Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к охладительной установке, охладителю и к холодильнику с использованием охладителя Стирлинга.
Предпосылки создания изобретения
Как хорошо известно, холодильные агенты на основе хлорфторуглеродов и хлорфторуглеводородов обычно широко используют в качестве рабочих жидкостей в охладительных системах и в системах кондиционирования воздуха. Однако холодильные агенты на основе хлорфторуглеродов уже полностью запрещены, а использование хлорфторуглеводородов регулируется международными соглашениями по защите озонного слоя. С другой стороны, вновь разработанные холодильные агенты на основе фторуглеводородов не разрушают озонный слой, но являются сильнодействующими веществами, способствующими глобальному потеплению, имеющими показатели глобального потепления, превышающие от в несколько сот раз до в несколько тысяч раз показатели глобального потепления для диоксида углерода. Поэтому они также являются объектами регулирования выбросов.
По этой причине с целью разработки альтернативной технологии в испарительно-компрессионном цикле охлаждения с использованием упомянутого выше холодильного агента в качестве рабочей жидкости проводятся широкие исследования охладителей Стирлинга, в которых для производства холода используется обратный цикл Стирлинга.
Известная охладительная установка Стирлинга, раскрытая в патенте США №5927079, будет описана со ссылкой на фиг.7. Ссылочным номером 20 обозначен охладитель Стирлинга; ссылочными номерами 21 и 22 соответственно обозначены тепловыделяющая часть и радиатор охладителя 20 Стирлинга; ссылочным номером 23 обозначен водяной насос для охлаждающей воды, циркулирующей для охлаждения тепловыделяющей части 21; ссылочным номером 24 обозначена охладительная часть для холодильного агента, предназначенная для охлаждения вторичного холодильного агента холодом, получаемым от охладителя 20 Стирлинга; ссылочным номером 25 обозначен трубопровод холодильного агента, по которому циркулирует вторичный холодильный агент, вследствие чего холод передается внутрь холодильной камеры 27; и ссылочным номером 26 обозначен насос для холодильного агента, предназначенный для обеспечения циркуляции вторичного холодильного агента по трубопроводу 25 холодильного агента.
В этой компоновке при работе охладителя 20 Стирлинга, водяного насоса 23 и насоса 26 для холодильного агента высокотемпературная отходящая теплота, которая передается в тепловыделяющую часть 21 охладителя 20 Стирлинга, переносится водой в радиатор 22, из которого теплота выделяется в окружающее пространство. Одновременно холод, полученный от охладителя 20 Стирлинга, передается внутрь холодильной камеры 27 с помощью вторичного холодильного агента, циркулирующего по трубопроводу 25 холодильного агента.
Передача холода, производимого охладителем 20 Стирлинга, в холодильную камеру 27 достигается за счет использования ощутимой теплоты вторичного холодильного агента, например этанола, свободного от фазовых превращений. Поэтому в то время, как в охладительной части 24 для холодильного агента вторичный холодильный агент охлаждается, и следовательно, его температура снижается, в холодильной камере 27 он поглощает теплоту, и поэтому его температура возрастает. Затем холодильный агент, имеющий повышенную температуру при прохождении по трубопроводу 25 холодильного агента, возвращается обратно в охладительную часть 24 для холодильного агента под воздействием насоса 26 для холодильного агента. Этот цикл повторяется, и в результате внутренняя часть холодильной камеры 27 охлаждается до все более низкой температуры.
Однако в этой компоновке вследствие передачи холода за счет использования ощутимой теплоты вторичного холодильного агента возникает разность температур на концах трубопровода 25 холодильного агента, приводящая к низкой эффективности передачи теплоты. Кроме того, этанол, использованный в качестве вторичного холодильного агента, имеет низкую точку вспышки (около 12,8°С) и является очень летучим, что требует осторожности при обращении с ним. Кроме того, вязкость этанола в диапазоне температур от -40 до -50°С примерно в сто раз выше вязкости воды при обычных температурах. Это повышает нагрузку на насос 26 для холодильного агента, и поэтому энергетическая эффективность охладительной установки Стирлинга уменьшается.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в создании охладительной установки или охладителя Стирлинга, удовлетворяющего требованиям относительно холодильных агентов на основе хлорфторуглеводородов или фторуглеводородов и имеющего повышенную эффективность охлаждения за счет использования скрытой теплоты. Другая задача настоящего изобретения заключается в создании холодильника большого объема с низким потреблением энергии, который имеет высокую эффективность теплообмена.
Для решения указанных выше задач в соответствии с одним объектом настоящего изобретения охладительная установка Стирлинга снабжена: охладителем Стирлинга, имеющим высокотемпературную часть, температура которой повышается при работе охладителя Стирлинга, и низкотемпературную часть, температура которой снижается при работе охладителя Стирлинга; испарителем, выполненным за одно целое с охладителем Стирлинга или отдельно от него; и контуром циркуляции холодильного агента для передачи холода, производимого низкотемпературной частью, к испарителю с помощью холодильного агента, циркулирующего между низкотемпературной частью и испарителем с помощью средства для циркуляции холодильного агента. В данном случае в качестве холодильного агента использован природный холодильный агент, который сжижается в низкотемпературной части и испаряется в испарителе.
В этой конфигурации при приведении в действие охладителя Стирлинга холод, производимый посредством низкотемпературной части, отбирается в виде скрытой теплоты холодильным агентом, циркулирующим по контуру циркуляции холодильного агента. Затем холодильный агент испаряется в испарителе, поглощая теплоту парообразования и тем самым охлаждая окружающий воздух.
В этом случае в качестве природного холодильного агента можно использовать удовлетворяющий требованиям диоксид углерода, который является недорогим и безвредным для окружающей среды и для людей. Однако по сравнению с другими холодильными агентами диоксид углерода имеет низкую критическую точку (около 31°С) и высокое критическое давление (около 74 бар). Поэтому средство, обеспечивающее циркуляцию холодильного агента, должно в достаточной степени противостоять высокому давлению и быть герметичным.
