СПОСОБ РАБОТЫ МАГНИТОТЕПЛОВОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2003 года по МПК F03G7/00 

Изобретение относится к области энергетики и машиностроения и может быть использовано для создания двигателей и генераторов электрической энергии, различного типа реле и исполнительных механизмов, систем автономного энергообеспечения.

Известен способ работы магнитотеплового устройства, заключающийся в преобразовании запасенной магнитной энергии, энергии фазовых переходов и тепловой энергии в энергию движения рабочего тела (SU 1793525, F 03 G 7/00, 07.02.1993).

Известный способ осуществляет преобразование магнитной и тепловой энергии в энергию движения рабочего тела путем выполнения рабочего тела из магнитомягкого материала, обладающего свойствами магнитного фазового перехода в точке Кюри - Тс.

Недостатками известного способа являются технические трудности реализации эффективной системы нагрева-охлаждения рабочих ферромагнитных элементов за относительно малые времена с целью достижения необходимой скорости вращения ротора, обеспечения приемлемой удельной мощности устройства из-за низких значений КПД, а также из-за малой суммарной массы рабочего вещества, участвующего в создании результирующего момента силы в направлении движения.

Задачей изобретения является существенное изменение и расширение функциональных возможностей работы магнитотеплового устройства за счет предлагаемого ниже способа организации его работы, позволяющем полностью устранить практически все вышеуказанные недостатки, в частности создание эффективных автономных двигателей и генераторов различного типа и назначения с использованием только низкопотенциальных природных источников энергии независимо от погодных условий и времени суток.

Техническим результатом изобретения является возможность осуществления с высоким КПД в предлагаемом устройстве, например в рассматриваемом ниже одноступенчатом компрессоре поршневого типа, полного рабочего цикла в процессе динамически взаимосвязанных магнитных и тепловых превращений с изменением различных форм энергии, сопровождающиеся поглощением и выделением тепла, а также организации работы устройства с использованием только естественных источников энергии практически в любой географической местности не зависимо от времени суток, в том числе в труднодоступных, северных и горных районах, где отсутствует централизованное снабжение электроэнергией.

Технический результат достигается тем, что способ основан на использовании энергии различных форм магнитных и тепловых фазовых превращений с последующим их преобразованием в энергию движения рабочего тела путем его выполнения из магнитомягкого материала с ферромагнитными свойствами, обладающего спонтанной намагниченностью в точке фазового перехода и зависимостью величины намагниченности от температуры. Путем помещения рабочего тела с вышеуказанными свойствами в поляризующее магнитное поле, в замкнутом объеме которого под атмосферным давлением находится парожидкостная смесь низкокипящей рабочей жидкости, переводящей рабочее тело из парамагнитного в ферромагнитное состояние, вследствие чего рабочее тело под действием магнитных сил перемещается в направлении их действия из зоны с минимальным значением напряженности магнитного поля в зону максимального значения магнитной индукции, совершая при этом работу по сжатию парожидкостной смеси в ограниченном объеме, нагревая и переводя ее в газообразное состояние.

Рабочее тело нагревают за счет теплоты сжатого газа и теплоты магнитокалорического эффекта, в процессе работы по его намагничиванию, переводят тело в парамагнитное состояние, исключают, таким образом, действие сил магнитосцепления и перемещают силой упругости сжатого газа в исходное положение, при этом рабочее тело охлаждают за счет охлажденного в процессе расширения газа, доохлаждают парожидкостной смесью и переводят в ферромагнитное состояние.

Рассматриваемый способ работы магнитотеплового устройства открывает принципиально новые практические возможности эффективного использования низкопотенциальной энергии окружающей среды путем ее предварительной аккумуляции, например, в низкокипящей жидкости, с высокой удельной теплотой парообразования и последующего ее использования в качестве теплоносителя в магнитотепловом цикле. Таким образом, можно организовать и многоступенчатый магнитотепловой цикл, в котором поглощаемое системой низкопотенциальное тепло окружающей среды в конечном итоге преобразуется в новое качество, трансформируясь в потенциал с более высокой удельной энергией.

