УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛА И ХОЛОДА Российский патент 1998 года по МПК F25B11/00 F25B9/02 F25B21/00 

Изобретение относится к отопительной и холодильной технике, представляет собой бесфреоновый тепловой насос с силовым приводом и может найти применение при создании кондиционеров и агрегатов для воздушного обогрева и охлаждения жилых и производственных помещений.

В настоящее время известны устройства для получения тепла и холода, например [1] , которое в режиме обогрева работает как тепловой насос, путем сжатия в компрессоре рабочего тела за счет электроэнергии и поглощения тепла из окружающей среды, в режиме охлаждения - за счет рекомбинации р.т. на трехфазной границе раздела в полости высокого давления.

Недостатком описанного устройства является его сложность, т.к. кроме электрохимического компрессора и теплообменников содержит двухфазное р.т., пористые электроды, электролитную мембрану, металлический сетчатый материал, тоководы и т.д., что снижает надежность и эффективность работы устройства.

Известна также установка для получения тепла и холода [2], которая содержит линию, подводящую сжатый воздух, детандер, волновой криогенератор и теплообменники, связывающие их в одну систему. Установка достаточно проста, но решающим ее недостатком является "открытость" цикла, требующего подвода сжатого воздуха извне, что делает КПД установки неприемлемо низким в случае применения ее для нужд отопления.

Наиболее близким аналогом является газовая холодильная машина [3], работающая по обратному циклу Стирлинга. Машина содержит детандерную и компрессорную рабочие полости, выполненные в виде сильфонных цилиндров, сообщенных между собой через регенератор и снабженных раздельными механическими приводами, обеспечивающими их гармонические колебания. При этом детандерный сильфон заключен в теплоизолированный кожух и сообщен посредством обратных клапанов с холодной камерой, отвод тепла от охлаждаемого объекта осуществляется через промежуточное рабочее тело, что существенно сужает область применения этой машины.

Недостатком является сложность механического привода (раздельного для компрессора и детандера), следовательно, громоздкость конструкции машины относительно охлаждаемой площади, а также наличие регенератора, необходимость которого обусловлена возвратно-поступательным движением газообразного рабочего тела в тракте холодильной машины.

Предлагаемое устройство для получения тепла и холода предназначено для изменения температуры воздуха и призвано решить техническую задачу повышения КПД, сокращения паразитных пространств и снижения гидродинамических потерь за счет упрощения теплообмена между рабочим телом и воздухом без применения внешних теплообменников и устройств для прокачки воздуха через них.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для получения тепла и холода, содержащем детандер и компрессор, выполненный в виде сильфонных цилиндров, взаимодействующих между собой, механический привод, кинематически связанный с компрессором, и газораспределительное устройство выполняют в виде двухпозиционного четырехходового крана, детандер и компрессор - в виде приемных сильфонов и сильфонов сжатия, жестко связанных между собой, при этом механический привод кинематически связан с жесткой связью сильфонов компрессора и двухпозиционным четырехходовым краном, обеспечивающим возможность работы детандера под действием газовой результирующей силы и передачи тепла от рабочего тела к расчетному объему нагреваемого воздуха последовательно, в две стадии от приемного сильфона детандера и от сильфона сжатия компрессора.

Устройство схематически изображено на фиг. 1 в разрезе, а на фиг. 2 показана его диаграмма P-V.

Устройство содержит корпус 1, на котором установлены состоящие из мембранных сильфонов со складывающимися гофрами (далее "сильфонов") компрессор, содержащий сильфон сжатия 2 и приемный сильфон 3, а также детандер, содержащий приемный сильфон 4 и сильфон расширения 5. При этом сильфон сжатия 2 компрессора и приемный фильфон 4 детандера имеют одинаковый диаметр - d_ср (меньше диаметров D_ср приемного сильфона 3 компрессора и сильфона 5 детандера). Внутренние полости выполнены с возможностью сообщения по газообменным каналам 6, 7, 8 и 9 через посредством газораспределительного двухпозиционного четырехходового крана 10, кинематически связанного с валом кривошипа 13 (на фиг. условно не показано). Полости сильфонов заполнены под избыточным давлением газообразным рабочим телом, например, гелием.

