Центробежный тепловой насос и (или) холодильная машина

 

Область применения: в теплоэнергетике и холодильной технике. Сущность изобретения: устройство содержит связанный с валом коаксиальный двухполостной ротор с герметичной полостью, заполненной газовой или парообразующей рабочей средой и разделенной внутренней перегородкой на приосевое пространство испарителя и периферийное пространство конденсатора, соединяющий их между собой циркуляционный контур с включенным в него центробежным компрессором, второй внутренней полостью, заполненной той же или иной рабочей средой и отделенной от первой стенками. Внутренняя полость снабжена собственным циркуляционным контуром, а его центробежный компрессор выполнен в виде кольцевого диффузора, образованного наклонной к оси перегородкой и стенкой полости. Перегородка выполнена в виде поверхности конуса, параболоида или другой криволинейной. Полости ротора заполнены тяжелыми инертными газами или легкокипящими холодильными агентами. Благодаря использованию центробежных сил для сжатия среды и обеспечению ее циркуляции повышается производительность и КПД установки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и холодильной техники, конкретно к тепловым насосам и холодильным машинам.

Известно устройство [1] , содержащее связанный с валом ротор с герметичной полостью, заполненной газовой или парообразующей средой и разделенной внутренней перегородкой на приосевое пространство испарителя и периферийное конденсатора, замыкающий их между собой циркуляционный контур с включенным в него специальным циркуляционным компрессором.

Устройство позволяет повысить эффективность преобразования теплового потенциала и уменьшить затраты энергии на сжатие рабочей среды за счет использования центробежных сил, подавить с помощью циркуляционного контура самопроизвольное возникновение паразитных вихрей - вихрей Тейлора. Однако в этом устройстве велики затраты энергии на работу циркуляционного компрессора, требуется надежное уплотнение рабочего органа компрессора, устройство весьма сложно в конструктивно-технологическом исполнении.

Известно также устройство [2] , содержащее коаксиальный двухполостной ротор с внешней герметичной полостью, заполненной рабочей средой и разделенной перегородкой на приосевое пространство испарителя и периферийное конденсатора, связывающий их между собой циркуляционный контур с включенным в него циркуляционным компрессором и внутренней полостью, заполненной той же или иной рабочей средой и отделенной от внешней боковыми и аксиальными стенками.

Устройство позволяет использовать центробежные силы не только на сжатие рабочей среды, но и на ее циркуляцию с помощью встроенного в контур центробежного компрессора.

Потери энергии на работу циркуляционного контура в этом устройстве ниже, а коэффициент преобразования выше в сравнении с предыдущем.

Встроенный центробежный компрессор не требует уплотнений, устройство достаточно просто и технологично.

Однако внутренняя полость устройства не имеет циркуляционого контура, потери тепла на самопроизвольное образование вихрей Тейлора в ней весьма велики, что уменьшает общий КПД, коэффициент преобразования, тепло- и (или) холодопроизводительность устройства. В нем также не оптимизирована рабочая среда, заполняющая обе полости. Кроме того, устройство содержит во внешнем контуре лопастной осевой нагнетатель, в котором не используются центробежные силы, вследствие чего создаваемый им напор мал, а затраты энергии на его работу велики. Вследствие этого общие потери в этом устройстве снижены в сравнении с предыдущим весьма незначительно и не позволяют поднять КПД, коэффициент преобразования и производительность существенно выше машин с ротационными и поршневыми компрессорами.

Предлагаемое устройство ставит своей целью устранить недостатки известных машин и повысить до максимума КПД, коэффициент преобразования, тепло- и холодопроизводительность.

Поставленная цель достигается в устройстве тем, что внутренняя полость ротора снабжена собственным циркуляционным контуром, а его центробежный компрессор выполнен в виде кольцевого диффузора, образованного наклоненной к оси стенкой перегородки и стенкой полости, при этом перегородка выполнена в виде коаксиально с валом усеченного конуса /коноида/ или другой поверхности второго порядка с образующей, делящей сечение полости по диагонали, а в качестве рабочей среды использованы тяжелые инертные газы - ксенон, криптон, аргон, их смеси и /или/ жидкие легкокипящие холодильные агенты.

Кроме того, перегородка внутренней полости ориентирована по направлению создаваемого ей потока таким образом, чтобы поток был противоположно направленным к потоку внешнего циркуляционного контура.