В частности, предлагаемый способ может быть проиллюстрирован на примере работы термодинамической системы, использующей в качестве рабочего вещества низкокипящую жидкость, находящуюся в рабочем диапазоне температур в парожидкостном состоянии, а в качестве рабочего тела - ферромагнетик, обладающий вышеуказанными свойствами, с точкой Кюри - Тс, согласованную с рабочим диапазоном температур парожидкостного теплоносителя, с осуществлением полного магнитотеплового цикла, сопровождающегося взаимопревращениями одной формы энергии в другую, в процессе взаимосвязанных магнитных и тепловых фазовых переходов, идущих с поглощением или выделением тепла, например, как это имеет место в ферромагнетиках вследствие обратимой перекачки энергии от магнитной подсистемы к решеточной и обратно (см. магнитокалорический эффект), в процессе образования или разрушения магнитного порядка.

Среди широкого класса магнитных материалов, обладающих вышеуказанными свойствами, особый интерес в плане их технического применения представляют редкоземельные металлы и их соединения с элементами группы железа.

Последнее обусловлено тем обстоятельством, что эти магнетики, обладая высокими значениями намагниченности насыщения, являются еще и необычайно чувствительными ко всякого рода внешним воздействиям, в особенности, в окрестностях фазовых переходов, в зависимости от температуры, давления и величины поляризующего магнитного поля.

Выбор подходящего теплоносителя находится в прямой зависимости от выбора рабочего тела, его магнитных и теплофизических характеристик, в частности в случае использования в качестве теплоносителя низкокипящей жидкости она должна иметь точку кипения, находящуюся ниже точки Кюри - Тс, в области температуры, охватывающей по возможности широкий диапазон, в окрестностях магнитного фазового перехода, в которой проявляется искомая зависимость намагниченности от температуры, при этом сильное изменение намагниченности должно происходить как можно в более узком интервале температуры. Помимо этого низкокипящая жидкость должна обладать большой удельной теплотой парообразования, низкими значениями вязкости жидкой и паровой фаз, а также высокой теплопроводностью. Температура кипения рабочей жидкости при нормальном атмосферном давлении должна быть как можно ниже, а критическая температура как можно выше.

Ниже, на примере конкретной термодинамической системы рассматривается предлагаемый способ работы магнитотеплового устройства, выполненного в виде одноступенчатого компрессора поршневого типа, с происходящими в ней взаимными превращениями энергии, обусловленными магнитными и тепловыми фазовыми переходами, а также процессами тепломассообмена рабочего тела и низкокипящей жидкости с указанными выше свойствами.

Основная отличительная черта предлагаемого способа работы магнитотеплового устройства от всех известных заключается в том, что совершаемая в такой термодинамической системе работа по сжатию паров низкокипящей жидкости происходит не за счет внешнего привода, а в результате попеременного действия магнитодвижущей силы, возникающей с периодичностью фазовых превращений рабочего тела из парамагнитного в ферромагнитное состояние, в процессе которых происходит обмен тепловой энергией рабочего тела с парожидкостной смесью и как следствие взаимосвязанные превращения одной формы энергии в другие ее формы с различными удельными энергетическими потенциалами.

На чертеже представлена принципиальная схема базовой теплоэнергетической установки, осуществляющей предложенный способ, состоящей из одноступенчатого компрессора 1 поршневого типа, конденсатора 2, дроссельного устройства 3 и испарителя 4. Работа компрессора 1 основана на магнитотепловых явлениях, происходящих в процессе фазовых превращений, и конструкционно представляет собой устройство с герметичной полостью, образованной внутренним 5 и внешним 6 стаканами цилиндрической формы, вставленными друг в друга, с образованием термостатирующей полости. В верхней торцевой части устройства расположены впускной 7 и выпускной 8 клапаны давления. Во внутренней полости цилиндра установлен поршень 9 с механически жестко закрепленным рабочим телом 10 и со штоком 11. Магнитная система 12 собрана из высококоэрцитивных постоянных магнитов с теплоизолированной внутренней поверхностью и наружным магнитным экраном 13, как это показано на чертеже. Регулировочные вентили 14, 15 и 16 предназначены для настройки работы устройства на различных уровнях мощности в зависимости от рабочих параметров системы. В исходном состоянии поршень 9 находится в положении нижней мертвой точки (НМТ), при этом в зависимости от температуры рабочее тело 10 может находиться в одном из своих возможных состояний. Допустим, что рабочее тело находится в парамагнитном состоянии, т.е. его температура выше точки Кюри - Тс. В этом состоянии магнитосцепление между поляризующим внешним магнитным полем и рабочим телом практически отсутствует и поршень продолжает оставаться неподвижно в положении (НМТ). По мере охлаждения рабочего тела поршня, как минимум, до температуры Тс в последнем возникает индуцированная магнитным полем спонтанная намагниченность и соответственно отличный от нуля суммарный магнитный момент, величина которого находится в прямой зависимости от значения температуры, в области, ниже точки фазового перехода, магнитного момента атома вещества рабочего тела и напряженности приложенного поля.

