СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F25B21/00 H05B6/64 

Изобретение относится к области теплофизики, более конкретно к способу и устройству для охлаждения рабочего тела и к способу генерации микроволнового излучения, и может быть использовано при создании холодильной техники, генераторов микроволнового излучения и тепловых машин.

Широко известны холодильные машины /1/, реализующие способ искусственного охлаждения рабочего тела с помощью подводимой энергии. Известны устройства для этих целей - компрессионные холодильные машины, в которых происходит сжатие холодильного агента; теплоиспользующие холодильные машины, потребляющие тепловую энергию; термоэлектрические холодильные машины, основанные на использовании явления Пельтье.

Недостатком известного способа и устройств для охлаждения рабочего тела является невозможность достижения высоких коэффициентов полезного действия и значительное потребление внешней подводимой энергии.

Другим недостатком известного способа и устройств для охлаждения рабочего тела является невозможность их использования в качестве источника микроволнового излучения.

Известен способ генерации микроволнового излучения и охлаждения, а также устройство микроволновой печи-холодильника, принятые в качестве прототипа, обеспечивающее как работу СВЧ-источника, например для обеспечения работы печи нагрева СВЧ, так и холодильника /2/.

Известное устройство печи-холодильника содержит рабочую камеру, магнетрон, снабженный устройством охлаждения и подключенный к рабочей камере через отрезок коаксиальной линии с СВЧ излучателем на конце, устройство охлаждения представляет собой воздуховод с принудительной вентиляцией, в котором установлены магнетрон и радиатор, при этом воздуховод соединен с рабочей камерой посредством управляемой заглушки, снаружи рабочей камеры размещен термоэлемент, на одной из ее стенок, и подключен к источнику питания, снабженному переключателем. Термоэлемент выполнен в виде твердотельных электронных микроохладителей, установленных на радиаторе.

Работа данного устройства в качестве холодильника обеспечивается использованием твердотельных электронных микроохладителей, представляющих собой керамические теплопереходы, соединенные с чередующимися полупроводниковыми р- и n-элементами, объединенными в один корпус, работа которых основана на эффекте Пельтье, согласно которому поглощение или выделение тепла, т. е. охлаждение или нагревание перехода зависит от направления электрического тока по переходу.

Недостатком известного способа и устройств для охлаждения рабочего тела является невозможность достижения высоких коэффициентов полезного действия и значительное потребление внешней подводимой энергии.

Недостатком известного способа генерации микроволнового излучения является низкий коэффициент преобразования электрической энергии в энергию излучения.

Задачей изобретения является создание способа и устройства для охлаждения рабочего тела, обеспечивающих снижение энергозатрат в процессе охлаждения. Также задачей изобретения является создание способа генерации микроволнового излучения, обеспечивающего снижение энергозатрат на преобразование электрической энергии в энергию электромагнитного излучения.

Указанный результат достигается тем, что в способе охлаждения рабочего тела, соответствующем изобретению, рабочее тело, молекулы которого обладают устойчивым дипольным моментом, помещают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля, напряженность которого выбирают из условия
μE>10⁷ДВ/м,
где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, выраженный в Дебаях (Д), Е - напряженность электрического поля, выраженная в В/м,
при этом исключают возможность прохождения электрического тока в замкнутой рабочей зоне действия электрического поля.

В качестве рабочего тела используют газы или жидкости.

Рабочее тело подают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля периодически с выдержкой рабочего тела в упомянутой зоне и последующим отводом из нее или непрерывно с обеспечением непрерывного отвода, причем после отвода рабочего тела из замкнутой рабочей зоны осуществляют его нагрев путем теплообмена с окружающей средой и последующий его возврат в замкнутую рабочую зону действия электрического поля.

Рабочее тело в виде газа помещают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля при температуре, превышающей 100 К, при давлении, не превышающем величину давления, при которой происходит конденсация рабочего тела, предпочтительно при нормальных условиях, включая температуру и давление окружающей среды.

Возможность прохождения электрического тока в замкнутой рабочей зоне действия электрического поля исключают путем изоляции конструктивных элементов, к которым подается разность потенциалов, создающая электрическое поле, от рабочего тела и друг от друга, причем упомянутые конструктивные элементы выполнены и обработаны таким образом, чтобы обеспечить однородность электрического поля в зоне его действия.

В случае использования рабочего тела в виде жидкостей электрическое поле можно создавать в двойном электрическом слое на границе фаз рабочего тела и конструктивных элементов замкнутой рабочей зоны.

