Способ, устройство и система охлаждения газообразного рабочего тела и среды (варианты)

Способ, устройство и система охлаждения газообразного рабочего тела и среды (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретения относятся к области машиностроения, а именно энергомашиностроения и, в частности, к способам и устройствам осуществления рабочего процесса в системах охлаждения и кондиционирования.

Известны способы и устройства для охлаждения или нагрева газообразной среды (Ю.М.Шустров, М.М.Булаевский. Авиационные системы кондиционирования воздуха, Москва, Машиностроение, 1978, с.38; Н.Д.Кочетков. Холодильная техника. Москва, Машиностроение, 1966, с.27; Теплотехника. Под ред. Луканина В.Н., Москва, Высшая школа, 2002. 672 с.; Буховцев Б.Б., Климонтович Ю.Л., Мякишев Г.Я. Физика. Учебное пособие, Москва, Просвещение, 1971, с.73-74).

Известен способ охлаждения газообразного рабочего тела (РТ) (патент РФ № 2221154), включающий поочередный впуск рабочего тела от источника с избыточным давлением в одну из смежных расширительных камер через впускное устройство, расширение рабочего тела с понижением его температуры и давления при совершении им механической работы, передаваемой через давление на заслонку, образующую одну из стенок расширительной камеры, вращающемуся ротору, выпуск рабочего тела через выпускное устройство из расширительной камеры при достижении ей максимального объема.

Особенность осуществления известного способа состоит в том, что расширение рабочего тела ведут в режиме совершения им механической работы с охлаждением, т.е. используют как двигатель. При этом если степень расширения рабочего тела превышает величину, при которой рабочее тело имеет давление, равное атмосферному давлению (давлению окружающей среды), то последующее увеличение объема рабочего тела (принудительное) сопровождается дальнейшим понижением его температуры, хотя в результате противодавления атмосферного воздуха на заслонку рабочей камеры приводит к уменьшению получаемой механической работы. Другими словами, часть рабочего цикла, показанного на фиг.1, при увеличении объема рабочего тела от 0 до V_р осуществляют в режиме двигателя (т.е. на этом этапе расширения рабочего тела имеется положительная механическая работа, получаемая в результате преобразования внутренней энергии рабочего тела), а его другую часть при увеличении объема рабочего тела от V_p до V_рк осуществляют в режиме детандера (т.е. с затратами механической работы, запасенной в виде кинетической энергии вращения ротора и получаемой от расширения рабочего тела в режиме двигателя в последующем цикле, осуществляемом в другой расширительной камере, которая (см. фиг.3) по времени частично перекрывается с текущим циклом).

В известном способе после впуска рабочего тела в объем впускной камеры (ВК) ведут непрерывное увеличение объема рабочего тела до максимального значения V_рк, равного объему рабочей камеры (РК), которое происходит при постоянном понижении температуры рабочего тела, достигающей минимального значения при выпуске рабочего тела из рабочей камеры. В итоге при увеличении объема рабочего тела от объема впускной камеры V_вк до объема рабочей камеры V_рк (фиг.1) происходит непрерывное понижение его температуры от начальной температуры Т_н при впуске в рабочую камеру до конечной температуры Т_к при выпуске из рабочей камеры (фиг.2). Указанные температуры являются предельными при увеличении объема рабочего тела от объема впускной камеры до объема рабочей камеры с начальной температурой Т_н при впуске.

Для работы в системе охлаждения (кондиционирования) расширительное устройство (РУ) должно обеспечивать поддержание на выходе из него заданной температуры рабочего тела. При этом значение температуры Т_р (фиг.1) при расширении (разрежении) рабочего тела, получаемой на выходе из расширительного устройства, может задаваться в пределах от температуры впуска Т_н (начальная температура рабочего тела) до температуры выпуска Т_к (конечная температура рабочего тела).