Холодильный агент циркулирует по контуру циркуляции холодильного агента с помощью средства для циркуляции холодильного агента с тем, чтобы передавать холод испарителю. В данном случае, если холодильный агент не охладился в достаточной степени до переохлажденного состояния посредством низкотемпературной части, то есть, если температура холодильного агента после прохождения через конденсатор близка к точке кипения, то, когда холодильный агент отбирает энергию при приведении в действие средства для циркуляции холодильного агента (например, насоса), часть холодильного агента может испаряться в результате локального повышения его температуры, возникающего возле механизма передачи энергии (в дальнейшем это явление будет называться “кавитацией”).
Чтобы справиться с этим, в настоящем изобретении холодильный агент охлаждается до заранее заданного переохлажденного состояния посредством низкотемпературной части. Поэтому, даже если возникает локальное повышение температуры холодильного агента возле механизма передачи энергии средства для циркуляции холодильного агента, часть холодильного агента не испаряется. Этим способом предотвращается кавитация.
В охладительной установке Стирлинга согласно настоящему изобретению на пути в пределах контура циркуляции холодильного агента, который холодильный агент преодолевает после вытекания из низкотемпературной части до втекания в средство для циркуляции холодильного агента, может быть размещен сепаратор для отделения газа от жидкости, который разделяет холодильный агент на газовую фазу и жидкую фазу и который обеспечивает возможность подачи холодильного агента к средству для циркуляции холодильного агента только в жидкой фазе.
В этой конфигурации холодильный агент, который вытекает из низкотемпературной части в виде смеси газа и жидкости, затем разделяется на две фазы, то есть газовую фазу и жидкую фазу, посредством сепаратора для отделения газа от жидкости с тем, чтобы холодильный агент только в жидкой фазе втекал в средство для циркуляции холодильного агента. Это способствует стабилизации работы средства для циркуляции холодильного агента.
В охладительной установке Стирлинга согласно настоящему изобретению средство для циркуляции холодильного агента может состоять из сепаратора для отделения газа от жидкости, который размещен на пути в пределах контура циркуляции холодильного агента, который холодильный агент преодолевает после вытекания из низкотемпературной части до втекания в средство для циркуляции холодильного агента, и находится на более высоком месте по сравнению с испарителем, и который разделяет холодильный агент на газовую фазу и жидкую фазу и обеспечивает возможность подачи холодильного агента в средство для циркуляции холодильного агента только в жидкой фазе. В данном случае разность удельных сил тяжести холодильного агента в жидкой фазе на выпускном отверстии сепаратора для отделения газа от жидкости и холодильного агента внутри испарителя используется в качестве источника энергии для циркуляции холодильного агента.
В этой конфигурации при приведении в действие охладителя Стирлинга холод, производимый посредством низкотемпературной части, собирается в виде скрытой теплоты холодильным агентом, циркулирующим по контуру циркуляции холодильного агента. Затем холодильный агент испаряется в испарителе, поглощая теплоту парообразования и тем самым охлаждая окружающий воздух. В этом случае, даже при отсутствии циркуляционного насоса, холодильный агент самопроизвольно циркулирует по контуру циркуляции холодильного агента за счет использования разности удельных сил тяжести различных фаз холодильного агента.
Когда эта охладительная установка Стирлинга встроена в холодильник, холод, производимый низкотемпературной частью охладителя Стирлинга, передается холодильным агентом, циркулирующим по контуру циркуляции холодильного агента, вследствие чего эффективно охлаждается внутренняя часть холодильной камеры.
В соответствии с другим объектом настоящего изобретения в холодильнике, включающем охладитель Стирлинга, испаритель на низкотемпературной стороне для выделения холода внутрь холодильной камеры размещен на более низком месте по сравнению с низкотемпературной частью охладителя Стирлинга, которая производит холод; контур выполнен таким образом, что холодильный агент циркулирует между испарителем на низкотемпературной стороне и низкотемпературной частью; а холодильный агент сжижается благодаря поглощению холода в низкотемпературной части, затем протекает в испаритель на низкотемпературной стороне за счет использования разности высот между низкотемпературной частью и испарителем на низкотемпературной стороне, далее испаряется благодаря выделению холода внутри испарителя на низкотемпературной стороне и после этого протекает в парообразном состоянии обратно в низкотемпературную часть.
В соответствии с еще одним объектом настоящего изобретения в холодильнике, включающем охладитель Стирлинга, конденсатор на высокотемпературной стороне для сброса теплоты за пределы холодильной камеры размещен на более высоком месте по сравнению с высокотемпературной частью охладителя Стирлинга, которая производит теплоту; контур выполнен таким образом, что холодильный агент циркулирует между конденсатором на высокотемпературной стороне и высокотемпературной частью; а холодильный агент испаряется благодаря поглощению теплоты в высокотемпературной части, затем протекает в парообразном состоянии в конденсатор на высокотемпературной стороне, далее сжижается благодаря выделению теплоты внутри конденсатора на высокотемпературной стороне и после этого протекает обратно в высокотемпературную часть за счет использования разности высот между конденсатором на высокотемпературной стороне и высокотемпературной частью.
В соответствии с еще одним объектом настоящего изобретения в холодильнике, включающем охладитель Стирлинга, испаритель на низкотемпературной стороне для выделения холода внутрь холодильной камеры размещен на более низком месте по сравнению с низкотемпературной частью охладителя Стирлинга, которая производит холод; контур выполнен таким образом, что первый холодильный агент циркулирует между испарителем на низкотемпературной стороне и низкотемпературной частью; первый холодильный агент сжижается благодаря поглощению холода в низкотемпературной части, затем протекает в испаритель на низкотемпературной стороне за счет использования разности высот между низкотемпературной частью и испарителем на низкотемпературной стороне, далее испаряется благодаря выделению холода внутри испарителя на низкотемпературной стороне и после этого протекает в парообразном состоянии обратно в низкотемпературную часть; конденсатор на высокотемпературной стороне для выделения теплоты за пределы холодильной камеры размещен на более высоком месте по сравнению с высокотемпературной частью охладителя Стирлинга, которая производит теплоту; контур выполнен таким образом, что второй холодильный агент циркулирует между конденсатором на высокотемпературной стороне и высокотемпературной частью; а второй холодильный агент испаряется благодаря поглощению теплоты в высокотемпературной части, затем протекает в парообразном состоянии в конденсатор на высокотемпературной стороне, далее сжижается благодаря выделению теплоты внутри конденсатора на высокотемпературной стороне и после этого протекает обратно в высокотемпературную часть за счет использования разности высот между конденсатором на высокотемпературной стороне и высокотемпературной частью.
