ГАЗОВАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2000 года по МПК F25B9/14 

Изобретение относится к строительству газовых холодильных машин, а именно к машинам с клапанным управлением потока рабочего тела (р.т.), работающим по обратному термодинамическому циклу, и может найти применение при проектировании и строительстве высокоэкономичных газовых машин, простых и надежных в эксплуатации.

Предлагаемая газовая холодильная машина работает по циклу, описанному в патенте на изобретение N 2057999, по кл. 6 F 25 В 9/00, 9/14, 1996 г., сущность которого в том, что цикл состоит из двух изохорных и двух адиабатных процессов, протекающих в двух цилиндрах двойного действия, поршневые группы которых сдвинуты по фазе на 180^o. В каждый момент времени одновременно протекают два процесса: или адиабатные - сжатие р.т. в компрессоре и расширение в детандере, или изохорные процессы перепуска холодного р.т. из детандера в компрессор и сжатого р.т. из компрессора в детандер.

Поскольку поршневых холодильных машин, работающих по этому циклу, в настоящее время неизвестно, то ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является устройство газовой холодильной машины по патенту N2053461, в которой осуществлен круговой цикл газообразного рабочего тела по тракту, образованному приемным и рабочим сильфонами детандера и рабочим и приемным сильфонами компрессора, сообщенными через холодильник и теплообменник морозильной камеры. Существенным недостатком описанного устройства является наличие четырех сильфонных цилиндров, имеющих ограниченный срок эксплуатации и ограничение по давлению р.т. (в пределах 3-4 атм.), что не позволяет получать достаточно высокую хладопроизводительность, а наличие вакуумированного кожуха усложняет устройство и снижает надежность эксплуатации газовой холодильной машины.

Изобретение призвано решить задачу повышения хладопроизводительности и упрощения устройства машины при повышении надежности ее эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что детандер и компрессор выполнены в виде цилиндров двустороннего действия, в которых со смещением по фазе на 180^o расположены штокопоршневые группы, а распределение потока р.т. осуществляется двумя самодействующими (обратными) клапанами и золотником, размещенным под детандером таким образом, что вблизи мертвых точек (при контакте с поршнем детандера или с кронштейном штока) он переключает внутрицилиндровый газообмен на межцилиндровый в нижней мертвой точке и межцилиндровый газообмен на внутрицилиндровый - в верхней мертвой точке.

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

Устройство, см. фиг. 1, состоит из картера 1, в котором расположен электропривод 2, снабженный двумя кривошипами 3 и 4, развернутыми на 180^o относительно друг друга и несущими шатуны 5 и 6, шарнирно сочлененные соответственно со штокопоршневой группой 7 детандера 8 и штокопоршневой группой 9 компрессора 10, расположенных в цилиндрах детандера и компрессора соответственно.

Все геометрические размеры, упомянутых элементов детандера, равны по величине соответственно размерам элементов компрессора.

Устройство содержит также морозильную камеру 11, снабженную теплообменником 12, сообщенным каналом 13 с поршневой полостью детандера 8 и каналом 14 через посредство обратного клапана 15 с поршневой полостью компрессора 10. В штокопоршневой группе 9 компрессора 10 размещен обратный клапан 16, вход которого сообщен с поршневой полостью компрессора, а выход - с его штоковой полостью, которая через змеевик холодильника 17, через посредство золотника 18 и канала 19 может быть сообщена со штоковой полостью детандера 8, а последняя через каналы 19 и 20 может быть сообщена с поршневой полостью детандера. На штокопоршневой группе расположен упор 21.

Предлагаемая газовая холодильная машина работает следующим образом, см. фиг.1 и 2.

На фиг. 1 устройство изображено в положении, когда штокопоршневая группа 7 детандера 8, находится в нижней мертвой точке (НМТ), а штокопоршневая группа 9 компрессора 10 находится в верхней мертвой точке (ВМТ), при этом золотник 18 разобщает каналы 19 и 20 друг от друга, а канал змеевика холодильника сообщает с каналом 19 (см. фиг.1).