Известный способ не обеспечивает поддержание температуры рабочего тела на произвольном заданном уровне Т_р, что сужает диапазон охлаждаемой температуры на выходе из расширительного устройства до значения, равного температуре выпуска (конечная температура рабочего тела), ограничивая тем самым функциональные возможности способа при его практическом использовании в системах кондиционирования.

Известен способ охлаждения газообразного рабочего тела (см., например, Буховцев Б.Б., Климонтович Ю.Л., Мякишев Г.Я. Физика. Учебное пособие, Москва, Просвещение, 1971, с.73-74), включающий впуск рабочего тела от источника в расширительную камеру, запирание впущенного рабочего тела в расширительной камере, последующее естественное увеличение объема запертого рабочего тела за счет использования его внутренней энергии, осуществляемое с понижением его температуры и давления, удаление рабочего тела из расширительной камеры при достижении максимального объема расширительной камеры.

Особенность осуществления известного способа состоит в том, что до увеличения объема рабочего тела в расширительной камере предварительно уменьшают его объем в компрессоре (сжимают) с повышением температуры и давления, после чего сжатое рабочее тело охлаждают в теплообменном устройстве.

При сжатии рабочего тела повышается его внутренняя энергия, которую затем уменьшают путем отвода энергии в форме теплоты и работы. При охлаждении от рабочего тела отводят теплоту в окружающую среду. Высокая температура рабочего тела по отношению к температуре окружающей среды повышает интенсивность теплоотвода, что способствует ускорению процесса уменьшения его внутренней энергии. На выходе из теплообменного устройства рабочее тело имеет высокое давление и низкую температуру.

Дальнейшее уменьшение внутренней энергии рабочего тела возможно только путем отбора энергии в форме работы. Поэтому рабочее тело, учитывая его высокое давление, естественным образом увеличивает свой объем в расширительной камере, где оно за счет уменьшения своей внутренней энергии совершает работу путем давления на рабочий орган расширительной камеры. Вследствие уменьшения внутренней энергии температура рабочего тела понижается, т.е. газ охлаждается.

Используемая в известном способе последовательность операций с предварительным повышением внутренней энергии рабочего тела и последующим ее понижением не является единственно возможной последовательностью действий с точки физических явлений, происходящих при использовании указанных физических процессов.

Известно, что рабочее тело естественно (самопроизвольно) отдает часть своей внутренней энергии другим телам в форме теплоты или работы, если эти тела имеют более низкий уровень внутренней энергии. Однако возможен принудительный отбор части внутренней энергии рабочего тела. Для этого над рабочим телом необходимо совершить работу.

Известный способ основан на использовании явления естественной (самопроизвольной) отдачи рабочим телом части своей внутренней энергии. Однако процесс естественной отдачи определен условиями окружающей среды. Поэтому в известном способе уровень внутренней энергии рабочего тела сначала поднимают выше уровня внутренней энергии окружающей среды, а затем понижают его с помощью процесса естественной (самопроизвольной) отдачи энергии телам с меньшим уровнем внутренней энергии (окружающей среде).

В соответствии с законом сохранения энергии процесс совершения естественной работы сопровождается отбором теплоты от рабочего тела, а процесс совершения вынужденной работы сопровождается отбором теплоты от окружающей среды.

В первом случае энергия, забираемая от рабочего тела в форме работы, является частью его внутренней энергии. При этом в процессе совершения работы внутренняя энергия рабочего тела может пополняться за счет подвода теплоты от внешнего источника. Если указанного пополнения не происходит, то при снижении уровня внутренней энергии рабочего тела ниже уровня внутренней энергии окружающей среды, процесс преобразования внутренней энергии рабочего тела в работу продолжаться не может и прекращается.

Работа, получаемая в тепловой машине, например, в двигателе внутреннего сгорания, основана на периодическом пополнении внутренней энергии рабочего тела за счет подвода теплоты от внешнего источника.

