Воздушный теплотрансформирующий агрегат

(21) 3938382/2 (22) 31.07.85 (46) 23,02.89. (75) Б.А.Глазу (53) 621,575(0 (56) Авторское У 1281748, кл. Бюл, Фов8. 8)свидетГ,О 4 С ССС 198 ьств 3/02 ГОСУДАРСТБЕННЬЗЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗ(57) Изобретение относится кхолодильной технике, м.б. использовано врасширительных машинах, Цель изобретения - расширение функциональныхвозможностей агрегата путем дополнительного охлаждения воздуха, В цилиндрическом корпусе коаксиально расположены роторы, Каждый ротор снабжен двумя диаметрально расположенными поршнями регенератора 4, двигате-ля, компрессора 2, образующих рабочие камеры с впускными и выпускными,окнами, и детандера 3, Теплообменники 6 и 5 расположены соответственно,в компрессоре 2 и детандере 3, пакеты пружинящих теплообменных пластин - между поршнями регенератора 4, детандера 3 и компрессора 2 и соединены с ними с помощью дополнительно установленных сильфонов. Неподвижный коллектор 20 расположен по оси роторов и разделен на два канала: один канал сообщен с теплообменником компрессора и линией охлаждающего воздуха, а другой - сетеплообменником 5 детандера 3 и линией охлаждаемого воздуха. Выпускное окно компрессора 2 соединено через обогреваемую часть регенератора 4 с вхо дом детандера 3, а выход его через обогревающую часть регенератора 4 - аФ с входом компрессооа 2, Воздух, проходя между пакетами пластин, охлаждается. Конструкция агрегата позволяет устанавливать необходимый т-рный С режим самостоятельно, так как пластины компрессора 2 меняют свою т-ру вслед за изменением т-ры охлаждающего воздуха или .нагреваемого воздуха. . 12 ил.СоставителС.Патрушева Техред А. от Корректор М,Самборск чук ак аэ 528/4 одписное В оибинат "Патент", г.ужго Производственно-издательск л. Гагарина,0 Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Иосква, Ж, Раушская наб., д. 4/5Изобретение относится к холодильной технике, а точнее к расширительным машинам.Цель изобретения - расширение5 функциональных возможностей агрегата путем дополнительного охлаждения воз" духа.На фиг.1 представлен агрегат, общий вид на фиг2 - то же, продоль ный разрез агрегата; на фиг.3 - сечение А-А на фиг,2 двигателя в начале впуска сжатия, рабочего хода и вы" пуска; на фиг,4 - то же, в конце впуска, сжатия, рабочего хода и вы пуска; на фиг.5 - сечение Б-.Б на фиг,2 детандера во время впуска и выпуска и теплообменника в период подвода к нему тепла; на фиг.б - то же, во время расширения в конце 20 выпуска; на фиг.7 - сечение В-В на фиг.2 компрессора в начале впуска и сжатия, а его теплообменник во время отвода от него. тепла к воздуху; иа фиг.8 - то же, во время впус ка и нагнетания; .на фиг.9 - сечение Г-Г на фиг,2; на фиг.10 - сечение Г-Г на фиг.2 регенератора в другом режиме; на фиг.11 - сечение Б-Б на фиг.2 пакетов пластин; на фиг.12 - 30 вид на пакеты пластин со стороны решеток.Предлагаемый агрегат содержит двигатель 1, компрессор 2, детандер 3, регенератор 4, теплообменники 5 и 6 ,.35 соответственно детандера 3 и компрессора 2, объединенные в один агрегат и размещенные в корпусе 7. Кроме того, агрегат содержит вентиляторы 8 и 9 и теплообменник 10, подклю- ф ченные к агрегату. Все элементы агрегата объединены в четыре контура.Контур рабочего воздуха содержит компрессор 2, выпускное окно 11 ко" торого соединено с впускным окном .45 12 обогреваемой части регенератора 4, выпускное окно 13 которой соединено с впускным окном 14 детандера 3. Выпускное окно 15 детандера 3 соединено с впускным окном 16 обогревающей части регенератора 4, выпускное окно 17 которой соединено с впускным окном 18 компрессора 2. Контур охлаждаемого воздуха содержит вентилятор 8, выход которого сообщается с атмосферой, а вход че- рез окно 19 коллектора 20 сообщается с полостью теплообменника 5. Впускное окно 21 теплообменника 5 сообщается с атмосферой.