Эффективность воздушных турбохолодильных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2012. № 2 (11)

МОРСКАЯ ТЕХНИКА И ТРАНСПОРТ

УДК 621.592

А.И. Самсонов, А.А. Самсонов, Т.В. Сазонов

САМСОНОВ АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: aicam@mail.ru

САМСОНОВ АРТЕМ АНАТОЛЬЕВИЧ - депутат (Законада-тельное собрание Приморского края, Владивосток). E-mail: 7200rpm@mail.ru

САЗОНОВ ТИМОФЕЙ ВИКТОРОВИЧ - студент Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: sazonov-tv@list.ru

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДУШНЫХ ТУРБОХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Рассмотрены схемы воздушных турбохолодильных машин, произведен анализ и сравнение их эффективности.

Ключевые слова: турбина, холодильная техника, турбодетандер.

The effectiveness of aerial turbo refrigerating machines. Anatoliy I. Samsonov, Timofei V. Sazonov - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok), Artem A. Samsonov - deputy (Legislative Assembly of Primorsky Krai, Vladivostok).

The article is concerned with the schemes of air turbo refrigerating machines. Their effectiveness has

been studied and correlated in it.

Key words: turbine, refrigeration, turbo-expander

Воздушная турбохолодильная машина (ВХМ) предназначена для получения холодного воздуха. Главные преимущества - высокая экологическая чистота и доступность рабочего тела. Хладагент для таких машин, в отличие от применяемых в других холодильных машинах, не требует производства, хранения, перевозки и утилизации. Он не горюч, не взрывоопасен, не токсичен и доступен в любой местности и в любое время.

Преимуществом ВХМ, запатентованной на кафедрах ДВГТУ (ИШ ДВФУ) [1, 2] (рис.1), по сравнению с аналогами является автономность и отсутствие потребности в мощных источниках электрического питания. Она может быть портативной и применяться в местах, где наблюдается дефицит электричества.

© Самсонов А.И., Самсонов А.А., Сазонов Т.В., 2012

Рис. 1. Тепловая схема воздушной холодильной машины: 1 - воздушный фильтр; 2 - основной компрессор; 3 - влагоотделитель; 4 - турбина; 5 - пневморегулятор; 6 - камера сгорания; 7 -регенератор; 8 - основной воздухоохладитель; 9 - воздухоохладитель компрессора турбодетанде-ра; 10- компрессор турбодетандера; 11 - турбодетандер

Предложенная воздушная турбохолодильная машина работает по разомкнутому циклу и состоит из двух контуров: контуры турбодетандера и парогазовой турбины.

Контур турбодетандера предназначен для получения холодного воздуха, он включает пневморегулятор, основной воздухоохладитель, компрессор турбодетандера, воздухоохладитель компрессора турбодетандера и турбодетандер.

Контур парогазовой турбины предназначен для привода компрессора 2 и включает воздушный фильтр, основной компрессор, пневморегулятор, камеру сгорания, турбину и регенератор.

Установка работает следующим образом.

Основной компрессор 2 через воздушный фильтр 1 засасывает и сжимает атмосферный воздух. После компрессора 2 сжатый воздух поступает в пневморегулятор 5, где разделяется на два потока. Основная часть сжатого воздуха через основной воздухоохладитель 8 поступает в компрессор турбодетандера 10, где осуществляется дальнейшее повышение давления воздуха. Сжатый воздух через воздухоохладитель компрессора турбодетандера 9 и конден-сатоотводчик 3 поступает в турбодетандер 11, где расширяется с отдачей работы компрессору турбодетандера 9 и происходит снижение его температуры. Холодный воздух после турбоде-тандера подается потребителю холода.

Чем выше перепад давления в турбодетандере и коэффициент полезного действия последнего, тем ниже будет температура воздуха после детандера.

Для привода основного компрессора используется турбина 4. Оставшаяся часть воздуха после пневморегулятора 5 направляется в камеру сгорания 6, где используется для сжигания топлива. По периферии камеры сгорания вместо вторичного воздуха поступает водяной пар. Пар, подающийся в камеру сгорания 6, получают нагревом воды в регенераторе 7. В последнем за счет утилизации тепла отработавших в турбине 4 газов происходит повышение температуры воды с парообразованием. После этого пар поступает в камеру сгорания 6 и смешивается с продуктами сгорания топлива, увеличивая массу рабочего тела для парогазовой турбины, а также снижая температуру продуктов сгорания топлива до значения, определяемого допустимой максимальной теплонапряженностью материала лопаток турбины. После турбины 4 парогазовая смесь проходит через регенератор 7, где отдает часть своей энергии воде. После этого смесь выбрасывается в атмосферу.