В другом случае при совершении вынужденной работы энергия, забираемая от рабочего тела в форме работы, также является частью его внутренней энергии. Как и в первом случае, в процессе совершения над рабочим телом вынужденной работы его внутренняя энергия может пополняться за счет подвода теплоты от внешнего источника. Однако, в отличие от первого случая, если указанного пополнения не происходит, то при снижении уровня внутренней энергии рабочего тела ниже уровня внутренней энергии окружающей среды процесс преобразования внутренней энергии рабочего тела в работу может продолжаться.

Происходит это потому, что процесс вынужденного отвода энергии с работой определяется не условиями окружающей среды, а зависит лишь от остаточного уровня внутренней энергии рабочего тела и способности внешнего источника энергии дополнительно извлекать из рабочего тела его внутреннюю энергию путем совершения над ним вынужденной работы во все возрастающем количестве.

Таким образом, для понижения уровня внутренней энергии рабочего тела путем совершения им естественной работы необходимо предварительно повысить уровень его внутренней энергии выше уровня внутренней энергии окружающей среды. В известном способе это достигается с помощью операции сжатия рабочего тела. Затем часть энергии рабочего тела в форме теплоты посредством теплопередачи отводится в окружающую среду. После этого часть энергии рабочего тела забирается в форме работы, совершаемой им при расширении. Одновременно с теплоотводом и совершением работы понижается уровень внутренней энергии рабочего тела, что проявляется в уменьшении его температуры.

Важно отметить, что рассмотренный цикл преобразований рабочего тела является термодинамическим, поскольку все участвующие в нем процессы (сжатие, охлаждение и расширение) являются термодинамическими. Одним из важных признаков указанного цикла является то обстоятельство, что цикл осуществляется при неизменной массе рабочего тела.

С точки зрения термодинамики, принципиальное отличие предлагаемого способа от известного состоит в том, что соответствующий ему цикл не является классическим термодинамическим, поскольку один из процессов, участвующих в цикле, является не чисто термодинамическим, а термомеханическим. Таким процессом является образование смеси газов из охлажденной при расширении и остальной части исходного объема газа. В отличие от подвода теплоты посредством теплопередачи, которая происходит при неизменной массе газа, указанный процесс смесеобразования может быть проинтерпретирован как подвод теплоты к охлажденному газу путем тепломассопереноса, т.е. как увеличение массы газа за счет смешения с ним присоединенной массы более горячего газа.

Рассмотрим причины, в силу которых процессы подвода и отвода энергии в итоге приводят к понижению внутренней энергии рабочего тела.

Процессы изменения внутренней энергии газа при подводе и отводе энергии в форме теплоты и работы не являются равноценными. При отводе энергии в форме работы наблюдается более значительное снижение уровня внутренней энергии рабочего тела, чем его повышение при подводе энергии в форме работы.

Объясняется это тем, что при отводе от рабочего тела энергии в форме работы часть энергии преобразуется в теплоту, которая естественным образом отводится в окружающую среду. При подводе к рабочему телу энергии в форме работы часть энергии также преобразуется в теплоту, которая естественным образом отводится в окружающую среду.

Из сравнения указанных процессов видно, что в первом случае отвод работы дополняется отводом теплоты. При этом снижение уровня внутренней энергии рабочего тела оказывается более значительным на величину дополнительно отведенной теплоты по сравнению с тем уровнем, который должен быть достигнут лишь за счет отведенной работы.

Во втором случае подвод работы уменьшается отводом теплоты. При этом уровень внутренней энергии рабочего тела повышается меньше на величину отведенной теплоты по сравнению с тем уровнем, до которого должен был повыситься при подведенной работе.

Таким образом, в общем случае результаты процессов изменения уровня внутренней энергии рабочего тела путем подвода к нему энергии в форме работы и отвода от него энергии в форме работы не эквивалентны друг другу. Указанное нарушение эквивалентности процессов обусловлено естественным отводом теплоты и приводит к указанному дисбалансу внутренней энергии. Исключение составляют адиабатные процессы энергообмена с рабочим телом, состоящие в подводе или отводе энергии только в форме работы, поскольку в этом случае теплообмен не происходит.

