ПУЛЬСАЦИОННАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 1996 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к холодильной технике, а более конкретно к пульсационным машинам для получения холода, которые находят широкое применение, особенно в криогенной технике, и может быть использовано и в других областях техники, где требуются надежные и эффективные источники холода, характеризующиеся достаточной простотой изготовления.

Известна пульсационная машина, содержащая генератор пульсации давления газа с рабочей полостью и пульсационные трубы, соединенные с указанной полостью (патент США N 3653225, кл. 62-88, 1972). В системе с несколькими пульсационными трубами использован генератор пульсации давления газа струйного типа, а сами трубы работают по принципу охлаждения газа путем его расширения в постоянном объеме с приводом энергии в виде тепла.

Описанная система характеризуется низким КПД вследствие высоких энергетических затрат на предварительное сжатие, а также значительными гидравлическими потерями струйных устройств и некомпактностью из-за необходимости применения труб большой протяженности.

Более совершенными являются пульсационные машины с механическим генератором пульсации давления газа.

Известна пульсационная машина, содержащая механический генератор пульсации давления газа с рабочей полостью и пульсационную трубу, сообщенную с указанной полостью через соединенные последовательно по газовому потоку холодильник, регенератор и теплообменник нагрузки (Известия высших учебных заведений, Машиностроение, 1986, N 10, с. 51-53).

В указанной машине генератором пульсации давления газа служит поршневой детендер-компрессор, что предопределяет недостаточную надежность его вследствие несовершенства поршневых уплотнений, применяемых в машинах такого типа. Кроме того, для подобной машины требуется громоздкий привод с кривошипно-шатунным механизмом, что не позволяет выполнить пульсационную холодильную машину компактной.

Последняя из описанных пульсационных холодильных систем выбрана в качестве прототипа.

Задача, на решение которой направлено изобретение, создание малогабаритной пульсационной машины с высокой холодопроизводительностью.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, повышение эксплуатационной надежности и компактности.

Данный технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается тем, что в пульсационной холодильной машине, содержащей механический генератор пульсации давления газа с рабочей полостью и пульсационную трубу, сообщенную с указанной полостью через соединенные последовательно по газовому потоку холодильник, регенератор и теплообменник нагрузки, механический генератор пульсации давления газа выполнен роторным с центральным ведущим ротором в форме цилиндра, установленного на валу с эксцентриситетом, и двумя периферийными ведомыми роторами, каждый из которых имеет в поперечном сечении форму криволинейной фигуры, симметричной относительно двух взаимно перпендикулярных осей и состоящей из четырех одинаковых выпуклых участков, причем между роторами образована дополнительная рабочая полость, соединенная с аналогичной пульсационной трубой через установленные по второму газовому потоку холодильник, регенератор и теплообменник нагрузки.

Тот же технический результат достигнут в машине, характеризующейся вышеупомянутой совокупностью признаков, и тем, что роторы установлены с возможностью вращения в одинаковом направлении при угловой скорости вращения центрального ротора, в два раза большей угловой скорости вращения периферийных роторов, при этом каждый из четырех одинаковых участков криволинейной фигуры описан системой уравнений в параметрическом виде x=cosa (1) y=sinb (2) при Φ 0-90^о; a L r; b L + r, где Φ параметр системы уравнений угол поворота периферийного ротора относительно оси, проходящей через центры вращения роторов;
L расстояние между осями (центрами вращения) центрального и периферийного роторов;
R радиус цилиндра центрального ротора;
r эксцентриситет цилиндра центрального ротора.

Дополнительный технический результат, обеспечиваемый изобретением, (получение холода на более низком температурном уровне) достигается тем, что в пульсационной холодильной машине, характеризующейся вышеизложенной совокупностью признаков, регенератор одного из газовых потоков выполнен двухступенчатым и между указанными ступенями установлен теплообменник нагрузки второго газового потока с образованием двухпоточного рекуперативного теплообменного аппарата.

На фиг. 1 изображена пульсационная холодильная машина, продольный вертикальный разрез; на фиг. 2 та же машина, вид сверху в разрезе А-А на фиг. 1 (продольный горизонтальный разрез); на фиг. 3 показан разрез Б-Б на фиг. 1 (поперечный разрез по роторам механического генератора пульсации давления газа); на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 1 (поперечный разрез по шестерням механизма синхронизации направления и скорости вращения роторов); на фиг. 5 вариант пульсационной холодильной машины с двухступенчатым регенератором и рекуперативным теплообменным аппаратом (продольный вертикальный разрез).

