СПОСОБ, УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА И СРЕДЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК F25B9/00 

Изобретения относятся к области машиностроения, а именно энергомашиностроения и, в частности, к способам и устройствам осуществления рабочего процесса в системах охлаждения и кондиционирования.

Известны способы и устройства для охлаждения или нагрева газообразной среды (Ю.М.Шустров, М.М.Булаевский. Авиационные системы кондиционирования воздуха, Москва, Машиностроение, 1978, с.38; Н.Д.Кочетков. Холодильная техника. Москва, Машиностроение, 1966, с.27; Теплотехника. Под ред. Луканина В.Н., Москва, Высшая школа, 2002. 672 с.; Буховцев Б.Б., Климонтович Ю.Л., Мякишев Г.Я. Физика. Учебное пособие, Москва, Просвещение, 1971, с.73-74).

Известен способ охлаждения газообразного рабочего тела (РТ) (патент РФ № 2221154), включающий поочередный впуск рабочего тела от источника с избыточным давлением в одну из смежных расширительных камер через впускное устройство, расширение рабочего тела с понижением его температуры и давления при совершении им механической работы, передаваемой через давление на заслонку, образующую одну из стенок расширительной камеры, вращающемуся ротору, выпуск рабочего тела через выпускное устройство из расширительной камеры при достижении ей максимального объема.

Особенность осуществления известного способа состоит в том, что расширение рабочего тела ведут в режиме совершения им механической работы с охлаждением, т.е. используют как двигатель. При этом если степень расширения рабочего тела превышает величину, при которой рабочее тело имеет давление, равное атмосферному давлению (давлению окружающей среды), то последующее увеличение объема рабочего тела (принудительное) сопровождается дальнейшим понижением его температуры, хотя в результате противодавления атмосферного воздуха на заслонку рабочей камеры приводит к уменьшению получаемой механической работы. Другими словами, часть рабочего цикла, показанного на фиг.1, при увеличении объема рабочего тела от 0 до V_р осуществляют в режиме двигателя (т.е. на этом этапе расширения рабочего тела имеется положительная механическая работа, получаемая в результате преобразования внутренней энергии рабочего тела), а его другую часть при увеличении объема рабочего тела от V_p до V_рк осуществляют в режиме детандера (т.е. с затратами механической работы, запасенной в виде кинетической энергии вращения ротора и получаемой от расширения рабочего тела в режиме двигателя в последующем цикле, осуществляемом в другой расширительной камере, которая (см. фиг.3) по времени частично перекрывается с текущим циклом).

В известном способе после впуска рабочего тела в объем впускной камеры (ВК) ведут непрерывное увеличение объема рабочего тела до максимального значения V_рк, равного объему рабочей камеры (РК), которое происходит при постоянном понижении температуры рабочего тела, достигающей минимального значения при выпуске рабочего тела из рабочей камеры. В итоге при увеличении объема рабочего тела от объема впускной камеры V_вк до объема рабочей камеры V_рк (фиг.1) происходит непрерывное понижение его температуры от начальной температуры Т_н при впуске в рабочую камеру до конечной температуры Т_к при выпуске из рабочей камеры (фиг.2). Указанные температуры являются предельными при увеличении объема рабочего тела от объема впускной камеры до объема рабочей камеры с начальной температурой Т_н при впуске.

Для работы в системе охлаждения (кондиционирования) расширительное устройство (РУ) должно обеспечивать поддержание на выходе из него заданной температуры рабочего тела. При этом значение температуры Т_р (фиг.1) при расширении (разрежении) рабочего тела, получаемой на выходе из расширительного устройства, может задаваться в пределах от температуры впуска Т_н (начальная температура рабочего тела) до температуры выпуска Т_к (конечная температура рабочего тела).

Известный способ не обеспечивает поддержание температуры рабочего тела на произвольном заданном уровне Т_р, что сужает диапазон охлаждаемой температуры на выходе из расширительного устройства до значения, равного температуре выпуска (конечная температура рабочего тела), ограничивая тем самым функциональные возможности способа при его практическом использовании в системах кондиционирования.

Известен способ охлаждения газообразного рабочего тела (см., например, Буховцев Б.Б., Климонтович Ю.Л., Мякишев Г.Я. Физика. Учебное пособие, Москва, Просвещение, 1971, с.73-74), включающий впуск рабочего тела от источника в расширительную камеру, запирание впущенного рабочего тела в расширительной камере, последующее естественное увеличение объема запертого рабочего тела за счет использования его внутренней энергии, осуществляемое с понижением его температуры и давления, удаление рабочего тела из расширительной камеры при достижении максимального объема расширительной камеры.

Особенность осуществления известного способа состоит в том, что до увеличения объема рабочего тела в расширительной камере предварительно уменьшают его объем в компрессоре (сжимают) с повышением температуры и давления, после чего сжатое рабочее тело охлаждают в теплообменном устройстве.

При сжатии рабочего тела повышается его внутренняя энергия, которую затем уменьшают путем отвода энергии в форме теплоты и работы. При охлаждении от рабочего тела отводят теплоту в окружающую среду. Высокая температура рабочего тела по отношению к температуре окружающей среды повышает интенсивность теплоотвода, что способствует ускорению процесса уменьшения его внутренней энергии. На выходе из теплообменного устройства рабочее тело имеет высокое давление и низкую температуру.

Дальнейшее уменьшение внутренней энергии рабочего тела возможно только путем отбора энергии в форме работы. Поэтому рабочее тело, учитывая его высокое давление, естественным образом увеличивает свой объем в расширительной камере, где оно за счет уменьшения своей внутренней энергии совершает работу путем давления на рабочий орган расширительной камеры. Вследствие уменьшения внутренней энергии температура рабочего тела понижается, т.е. газ охлаждается.

Используемая в известном способе последовательность операций с предварительным повышением внутренней энергии рабочего тела и последующим ее понижением не является единственно возможной последовательностью действий с точки физических явлений, происходящих при использовании указанных физических процессов.