Указанный дисбаланс энергии является одним из факторов снижения внутренней энергии рабочего тела, который возникает по причине энергообмена с окружающей средой. Однако основная причина снижения внутренней энергии рабочего тела связана не с дисбалансом, а с другим фактором.

Ответ на вопрос о том, какой процесс в известном способе уменьшает уровень внутренней энергии рабочего тела ниже уровня внутренней энергии окружающей среды, требует специального рассмотрения.

В приведенном выше анализе показано, что таким процессом может быть только процесс совершения над рабочим телом вынужденной отрицательной работы. Однако в известном способе не очевидно присутствие указанного процесса.

Действительно, сжатие рабочего тела является процессом подвода к нему энергии в форме работы, т.е. является процессом совершения вынужденной положительной работы.

Другим процессом, происходящим при энергообмене в форме работы, является адиабатное расширение рабочего тела в детандере. В отличие от процесса сжатия, расширение рабочего тела является процессом отвода от него энергии в форме работы. При этом указанное расширение осуществляется за счет двух источников энергии.

Первым источником является внутренняя энергия рабочего тела. За счет внутренней энергии осуществляется естественный процесс совершения работы рабочим телом, который сопровождается понижением его внутренней энергии. При достижении внутренней энергией рабочего тела уровня внутренней энергии окружающей среды естественный процесс преобразования внутренней энергии рабочего тела в работу продолжаться не может и прекращается.

Вторым источником расширения рабочего тела является кинетическая энергия движущихся частей машины, в которой осуществляется указанное расширение. Запасенная машиной кинетическая энергия проявляется в работе сил инерции, воздействующих через элементы ее устройства на расширяемое рабочее тело. За счет работы сил инерции в процессе расширения над рабочим телом совершают вынужденную отрицательную работу, которая понижает его внутреннюю энергию.

В отличие от естественной работы, определяемой, как было показано выше, условиями окружающей среды, процесс вынужденного отвода энергии с работой зависит лишь от внутренней энергии самого рабочего тела и энергии внешнего источника, извлекающего из рабочего тела его внутреннюю энергию. Поэтому в процессе вынужденного отвода энергии с работой, совершаемого силами инерции, происходит снижение внутренней энергией рабочего тела ниже уровня внутренней энергии окружающей среды, которое соответствует охлаждению рабочего тела ниже температуры окружающей среды.

Из приведенного анализа следует, что предварительное сжатие и охлаждение рабочего тела, используемые в известном способе, являются по существу лишними операциями, которые усложняют реализацию известного способа и к тому же снижают КПД преобразования энергии при охлаждении рабочего тела из-за потерь теплоты.

Таким образом, в известном способе для осуществления процесса совершения вынужденной работы рабочего тела, который обеспечивает охлаждение рабочего тела ниже температуры окружающей среды, используется лишь энергия движущихся частей тепловой машины. Требуемый для необходимой степени охлаждения рабочего тела уровень энергии обеспечивается за счет кинетической энергии движущихся частей, определяемой, например, либо очень высокой частотой вращения ротора в турбохолодильнике, либо большим моментом инерции (маховик) поршневой группы устройства расширения в обычной холодильной установке.

В известном способе на совершение вынужденной работы для охлаждения рабочего тела непосредственно не используется внутренняя энергия самого рабочего тела, что ухудшает эффективность способа и усложняет реализующие его устройства.