Сильфоны 2 и 3 компрессора жестко связаны между собой штоком 11, который через шатун 12 кинематически связан с кривошипом привода 13. Двигатель привода на фиг. не показан.

Сильфоны 4 и 5 детандера также жестко связаны друг с другом штоком 14, который может быть выполнен в виде струны, т.е. эта пара сильфонов не имеет механического привода.

Сильфоны 2, 4 и 5 заключены в кожуха, соответственно 15, 16 и 17. Кожух 15 (горячий) снабжен выпускным клапаном 18 и сообщен патрубком 19 посредством перепускного клапана 20 с кожухом 16, снабженным всасывающим клапаном 21 и воздушным фильтром 22.

Кожух 17 (холодный) снабжен всасывающим клапаном 23, воздушным фильтром-осушителем 24 и выпускным клапаном 25.

Теплоизоляция кожухов на фиг. не показана.

Устройство для получения тепла и холода работает следующим образом.

На фиг. 1 кривошип привода 13 находится в верхней мертвой точке, поэтому сильфон сжатия 2 компрессора имеет максимальную длину, а больший по размерам приемный сильфон 3 компрессора - минимальную, поэтому рабочее тело в этой паре сильфонов вытеснено из приемного сильфона 3 компрессора через каналы 7 и 6, газораспределительный кран 10 в сильфон сжатия 2. Это положение соответствует окончанию цикла сжатия рабочего тела в компрессоре (см. кривую I - II на диаграмме P-V, фиг. 2). В результате сжатия рабочего тела его теплота через стенки гофр сильфона 2 частично перешла к воздуху, заполняющему полость кожуха 15. В результате этого процесса воздух, вытесняемый сильфоном 2 из полости кожуха 15 через выпускной клапан 18, будет иметь максимальную температуру.

Одновременно в сильфонах 4 и 5 детандера закончен такт расширения рабочего тела, так как, будучи сообщены каналами 8 и 9 посредством распределительного крана 10 друг с другом, они займут под действием газовых результирующих сил нижнее крайнее положение, поскольку D_ср>d_ср, и, следовательно, температура рабочего тела понизится до минимального значения, что соответствует кривой III-IV, (см. фиг. 2). Теплота воздуха, заключенного в кожухе 17, перейдет при этом через стенки мембран сильфона расширения 5 детандера к рабочему телу, заполняющему внутреннюю полость сильфона 5.

В результате этого процесса воздух из кожуха 17, вытесняемый сильфоном 5, будет выходить через выхлопной клапан 25 при минимальной температуре. Одновременно с этими процессами произойдет такт всасывания воздуха в кожух 16 через всасывающий клапан 21.

При дальнейшем повороте кривошипа 13 кран будет повернут на 90^o, в результате чего полость сильфона сжатия 2 будет сообщена каналами 6 и 8 посредством газораспределительного крана 10 с полостью приемного сильфона 4 детандера, а полость приемного сильфона 3 компрессора будет сообщена каналами 7 и 9 посредством газораспределительного крана 10 с полостью сильфона расширения 5.

Вследствие этого, в течение поворота кривошипа 13, от верхней мертвой точки будут одновременно происходить два процесса.

Из сильфона сжатия 2 рабочее тело будет вытесняться в равный ему по размерам приемный сильфон детандера 4. В течение этого процесса будет происходить понижение температуры рабочего тела за счет передачи тепла через стенки мембран сильфонов 2 и 4 воздуху, вытесняемому сильфоном 4 из полости кожуха 15. Вследствие этого давление рабочего тела в сильфоне 4 в течение хода вниз уменьшится без изменения его объема (см. отрезок II - III на диаграмме P-V, фиг. 2).

