Теплоиспользующая газовая холодильная машина

Теплоиспользующая газовая холодильная машина

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советеких

Социалистических

Республик („, 696247 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 08.04.76 (21) 2344480/23 — 06 с присоединением заявки И (23) Приоритет (53)M. Кл.

F 25 В 9/00

Государатаанный намнтет

СССР оо долам нзооретеннй н отярытий

Опубликовано 05.11.79. Бюллетень,1че 41

Дата опубликования описания 05,11.79 (53) УД К 621.565..45 (088.8) Г. И, Воронин, А, Д. Суслов, В. В. Белов, А. Н. Стрельцов и В. Б, Полтараус (72) . Авторы изобретения

Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище им. H. Э. Баумана (7t) Заявитель (54) ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ГАЗОВАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА

Настоящее изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для получения умеренно низких и криогенных температур, например, в системах кондиционирования воздуха, в оптико-электронных системах для криостатирования чувствйтельных элементов (приемников инфракрасного излучения), в пищевой промышленности.

Известна теплоиспользующая газовая холо1О дильная машина, содержащая газовый циркуляционный контур и установленные в нем цилиндры, регенераторы и теплообменные аппаратьт (1).

Такая машина, будучи поршневой, обладает всеми недостатками, присущимй этому классу

15 машин, во-первых, наничие возвратно-поступательно перемещающихся поршней, снижает ее механическую йадежность, возможно также заклинивание поршней — вытеснителей, полом20 ка штоков, удары поршней о стенки цилиндров, разрушение приводного механизма. Сборка поршневых машин требует большой тщательности и должна производиться квалифицированным персоналом. Это обстоятельство существенно повышает стоимость поршневых машин. Уплотнение зазора между зеркалом цилиндра и поршнем-вытеснителем, а также между штоком и деталями корпуса осущест- вляется, как правило, кольцами из антифрикционного материала. Через 100 — 500 часов уплотнительные кольца срабатываются и необходима остановка машины для замены уплотнений. Серьезным недостатком поршневых машин, вообще, и холодильных в частности яв- . ляется их плохая уравновешенность, следствием которой являются вибрации. Вибрации хо лодильной головки приводят к серьезным трудностям при использовании этих машин для криостатирования многих объектов радиоэлектронной техники, и прежде всего, приемников инфракрасного излучения.

Снижения уровня вибраций можно достичь путем уравновешивания поршневых машин.

Однако, уравновешивание поршневых машин связано с увеличением .веса конструкции, применением сложных приводных механизмов, например, ромбического привода. Кроме того, 696247

3 в целом ряде случаев полное уравновешива ние поршневых машин принципиально не воз можно.

Пель изобретения — устранение указанных недостатков, повыщение надежности, увеличение ресурса непрерывной работы и снижение стоимости изготовления теплоиспользующей холодильной установки путем упрощения ее ,конструкции, Это достигается тем, что в контур предложенной ма пины дополнительно вклю" чены нагнетатель и газораспределитель, подсоединенный к цилиндрам, в которых размещейЫ неподвижные перегородки выполненные из пористого материала.

На фиг, 1 схематически изображена теплойспользующая тазовая холодильная машина; на фиг. 2 — газораспределительное устройство; на фиг. 3 — первый процесс рабочего цикла; на фиг. 4 — второй процесс цикла; на фйг. 5 — третий процесс; на фиг, б — четвертый.

Машина содержит цилиндр 1 большого диаметра и цилиндр 2 малого диаметра. Цилинд ры 1 и 2 связаны труоопроводом 3. Концевые части 4 и 5 цилиндра 1 гидрйвлически соединяются через систему трубопроводов и теплообменных аппаратов, содержащую трубопровод 6, теплообменйик — нагреватель 7; горячий регенератор 8, холодильник 9, трубопровод 10, газораспределитель 11 и трубопровод 12. Концевая часть 13 цилиндра 2 соедийена с концевой частью 14 того- >tie -цилиндра через трубопровод 15, теплообменйик нагрузки 16, холодный регенератор 17, холодильник 18, трубопровод 19, газораспределитель йое устройство 11 и трубопровод 20, К газораспределителю 11 подключены нагнетательный

21 и всасывающий 22 патрубкй нагнетателя

23. Внутри цилиндров 1, 2 ус ановлены пористые элементы 24, В качестве газораспределителя возможно применение вращающегося " золотника," содержащего неподвижный корпус

25, внутри которого с возможностью вращения установлен сердечник 26. В корпусе 25 золотника выполйенй отверстия под трубо. проводы 12, 20, 21, 22. Кроме того в теле сердечника выйолнены каналы 27 — 34, служащие для соединения в различных сочетаниях трубопроводов 10, 12, 19, 20-24.

Машина работает следующим образом.

При работе концевые части цилиндра 1 . большого диаметра поддерживаются при раз личных температурах. Часть 4 поддерживается при наивысшей температуре цикла Тг, например, при 600 — 900 С, а часть 5 при промежуточной температуре цикла T„например, при

300--320 К. Концевые части цилиндра 2 также имеют различные температуры, Часть 13 цилинд

4 ра 2 поддерживается при промежуточной температуре цикла, также как и часть 5. цилиндра 1. Часть 14 цилиндра 2 поддерживается при наиболее низкой температуре цикла Тх, назы5 ваемой далее холодной, например, при 77 К.

