PL240519B1 - Agregat chłodniczy z dynamicznym chłodzeniem powietrza i element roboczy agregatu - Google Patents

Abstract

Agregat chłodniczy z dynamicznym chłodzeniem powietrza, składający się ze sprężarki odśrodkowej (1) z napędem elektrycznym (2), której wylot połączony jest z elementem roboczym (5), którego wylot połączony jest z wlotem turbiny (7) o promieniowej osi połączonej z generatorem energii elektrycznej (6), gdzie wylot turbiny (7) jest skierowany do płaszczowo - rurowego wymiennika ciepła (8) połączonego dalej z pompą (9) płynu procesowego charakteryzuje się tym, że w układzie pomiędzy sprężarką odśrodkową (1) a elementem roboczym (5) znajduje się wymiennik rurowo-płaszczowy (3) typu powietrze-powietrze do którego przyłączony jest wentylator (4). Element roboczy (5) agregatu ma cylindryczny, wydrążony wewnątrz profil zawierający spiralne wgłębienia o zasadniczo owalnym kształcie.

Description

PL 240 519 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest agregat chłodniczy do płynów technologicznych, na przykład wody, w domowych i przemysłowych systemach chłodzenia i klimatyzacji, a także w szerokim zakresie procesów technologicznych: od chłodzenia reaktorów jądrowych do hodowli ryb w sztucznych warunkach. Przedmiotem wynalazku jest także element roboczy agregatu.

Znane są układy chłodzące dla płynów procesowych działających na zasadzie sprężania pary, na zasadach absorpcji i na podstawie naturalnej wymiany ciepła z otoczeniem.

W przypadku układów działających na zasadzie kompresji pary ich wadą jest zastosowanie pośredniego płynu roboczego, czyli sztucznego czynnika chłodniczego (freonu), który wywołuje efekt cieplarniany.

W przypadku układów absorpcyjnych wadami są duże wymiary geometryczne, wysokie zużycie metalu oraz niska wydajność chłodzenia.

Z kolei w przypadku naturalnej wymiany ciepła tzw. „free cooling” uzyskuje się niską wydajność, występuje emisja energii cieplnej. Ponadto urządzenia wymagają umieszczenia ich w atmosferze w warunkach niskiej temperatury i dużej dostępności wody.

W stanie techniki, z czeskiego wzoru użytkowego CZ 30873 U1 znane jest urządzenie chłodnicze powietrzno-dynamiczny agregat chłodniczy zawierający elektryczną sprężarkę odśrodkową, gdzie rura wylotowa sprężarki odśrodkowej jest połączona z rurą wlotową specjalnego kanału profilowego, z którego przepływ schłodzonego powietrza o wysokiej energii kinetycznej kierowany jest do wlotu promieniowej osiowej turbiny z generatorem elektrycznym.

Wadą tego urządzenia prototypu jest to, że przepływ powietrza za sprężarką odśrodkową jest dostarczany bezpośrednio do rury wlotowej elementu roboczego, co zmniejsza wydajność chłodzenia z powodu dostarczania powietrza do elementu roboczego o temperaturze wyższej niż temperatura otoczenia.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie tych wad i opracowanie wygodnego, przyjaznego dla środowiska i energooszczędnego urządzenia do chłodzenia płynów procesowych bez użycia sztucznych czynników chłodniczych, które zapewnią brak emisji gazów cieplarnianych, wyższą wydajność energetyczną i niezawodność.

Wynalazek stanowi agregat chłodniczy z dynamicznym chłodzeniem powietrza, zawierający ze sprężarkę odśrodkową z napędem elektrycznym, której wylot połączony jest z elementem roboczym o cylindrycznym, wydrążonym wewnątrz profilu zawierającym spiralne wgłębienia o kształcie zbliżonym do owalnego, którego wylot połączony jest z wlotem turbiny o promieniowej osi połączonej z generatorem energii elektrycznej. Wylot turbiny jest skierowany do płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła połączonego dalej z pompą płynu procesowego. Istotę wynalazku stanowi to, że w układzie pomiędzy sprężarką odśrodkową a elementem roboczym znajduje się wymiennik rurowo-płaszczowy, do którego przyłączony jest wentylator.

