КРИОГЕННАЯ ПУЛЬСАЦИОННАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к криогенной (холодильной) технике, а именно к криогенным пульсационным машинам (КПМ) с замкнутым внутренним рабочим циклом.

Известны КПМ, содержащие заполненный газом цилиндр (емкость), разделенный подвижным поршнем (диафрагмой) на первую и вторую не сообщающиеся между собой полости и пульсационную трубу, соединенную с первой полостью цилиндра.

Общим недостатком данных КПМ является низкая термодинамическая эффективность вследствие обратных тепловых потоков от горячего к холодному концу пульсационной трубы по стенкам трубы вдоль трубы через турбулизацию потока газа, что снижает отношения температур горячего и холодного концов пульсационной трубы сложность конструкции пульсационной трубы (наличие встроенных теплообменников, регенераторов, реверсивных объемов).

Известна криогенная пульсационная машина, содержащая заполненный газом цилиндр, разделенный подвижным поршнем с приводом на первую и вторую несообщающиеся полости и пульсационную трубу, соединенную с первой полостью, пульсационная труба содержит встроенные внутрь теплообменники, регенератор, ресиверный объем.

Недостатком этой машины является низкая термодинамическая эффективность и сложность конструкции пульсационной трубы.

Цель изобретения повышение термодинамической эффективности.

Это достигается тем, что свободный конец пульсационной трубы снабжен обратным клапаном и сообщается посредством трубопровода с второй полостью цилиндра, а пульсационная труба сообщается с первой полостью через выпускное окно, отстоящее от впускного окна на одну четверть хода поршня.

Повышение термодинамической эффективности достигается за счет увеличения степени расширения газа за счет подключения к пульсационной трубе через выпускное окно второй полости цилиндра (поршень открывает выпускное окно, при этом давление в пульсационной трубе максимальное, а в полости два цилиндра разрежение). Организация рабочего процесса по замкнутому круговому циклу (нагнетание, расширение, вытеснение) за счет сообщения второй полости цилиндра со свободным концом пульсационной трубы посредством трубопровода, являющегося теплообменником нагрузки, позволяет полностью вывести из пульсационной трубы и второй полости цилиндра охлажденный газ и вытеснитель его в теплообменник нагрузки (когда поршень находится в крайнем левом положении), при этом подобность во встроенных теплообменниках нагрузки отпадает.

Все это позволяет увеличить отношение рабочих температур цикла, что повысит термодинамическую эффективность устройства.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 круговая диаграмма цикла, воспроизводимая в устройстве.

Предлагаемое устройство содержит заполненный газом цилиндр 1, разделенный подвижным поршнем 2, совершающим гармонические колебания от привода, на первую 3 и вторую 4 не сообщающиеся между собой полости, пульсационную трубу 5, соединенную с первой полостью 3 посредством впускного окна 6. Свободный конец пульсационной трубы 5 снабжен обратным клапаном 7 и сообщается посредством трубопровода 8, являющегося теплобменником нагрузки, с второй полостью 4 цилиндра 1 через впускное окно 9. Кроме этого, пульсационная труба 5 дополнительно сообщается с первой полостью 3 через выпускное окно 10, отстоящее от впускного окна 6 на одну четверть пульсационной трубы 5 с второй полостью 4 на всем протяжении процесса расширения (см. фиг. 2).

Рабочий процесс в устройстве организован по замкнутому круговому циклу, включающему нагнетание, расширение, вытеснение, как показано на фиг. 2.

Диаметр пульсационной трубы 5 принимается в пределах 19-14 мм, а диаметр трубопровода 8 существенно меньше (чтобы предотвратить в трубопроводе 8 волновые процессы по типу волн сжатия).

Криогенная пульсационная машина работает следующим образом. В начальный момент времени давление газа во всех частях установки одинаково, поршень 2 при этом находится в крайнем левом положении (вторая полость 4 имеет минимальный объем).

Фаза нагнетания поршень 2 начинает движение вправо, при этом во второй полости 4 и трубопроводе 8 создается разрежение, а в первой полости 3 газ сжимается и проталкивается по впускным и выпускным окнам 6 и 10 в пульсационную трубу 5 с образованием в последней ударной волны, которая разогревает газ в пульсационной трубе 5 и отражается от свободного конца трубы 5, перекрытого обратным клапаном 7, движется обратно к окнам 6 и 10, тормозя спутный поток и еще более разогревая газ. Разогретый газ через оребренные стенки трубы 5 отдает тепло в окружающую среду.

Фаза расширения начинается с момента, когда окно 10 открывается поршнем 2, движущимся вправо, в этот момент пульсационная труба 5 (давление в которой максимально) сообщается с второй полостью 4, в которой создано разрежение.

Происходит интенсивное расширение газа с истечением его из трубы 1 5 в полость 4 и его охлаждением. Фаза расширения также занимает треть периода колебаний и заканчивается, когда поршень 2, придя в крайнее правое положение. Вернется влево и перекроет выпускное окно 10.

Фаза вытеснения поршень 2 продолжает движение влево и вытесняет при этом охлажденный газ из полости 4 в трубопровод 8, являющийся теплообменником нагрузки, при этом в полости 3 и трубе 5 создается разрежение, обратный клапан 7 открывается и газ, воспринимающий тепло от охлаждаемого объекта, попадает в пульсационную трубу 5. Поршень 2 приходит в крайнее левое положение. Цикл закончен.

Использование: в криогенной технике, относится к криогенным пульсационным машинам с замкнутым рабочим циклом. Сущность изобретения: криогенная пульсационная машина содержит цилиндр, разделенный подвижным поршнем на первую и вторую несообщающиеся полости, пульсационную трубу, соединенную с первой полостью посредством впускного и выпускного окон, отстоящих друг от друга на одну четверть хода поршня, свободный конец пульсационной трубы снабжен обратным клапаном и сообщается посредством трубопровода с второй полостью цилиндра. 2 ил.

КРИОГЕННАЯ ПУЛЬСАЦИОННАЯ МАШИНА, содержащая заполненный газом цилиндр, разделенный подвижным поршнем с приводом на первую и вторую несообщающиеся полости, пульсационную трубу со свободным концом, сообщенную с первой полостью посредством впускного окна, отличающаяся тем, что пульсационная труба выполнена с выпускным окном, отстоящим от впускного окна на расстояниии в одну четверть хода поршня, свободный конец пульсационной трубы снабжен обратным клапаном и сообщен посредством дополнительного трубопровода с второй полостью цилиндра, при этом пульсационная труба сообщена с первой полостью цилиндра через выпускное окно.