Указанный технический результат достигается также тем, что заявленное устройство для охлаждения рабочего тела содержит камеру для помещения рабочего тела, молекулы которого обладают устойчивым дипольным моментом, причем упомянутая камера содержит элементы для подвода разности потенциалов, создающей электрическое поле в камере, напряженность которого удовлетворяет условию
μE>10⁷ДВ/м,
где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, выраженный в Дебаях (Д),
Е - напряженность электрического поля, выраженная в В/м;
средство для подвода рабочего тела, связанное с камерой, средство для отвода рабочего тела, связанное с камерой, и источник высокого напряжения, соединенный с элементами для подвода разности потенциалов.

При этом элементы для подвода разности потенциалов предпочтительно выполнены в виде пластин из электропроводящего материала, снабженных электроизолирующим покрытием, в частности в форме пластин со скругленными углами и полированной поверхностью.

Источник высокого напряжения предназначен для создания постоянной или переменной разности потенциалов.

Кроме того, камера выполнена из химически инертного диэлектрического материала, а в качестве рабочего тела используют газы или жидкости.

При этом средство для отвода рабочего тела соединено со средством для подвода рабочего тела через теплообменник.

Вышеуказанный технический результат достигается также тем, что в способе генерации микроволнового излучения, соответствующем изобретению, рабочее тело, молекулы которого обладают устойчивым дипольным моментом, помещают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля, напряженность которого выбирают из условия
μE>10⁷ДВ/м,
где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, выраженный в Дебаях (Д),
Е - напряженность электрического поля, выраженная в В/м,
при этом исключают возможность прохождения электрического тока в замкнутой рабочей зоне и
обеспечивают выход микроволнового излучения из замкнутой рабочей зоны действия электрического поля и теплоотвод путем поглощения этого микроволнового излучения внешним теплоносителем.

Изобретение основывается на следующих теоретических предпосылках.

При помещении рабочего тела, молекулы которого имеют устойчивый дипольный момент μ, не обусловленный электронной поляризуемостью, в электрическое поле напряженностью Е, при отсутствии электрического тока в рабочем теле, обусловленного указанным полем, наблюдается смещение термодинамического равновесия рабочего тела в сторону снижения его температуры по сравнению с окружающей средой. Устойчивый эффект охлаждения рабочего тела на величину более 0.02^oС наблюдается при соблюдении условия μ•E>10⁷ДВ/м. Эффект охлаждения рабочего тела, или же - смещение термодинамического равновесия рабочего тела в сторону уменьшения температуры по сравнению с температурой окружающей среды обусловлен эффектом Штарка /3/. Как известно, вещество, обладающее дипольным моментом, находясь в газообразном состоянии, помещенное в электрическое поле изменяет свой спектр поглощения следующим образом: линии, соответствующие переходам вращательных уровней энергии молекулы расщепляются на симметричные первоначальному максимуму полосы поглощения с суммарной площадью, примерно равной площади исходной полосы. Величина расщепления тем выше, чем больше напряженность поля и выше дипольный момент молекулы. Согласно закону о тепловом излучении спектр излучения рабочего тела также должен испытывать расщепление полос на штарковских длинах волн.

Согласно формуле Шеннона энтропия излучения зависит от спектра излучения и тем больше, чем больше полос в этом спектре. Таким образом, при помещении рабочего тела в электрическое поле должно наблюдаться смещение термодинамического равновесия, вызванное увеличением энтропии, уносимой от рабочего тела тепловым излучением. Если излучение рабочего тела будет в какой-то степени улавливаться окружающей средой посредством теплоносителей с последующим отводом теплоносителя, то охлаждение рабочего тела может быть использовано для создания первичного контура тепловой машины для совершения работы.

Изобретение поясняется на примерах осуществления, иллюстрируемых чертежами, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - блок-схема устройства для охлаждения рабочего тела, соответствующая периодической подаче рабочего тела;
фиг. 2 - блок-схема устройства для охлаждения рабочего тела, соответствующая непрерывной подаче рабочего тела;
фиг. 3 - упрощенный вид экспериментальной установки для проверки эффекта охлаждения рабочего тела;
фиг.4 - электрическая схема установки по фиг.3;
На фиг.1 обозначены: баллон со сжатым газом (рабочим телом), либо газометр 1 (в зависимости от того, имеют ли рабочее тело в готовом виде, либо получают его перед процессом охлаждения), который подает рабочее тело посредством избыточного давления через вентиль 3 и счетчик объемного расхода 2 в рабочую камеру 4. После чего рабочее тело выходит из рабочей камеры через патрубок 6 с вентилем 5 в вентиляционную тягу. По прохождении 20-40 объемов рабочей камеры вентили 3 и 5 перекрывают и к рабочей камере 4 подводят разность потенциалов, электрическая схема которой показана на фигуре 4.

