ПАРОРОТАЦИОННАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2001 года по МПК F25B3/00 

Предлагаемое устройство относится к области холодильной техники, в частности к бытовым и промышленным холодильникам, тепловым насосам, кондиционерам.

Известные в этой области устройства, как правило, работают на фреонах [1-3] , что является их основным недостатком, т.к. установлено разрушающее действие фреонов на озоновый слой атмосферы Земли и в соответствии с Монреальским протоколом запрещена разработка и производство приборов и устройств, работающих на фреонах [4].

Известны устройства для передачи теплоты, работающие на принципе изменения агрегатного состояния промежуточного теплоносителя, переносящего тепло из горячей зоны в холодную. К ним относятся тепловые трубы [5], центробежные тепловые трубы [6].

За прототип принято устройство "Теплопереносящий воздушный кондиционер/тепловая труба" [7] , содержащее изолированную трубку с прямой средней частью, которая служит для транспортировки теплоносителя из испарителя в конденсатор и расположена рядом с осью вращения, а конденсатором и испарителем являются колена трубки, расположенные на разных расстояниях от оси вращения, причем испаритель находится ближе, чем конденсатор.

При вращении указанной трубки вокруг оси вращения создается разность давлений в испарителе и конденсаторе, и рабочее тело в виде пара переходит в конденсатор. При этом испарительное колено охлаждается и, в случае работы устройства в качестве кондиционера, на него подается воздух для охлаждения. После полного перехода рабочего тела в конденсатор в устройстве предусмотрен процесс ретранспортировки рабочего тела обратно в испаритель. Для этого на конденсаторное колено направляется подогретый воздух и рабочее тело вновь в виде пара возвращается в испаритель, полностью перенося обратно всю теплоту испарения, поэтому рассматриваемое устройство не может быть использовано в качестве холодильника.

Другим недостатком является то, что для функционирования указанного устройства требуются дополнительные затраты энергии, т.к. для его работы необходим подвод тепла. Для увеличения эффективности работы вышеуказанного устройства, авторы предлагают увеличивать количество как изолированных трубок в тепловой трубе, так и количество самих тепловых труб, что усложняет конструкцию. Кроме того, устройство по патенту США [7] использует в качестве рабочего тела запрещенные фреоны или токсичный диоксид серы.

Предлагаемым изобретением решается задача использования в качестве рабочего тела как высококипящих (t_кип > 0^oC), так и низкокипящих (t_кип < 0^oC) веществ, среди которых имеются экологически безопасные, например, такие как спирты и их водные растворы. Одновременно упрощается конструкция холодильной машины и достигаются требуемые низкие температуры без дополнительных затрат энергии.

Для достижения указанного технического результата предлагается устройство, содержащее жестко соединенные цилиндрические испаритель, конденсатор и расположенный между ними цилиндрический термоизолирующий элемент, выполненный в виде патрубка. Отличительным признаком предлагаемой холодильной машины является то, что, во-первых, диаметр конденсатора больше диаметра испарителя, а диаметр испарителя больше диаметра теплоизолирующего патрубка. Во-вторых, вращение всего устройства осуществляется вокруг оси, проходящей через центр симметрии устройства. В-третьих, ретранспортировка рабочего тела из конденсатора в испаритель осуществляется при прекращении вращения устройства не в виде пара, как в устройстве по патенту США, а в виде конденсата, поэтому для возвращения рабочего тела в испаритель не требуется дополнительного подвода энергии. Таким образом, через термоизолирующий патрубок рабочее тело переносит теплоту испарения в конденсатор при вращении машины, а при прекращении вращения конденсат сливается в испаритель без переноса теплоты конденсации. Для полного слива конденсата днище конденсатора выполнено в виде усеченного конуса. Кроме того, в конденсаторе для увеличения эффективности конденсации имеются радиальные пластины, а для улучшения теплообмена стенки испарителя и конденсатора снабжены внешним оребрением.

На чертеже представлен поперечный и продольный разрезы пароротационной холодильной машины.

Холодильная машина включает в себя испаритель 1, который жестко соединен при помощи термоизолирующего патрубка 2 с конденсатором 3. Конденсатор снабжен радиальными пластинами 4 и расположен над испарителем, причем конденсатор и испаритель имеют внешнее оребрение 5. Испаритель, конденсатор и термоизолирующий элемент выполнены цилиндрической формы с возможностью вращения вокруг центральной общей оси, диаметр конденсатора больше диаметра испарителя в 10-12 раз, диаметр испарителя больше диаметра термоизолирующего элемента в 1,5-2 раза, а дно конденсатора выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона 1,5 - 3^o.

Холодильная машина работает следующим образом. При вращении устройства за счет ротации паров хладагента в конденсаторе создается перепад давления между испарителем и конденсатором. Известно, что давление p газа во внешнем силовом поле с потенциальной энергией U определяется формулой p=p₀exp(-U/kT),
где p₀ - давление при нулевом значении потенциальной энергии,
Т - температура в градусах Кельвина,
k - постоянная Больцмана.

