РЕФРИЖЕРАТОР Российский патент 1997 года по МПК F25B21/00 

Изобретение относится к области энергетики, а именно к низкотемпературной технике.

Известны рефрижераторы (например, патент США N 4509334 кл.62-3, 1983) действие которых основано на использование электро (ЭК) или магнитокалорического (МК) эффекта. При этом периодически теплообмен рабочего тела с объектом охлаждения и окружающей средой обеспечивается путем введения тепловых ключей. Рефрижератор содержит блок рабочего тела, импульсную магнитную систему, тепловые ключи, установленные между рабочим телом и теплоотдатчиком и теплоприемником.

Недостаток таких рефрижераторов состоит в низкой удельной холодопроизводительности вследствие малой частоты следования циклов, которая в свою очередь определяется большим временем отвода (подвода) теплоты от рабочего тела посредством тепловых ключей.

Наиболее близким техническим решением является рефрижератор, описанный в авт. свид. СССР N 840621, F 25 В 21/00, 1979 Рефрижератор включает два блока рабочего тела с энерготрансформирующим рабочим телом, источник периодического внешнего поля, теплоприемник и теплоотдатчик, замкнутый циркуляционный контур для теплоносителя с нагнетателем. Блок с энерготрансформирующим рабочим телом представляет собой полость заполненную пластинами сегнетоэлектрика. Пластины с нанесенными на них с двух сторон электродами установлен с зазорами, которые образуют каналы прямоугольного поперечного сечения, через которые прокачивается диэлектрическая среда (жидкость, например н-пентан).

Недостаток малая энергетическая эффективность вследствие необходимости применения в качестве теплоносителя диэлектрических жидкостей с относительно малыми значениями коэффициентов теплопроводимости и теплоемкости, использование относительно высоких напряжений, а также ограниченность применения вследствие пожароопасности и токсичности большинства таких теплоносителей.

Техническая задача заключается в повышении энергетической эффективности, снижении используемого напряжения и расширении области применения.

Эта задача достигается тем, что в известном рефрижераторе, содержащем источник электрического поля и замкнутый циркуляционный контур для теплоносителя, в который включены по крайней мере два блока с элементами из энерготрансформирующего тела, теплоприемник и теплоотдатчик, указанные элементы выполнены с одним электродом, поверхность которого покрыта равномерным слоем диэлектрического энерготрансформирующего тела: на внутреннюю поверхность корпуса блока, омываемую теплоносителем, нанесено заземленное металлическое покрытие в виде полос, периодически расположенных по длине блока; теплоноситель выполнен в виде электропроводной жидкости, а подключение элементов к проводам, соединяющим их с клеммой высокого потенциала источника электрического поля, и подключение металлического покрытия к проводам, соединяющим его с клеммой нулевого потенциала, осуществляется внутри корпуса блока, выполненного из диэлектрического теплоизоляционного материала.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема предлагаемого рефрижератора с энерготрансформирующим рабочим телом, а на фиг. 2 и 3 сечения блока с элементами из этого рабочего тела.

Рефрижератор содержит блоки рабочего тела 1 и 2 с энерготрансформирующим рабочим телом, источник 3 для создания внешнего электрического поля, теплоприемник 4, теплоотдатчик 5 и 6, нагнетатель 7. Каждый блок рабочего тела содержит элементы выполнения в виде пластин с одним электродом 8, поверхность которого покрыта равномерным слоем энерготрансформирующего тела 9. Подключение этих элементов к проводам 10, соединяющим их с клеммой высокого потенциала источника электрического поля 3, осуществляется внутри корпуса блока, выполненного из диэлектрического теплоизолирующего материала 11. На внутреннюю поверхность корпуса, омываемую жидкостным теплоносителем 12, нанесено металлическое покрытие в виде полос 13, периодически расположенных по длине блока, заземленное посредством проводов 14.

Рассмотрим принцип действия предлагаемого рефрижератора.

Элементы энерготрансформирующего рабочего тела (а именно, сегнетоэлектрика) в блоках 1 и 2 представляет собой пластины, установленные с зазорами для прокачки теплоносителя. В установившемся рабочем режиме температура в каждом сечении блока колеблется относительно среднего значения, определяемого общим линейным изменением вдоль оси блока обычно от температуры T_oc окружающей среды до температуры T_О охлаждаемого объекта; это колебание температуры обусловлено электрокалорическим (ЭК) эффектом, проявляющимся при наложении и снятии электрического поля.

Пусть посредством источника 3 электрическое поле снимается с элементов блока 2, что приводит к деполяризации сегнетоэлектрика, а следовательно, к понижению его температуры на величину интегрального ЭК эффекта. В результате теплообмена между элементами (сегнетоэлектриком) и теплоносителем, в качестве которого выбрана электропроводная жидкость, прокачиваемая по направлению от теплоотдатчика 6 к теплоприемнику 4, рабочее тело нагревается, а жидкость, пришедшая из теплоотдатчика 6 с более высокой температурой, охлаждается. Охлажденный теплоноситель поступает в теплоприемник 4, где к нему подводится теплота Q_o от охлаждаемого объекта.

В то же время электрическое поле было наложено на элементы блока 1, что вызвало поляризацию сегнетоэлектрика и повышение его температуры на величину интегрального ЭК эффекта, при этом затрачивается электрическая энергия Э. В результате теплообмена температура теплоносителя, прокачиваемого по напряжению от теплоприемника 4 к теплоотдатчику 5, повышается. Затем теплоноситель поступает в теплоотдатчик 5, где происходит понижение его температуры до температуры T_oc окружающей среды, а в результате отвода теплоты Q_oc. Описанным процессам соответствуют энергетические потоки, обозначенные на фиг. 1 сплошной линией.