В результате приобретенной намагниченности между рабочим телом и внешним магнитным полем возникает взаимодействие с силой F=mI(H,T)dB/dZ, где m - масса рабочего тела, I(H,T) - величина удельной намагниченности рабочего вещества для данной напряженности поля и температуры, В - магнитная индукция, dB/dZ - градиент магнитного поля вдоль направления движения поршня. Под действием этой силы рабочее тело начинает свое ускоренное движение в направлении приложенного градиента к верхней мертвой точке (ВМТ).

Рассмотрим более детально полный рабочий цикл магнитотеплового устройства. Пусть внутренняя цилиндрическая полость компрессора 1 полностью герметична и заполнена каким-либо хорошо теплопроводящим газом, например водородом, под атмосферным давлением. Предположим также, что поршень находится в положении (НМТ), в тепловом равновесии с окружающей средой, при температуре рабочего тела Т>Тс, и рассмотрим идеализированный магнитотепловой цикл, т.е. пренебрегая всеми потерями, будем учитывать обмен энергией только между рабочим телом и газовой средой. Осуществим каким-либо образом захолаживание рабочего тела до температуры Т<Тс - ниже температуры его перехода в ферромагнитное состояние. Под действием возникшей, индуцированной магнитным полем силы F рабочее тело начинает ускоренное движение в направлении градиента поля dB/dZ, при этом происходит процесс адиабатического сжатия газа, в результате которого газ нагревается от начальной температуры Т1 до температуры Т2, при соответствующем увеличении давления от первоначального значения Р1= Ратм до Р2.

В результате происходящего теплообмена между рабочим телом и газовой средой к концу первого полуцикла, по мере приближения замкнутой системы к своему значению теплового равновесия, характеризуемому температурой Т3 меньшей Т2, но большей Тс, рабочее тело претерпевает обратное фазовое превращение с переходом в парамагнитное состояние и под действием силы упругости сжатого газа пропорциональной установившейся разности давления ΔP=P2-P1 выталкивается в исходное положение.

В процессе расширения газ продолжает охлаждаться с совершением полезной работы, соответственно охлаждая рабочее тело поршня до его первоначального значения Т1. Далее цикл повторяется. Все вышесказанное справедливо только для идеализированной термодинамической системы, в которой полностью отсутствуют потери энергии, что естественно не соответствует действительности, поэтому со временем из-за диссипации энергии будет происходить затухание возвратно-поступательного движения поршня, в результате которой он остановится.

Ниже, на примере теплоэнергетической установки (см. чертеж), в которой в качестве нагнетательного компрессора используется вышеописанное магнитотепловое устройство, рассматривается способ организации его работы в режиме возвратно-поступательного движения поршня с использованием запасенной магнитной энергии и тепла окружающей среды, достаточной для поддержания работы устройства, обеспечения полезной мощностью внешней нагрузки, а также самообеспечения собственных нужд энергией, в процессе магнитных фазовых переходов, т.е. создания полностью автономной энергетической установки с использованием только природных источниках тепла.