Korzystnie do generatora turbiny o promieniowej osi przyłączony jest falownik.

Korzystnie wspomniany falownik połączony jest z napędem elektrycznym sprężarki odśrodkowej.

Istotę wynalazku stanowi także element roboczy agregatu chłodniczego charakteryzujący się tym, że ma okrągły wlot; za wlotem znajduje się cylindryczny odcinek o długości mniejszej niż średnica światła jego otworu; za odcinkiem znajduje się poszerzenie, którego ściany są wypukłe do zewnątrz oraz mają półokrągły kształt, przy czym średnica poszerzenia jest większa niż średnica cylindrycznego odcinka; za poszerzeniem znajduje się najdłuższy odcinek ukształtowany w ten sposób, że jego wewnętrzne ściany mają obwodowe wgłębienia o kształtach zbliżonych do owalnych, które rozciągają się spiralnie wzdłuż jego przekroju podłużnego, przy czym przekrój wgłębień nie jest jednolity wzdłuż tej części elementu roboczego i wielkość tego przekroju zwiększa się i zmniejsza w sposób płynny; za odcinkiem znajduje się wylot o ukośnie ukształtowanych ścianach, gdzie większa średnica znajduje się na końcu elementu roboczego; wgłębienia redukują się do powierzchni wylotu.

Agregat chłodniczy z dynamicznym chłodzeniem powietrza jest elementem kogeneracyjnym, w którym obok chłodzenia występuje generacja energii mechanicznej przetworzonej następnie na energię elektryczną. Energia elektryczna może służyć jako energia odzyskana do zasilania samego urządzenia według wynalazku, ograniczając częściowo pobór energii elektrycznej z zewnątrz układu. W przeciwieństwie do znanych agregatów, w których ciepło uwalniane jest do atmosfery, w agregacie według wynalazku emisja ciepła do atmosfery nie występuje, zaś energia cieplna przekształcana jest w energię mechaniczną. Takie wykorzystanie energii daje bardzo duży efekt ekonomiczny oraz jest niemalże neutralne dla środowiska.

PL 240 519 B1

Przykład wykonania wynalazku zilustrowano na rysunku, gdzie:

Fig. 1 przedstawia schemat układu urządzenia w postaci agregatu z dynamicznym chłodzeniem powietrza. Fig. 2 przedstawia przekrój podłużny elementu roboczego agregatu.

Fig. 3 przedstawia przekrój poprzeczny elementu roboczego agregatu

Agregat chłodniczy z dynamicznym chłodzeniem powietrza, w przykładzie wykonania składa się ze sprężarki odśrodkowej 1 z napędem elektrycznym 2. Rura wylotowa sprężarki odśrodkowej 1 jest połączona z rurą wlotową rurowo-płytowego wymiennika ciepła 3 połączonego wentylatorem 4. Wymiennik 3 jest wymiennikiem typu powietrze-powietrze. Rura wylotowa rurowo-płytowego wymiennika ciepła 3 jest połączona z rurą wlotową elementu roboczego 5. Element roboczy 5 jest połączony z rurą wlotową turbiny 7 o promieniowej osi połączonej z generatorem energii elektrycznej 6. Rura wylotowa turbiny 7 jest skierowana do rurowo-płytowego wymiennika ciepła 8 połączonego z pompą 9. Wymiennik 8 stanowi wymiennik typu powietrze-woda. Generator 6 jest dalej połączony z falownikiem 10. W falowniku 10 zachodzi konwersja częstotliwości generowanej energii elektrycznej i jej synchronizacja z częstotliwością sieci zasilającej.