В следующем полуцикле все процессы меняются на противоположные. Поле накладывается на элементы блока 2 и снимается с элементов блока 1. Прокачка теплоносителя осуществляется в противоположном направлении. Теплота поляризации элементов блока 2 выносится в теплоотдатчик 6, а охлажденный в блоке 1 теплоноситель осуществляет отвод теплоты от охлажденного объекта посредством теплоприемника 4. Этому полуциклу соответствуют энергетические потоки, обозначающие на фиг. 1 штриховой линией.

Для поддержания всего энерготрансформирующего тела 9, нанесенного на электрод 8, при одинаковой напряженности электрического поля необходимо, во-первых, нанесение этого тела равномерным слоем, во-вторых, чтобы теплоноситель (электропроводная жидкость) обладал нулевым электрическим потенциалом в любой точке блока, что обеспечивается наличием заземленного металлического покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность блока. Для снижения теплопритоков по указанному покрытию в холодную зону оно выполняется в виде полос 13, периодически расположенных по длине блока. Для снижения теплопритоков по проводам, соединяющим энерготрансформирующие элементы с клеммой высокого потенциала источника электрического поля, и по проводам, соединяющим металлическое покрытие с клеммой нулевого потенциала, подключение элементов и покрытия к соответствующим проводам осуществляется внутри корпуса блока, выполненного из диэлектрического теплоизоляционного материала.

Предложенный жидкостный теплоноситель обладает более высокими значениями коэффициентов теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности, что увеличивает интенсивность теплообмена с рабочим телом и уменьшает требуемый объем прокачиваемой жидкости. Для иллюстрации сказанного приведем в таблице 1 сравнение значений вышеупомянутых теплофизических свойств для водного раствора хлорида кальция CaCl₂ (например, весовой концентрации 20%) и н-пентана при температуре 20^oС.

Для ЭК рефрижератора подбор теплоносителя проводится по температуре охлаждаемого объекта (жидкость не должна замерзать при T_О и кипеть при T_oc). Так, для бытового холодильника, а работающего в интервале температур 250-300К, могут быть использованы водные растворы неорганических соединений (например, хлорида кальция CaCl₂).

Эти особенности приводят к увеличению энергетической эффективности предлагаемого рефрижератора. Оценочные расчеты показывают, что использование, например, водного раствора хлорида кальция приводит к уменьшению мощности N на прокачку теплоносителя примерно в 5 раз при прочих равных условиях:

При этом расширяется область применения электрокалорических рефрижераторов. Так, использование в рефрижераторах пищевой промышленности водного раствора хлорида кальция (безвредного для здоровья человека) позволяет отказаться от промежуточного контура охлаждения, который необходим при токсичном теплоносителе.

Толщина элементов энерготрансформирующего тела определяется двумя факторами: необходимой прочностью и интенсивностью теплообмена с теплоносителем. Уменьшение толщины, требуемые интенсивностью теплообмена, ограничивается условием прочности. Предлагаемая конструкция элементов с одним электродом в отличие от существующей (с двумя электродами) позволяет снизить (по крайней мере в два раза) напряжение, используемое для создания номинальной напряженности электрического поля на слое энерготрансформирующего тела, при минимально возможной толщине элементов.

Использование: в низкотемпературной технике. Сущность изобретения: рефрижератор содержит блоки 1 и 2 с элементами из энерготрансформирующего рабочего тела, источник 3 для создания электрического поля, теплоприемник 4, теплоотдатчики 5 и 6, нагнетатель 7. На внутренней поверхности корпуса, омываемой жидкостным теплоносителем 12, нанесено металлическое покрытие в виде полос 13, периодически расположенных по длине блока. В течение полуцикла теплоноситель прокачивается через зазоры между элементами блока 1, с которых снято поле, и в результате электрокалорического эффекта их температура снижается. Затем охлажденный в блоке поток направляется в теплоприемник 4, в котором отбирает теплоту от охлаждаемого объекта, и далее в блок 2, на элементы которого наложено поле, где нагревается. Теплота отводится из цикла в окружающую среду посредством теплоотдатчика 6. В следующем полуцикле поле снимается с элементов блока 2 и накладывается на элементы блока 1, теплоноситель прокачивается в противоположном направлении, теплота отводится в теплоотдатчике 5. 1 табл., 3 ил.

Рефрижератор, содержащий источник электрического поля и замкнутый циркуляционный контур для теплоносителя, в который включены по крайней мере два блока с элементами из энерготрансформирующего тела, теплоприемник и теплоотдатчик, отличающийся тем, что указанные элементы выполнены с одним электродом, поверхность которого покрыта равномерным слоем диэлектрического энерготрансформирующего материала, на внутреннюю поверхность корпуса блока, омываемую теплоносителем, нанесено заземленное металлическое покрытие в виде чередующихся по длине блока полос, при этом в качестве теплоносителя использована электропроводная жидкость, а подключение элементов к проводам, соединяющим их с клеммой высокого потенциала источника электрического поля, и подключение металлического покрытия к проводам, соединяющим его с клеммой нулевого потенциала, осуществлено внутри корпуса блока, выполненного из диэлектрического теплоизоляционного материала.