МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЙ РЕФРИЖЕРАТОР Российский патент 2001 года по МПК F25B17/12 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к системам кондиционирования воздуха на основе металлогидридных тепловых насосов, и может быть использовано в качестве металлогидридного рефрижератора (МГР), работающего на тепле выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и размещенного на транспортном средстве, например на автомобиле или судне.

Известен МГР, содержащий ротор с продольными радиальными перегородками и расположенными между ними параллельно оси ротора высокотемпературными и низкотемпературными металлогидридными контейнерами, статор с цилиндрическим корпусом и патрубками для подвода к контейнерам и отвода от них высокотемпературного, среднетемпературного и низкотемпературного теплоносителей. Ротор имеет два положения относительно статора, различающихся углом поворота 90^o, а патрубки подвода и отвода теплоносителей установлены на торцевых поверхностях статора (см. патент Японии N 63-27624, F 25 B 17/08/1988).

Недостатком известного МГР является прерывистый характер выработки в нем холода, так как в конструкции отсутствует переходная зона, в которой температура низкотемпературного контейнера уменьшается от среднего уровня (T_m) до нижнего уровня (T_l), прерывается также и подача низкотемпературного теплоносителя, для чего требуются дополнительные органы регулирования. Кроме того, металлогидридные контейнеры характеризуются при работе неравномерным распределением температуры по длине вследствие изменения температуры теплоносителя в процессе теплообмена с контейнерами.

Наиболее близким к заявляемому является МГР, содержащий ротор с металлогидридными сорберами, заполненными с одного конца высокотемпературным металлогидридом, с другого - низкотемпературным металлогидридом, статор с цилиндрическим корпусом и патрубками для подвода и отвода теплоносителей в высокотемпературный, среднетемпературный и низкотемпературный сорберы, разделенные переходными секторами с радиальными уплотнениями. Ротор МГР содержит поперечный теплоизоляционный экран, разделяющий ротор на высокотемпературный и низкотемпературный блоки (см. патент России N 2053463, F 25 B 17/08, заявл. 18.08.1992).

Однако известный МГР имеет недостаточную эффективность в связи с тем, что хладоресурс сорберов тратится на охлаждение собственной массы до рабочей точки в низкотемпературном секторе, а запас холода сорберов, выходящих из этого сектора, не используется.

Задачей изобретения является повышение эффективности (холодопроизводительности) МГР при том же энергопотреблении.

Поставленная задача решается предлагаемым МГР, который включает в себя ротор с сорберами, заполненными с одного конца высокотемпературным, а с другого - низкотемпературным металлогидридами, статор с цилиндрическим корпусом и патрубками для подвода и отвода теплоносителей в высокотемпературный, среднетемпературный и низкотемпературный секторы, разделенные радиальными уплотнениями, поперечный теплоизоляционный экран, разделяющий ротор на высокотемпературный и низкотемпературный блоки, согласно изобретению со стороны низкотемпературного блока статор снабжен контуром регенерации холода между низкотемпературными концами сорберов, размещенных между выходом из низкотемпературного сектора и входом в среднетемпературный сектор с одной стороны и между выходом из среднетемпературного сектора и входом в низкотемпературный сектор с другой стороны, причем в контуре регенерации установлен вентилятор. Последний может быть установлен внутри ротора.

Причинно-следственная связь между существенными признаками предлагаемого МГР и техническим результатом заключается в обеспечении охлаждения низкотемпературной части сорберов, приближающихся к низкотемпературному сектору, имеющих температуру T_m (окружающей среды, среднетемпературный сектор) до температуры T_l (низкотемпературный сектор) частично за счет остаточного холода в сорберах, покинувших низкотемпературный сектор без затрат энергии и хладоресурса, что повышает холодопроизводительность при прочих равных условиях на 20...30%.

На фиг. 1 приведен поперечный разрез МГР со стороны высокотемпературного блока; на фиг. 2 - поперечный разрез МГР со стороны низкотемпературного блока; на фиг. 3 - термодинамический цикл работы МГР.

МГР содержит ротор с сорберами 1, разделенными перегородками 2, скользящими по цилиндрическим поверхностям 3 статора. Внутри ротора имеются неподвижные элементы статора 4, а также контур регенерации 5 с вентилятором 6. Со стороны низкотемпературного блока выполнен низкотемпературный сектор 7 с вентилятором 8 и среднетемпературный сектор 9 с вентилятором 10. Со стороны высокотемпературного блока выполнен газоподвод 11 со створкой 12, служащей для переключения режимов работы выхлопной трубы с прямого выхлопа на МГР для охлаждения кузова 13. С этой же стороны выполнен среднетемпературный сектор 14 с вентиляторами 15, 16. Среднетемпературный сектор 14 и высокотемпературный сектор 17 высокотемпературного блока разделены переходными секторами 18, 19. Корпус снабжен патрубками 20, 21 для отвода газа и воздуха. Сорберы 1 со стороны высокотемпературного блока заполнены высокотемпературным металлогидридом, например LaNi_4,6Al_0,4H_x, а со стороны низкотемпературного блока - низкотемпературным металлогидридом, например MmNi_4,15Fe_0,75H_y. Вентилятор 6 контура регенерации может быть размещен в центре ротора.

