллонов 2 и 3, заполненных цеолитом и работающих поочередно.The working fluid is compressed air with the parameters Р _slave ≈0.5-0.7 MPa and Т = 300 K, which comes from the source of compressed air 1. Such a source can be a serial compressor unit, or, for example, a factory air supply network, which occurs in the vast majority of cases. Due to the operation of the equipment at low temperatures, the air must be well cleaned. Purification of compressed air consists in removing carbon dioxide and moisture from it to a given dew point. For this, a comprehensive air purifier was introduced, which consists of vertical cylinders 2 and 3 filled with zeolite and working alternately.

Очищенный воздух с температурой 290-300 К через регулятор расхода 4 поступает в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника 5 на предварительное охлаждение. Изменение холодопроизводительности установки при переменной тепловой нагрузке обеспечивается изменением массового расхода воздуха с помощью регулятора расхода 4. В качестве регулятора расхода может быть использован регулирующий клапан «Камфлекс» серии 35002 производства компании Masoneilan (поставщик в РФ ООО «Компания «АРГО»).Purified air with a temperature of 290-300 K through the flow regulator 4 enters the annulus of the shell-and-tube heat exchanger 5 for pre-cooling. Changing the cooling capacity of the installation under variable heat load is ensured by changing the mass air flow using the flow regulator 4. As a flow regulator, the Camflix control valve series 35002 manufactured by Masoneilan (supplier to the Russian Federation LLC ARGO Company) can be used.

В теплообменнике прямой поток сжатого воздуха захолаживается до температуры около 170 К отходящим от холодильной камеры по теплоизолированной воздушной магистрали 8 обратным холодным потоком. Захоложенный сжатый воздух поступает в турбодетандер 6, где при совершении внешней работы при адиабатическом расширении охлаждается до требуемой температуры. Высвобождаемая механическая работа может использоваться любым известным способом, например, для привода электрогенератора. После турбодетандера воздух, охлажденный до температуры Т=103 К при давлении Р_т/д≈0,01 МПа поступает в холодильную камеру 7, где используется потребителем.In the heat exchanger, a direct stream of compressed air is cooled to a temperature of about 170 K with a return cold stream leaving the refrigeration chamber through a heat-insulated air line 8. Cooled compressed air enters the turbo-expander 6, where, when performing external work during adiabatic expansion, it is cooled to the required temperature. The released mechanical work can be used in any known manner, for example, to drive an electric generator. After the turboexpander, air cooled to a temperature of T = 103 K at a pressure of P _{t / d} ≈ 0.01 MPa enters the cooling chamber 7, where it is used by the consumer.

Как указано выше, из холодильной камеры 7 охлажденный воздух по теплоизолированному трубопроводу 8 направляется в кожухотрубный теплообменник 5, где происходит предварительное захолаживание прямого потока, после чего отработанный воздух, отобрав часть тепла воздуха прямого потока, сбрасывается в атмосферу. Таким образом, воздух является и энергетическим приводом установки и рабочим телом, охлаждающим объект.As indicated above, from the refrigeration chamber 7, the cooled air is sent through a heat-insulated pipe 8 to a shell-and-tube heat exchanger 5, where the direct flow is pre-cooled, after which the exhaust air, having taken part of the heat of the direct flow air, is discharged into the atmosphere. Thus, air is both an energy drive of the installation and a working fluid cooling the object.

Отличие термодинамических характеристик наглядно видно на диаграмме энтальпия-температура (см. фиг. 2). Индекс «п» - прототип, индекс «т» - предлагаемая турбодетандерная холодильная машина.The difference in thermodynamic characteristics is clearly visible on the enthalpy-temperature diagram (see Fig. 2). Index “p” - prototype, index “t” - proposed turboexpander refrigeration machine.

Кривая 1п-2′п - сжатие воздуха в машине-прототипе с отводом тепла в водяном воздухоохладителе; 2′п-2п - охлаждение воздуха в теплообменнике-регенераторе;Curve 1p-2′p — air compression in a prototype machine with heat removal in a water air cooler; 2′p-2p - air cooling in the heat exchanger-regenerator;

2п-3п - снятие холода, т.е. подогрев рабочего тела в холодильной камере;2p-3p - removal of the cold, i.e. heating the working fluid in the refrigerator;

3п-4п - дросселирование сжатого воздуха до промежуточного давления перед подачей в турбодетандер;3p-4p - throttling of compressed air to an intermediate pressure before feeding it into a turboexpander;

4п-5п - охлаждение воздуха с отдачей внешней работы в турбодетандере;4p-5p - air cooling with the return of external work in a turboexpander;

5п-1п - подогрев обратного холодного потока в регенеративном теплообменнике, т.е. захолаживание теплого прямого потока воздуха. Характерные точки цикла машины прототипа: точка 2п - температура воздуха после теплообменника-регенератора (она же - минимальная температура в холодильной камере) при давлении ~1,2 МПа; точка 5п - температура воздуха на выходе из турбодетандера, самая низкая температура цикла. При подаче низкотемпературного потока в теплообменник неизбежны энергетические (тепловые) потери.5p-1p - reverse cold flow heating in a regenerative heat exchanger, i.e. cooling of a warm direct air stream. Typical cycle points of the prototype machine: point 2p - air temperature after the heat exchanger-regenerator (it is the minimum temperature in the refrigerator) at a pressure of ~ 1.2 MPa; point 5p - air temperature at the outlet of the turboexpander, the lowest cycle temperature. When a low-temperature flow is supplied to the heat exchanger, energy (heat) losses are inevitable.

