具有动态空气冷却的制冷单元和所述单元的工作元件的制作方法

1.本发明的目的是一种用于家庭和工业冷却和空调系统中的技术流体例如水，以及用于广泛的技术工艺的制冷单元：从核反应堆的冷却到人工条件下的鱼类养殖。本发明的目的也是一种单元的工作元件。


背景技术：

2.己知用于使用蒸汽压缩工作原理、吸收原理以及基于与周围环境的自然热交换的工艺流体的冷却系统。
3.在使用蒸汽压缩工作原理的系统的情况下，其缺点涉及使用中间工作流体，即产生温室效应的人工冷却剂(氟氯烃)；
4.在吸收系统的情况下天，缺点包含几何尺寸大、金属消耗高和冷却能力低。
5.另一方面，在自然热交换(所谓的“自由冷却”)的情况下，所得容量较低，并且会发生热能排放。此外，需要在低温和大量供水的条件下将装置放置在大气中。
6.在背景技术中，来自捷克的实用新型cz 30873u1的已知冷却装置是一种包括电动离心压缩机的动态空气制冷单元，其中所述离心压缩机的出口管连接到特殊轮廓通道的入口管，具有高动能的冷却空气从所述入口管被引导到具有电发生器的径向轴流式涡轮机的入口。
7.此原型装置的不利之处在于，在离心压缩机的后面的空气流直接递送到工作元件的入口管，由于向温度高于环境温度的工作元件供应空气，这降低了冷却能力。
8.本发明的目的是消除这些缺点，并且开发一种舒适、环保和节能的装置，用于在不使用人工冷却剂的情况下冷却工艺流体，从而减少温室气体排放，提高能效和可靠性。