Urządzenie w przykładzie wykonania działa w ten sposób, że elektryczna sprężarka odśrodkowa 1 zasilana napędem elektrycznym 2 zasysa powietrze z otoczenia i generuje strumień powietrza kierowany do rury wlotowej rurowo-płytowego wymiennika ciepła 3, gdzie temperatura strumienia powietrza jest wyrównana z atmosferyczną. Następnie strumień powietrza jest kierowany do rury wlotowej elementu roboczego 5. W elemencie roboczym 5, który stanowi kanał o specjalnym profilu opisanym w dalszej części, w którym część energii wewnętrznej powietrza jest przekształcana w energię kinetyczną strumienia powietrza powodując jego schłodzenie. Parametry sprężarki odśrodkowej 1 są dobierane na podstawie wymagań dotyczących właściwości technicznych agregatu z dynamicznym chłodzeniem powietrza. Profil elementu roboczego 5 jest obliczany i projektowany na podstawie opracowanego modelu matematycznego procesu dynamiki gazowej w oparciu o wymagania dotyczące właściwości technicznych agregatu z dynamicznym chłodzeniem powietrza. Następnie strumień schłodzonego powietrza o wysokiej energii kinetycznej kierowany jest do turbiny 7 o osi promieniowej połączonej z generatorem elektrycznym 6. Na wirniku turbiny 7 promieniowo-osiowej z generatorem elektrycznym 6 energia kinetyczna schłodzonego strumienia powietrza jest przekształcana w pracę mechaniczną obrotu wału, dzięki czemu zmniejsza się prędkość powietrza i wytwarzana jest energia elektryczna. Turbinę 7 o osi promieniowej z generatorem elektrycznym 6 wybiera się na podstawie wymagań dotyczących właściwości technicznych agregatu chłodniczego z dynamicznym chłodzeniem powietrza. Za turbiną 7 strumień chłodzonego powietrza o niskiej prędkości kierowany jest do rurowo-płytowego wymiennika ciepła 8, w którym płyn procesowy, który należy schłodzić, krąży pod wpływem pompy 9. Wytworzona przez generator 6 energia elektryczna przechodzi przez falownik 10, w którym zachodzi konwersja częstotliwości i synchronizacja z siecią zasilającą, po czym jest przesyłana do sieci elektrycznej, co zapewnia wysoką efektywność energetyczną urządzenia.

Element roboczy 5 został przedstawiony na Fig. 2 i Fig. 3. Kształt elementu roboczego 5 umożliwia przepływ powietrza przez jego wnętrze nadając mu ruch obrotowy zbliżony do efektu tornado. W tym elemencie energia wewnętrzna (cieplna) powietrza jest przekształcana w energię kinetyczną przepływającego powietrza, co skutkuje wzrostem jego prędkości i obniżeniem jego temperatury.

Element roboczy 5 ma okrągły wlot 5.1 dopasowany do wylotu rurowo-płytowego wymiennika ciepła 3. Za wlotem znajduje się cylindryczny odcinek 5.2 o długości zasadniczo mniejszej niż średnica światła jego otworu. Za odcinkiem 5.2 znajduje się poszerzenie 5.3, którego ściany są wypukłe do zewnątrz oraz mają półokrągły kształt. Średnica poszerzenia 5.3 jest większa niż średnica cylindrycznego odcinka 5.2, Za poszerzeniem 5.3 znajduje się zasadniczo najdłuższy odcinek 5.4, który nadaje powietrzu ruch wirowy o turbulentnym przepływie. Odcinek 5.4 jest ukształtowany w ten sposób, że jego wewnętrzne ściany mają wgłębienia 5.5 o kształtach zbliżonych do owalnych, które rozciągają się ukośnie (spiralnie) wzdłuż jego przekroju podłużnego. Wgłębienia 5.5 przypominają gwintowanie lufy strzelniczej. Przekrój wgłębień 5.5 nie jest jednolity wzdłuż tej części elementu roboczego 5. Wielkość tego przekroju zwiększa się i zmniejsza w sposób płynny. Element roboczy 5 zakończony jest wylotem 5.6 o ukośnie (stożkowo) ukształtowanych ścianach, gdzie większa średnica znajduje się na końcu elementu. Wylot 5.6 elementu roboczego jest skierowany do turbiny 7. W niniejszym przykładzie element roboczy 5 ma 6 wgłębień 5.5 równomiernie rozmieszczonych wokół jego wewnętrznego obwodu.