Контур нагреваемого воздуха со" держит вентилятор 9, выход которого через окно 22 коллектора 20 сообщается с полостью теплообменника бВыпускное окно 23 теплообменника б через рубашку охлаждения двигателя 1 и корпус теплообменника 40 сообщается с потребителем тепла 24. Потребитель тепла 24 соединен также со входом вентилятора 9.Контур двигателя содержит двигатель 1, впускное окно 25 которого сообщается с атмосферой и выпускное окно 26 через теплообменник 10 сообщается с атмосферой.В полости двигателя 1 укреплены форсунка 27, датчик 28 управления форсункой 27, свеча 29, пусковые стопоры 30 и 31, труба 32 для подвода сжатого воздуха при пуске,Корпус 7 закрыт с торцов крышками 33, к которым прикреплен коллектор 20, коаксиально размещенный в корпусе 7. В корпусе 7 коаксиально размещены роторы 34 и 35. Ротор 34 имеет два радиальных поршня 36 двигателя 1, два поршня 37 компрессора 2, два поршня 38 детандера 3 и два поршня 39 регенератора 4, соединенные кольцами 40. Ротор 35 имеет два.поршня 41 двигателя 1, два поршня 42 компрессора 2 два поршня 43 детандера 3 и два поршня 44 регенератора 4, соединенные кольцами 45. Ротор 34 кинематически посредством шестерни 46, прикрепленной к ротору 34, и шестерни 47 соединен с пневмодвигателем 48. Коллектор 20 в полости регенератора 4 имеет две перепускные выемки 49.Между поршнями 37 и. 42 компрессо" ра 2, поршнями 38 и 43 детандера 3, поршнями 39 и 44 регенератора 4 имеются по четыре камеры, в которых помещены пакеты теплообменных пластин 50. Пластины 50 волнистые и соединены между собой радиальными швами, проходящими по гребням волн в пружинящие пакеты, работающие как на сжатие, так и на растяжение, Имеются силовые пластины 51, помещенные в пакеты и делящие пакеты на равные части, прикрепленные к силовым пластинам 51. Крайние силовые пластины 51 пакета соединены сильфонами 52 с поршнями 37 (38, 39, 42,0553 10 15 20 25 30 35 40 45 50 з 146 43, 44). Сильфоны 52 не пропускают воздух в радиальном направлении.Име- ются решетки 53, прикрепленные к корпусу 7 и размещенные в окнах 21, 23, 12, 13, 16, 17. Силовые пла стины 51 имеют перепускные окна 54, а сильфоны 52 имеют перепускные окна 55, вырезанные по краям сильфонов 52. Все пакеты и решетки 53 имеют одинаковое устройство, Имеется регулирующий вентиль 56, соединяющий впускное окно 18 компрессора 2 с атмосферой.Агрегат работает следующим образом.В двигателе 1 воздух всасывается через окно 25, сжимается, производится сжигание топлива, расширение образовавшихся газов и их выпуск через окно 26 и теплообменник 10 в атмосферу. Двигатель 1 вместе с детандером 3 приводит в действие компрессор 2 и регенератор 4.В контуре рабочего воздуха воздух входит через окно 18 в компрессор 2. Так как тепло при сжатии отводится к пластинам 50, воздух в компрессоре 2 сжимается почти изотермически и нагнетается через окно 11, окно 12 в обогреваемую часть регенера- тора 4, Б регенераторе 4 воздух изобарически охлаждается, отдавая тепло пластинам 50 регенератора 4 и через окно 13, окно 14 поступает в детандер 3, Так как при расширении тепло к воздуху подводится от пластин 50, в детандере 3 воздух расширяется" почти изотермически и вытесняется через окно 15, окно 16 в обогревающую часть регенератора 4. Там воздух изобарически нагревается, получая тепло от пластин 50 регенератора 4 и через окно 17, окно 18 поступает в компрессор 2, Минимальное давление в агрегате регулируется открытием вентиля 56 и при минимальной тепловой нагрузке устанавливают на входе компрессора 2 давление меньше атмосферного, а при максимальной тепловой нагрузке устанавливают на входе компрессора 2 давление, равное атмосферному. В теплообменнике 5 воздух охлаждается, отдавая тепло пластинам 50.