ПУЛЬСАЦИОННЫЙ ГАЗООХЛАДИТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к холодильной и криогенной технике, в частности к устройствам для охлаждения или разделения газов.

На протяжении последних 20 лет ведутся исследования в области альтернативного источника холода на базе пульсационных (волновых) генераторов холода, в основе которых лежит использование работы расширения сжатого газа в пульсационной (резонансной) трубе с преобразованием ее в тепло и последующим отводом его во внешнюю среду. Преимуществом таких источников холода является возможность получения высокого КПД при простоте устройства и большом ресурсе работы благодаря отсутствию в них механически нагруженных движущихся элементов. Единственным перемещаемым элементом в пульсационном генераторе является вращающийся со скоростью 3-6 тыс. об/мин золотник с соплами для периодической подачи сжатого газа в резонансные (приемные) трубки и периодического выпуска из них холодного газа.

Известен пульсационный охладитель [1], который содержит корпус, газораспределитель с радиальными соплами и приемные трубки. В корпусе установлена внутренняя обечайка, которая делит его на две полости. Внешняя полость сообщена с патрубками подвода и отвода отепленного газа низкого давления и заполнена приемными трубками, выполненными в виде змеевиков, а во внутреннюю полость помещены трубы коллектора охлажденного газа и привод вращения. Как и заявляемое изобретение, известное решение содержит корпус, в котором размещены газораспределитель с соплами, установленный с возможностью вращения, приемные трубки, один конец которых сообщен с соплами, коллектор и систему отвода тепла.

Причиной, препятствующей получению технического результата, является отвод тепла с помощью прокачки отепленного газа низкого давления, что осуществляет устройство, размещенное за пределами корпуса. Для обеспечения работы устройства необходимы затраты энергии, что снижает КПД газоохладителя.

В качестве прототипа выбран пульсационный газоохладитель [2], который содержит корпус с подводящими и отводящими патрубками, газораспределитель, включающий установленный с возможностью вращения золотник с соплами и приемные трубки, оси которых расположены под углом к радиусу золотника. Приемные трубки сообщены с камерой, соединенной с отводящими патрубками. Для осуществления автономного привода золотника его канал выполнен с изгибом, что дает возможность осуществлять вращение золотника под действием реактивной силы.

Как и заявляемое изобретение, прототип содержит корпус с подводящим и отводящим патрубками, газораспределитель, включающий установленный с возможностью вращения золотник с соплами и приемные трубки, расположенные под углом к радиусу золотника, и систему теплоотвода.

Причиной, препятствующей получению технического результата, является неэффективное использование работы расширения газа и неэффективный отвод тепла от горячих концов приемных трубок, что снижает термодинамический КПД устройства.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание пульсационного газоохладителя - альтернативного источника холода.

Технический результат, который может быть достигнут в результате осуществления изобретения, состоит в повышении термодинамического КПД газоохладителя.

Сущность изобретения заключается в том, что в пульсационном газоохладителе, содержащем корпус с подводящим и отводящим патрубками, газораспределитель, включающий установленный с возможностью вращения золотник с соплами и приемные трубки, расположенные под углом к радиусу золотника, и систему теплоотвода, система теплоотвода выполнена в виде вентилятора, установленного на оси золотника в зоне горячих концов приемных трубок и коллектора.

Сущность изобретения заключается также в том, что приемные трубки выполнены прямоугольными с утоненными стенками, размещенными впритык друг к другу.

Сущность изобретения заключается также в том, что площадь стенок в зоне их контакта не превышает 10% площади поперечного сечения приемных трубок.

Сущность изобретения заключается также в том, что на холодных частях пульсационного газоохладителя размещен слой теплоизоляции.

Заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что система теплоотвода выполнена в виде вентилятора, установленного на оси золотника в зоне горячих концов приемных трубок и коллектора.

Заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что для уменьшения перетечки сжатого газа в полость выходного патрубка приемные трубки выполнены прямоугольными с утоненными стенками, размещенными впритык друг к другу.

Заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что оптимальная площадь стенок в зоне их контакта не превышает 10% площади поперечного сечения приемных трубок.

Заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что для уменьшения холодопотерь в зонах прохождения холодного газа на холодных частях пульсационного газоохладителя размещен слой теплоизоляции.

Между совокупностью существенных признаков изобретения, что заявляется, и технической задачей, что достигается, существует такая причинно-следственная связь.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что вращение вентилятора, размещенного на валу золотника, осуществляется за счет энергии сжатого газа. Вентилятор создает эффект торможения золотника, переводя часть потенциальной энергии сжатого газа в механическую. Одновременно вентилятор обеспечивает обдув воздухом горячих концов приемных трубок и коллектора, снижая их температуру. Оба эти факторы ведут к повышению термодинамического КПД газоохладителя.

Приемные трубки газоохладителя со стороны вдуваемого газа выполнены прямоугольными с малой толщиной стенки. В таком выполнении при стыковке трубок друг к другу площадь "мертвой зоны" сводится к минимальным значениям и может составлять менее 10% площади поперечного сечения приемной трубки. Столь низкое значение площади "мертвой зоны" практически исключает увеличение давления истекающего газа из сопла золотника, что в свою очередь ведет к снижению величины перетечек газа в зазоре между золотником и приемными трубками. Указанный фактор снижения утечек газа в зазоре повышает термодинамический КПД газоохладителя.

На холодных элементах пульсационного газоохладителя - газораспределителе, холодной поверхности приемных трубок, нижней части корпуса газоохладителя, выходном патрубке холодного газа размещен слой теплоизоляционного материала. Это уменьшает холодопотери в окружающую среду, что позволяет получить более низкую температуру на выходе газоохладителя.