В этих холодильниках, выполненных так, как описано выше, использование скрытой теплоты, полученной путем испарения и сжижения холодильного агента, способствует достижению лучшей эффективности передачи теплоты по сравнению с тем случаем, когда используется ощутимая теплота. Поэтому холод эффективно передается внутрь холодильной камеры или теплота эффективно выделяется за пределы холодильной камеры. В холодильниках это способствует повышению эффективности теплообмена.
Кроме того, можно создавать конденсатор и испаритель нужных размеров. Это обеспечивает возможность эффективной передачи теплоты в низкотемпературной и высокотемпературной частях, размеры которых ограничены эффективностью обратного цикла Стирлинга, воздуху, который имеет низкую удельную теплопроводность. Это способствует реализации холодильников большого объема.
Кроме того, холодильный агент циркулирует за счет использования разности высот без использования внешней энергии, предусмотренной специально для циркуляции холодильного агента. Это способствует реализации холодильников с низким энергопотреблением.
Холодильники согласно настоящему изобретению можно дополнительно снабжать сепаратором для отделения газа от жидкости. Это способствует повышению скорости потока циркулирующего холодильного агента.
В холодильниках согласно настоящему изобретению в качестве холодильного агента можно использовать диоксид углерода или воду, которые являются невоспламеняемыми, нетоксичными природными холодильными агентами. Это способствует реализации холодильников, неопасных для людей и для глобальной окружающей среды.
В холодильниках согласно настоящему изобретению высота холодильников может быть эффективно использована для размещения теплообменных частей на низкотемпературной стороне и высокотемпературной стороне. Кроме того, холодильная камера может быть разделена на верхнюю секцию, используемую в качестве холодильного отделения, среднюю секцию, используемую в качестве овощного отделения, и нижнюю секцию, используемую в качестве морозильного отделения. Это способствует эффективному использованию холодного воздуха внутри холодильной камеры.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1 - схематичная конфигурация охладительной установки Стирлинга согласно первому варианту осуществления изобретения;
фиг.2 - схематичная конфигурация охладительной установки Стирлинга согласно второму варианту осуществления изобретения;
фиг.3 - схематичная конфигурация охладительной установки Стирлинга согласно третьему варианту осуществления изобретения;
фиг.4 - схематичная конфигурация холодильника согласно четвертому варианту осуществления изобретения;
фиг.5 - концептуальная схема охладительной системы холодильника согласно пятому варианту осуществления изобретения;
фиг.6 - схематичная конфигурация холодильника согласно шестому варианту осуществления изобретения; и
фиг.7 - схематичная конфигурация приведенной в качестве примера известной холодильной установки Стирлинга.
Лучшая форма осуществления изобретения
Сначала со ссылкой на соответствующий чертеж будет описан первый вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг.1 схематично показана конфигурация охладительной установки Стирлинга (в дальнейшем также называемой “охладительной системой”) согласно первому варианту осуществления. На фиг.1 ссылочным номером 1 обозначен охладитель Стирлинга; ссылочным номером 2 обозначена высокотемпературная часть, температура которой возрастает при работе охладителя 1 Стирлинга; ссылочным номером 3 обозначена низкотемпературная часть, в которой при работе охладителя 1 Стирлинга производится холод; ссылочным номером 4 обозначен теплообменник на высокотемпературной стороне, предназначенный для выделения теплоты из высокотемпературной части в окружающее пространство. Кроме того, рядом с охладителем 1 Стирлинга расположена холодильная камера 10. Предусмотрен испаритель 7, закрепленный с зазором на внутренней стороне теплоизолирующей стенки так, что он находится в сообщении с пространством внутри холодильной камеры 10.
Конденсатор 5 расположен по соседству с низкотемпературной частью 3. Для образования контура циркуляции холодильного агента конденсатор 5, циркуляционный насос 6 и испаритель 7 последовательно соединены друг с другом посредством трубопровода 8 холодильного агента. На фигуре стрелками указано направление потока холодильного агента. В этом варианте осуществления в качестве холодильного агента используется диоксид углерода, который является природным холодильным агентом.
В охладителе 1 Стирлинга имеется гелий или азот в качестве рабочей жидкости, герметизированный в цилиндре, и также имеются один силовой поршень (непоказанный) и один вытеснитель (непоказанный), расположенные параллельно общей для них оси. Когда силовой поршень приводится в движение линейным двигателем (непоказанным), силовой поршень и вытеснитель с заранее заданной разностью фаз совершают возвратно-поступательное движение вдоль одной и той же оси внутри одного и того же цилиндра. Охладитель 1 Стирлинга, применимый в этом варианте осуществления, не ограничен охладителем Стирлинга того типа, в котором силовой поршень приводится в движение линейным двигателем, как описано выше, а может быть охладителем Стирлинга любого другого типа.
Когда линейный двигатель приводится в действие, то на основании описанного выше принципа отходящая теплота (в дальнейшем также называемая просто “теплотой”) передается к высокотемпературной части 2 охладителя 1 Стирлинга, вследствие чего температура высокотемпературной части 2 повышается и одновременно создается криогенный холод в низкотемпературной части 3. Кроме того, теплообменник 4 на высокотемпературной стороне расположен так, что он находится в контакте с высокотемпературной частью 2, вследствие чего отходящая теплота отводится из охладителя 1 Стирлинга с помощью воздуха или воды, используемых в качестве теплоносителя.
Кроме того, одновременно приводится в действие циркуляционный насос 6, так что холодильный агент циркулирует по контуру циркуляции холодильного агента в направлении, указанном стрелками. Поскольку в качестве холодильного агента использован диоксид углерода, циркуляционный насос 6 выполнен герметичным и способным выдерживать давление по меньшей мере вплоть до 74 бар. В этом контуре циркуляции холодильного агента конденсация холодильного агента осуществляется посредством конденсатора 5, прилегающего к низкотемпературной части 3, и в результате этого холод, источником которого является низкотемпературная часть 3, запасается в холодильном агенте в основном в виде скрытой теплоты.