На фиг.2 обозначены: 7 - мембранный насос с буферной емкостью для рабочего тела, который подает рабочее тело через счетчик объемного расхода 8 и вентиль 9 в рабочую камеру 4. После чего рабочее тело выходит из рабочей камеры по патрубку через вентиль 10 и воздушный холодильник 11, попадая в дальнейшем в буферную емкость мембранного насоса. К рабочей камере 4 подводят разность потенциалов, электрическая схема которой показана на фигуре 4. Для сброса избыточного давления в системе рабочее тело выпускают через вентиль 12 по патрубку 13 в вентиляционную тягу.

На фиг.3 обозначено: 14 - рабочая кювета; 15 - кювета сравнения; 16 и 17 - термометр Бекмана либо ТР; 18 - капилляр для подачи рабочего тела в рабочую кювету; 19 - капилляр для отвода рабочего тела из рабочей кюветы; 20 - капилляр для подачи рабочего тела в кювету сравнения; 21- контакт от токопроводящей фольги в рабочей кювете к источнику высокого напряжения.

На фиг.4 обозначено: 22 - измерительная головка М24; 23 - гальванометр М 193/3; 24 - сопротивление R=33.6 ГОм; 25 - экспериментальная установка в теплоизолирующем кожухе; 26 - умножитель напряжения; 27 - электропитание.

Изобретение было проверено экспериментально. Работы по определению тепловых эффектов проводились на установке, показанной на фиг.3. Предварительно обе кюветы 14 и 15 прокачивали объемом рабочего тела, примерно равным 20 объемам кюветы. Затем обе кюветы герметизировали и начинали проводить измерения температуры с помощью термометров ТР либо с помощью термометров Бекмана с ценой деления 0.01^oС. По достижении примерного постоянства разницы в показаниях термометров 16 и 17, но не ранее чем через 30 минут, подключали к одной из кювет, называемой рабочей, напряжение от источника высокого напряжения 26. При отсутствии тока в цепи, измерение которого производилось измерительной головкой 22, предел 0-50 мА, цена деления 1 мА, проводили измерение температуры в рабочей кювете и кювете сравнения в течение 30 минут при постоянном значении приложенного напряжения, которое контролировали гальванометром 23, цена деления 1,6•10^-9 А, подключенным через сопротивления 24 в параллельной цепи. По истечении 30 минут изменяли напряжение на рабочей кювете и проводили измерения температуры в обеих кюветах. Через 30 минут изменяли напряжение на рабочей кювете и проводили измерения в обеих кюветах. По истечении 30 минут напряжение отключали от рабочей кюветы и повторяли измерения температуры на двух кюветах в режиме отсутствия напряжения. Обработку результатов измерения проводили следующим образом: определяли калибровочную разность температур в холостом опыте (до подключения напряжения) по участку наибольшего постоянства значения разницы температур в рабочей кювете и кювете сравнения
ΔT_калибр = TXoраб

Далее значения температуры в кювете сравнения Т_ср приводили к приведенному значению по формуле
T_пр = T_ср+ΔT_калибр.

Полученные значения приведенных температур в кювете сравнения и в рабочей кювете отображали на графиках (пример указан ниже). По приведенным графикам определяли значение теплового эффекта
ΔT = T_пр-T_раб (при одном значении времени, τ).

Три эксперимента с различными значениями напряжения на рабочей кювете (10 кВ, 20 кВ, 30 кВ ) вместе с холостым опытом составляют первую серию экспериментов, относящихся к одному рабочему телу - хлорэтан (дипольный момент 1,8 Д) при различной ориентации установки в лаборатории и смене термометров местами.

Во всех сериях экспериментов наблюдали положительный тепловой эффект, ΔT>0, который становился более устойчивым при увеличении напряжения на рабочей кювете. При 10 кВ (μE = 3,6•10⁶Д•В/м) значение ΔT сравнимо с погрешностью прибора измерения ΔT_погр = 0,005⁰C. При 30 кВ (μE = 1,08•10⁷Д•В/м) значение ΔT~0,02-0,04⁰C, что заметно превышает погрешность прибора. Положительное значение ΔT показывает, что в условиях наличия напряжения электрического поля равновесие в рабочей кювете смещается в сторону охлаждения по сравнению с равновесием в кювете сравнения.

Далее приводятся результаты трех серий экспериментов с использованием одного рабочего тела.