Dynamiczne chłodzenie powietrzem, w oparciu o które powstał niniejszy wynalazek, opiera się na następujących zasadach fizyki: pierwszej zasadzie termodynamiki; mechanice mediów ciągłych; prawie Bernoulliego; zastosowaniu procesu adiabatycznej ekspansji powietrza; zjawisku nienormalnie

Claims (3)

PL240 519 Β1 wysokiego wzrostu ciągu w procesie wyrzucania gazu za pomocą pulsującego strumienia aktywnego, wykorzystaniu efektu Joule-Thomsona. Na podstawie ogólnych badań teoretycznych opracowano oryginalny model matematyczny procesu dynamicznego chłodzenia powietrza. Model matematyczny umożliwił wykonanie obliczeń niezbędnych do budowy generatora dynamicznego chłodzenia powietrzem. Proces chłodzenia zachodzi przez częściową konwersję wewnętrznej energii cieplnej przepływu powietrza na energię kinetyczną. Konwersja odbywa się na podstawie procesów strumieniowych i wirowych, kontrolowanych przez konstrukcję elementu roboczego. Kątowa i radialna prędkość powietrza w elemencie roboczym jest obliczana na podstawie parametru S (Gupta, A. Wirujące przepływy [Tekst] / A. Gupta, D. Lilly, N. Sayred. - M.: Mir, 1987. - 588 str.) który jest współczynnikiem bezwymiarowym: r 5 = -θ--------- rdr r o gdzie p jest gęstością strumienia powietrza; V jest prędkością promieniową, a W jest prędkością osiową przepływu powietrza. Element roboczy jest opracowywany na podstawie modelu matematycznego z weryfikacją wszystkich parametrów na modelach wirtualnych i fizycznych oraz w razie potrzeby, dostosowaniem tych parametrów w celu uzyskania pożądanych wyników. Parametry termofizyczne jednego z przykładów wykonania wynalazku uzyskane przez modelowanie matematyczne i wizualizację zweryfikowane w pakiecie oprogramowania CFD pokazują: jeśli temperatura powietrza na wejściu do kanału elementu roboczego 5 wynosi 323 K lub +50°C, wówczas temperatura powietrza na wyjściu z kanału elementu roboczego 5 będzie wynosić około 253 K lub -20°C. W takim przypadku natężenie przepływu powietrza wzrośnie z 40 m/s do 375 m/s. Teorię procesu, a także informacje dotyczące modelowania matematycznego i obliczeń projektowych podano w następujących pracach:

1. Agregat chłodniczy z dynamicznym chłodzeniem powietrza, zawierający sprężarkę odśrodkową (1) z napędem elektrycznym (2), której wylot połączony jest z elementem roboczym (5), którego wylot połączony jest z wlotem turbiny (7) o promieniowej osi połączonej z generatorem energii elektrycznej (6), gdzie wylot turbiny (7) jest skierowany do płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła (8) połączonego dalej z pompą (9) płynu procesowego, znamienny tym, że w układzie pomiędzy sprężarką odśrodkową (1) a elementem roboczym (5) znajduje się wymiennik rurowo-płaszczowy (3) typu powietrze-powietrze, do którego przyłączony jest wentylator (4), a element roboczy (5) ma cylindryczny, wydrążony wewnątrz profil zawierający spiralne wgłębienia (5.1) o kształcie zbliżonym do owalnego.

1. Abramowicz, G. N. Stosowana dynamika gazu. O 2 h. Część 1.: podręcznik, instrukcja dla szkół technicznych. - Wydanie piąte, zmienione, i dodaj. / G. N. Abramowicz. - M.: Nauka, 1991. - 600 s.

2. Agregat według zastrz. 1 znamienny tym, że do generatora (6) turbiny (7) przyłączony jest falownik (10).

2. Maake, V., Eckert, G.-J., Koshpen J.-L. Podręcznik na temat chłodzenia [Tekst]. - M.: Wydawnictwo Uniwersytetu Moskiewskiego, 1998. - 1142 str.

3. Baklastov, A.N. Procesy i instalacje przemysłowe do wymiany ciepła i masy. - M.: Energoizdat, 2006.

Agregat chłodniczy z dynamicznym schładzaniem powietrza może być produkowany seryjnie, mieć różną moc w zależności od potrzeb użytkownika.

Agregat ma zastosowanie w technice chłodniczej.

Zastrzeżenia patentowe

3. Agregat według zastrz. 2 znamienny tym, że falownik (10) połączony jest z napędem elektrycznym (2) sprężarki odśrodkowej (1).