СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА Российский патент 2005 года по МПК F25B21/00 

Изобретение относится к области теплофизики, более конкретно к способу охлаждения рабочего тела, и может быть использовано при эксплуатации холодильных установок и тепловых машин.

Широко известен способ искусственного охлаждения рабочего тела с помощью подводимой энергии [Большой энциклопедический словарь. Научное издательство "Большая Российская энциклопедия". -М.:1998 г., стр.585], который реализован в компрессионных холодильных машинах (сжатие хладагента), теплоиспользующих холодильных установках, поглощающих тепловую энергию.

Основным недостатком известного способа является значительное потребление подводимой энергии и невозможность достижения высоких коэффициентов полезного действия.

Известно использование твердотельных электронных микроохладителей, представляющих собой керамические переходы, соединенные с чередующимися полупроводниковыми p- и n-элементами, работа которых основана на эффекте Пельтье [Пат. РФ №2187176, МПК F 25 В 21/00, публ. 2002.08.10].

Применение термоэлектрических полупроводниковых устройств позволяет повысить надежность и увеличить ресурс холодильных установок. Однако их эффективность в 5...10 раз ниже термомеханических. Использование известного способа не позволит увеличить КПД холодильных установок, т.к. устранить главные потери энергии в данных установках невозможно.

Использование магнито- (МК) и электрокалорического (ЭК) эффектов для получения как умеренно низких, так и криотемператур позволило одновременно повысить ресурс и эффективность низкотемпературных установок [В.М.Бродянский, Ю.В.Синявский. Наука, техника, технология. Холодильная техника, №7, 1982. С.24-29].

Принцип действия МК и ЭК холодильных установок основан на периодическом наложении и снятии с твердого рабочего вещества внешнего магнитного или электрического поля [А.С. СССР №853316, МПК F 25 B 21/00, публ. 07.08.81; Пат. РФ №2079802, F 25 B 21/00, публ. 1997.05.20, пат. РФ №2075015, МПК F 25 В 21/00]. Наложение поля приводит к упорядочиванию внутренней структуры рабочего тела и, как следствие, к повышению его температуры в адиабатических условиях (соответствует сжатию хладагента в компрессоре). После охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды поле снимают. Внутренняя структура рабочею тела разупорядочивается, его температура понижается и появляется возможность подвода к нему теплоты от охлаждаемого объекта.

В качестве прототипа выбран способ охлаждения рабочего тела, изложенный в патенте РФ №2182689, МПК F 25 B 21/00, публ. 20.05.2002.

Способ заключается в том, что рабочее тело, молекулы которого обладают устойчивым дипольным моментом, помещают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля, напряженность которого выбирают из условия μЕ>10⁷ Д·В/м, где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, Д; Е - напряженность электрического поля, В/м. При этом исключают возможность прохождения электрического тока в зоне действия электрического поля. Последнее достигается путем изоляции конструктивных элементов, к которым подается разность потенциалов, создающая электрическое поле. Конструктивные элементы выполнены таким образом, чтобы обеспечить однородность электрического поля в зоне его действия.

В качестве рабочего тела используют газы или жидкости, молекулы которых имеют устойчивый дипольный момент.

Рабочее тело помещают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля при температуре, превышающей 100К, и при давлении, не превышающем величину давления, при которой происходит конденсация рабочего тела.

В этих условиях происходит охлаждение рабочего тела за счет отвода тепла в окружающую среду в виде теплового излучения в ИК- и микроволновом диапазоне длин волн.

После помещения рабочего тела в замкнутую рабочую зону действия электрического поля производят его отвод. После отвода рабочего тела из замкнутой рабочей зоны осуществляют его нагрев путем теплообмена с охлаждаемым объектом.

Устройство для охлаждения рабочего тела содержит камеру для помещения рабочего тела, причем упомянутая камера содержит элементы для подвода разности потенциалов, создающей электрическое поле в камере, 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 выполнены в виде пластин из электропроводящего материала, снабженных электроизолирующим покрытием, в частности в форме пластин со скругленными углами и полированной поверхностью.

Недостатком известного способа является его повышенная электроопасность, обусловленная тем, что положительный и отрицательный электроды расположены в замкнутой рабочей зоне действия электрического поля с высокими значениями разности потенциалов.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение электробезопасности способа охлаждения рабочего тела при высокой эффективности отвода тепла от рабочего тела.