Для расчета воздушной турбохолодильной установки была разработана математическая модель с использованием оболочки МаШсаё.

По результатам расчета схемы воздушной турбохолодильной машины (рис.1) составлен тепловой баланс в расчете на 1 кг/с воздуха, сжимаемого в основном компрессоре 2 (рис. 2).

Рис. 2. Тепловой баланс ВХМ: Qтоп. - энергия топлива; Окс - потери в камере сгорания; Qкомп -энергия, потребляемая компрессором для сжатия воздуха, идущего в камеру сгорания; От - потери в турбине; Орег. - энергия воды, утилизируемая регенератором; Оух.г. - энергия, уносимая с уходящими газами; Опол. - энергия, поступающая в контур турбодетандера

Из теплового баланса следует, что большое количество энергии уходит с отработавшими газами Qух.г., потери в камере сгорания Qкс и турбине От значительно меньше. Это

объясняется тем, что отработавшие газы представляют собой смесь, состоящую из водяного пара и продуктов сгорания. Энергия уходящих газов в основном состоит из теплоты конденсации водяного пара. Из теплового баланса следует, что существуют два потока, возвращающие энергию в цикл ВХМ: поток энергии Qкомп, возвращающийся с воздухом, сжатым в компрессоре 2, и энергия воды Qрег., нагревающейся в регенераторе 7.

Было выполнено сравнение предложенной ВХМ с ВХМ без регенератора (рис. 3).

Рис. 3. Тепловая схема воздушной холодильной машины без регенератора: 1 - воздушный фильтр; 2 - основной компрессор; 3 - турбина; 4 - компрессор турбодетандера; 5 - пневморегу-лятор; 6 - камера сгорания; 7 - влагоотделитель; 8 - основной воздухоохладитель; 9 - воздухоохладитель компрессора турбодетандера; 10 - турбодетандер

Установка, представленная на рис. 3, работает аналогично представленной на рис. 1, но в камеру сгорания не подводится водяной пар.

Тепловой баланс установки на рис. 3 был составлен в расчете на 1 кг/с воздуха, сжимаемого в основном компрессоре 2, и представлен на рис. 4.

Рис. 4. Тепловой баланс ВХМ без регенератора: Отоп. - энергия топлива; Окс - потери в камере сгорания; Окомп - энергия, потребляемая компрессором для сжатия воздуха, идущего в камеру сгорания; От - потери в турбине; Оух.г. - энергия, уносимая с уходящими газами; Опол. - энергия, потребляемая компрессором для сжатия воздуха, идущего на турбодетандер

Из схемы теплового баланса следует, что исключение из установки регенератора увеличивает поток энергии, уносимой отработавшими газами Оух.г., и уменьшает полезную работу Опол в 1.75 раза.

Значение Опол напрямую влияет на хладопроизводительность установки, и снижение ее приводит к понижению холодильного коэффициента.

Итак, мы можем сделать следующие выводы.

1. Введение в схему ВХМ регенератора по патентам [1, 2] позволяет в 1.75 раза увеличить хладопроизводительность установки.

2. Для увеличения энергетической эффективности и экологичности воздушных холодильных установок целесообразно использование схем с более глубокой утилизацией тепла, с возвратом теплоты конденсации водяного пара.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пат. 2370711 Российская Федерация, МПК Б25Б 11/02, Б25Б 9/06. Воздушная холодильная установка / Самсонов А.И.; Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В В. Куйбышева)». 2008100890/06; заявл. 09.01.2008; опубл. 20.10.2009, Бюл. № 29. 5 с.

2. Пат. 370712 Российская Федерация, МПК Б25Б 11/02, Б25Б 9/06. Способ получения холодного воздуха в турбохолодильной установке / Самсонов А.И.; Государственное образо-

вательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В. Куйбышева)». 2008100932/06; за-явл. 09.01.2008; опубл. 20.10.2009, Бюл. № 29. 4 с.