Пульсационная холодильная машина содержит механический генератор 1 пульсации давления газа (фиг. 1, 2 и 3) с рабочей полостью 2 (в корпусе 3 механического генератора 1) и пульсационную трубу 4, сообщенную с рабочей полостью 2 через соединенные последовательно по газовому потоку холодильник 5, регенератор 6 и теплообменник 7 нагрузки. Механический генератор 1 пульсации давления газа выполнен роторным с центральным ведущим ротором 8 в форме цилиндра, установленного на валу 9 с эксцентриситетом (r), и двумя периферийными ведомыми роторами 10, 11, каждый из которых имеет в поперечном сечении форму криволинейной фигуры (г-д-е), причем между роторами 8, 10, 11 и внутренней поверхностью корпуса 3 в его нижней части образована дополнительная рабочая полость 12 (фиг. 1 и 3), соединенная с аналогичной пульсационной трубой 13 через установленные по второму газовому потоку холодильник 14, регенератор 15 и теплообменник 16 нагрузки. Кроме того, роторы 8, 10, 11 (фиг. 3) установлены с возможностью вращения в одинаковом направлении при угловой скорости ω вращения центрального 8 ротора, в два раза превышающей скорость вращения каждого из периферийных 10, 11 роторов, и каждый из четырех одинаковых выпуклых участков упомянутой криволинейной фигуры описан системой из двух уравнений в параметрическом виде: x=cosa (1) y= sinb (2) при Φ 0-90^о; a L r; b L + r, где L расстояние между осями (центрами вращения) центрального 8 и периферийных 10, 11 роторов (каждого из них);
r эксцентриситет цилиндра центрального ротора 8 относительно оси вращения;
Φ- параметр системы уравнений угол поворота периферийного ротора 10 (или 11) относительно горизонтальной оси, проходящей через центры вращения роторов 8, 10, 11. При построении криволинейной фигуры, состоящей из одинаковых участков (г-д-е), описываемых вышеприведенными зависимостями (1), (2), нужно иметь ввиду отличие угла Φ от угла α являющегося углом радиус-вектора точки д с координатами х, y.

Характеризуя примеры выполнения холодильной машины согласно изобретению, обратимся к фиг. 5. Изображенная на ней схематически модификация пульсационной холодильной машины содержит установленный по ходу одного из газовых потоков (например, первого) регенератор 17, который выполнен двухступенчатым, и между его ступенями 18 (первой) и 19 (второй) установлен теплообменник 20 нагрузки второго газового потока с образованием двухпоточного рекуперативного теплообменного аппарата 21. При одном из возможных вариантов выполнения такого аппарата (приведенного схематически на фиг. 5) внутренняя полость теплообменника 20 нагрузки, сообщенная с трубой 13 регенератора 15, установленного по ходу второго газового потока, образует межтрубное пространство 22 трубчатой поверхности рекуперативного теплообменного аппарата 21, а ограничивающий это межтрубное пространство наружный кожух 23, служащий корпусом теплообменника 20 нагрузки, является одновременно корпусом рекуперативного теплообменного аппарата 21. При этом теплообменник 24 нагрузки первого газового потока установлен между второй ступенью 19 регенератора 17 и трубой 25 первого газового потока. Каждая из труб 4, 13 имеет расширенный участок 26, зауженный участок 27 и ресивер 28.

Пульсационная холодильная машина снабжена входящим в генератор 1 пульсации давления газа механизмом синхронизации направления и скорости вращения роторов 8, 10, 11, установленных соответственно на валах 9, 29, 30 в подшипниках 31 (преимущественно качения), для которых предусмотрены расточки 32 в корпусе 3. Механизм синхронизации включает в себя установленные на валах 9, 29, 30 зубчатые колеса 33, 34, 35 соответственно (фиг. 4), а также находящиеся с ними в зацеплении промежуточные шестерни 36, 37. Последние, установленные на осях в корпусе 3, позволяют обеспечить вращение в одинаковом направлении роторов 8, 10, 11, а зубчатые колеса 33, 34, 35 за счет соответствующего передаточного отношения обеспечивают вращение центрального 8 ротора с угловой скоростью ω в два раза большей скорости вращения роторов 10, 11. Таким образом, угловая скорость вращения каждого из периферийных роторов 10, 11 составляет ω /2.