Предложен способ охлаждения рабочего тела-газа, включающий помещение его в замкнутую рабочую зону действия электрического поля, напряженность которого выбирают из условия μE>10⁷ ДВ/м, где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, в Дебаях, Е - напряженность электрического поля В/м, отвод рабочего тела из рабочей зоны и его нагрев, при этом исключают прохождение электрического тока в рабочей зоне, причем замкнутая рабочая зона размещена в сферической или цилиндрической камере, а теплоотвод осуществляют путем теплопередачи через стенку-границу рабочей зоны к внешнему теплоносителю.

В качестве рабочего тела используют газообразные вещества: фреоны, хлоралканы, ацетальдегид и другие, молекулы которых обладают устойчивым дипольным моментом.

Возможность прохождения электрического тока в замкнутой рабочей зоне исключают путем изоляции конструктивных элементов от рабочего тела и друг от друга. Неоднородность электрического поля создают путем использования конструктивных элементов, имеющих поверхности с конечным, в том числе переменным, радиусом кривизны, например сферические или цилиндрические. Рабочее тело помещают в замкнутую рабочую зону постоянного или переменного электрического поля. В качестве внешнего теплоносителя можно использовать жидкость с невысокой электропроводностью либо сжиженное рабочее тело.

Способ реализуется следующим образом.

Рабочее тело (газ, имеющий устойчивый дипольный момент) помещают в замкнутую рабочую зону действия электрического поля, размещенную в сферической или цилиндрической камере, где оно нагревается. Происходит теплоотвод через стенку-границу рабочей зоны к внешнему теплоносителю. После отвода рабочего тела из замкнутой зоны осуществляют тепловой контакт его с охлаждаемым объектом, в результате которого рабочее тело нагревается.

На фиг.1 приведен пример устройства для охлаждения рабочего тела, в котором реализуется предложенный способ. Устройство представляет собой камеру 1 для помещения рабочего тела в виде стеклянной сферы. Камера имеет средства для подвода и отвода рабочего тела, электроды для создания неоднородного электрического поля и внешнюю рубашку для отвода тепла с помощью теплоносителя. Положительный электрод 2 представляет собой металлическую иглу, острие которой находится в центре сферической камеры 1 (а - радиус кривизны острия).

Отрицательный электрод 3 выполнен в виде токопроводящего покрытия, нанесенного на нижнюю полусферу камеры (b - радиус кривизны отрицательного электрода). Толщина стенок камеры 1 обеспечивает отсутствие электрического тока в рабочей зоне (нижняя полусфера внутреннего объема камеры). Напряженность электрического поля в рабочей зоне неоднородна, она описывается уравнением:

При этом максимальные значения напряженности электрического поля достигаются в окрестности положительного электрода 2.

Соотношение радиусов а и b обеспечивает (при заданном напряжении) напряженность электрического поля внутри рабочей зоны, удовлетворяющую условию μЕ>10⁷ ДВ/м, где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, Д; Е - напряженность электрического поля, В/м.

Другой пример устройства для охлаждения рабочего тела приведен на фиг.2. Устройство выполнено в виде стеклянной трубы 4 (камера для рабочего тела), на оси которой расположена тонкая металлическая проволока 5, подключенная к положительному полюсу источника высокого напряжения (а - радиус кривизны положительного электрода). Отрицательным электродом служит толстостенная металлическая труба 6, расположенная соосно с трубой конденсатора 4 (b - радиус кривизны отрицательного электрода). Толщина стенок стеклянной трубы 4 обеспечивает отсутствие электрического тока через камеру. Напряженность электрического поля в рабочей зоне неоднородна, она описывается уравнением:

Максимальные значения напряженности электрического поля достигаются в окрестности положительного (внутреннего) электрода. При этом внутренний радиус R камеры 4 для помещения рабочего тела выбран из условия a<R<b. Соотношение радиусов а, b и R обеспечивает (при заданном напряжении) напряженность электрического поля внутри рабочей зоны, удовлетворяющую условию μЕ>10⁷ ДВ/м, где μ- дипольный момент молекул рабочего тела, Д; Е - напряженность электрического поля, В/м.

Улучшение рабочих параметров данных устройств для охлаждения рабочего тела по сравнению со способом-прототипом достигается за счет изменения геометрии. Согласно описанию патента РФ №2182689 рабочее тело помещали в камеру, подобную плоскому конденсатору с электродами в виде пластин. Подавая на электроды разность потенциалов U(B), получали однородное электрическое поле напряженностью E=U/d, где d - расстояние между электродами, м. При этом требовалось соблюдение условия μЕ>10⁷ ДВ/м, где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, выраженный в Дебаях (Д); Е - напряженность электрического поля, выраженная в В/м. Например, для плоского конденсатора при U=60 кВ и d=9,18 мм получим Е=6.53·10⁶ В/м.