В контуре нагреваемого воздуха воздух из потребителя тепла 24 вентилятором 9 подается через окно 22 коллектора 20 в теплообменник 6.В теплообменнике 6 воздух нагревается, получая тепло от пластин 50 и через окно 23, рубашку охлаждения двигателя 1, теплообменник 10 поступает к потребителю тепла 24. Воздух, получая тепло от рубашки охлаждения двигателя 1 и теплообменника 10, подогревается,Роторы 34 и 35 вращаются по часовой стрелке с изменяющимися по синусоидальному закону скоростями,причем ротор 34 движется в противофазек ротору 35, а максимальная скоростьв несколько раз больше минимальной,Между поршнями 36 и 4 1 двигателя 1,поршнями 37 и 42 компрессора 2, поршнями 38 и 43 детандера 3 и поршнями39 и 44 регенератора 4 имеются почетыре камеры, которые движутся поокружности и изменяются в размерах,причем камеры имеют минимальный размер при прохождении их мимо горизонтальной оси и максимальный размерпри прохождении камер мимо вертикальной оси,Б двигателе 1, когда камера междупоршнями 36 и 4 1 движется мимо окна25, она увеличивается и в нее засасывается воздух. Когда камера перестает сообщаться с окном 25, она начинает уменьшаться и воздух в ней сжимается. Когда воздух будет сжат, поршень 36 или 41 воздействует на датчик 28 и форсунка 27 впрыскиваеттопливо, которое воспламеняется свечой 29. Топливо сгорает, температураи давление газов повьппается и происходит расширение газов, то есть рабочий ход. Когда камера увеличиваетсядо максимума, она начинает сообщаться с окном 26, начинает уменьшаться,и отработанный газ вытесняется ватмосферу. За один оборот камеры по окружности происходит впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Смена процессов55 В контуре охлаждаемого воздуха воздух из атмосфры засасывается че.рез окно 21, проходит теплообменник 5, окно 19 коллектора 20 и выбрасывается вентилятором 8 в атмосферу,при движении камерь. по окружности показана на круговой диаграмме фазгазораспределения (Фиг.З), Начало процессов показано на фиг.З, окончание - на фиг.4, 5 146055В детандере 3, когда камера между поршнями 38 и 43 движется мимо окна 14, она увеличивается и заполняется сжатым рабочим воздухом. Когда поршень 38 и 43 перекроет окно 14, сжатый воздух, поступивший в камеру, расширяется,перераспределяясь в пакете через перепускные окна 54 и 55 и с торцов пластин 50. Когда температура воздуха станет меньше температуры пластин 50, тепло от пластин 50 подводится к расширяющемуся воздуху и расширение производится почти изотермически. Когда камера увеличивается до максимума, она на" чинает сообщаться с окной 15, начинает уменьшаться, и воздух вытесняется в регенератор 4. Когда камера начинает сообщаться с окнами 19 и 21 теплообменника 5, пластины 50 расходятся и воздух вентилятором 8 прокачивается между пластинами 50 детандера 3, нагревая их.За пол-оборота камеры по окружно сти в детандере 3 производится впуск сжатого воздуха, расширение с подводом тепла и выпуск. Другие полоборота камеры по окружности в теплообменнике 5 производится отвод30 тепла от охлаждаемого воздуха. Смена процессов при движении камер по окружности показана на диаграмме фаз газораспределения (фиг,5).