В предлагаемом способе для охлаждения рабочего тела непосредственно используется внутренняя энергия самого рабочего тела, для чего вынужденная работа по его расширению осуществляется, помимо работы сил инерции, в основном за счет энергии его естественного расширения, которая получается в смежной расширительной камере одновременно с процессом вынужденного расширения и передается вынужденно расширяемой камере через их общий элемент - ротор рабочего органа. Поскольку вынужденная работа совершается непосредственно рабочим телом, а не за счет работы сил инерции, то не требуется запас кинетической энергии. Это позволяет снизить частоту вращения ротора и уменьшить момент инерции вращающихся частей расширительной машины, что приводит к уменьшению ее массовых и габаритных характеристик. При этом за счет перепуска части рабочего тела обеспечивается как его охлаждение, так и сохранение высокой температуры относительно температуры окружающей среды.

Известно расширительное устройство рабочего тела (патент РФ № 2221154), выполненное в виде роторной машины, содержащей рабочий орган, корпус, снабженный направляющей полостью с впускным устройством, имеющим впускной канал, периодически перекрываемый золотниковым устройством, и сообщенным с источником рабочего тела с избыточным давлением, а также выпускным устройством имеющим выпускной канал, при этом направляющая полость выполнена в виде цилиндра, рабочий орган выполнен в виде ротора с заслонками, ротор выполнен в виде цилиндрического тела, размещен в полости корпуса с возможностью вращения относительно своей продольной оси и смещен в радиальном направлении до касания с поверхностью полости корпуса, снабжен пазами, выполненными по периферии ротора в его осевых плоскостях и расположенными равномерно по окружности, впускными камерами, выполненными в виде углублений на поверхности ротора, примыкающих к его пазам, сообщаемых с впускным каналом посредством золотникового устройства, заслонки выполнены в виде прямоугольных пластин, подпружинены и установлены в пазах ротора, при этом поверхности корпуса, ротора и заслонок образуют смежные расширительные камеры, поочередно сообщаемые с впускным и выпускным каналами.

Особенность выполнения известного устройства состоит в том, что его расширительная камера имеет один впускной канал, выходное отверстие которого размещено в пределах впускной камеры. Отсутствие дополнительного впускного канала в расширительную камеру не позволяет осуществлять дополнительный впуск в нее рабочего тела с требуемыми термодинамическими параметрами по мере увеличения ее объема, что не обеспечивает поддержание температуры рабочего тела на произвольном заданном допустимом уровне. В результате сужается диапазон температуры на выходе из расширительного устройства до одного значения, равного температуре выпуска (конечная температура рабочего тела), что ограничивает его функциональные возможности при практическом использовании в системах кондиционирования.

Известна система охлаждения среды (открытого типа, см., например, Ю.М.Шустров, М.М.Булаевский. Авиационные системы кондиционирования воздуха, Москва, Машиностроение, 1978, с.33), содержащая нагнетатель рабочего тела (компрессор с двигателем), вход которого сообщен с окружающей средой, термокамеру, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, сообщена дренажным клапаном с окружающей средой, расширительное устройство для рабочего тела (турбина), вход которого сообщен с выходом нагнетателя рабочего тела, а выход его выпускного канала сообщен с термокамерой.

Особенность выполнения известного устройства состоит в том, что оно дополнительно снабжено теплообменным устройством и компрессором, а его расширительное устройство выполнено в виде турбины, в которой давление рабочего тела при расширении не может быть уменьшено ниже давления окружающей среды, что не позволяет достаточно просто получать требуемое значение температуры рабочего тела на выходе из расширительного устройства и обеспечивать поддержание заданной температуры охлаждаемой среды. Кроме того, расширительное устройство в виде турбины не позволяет расширять рабочее тело ниже давления в термокамере, что не позволяет для дополнительного охлаждения рабочего тела использовать процесс его разрежения (принудительного расширения).

Известна система охлаждения среды закрытого типа (см., например, Ю.М.Шустров, М.М.Булаевский. Авиационные системы кондиционирования воздуха, Москва, Машиностроение, 1978, с.38), содержащая нагнетатель рабочего тела, термокамеру, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, расширитель рабочего тела, вход которого сообщен с выходом нагнетателя рабочего тела, а выход его выпускного канала сообщен с термокамерой.