Известно, что рабочее тело естественно (самопроизвольно) отдает часть своей внутренней энергии другим телам в форме теплоты или работы, если эти тела имеют более низкий уровень внутренней энергии. Однако возможен принудительный отбор части внутренней энергии рабочего тела. Для этого над рабочим телом необходимо совершить работу.

Известный способ основан на использовании явления естественной (самопроизвольной) отдачи рабочим телом части своей внутренней энергии. Однако процесс естественной отдачи определен условиями окружающей среды. Поэтому в известном способе уровень внутренней энергии рабочего тела сначала поднимают выше уровня внутренней энергии окружающей среды, а затем понижают его с помощью процесса естественной (самопроизвольной) отдачи энергии телам с меньшим уровнем внутренней энергии (окружающей среде).

В соответствии с законом сохранения энергии процесс совершения естественной работы сопровождается отбором теплоты от рабочего тела, а процесс совершения вынужденной работы сопровождается отбором теплоты от окружающей среды.

В первом случае энергия, забираемая от рабочего тела в форме работы, является частью его внутренней энергии. При этом в процессе совершения работы внутренняя энергия рабочего тела может пополняться за счет подвода теплоты от внешнего источника. Если указанного пополнения не происходит, то при снижении уровня внутренней энергии рабочего тела ниже уровня внутренней энергии окружающей среды, процесс преобразования внутренней энергии рабочего тела в работу продолжаться не может и прекращается.

Работа, получаемая в тепловой машине, например, в двигателе внутреннего сгорания, основана на периодическом пополнении внутренней энергии рабочего тела за счет подвода теплоты от внешнего источника.

В другом случае при совершении вынужденной работы энергия, забираемая от рабочего тела в форме работы, также является частью его внутренней энергии. Как и в первом случае, в процессе совершения над рабочим телом вынужденной работы его внутренняя энергия может пополняться за счет подвода теплоты от внешнего источника. Однако, в отличие от первого случая, если указанного пополнения не происходит, то при снижении уровня внутренней энергии рабочего тела ниже уровня внутренней энергии окружающей среды процесс преобразования внутренней энергии рабочего тела в работу может продолжаться.

Происходит это потому, что процесс вынужденного отвода энергии с работой определяется не условиями окружающей среды, а зависит лишь от остаточного уровня внутренней энергии рабочего тела и способности внешнего источника энергии дополнительно извлекать из рабочего тела его внутреннюю энергию путем совершения над ним вынужденной работы во все возрастающем количестве.

Таким образом, для понижения уровня внутренней энергии рабочего тела путем совершения им естественной работы необходимо предварительно повысить уровень его внутренней энергии выше уровня внутренней энергии окружающей среды. В известном способе это достигается с помощью операции сжатия рабочего тела. Затем часть энергии рабочего тела в форме теплоты посредством теплопередачи отводится в окружающую среду. После этого часть энергии рабочего тела забирается в форме работы, совершаемой им при расширении. Одновременно с теплоотводом и совершением работы понижается уровень внутренней энергии рабочего тела, что проявляется в уменьшении его температуры.

Важно отметить, что рассмотренный цикл преобразований рабочего тела является термодинамическим, поскольку все участвующие в нем процессы (сжатие, охлаждение и расширение) являются термодинамическими. Одним из важных признаков указанного цикла является то обстоятельство, что цикл осуществляется при неизменной массе рабочего тела.

С точки зрения термодинамики, принципиальное отличие предлагаемого способа от известного состоит в том, что соответствующий ему цикл не является классическим термодинамическим, поскольку один из процессов, участвующих в цикле, является не чисто термодинамическим, а термомеханическим. Таким процессом является образование смеси газов из охлажденной при расширении и остальной части исходного объема газа. В отличие от подвода теплоты посредством теплопередачи, которая происходит при неизменной массе газа, указанный процесс смесеобразования может быть проинтерпретирован как подвод теплоты к охлажденному газу путем тепломассопереноса, т.е. как увеличение массы газа за счет смешения с ним присоединенной массы более горячего газа.

Рассмотрим причины, в силу которых процессы подвода и отвода энергии в итоге приводят к понижению внутренней энергии рабочего тела.

Процессы изменения внутренней энергии газа при подводе и отводе энергии в форме теплоты и работы не являются равноценными. При отводе энергии в форме работы наблюдается более значительное снижение уровня внутренней энергии рабочего тела, чем его повышение при подводе энергии в форме работы.

Объясняется это тем, что при отводе от рабочего тела энергии в форме работы часть энергии преобразуется в теплоту, которая естественным образом отводится в окружающую среду. При подводе к рабочему телу энергии в форме работы часть энергии также преобразуется в теплоту, которая естественным образом отводится в окружающую среду.

Из сравнения указанных процессов видно, что в первом случае отвод работы дополняется отводом теплоты. При этом снижение уровня внутренней энергии рабочего тела оказывается более значительным на величину дополнительно отведенной теплоты по сравнению с тем уровнем, который должен быть достигнут лишь за счет отведенной работы.

Во втором случае подвод работы уменьшается отводом теплоты. При этом уровень внутренней энергии рабочего тела повышается меньше на величину отведенной теплоты по сравнению с тем уровнем, до которого должен был повыситься при подведенной работе.

Таким образом, в общем случае результаты процессов изменения уровня внутренней энергии рабочего тела путем подвода к нему энергии в форме работы и отвода от него энергии в форме работы не эквивалентны друг другу. Указанное нарушение эквивалентности процессов обусловлено естественным отводом теплоты и приводит к указанному дисбалансу внутренней энергии. Исключение составляют адиабатные процессы энергообмена с рабочим телом, состоящие в подводе или отводе энергии только в форме работы, поскольку в этом случае теплообмен не происходит.

Указанный дисбаланс энергии является одним из факторов снижения внутренней энергии рабочего тела, который возникает по причине энергообмена с окружающей средой. Однако основная причина снижения внутренней энергии рабочего тела связана не с дисбалансом, а с другим фактором.