В компрессоре 2, когда камера между поршнями 37 и 42 движется мимо окна 18, она увеличивается и в нее засасывается воздух. Когда камера 1 увеличивается до максимума, она перестает сообщаться с окном 18 начинает уменьшаться и воздух в ней .сжимается, перераспределяясь в пакете через окна 54 и 55 и с торцов пластин 50. Когда температура воз- . духа становится выше температуры пластин 50, тепло от сжимаемого воз 1 духа передается пластинам 50. Когда камера начинает сообщаться с окном 11, сжатый воздух нагнетается в регенератор 4. Когда камера окажется против перемычки между окнами 11 и 23, почти весь воздух будет вытеснен в окно 11, а пластины 50, силовые пластины 51 и сильфоны 52 сложатся в плотный пакет. Небольшое количество воздуха, оставшееся между пластинами 50, амортизирует, предотвращая соударение поршней 37 и 42. Нри движении камеры мимо перемычки между окнами 11 и 23, она увеличивается и остатки находящегося в ней сжатого воздуха расширяются, совершая полезную работу, Когда камера начинает сообщаться с окнами 22 и 23 теплообменника 6, пластины 50 расходятся, воздух вентилятором 9 прокачивается между пластинами 50 и тепло подводится к нагреваемому воздуху, а пластины 50 охлаждаются.За пол-оборота камеры по окружности в компрессоре 2 производится впуск, сжатие с отводом тепла к пластинам 50 и нагнетание, Другие полоборота камеры по окружности в теплообменнике б производится подводтепла к нагреваемому воздуху от пла-стин 50. Смена процессов при движении камер по окружности показанана диаграмме фаз газораспределения (фиг,7).В регенераторе 4, когда камера между поршнями 39 и 44 движется в верхней части, она сообщается с окнами 12 и 13, перепускной выемкой 49 коллектора 20 и сжатый воздух поступает чеРез окно 12, проходит между пластинами 50, охлаждаясь, и уходит через окно 13, Когда камера подойдет к перемычке между окнами 12 и 16, она уменьшится до минимума и пластины 50 и 51 и сильфоны 52 сложатся в плотный пакет. Когда камера движется мимо перемычки между окнами 12 и 16, она увеличивается и остатки сжатого воздуха в ней расширяются, совершая полезную работу. Когда камера начинает сообщаться с окнами 16 и 17 и перепускной выемкой 49 коллектора 20, воздух после детандера поступает через окно 16, проходит между пластинами 50, нагреваясь, и уходит через окно 17,Напротив перемычек между окнами 12, 16 и 13, 17 всегда находится одна из пар поршней 39 или 44, отделяя верхнюю полость высокого давления регенератора 4 от нижней полости регенератора 4. Пакеты пластин 50 переходят из половины высокого давления в половину низкого давления в плотно сложенном виде и перетекание сжатого рабочего воздуха в половину низкого давления незначительно,Смена процессов в регенераторе 4 при движении камер по окружности по 1460553казана на диаграмме фаз газораспределения (фиг,9).Роторы 34 и 35 имеют одинаковыймомент инерции относительно оси вращения, движутся свободно и закон их5движения определяется давлениямив камерах агрегата. Когда одни изкамер имеют минимальный размер и находятся у горизонтальной оси, скорости роторов 34 и 35 равны. В начале процессов суммарное усилие отрасширяющихся газов в камере двигателя 1 и впускаемого сжатого воздухав камере детандера 3 превьппает суммарное усилие от давления газов идругих камерах и ротор 35 разгоняется, так как его поршни 41 и 43идут впереди, а ротор 34 замедляетсяи его поршни 36 и 38 идут сзади, а 20камеры увеличиваются, Во время расширения газов в камере двигателя 1и сжатого воздуха в камере детандера3, давление снижается, а давлениесжимаемого воздуха в камере двигателя 1 и в камере компрессора 2 увеличивается и в других камерах