Кроме того, внешняя полость снабжена вторым центробежным компрессором, выполненным в виде кольцевого диффузора, образованного наклоненными к оси стенками внешней и внутренней полостей, при этом стенки полостей выполнены в виде усеченных конусов /коноидов/ или других поверхностей второго порядка, в частности параболоидов, гиперболоидов, синусверсоидов вращения, а сами поверхности ориентированы таким образом, чтобы создаваемый ими поток совпадал по направлению с потоком от первого компрессора.

Предлагаемое устройство показано на фиг. 1, 2, 3, 4.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства, осевой разрез.

На фиг. 2, 3, 4 представлены варианты исполнения внутреннего циркуляционного контура и центробежного компрессора внутренней полости с перегородками в виде коноида, параболоида, синусверсоида вращения соответственно.

Устройство содержит связанный с валом 1 коаксиальный двухполостной ротор с внешней герметичной полостью 2, заполненной газовой или жидкой парообразующей средой и разделенной перегородкой 3 на приосевое пространство испарителя 4 и периферийное конденсатора 5.

Оболочка внутренней полости 6 жестко связана с внешней с помощью радиальных лопастей-перемычек (на чертеже не показаны).

Внешняя полость ротора имеет специальный циркуляционный контур, связывающий приосевое пространство испарителя с периферийным конденсатора. Связь испарителя с конденсатором выполнена с помощью торцевого колеса центробежного компрессора 7 и центростремительного детандера 8. Ротор установлен в скоростных шариковых, масляных или газовых подшипниках. Компрессор и детандер жестко связаны с полостями ротора и вращаются вместе с ними.

Рабочий двухполостной ротор может быть заключен внутри второго внешнего ротора свободного вращения (на чертеже не показан), служащего для уменьшения аэродинамического сопротивления благодаря их вихревому сцеплению между собой.

Оболочки внешней и внутренней полостей ротора образованы поверхностями второго порядка, например конусами (коноидами), фиг. 2, параболоидами, фиг. 3, синусверсоидами, фиг. 4, составляющими между собой кольцевой диффузор 9, служащий дополнительным компрессором.

Внутренняя полость в свою очередь также разделена перегородкой на две части, связанные горловинами между собой и образующие своей циркуляционный контур. Перегородка образована также поверхностью второго порядка - конусом, параболоидом, гиперболоидом, синусверсоидом и составляет с верхней и нижней стенкой полости два кольцевых диффузора, один из которых 10 представляет собой центробежный компрессор, а другой - детандер 11.

Перегородка сориентирована таким образом, чтобы создаваемый ей циркуляционный поток был противоположен по направлению потоку внешней полости. Ротор заключен внутри кожуха-теплообменника 12, снабженного кольцевой камерой или змеевиком для циркуляции теплоносителя на потребителя. Внутренняя полость ротора заполнена тяжелыми инертными газами - ксеноном, крептоном, аргоном, их смесями при повышенном до 6 - 12 кг/см² давлении или парообразующими легкокипящими холодильными жидкостями.

Внешняя полость ротора заполнена той же рабочей средой, что и внутренняя, при том же или более низком избыточном давлении.

Оболочки ротора выполнены из легких сплавов, предпочтительно титановых, композиционных материалов типа стеклопластиков или многослойных пакетных композиций, например, на основе углепластика, армированного проволочной сеткой или усиленного предварительно напряженной проволочной или волоконной намоткой.

Полости снабжены штенгелями или ниппелями для откачки и заполнения средой и их последующей газо-вакуумно-плотной отпайкой.

Антифрикционный ротор свободного вращения установлен в собственных подшипниках с минимальным зазором относительно внешней оболочки рабочего ротора. Вал ротора выполнен трубчатым сквозным или с одним глухим торцом и внутри расположенной тепловой стационарной или вращающейся тепловой трубой.

Вращение на вал передается приводом напрямую, через муфту, через ременную или зубчатую передачу. Скорость вращения ротора определяется диаметром полости, используемой рабочей средой, ее давлением, величиной заданного теплоперепада. Диапазон скоростей составляет от 12 до 60 тыс.об./мин и выше. Ось вращения ротора может быть выполнена как горизонтальной, так и вертикальной. При вертикальном исполнении может быть применена магнитная подвеска ротора для разгрузки опорного подшипника, увеличения ресурса и (или) скорости вращения и теплоподъема.