技术实现要素：

9.本发明构成了一种具有动态空气冷却的制冷单元，所述制冷单元由具有电动驱动装置的离心压缩机组成，所述离心压缩机的出口连接到具有圆柱形中空轮廓的工作元件，所述圆柱形中空轮廓包括具有基本上椭圆形形状的螺旋形凹部，所述工作元件的出口连接到具有径向轴线的涡轮机的入口，所述涡轮机连接到电能发生器。所述涡轮机的所述出口朝壁管式热交换器引导，所述壁管式热交换器进一步连接到工艺流体泵。本发明的实质在于，在所述离心压缩机与所述工作元件之间的布置中，存在风扇与其连接的管壁式交换器。
10.优选地，逆变器连接到具有径向轴线的所述涡轮机的所述发生器。
11.优选地，所述逆变器连接到所述离心压缩机的所述电动驱动装置。
12.本发明的实质还构成一种制冷单元的工作元件，所述工作元件的特征在于，具有圆形入口；在所述入口的后面，存在圆柱形区段，所述圆柱形区段的长度显著短于其开口的间隙的直径；在所述区段的后面，存在突起物，所述突起物的壁向外部凸出，并且具有半圆形形状，所述突起物的直径大于所述圆柱形区段的直径；在所述突起物的后面，存在显著最长的区段，所述显著最长的区段以其内壁具有形状类似于椭圆形的周向凹部的方式成形，
所述周向凹部沿其纵向横截面螺旋地延伸，所述凹部的所述横截面沿所述工作元件的此部分不均匀，并且此横截面的大小以流体方式增大和减小；在所述区段的后面，存在具有倾斜成形的壁的出口，其中较大直径放置在所述工作元件的端部处；所述凹部减小至所述出口的区域。
13.具有动态空气冷却的制冷单元是一种热电联产元件，在所述热电联产元件中，冷却伴随着机械能的产生，随后转换成电能。电能可以用作回收的能量，以根据本发明本身为所述装置供电，从而部分地限制从系统外部吸收电能。与将热量释放到大气中的已知单元相比，在根据本发明的所述单元中，没有热量排放到大气中，而热能被转换成机械能。此类能源利用提供了非常大的经济效应，而且对环境几乎是中性的。
附图说明
14.本发明的实施例如附图所呈现，其中：
15.图1呈现了呈具有动态空气冷却的单元的形式的装置的布置的布局。
16.图2呈现了单元的工作元件的纵向横截面。
17.图3呈现了单元的工作元件的横向横截面。
具体实施方式
18.在一实施例中，具有动态空气冷却的制冷单元由具有电动驱动装置2的离心压缩机1组成。离心压缩机1的出口管连接到管板式热交换器3的入口管，所述管板式热交换器连接到风扇4。交换器3是空气-空气类型的交换器。管板式热交换器3的出口管连接到工作元件5的入口管。工作元件5连接到具有径向轴线的涡轮机7的入口管，所述涡轮机连接到电能发生器6。涡轮机7的出口管朝连接到泵9的管板式热交换器8引导。交换器8构成空气-水类型的交换器。发生器6进一步连接到逆变器10。所产生电能的频率转换和其与主电源的频率的同步发生在逆变器10中。
19.在一实施例中，所述装置以由电动驱动装置2供电的电动离心压缩机1吸入环境空气，并且产生被引导到管板式热交换器3的入口管中的空气流的方式操作，其中所述空气流的温度与大气的温度相等。然后将空气流引导到工作元件5的入口管中。在构成以下部分所描述的具有特殊轮廓的通道的工作元件5中，空气的内能的一部分被转换成空气流的动能，从而导致其冷却。离心压缩机1的参数是基于涉及具有动态空气冷却的单元的技术特性的要求选择的。工作元件5的轮廓是基于开发的气体动力学过程的数学模型，基于涉及具有动态空气冷却的单元的技术特性的要求计算和设计的。随后，具有高动能的冷却空气流引导到连接到电发生器6的具有径向轴线的涡轮机7中。在具有电发生器6的径流-轴流式涡轮机7的转子上，冷却空气流的动能转换成轴旋转的机械功，从而使空气速度降低并产生电能。具有电发生器6的具有径向轴线的涡轮机7是基于涉及具有动态空气冷却的制冷单元的技术特性的要求选择的。在涡轮机7的后面，被冷却的低速空气流被引导到管板式热交换器8中，在所述管板式热交换器中，要冷却的工艺流体由泵9循环移动。由发生器6产生的电能穿过逆变器10，在所述逆变器中，发生频率转换和与主电源同步，然后所述电能传输到主电源，从而为装置提供高能效。
20.工作元件5如图2和图3所呈现。工作元件5的形状使得空气能够流过其内部，使其
产生类似龙卷风效应的旋转运动。在此元件中，空气的内(热)能转换成流动空气的动能，这使其速度增加并使其温度降低。
21.工作元件5具有被调整以适应管板式热交换器3的出口的圆形入口5.1。在入口的后面，存在圆柱形区段5.2，所述圆柱形区段的长度显著短于其开口的间隙的直径。在区段5.2的后面，存在突起物5.3，所述突起物的壁向外部凸出，并且具有半圆形形状。突起物5.3的直径大于圆柱形区段5.2的直径。在突起物5.3的后面，存在显著最长的区段5.4，所述区段使空气以湍流流动的方式旋涡运动。区段5.4以其外壁具有形状类似于椭圆形的凹部5.5的方式成形，所述凹部沿其纵向横截面倾斜地(螺旋地)延伸。凹部5.5类似于枪管的膛线。凹部5.5的横截面沿工作元件5的此部分不均匀。此横截面的大小以流体方式增大和减小。工作元件5以具有倾斜(圆锥)成形的壁的出口5.6结束，其中较大直径的放置在工作元件的端部。工作元件的出口5.6朝涡轮机7引导。在本发明实例中，工作元件5具有沿其内部外围均匀分布的6个凹部5.5。
22.本发明是在动态空气冷却的基础上发明的，所述动态空气冷却基于以下物理学原理：热力学第一定律；连续介质力学；伯努利原理(bernoulli
′
s principle)；绝热空气膨胀过程的利用；在通过脉冲活性流放电气体的过程中气流异常高的现象；焦耳-汤姆逊效应(joule-thomson effect)的利用。
23.基于一般理论研究，开发了动态空气冷却过程的原始数学模型。所述数学模型能够进行构造动态空气冷却发生器所需的计算。
24.冷却过程通过将空气流的内热能部分转换成动能发生。
25.转换基于流和顶点过程进行，由工作元件的结构控制。
26.工作元件中的角和径向空气速度是基于参数s计算的(gupta，a.《湍流(turbulent flow)》[教科书]/a.gupta，d.lilly，n.sayred.-m.：mir，1987.-第588页)所述参数是无量纲系数：
[0027][0028]
其中ρ是空气流的密度；v是径向速度，并且w是轴向空气流速。工作元件基于数学模型开发，其中在虚拟和物理模型上验证所有参数，并在必要时调整这些参数以产生期望的结果。
[0029]
通过数学建模和可视化获得并在cfd软件套件中验证的本发明的实施例之一的热物理参数表明：如果工作元件5的通道的输入处的空气温度为323k或+50℃，则工作元件5的通道的输出处的空气温度将为约253k或-20℃。在此类情况下，空气流速将从40米/秒增加到375米/秒。
[0030]
以下出版物呈现了所述过程的理论以及有关数学建模和设计计算的信息：
[0031]
1.abramowicz，g.n.《应用气体动力学(applied gas dynamics.)》o 2h.第1部分：手册、技术学校说明(part 1：handbook，instructions for technical schools.)-第五版，修订和增补版/g.n.abramowicz.-m.：俄罗斯国家科学出版社(nauka)，1991.-第600页。
[0032]
2.maake，v.，eckert，g.-j.，koshpen j.-l.《冷却指南(guidebook on cooling)》[教科书]，-m.：莫斯科大学出版社(moscow university publishing house)，1998.-第1142页。
[0033]
3.baklastov，a.n.《用于交换热量和质量的工艺和工业装置(processes and industrial installations for exchanging heat and mass.)》-m.：energoizdat，2006。
[0034]
工业适用性
[0035]
具有动态空气冷却的制冷单元可以批量生产；它可以根据用户的需要具有不同的功率。所述单元可适用于冷却技术。