При вращении вала электропривода 2 штокопоршневая группа 7 детандера 8 посредством кривошипа 3 и шатуна 5 начнет движение вверх, а штокопоршневая группа 9 компрессора 10 соответственно начнет движение вниз, в течении которого будет происходить межцилиндровый изохорический газообмен, вследствие чего рабочее тело, охлажденное в результате предыдущего расширения, будет перепускаться из надпоршневой полости детандера 8 по каналу 13 в теплообменник 12, расположенный в морозильной камере 11, и далее по каналу 14 через обратный клапан 15 в надпоршневую полость компрессора 10. Вследствие отбора теплоты при прохождении р.т. через теплообменник 12 морозильной камеры 11 его температура, а, следовательно, и давление будут повышаться, см. изохору IV - 1 на диаграмме P,V, фиг.2.

Одновременно будет происходить процесс вытеснения сжатого, а, следовательно, нагретого, р. т. из штоковой полости компрессора 10 через змеевик охлаждения 17 и золотник 18 по каналу 19 в штоковую полость детандера 8. Вследствие охлаждения р.т. в змеевике охлаждения 17 его температура и давление будут понижаться, см. изохору II-III на диаграмме P-V.

При достижении штокопоршневой группой 7 ВМТ золотник 18 будет передвинут упором 21 в крайнее верхнее положение и сообщит через посредство каналов 19 и 20 штоковую полость детандера с его поршневой полостью.

Затем в процессе движения штокопоршневой группы 7 вниз, а штокопоршневой группы 9 - вверх будет происходить внутрицилиндровый адиабатический газообмен, при котором сжатое р.т. будет вытесняться из штоковой полости детандера 8 через канал 19, золотник 18 и канал 20 в его поршневую полость, т.е. рабочее тело будет расширяться с понижением температуры, см. адиабату III-IV на диаграмме P, V, а р.т. из поршневой полости компрессора 10, через обратный клапан 16 будет вытесняться в поршневую полость компрессора, т.е. будет происходить процесс его сжатия, см. адиабату I-II на диаграмме P,V.

Когда обе штокопоршневые группы вернутся в исходное положение, см. фиг. 1, то процесс начнется сначала.

Из вышеизложенного следует, что компрессор и детандер работают в противофазе и в них при однонаправленном движении рабочего тела через посредство обратных клапанов и золотника газообмен организован таким образом, что одновременно протекают процессы: а/ при внутрицилиндровом газообмене - сжатие р.т. в компрессоре (с затратой работы) и расширение р.т. в детандере (с совершением работы); б/ при межцилиндровом газообмене - вытеснение холодного р. т. из детандера в компрессор (через морозильную камеру) и вытеснение сжатого р.т. из компрессора в детандер (через змеевик охлаждения) без затраты и без получения работы. Компрессор и детандер работают в противофазе как цилиндры двойного действия при значительном избыточном давлении р.т. Все это позволяет приблизить реальную P,V диаграмму к теоретической и повысить термодинамический КПД газовой холодильной машины и, следовательно, ее хладопроизводительность.

Детандер и компрессор выполнены в виде цилиндров двустороннего действия, в которых со смещением по фазе на 180° расположены штокопоршневые группы. Распределение потока рабочего тела осуществляется двумя обратными клапанами и золотником, размещенным под детандером. Компрессор и детандер работают в противофазе при однонаправленном движении рабочего тела через посредство обратных клапанов и золотника. Использование изобретения позволит повысить холодопроизводительность и упростить устройство машины при повышении надежности ее эксплуатации. 1 ил.

Газовая холодильная машина, содержащая картер с расположенным в нем электродвигателем, снабженным двумя кривошипами, развернутыми под углом 180^o и кинематически связанными со штокопоршневыми группами, расположенными в цилиндрах детандера и компрессора, сообщенных газовыми трактами, проходящими через морозильную камеру и через холодильник, и заполненная газообразным рабочим телом, отличающаяся тем, что детандер и компрессор выполнены в виде одинаковых по размерам цилиндров двойного действия, штоковые полости которых образуют объемы для сжатого рабочего тела, а обратные клапаны и золотник выполнены с возможностью осуществления последовательно межцилиндрового и внутрицилиндрового газообмена путем перекрытия золотником каналов газообменного тракта детандера при межцилиндровом газообмене и открытии их при переходе к внутрицилиндровому газообмену.