В качестве рабочего тела использовали хлорэтан, полученный по реакции диэтилсульфата с насыщенным раствором NaCl. Газ пропускали через склянку с серной кислотой для осушения. (см. Опыты 1-9 в конце описания).

Экспериментальная отработка и теоретические предпосылки показали, что существует ряд проблем на пути использования холодильника-генератора в промышленности и в быту.

1) Высокое значение напряженности электрического поля (~10⁷ В/м) реализуется с использованием источников высокого напряжения (~10 кВ), что само по себе несет большую опасность как на производстве, так и особенно в быту. Кроме традиционного использования мер защиты от высокого напряжения можно предложить путь миниатюризации рабочей камеры, а также использования в качестве источника поля двойного электрического слоя (напряженность до 10⁸ В/м), создаваемого на границах жидкости и твердого тела в коллоидных системах.

2) Низкий процент излучения рабочего тела, покидающего рабочую камеру. Это обусловлено конструктивными особенностями кюветы для создания рабочей зоны с высокой напряженностью электрического поля. Проблема полностью устранима, если токопроводящие элементы состоят из материалов, имеющих низкое поглощение на штарковских частотах, либо достаточно тонки для заметного поглощения излучения. Другим путем, позволяющим обеспечить больший теплоотвод к теплоносителю от рабочего тела, может являться достижение температуры конденсации рабочего тела в ходе процесса охлаждения. Также эффективный теплоотвод может обеспечить теплоноситель при рабочей температуре вблизи точки кипения. Кроме того, представляется эффективным путь подбора рабочего тела и теплоносителя для совмещения процессов конденсации рабочего тела и испарения теплоносителя. Рабочее тело и теплоноситель могут быть одним веществом.

3. Выбор вещества в качестве рабочего тела осуществляют исходя из следующего: большинство веществ, молекулы которых обладают большим дипольным моментом, либо представляют собой твердые тела в нормальных условиях, либо достаточно токсичны. Поэтому соблюдение всех трех критериев для выбора рабочего тела, а именно: высокий дипольный момент у молекул вещества, низкая токсичность вещества и нахождение температуры конденсации вещества не выше температуры окружающей среды при нормальном давлении, сильно ограничивает круг соединений, подходящих для данной цели. Одним из возможных решений данной проблемы представляется выбор фреонов. Среди широкого спектра фреонов, использующихся в промышленности, можно выбрать те, которые удовлетворяют критерию по дипольному моменту, являются газами, при нормальных условиях, и являются озоносберегающими веществами, утечки которых не будут приводить к загрязнению окружающей среды.

Однако решение данных проблем не носит принципиального характера на пути осуществления изобретения и может быть использовано в промышленности, быту при создании холодильной техники, генераторов микроволнового излучения и тепловых машин.

Источники информации
1. Большой энциклопедический словарь политехнический. Научное издательство "Большая Российская энциклопедия". - М.: 1998 г., стр. 585.

2. Патент России 2080746 по заявке 92014748/09 с приоритетом от 1992.12.28.

3. Минкин В. И. , Осипов О.А., Жданов Ю.А. Дипольные моменты в органической химии. - Л.: Химия, 1968, стр. 248.