Особенность выполнения известной системы состоит в том, что его расширительное устройство выполнено в виде турбины, что не позволяет получать требуемое значение температуры рабочего тела на выходе из расширительного устройства и обеспечивать поддержание заданной температуры терморегулируемой среды. Кроме того, расширительное устройство в виде турбины не позволяет расширять рабочее тело ниже давления в термокамере, что не позволяет для дополнительного охлаждения рабочего тела использовать процесс его разрежения (принудительного расширения).

Известна система охлаждения среды замкнутого типа (см., например, Н.Д.Кочетков, Холодильная техника, Москва, Машиностроение, 1966, с.27; Теплотехника. Под ред. Луканина В.Н. Москва, Высшая школа, 2002. с.672), содержащая нагнетатель рабочего тела, термокамеру, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, расширитель рабочего тела, вход которого сообщен с выходом нагнетателя рабочего тела, а выход его выпускного канала сообщен с термокамерой.

Особенность выполнения известной системы состоит в том, что его расширительное устройство содержит один впускной канал, что не позволяет достаточно просто получать требуемое значение температуры рабочего тела на выходе из расширительного устройства и обеспечивать поддержание заданной температуры охлаждаемой среды. Известная система не позволяет поддерживать высокую температуру охлаждаемой среды, что сужает ее функциональные возможности. Указанное расширительное устройство в виде дроссельного устройства не позволяет расширять рабочее тело до давления, которое ниже давления в термокамере, что не позволяет использовать для дополнительного охлаждения рабочего тела процесс его разрежения (принудительного расширения). Кроме того, расширение рабочего тела в дроссельном устройстве сопровождается более высокими потерями энергии, что ведет к уменьшению КПД системы охлаждения среды.

Общим недостатком указанных известных систем охлаждения является их сложность конструкции и низкий КПД, обусловленные используемым способом охлаждения среды и устройством расширения газообразного рабочего тела, что определяет недостаточно высокую эффективность их функционирования.

Изобретениям решаются задачи расширения диапазона и повышения точности понижения температуры рабочего тела, повышения КПД, упрощения и повышения эффективности функционирования системы охлаждения среды в замкнутом, закрытом и открытом объеме.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ охлаждения газообразного рабочего тела, устройство для осуществления этого способов, 3 варианта системы охлаждения среды, использующих указанные способы и устройства при их осуществлении.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ охлаждения газообразного рабочего тела, который, как и в патенте РФ № 2221154, включает впуск рабочего тела от источника во впускную камеру расширительной камеры, запирание впущенного рабочего тела в расширительной камере, последующее увеличение объема запертого рабочего тела, осуществляемое с понижением его температуры и давления до уровня более низкого, чем давление рабочего тела в источнике, удаление рабочего тела из расширительной камеры при достижении максимального объема расширительной камеры.

Отличительные признаки предлагаемого способа охлаждения газообразного рабочего тела состоят в том, что последующее увеличение объема запертого рабочего тела выполняют путем принудительного увеличения объема расширительной камеры за счет энергии, подводимой к расширительной камере, после завершения принудительного увеличения объема открывают доступ в расширительную камеру рабочего тела от потребителя, затем образованную в расширительной камере смесь удаляют к потребителю.

Данное техническое решение является осуществлением способа и ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем расширения диапазона понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства. В частности, в результате расширения диапазона температур рабочего тела обеспечивается как охлаждение рабочего тела до низкой температуры на выходе из соответствующего устройства, так и сохранение его высокой температуры, с которой рабочее тело поступает на вход соответствующего устройства.

Предложенное техническое решение позволяет упростить процесс охлаждения рабочего тела и повысить его КПД. Кроме того, данное техническое решение ориентировано на расширение диапазона и повышение точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства.