Кожух теплообменника может быть выполнен герметичным, частично вакуумированным и (или) заполненным теплопроводным газом. Для снижения тепловых потерь через теплопроводность по стенке кожуха он выполняется предпочтительно из материала с низкой теплопроводностью или с теплоизолирующим мостиком на холодном приосевом участке.

Принцип действия устройства заключается в следующем.

При вращении ротора с высокой угловой скоростью периферийные слои рабочей среды сжимаются центробежной силой, а приосевые соответственно расширяются. Поскольку объем полостей ротора неизменен, сжатие и расширение среды в них должны описываться изохорными процессами (закон Шарля-Гей Люссака) : P₁/P₂ = T₁/T₂, в соответствии с этим законом рабочая среда на периферии должна нагреваться, а в приосевой зоне охлаждаться.

Однако закон Шарля-Гей Люссака строго применим и выполняется только для идеальных газов, не обладающих вязкостью. Процессы, происходящие в замкнутых объемах газов и сред с реальной вязкостью, значительно сложнее. В заполняющей замкнутый объем среде возникают нерегулярные турбулентные движения, переходящие при определенных скоростях в долгоживущие когерентные структуры - вихри Тейлора, и образуется вихревая конвективная решетка, состоящая из интенсивных вихревых цилиндров.

Число вихрей и их интенсивность пропорциональны угловой скорости. Вихревая решетка переносит тепловую энергию как в радиальном, так и в широтно-меридиональном направлениях, например атмосферные вихри - циклон тайфун, торнадо.

Самопроизвольный внутриполостной тепломассоперенос существенно нарушает радиальное температурное распределение идеального газа, описываемое уравнением где ω - угловая скорость, r - радиус вращения, C_p - теплоемкость, K - показатель адиабаты.

Вихри Тейлора не позволяют установиться на периферии ротора стабильной и достаточно высокой температуре, преждевременно унося тепловую энергию обратно в холодную приосевую зону. При больших числах Тейлора T = 4ω²h^Lν², где ω - угловая скорость, h - масштабный фактор, ν - вязкость рабочей среды, в определенных узких границах паразитная турбулентность может не возникнуть, но для обеспечения надежного ее подавления требуется организация специальной искусственной циркуляции с теплопередачей в слоях при постоянном (или нарастающем) давлении, как это сделано в известном устройстве по пат. ФРГ N 1014131 во внешней полости ротора с использованием эффекта термосифона. Однако в известном устройстве достаточно обширная и емкая внутренняя полость ротора не защищена от образования вихрей Тейлора и паразитной турбулентности.

Предложенное устройство устраняет этот недостаток известного за счет того, что организуется послойная циркуляция и во внутренней полости, причем эта циркуляция происходит в противоположном направлении внешнему контуру и с нарастанием давления при теплопередаче для исключения образования вихрей Тейлора.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При вращении ротора приводом с высокой угловой скоростью рабочая газовая или парообразующая среда сжимается на периферии полостей мощными центробежными силами, расширяясь одновременно в приосевых областях. В контурах обеих полостей, ограниченных стенками кольцевых диффузоров, возникает послойная циркуляция взаимно противоположного направления. Указанная циркуляция развивается под действием тангенциальной составляющей центробежной силы, создающей компрессионный напор - центробежную тягу во вращающихся конических каналах (8).

Для уменьшения образования турбулентных вихрей в каналах контуров может быть более выгодна и предпочтительна особая форма кольцевых диффузоров - плавно изгибающихся параболоидов вращения, гиперболоидов или поверхностей, специально рассчитанных для обводов быстроходных морских судов - синусверсоидов вращения. При этом циркуляция во внешней полости обеспечивается наклонными стенками обеих полостей, а во внутренней - специальной перегородкой, делящей сечение полости по диагонали.

Взаимно противоположная по направлению циркуляция в двух смежных между собой полостях обеспечивает наиболее эффективный теплообмен. Внешний ротор свободного вращения позволяет уменьшить аэродинамические потери на вихреобразование на наружной поверхности.

Сжатая центробежным полем рабочая среда после теплообмена с внешним теплоносителем поступает в центростремительный детандер 8 внешней полости, а во внутреннем контуре - в центростремительный детандер 11. Для тепловых насосов с высоким теплоподъемом оптимальной рабочей средой являются тяжелые инертные газы - ксенон, криптон, аргон. Для тепловых насосов с невысоким теплоподъемом, но с высокой теплопроизводительностью, а также для холодильных машин - легкокипящие холодильные агенты.