Ответ на вопрос о том, какой процесс в известном способе уменьшает уровень внутренней энергии рабочего тела ниже уровня внутренней энергии окружающей среды, требует специального рассмотрения.

В приведенном выше анализе показано, что таким процессом может быть только процесс совершения над рабочим телом вынужденной отрицательной работы. Однако в известном способе не очевидно присутствие указанного процесса.

Действительно, сжатие рабочего тела является процессом подвода к нему энергии в форме работы, т.е. является процессом совершения вынужденной положительной работы.

Другим процессом, происходящим при энергообмене в форме работы, является адиабатное расширение рабочего тела в детандере. В отличие от процесса сжатия, расширение рабочего тела является процессом отвода от него энергии в форме работы. При этом указанное расширение осуществляется за счет двух источников энергии.

Первым источником является внутренняя энергия рабочего тела. За счет внутренней энергии осуществляется естественный процесс совершения работы рабочим телом, который сопровождается понижением его внутренней энергии. При достижении внутренней энергией рабочего тела уровня внутренней энергии окружающей среды естественный процесс преобразования внутренней энергии рабочего тела в работу продолжаться не может и прекращается.

Вторым источником расширения рабочего тела является кинетическая энергия движущихся частей машины, в которой осуществляется указанное расширение. Запасенная машиной кинетическая энергия проявляется в работе сил инерции, воздействующих через элементы ее устройства на расширяемое рабочее тело. За счет работы сил инерции в процессе расширения над рабочим телом совершают вынужденную отрицательную работу, которая понижает его внутреннюю энергию.

В отличие от естественной работы, определяемой, как было показано выше, условиями окружающей среды, процесс вынужденного отвода энергии с работой зависит лишь от внутренней энергии самого рабочего тела и энергии внешнего источника, извлекающего из рабочего тела его внутреннюю энергию. Поэтому в процессе вынужденного отвода энергии с работой, совершаемого силами инерции, происходит снижение внутренней энергией рабочего тела ниже уровня внутренней энергии окружающей среды, которое соответствует охлаждению рабочего тела ниже температуры окружающей среды.

Из приведенного анализа следует, что предварительное сжатие и охлаждение рабочего тела, используемые в известном способе, являются по существу лишними операциями, которые усложняют реализацию известного способа и к тому же снижают КПД преобразования энергии при охлаждении рабочего тела из-за потерь теплоты.

Таким образом, в известном способе для осуществления процесса совершения вынужденной работы рабочего тела, который обеспечивает охлаждение рабочего тела ниже температуры окружающей среды, используется лишь энергия движущихся частей тепловой машины. Требуемый для необходимой степени охлаждения рабочего тела уровень энергии обеспечивается за счет кинетической энергии движущихся частей, определяемой, например, либо очень высокой частотой вращения ротора в турбохолодильнике, либо большим моментом инерции (маховик) поршневой группы устройства расширения в обычной холодильной установке.

В известном способе на совершение вынужденной работы для охлаждения рабочего тела непосредственно не используется внутренняя энергия самого рабочего тела, что ухудшает эффективность способа и усложняет реализующие его устройства.

В предлагаемом способе для охлаждения рабочего тела непосредственно используется внутренняя энергия самого рабочего тела, для чего вынужденная работа по его расширению осуществляется, помимо работы сил инерции, в основном за счет энергии его естественного расширения, которая получается в смежной расширительной камере одновременно с процессом вынужденного расширения и передается вынужденно расширяемой камере через их общий элемент - ротор рабочего органа. Поскольку вынужденная работа совершается непосредственно рабочим телом, а не за счет работы сил инерции, то не требуется запас кинетической энергии. Это позволяет снизить частоту вращения ротора и уменьшить момент инерции вращающихся частей расширительной машины, что приводит к уменьшению ее массовых и габаритных характеристик. При этом за счет перепуска части рабочего тела обеспечивается как его охлаждение, так и сохранение высокой температуры относительно температуры окружающей среды.

Известно расширительное устройство рабочего тела (патент РФ № 2221154), выполненное в виде роторной машины, содержащей рабочий орган, корпус, снабженный направляющей полостью с впускным устройством, имеющим впускной канал, периодически перекрываемый золотниковым устройством, и сообщенным с источником рабочего тела с избыточным давлением, а также выпускным устройством имеющим выпускной канал, при этом направляющая полость выполнена в виде цилиндра, рабочий орган выполнен в виде ротора с заслонками, ротор выполнен в виде цилиндрического тела, размещен в полости корпуса с возможностью вращения относительно своей продольной оси и смещен в радиальном направлении до касания с поверхностью полости корпуса, снабжен пазами, выполненными по периферии ротора в его осевых плоскостях и расположенными равномерно по окружности, впускными камерами, выполненными в виде углублений на поверхности ротора, примыкающих к его пазам, сообщаемых с впускным каналом посредством золотникового устройства, заслонки выполнены в виде прямоугольных пластин, подпружинены и установлены в пазах ротора, при этом поверхности корпуса, ротора и заслонок образуют смежные расширительные камеры, поочередно сообщаемые с впускным и выпускным каналами.

Особенность выполнения известного устройства состоит в том, что его расширительная камера имеет один впускной канал, выходное отверстие которого размещено в пределах впускной камеры. Отсутствие дополнительного впускного канала в расширительную камеру не позволяет осуществлять дополнительный впуск в нее рабочего тела с требуемыми термодинамическими параметрами по мере увеличения ее объема, что не обеспечивает поддержание температуры рабочего тела на произвольном заданном допустимом уровне. В результате сужается диапазон температуры на выходе из расширительного устройства до одного значения, равного температуре выпуска (конечная температура рабочего тела), что ограничивает его функциональные возможности при практическом использовании в системах кондиционирования.