МГР работает следующим образом.

При поступлении выхлопных газов с температурой 200...250^oC через газопровод к сорберам (в положении створки 12, изображенном на схеме), последние нагреваются до температуры T_h = 170...190^oC (точка A цикла). Выхлопные газы выходят из газового тракта через патрубок 20 перпендикулярно плоскости чертежа. В результате нагревания высокотемпературных металлогидридов из них выделяется водород, который перетекает в низкотемпературный металлогидрид, где поглощается (точка B цикла), а тепло абсорбции отводится в атмосферу благодаря потоку воздуха, нагнетаемого вентилятором 10 и выходящего через патрубок 21 (перпендикулярно плоскости чертежа). Ротор с сорберами 1 медленно вращается (непрерывно или импульсами), в результате чего сорберы выходят из зоны выхлопных газов и зоны обдува вентилятором 10. Концы сорберов с низкотемпературным металлогидридом попадают в контур регенерации, соответствующие концы сорберов с высокотемпературным металлогидридом - в среднетемпературный сектор с вентилятором 15, где охлаждаются.

Охлаждение в контуре регенерации осуществляется не за счет перетекания водорода из низкотемпературного металлогидрида в высокотемпературный, а за счет теплообмена с низкотемпературными сорберами, вышедшими из низкотемпературного сектора и таким образом процесс B-C только частично (на 50%) сопряжен с обратным перетеканием водорода, то есть в высокотемпературный металлогидрид. Охлаждение низкотемпературных концов сорберов в низкотемпературном секторе связано с охлаждением соответствующих высокотемпературных концов в среднетемпературном секторе 14 (точки C-D цикла). Охлаждаясь до минус 22... 29^oC, низкотемпературные концы сорберов обеспечивают при подаче на них воздуха вентилятором 8 охлаждение воздуха в кузове 13 до минус 18^oC. Остаточный холод в низкотемпературных концах сорберов после их попадания в контур регенерации как бы "передается" приближающимся к низкотемпературному сектору низкотемпературным концам сорберов.

Далее весь процесс повторяется. Временной цикл A-B-C-D-A составляет 20.. .40 мин.

Преимущество предлагаемого МГР заключается в более высокой холодопроизводительности при прочих равных условиях (или более высоком холодильном коэффициенте). Благодаря контуру регенерации величина холодильного коэффициента, равного отношению полезной холодопроизводительности к затраченной энергии, в среднем на 20...30% больше, чем у прототипа и достигает величины 0.4...0,45.

Таким образом, предлагаемый МГР позволяет полезно использовать до 30% тепловой мощности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и получить в холодильной камере температуру минус 15-20^oC в режиме непрерывной генерации холода. Такой МГР может представлять коммерческий интерес для большегрузных дизельных автомобильных рефрижераторов-холодильников, обеспечивающих грузоперевозки пищевых продуктов, для рефрижераторов-холодильников и кондиционеров воздуха на различных судах и для других передвижных установок с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

Металлогидридный рефрижератор содержит ротор с сорберами, заполненными с одного конца высокотемпературным металлогидридом, а с другого низкотемпературным металлогидридом, статор с цилиндрическим корпусом и патрубками для подвода и отвода теплоносителей в высоко-, средне- и низкотемпературный секторы, разделенные радиальными уплотнениями, поперечный теплоизоляционный экран, разделяющий ротор на высоко- и низкотемпературный блоки. Со стороны низкотемпературного блока статор снабжен контуром регенерации холода между низкотемпературными концами сорберов, размещенных между выходом из низкотемпературного сектора и входом в среднетемпературный сектор с одной стороны и между выходом из среднетемпературного сектора и входом в низкотемпературный сектор с другой стороны, причем в контуре регенерации внутри ротора может быть установлен вентилятор. Использование изобретения позволит повысить эффективность металлогидридного рефрижератора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Металлогидридный рефрижератор, содержащий ротор с сорберами, заполненными с одного конца высокотемпературным металлогидридом, а с другого низкотемпературным металлогидридом, статор с цилиндрическим корпусом и патрубками для подвода и отвода теплоносителей в высоко-, средне- и низкотемпературный секторы, разделенные радиальными уплотнениями, поперечный теплоизоляционный экран, разделяющий ротор на высоко- и низкотемпературный блоки, отличающийся тем, что со стороны низкотемпературного блока статор снабжен контуром регенерации холода между низкотемпературными концами сорберов, размещенных между выходом из низкотемпературного сектора и входом в среднетемпературный сектор с одной стороны и между выходом из среднетемпературного сектора и входом в низкотемпературный сектор с другой стороны, причем в контуре регенерации установлен вентилятор. 2. Металлогидридный рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что вентилятор контура регенерации установлен внутри ротора.