Холодильный агент, сконденсированный посредством конденсатора 5 и теперь уже находящийся в низкотемпературном жидком состоянии, протекает по трубопроводу 8 холодильного агента под воздействием циркуляционного насоса 6 так, что втекает в испаритель 7. В испарителе 7 холодильный агент испаряется. Когда холодильный агент испаряется, он поглощает теплоту парообразования из окружения и тем самым передает холод внутрь холодильной камеры 10. Холодильный агент, испарившийся в испарителе 7 и теперь уже находящийся в газообразном состоянии, протекает по трубопроводу 8 холодильного агента обратно в конденсатор 5. Пока циркуляционный насос 6 приводится в действие, этот цикл событий является повторяющимся.
Если в холодильном агенте, циркулирующем по контуру циркуляции холодильного агента, в момент нахождения в циркуляционном насосе 6 возникает кавитация, то появляется проблема, заключающаяся в том, что пузырьки воздуха вызывают коррозию и ухудшение характеристик циркуляционного насоса 6, а скорость потока холодильного агента становится нестабильной. Поэтому для предотвращения кавитации необходимо соответствующим образом задавать степень зарядки и удельный массовый расход холодильного агента, чтобы в конденсаторе 5 достигалось заранее заданное переохлажденное состояние. В частности, степень зарядки холодильным агентом задают такой, чтобы при рабочей температуре холодильный агент в жидкой фазе полностью заполнял весь объем в пределах, по меньшей мере, части контура циркуляции холодильного агента, то есть заполнял, главным образом, ту часть трубопровода 8 холодильного агента, которая начинается в месте, где холодильный агент полностью превращен в жидкость конденсатором 5, проходит через циркуляционный насос 6 и заканчивается на входе испарителя 7.
Кроме того, путем регулирования удельного массового расхода холодильного агента в соответствии с охлаждающей способностью охладителя 1 Стирлинга можно достичь желаемого переохлажденного состояния холодильного агента, сконденсированного конденсатором 5 при рабочей температуре. Поддерживая такое переохлажденное состояние, можно предотвратить кавитацию, являющуюся следствием испарения холодильного агента в циркуляционном насосе 6, даже если случаются потери давления или поглощение теплоты в холодильном агенте, протекающем через часть трубопровода 8 холодильного агента, ведущую от выхода конденсатора 5 к выходу циркуляционного насоса 6, и тем самым сохранить нормальную циркуляцию холодильного агента.
Теперь со ссылкой на соответствующий чертеж будет описан второй вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг.2 схематично показана конфигурация охладительной установки Стирлинга согласно этому варианту осуществления. На фиг.2 элементы, являющиеся однотипными с элементами охладительной установки первого варианта осуществления, показанной на фиг.1 и описанной выше, обозначены теми же самыми ссылочными номерами, и их подробное рассмотрение повторяться не будет.
В этом варианте осуществления контур циркуляции холодильного агента образован последовательным присоединением друг к другу конденсатора 5, сепаратора 9 для отделения газа от жидкости, циркуляционного насоса 6 и испарителя 7 посредством трубопровода 8 холодильного агента. На фигуре стрелками указано направление потока холодильного агента. В этом варианте осуществления в качестве холодильного агента использован диоксид углерода. Кроме того, в контуре циркуляции холодильного агента, на стороне ниже по потоку от конденсатора 5, расположен сепаратор 9 для отделения газа от жидкости, и он размещен на месте, находящемся ниже конденсатора 5 и выше циркуляционного насоса 6.
На фигуре стрелками указано направление потока холодильного агента. В этом варианте осуществления в качестве холодильного агента использован диоксид углерода. Конфигурация и работа охладителя 1 Стирлинга, показанного на фиг.2, такие же, как и в первом варианте осуществления, описанном выше, и поэтому их рассмотрение повторяться не будет.
Когда линейный двигатель (непоказанный) приводится в действие, то на основании описанного выше принципа отходящая теплота передается к высокотемпературной части 2 охладителя 1 Стирлинга, вследствие чего температура высокотемпературной части 2 повышается и одновременно создается криогенный холод в низкотемпературной части 3. Кроме того, теплообменник 4 на высокотемпературной стороне расположен так, что он находится в контакте с высокотемпературной частью 2, вследствие чего отходящая теплота отводится из охладителя 1 Стирлинга с помощью воздуха или воды, используемых в качестве теплоносителя.
Кроме того, одновременно приводится в действие циркуляционный насос 6, так что холодильный агент циркулирует по контуру циркуляции холодильного агента в направлении, указанном стрелками. Поскольку в качестве холодильного агента использован диоксид углерода, циркуляционный насос 6 выполнен герметичным и способным выдерживать давление по меньшей мере вплоть до 74 бар. В этом контуре циркуляции холодильного агента конденсация холодильного агента осуществляется посредством конденсатора 5, прилегающего к низкотемпературной части 3, и посредством этого холод, источником которого является низкотемпературная часть 3, запасается в холодильном агенте в основном в виде скрытой теплоты.
Холодильный агент, сконденсированный посредством конденсатора 5 и теперь уже находящийся в низкотемпературном состоянии, частично в газообразном и частично в жидком, втекает в сепаратор 9 для отделения газа от жидкости, расположенный на стороне ниже по потоку от конденсатора 5. В сепараторе 9 для отделения газа от жидкости холодильный агент разделяется на газовую фазу и жидкую фазу. Затем отделенный холодильный агент в жидкой фазе сжимается посредством циркуляционного насоса 6 и далее по трубопроводу 8 холодильного агента втекает в испаритель 7. В испарителе 7 холодильный агент испаряется. Когда холодильный агент испаряется, он поглощает теплоту парообразования из окружения и тем самым передает холод внутрь холодильной камеры 10. Холодильный агент, испарившийся в испарителе 7 и теперь уже находящийся в газообразном состоянии, протекает по трубопроводу 8 холодильного агента обратно в конденсатор 5. Пока циркуляционный насос 6 приводится в действие этот цикл событий является повторяющимся.