Известна система охлаждения среды (открытого типа, см., например, Ю.М.Шустров, М.М.Булаевский. Авиационные системы кондиционирования воздуха, Москва, Машиностроение, 1978, с.33), содержащая нагнетатель рабочего тела (компрессор с двигателем), вход которого сообщен с окружающей средой, термокамеру, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, сообщена дренажным клапаном с окружающей средой, расширительное устройство для рабочего тела (турбина), вход которого сообщен с выходом нагнетателя рабочего тела, а выход его выпускного канала сообщен с термокамерой.

Особенность выполнения известного устройства состоит в том, что оно дополнительно снабжено теплообменным устройством и компрессором, а его расширительное устройство выполнено в виде турбины, в которой давление рабочего тела при расширении не может быть уменьшено ниже давления окружающей среды, что не позволяет достаточно просто получать требуемое значение температуры рабочего тела на выходе из расширительного устройства и обеспечивать поддержание заданной температуры охлаждаемой среды. Кроме того, расширительное устройство в виде турбины не позволяет расширять рабочее тело ниже давления в термокамере, что не позволяет для дополнительного охлаждения рабочего тела использовать процесс его разрежения (принудительного расширения).

Известна система охлаждения среды закрытого типа (см., например, Ю.М.Шустров, М.М.Булаевский. Авиационные системы кондиционирования воздуха, Москва, Машиностроение, 1978, с.38), содержащая нагнетатель рабочего тела, термокамеру, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, расширитель рабочего тела, вход которого сообщен с выходом нагнетателя рабочего тела, а выход его выпускного канала сообщен с термокамерой.

Особенность выполнения известной системы состоит в том, что его расширительное устройство выполнено в виде турбины, что не позволяет получать требуемое значение температуры рабочего тела на выходе из расширительного устройства и обеспечивать поддержание заданной температуры терморегулируемой среды. Кроме того, расширительное устройство в виде турбины не позволяет расширять рабочее тело ниже давления в термокамере, что не позволяет для дополнительного охлаждения рабочего тела использовать процесс его разрежения (принудительного расширения).

Известна система охлаждения среды замкнутого типа (см., например, Н.Д.Кочетков, Холодильная техника, Москва, Машиностроение, 1966, с.27; Теплотехника. Под ред. Луканина В.Н. Москва, Высшая школа, 2002. с.672), содержащая нагнетатель рабочего тела, термокамеру, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, расширитель рабочего тела, вход которого сообщен с выходом нагнетателя рабочего тела, а выход его выпускного канала сообщен с термокамерой.

Особенность выполнения известной системы состоит в том, что его расширительное устройство содержит один впускной канал, что не позволяет достаточно просто получать требуемое значение температуры рабочего тела на выходе из расширительного устройства и обеспечивать поддержание заданной температуры охлаждаемой среды. Известная система не позволяет поддерживать высокую температуру охлаждаемой среды, что сужает ее функциональные возможности. Указанное расширительное устройство в виде дроссельного устройства не позволяет расширять рабочее тело до давления, которое ниже давления в термокамере, что не позволяет использовать для дополнительного охлаждения рабочего тела процесс его разрежения (принудительного расширения). Кроме того, расширение рабочего тела в дроссельном устройстве сопровождается более высокими потерями энергии, что ведет к уменьшению КПД системы охлаждения среды.

Общим недостатком указанных известных систем охлаждения является их сложность конструкции и низкий КПД, обусловленные используемым способом охлаждения среды и устройством расширения газообразного рабочего тела, что определяет недостаточно высокую эффективность их функционирования.

Изобретениям решаются задачи расширения диапазона и повышения точности понижения температуры рабочего тела, повышения КПД, упрощения и повышения эффективности функционирования системы охлаждения среды в замкнутом, закрытом и открытом объеме.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ охлаждения газообразного рабочего тела, устройство для осуществления этого способов, 3 варианта системы охлаждения среды, использующих указанные способы и устройства при их осуществлении.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ охлаждения газообразного рабочего тела, который, как и в патенте РФ № 2221154, включает впуск рабочего тела от источника во впускную камеру расширительной камеры, запирание впущенного рабочего тела в расширительной камере, последующее увеличение объема запертого рабочего тела, осуществляемое с понижением его температуры и давления до уровня более низкого, чем давление рабочего тела в источнике, удаление рабочего тела из расширительной камеры при достижении максимального объема расширительной камеры.

Отличительные признаки предлагаемого способа охлаждения газообразного рабочего тела состоят в том, что последующее увеличение объема запертого рабочего тела выполняют путем принудительного увеличения объема расширительной камеры за счет энергии, подводимой к расширительной камере, после завершения принудительного увеличения объема открывают доступ в расширительную камеру рабочего тела от потребителя, затем образованную в расширительной камере смесь удаляют к потребителю.

Данное техническое решение является осуществлением способа и ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем расширения диапазона понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства. В частности, в результате расширения диапазона температур рабочего тела обеспечивается как охлаждение рабочего тела до низкой температуры на выходе из соответствующего устройства, так и сохранение его высокой температуры, с которой рабочее тело поступает на вход соответствующего устройства.

Предложенное техническое решение позволяет упростить процесс охлаждения рабочего тела и повысить его КПД. Кроме того, данное техническое решение ориентировано на расширение диапазона и повышение точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства.

Дополнительными отличительными признаками способа являются следующие:

1. - увеличение объема рабочего тела осуществляют путем принудительного увеличения объема расширительной камеры за счет энергии двигателя.

Данное техническое решение направлено на повышение эффективности функционирования и снижение энергозатрат на охлаждение при использовании в составе технической системы, имеющей двигатель в качестве основного источника энергии.

2. - увеличение объема рабочего тела осуществляют путем принудительного увеличения объема очередной расширительной камеры за счет энергии источника рабочего тела, для чего повышают температуру и давление рабочего тела в источнике, предварительно впускают рабочее тело от источника в расширительную камеру, предшествующую очередной, запирают в ней впущенное рабочее тело, затем увеличивают объем запертого рабочего тела путем увеличения объема содержащей его расширительной камеры за счет использования его внутренней энергии, при этом впускают рабочее тело в очередную расширительную камеру, причем увеличение объема размещенного в ней рабочего тела осуществляют как за счет энергии, получаемой в предшествующей расширительной камере, так и кинетической энергии, запасенной движущимися частями расширительного устройства.