давление не меняется, Когда усилие отрасширяющихся газов станет меньшесуммарного усилия от давления газов 30в других камерах, ротор 34 начнетразгоняться, а ротор 35 начнет замедляться, расходуя кинематическую энергию на продолжение процессов. В этотмомент скорость поршней 36-39 ротора 34 минимальна и их оси симметриипроходят мимо горизонтальной оси,а оси симметрии поршней 41-44 прохо-,дят мимо вертикальной оси с максимальной скоростью, которая в несколько раз больше скорости поршней36-39. Когда камеры окажутся у горизонтальной оси, они уменьшатся доминимального размера, скорости роторов 34 и 35 сравняются, а поршни 41пройдут по окружности в три разабольшее расстояние, чем поршни 36.Далее все повторяется только теперьпоршни 36 идут впереди, а поршни 41сзади и такдалее,50Пневмодвигатель 48 поддерживает вращение роторов 34 и 35, восполняя своей работой потери энергии на трение движущихся .частей о неподвижные.Передача энергии с ротора 34;соеди.ненного с пневмодвигателем 48, к ротору 35 осуществляется в момент амор-. тизации пакета пластин 50 во время максимального схождения поршней 37и 42,Пластины 50 соединены между собойв пружинящий пакет, работающий какна сжатие, так и на растяжение, вкотором каждая пластина 50 работаетна изгиб как плоская пружина. В среднем пакет движется со скоростью,равной средней скорости поршней 37и 42. Упругость и масса пакетов подобрана такой, что пакет, совершаягармонические колебания, сжимаетсяи расширяется с периодом, за которыйкамера между поршнями 37 и 42 проходит по окружности пол-оборота.В начале, когда камера между поршнями 37 и 42 минимальна, пакет сжат, Во время увеличения камеры пакет разжимается, пластины 50 разгоняются и когда пакет полностью разожмется, пластины 50 двигаются по инерции, растягивая пакет, Когда камера имеет максимальный размер, пакет и сильфоны 52, прикрепленные к нему, имеют максимальное растяжение и расстояние между плас 1 инами 50 равно двум-четырем толщинам пластины 50, Когда камера начинает уменьшаться, пакет сжимается, пластины 50 разгоняются и, когда растяжение пакета становится равным нулю, пластины 50 двигаются по инерции, сжимая пакет, В этот момент на пакет также воздействуют поршни 37 и 42, сжимая его,и, когда камера становится минималЬной, пакет полностью сожмется.Силовые пластины 51 выполненыв поперечном сечении клиновидными, чтопозволяет набирать пакеты пластин 50 из плоских в поперечном сечении пластин. Силовые пластины 51 воспринимают центробежное усилие от пластин 50, которые корпуса 7 не касаются, пластины 51 скользят по поверхности корпуса 7 и не позволяют смещаться в радиальном направлении пластинам 50. Максимальные размеры камер значительно больше растяжения пакета и сильфоны 52 при растяжении предотвращают перетекание воздуха мимо пакета. Решетки 53 являются дополнительным сопротивлением для прохода воздуха, причем сопротивление решеток 53 изменяется по длине дуги так,что сопротивление решетки 53 вьппе там, где пакет имеет минцмальное сопротивление,а сум 1460553 10маркое сопротивление решетки 53 и пакета примерно постоянно,При работе компрессора 2 напротивперемычек между окнами 11, 18 и 23всегда находится одна из пар поршней537 или 42, отделяя полость компрессора 2 от полости теплообменника 6,При работе детандера 3 напротивперемычек между окнами 14, 15 и 21всегда находится одна из пар поршней38 или 43, отделяя полость детандера3 от полости теплообменника 5.При работе агрегата среднее давление рабочего воздуха в агрегатебольше атмосферного и из-за утечкивоздуха со стороны максимальногодавления в теплообменники 5 и 6, .