Дополнительными отличительными признаками способа являются следующие:

1. - увеличение объема рабочего тела осуществляют путем принудительного увеличения объема расширительной камеры за счет энергии двигателя.

Данное техническое решение направлено на повышение эффективности функционирования и снижение энергозатрат на охлаждение при использовании в составе технической системы, имеющей двигатель в качестве основного источника энергии.

2. - увеличение объема рабочего тела осуществляют путем принудительного увеличения объема очередной расширительной камеры за счет энергии источника рабочего тела, для чего повышают температуру и давление рабочего тела в источнике, предварительно впускают рабочее тело от источника в расширительную камеру, предшествующую очередной, запирают в ней впущенное рабочее тело, затем увеличивают объем запертого рабочего тела путем увеличения объема содержащей его расширительной камеры за счет использования его внутренней энергии, при этом впускают рабочее тело в очередную расширительную камеру, причем увеличение объема размещенного в ней рабочего тела осуществляют как за счет энергии, получаемой в предшествующей расширительной камере, так и кинетической энергии, запасенной движущимися частями расширительного устройства.

Данное техническое решение направлено на повышение эффективности функционирования и снижение энергозатрат на охлаждение за счет более полного использования энергии, подводимой к рабочему телу, что повышает КПД.

3. - при снижении давления рабочего тела в расширительной камере до заданного уровня перепада давления рабочего тела относительно источника часть рабочего тела от источника перепускают с дросселированием в расширительную камеру.

Данное техническое решение ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем расширения диапазона и повышения точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства. Предложенное техническое решение позволяет упростить процесс охлаждения рабочего тела и снизить энергозатраты.

4. - при достижении расширительной камерой заданного объема часть рабочего тела от источника перепускают с дросселированием в расширительную камеру.

Данное техническое решение ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем расширения диапазона и повышения точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства. Предложенное техническое решение позволяет упростить процесс охлаждения рабочего тела и снизить энергозатраты.

Для осуществления предложенного способа охлаждения газообразного рабочего тела предлагается устройство, которое, как и известное устройство (патент РФ № 2221154), содержит источник и потребитель рабочего тела, расширительное устройство, его корпус с полостью, рабочий орган, размещенный в полости, привод, состоящий из двигателя, связанного с рабочим органом общим элементом, расширительную камеру, образованную поверхностями полости рабочего органа, сообщенную впускным каналом с источником, а выпускным каналом - с потребителем рабочего тела, газораспределительное устройство, выполненное периодически перекрывающим впускной и выпускной каналы, обеспечивающее сообщение расширительной камеры с впускным каналом при ее увеличении от начального объема до объема впускной камеры, с выпускным каналом при достижении ей максимального объема, снабженное управляемыми запорными устройствами впускного и выпускного каналов, при этом впускная камера составляет часть расширительной камеры, которая при минимальном объеме расширительной камеры сообщена впускным каналом с источником рабочего тела, причем максимальный объем впускной камеры задан газораспределительным устройством.

Отличительные признаки предлагаемого устройства для осуществления способа охлаждения газообразного рабочего тела состоят в том, что управление запорными устройствами обеспечивается посредством их связи с рабочим органом и общим элементом, в соответствии с которой при увеличении объема расширительной камеры от ее начального объема до объема впускной камеры впускной канал открыт, а выпускной канал закрыт, при увеличении объема расширительной камеры от объема впускной камеры до своего максимального объема впускной и выпускной каналы закрыты, при уменьшении объема расширительной камеры от ее максимального объема до ее начального объема, выпускной канал открыт, а впускной канал закрыт.

Данное техническое решение является устройством, реализующим предложенный способ, и ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем расширения диапазона понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства, упрощения его конструкции и повышения КПД.

Помимо технических решений, указанных выше, также предлагаются следующие технические решения.