Сочетание абсолютных значений температур тепловых исто шиков может быть практически любым. Это сочетание определяется целью использования холодильной установки. Для под10 вода в цикл тепла высокого потенциала служит теплообменник-нагреватель 7, а теплообменник нагрузки 16 применяется для отвода низкопотенциалъного тепла от криостатируемого объекта. Отвод тепла, подведешюго на самом

15 высоком и самом низком температурных уровнях, осуществляется на промежуточном уровне с помощью водяных холодильников 9 и 18, Регенерация тепла в контуре большого цилиндра 1 осуществляется посредством горячего ре20 генератора 8, а регенерация тепла в контуре цилиндра 2 осуществляется в холодном регенераторе 17. Установленные в цилиндрах 1, 2 пористые элементы 24 служат для предотвращения смешения порций газа с различными температурами. При установйвшемся режиме работы внутри цилиндров вследствие отсутствия перемешивания порций газа с различной температурой образуются газовые слои аа — вв и а а — в в1, далее называемые газовыми поршнями. Температура по длине газовых поршней изменяется по линейному закону. Рабочий цикл машины осуществляется за четыре про - цесса, В течение первого процесса газ перекачивают посредством нагнетателя 23 из части 5

35 цилиндра 1 в часть 4 того же цилиндра. Нагнетатель 23 создает напор, достаточный для преодоления гидравлического сопротивления трубопровода 10, холодильника 9, регенератора 8, нагревателя 7 и трубопровода 6. При прохождении газа через регенератор 8 газ подогревается за счет тепла, аккумулйрованного

его насадкой в течение предыдущего цикла. Проходя через нагреватель 7, газ нагревается до наивысшей температуры цикла, и при выходе из нагревателя имеет-.температуру..Тг. Гаэ с тем-. пературой Тг, втекающий внутрь части 4 цилиндра 1, выталкивает относительно холодный газ, находившийся до этого в этой части цилинцра и смещает газовый поршень "aa — вв" в противоположную сторону цилиндра 1. Смешение поступающего горячего газа с находившимся до этого в полости части 4 относительно холодным газом (внутри газового порш ня) предотвращается пористыми элементами

24. По мере поступления горячего газа внутрь части 3 цилиндра 1 и смещения газового поршня вправо давление газа в машине увеличивается. Увеличение давления газа объясняется

696247 тем, что в маШине, имеющей неизменный суммарный рабочий объем и массу хладагента, происходит возрастание среднемасссовой температуры газа за счет переталкивания газа с температурой Тп из части 5, ограничивающей промежуточную полость мацкины, в часть 4, ограничивающую горячую полость и ймеющую температуру Тг. В течение первого процесса цикла перемещения газового поршня»» в в в цилиндре 2 не происходит, поскольку золотник отключает нагнетатель 23 от цилинд г ра 2 и прерывает связь между трубопроводами 20 и 19. Первый процесс заканчивается, когда граничная полость "вв" газового поршня подходит к торцовой стенке части 5 цилиндра 1. По достижении газовым порц1нем торцовой стенки частИ 5 ци индра 1 сердечник 26 газораспределителького устройства 11 поворачивается, перекрывая сообщение между трубопроводами 10 и 12 цилиндра 1. Одновременно в результате поворота сердечника 26 трубопровод 20, отводящийся из части 13 цилиндра 2, соединяется через какал 29 с всасывающим патрубком 21 нагкетателя 22, а трубопровод 19 соединяется с нагнетателькым патрубком 22 нагнетателя 23. При этом газ, имеющий температуру Тп, перекачивается нагие

25 тателем из части 3 цилиндра 2 в часть 14 того же цилиндра через трубопровод 20, канал 29, канал 30, холодильник 18, регенераЗО тор 17, теплообменник нагрузки 16 и трубопровод 15. Газ из части 13 цилиндра 2, ггро-. ходя через регенератор 17, охлаждается. Насадка регенератора, охлажденная в течение

35 предыдущего .цикла, нагревается. За регенератором газ поступает в теплообменник нагрузки 16, где он отбирает тепло от охлаждаемого объекта. Пройдя по трубопроводу !5, газ поступает в полость вйутри части 14 цилиндра 2 и расширяясь, переталкивает газовый поршень аббат — вивт в часть 13 цилиндра 2. По мере поступления газа внутрь части 14 цилиндра 2 давление газа в машине уменьшается в результате понижения среднемассовой температуры

45 газа в результате псреталкивания порции газа иэ полости с относительно более высокой температурой (полость внутри части 13) в полость с относительно более низкой температурой (полость внутри части 14 цилиндра 2).