Роторы 8, 10, 11 формируют замкнутые рабочие полости 2 (основную) и 12 (дополнительную) между своими наружными поверхностями и внутренней поверхностью корпуса 3 механического генератора 1 пульсации давления газа. Внутренняя поверхность корпуса 3 образована выполненными в нем тремя сообщающимися между собой цилиндрическими выемками различных диаметров с осями, взаимно параллельными и совпадающими с осями вращения соответствующих роторов 8, 10, 11. При этом замкнутость рабочих полостей 2, 12 и переменность их объемов обеспечиваются установкой периферийных роторов 10, 11 относительно внутренней поверхности корпуса 3, а переменность объемов достигается вследствие установки центрального цилиндрического ротора 8 с эксцентриситетом относительно его оси вращения. Причем величина объема каждой рабочей полости (2, 12 см. фиг. 1, 3, 5) меняется при вращении роторов 8, 10, 11 в зависимости от угла поворота этих роторов (угол Φ для роторов 10, 11 и угол 2 Φ для ротора 8). Изменение объемов происходит по гармоническому закону со сдвигом фаз в одной из рабочих полостей по отношению к другой на 180^о.

Пульсационная холодильная машина работает следующим образом.

Рабочий процесс машины можно условно разделить на четыре фазы, плавно переходящие из одной в другую.

I фаза. Сжатие рабочего газа. В этой фазе рабочая полость 2 (фиг. 1) меняет свой объем от максимального до промежуточного значения. Рабочий газ в замкнутом объеме, образуемом рабочей полостью 2 и внутренними полостями холодильника 5, регенератора 6, теплообменника 7 нагрузки и пульсационной трубы 4, сжимается с повышением давления и температуры. При этом часть газа из рабочей полости 2 проталкивается в теплообменные аппараты 5, 6, 7 и в расширенный участок 26 трубы 4, имеющий больший диаметр поперечного сечения. Вследствие заужения трубы 4 на участке 27 значительная часть газа не успевает за период его сжатия перетечь в зону ресивера 28. В этот период происходит отвод тепла сжатия газа в холодильнике 5 с понижением температуры газа.

II фаза. Наполнение сжатым газом трубы 4 на участке 26. В данной фазе рабочая полость 2 изменяет свой объем от промежуточного значения до минимального. Так как интенсивность уменьшения объема рабочей полости 2 снижается, газ успевает перетечь из зоны 26 трубы 4 в зону ресивера 28. Одновременно имеет место сквозное течение газа через теплообменные аппараты 5, 6, 7 с отводом тепла сжатия в холодильнике 5 внешним теплоносителем (например, водой).

III фаза. Расширение газа. В течение этой фазы рабочая полость 2 изменяет свой объем от минимального до промежуточного значения. Газ, заполняющий зону 26 трубы 4, расширяется и охлаждается. Движению газа в этот период из ресивера 28 в зону 27 трубы 4 препятствует инерционность столба газа в зоне 27 трубы 4, имеющей здесь зауженное сечение. Инерционность столба газа обусловлена изменением направления движения газа в фазе расширения.

IV фаза. Обратное переталкивание расширившегося газа. В этом периоде рабочая полость 2 может менять свой объем от промежуточного до максимального значения. При этом газ из ресивера 28 начинает поступать через участок 27 трубы 4 в зону 26, вытесняя газ, находящийся в этой зоне, в теплообменник 7 нагрузки, регенератор 6 и холодильник 5. При протекании расширившегося холодного газа через теплообменник 7 нагрузки он охлаждает внешний теплоноситель, омывающий наружную поверхность трубок теплообменника 7. Особо следует отметить, что в конце каждой фазы вследствие инерционности столба газа происходит повышение давления в полости 2 в результате натекания в нее дополнительной порции газа.

Указанные фазы рабочего процесса повторяются циклически в ходе работы пульсационной холодильной машины. При этом последовательность протекания процесса в рассмотренном выше рабочем объеме неизменна и действительна для аналогичного рабочего объема, образуемого рабочей полостью 12 (фиг. 1), внутренними полостями холодильника 14, регенератора 15, теплообменника 16 нагрузки и трубы 13. При этом рабочие процессы, протекающие в первом из указанных рабочих объемов, сдвинуты по времени относительно рабочих процессов во втором из названных рабочих объемов. Время сдвига соответствует времени поворота центрального ротора 8 на угол 180^о.

Работа пульсационной холодильной машины с двухступенчатым регенератором 17 (фиг. 5) осуществляется в основном подобно работе холодильной машины с двумя одноступенчатыми аналогичными трубами, изображенной на фиг. 1. Отличие рабочего процесса при наличии в пульсационной холодильной машине двухступенчатого регенератора заключается в том, что к потоку газа на участке между первой 18 и второй 19 ступенями регенератора 17 подводится дополнительное количество холода, вырабатываемого в процессе работы трубы 13. Благодаря этому в системе с двухступенчатым регенератором 17 и двухпоточным рекуперативным аппаратом 21 обеспечивается компенсация тепловых потерь от несовершенства теплообмена в первой ступени 18 регенератора 17. В результате в данном варианте выполнения холодильной пульсационной машины достигается значительное понижение температурного уровня охлаждения.