Дополнительными отличительными признаками устройства являются следующие:

1. - начальное значение объема расширительной камеры равно нулю;

Данное техническое решение увеличивает газообмен между полостями, что повышает равномерность распределения температуры газа по объему.

2. - начальное значение объема расширительной камеры равно объему впускной камеры.

Данное техническое решение уменьшает энергозатраты на проталкивание газа.

3. - источник рабочего тела совпадает с его потребителем, впускной канал совмещен с выпускным каналом, запорные устройства выполнены общими элементами для впускного и выпускного каналов.

Данное техническое решение направлено на упрощение конструкции устройства.

4. - расширительное устройство рабочего тела снабжено дополнительной расширительной камерой, газораспределительное устройство выполнено обеспечивающим поочередное сообщение каждой расширительной камеры с впускным каналом при ее увеличении от начального объема до объема впускной камеры, с выпускным каналом при ее уменьшении от максимального объема до начального объема.

Данное техническое решение направлено на повышение эффективности использования энергии, подводимой к рабочему телу.

5. - газораспределительное устройство снабжено перепускным каналом, выход которого сообщен с расширительной камерой, а его вход сообщен с источником рабочего тела, дроссельным устройством, установленным в перепускном канале, выход перепускного канала выполнен в стенке расширительной камеры за пределами впускной камеры.

Данное техническое решение ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем повышения точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства.

6. - газораспределительное устройство снабжено клапаном перепада давления, перекрывающим перепускной канал, оборудованным датчиками давления, причем вход одного датчика давления сообщен с расширительной камерой, вход другого датчика давления сообщен с источником рабочего тела.

Данное техническое решение направлено на адаптацию режима работы расширительного устройства рабочего тела к состоянию охлаждаемой среды, что облегчает поддержание требуемого значения се температуры.

7. - размещение выхода перепускного канала выполнено обеспечивающим его сообщение с расширительной камерой при заданном объеме расширительной камеры.

Данное техническое решение ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем упрощения и повышения точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства.

8. - перепускное устройство снабжено газовым коммутатором, выполненным соединяющим его входное отверстие с одним из его выходных отверстий, оборудованным ответвлениями перепускного канала, при этом входное отверстие газового коммутатора сообщено с перепускным каналом, каждое входное отверстие его ответвлений сообщено с соответствующим выходным отверстием газового коммутатора, а выходные отверстия его ответвлений сообщены с расширительной камерой.

Данное техническое решение ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем упрощения и повышения точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства. Кроме того, указанное техническое решение обеспечивает поддержание требуемой температуры рабочего тела на выходе из расширительного устройства путем простой коммутации перепускного канала с соответствующим объемом расширительной камеры, что расширяет функциональные возможности устройства.

9. - привод расширительного устройства выполнен в виде преобразователя энергии, общий элемент выполнен в виде механического преобразователя энергии двигателя, например, толкателя, штока, ротора или вала с кривошипно-шатунного механизмом.

Данное техническое решение ориентировано на расширение функциональных характеристик тепловой машины.

10. - привод расширительного устройства выполнен в виде нагнетательного устройства для рабочего тела, снабженного двигателем, при этом вход нагнетательного устройства сообщен с источником рабочего тела, а выход сообщен с впускным каналом расширительного устройства.

Данное техническое решение ориентировано на расширение функциональных характеристик тепловой машины.

11. - нагнетательное устройство для рабочего тела выполнено в виде компрессора.

Данное техническое решение ориентировано на расширение функциональных характеристик тепловой машины.

12. - нагнетательное устройство для рабочего тела выполнено в виде центробежного уплотнителя, содержащего корпус с полостью, снабженной входным каналам, соединительным каналом, сообщающим полость уплотнителя с потребителем уплотненной газообразной среды, рабочей камерой, коллектором, образованным зазором между камерой и стенкой полости корпуса уплотнителя, сообщенным с соединительным каналом полости корпуса уплотните