Если в холодильном агенте, циркулирующем по контуру циркуляции холодильного агента, в момент нахождения в циркуляционном насосе 6 возникает кавитация, то появляется проблема, заключающаяся в том, что пузырьки воздуха вызывают коррозию и ухудшение характеристик циркуляционного насоса 6, а скорость потока холодильного агента становится нестабильной. Поэтому в этом варианте осуществления для предотвращения кавитации особое внимание обращено на выбор места размещения сепаратора 9 для отделения газа от жидкости.
В частности, сепаратор 9 для отделения газа от жидкости расположен в контуре циркуляции холодильного агента на стороне ниже по потоку от конденсатора 5, и он размещен на месте, находящемся ниже конденсатора 5 и выше циркуляционного насоса 6. Это обеспечивает заполнение части трубопровода 8 холодильного агента, ведущей от поверхности жидкости внутри сепаратора 9 для отделения газа от жидкости ко входу циркуляционного насоса 6, холодильным агентом в жидкой фазе в виде вертикального столба. Давление этого столба холодильного агента предотвращает кавитацию в циркуляционном насосе 6, и посредством этого обеспечивается нормальная циркуляция холодильного агента.
Теперь со ссылкой на соответствующий чертеж будет описан третий вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг.3 схематично показана конфигурация охладительной установки Стирлинга согласно этому варианту осуществления. На фиг.3 элементы, являющиеся однотипными с элементами охладительной установки из первого варианта осуществления, показанной на фиг.1 и описанной ранее, обозначены теми же ссылочными номерами, а их подробное рассмотрение повторяться не будет.
В этом варианте осуществления контур циркуляции холодильного агента образован последовательным присоединением друг к другу конденсатора 5, сепаратора 9 для отделения газа от жидкости и испарителя 7 посредством трубопроводов 8а и 8b холодильного агента. На фигуре стрелками указано направление потока холодильного агента. В этом варианте осуществления в качестве холодильного агента использован диоксид углерода. Кроме того, в контуре циркуляции холодильного агента, на стороне ниже по потоку от конденсатора 5, расположен сепаратор 9 для отделения газа от жидкости, и он размещен на месте, находящемся ниже конденсатора 5 и выше испарителя 7.
На фигуре стрелками указано направление потока холодильного агента. В этом варианте осуществления в качестве холодильного агента использован диоксид углерода. Конфигурация и работа охладителя 1 Стирлинга, показанного на фиг.3, такие же, как в первом варианте осуществления, описанном выше, и поэтому их рассмотрение повторяться не будет.
Когда линейный двигатель (непоказанный) приводится в действие, то на основании описанного выше принципа отходящая теплота передается к высокотемпературной части 2 охладителя 1 Стирлинга, вследствие чего температура высокотемпературной части 2 повышается, и одновременно создается криогенный холод в низкотемпературной части 3. Кроме того, теплообменник 4 на высокотемпературной стороне расположен так, что он находится в контакте с высокотемпературной частью 2, вследствие чего отходящая теплота отводится из охладителя 1 Стирлинга с помощью воздуха или воды, используемых в качестве теплоносителя.
В этом контуре циркуляции холодильного агента холодильный агент конденсируется конденсатором 5, прилегающим к низкотемпературной части 3, и посредством этого холод, источником которого является низкотемпературная часть 3, запасается в холодильном агенте в основном в виде скрытой теплоты. Холодильный агент, сконденсированный посредством конденсатора 5 и теперь уже находящийся в низкотемпературном состоянии, частично в газообразном и частично в жидком, втекает в сепаратор 9 для отделения газа от жидкости, расположенный на стороне ниже по потоку от конденсатора 5. В сепараторе 9 для отделения газа от жидкости холодильный агент разделяется на газовую фазу и жидкую фазу.
Затем отделенный холодильный агент в жидкой фазе протекает по трубопроводу 8а холодильного агента в испаритель 7. В испарителе 7 холодильный агент испаряется. Когда холодильный агент испаряется, он поглощает теплоту парообразования из окружения и тем самым передает холод внутрь холодильной камеры 10. Холодильный агент, испарившийся в испарителе 7 и теперь уже находящийся в газообразном состоянии, протекает по трубопроводу 8b холодильного агента обратно в конденсатор 5. Этот цикл событий является повторяющимся.
В этой конфигурации сепаратор 9 для отделения газа от жидкости расположен в контуре циркуляции холодильного агента на стороне ниже по потоку от конденсатора 5, и он размещен на месте, находящемся ниже конденсатора 5 и выше испарителя 7. В результате холодильный агент в жидкой фазе заполняет трубопровод 8а, ведущий ко входу испарителя 7, а с другой стороны, холодильный агент в газовой фазе протекает по трубопроводу 8b холодильного агента, ведущему от выхода испарителя 7 к конденсатору 5. Поэтому холодильный агент самопроизвольно циркулирует по контуру циркуляции холодильного агента за счет использования разности удельных плотностей холодильного агента в жидкой и газовой фазах.
Таким способом в этой конфигурации исключается необходимость в циркуляционном насосе 6 для принудительной циркуляции холодильного агента по контуру циркуляции холодильного агента. Это способствует снижению затрат и позволяет реализовать энергосберегающую охладительную установку Стирлинга.
Теперь со ссылкой на соответствующий чертеж будет описан четвертый вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг.4 показан разрез холодильника согласно этому варианту осуществления. Должно быть понятно, что, хотя в нижеследующем описании в холодильник для примера встроена охладительная установка Стирлинга согласно третьему варианту осуществления, конфигурация этого варианта осуществления также применима к холодильнику с использованием охладительной установки Стирлинга, в которой холодильный агент циркулирует принудительно под воздействием циркуляционного насоса, как в первом и во втором вариантах осуществления.
Как показано на фиг.4, охладитель 1 Стирлинга расположен в верхней задней части холодильника 17 таким образом, что он лежит горизонтально, при этом конденсатор 5 прилегает к низкотемпературной части 3 (непоказанной) охладителя 1 Стирлинга. Кроме того, сепаратор 9 для отделения газа от жидкости расположен на месте, находящемся ниже конденсатора 5. С другой стороны, в нижней задней части холодильника 17 расположен испаритель 7. С целью образования контура циркуляции холодильного агента конденсатор 5, сепаратор 9 для отделения газа от жидкости и испаритель 7 присоединены последовательно друг к другу посредством трубопроводов 8а и 8b холодильного агента.
