Термокомпрессор

Аннотация. В настоящей работе рассмотрен принцип работы термокомпрессора. Затрагивается вопрос современных разработок и условия теплообмена. Проведена оценка актуальности изучения выбранной темы.

Abstract. In this paper, the principle of operation of a thermocompressor is considered. The issue of modern developments and the conditions of heat exchange are touched upon. The assessment of the relevance of the study of the selected topic is carried out.

Ключевые слова: термокомпрессор, теплообмен, поршень, создание холода.

Keywords: thermocompressor, heat exchange, piston, cold generation.

Поскольку системы охлаждения и криогенная техника находят широкое применение не только в авиационной или космической промышленности, то изучение и развитие новых устройств является очень важным и актуальным вопросом для бортовой энергетики. Данная работа посвящена исследованию криогенного термокомпрессора, предназначенного для работы в составе установки для газификации сжиженного природного газа.

Термомеханический компрессор (термокомпрессор) – устройство термического действия для повышения давления. Изменение давления газа осуществляется за счёт его периодического нагрева и охлаждения при перемещении из горячей полости в холодную через регенератор. Конструктивно, простейший термокомпрессор представляет собой сосуд с клапанами, в котором газ периодически нагревается и охлаждается (Рисунок 1). Изменение температуры газа в результате его нагрева и охлаждения приводит к периодическому повышению давления, которое можно использовать для нагнетания газа [1].

Рисунок 1. – Конструктивная схема термокомпрессора:

1 — цилиндр; 2 — корпус вытеснителя; 3 — регенератор; 4 — уплотняющее кольцо вытеснителя; 5 — выпускной клапан; 6 — впускной клапан; 7 — шток вытеснителя

Устройство работает по принципу термомеханического преобразования энергии, которое включает в себя передачу энергии из тепловой формы в потенциальную энергию давления без промежуточного перехода в механическую энергию [2].

В ряде случаев термокомпрессором называется паровой эжектор, который использует вторичное тепло для повышения давления струи пара [3]. В нем осуществляется процесс инжекции, заключающийся в передаче кинетической энергии одного потока другому путем смешения. В результате процесса инжекции за счет энергии пара более высоких параме­тров повышается давление инжектируемого пара, и, кроме того, есть возможность повысить его температуру до необходимого значения, что очень важно в случае, если утилизируемый пар является насыщенным и низкопотенциальным. Такой способ утилизации низкопотенциального пара имеет преимущества перед другими методами ввиду низких капитальных вложений и не требует существенного изменения в технологии.

Такие термокомпрессоры находят свое применение в химической промышленности, а также в пищевом, целлюлозно-бумажном и пивоваренном производствах, а также для осушки различных материалов.

Третьим видом термокомпрессоров является устройство, в котором повышение давления осуществляется за счет использования ферромагнитной жидкости, на которую оказывает воздействие термоэлектрическая батарея.

В термокомпрессоре изменение температуры газа в результате его нагрева и охлаждения приводит к периодическому повышению давления, которое можно использовать для нагнетания и всасывания газа.

Максимальная степень повышения давления π в идеальном термокомпрессоре определяется отношением абсолютных температур в процессах нагрева и охлаждения. Для получения больших π соединяют последовательно несколько таких компрессоров.

Отсутствие высоконагруженных механически движущихся деталей обусловливает высокую надежность таких устройств, однако их эффективность невысока: эксергетический КПД не превышает 2-3%. Низкий уровень эффективности определяется спецификой осуществляемых процессов и прежде всего условиями подвода (отвода) теплоты к газу (от газа). Тепловой поток подводится к газу при переменной температуре, которая изменяется в определенном интервале. Условия теплообмена лимитируют также частоту следования процессов нагрева и охлаждения, что существенно ограничивает удельную производительность таких устройств. Одним из направлений решения этих проблем служит разработка так называемых термомеханических машин. Повышение давления газа в них осуществляется также периодическим нагревом и охлаждением, то есть за счет теплоты, но эффективность термомеханических машин существенно выше. Это достигается разнесением зон подвода и отвода теплоты, введением внутренней регенерации тепла и перемещением газа из холодной полости в горячую, для осуществления чего затрачивается некоторое, относительно небольшое количество механической энергии. В большом количестве случаях для систем, предназначенных для авиационно-космической отрасли, задаются высокие требования полной герметичности и чистоты внутреннего контура. Данные системы, в основном, работают в определенном интервале величин внешних параметров. Но в то же время возможны ситуации, когда внешние факторы могут отклоняться от своих средних значений, поэтому так актуально изучение этой темы.