Одновременно рабочее тело будет перетекать по каналам 9 и 7 через газораспределительный кран 10 в равный ему по размерам приемный сильфон 3 компрессора. При этом температура и давление рабочего тела будет повышаться без изменения объема, что на диаграмме P-V изображено отрезком IV - I (см. фиг. 2), вследствие теплоотдачи от воздуха, всасываемого в полость кожуха 17 через всасывающий канал 23.

Перемещение сильфонов 5 и 4 вверх будет происходить под действием газовых составляющих сил, поскольку произведение давления рабочего тела на площадь сильфона 4 больше, чем произведение давления рабочего тела на площадь сильфона 5. При дальнейшем повороте кривошипа 13, кран 10 будет повернут на 90^o и вновь займет положение, изображенное на фиг. 1, т.е. процесс повторится. Для компрессора (сильфон 2 и сильфон 30 это будет соответствовать кривой I - II, а для детандера (cильфоны 4 и 5) это будет соответствовать кривой III - IV.

В течение рабочего процесса масса рабочего тела будет перемещаться двумя, равными по весовому количеству, потоками (на диаграмме параллельно) из сильфона в сильфон "по кругу", как это видно из таблицы.

Из вышеизложенного следует, что устройство для получения тепла и холода не требует регенераторов, рекуператоров и т.п., имеет минимальный паразитный объем за счет простейшей схемы газораспределения, выполненной в виде 4-канального 2-позиционного газораспределительного крана, кинематически связанного с кривошипом. Механический привод имеет только компрессор, а детандер работает как самодействующий, т.е. под действием результирующих газовых сил. Для повышения удельной тепло- и хладопроизводительности нагрев воздуха происходит последовательно в две стадии, сначала от приемного сильфона 4 детандера, затем от сильфона сжатия 2 компрессора, а охлаждение воздуха происходит от сильфона расширения детандера. Вышесказанное, а также удаленность горячих полостей от холодных и автопрокачка нагреваемого и охлаждаемого воздуха через полости кожухов 15, 16 и 17 обеспечивают повышение термодинамического и механического КПД устройства.

Устройство для получения тепла и холода предназначено для воздушного обогрева и охлаждения жилых и производственных помещений и может быть использовано в отопительной и холодильной технике. Газораспределительное устройство выполнено в виде двухпозиционного четырехходового крана 1. Детандер и компрессор - в виде приемных сильфонов 3,4 и сильфонов сжатия 2,5, жестко связанных между собой. Механический привод кинематически связан с жесткой связью сильфонов 2,3 компрессора и двухпозиционным четырехходовым краном 10. Указанный кран 10 обеспечивает возможность работы детандера под давлением газовой результирующей силы и передачи тепла от рабочего тела к расчетному объему нагреваемого воздуха последовательно в две стадии от приемного сильфона 4 детандера и от сильфона сжатия 2 компрессора, что повышает КПД, сокращает паразитные пространства и снижает гидродинамические потери за счет упрощения теплообмена между рабочим телом и воздухом без применения внешних теплообменников и устройств для прокачки воздуха через них. 1 табл., 2 ил.

Устройство для получения тепла и холода, предназначенное для изменения температуры воздуха, содержащее детандер и компрессор, выполненный в виде сильфонных цилиндров, взаимодействующих между собой, механический привод, кинематически связанный с компрессором, и газораспределительное устройство, отличающееся тем, что газораспределительное устройство выполнено в виде двухпозиционного четырехходового крана, детандер и компрессор - в виде приемных сильфонов и сильфонов сжатия, жестко связанных между собой, при этом механический привод кинематически связан с жесткой связью сильфонов компрессора и двухпозиционным четырехходовы краном, обеспечивающим возможность работы детандера под действием газовой результирующей силы и передачи тепла от рабочего тела к расчетному объему нагреваемого воздуха последовательно, в две стадии от приемного сильфона детандера и от сильфона сжатия компрессора.