Холодильный агент в жидкой фазе отделяется посредством сепаратора 9 для отделения газа от жидкости, путем самопроизвольного падения протекает вниз по трубопроводу 8а холодильного агента, который ведет от выхода сепаратора 9 для отделения газа от жидкости ко входу испарителя 7, и втекает в испаритель 7. Поэтому холодильный агент в жидкой фазе заполняет трубопровод 8а холодильного агента. С другой стороны, холодильный агент в газовой фазе, испарившийся в испарителе 7, протекает вверх по трубопроводу 8b холодильного агента, который ведет от выхода испарителя 7 ко входу конденсатора 5.
Таким путем давление, обусловленное разностью действия силы тяжести на холодильный агент в жидкой фазе внутри трубопровода 8а холодильного агента и действия силы тяжести на холодильный агент в газовой фазе внутри трубопровода 8b холодильного агента, принуждает холодильный агент протекать вверх по трубопроводу 8а холодильного агента и вниз по трубопроводу 8b холодильного агента. Поэтому даже без такого средства, как циркуляционный насос, предназначенный для принудительной циркуляции холодильного агента, холодильный агент может самопроизвольно циркулировать по контуру циркуляции холодильного агента.
Холодильный агент конденсируется при передаче теплоты к высокотемпературной части 2 (непоказанной) охладителя 1 Стирлинга через конденсатор 5 и испаряется при поглощении теплоты из холодного воздуха, циркулирующего внутри холодильной камеры холодильника 17. Холодный воздух, охлажденный посредством испарителя 7, затем нагнетается в холодильную камеру с помощью циркуляционного вентилятора 13 холодного воздуха, как указано стрелками, и в результате этого пространство внутри холодильной камеры охлаждается. Таким способом холод, производимый охладителем 1 Стирлинга, передается в холодильник 17 с помощью контура циркуляции холодильного агента, образованного конденсатором 5, сепаратором 9 для отделения газа от жидкости и испарителем 7.
Посредством вентилятора 12 воздух с наружной стороны холодильника 17 втягивается в холодильник 17 через канал 14 для всасывания воздуха и выбрасывается из холодильника 17 через воздушный вытяжной канал 15. Между тем с помощью воздуха, проходящего через канал 14 для всасывания воздуха и воздушный вытяжной канал 15, отходящая теплота, переданная к высокотемпературной части 2 охладителя 1 Стирлинга, выделяется из холодильника 17 через теплообменник 4 на высокотемпературной стороне.
Часть влаги, содержащейся в холодном воздухе, циркулирующем внутри холодильной камеры, конденсируется и образует водяные капли на поверхности испарителя 7. Эти водяные капли стекают через дренажное выпускное отверстие 16 и собираются в поддоне (непоказанном). Периодически поддон извлекают и скопившуюся в нем воду выливают.
Теперь со ссылкой на соответствующий чертеж будет описан пятый вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг.5 показана концептуальная схема охладительной системы согласно этому варианту осуществления. На фиг.5 элементы, являющиеся однотипными с элементами охладительной установки из первого варианта осуществления, показанной на фиг.1 и описанной ранее, обозначены теми же ссылочными номерами, а их подробное рассмотрение повторяться не будет.
Охладительная система образована охладителем 1 Стирлинга, имеющим низкотемпературную часть 3 и высокотемпературную часть 2, теплообменную часть 30 на низкотемпературной стороне и теплообменную часть 31 на высокотемпературной стороне. Теплообменная часть 30 на низкотемпературной стороне представляет собой контур циркуляции, состоящий из конденсатора 32 на низкотемпературной стороне, образованного медной трубкой, намотанной вокруг низкотемпературной части 3, сепаратора 9 для отделения газа от жидкости на низкотемпературной стороне, соединенного с конденсатором 32 на низкотемпературной стороне медной трубкой 33 и расположенного на месте, находящемся ниже низкотемпературной части 3, испарителя 7 на низкотемпературной стороне, соединенного с донной частью сепаратора 9 для отделения газа от жидкости посредством медной трубки 34 и расположенного на еще более низком месте, и медной трубки 35, соединяющей друг с другом испаритель 7 и конденсатор 32 на низкотемпературной стороне. В этом контуре герметизирован диоксид углерода, использованный в качестве холодильного агента.
С другой стороны, теплообменная часть 31 на высокотемпературной стороне представляет собой контур циркуляции, состоящий из испарителя 36 на высокотемпературной стороне, образованный медной трубкой, намотанной вокруг высокотемпературной части 2, конденсатора 38 на высокотемпературной стороне, соединенного с испарителем 36 медной трубкой 37 и расположенного на месте, находящемся выше высокотемпературной части 2, сепаратора 40 для отделения газа от жидкости, соединенного с конденсатором 38 на высокотемпературной стороне медной трубкой 39 и расположенного на месте, находящемся ниже конденсатора 38 на высокотемпературной стороне и выше высокотемпературной части 2, и медной трубки 41, соединяющей друг с другом донную часть сепаратора 40 для отделения газа от жидкости и испаритель 36. В этом контуре герметизирован диоксид углерода, использованный в качестве холодильного агента. На фигуре стрелками указано направление потока холодильных агентов.
Теперь будет описана работа теплообменной части 30 на низкотемпературной стороне. Холод, производимый в низкотемпературной части 3, передается к конденсатору 32 на низкотемпературной стороне, где большая часть холодильного агента сжижается. Холодильный агент, теперь уже частично в жидком и частично в газообразном состоянии, протекает по медной трубке 33 в сепаратор 9 для отделения газа от жидкости на низкотемпературной стороне за счет разности высот конденсатора 32 на низкотемпературной стороне и сепаратора 9 для отделения газа от жидкости на низкотемпературной стороне. В сепараторе 9 для отделения газа от жидкости холодильный агент собирается в жидкой фазе. Затем холодильный агент в жидкой фазе протекает из донной части сепаратора 9 для отделения газа от жидкости по медной трубке 34 в испаритель 7 на низкотемпературной стороне. В испарителе 7 на низкотемпературной стороне через поверхность стенок испарителя 7 на низкотемпературной стороне осуществляется обмен холода, переносимого холодильным агентом в жидкой фазе, на теплоту воздуха внутри холодильной камеры. Таким образом, поскольку холодильный агент в жидкой фазе испаряется, то он производит холодный воздух внутри холодильной камеры.