На чертежах изображена схема заявляемого изобретения, что подтверждает возможность его реализации. На фиг. 1 изображен общий вид устройства (поперечный разрез), на фиг.2 - разрез по А-А, на фиг.3 - разрез по Б-Б.

Пульсационный газоохладитель содержит корпус 1 с подводящим 2 и отводящим 3 патрубками, газораспределитель 4 с золотником 5 и приемными трубками 6. Золотник 5 имеет два сопла 7, оси которых смещены относительно оси вращения золотника 5 и расположены под углом α к радиусу золотника 5.

Приемные трубки 6 направлены в сторону поступающего газа и размещены под углом β относительно радиуса золотника 5. Углы α и β рассчитываются при конструировании и зависят от плотности газа, скорости вращения золотника и некоторых других факторов. В данном примере реализации изобретения углы α и β совпадают. Такое размещение приемных трубок 6 и сопел 7 при вдуве газа из сопла 7 в приемную трубку 6 за счет реактивной силы создает условия для вращения золотника 5. Сопла 7 соединены с каналом 8, размещенным в валу 9 золотника 5, и сообщены с входным патрубком 2. Вал 9 золотника 5 закреплен на двух подшипниках 10 и 11. С целью устранения перетечки газа вал 9 золотника 5 имеет уплотнение 12 и 13, которые могут быть лабиринтными. На конце вала 9 размещен вентилятор 14, прием холодного воздуха осуществляется с помощью окон 15, а выброс горячего воздуха - с помощью окон 16. Вентилятор 14 размещен в зоне горячих концов приемных трубок 6 и коллектора 17. Газораспределитель имеет приемную полость 18, где происходит расширение сжатого газа, и коллектор 19, соединенный с приемной полостью 18 отверстием 20. На холодных элементах газоохладителя - газораспределителе 4, холодных частях приемных трубок 6, нижней части корпуса газоохладителя и на отводящем патрубке 3 размещен слой теплоизоляции 21.

Работа пульсационного газоохладителя осуществляется следующим образом. Сжатый газ, который нужно охладить, по подводящему патрубку 2, каналу 8 золотника 5 направляют к соплу 7. Из сопла 7, расположенного в золотнике 5, который вращается под действием реактивной силы со скоростью 500-6000 об/мин, выходит сжатый газ со звуковой скоростью, попадает в открытый торец приемной трубки 6 и ударной волной сжимает газ, который в ней находится. В процессе сжатия газа в трубке 6 газ, который подается, отдает последнему свою кинетическую энергию, охлаждается, останавливается и приобретает скорость в обратном направлении, а нагретый газ в трубке отдает эту энергию во внешнюю среду сквозь стенки в зоне прокачки воздуха вентилятором 14.

Газ, который вытекает из сопел 7, часть своей кинетической энергии расходует на вращение золотника 5 с установленным на его валу вентилятором 14, вследствие чего имеет место снижения уровня температуры газа, который входит в открытый торец трубки 6. Кроме того, принудительный обдув вентилятором 14 горячих концов трубок 14 и коллектора 17 улучшают теплосъем с них. Оба эти фактора понижают уровень температуры газа, который пульсирует внутри трубок 6 при возрастании его плотности, что приводит к возрастанию холодопроизводительности газоохладителя.

После расширения и выхода холодного газа из открытого торца трубки 6 через приемную полость 18 и отверстие 20 газ поступает в коллектор 19 и на выход через отводящий патрубок 3.

Выполнение газоохладителя согласно изобретению позволяет повысить его термодинамический КПД на 10-15%.

Источники информации
1. Пат. Российской Федерации 2050515, кл. F 25 B 9/00, от 21.07.93.

2. Воронин Г.Г. Конструирование систем и агрегатов систем кондиционирования, 14, 1978, 176-182 (прототип).

Изобретение относится к холодильной и криогенной технике, для охлаждения и разделения газа. Пульсационный газоохладитель имеет корпус с подводящим и отводящим патрубками, газораспределитель и систему теплоотвода. Газораспределитель содержит установленный с возможностью вращения золотник с соплами и приемные трубки, размещенные под углом к радиусу золотника. Система теплоотвода выполнена в виде вентилятора, установленного на оси золотника в зоне горячих концов приемных трубок и коллектора. Приемные трубки могут быть выполнены прямоугольными с утоненными стенками и размещены впритык друг к другу. Площадь стенок в зоне их контакта не превышает 10% площади сечения приемных трубок. На холодных частях корпуса газораспределителя и трубок может быть размещен слой теплоизоляции. Использование изобретения позволит повысить термодинамический КПД. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Пульсационный газоохладитель, содержащий корпус с подводящим и отводящим патрубками, газораспределитель, включающий установленный с возможностью вращения золотник с соплами и приемные трубки, расположенные под углом к радиусу золотника, и систему теплоподвода, отличающийся тем, что система теплоотдвода выполнена в виде вентилятора, установленного на оси золотника в зоне горячих концов приемных трубок и коллектора.2. Пульсационный газоохладитель по п.1, отличающийся тем, что приемные трубки выполнены прямоугольными с утоненными стенками, размещенными впритык друг к другу.3. Пульсационный газоохладитель по п.2, отличающийся тем, что площадь стенок в зоне их контакта не превышает 10% площади сечения приемных трубок.4. Пульсационный газоохладитель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что на холодных частях корпуса газораспределителя и трубок размещен слой теплоизоляции.