Данное техническое решение направлено на повышение эффективности функционирования и снижение энергозатрат на охлаждение за счет более полного использования энергии, подводимой к рабочему телу, что повышает КПД.

3. - при снижении давления рабочего тела в расширительной камере до заданного уровня перепада давления рабочего тела относительно источника часть рабочего тела от источника перепускают с дросселированием в расширительную камеру.

Данное техническое решение ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем расширения диапазона и повышения точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства. Предложенное техническое решение позволяет упростить процесс охлаждения рабочего тела и снизить энергозатраты.

4. - при достижении расширительной камерой заданного объема часть рабочего тела от источника перепускают с дросселированием в расширительную камеру.

Данное техническое решение ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем расширения диапазона и повышения точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства. Предложенное техническое решение позволяет упростить процесс охлаждения рабочего тела и снизить энергозатраты.

Для осуществления предложенного способа охлаждения газообразного рабочего тела предлагается устройство, которое, как и известное устройство (патент РФ № 2221154), содержит источник и потребитель рабочего тела, расширительное устройство, его корпус с полостью, рабочий орган, размещенный в полости, привод, состоящий из двигателя, связанного с рабочим органом общим элементом, расширительную камеру, образованную поверхностями полости рабочего органа, сообщенную впускным каналом с источником, а выпускным каналом - с потребителем рабочего тела, газораспределительное устройство, выполненное периодически перекрывающим впускной и выпускной каналы, обеспечивающее сообщение расширительной камеры с впускным каналом при ее увеличении от начального объема до объема впускной камеры, с выпускным каналом при достижении ей максимального объема, снабженное управляемыми запорными устройствами впускного и выпускного каналов, при этом впускная камера составляет часть расширительной камеры, которая при минимальном объеме расширительной камеры сообщена впускным каналом с источником рабочего тела, причем максимальный объем впускной камеры задан газораспределительным устройством.

Отличительные признаки предлагаемого устройства для осуществления способа охлаждения газообразного рабочего тела состоят в том, что управление запорными устройствами обеспечивается посредством их связи с рабочим органом и общим элементом, в соответствии с которой при увеличении объема расширительной камеры от ее начального объема до объема впускной камеры впускной канал открыт, а выпускной канал закрыт, при увеличении объема расширительной камеры от объема впускной камеры до своего максимального объема впускной и выпускной каналы закрыты, при уменьшении объема расширительной камеры от ее максимального объема до ее начального объема, выпускной канал открыт, а впускной канал закрыт.

Данное техническое решение является устройством, реализующим предложенный способ, и ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем расширения диапазона понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства, упрощения его конструкции и повышения КПД.

Помимо технических решений, указанных выше, также предлагаются следующие технические решения.

Дополнительными отличительными признаками устройства являются следующие:

1. - начальное значение объема расширительной камеры равно нулю;

Данное техническое решение увеличивает газообмен между полостями, что повышает равномерность распределения температуры газа по объему.

2. - начальное значение объема расширительной камеры равно объему впускной камеры.

Данное техническое решение уменьшает энергозатраты на проталкивание газа.

3. - источник рабочего тела совпадает с его потребителем, впускной канал совмещен с выпускным каналом, запорные устройства выполнены общими элементами для впускного и выпускного каналов.

Данное техническое решение направлено на упрощение конструкции устройства.

4. - расширительное устройство рабочего тела снабжено дополнительной расширительной камерой, газораспределительное устройство выполнено обеспечивающим поочередное сообщение каждой расширительной камеры с впускным каналом при ее увеличении от начального объема до объема впускной камеры, с выпускным каналом при ее уменьшении от максимального объема до начального объема.

Данное техническое решение направлено на повышение эффективности использования энергии, подводимой к рабочему телу.

5. - газораспределительное устройство снабжено перепускным каналом, выход которого сообщен с расширительной камерой, а его вход сообщен с источником рабочего тела, дроссельным устройством, установленным в перепускном канале, выход перепускного канала выполнен в стенке расширительной камеры за пределами впускной камеры.

Данное техническое решение ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем повышения точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства.

6. - газораспределительное устройство снабжено клапаном перепада давления, перекрывающим перепускной канал, оборудованным датчиками давления, причем вход одного датчика давления сообщен с расширительной камерой, вход другого датчика давления сообщен с источником рабочего тела.

Данное техническое решение направлено на адаптацию режима работы расширительного устройства рабочего тела к состоянию охлаждаемой среды, что облегчает поддержание требуемого значения се температуры.

7. - размещение выхода перепускного канала выполнено обеспечивающим его сообщение с расширительной камерой при заданном объеме расширительной камеры.

Данное техническое решение ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем упрощения и повышения точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства.

8. - перепускное устройство снабжено газовым коммутатором, выполненным соединяющим его входное отверстие с одним из его выходных отверстий, оборудованным ответвлениями перепускного канала, при этом входное отверстие газового коммутатора сообщено с перепускным каналом, каждое входное отверстие его ответвлений сообщено с соответствующим выходным отверстием газового коммутатора, а выходные отверстия его ответвлений сообщены с расширительной камерой.

Данное техническое решение ориентировано на улучшение функциональных характеристик тепловой машины путем упрощения и повышения точности понижения температуры рабочего тела, получаемой на выходе из устройства. Кроме того, указанное техническое решение обеспечивает поддержание требуемой температуры рабочего тела на выходе из расширительного устройства путем простой коммутации перепускного канала с соответствующим объемом расширительной камеры, что расширяет функциональные возможности устройства.

9. - привод расширительного устройства выполнен в виде преобразователя энергии, общий элемент выполнен в виде механического преобразователя энергии двигателя, например, толкателя, штока, ротора или вала с кривошипно-шатунного механизмом.