Холодильный агент, теперь уже в парообразном состоянии, протекает по медной трубке 35 в конденсатор 32 на низкотемпературной стороне за счет использования разности высот испарителя 7 на низкотемпературной стороне и конденсатора 32 на низкотемпературной стороне и разности давлений, обусловленной разностью удельных сил тяжести газовых и жидких фаз. Путем повторения этого цикла событий, даже без использования внешней энергии для циркуляции энергии, можно передавать холод внутрь холодильной камеры и следовательно, можно реализовать холодильник с низким энергопотреблением.
В данном случае от использования скрытой теплоты, получаемой путем испарения и сжижения холодильного агента, создается больший вклад в эффективность передачи теплоты, чем от использования ощутимой теплоты. Это позволяет эффективно передавать холод в низкотемпературной части 3 к испарителю 7 на низкотемпературной стороне и в результате этого повышать эффективность теплообмена холодильника. Кроме того, можно создавать конденсатор 32 на низкотемпературной стороне и испаритель 7 на низкотемпературной стороне нужных размеров. Это позволяет эффективно передавать холод в низкотемпературной части 3, размеры которой ограничены эффективностью обратного цикла Стирлинга, к воздуху, который имеет низкую удельную теплопроводность, внутри холодильной камеры. Это способствует возможности реализации холодильника большой емкости. Кроме того, в качестве холодильного агента использован диоксид углерода, который является негорючим, нетоксичным природным холодильным агентом. Это способствует возможности реализации холодильника, неопасного для людей и для глобальной окружающей среды.
Теперь будет описана работа теплообменной части 31 на высокотемпературной стороне. Теплота, создаваемая в высокотемпературной части 2, передается к испарителю 36 на высокотемпературной стороне, в котором холодильный агент испаряется. Холодильный агент, теперь уже в газообразном состоянии, протекает по медной трубке 37 в конденсатор 38 на высокотемпературной стороне за счет использования разности высот испарителя 36 и конденсатора 38 на высокотемпературной стороне. В конденсаторе 38 на высокотемпературной стороне холодильный агент сжижается, поскольку осуществляется обмен теплотой, переносимой им, с воздухом с наружной стороны холодильной камеры через поверхность стенок конденсатора 38 на высокотемпературной стороне.
Затем холодильный агент, теперь уже частично в жидком и частично в газообразном состоянии, протекает из донной части конденсатора 38 на высокотемпературной стороне по медной трубке 39 в сепаратор 40 для отделения газа от жидкости на высокотемпературной стороне, в котором холодильный агент в жидкой фазе собирается. Далее холодильный агент в жидкой фазе протекает по медной трубке 41 в испаритель 36 за счет использования разности высот сепаратора 40 для отделения газа от жидкости на высокотемпературной стороне и испарителя 36. Путем повторения цикла событий, даже без использования внешней энергии для циркуляции холодильного агента, можно удалять теплоту из холодильной камеры, и, следовательно, можно реализовать холодильник с низким энергопотреблением.
В данном случае от использования скрытой теплоты, полученной путем сжижения и испарения холодильного агента, создается больший вклад в эффективность передачи теплоты, чем от использования ощутимой теплоты. Это позволяет в высокотемпературной части 2 эффективно передавать теплоту к конденсатору 38 на высокотемпературной стороне и, следовательно, повышать эффективность теплообмена холодильника. Кроме того, испаритель 36 на высокотемпературной стороне и конденсатор 38 на высокотемпературной стороне можно создать нужных размеров. Это позволяет эффективно передавать теплоту в низкотемпературной части 2, размер которой ограничен эффективностью обратного цикла Стирлинга, к воздуху, который имеет низкую удельную теплопроводность, с наружной стороны холодильной камеры. Кроме того, в качестве холодильного агента использована вода, которая является негорючим, нетоксичным натуральным холодильным агентом. Это способствует реализации холодильника, неопасного для людей и для глобальной окружающей среды.
Сепаратор 9 для отделения газа от жидкости на низкотемпературной стороне и сепаратор 40 для отделения газа от жидкости на высокотемпературной стороне предусмотрены с целью повышения скорости циркуляции потока холодильного агента и могут быть исключены. Скорость циркуляции потока холодильного агента задается путем оптимизации разности высот низкотемпературной части 3 и испарителя 7 на низкотемпературной стороне и разности высот высокотемпературной части 2 и конденсатора 38 на высокотемпературной стороне.
Конструктивно как испаритель 7 на низкотемпературной стороне, так и конденсатор 38 на высокотемпературной стороне имеет форму коробки в ее самом простейшем виде. Однако их выполнение, например, в виде труб с ребрами способствует увеличению площади поверхности и, следовательно, повышению эффективности теплообмена.
Конденсатор 32 на низкотемпературной стороне и испаритель 36 на высокотемпературной стороне могут быть выполнены съемными, находящимися в контакте с низкотемпературной частью 3 и высокотемпературной частью 2 соответственно, или припаянными, или выполненными с ними за одно целое. В качестве варианта низкотемпературная часть 3 или высокотемпературная часть 2 может иметь форму тороида с полостью внутри, при этом холодильный агент проходит через полость, так что она одновременно используется как конденсатор на низкотемпературной стороне или как конденсатор на высокотемпературной стороне соответственно.
Описанная выше охладительная система, снабженная теплообменной частью 30 на низкотемпературной стороне или теплообменной частью 31 на высокотемпературной стороне, является весьма универсальной системой, которая найдет широкое применение во многих отраслях промышленности, например, при продаже пищевых продуктов, при испытаниях на воздействие окружающей средой, в медицине, в биотехнологии и в производстве полупроводников, а также в быту и т.д.
Теперь со ссылкой на соответствующий чертеж будет описан шестой вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг.6 схематично показана конфигурация холодильника согласно этому изобретению. Следует отметить, что в нижеследующем описании рассмотрен холодильник, включающий в качестве примера охладительную установку Стирлинга из пятого варианта осуществления, описанного выше.