Данная геометрия устройств для охлаждения рабочего тела позволяет достигать условия μЕ>10⁷ ДВ/м в окрестностях положительного (внутреннего) электрода при меньших значениях разности потенциалов U по сравнению с устройством в виде плоского конденсатора, описанном в устройстве-прототипе (с таким же расстоянием d=b-а между электродами), или достичь больших значений μЕ при той же разности потенциалов U.

Пусть а=0.02 мм, b=9.2 мм, d=b-a=9.18 мм.

Для устройства в виде сферического конденсатора (Фиг.1) получим:

E_max=E(a)=3.0·10⁹ в/м.

С другой стороны, можно достигнуть значения Е=6.53·10⁶ В/м вблизи положительного (внутреннего) электрода, прикладывая разность потенциалов U=130.4 В, что в 460 раз меньше.

Для устройства в виде цилиндрического конденсатора (Фиг.2) получим:

Е_max=Е(а)=4.9·10⁹ В/м

При этом, если выбрать внутренний радиус стеклянной трубы R<2.9 мм, то средняя напряженность поля в рабочем объеме будет превышать 6.35·10⁶ В/м. С другой стороны, можно достигнуть значения Е=6.35·10⁶ В/м вблизи положительного (внутреннего) электрода, прикладывая разность потенциалов U=801.5 В, что в 74.9 раза меньше.

Учитывая, что отрицательный (внешний) электрод устройств заземляется и служит защитным внешним экраном от высокого напряжения, и то, что возможно использовать меньшие значения разности потенциалов, предложенный способ имеет преимущества перед способом-прототипом с точки зрения электробезопасности. Кроме того, применение электродов, в частности цилиндрической или сферической формы, уменьшает краевые эффекты.

Экспериментальные данные:

На фиг.3 представлены данные эксперимента по изменению температуры рабочего тела при наложении и снятии электрического поля. Эти данные получены с помощью модели устройства для охлаждения рабочего тела, электрическое поле в котором создается цилиндрическими электродами со следующими параметрами: а=42.5 мм, b=50 мм. В качестве рабочего тела использовали хладон 142б, объем рабочего тела - 320 мл. На электоры подавали разность потенциалов 60 кВ, при этом в рабочей зоне возникало электрическое поле напряженностью около 8·10⁶ В/м. Разность температур рабочего тела и окружающей среды фиксировали газообразным методом.

Изобретение относится к области теплофизики, более конкретно к способу охлаждения рабочего тела, и может быть использовано при эксплуатации холодильных установок и тепловых машин. Способ охлаждения рабочего тела - газа включает помещение его в замкнутую рабочую зону действия электрического поля, напряженность которого выбирают из условия μE>10⁷ В/м, где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, в Дебаях, Е - напряженность электрического поля, теплоотвод от рабочего тела, отвод рабочего тела из рабочей зоны и его нагрев, при этом исключают прохождение электрического тока в рабочей зоне. Замкнутая рабочая зона размещена в сферической или цилиндрической камере. Теплоотвод осуществляют путем теплопередачи через стенку - границу рабочей зоны к внешнему теплоносителю. Использование изобретения позволит повысить эффективность отвода тепла от рабочего тела, упростить процесс охлаждения и повысить электробезопасность способа. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ охлаждения рабочего тела - газа, включающий помещение его в замкнутую рабочую зону действия электрического поля, напряженность которого выбирают из условия μE>10⁷ В/м, где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, в Дебаях, Е - напряженность электрического поля, теплоотвод от рабочего тела, отвод рабочего тела из рабочей зоны и его нагрев, при этом исключают прохождение электрического тока в рабочей зоне, отличающийся тем, что замкнутая рабочая зона размещена в сферической или цилиндрической камере, а теплоотвод осуществляют путем теплопередачи через стенку - границу рабочей зоны к внешнему теплоносителю.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочее тело помещают в замкнутую рабочую зону неоднородного электрического поля.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочее тело помещают в замкнутую рабочую зону переменного электрического поля.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве внешнего теплоносителя используют жидкость с невысокой электропроводностью.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве внешнего теплоносителя используют сжиженное рабочее тело.