минимальное давление в агрегате установится меньше атмосферного, приэтом подсосы воздуха будут равныутечкам. Изменяя величину открытиявентиля 56 можно изменять минимальное давление, т.е, можно изменятьсреднее давление рабочего воздухав агрегате в 2 раза.Для обеспечения надежной работыагрегата среднюю скорость вращения роторов 34 и 35 поддерживают,пропорциональной корню квадратномуот среднего давления рабочего воздуха.Необходимый температурный режимагрегата устанавливается самостоя тельно, так как пластины 50 меняют 35свою температуру вслед за изменением температуры охлаждаемого илинагреваемого воздуха.На пластинах 50 детандера 3 можетоткладываться иней. Для устранения 40обледенения выключают вентиляторы 8 и 9, т.е, прекращают отвод тепла от агрегата. Вся механическаяэнергия, подводимая двигателем 1,пойдет на разогрев деталей (в основном пластин 50) агрегата и через 12 мин пластины 50 детандера 3 оттают и можно будет включать вентиляторы 8 и 9,Запуск агрегата осуществляетсятак. Включают вентиляторы 8 и 9.Пневмодвигателем 48 проворачиваютротор 34 по часовой стрелке и,когдаодин из поршней 36 пройдет мимо стопора 31, выдвигают стопор 31 внутрьполости. Вращают ротор 34, пока ротор 35, увлеченный ротором 34,не упрется одним из поршней 41 в стопор31. Прекращают вращение роторов 34 и 35 и выдвигают стопор 30. Роторы 34 и 35 оказываются зафиксированными, а одна из камер между поршнями 36 и 41 оказывается над форсункой 27. Заполняем эту камеру сжатым воз духом через трубу 32. Открываем регулирующий вентиль 56. Пневмоцилнндром извлекают стопор 3 1 и одновременно форсункой 27 впрыскивают пусковую порцию топлива, а свечой 29 воспламеняют его. Во всех камерах происходят те же процессы, что и при нормальной работе. Когда поршень 36 перестанет упираться в стопор 30, извлекают стопор 30 из камеры двигателя 1. В начале в течение нескольких секунд компрессор 2 подает больше воздуха, чем потребляет детандер 3 и давление в части высокого давления возрастает пока не установится расчетное давление в окне 14 детандера 3, при котором весь воздух компрессора 2 расширяется в детандере 3. Воздух для подъема давления засасывается в компрессор 2 через вентиль 56. Через несколько секунд температуры всех пластин 50 компрессора 2, детандера 3 и регенератора 4 выйдут на необходимый температурный режим.формула изобретенияВоздушный теплотрансформирующий агрегат, содержащий цилиндрический корпус с коаксиально расположенными в нем двумя роторами, каждый из которых снабжен парой диаметрально расположенных поршней регенератора, двигателя и компрессора, образующих рабочие камеры с впускными и выпускными окнами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем дополнительного охлаждения воздуха, агрегат дополнительно содержит линии охлаждающего и охлаждаемого воздуха, в корпусе дополнительно размещены на каждом роторе пара диаметрально расположенных поршней детандера, два теплообменника размещенных соответственно в компрессоре и детандере, пакеты пружинящих теплообменных пластин, размещенные между поршнями регенератора, детандера и компрессора и соединенные с ними посредством дополнительно установленных сильфонов, неподвижный коллектор, распо)12 1460553 87 ложенный по оси роторов и разделенный на два канала, один из которыхсообщен с теплообменником компрессора и линией охлаждающего воздуха,а другой канал - с теплообменникомдетандера и линией охлаждаемого воздуха, причем выпускное окно компрессора соединено через обогреваемуючасть регенератора с входом детандера, выход которого соединен черезобогревающую часть регенератора свходом компрессора.1