Изобретение относится к области теплофизики, более конкретно к способу и устройству для охлаждения рабочего тела и к способу генерации микроволнового излучения, и может быть использовано при создании холодильной техники, генераторов микроволнового излучения и тепловых машин. Согласно изобретению в способе охлаждения рабочего тела рабочее тело, молекулы которого обладают устойчивым дипольным моментом, помещают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля, напряженность которого выбирают из условия: μE>10⁷ДВ/м, где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, выраженный в Дебаях (Д), Е - напряженность электрического поля, выраженная в В/м, при этом исключают возможность прохождения электрического тока в замкнутой рабочей зоне действия электрического поля. В качестве рабочего тела используют газы или жидкости. Устройство для охлаждения рабочего тела содержит камеру для помещения рабочего тела, молекулы которого обладают устойчивым дипольным моментом, причем упомянутая камера содержит элементы для подвода разности потенциалов, создающей электрическое поле в камере. В способе генерации микроволнового излучения, соответствующем изобретению, рабочее тело, молекулы которого обладают устойчивым дипольным моментом, помещают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля, напряженность которого выбирают из условия: μE>10⁷ДВ/м, где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, выраженный в Дебаях (Д), Е - напряженность электрического поля, выраженная в В/м, при этом исключают возможность прохождения электрического тока в замкнутой рабочей зоне и обеспечивают выход микроволнового излучения из замкнутой рабочей зоны действия электрического поля и теплоотвод путем поглощения этого микроволнового излучения внешним теплоносителем. Изобретение обеспечивает снижение энергозатрат в процессе охлаждения и снижение энергозатрат на преобразование электрической энергии в энергию электромагнитного излучения. 3 с. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ охлаждения рабочего тела, включающий помещение рабочего тела, молекулы которого обладают устойчивым дипольным моментом, в замкнутую рабочую зону действия электрического поля, напряженность которого выбирают из условия
μE>10⁷ДВ/м,
где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, выраженный в Дебаях (Д);
Е - напряженность электрического поля, выраженная в В/м,
при этом исключают прохождение электрического тока в замкнутой рабочей зоне, а в качестве рабочего тела используют газы или жидкости. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что помещение рабочего тела в замкнутую рабочую зону действия электрического поля осуществляют периодически, с выдержкой рабочего тела в упомянутой зоне и последующим отводом из нее рабочего тела. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочее тело непрерывно подают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля с обеспечением непрерывного отвода. 4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что после отвода рабочего тела из замкнутой рабочей зоны действия электрического поля осуществляют нагрев рабочего тела путем теплообмена с окружающей средой и последующий его возврат в замкнутую рабочую зону действия электрического поля. 5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что рабочее тело помещают в замкнутую зону действия электрического поля при температуре, превышающей 100К. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочее тело помещают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля при давлении, не превышающем величину давления, при которой происходит конденсация рабочего тела. 7. Способ по п. 5 или 6, отличающийся тем, что рабочее тело помещают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля при нормальных условиях, включая температуру и давление окружающей среды. 8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что возможность прохождения электрического тока в зоне действия электрического поля исключают путем изоляции конструктивных элементов, к которым подается разность потенциалов, создающая электрическое поле, от рабочего тела и друг от друга. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что упомянутые конструктивные элементы выполнены и обработаны таким образом, чтобы обеспечить однородность электрического поля в зоне его действия. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрическое поле создают в двойном электрическом слое на границе фаз рабочего тела и конструктивных элементов замкнутой рабочей зоны действия электрического поля. 11. Способ по пп. 1-10, отличающийся тем, что электрическое поле имеет переменное во времени значение. 12. Устройство для охлаждения рабочего тела, содержащее камеру для помещения рабочего тела, молекулы которого обладают устойчивым дипольным моментом, причем упомянутая камера содержит элементы для подвода разности потенциалов, создающей электрическое поле в камере, напряженность которого удовлетворяет условию
μE>10⁷ДВ/м,
где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, Дебай (Д);
Е - напряженность электрического поля, В/м,
средство для подвода рабочего тела, связанное с камерой, средство для отвода рабочего тела, связанное с камерой, источник высокого напряжения, соединенный с элементами для подвода разности потенциалов. 13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что элементы для подвода разности потенциалов выполнены в виде пластин из электропроводящего материала, снабженных электроизолирующим покрытием. 14. Устройство по п. 12 или 13, отличающееся тем, что элементы для подвода разности потенциалов выполнены в форме пластин со скругленными углами и полированной поверхностью. 15. Устройство по любому из пп. 12-14, отличающееся тем, что используют источник высокого напряжения с обеспечением создания постоянной или переменной разности потенциалов. 16. Устройство по любому из пп. 12-15, отличающееся тем, что камера выполнена из химически инертного диэлектрического материала. 17. Устройство по любому из пп. 12-16, отличающееся тем, что в качестве рабочего тела используют газы. 18. Устройство по любому из пп. 12-16, отличающееся тем, что в качестве рабочего тела используют жидкости. 19. Устройство по любому из пп. 12-18, отличающееся тем, что средство для отвода рабочего тела соединено со средством для подвода рабочего тела через теплообменник. 20. Способ генерации микроволнового излучения, включающий помещение рабочего тела, молекулы которого обладают устойчивым дипольным моментом, в замкнутую рабочую зону, в которой создают электрическое поле, напряженность которого выбирают из условия
μE>10⁷ДВ/м,
где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, выраженный в Дебаях (Д);
Е - напряженность электрического поля, выраженная в В/м,
при этом исключают возможность прохождения электрического тока в замкнутой рабочей зоне и обеспечивают выход микроволнового излучения из замкнутой рабочей зоны, и теплоотвод путем поглощения этого микроволнового излучения внешним теплоносителем. 21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют газы. 22. Способ по п. 20, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют жидкости. 23. Способ по пп. 20-22, отличающийся тем, что в качестве внешнего теплоносителя используют вещество, химический состав которого соответствует химическому составу рабочего тела.