Данное техническое решение ориентировано на расширение функциональных характеристик тепловой машины.

10. - привод расширительного устройства выполнен в виде нагнетательного устройства для рабочего тела, снабженного двигателем, при этом вход нагнетательного устройства сообщен с источником рабочего тела, а выход сообщен с впускным каналом расширительного устройства.

Данное техническое решение ориентировано на расширение функциональных характеристик тепловой машины.

11. - нагнетательное устройство для рабочего тела выполнено в виде компрессора.

Данное техническое решение ориентировано на расширение функциональных характеристик тепловой машины.

12. - нагнетательное устройство для рабочего тела выполнено в виде центробежного уплотнителя, содержащего корпус с полостью, снабженной входным каналам, соединительным каналом, сообщающим полость уплотнителя с потребителем уплотненной газообразной среды, рабочей камерой, коллектором, образованным зазором между камерой и стенкой полости корпуса уплотнителя, сообщенным с соединительным каналом полости корпуса уплотнителя, при этом рабочая камера выполнена в виде полой оболочки, установлена на валу, размещена в полости корпуса с возможностью вращения относительно оси вала, снабжена входным каналом, выполненным в ее приосевой части, выходными отверстиями, выполненными в ее периферийной части, внутренними перегородками, образующими каналы, сообщенные с входным каналом и выходными отверстиями рабочей камеры, причем площадь поперечного сечения впускного канала рабочей камеры превышает суммарную площадь поперечного сечения выпускных отверстий.

Данное техническое решение ориентировано на снижение энергозатрат при охлаждении рабочего тела.

13. - нагнетательное устройство для рабочего тела снабжено пусковым устройством, при этом двигатель нагнетательного устройства выполнен в виде газовой турбины, установленной на одном валу с рабочей камерой центробежного уплотнителя, снабженной впускным каналом, сообщенным с выходом соединительного канала центробежного уплотнителя и выходным каналом пускового устройства.

Данное техническое решение ориентировано на снижение энергозатрат при охлаждении рабочего тела.

14. - расширительное устройство выполнено в виде роторной машины, полость ее корпуса выполнена в виде цилиндра, снабжена впускным устройством, имеющим впускной канал, а также выпускным устройством, имеющим выпускной канал, общий элемент привода выполнен в виде цилиндрического ротора, который размещен в полости корпуса с возможностью вращения относительно своей продольной оси, смещен в радиальном направлении до касания с поверхностью полости корпуса, снабжен пазами, выполненными по периферии ротора в его осевых плоскостях и расположенными по окружности, рабочий орган представляет собой заслонку, которая выполнена в виде прямоугольной пластины, подпружинена и установлена в пазу ротора, расширительная камера образована поверхностями полости, заслонки и ротора, запорное устройство впускного канала выполнено в виде золотникового устройства, образованного кромками углубления в роторе, которое сообщает расширительную камеру с впускным каналом, запорное устройство выпускного канала выполнено в виде золотникового устройства, образованного кромками заслонки, и окна в стенке полости, которое сообщает расширительную камеру с выпускным каналом, при этом впускная камера снабжена углублением, имеющим объем, равный начальному объему впускной камеры, выполненным на поверхности ротора примыкающим к его пазу, сообщаемым с впускным каналом посредством золотникового устройства, причем полость корпуса снабжена уплотнительным устройством, размещенным около линии се касания с ротором.

Данное техническое решение ориентировано на снижение энергозатрат при охлаждении рабочего тела.

15. - уплотнительное устройство полости корпуса выполнено в виде волнообразного выступа, расположенного на цилиндрической поверхности полости корпуса и направленного от линии ее касания с ротором в сторону вращения ротора, который отстоит от поверхности ротора на величину зазора.

Указанное техническое решение направлено на уменьшение потерь энергии в расширительной камере, что повышает КПД устройства.

16. - уплотнительное устройство полости корпуса выполнено в виде волнообразного выступа, расположенного на цилиндрической поверхности полости корпуса и направленного от линии ее касания с ротором в сторону, противоположную вращению ротора, который отстоит от поверхности ротора на величину зазора и снабжен окном, сообщенным со входом выпускного канала полости корпуса.

Указанное техническое решение направлено на уменьшение потерь энергии в расширительной камере, что повышает КПД устройства.

17. - расширительное устройство рабочего тела выполнено в виде поршневой машины, полость ее корпуса выполнена в виде цилиндра, снабжена впускным устройством, имеющим впускной канал, а также выпускным устройством, имеющим выпускной канал, общий элемент привода выполнен в виде вала с кривошипно-шатунным механизмом, размещенного в полости корпуса с возможностью вращения относительно своей продольной оси, рабочий орган представляет собой поршень, связанный с валом посредством его кривошипно-шатунного механизма, расширительная камера образована поверхностями полости и поршня, запорное устройство впускного канала выполнено в виде золотникового или клапанного устройства, которое сообщает расширительную камеру с впускным каналом, запорное устройство выпускного канала выполнено в виде золотникового или клапанного устройства, которое сообщает расширительную камеру с выпускным каналом, при этом впускная камера снабжена углублением, имеющим объем, равный начальному объему впускной камеры, выполненным на ее поверхности, сообщаемым с впускным каналом посредством его запорного устройства. Данное техническое решение направлено на снижение энергозатрат

18. - в качестве рабочего тела использован инертный газ, например, гелий или аргон;

Данное техническое решение направлено на снижение энергозатрат при обеспечении требуемого давления газовой среды, поступающей на вход системы охлаждения закрытого или замкнутого типа.

19. - в качестве рабочего тела использован двухатомный газ, например, водород или азот;

Данное техническое решение направлено на снижение энергозатрат для обеспечения требуемого давления газовой среды, поступающей на вход системы охлаждения закрытого или замкнутого типа.

20. - в качестве рабочего тела использован трехатомный газ, например углекислый газ;

Данное техническое решение направлено на повышение энергоотдачи при осуществлении рабочего процесса расширения рабочего тела в системе охлаждения закрытого или замкнутого типа.