Суть работы установки состоит в следующем. Теплота, отбираемая из внешней среды, например, в виде энергии солнечного излучения, теплых водных или воздушных потоков и течений, геотермальных источников и др., подается на вход 17 испарителя 3 для создания парожидкостной смеси низкокипящей жидкости, используемой в тепловом цикле в качестве рабочего вещества. Парожидкостная смесь из испарителя 3 под действием избыточного давления насыщенных паров жидкости через впускной клапан 7 при закрытом выпускном клапане 8 всасывается компрессором 1, отбирает тепло у рабочего тела поршня, охлаждает его до температуры ниже точки Кюри - Тс и переводит в ферромагнитное состояние. Далее под действием возникшей силы магнитной тяги со стороны постоянных силовых магнитов 12 рабочее тело 10 двигает поршень 9, совершая при этом работу по сжатию паров низкокипящей жидкости, в результате которой повышается температура и давление пара в полости компрессора 1, закрывается впускной клапан 7, открывается выпускной клапан 8, часть тепла сжатого газа идет на нагрев рабочего тела, а оставшаяся часть нагнетается в конденсатор 2, в котором происходит его охлаждение за счет сброса тепла во внешнюю среду. Последнее осуществляется естественным путем, например за счет организации развитой поверхности теплоотдачи в конденсаторе, либо путем искусственной прокачки хладагента, подаваемого на вход 18 теплообменика, встроенного в конденсатор 2. Сконденсированная парожидкостная смесь через дроссель 4 вновь попадает в испаритель, причем в процессе дросселирования, во-первых, происходит дальнейшее понижение температуры парожидкостной смеси, а во вторых, появляется дополнительная возможность регулирования и поддержания необходимого перепада давления между конденсатором и испарителем. Процесс нагнетания сжатого пара в конденсатор заканчивается по мере выравнивания давления на выпускном клапане 8, после чего он закрывается, а оставшаяся в мертвом объеме часть пара с давлением Р>Ратм совершает работу по выталкиванию нагретого выше температуры Кюри рабочего тела в положение (НМТ). Работа по расширению сжатого пара в компрессоре 1 сопровождается падением температуры и давления, в результате которого происходит охлаждение рабочего тела, с одной стороны, за счет его теплообмена с расширяющейся газовой средой, а с другой стороны - за счет новой порции парожидкостной смеси, поступающей из испарителя 3 в рабочую полость компрессора 1, по мере падения в ней давления, посредством впускного клапана 7. После чего рабочее тело вновь переходит в свое ферромагнитное состояние и цикл повторяется.

Изобретение может быть использовано для создания двигателей и генераторов электрической энергии. Способ работы магнитотеплового устройства, осуществляющего преобразование запасенной магнитной энергии, энергии фазовых превращений и тепловой энергии в энергию движения рабочего тела, путем выполнения рабочего тела из магнитомягкого материала с ферромагнитными свойствами, обладающего зависимостью намагниченности от температуры и его помещения в поляризующее магнитное поле. При этом рабочее тело охлаждают, переводят его в ферромагнитное состояние и под действием возникших сил магнитосцепления перемещают тело в направлении действия этих сил из зоны с минимальным значением напряженности магнитного поля в зону максимального значения магнитной индукции, совершая при этом работу по сжатию, например, газа, в ограниченном замкнутом объеме, нагревают тело теплотой сжатого газа, переводят его в парамагнитное состояние и перемещают силой упругости сжатого газа в исходное положение. При этом рабочее тело охлаждают охлажденным в процессе расширения газом и переводят тело в ферромагнитное состояние. Способ позволяет использовать естественные низкопотенциальные источники энергии. 1 ил.

Способ работы магнитотеплового устройства, осуществляющего преобразование запасенной магнитной энергии, энергии фазовых превращений и тепловой энергии в энергию движения рабочего тела, путем выполнения рабочего тела из магнитомягкого материала с ферромагнитными свойствами, обладающего зависимостью намагниченности от температуры в окрестностях точки Кюри - Тс и его помещения в поляризующее магнитное поле, при этом рабочее тело охлаждают, переводят его в ферромагнитное состояние и под действием возникших сил магнитосцепления перемещают тело в направлении действия этих сил из зоны с минимальным значением напряженности магнитного поля в зону максимального значения магнитной индукции, совершая при этом работу по сжатию, например, газа, в ограниченном замкнутом объеме, нагревают тело теплотой сжатого газа, переводят его в парамагнитное состояние, исключают, таким образом, действие сил магнитосцепления и перемещают силой упругости сжатого газа в исходное положение, при этом рабочее тело охлаждают охлажденным в процессе расширения газом и переводят тело в ферромагнитное состояние.