При вращении конденсатора с парами хладагента вследствие центробежной силы возникает радиальный градиент давления, зависящий от круговой частоты ω и радиуса R. Таким образом, давление в приосевой области конденсатора понизится, а на боковых стенках повысится. Если температура стенки конденсатора будет равна или ниже равновесной при данном давлении p, то пар будет конденсироваться. При этом выделится теплота конденсации Q. Соответственно при понижении давления в испарителе жидкий хладагент будет интенсивно испаряться и температура в испарителе понизится до равновесной, соответствующей давлению в приосевой области. После испарения всего жидкого хладагента из испарителя привод отключается автоматически, вращение прекращается, и конденсат сливается обратно в испаритель, благодаря выполненному в виде усеченного конуса днищу конденсатора.

Поскольку теплота конденсации Q в диапазоне рабочих температур ΔT много больше теплоты q жидкого конденсата, равной произведению теплоемкости на разность температур q = C_p • ΔT, где C_p - теплоемкость, то температура испарителя в зависимости от применяемого хладагента может достигать желаемых низких значений, если устройство работает как холодильная машина. Например, используемый в качестве хладагента этиловый спирт при температуре 40^oC имеет теплоту конденсации, равную Q = 1013 кДж/кг, а его теплоемкость C_p = 2,33 кДж/(кг • град), то при разности температур между испарителем и конденсатором ΔT = 60^o теплота конденсата определяется величиной q = 2,33 • 60 = 140 кДж/кг, т.е. в испаритель возвращается не более 20% теплоты конденсации Q и температура в испарителе достигает 20^oC ниже нуля.

Так как температура замерзания водного раствора спирта должна быть ниже температуры, создаваемой в испарителе, для получения желаемых температур в испарителе рекомендуется использовать растворы спиртов с концентрацией не менее 50%.

Так как предлагаемое устройство не содержит разделяющих контур элементов - дросселирующего органа, вакуумного насоса или компрессора, то оно по сути представляет собой бесконтурную холодильную машину. Это значительно упрощает конструкцию, повышает ее надежность, долговечность, снижает габариты, металлоемкость и стоимость изготовления. Причем предлагаемая холодильная машина не будет уступать фреоновым холодильникам по таким параметрам, как безопасность, экономичность, простота конструкции, технологичность изготовления. Особенно эффективны такие машины будут в холодильниках, тепловых насосах и кондиционерах высокой производительности.

Литература
1. Быков А. В. и др. Холодильные компрессоры. Справочник. Москва, "Колос", 1992.

2. Вейнберг Б.С., Вайн Л.Н. Бытовые компрессионные холодильники. Москва, "Пищевая промышленность", 1974.

3. Доссат P. Дж. Основы холодильной техники. Москва, "Легкая и пищевая промышленность", 1984.

4. Быков А. В., Калнинь И.М., Сапронов В.И. Программа перехода на озонобезопасные хладагенты. Холодильная техника, N 10, 1991, с. 2.

5. Авторское свидетельство СССР N 452743, кл. F 25 В 15/00, 1974 г.

6. Авторское свидетельство СССР N 476433, кл. F 28 D 15/00, 1976 г.

7. Патент США N 4438636, МКИ F 25 B 3/00, F 25 B 29/00, 1984 г.

Пароротационная холодильная машина периодического действия состоит из испарителя и конденсатора, жестко соединенных термоизолирующим элементом. Теплота испарения переносится рабочим телом из испарителя в конденсатор при вращении. Расположенный под конденсатором испаритель, конденсатор и термоизолирующий элемент выполнены цилиндрической формы с возможностью вращения вокруг центральной общей оси. Диаметр конденсатора больше диаметра испарителя в 10-12 раз. Диаметр испарителя больше диаметра термоизолирующего элемента в 1,5-2 раза. Дно конденсатора выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона 1,5-3° с возможностью периодического слива рабочего тела в виде конденсата без переноса теплоты конденсации в испаритель. Боковые стенки испарителя и конденсатора имеют внешнее оребрение. Конденсатор снабжен радиальными пластинами. Использование изобретения позволит упростить конструкцию холодильной машины и получить низкие температуры без дополнительных затрат энергии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пароротационная холодильная машина периодического действия, состоящая из испарителя и конденсатора, жестко соединенных между собою термоизолирующим элементом, выполненная с возможностью переноса рабочим телом теплоты испарения из испарителя в конденсатор при вращении, отличающаяся тем, что расположенный под конденсатором испаритель, конденсатор и термоизолирующий элемент выполнены цилиндрической формы с возможностью вращения вокруг центральной общей оси, диаметр конденсатора больше диаметра испарителя в 10 - 12 раз, диаметр испарителя больше диаметра термоизолирующего элемента в 1,5 - 2 раза, а дно конденсатора выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона 1,5 - 3^o с возможностью периодического слива рабочего тела в виде конденсата без переноса теплоты конденсации в испаритель. 2. Холодильная машина по п.1, отличающаяся тем, что боковые стенки испарителя и конденсатора имеют внешнее оребрение, а конденсатор снабжен радиальными пластинами.