Эффективная работа предлагаемой машины, т.е. ее работа при условии решения поставленных изобретением технических задач, зависит от следующих факторов. Эффективность работы собственно пульсационных труб неоднократно подтверждена в результате ряда научных исследований и экспериментальных проверок. Эффективность работы холодильной машины в целом на базе механического генератора пульсации давления рабочей среды непосредственно связана с эффективностью работы этого генератора, т.е. работы его роторного механизма. Последнее условие выполнимо главным образом в случае выполнения требования точности изготовления элементов роторного механизма, упомянутого выше. Иными словами при изготовлении должно быть выполнено требование минимального отклонения действительного профиля как цилиндрического 8, так и периферийных 10, 11 роторов от профиля теоретического (расчетного). Наибольшие трудности в сравнении с изготовлением цилиндрического ротора 8 возникают при обеспечении минимального отклонения действительного от теоретического профилей периферийных роторов 10, 11. Тем не менее существует возможность достижения минимальной величины указанного отклонения порядка 0,02 мм. Оно обеспечивается при изготовлении на станках с программным управлением: при этом вводится программа, разработанная на базе системы из двух уравнений (1), (2), описывающих двухмерную кривую профиля криволинейной фигуры периферийных роторов 10, 11.

Корректность указанных зависимостей подтверждена аналитически и графически с последующей проверкой расчетом на ЭВМ. Таким образом, корректной является теоретическая кривая профиля периферийных роторов 10, 11, которая первоначально была получена графическим методом. Он заключался в следующем. На основе заданных параметров упомянутого роторного механизма геометрии и кинематики была построена искомая кривая путем обкатки в двухмерном пространстве (взаимного перемещения) эксцентричной окружности (поперечное сечение цилиндра 8) и концентричной окружности, соответствовавшей поперечному сечению заготовки периферийного ротора 10 и 11. В результате обкатки на плоскости второго из упомянутых кругов был получен искомый профиль периферийного ротора 10 или 11.

Использование: в холодильной технике, в воздушных или гелиевых системах. Сущность изобретения: на базе механического генератора 1 пульсации давления рабочего газа (который выполнен двухполостным роторного типа) разработаны одно-и двух ступенчатые модификации двухпоточной пульсационной холодильной машины. При этом рабочие полости 2, 12 механического генератора 1, подключенные соответственно к пульсационным трубам 4, 13, образованы между центральным ротором 8 в форме установленного с эксцентриситетом цилиндра и двумя периферийными роторами 10, 11 с поперечным сечением в форме криволинейной выпуклой фигуры, каждый из четырех одинаковых участков которой описан системой из двух уравнений в параметрическом виде. В двухступенчатой модификации (в отличие от машины с одной ступенью охлаждения) регенератор одного из газовых потоков выполнен из двух частей, а между ними установлен теплообменник нагрузки газового потока с образованием двухпоточного рекуперативного теплообменного аппарата. Приведенная совокупность признаков изобретения позволит повысить эксплуатационную надежность, компактность, а также снизить температурный уровень получения холода до криогенного. 2 з. п. ф-лы. 5 ил.

1. ПУЛЬСАЦИОННАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА, содержащая механический генератор пульсации давления газа с рабочей полостью и основную пульсационную трубу, сообщенную с указанной полостью через соединенные последовательно по ходу газового потока холодильник, регенератор и теплообменник нагрузки, отличающаяся тем, что машина снабжена дополнительной пульсационной трубой, а механический генератор пульсации давления газа выполнен с центральным ведущим ротором в форме цилиндра, установленного на валу с эксцентриситетом, и двумя периферийными ведомыми роторами, каждый из которых имеет в поперечном сечении форму криволинейной фигуры, симметричной относительно двух взаимно перпендикулярных осей и состоящей из четырех одинаковых выпуклых участков, причем между роторами образована дополнительная рабочая полость, соединенная с дополнительной пульсационной трубой через установленные по ходу газового потока холодильник, регенератор и теплообменник нагрузки. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что роторы установлены с возможностью вращения в одном направлении при угловой скорости вращения ведущего ротора, в два раза большей скорости вращения ведомых роторов, и каждый из четырех одинаковых участков криволинейной фигуры описан системой из двух уравнений в параметрическом виде

при Φ = 0 - 90^o, a = L - r, b = L + r,
где v - угол поворота периферийного ротора относительно оси, проходящей через центры вращения роторов;
L - расстояние между осями (центрами вращения) ведущего и ведомого роторов;
R - радиус цилиндра ведущего ротора;
r - эксцентриситет цилиндра ведущего ротора. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что регенератор одной из пульсационных труб выполнен двухступенчатым, а между ступенями установлен теплообменник нагрузки второй пульсационной трубы.