Расширяясь в детандере 8, среда охлаждается и переохлажденная движется в приосевом канале, отбирая при постоянном и низком давлении тепло низкого потенциала от холодного теплоносителя, циркулирующего внутри вала. Далее рабочая среда отсасывается из приосевого канала первым центробежным компрессором 7 и вновь поступает в кольцевой диффузор, где еще больше сжимается и одновременно отдает тепло сжатия горячему потребителю.

В холодильной машине в отличие от теплового насоса тепло сжатия отдается окружающей среде.

Во внутреннем контуре тот же цикл совершается в противоположном направлении с той лишь разницей, что центробежное сжатие и центростремительное расширение происходит в двух смежных, разделенных между собой наклонной перегородкой кольцевых компрессоре 10 и детандере 11.

Таким образом, внутренняя полость осуществляет под действием центробежных сил такой же эффективный цикл теплопереноса, как и внешняя, исключая паразитные вихревые потери на тейлоровскую турбулентность, и передает теплопроводностью свое тепло горячему каналу внешнего контура.

Предложенное устройство осуществляет сжатие и нагрев рабочей среды, а также антивихревую противотурбулентную послойную циркуляцию исключительно с помощью центробежных сил без преобразования тепла в механическую работу и соответствующих этому преобразованию необратимых потерь энергии. Вследствие этого предложенное устройство имеет максимальную из возможных эффективность работы. Коэффициент трансформации холодильных машин K_тр = Q/A, где Q - производимое количество тепла; A - затрачиваемая приводом работа.

Производимое тепло (холод) составляет где
м - масса рабочего агента;
T - рабочий теплоподъем.

Затрачиваемая работа на разгон ротора
,
где
I - момент инерции
I = МR²/2;
A =
M - общая масса ротора;

откуда видно, что K_тр определяется не только факторами среды K и C_p, но и отношением м/M, т.е. коэффициентом заполнения ротора. Для инертных газом м/M = 0,1 - 0,2, а для легкокипящих агентов типа Ф-12 и Ф-22 соответственно 0,5 - 0,7.

Следовательно, коэффициент трансформации (преобразования) для жидких агентов в активный период разгона ротора существенно выше, чем для газов. Но, с другой стороны, жидкие агенты не могут работать при высоких температурах из-за чрезмерно высоких критических давлений в рабочих полостях ротора. Кроме того, после разгона ротора и выхода на постоянную угловую скорость фактор уже не имеет столь существенного значения.

Формула изобретения

\ \ \ 1 1. Устройство центробежного теплового насоса и (или) холодильной машины, содержащее связанный с валом коаксиальный двухполостной ротор с внешней герметичной полостью, заполненной газовой или парообразующей рабочей средой и разделенной внутренней перегородкой на приосевое пространство испарителя и периферийное пространство конденсатора, соединяющий их между собой циркуляционный контур с включенным в него центробежным компрессором, и внутренней полостью, заполненной той же или иной рабочей средой и отделенной от внешней полости боковыми и аксиальными стенками, отличающееся тем, что внутренняя полость ротора снабжена собственным циркуляционным контуром, а его центробежный компрессор выполнен в виде кольцевого диффузора, образованного из наклоненной к оси перегородки и стенок полости, при этом перегородка выполнена в виде коаксиального с валом усеченного конуса или другой поверхности второго порядка с образующей, делящей сечение полости по диагонали, а в качестве рабочей среды использованы тяжелые инертные газы - ксенон, криптон, аргон, их смеси и (или) легкокипящие холодильные агенты. \\\2 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перегородка внутренней полости ориентирована по направлению создаваемого ей потока так, чтобы поток был противоположен потоку внешнего циркуляционного контура. \\\2 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что внешняя полость снабжена вторым центробежным компрессором, выполненным в виде кольцевого диффузора, образованного наклоненными к оси стенками внешней и внутренней полостей, при этом стенки полостей выполнены в виде усеченных конусов или других поверхностей второго порядка, в частности параболоидов, гиперболоидов, синусверсоидов вращения, а сами поверхности ориентированы так, чтобы создаваемый ими поток совпадал по направлению с потоком от первого компрессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4