Для достижения указанного технического результата предлагается система 1 охлаждения среды, которая, как и известная система открытого типа (см. Ю.М.Шустров, М.М.Булаевский. Авиационные системы кондиционирования воздуха, Москва, Машиностроение, 1978, с.38), содержит устройство охлаждения рабочего тела, термокамеру, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, сообщена каналом с окружающей средой.

Отличительные признаки предлагаемой системы 1 охлаждения среды состоят в том, что устройство охлаждения рабочего тела выполнено в виде ододного из устройств (по п.п.6-21 формулы), предложенных для осуществления способа охлаждения газообразного рабочего тела, у которого источником рабочего тела является окружающая среда, потребителем рабочего тела является термокамера.

Данное техническое решение является одним из вариантов выполнения открытого типа системы охлаждения газообразной среды, основанной на использовании предложенного способа и расширительного устройства, и ориентировано на упрощение конструкции системы, улучшение ее функциональных характеристик путем расширения диапазона охлаждения газообразной среды и снижения энергозатрат.

Для достижения указанного технического результата предлагается система 2 охлаждения среды, которая, как и известная система закрытого типа (см. Ю.М.Шустров, М.М.Булаевский. Авиационные системы кондиционирования воздуха, Москва, Машиностроение, 1978, с.38), содержит устройство охлаждения рабочего тела, термокамеру, которая содержит охлаждаемую газообразную среду.

Отличительные признаки предлагаемой системы 2 охлаждения среды состоят в том, что устройство терморегулирования рабочего тела выполнено в виде одного из устройств (по п.п.6-21 формулы), предложенных для осуществления способа охлаждения газообразного рабочего тела, у которого источником и потребителем рабочего тела является термокамера, которая снабжена обратным каналом, выход которого сообщен с входом нагнетательного устройства рабочего тела.

Данное техническое решение является одним из вариантов выполнения закрытого типа системы охлаждения газообразной среды, основанной на использовании предложенного способа и расширительного устройства, и ориентировано на упрощение конструкции системы, улучшение се функциональных характеристик путем расширения диапазона охлаждения газообразной среды и снижения энергозатрат.

Для достижения указанного технического результата предлагается система 3 охлаждения среды, которая, как и известная система замкнутого типа (см. Н.Д.Кочетков. Холодильная техника, Москва, Машиностроение, 1966, с.27), содержит устройство охлаждения рабочего тела, теплообменное устройство, которое размещено в термокамере, содержащей охлаждаемую газообразную или жидкую среду.

Отличительные признаки предлагаемой системы 3 охлаждения среды состоят в том, что устройство охлаждения рабочего тела выполнено в виде одного из устройств (по п.п.6-21 формулы), предложенных для осуществления способа охлаждения газообразного рабочего тела, у которого источником и потребителем рабочего тела является теплообменное устройство, снабжено обратным каналом, выход которого сообщен с входом нагнетательного устройства, а вход сообщен с выходом выпускного канала расширительного устройства рабочего тела.

Данное техническое решение является одним из вариантов выполнения замкнутого типа системы охлаждения газообразной среды, основанной на использовании предложенного способа и расширительного устройства, и ориентировано на упрощение конструкции системы, улучшение ее функциональных характеристик путем расширения диапазона охлаждения газообразной среды и снижения энергозатрат.

Указанные технические решения направлены на повышение эффективности функционирования устройств, предназначенных для осуществления предложенных способов, а также повышение КПД и упрощение систем охлаждения среды.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - схематическое изображение рабочего цикла в PV диаграмме, осуществляемой в одной расширительной камере;

на фиг.2 - схематическое изображение рабочего цикла в TS диаграмме, осуществляемой в одной расширительной камере;

на фиг.3 - схематическое изображение смещенных PV диаграмм последовательных рабочих циклов, осуществляемых в смежных расширительных камерах в зависимости от угла поворота ротора;

на фиг.4 показан поперечный разрез однокамерного поршневого расширительного устройства с раздельными устройствами впуска и выпуска рабочего тела;

на фиг.5 показан поперечный разрез однокамерного поршневого расширительного устройства с совмещенными устройствами впуска и выпуска рабочего тела;

на фиг.6 показан поперечный разрез однокамерного роторного расширительного устройства с двигателем и раздельными устройствами впуска и выпуска рабочего тела;

на фиг.7 показан поперечный разрез двухкамерного роторного расширительного устройства с нагнетателем и регулированием перепуска рабочего тела по избыточному давлению;

на фиг.8 - схематическое изображение расширительной камеры расширительного устройства роторного типа, снабженного волнообразными выступами;

на фиг.9 показан поперечный разрез двухкамерного роторного расширительного устройства с нагнетателем и регулированием перепуска рабочего тела по объему расширительной камеры;

на фиг.10 показан поперечный разрез двухкамерного поршневого расширительного устройства с нагнетателем и регулированием перепуска рабочего тела по избыточному давлению;

на фиг.11 показан поперечный разрез двухкамерного поршневого расширительного устройства с нагнетателем и регулированием перепуска рабочего тела по объему расширительной камеры;

на фиг.12 показан поперечный разрез однокамерного роторного расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по избыточному давлению;

на фиг.13 показан поперечный разрез однокамерного поршневого расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по избыточному давлению;

на фиг.14 показан поперечный разрез однокамерного роторного расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по объему расширительной камеры;

на фиг.15 показан поперечный разрез однокамерного поршневого расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по объему расширительной камеры;

на фиг.16 показан поперечный разрез двухкамерного роторного расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по избыточному давлению;

на фиг.17 показан поперечный разрез двухкамерного роторного расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по объему расширительной камеры;

на фиг.18 показан поперечный разрез двухкамерного поршневого расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по избыточному давлению;

на фиг.19 показан поперечный разрез двухкамерного поршневого расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по объему расширительной камеры;

на фиг.20 показан поперечный разрез центробежного уплотнителя (1) с двигателем;