В течение второго процесса цикла перемещения газового поршня в цилиндре 2 не происходит, поскольку золотник отключает нагнетатель 23 от цилиндра 1 и прерывает сообщение между трубопроводами !О и 12. Второй процесс заканчивается, когда граничная

:плоскость в в газового поршня в в » достигает торцовой стенки части !3 цилиндра 2. Как только граничная плоскость в в достигает торцевой стенки части э цил1пщра

2, сердечник 26 поворачивается, перекрывая сообщение между трубопроводами !9 и 20 через каналы 29 и 30 и нагнетатель 23. Одновременно в результате поворота сердеп1и- ка 26 трубопровод 10 соединяется с трубопроводом !2 через канал 31, всасывающий патрубок 22, нагнетательный патрубок 21 и канал 32. Начинается третий процесс. В течение этого процесса происходит перемещение газа из части 4 цилиндра 1 в часть 5 того же цилиндра. Газ перекачивается кагнетателем 23 из полости внутри части 4 в полость внутри части 5 циликдра 1 через трубопровод 6, теллообменник-нагреватель 7, горячий регенератор 8, холодильник 9, канал 31, патрубки 22, 21, канал 32 и трубопровод 14. Горячий газ, имеющий температуру Тг, проходя через регенератор 8, охлаждается. Насадка регенератора, охлажденная в течение первого цикла, нагревается. За регенератором гаэ последовательно проходит через холодильник 9, каналы в сердечнике 26 и трубопровод 12, после чего входит в полость части 5 цилиндра 1, заставляя смещаться влево газовый поршень аа — вв.

В течение третьего процесса цикла перемещекия газового поршня в цилинцре 2 не происходит, поскольку сердечник 26 отключает нагнетатель 23 от цилиндра 2 и прерывает сообщение между трубопроводами 19 и 20.

Давление в машине уменьшается. Третий процесс цикла заканчивается, когда граничная плоскость аа газового поршня аа — вв в цилиндре 1 достигает торцевой стенки части 4 цилиндра 1, В результате последующего поворота сердечника 26 трубопровод 19 соединяется с трубопроводом 20 через канал 33, патрубок 22, нагнетатель 23, патрубок 21 и канал

34. Начинается четвертый процесс. В течение этого процесса газ перекачивается нагнетателем 23 из полости внутри части 14 цилиндра 2 в полость внутри части 13 через трубопровод 15, теплообменник нагрузки 16, регенератор 17, холодильник 18, трубопровод 19, канал 33 всасывающий патрубок 22 нагнетателя, нагнетатель 23, нагнетательный патрубок 21, канал

34 и трубопровод 20. Холодный газ, имеющий температуру Т„, проходя через регенератор 17, нагревается. Насадка регенератора !7 охлаждается. Газ, входя в полость части 13 цилиндра 2, заставляет смещаться газовый поршень

sian — а а вправо. llo мере поступления газа внутрь части 13 цилиндра 2 давление газа в машине увеличивается. В течение четвертого периода газовый поршень аа — вв ке перемещается. Четвертый процесс цикла заканчивается, когда граничная плоскость а а газового поршня »а>в>в> в цилиндре 2 достигает торцевой

696247 стенки части 14 цилиндра 2. После этого сердечник 26 золотника 11 поворачивается, перекрывая сообщение между трубопроводами 19, 20 через каналы 33, 34 и нагнетатель 23. Одйовремеййо в результате поворота сердечника 26 трубопровод 12 соединяется с трубопроводом 10 через канал 27, патрубок 22, нагнетатель 23, патрубок 21 и канал 28. Начинается первый процесс цикла. 11икл повторяется. Холодопроиэводительность машины зависит

" не только от термодинамических параметров цикла, но и от конструктивных соотношений между деталями и узлами машины. Так, хо. лодопроизводительность может быть увеличена либо посредством увеличения диаметров цилиндров, либо увеличением их длины, что зквйват ентно увеличению хода газового поршня, либо увеличением чйсла рабочих циклов.

Число рабочих циклов машины регламентируется работой газораспределителя. Благодаря отсутствию возвратно-поступательно перемещаю щихся элементов надежность машйны значительно выше надежности прототипа. Кроме то -го, машина имеет простую конструкцию, а следовательно, -и низкую стоимость изготовления.

Полная уравновешенность машины позволяет применять ее на транспортных средствах.

При использовании в стационарных условиях в отличие от гюршневых типов холодильных машин для эксплуатации машины не требуется фундамента. Это обстоятельство позволяет снизить расходы на эксплуатацию машины, а также рациональнее использовать производственное помещение.

Формула изобретения

Теплоиспользующая газовая холодильная машина, содержащая газовый циркуляционный

15 контур и установленные в нем цилиндры, регенераторы и теплообменные аппараты, о тличающаяся тем,что,сцелью повышения надежности, в контур дополнительно включены нагнетатель и газораспреде20 литель, подсоединенныи к цилиндрам, в кото рых размещены неподвижные перегородки, выполненные из пористого материала.

Источники информации, 25 принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 274780, кл. F 25 В 9/00, 1969.

696247

Составитель В. Белов

Техред H.Êîâàëåâà

Корректор E. Папп

Редактор С. Тра цевский

Тираж 607 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская на13., д. 4/5

Заказ 6744/38

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4