Характерные точки цикла полезной модели: точка 2т - температура воздуха после теплообменника, точка 5т (потребитель холода) - температура воздуха на выходе из турбодетандера при давлении, близком к атмосферному, самая низкая температура цикла, она же - минимальная температура в холодильной камере.The characteristic points of the utility model cycle: point 2t - air temperature after the heat exchanger, point 5t (cold consumer) - air temperature at the outlet of the turbine expander at a pressure close to atmospheric, the lowest cycle temperature, which is also the minimum temperature in the refrigerator.

Сравнение диаграмм показывает, что в полезной модели достижение более низких температур возможно при меньших начальных давлениях сжатого воздуха 0,5-0,7 МПа (компрессор меньшей мощности или заводская пневмосеть), а меньшая площадь замкнутой кривой характеризует более низкие энергозатраты на производство холода при схожих условиях.A comparison of the diagrams shows that in a utility model lower temperatures are possible at lower initial pressures of compressed air of 0.5-0.7 MPa (a compressor of lower power or a factory pneumatic network), and a smaller area of the closed curve characterizes lower energy costs for producing cold with similar conditions.

Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей ВХМ по сравнению с прототипом за счет достижения более низких температур холодильника, снижение удельных энергозатрат при работе в нерасчетных режимах компримирования, автоматический контроль холодопроизводительности.The technical result of the utility model is the expansion of the VCM functionality compared to the prototype due to the achievement of lower refrigerator temperatures, the reduction of specific energy consumption when working in off-design compression modes, and automatic cooling capacity control.

Заявленный технический результат достигается в диапазоне температур от 173 К до 103 К. Верхняя граница области рабочих температур (173 К) находится в области технических характеристик прототипа. Нижняя граница (до 103 К и ниже) определена потребностями решаемых технологических задач и ограничена превращением газов в жидкость, что расширяет функциональные возможности машины по сравнению с прототипом.The claimed technical result is achieved in the temperature range from 173 K to 103 K. The upper boundary of the operating temperature range (173 K) is in the technical characteristics of the prototype. The lower limit (up to 103 K and below) is determined by the needs of the technological tasks being solved and is limited by the conversion of gases into liquid, which expands the functionality of the machine compared to the prototype.

Использованные источники.Used sources.

1 Зайцев В.П. Холодильная техника. ГИТЛ, 1962, с.261 Zaitsev V.P. Refrigeration equipment. GITL, 1962, p. 26

2 "Холодильные машины", п/р Сакуна И.А., Машиностроение, 1985 г, с. 360-3672 "Refrigerating machines", s / r Sakuna I.A., Engineering, 1985, p. 360-367

3 А.с. СССР N 151358; А.с. СССР N 1208432, кл. F25B 11/00.3 A.S. USSR N 151358; A.S. USSR N 1208432, class F25B 11/00.

4 А.с. СССР N 1776942, кл. F25B 11/00, 1990 г.4 A.S. USSR N 1776942, class F25B 11/00, 1990

5 MTXM1-25P ТУ 26-03-348-78, ttp://www.zaogm.ru/ru/catalogue/06/001/0080?qs=0 (прототип).5 MTXM1-25P TU 26-03-348-78, ttp: //www.zaogm.ru/ru/catalogue/06/001/0080? Qs = 0 (prototype).

7 Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. - М., Энергоатомиздат, 1989 г. - 200 с.7 Martynov A.V. Installations for the transformation of heat and cooling. - M., Energoatomizdat, 1989 - 200 p.

Claims

An air cooler comprising a source of compressed air 1, an air purifier, a heat exchanger, a turboexpander and a refrigerating chamber connected in series, characterized in that the air purifier from moisture and carbon dioxide is made in the form of a "molecular sieve" consisting of two vertical cylinders 2 and 3, filled with zeolite, the outlet of the air purifier is connected to the inlet of the shell-and-tube heat exchanger 5 through an automatic regulator of the flow of compressed air 4, the outlet of the turbo expander 6 is equipped with a temperature sensor 10, whose output is connected to a thermal converter 11, which converts the temperature sensor signal into a control signal, and the electrical output of the thermal converter 11 is connected to an electric drive of the flow regulator 4, while the output of the cooling chamber 7 is equipped with a heat-insulated air line 8, through which the exhausted cold air through heat exchanging pipes of a shell-and-tube heat exchanger 5 is discharged into the atmosphere.