В задней центральной части холодильника 42 расположен охладитель 1 Стирлинга; в задней нижней части холодильника 42 расположена теплообменная часть 30 на низкотемпературной стороне; и в задней верхней части холодильника 42 расположена теплообменная часть 31 на высокотемпературной стороне. Испаритель 7 на низкотемпературной стороне расположен в канале 43 для подачи холодного воздуха, находящемся внутри холодильной камеры холодильника 42, а конденсатор 38 на высокотемпературной стороне расположен в воздушном вытяжном канале 15 внутри холодильной камеры холодильника 42. Холодильная камера холодильника 42 разделена на верхнюю секцию, используемую как холодильное отделение 44, центральную секцию, используемую как овощное отделение 45, и нижнюю секцию, используемую как морозильное отделение 46. Канал 43 для подачи холодного воздуха сообщается с холодильным отделением 44, овощным отделением 45 и морозильным отделением 46. Холодильное отделение 44 и овощное отделение 45 сообщаются друг с другом.
Как описывалось ранее, с началом работы охладителя 1 Стирлинга теплота, производимая в высокотемпературной части 2, выделяется через конденсатор 38 на высокотемпературной стороне в окружающий воздух. Одновременно вентилятор 12 нагнетает нагретый воздух внутрь воздушного вытяжного канала 15 из холодильной камеры холодильника 42 и отбирает воздух с наружной стороны холодильной камеры холодильника 42 для активации теплообмена. Вентилятор 12 может быть исключен; в этом случае циркуляция воздуха в вытяжном воздушном канале 15 и воздуха с наружной стороны холодильной камеры холодильника 42 происходит путем естественной конвекции.
С другой стороны, как описывалось ранее, холод, производимый в низкотемпературной части 3, передается через испаритель 7 на низкотемпературной стороне к воздуху в канале 43 для подачи холодного воздуха. Одновременно циркуляционный вентилятор 13 холодного воздуха прогоняет холодный воздух из канала 43 для подачи холодного воздуха в морозильное отделение 46 и прогоняет часть холодного воздуха в холодильное отделение 44. Холодный воздух, проходящий в холодильное отделение 44, затем протекает в овощное отделение 45 и далее протекает по каналу 43 подачи холодного воздуха обратно к месту вблизи испарителя 7.
Когда испаритель 7 на низкотемпературной стороне оттаивает, сточные воды сливаются из холодильной камеры 42 через сточное выпускное отверстие, предусмотренное в нижней части холодильника 42.
Таким образом, путем встраивания охладительной системы согласно пятому варианту осуществления в крупный холодильник горизонтального типа можно эффективно использовать высоту холодильника при размещении теплообменной части 30 на низкотемпературной стороне и теплообменной части 31 на высокотемпературной стороне. Кроме того, путем размещения морозильного отделения 46 вблизи испарителя на низкотемпературной стороне и размещения овощного отделения 45 под холодильным отделением 45 можно эффективно использовать холодный воздух внутри холодильной камеры холодильника 42.
Промышленная применимость
Как описано выше, в соответствии с настоящим изобретением использование скрытой теплоты, получаемой путем испарения и сжижения холодильного агента, обеспечивает более высокую эффективность передачи теплоты по сравнению с использованием ощутимой теплоты. Поэтому холод эффективно передается внутрь камеры холодильника или охладителя или теплота эффективно выделяется за пределы камеры холодильника или охладителя. Это способствует повышению эффективности теплообмена холодильников. Кроме того, можно образовать конденсатор и испаритель нужных размеров. Это обеспечивает возможность эффективной передачи теплоты в низкотемпературную и высокотемпературную части, размеры которых ограничены эффективностью обратного цикла Стирлинга, к воздуху, который имеет низкую удельную теплопроводность. Это способствует возможности реализации холодильников большой емкости. Кроме того, холодильный агент циркулирует за счет использования разности высот без использования внешней энергии, специально предусмотренной для циркуляции холодильного агента. Это способствует возможности реализации холодильников с низким энергопотреблением. Кроме того, введение сепаратора для отделения газа от жидкости обеспечивает устойчивую циркуляцию холодильного агента без использования средства для принудительной циркуляции холодильного агента. Это способствует снижению стоимости и энергосбережению. Кроме того, использование в качестве холодильного агента диоксида углерода или воды, которые являются негорючими, нетоксичными природными холодильными агентами, способствует созданию холодильников, неопасных для людей и для глобальной окружающей среды. Кроме того, путем разделения холодильной камеры на верхнюю секцию, используемую в качестве холодильного отделения, среднюю секцию, используемую в качестве отделения для овощей, и нижнюю секцию, используемую в качестве морозильного отделения, можно эффективно использовать холодный воздух внутри холодильной камеры. Кроме того, применение охладительной установки Стирлинга способствует реализации охладителей, которые создают намного меньший шум, которые имеют намного более простую конструкцию и которые позволяют сберечь намного большее пространство, чем обычные охладители испарительно-компрессионного типа с использованием компрессора.
В охладительной установке Стирлинга в контуре циркуляции между низкотемпературной частью и средством для циркуляции холодильного агента размещен сепаратор. Сепаратор обеспечивает возможность подачи холодильного агента к средству для циркуляции холодильного агента только в жидкой фазе. В качестве холодильного агента использован природный холодильный агент, который сжижается в низкотемпературной части и испаряется в испарителе. В другом варианте установки сепаратор находится на более высоком месте по сравнению с испарителем. В следующем варианте установки конденсатор на высокотемпературной стороне для сброса теплоты за пределы холодильной камеры размещен на более высоком месте по сравнению с высокотемпературной частью охладителя Стирлинга, которая производит теплоту. Использование изобретения позволит повысить эффективность охлаждения и создать холодильник большого объема с низким потреблением энергии и высокой эффективностью теплообмена. 6 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.
Приоритет по пунктам:
| US 5927079 А, 27.07.1999 | |||
| КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА С АЗОТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ | 1999 |
|
RU2151972C1 |
| Устройство для охлаждения напитков | 1978 |
|
SU811059A1 |
| Способ централизованного холодоснабжения предприятия | 1984 |
|
SU1395910A1 |
| DE 4312830 А1, 27.10.1994. | |||
