Воздушная турбохолодильная установка Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

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 Законодательного собрания Приморского края. E-mail: 7200rpm@mail.ru, САЗОНОВ Тимофей Викторович - студент Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: sazonov-tv@list.ru © Самсонов А.И., Самсонов А.А., Сазонов Т.В., 2012

Воздушная турбохолодильная установка

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

Ключевые слова: турбина, холодильная техника, турбодетандер.

Turbo air refrigeration plant. Anatoliy I. Samsonov, Timofei V. Sasonov - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok), Artem A. Samsonov (Legislative Assembly of Primorsky Krai, Vladivostok). The scheme of air turbo refrigerating machines are considered, the analysis and comparison of their effectiveness a presented.

Key words: turbine, refrigeration, turbo-expander.

На бывшей кафедре судовых двигателей внутреннего сгорания и установок Дальневосточного государственного технического университета (Инженерная школа ДВФУ) была разработана и запатентована воздушная холодильная установка на основе тур-бодетандера [1], способная охлаждать воздух до 200 К [2] (см. рисунок). Эта установка имеет преимущества по сравнению с аналогичными. Конструкция является безредукторной, в ней можно использовать серийно выпускаемые промышленностью турбокомпрессоры наддува. Вследствие этого агрегат имеет малые габаритные размеры. Холодильная установка автономна и не требует мощных источников электрического питания, поэтому она может быть портативной и применяться в местах, где есть дефицит электричества [3]. Применение воздуха в качестве хладагента делает агрегат экологическичбезопасным.

Установка работает следующим образом. Компрессор 3 через воздушный фильтр 1 засасывает атмосферный воздух и сжимает его. После компрессора сжатый воздух поступает в пневморегулятор 5, где разделяется на две части. Одна его часть поступает в камеру сгорания 6, где используется в качестве первичного воздуха для сгорания топлива. По периферии камеры сгорания в нее вместо вторичного воздуха поступает пар воды, полученный в регенераторе 7. Пар поступает в камеру сгорания 6, увеличивает массу рабочего тела для газовой турбины, а также снижает температуру продуктов сгорания топлива до значения, определяемого допустимой максимальной теплонапряженностью материала лопаток турбины. Другая часть сжатого воздуха поступает через первый воздухоохладитель 8 в компрессор

Тепловая схема воздушной холодильной машины.

1 - воздушный фильтр, 2 -турбокомпрессор, 3 - компрессор, 4 - турбина, 5 -пневморегулятор, 6 - камера сгорания, 7 - регенератор, 8 - воздухоохладитель, 9 - турбокомпрессор, 10 - компрессор, 11 - турбина, 12 - воздухоохладитель, 13 - влагоотделитель

10 турбодетандера 9. В компрессоре 10 происходит дальнейшее повышение давления воздуха. Затем сжатый воздух через второй воздухоохладитель 12 поступает в турбодетандер 11, где происходит расширение воздуха с производством работы и вследствие этого - снижение его температуры.

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

Для воздушной холодильной установки была создана математическая модель в оболочке МаШса^ Температура газов за турбиной детандера определяется формулой:

( (

Т = Т •

зт г

1 +

Р

к -1

\т

л

\

Р

-1

■ п

' е.1

п

1 м

(1)

где Рзт - давление за турбиной детандера, Рпт - давление перед турбиной, Тг - температура воздуха перед турбиной, Т - температура воздуха за турбиной, пмт - эффективный кпд турбины, пет - механический кпд турбины детандера, к - коэффициент адиабаты воздуха.

Давление перед турбиной детандера, обеспечивающее баланс мощностей турбины и компрессора детандера, определяется формулой:

Р

р = _зт_, (2)

Р

_з

Р

к-1

ХГ

\ к—1 к

- 1

1 --

Пакд П етд у

где Рзт - давление за турбиной детандера, Рпт - давление перед турбиной, Ракд - давление перед компрессором, Петд - эффективный кпд турбины, пакд - адиабатный кпд компрессора детандера, к - коэффициент адиабаты воздуха.

Если после пневморегулятора не совершать дополнительное сжатие воздуха в компрессоре детандера 10, а пустить сжатый воздух непосредственно на его турбину при давлении после компрессора 3 Р = 0.35 МПа, то температура воздуха за турбиной составит Тзт=237 К. За счет введения в схему компрессора турбодетандера

10 осуществляется дополнительное сжатие воздуха. Вследствие этого давление перед турбиной детандера

11 повышается с 0.35 МПа до 0.74МПа, что приводит к понижению температуры воздуха за турбиной детандера до Тзт = 200 К.

Для схемы воздушной холодильной машины (ВХМ), представленной на рис. 1, был рассчитан и проанализирован тепловой баланс. Тепловой баланс был составлен в расчете на 1 кг/с воздуха, сжимаемого в компрессоре 3.

Тепловой баланс свидетельствует, что большое количество энергии уходит с отработавшими газами. Потери в камере сгорания и турбине значительно меньше. (Это объясняется тем, что отработавшие газы - это смесь, состоящая из водяного пара и продуктов сгорания. Энергия уходящих газов в основном состоит из теплоты конденсации водяного пара.) Есть два потока, возвращающие энергию в цикл ВХМ. Это поток энергии, возвращающийся с воздухом, сжатым в компрессоре 3, и энергия воды, нагревающейся в регенераторе 7.

Для сравнения была проанализирована схема, в которой отсутствовал регенератор 7, и составлен тепловой баланс для нее. Анализ показал, что исключение из схемы регенератора (следовательно, исчезновение потока энергии, возвращающегося с нагретой в регенераторе водой) приводит к понижению холодильного коэффициента воздушной холодильной машины в 1.75 раза.

Для увеличения энергетической эффективности и экологической безопасности представленной в статье установки, предлагается схема с более глубокой утилизацией тепла, с возвратом теплоты конденсации водяного пара, при использовании теплового насоса. Это может увеличить холодильный коэффициент ориентировочно на 30%.

111

пт

пт

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воздушная холодильная установка. Пат. № 2370711. Российская Федерация; заявл. 09.01.2008, опубл. 20.10. 2009.

2. Самсонов А.И., Самсонов А.А. Автономная воздушная холодильная установка с температурой холодного воздуха до 200 К // Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана: матер. Междунар. науч.-техн. конф: в 2 ч. Ч. 2. Владивосток, 2010. С. 218-219.

3. Способ получения холодного воздуха в турбохолодильной установке. Пат. № 2370712. Российская Федерация; заявл. 09.01.2008, опубл. 20.10.2009.