на фиг.21 показано сечение Б-Б на фиг.20;

на фиг.22 показано сечение В-В на фиг.20;

на фиг.23 показан поперечный разрез центробежного уплотнителя (2) с двигателем;

на фиг.24 показано сечение Г-Г на фиг.23;

на фиг.25 показано сечение Д-Д на фиг.23;

на фиг.26 поперечный разрез центробежного уплотнителя с двигателем и пневмоприводом рабочей камеры;

на фиг.27 показано сечение А-А на фиг.26;

на фиг.28 показано поперечный разрез турбоцентробежного уплотнителя;

на фиг.29 показано пусковое устройство центробежного турбоуплотнителя;

на фиг.30 - схематическое изображение системы кондиционирования открытого типа с приводом в виде двигателя;

на фиг.31 - схематическое изображение системы кондиционирования открытого типа с нагнетателем в виде компрессора с двигателем;

на фиг.32 - схематическое изображение системы кондиционирования открытого типа с типа с нагнетателем в виде центробежного уплотнителя с двигателем;

на фиг.33 - схематическое изображение системы кондиционирования открытого типа с типа с нагнетателем в виде центробежного турбоуплотнителя;

на фиг.34 - схематическое изображение системы кондиционирования закрытого типа с приводом в виде двигателя;

на фиг.35 - схематическое изображение системы кондиционирования закрытого типа с нагнетателем в виде компрессора с двигателем;

на фиг.36 - схематическое изображение системы кондиционирования закрытого типа с типа с нагнетателем в виде центробежного уплотнителя с двигателем;

на фиг.37 - схематическое изображение системы кондиционирования закрытого типа с типа с нагнетателем в виде центробежного турбоуплотнителя;

на фиг.38 - схематическое изображение системы кондиционирования замкнутого типа с приводом в виде двигателя;

на фиг.39 - схематическое изображение системы кондиционирования замкнутого типа с нагнетателем в виде компрессора с двигателем;

на фиг.40 - схематическое изображение системы кондиционирования замкнутого типа с нагнетателем в виде центробежного уплотнителя с двигателем;

на фиг.41 - схематическое изображение системы кондиционирования замкнутого типа с нагнетателем в виде центробежного турбо-уплотнителя;

При осуществлении предложенного способа по п.1 охлаждения газообразного рабочего тела с помощью устройства, показанного на фиг.4, выполняются следующие действия.

Будем считать, что начало рабочего цикла совпадает с исходным состоянием рабочего органа 4 (поршня), при котором он находится в крайнем левом положении, и начальный объем расширительной камеры, расположенной слева от него, равен 0. При этом впускной канал 9 открыт запорным устройством 7, выпускной канал 10 открыт запорным устройством 8. Давление и температура газа в полостях 1, 2 и камере 6 одинаковые с давлением и температурой окружающей газовой среды, которая может беспрепятственно проникать в полость 3 и также свободно покидать ее.

При совершении рабочего цикла устройство работает следующим образом.

Шток 5 в качестве двигателя перемещает поршень 4 вправо, при этом объем расширительной камеры 6 увеличивается. Под действием связи 11, которая может быть механической, электрической и т.п., запорное устройство 7 открывает впускной канал 9 и рабочее тело впускают в расширительную камеру 6. При достижении расширительной камерой 6 объема впускной камеры 12 запорное устройство 7 перекрывает впускной канал 9, поступление рабочего тела в расширительную камеру 6 прекращается. Поступившее рабочее тело запирают в расширительной камере 6.

Дальнейшее перемещение поршня 4 ведет к принудительному расширению рабочего тела в расширительной камере 6, которое сопровождается понижением его температуры и давления (предполагается, что камера термоизолирована либо процесс расширения происходит достаточно быстро и поэтому не является изотермным). Для указанного перемещения привод совершает работу против силы, вызванной перепадом давления на поршне со стороны внешней среды, находящейся в полости 3, и со стороны рабочего тела с пониженным давлением, находящимся в расширительной камере 6. Тем самым при вынужденном расширении рабочего тела от него отводится энергия в форме работы.

При достижении поршнем 4 крайнего правого положения, соответствующего максимальному объему расширительной камеры, с помощью связи 11 запорное устройство 8 открывает выпускной канал 10 и сообщает расширительную камеру 6 с полостью 2. Тем самым для находящегося в полости 2 (потребителя) охлаждаемого рабочего тела открывают доступ в расширительную камеру 6.

Поскольку после расширения давление рабочего тела в камере 6 ниже его давления в полости 2 часть газа из полости 2 поступает в камеру 6 и смешивается там с охлажденным рабочим телом. При этом давление в камере 6 и полости 2 выравниваются, а температура смеси становится ниже температуры газа в полости 2, но выше его температуры в камере 6, т.е. смесь охлаждается. Кроме того, за счет поступления части газа из полости 2 в камеру 6 он расширяется, и его температура также снижается.

Далее поршень 4 перемещается влево и полностью выталкивает (удаляет) смесь в полость 2, в которой она еще раз смешивается с находящимся там газом, образуя новую смесь. Ее температура ниже исходной температуры рабочего тела за счет уменьшения его внутренней энергии в результате расширения в камере 6 с отводом энергии в форме работы и расширения в полости 2.

Таким образом, осуществляется охлаждение газа, находящегося в полости 2, которое сопровождается перекачиванием части газа из полости 1 (источник рабочего тела) в полость 2 (потребитель рабочего тела).

При уменьшении расширительной камеры 6 до нуля запорное устройство 8 закрывает выпускной канал 10, рабочий цикл заканчивается. Все элементы находятся в исходном состоянии. Устройство готово к совершению нового рабочего цикла.

Указанное выше перекачивание имеет значение для систем кондиционирования, где наряду с охлаждением воздуха в некоторых случаях требуется обновление его химического состава.

При осуществлении предложенного способа по п.1 охлаждения газообразного рабочего тела с помощью устройства, показанного на фиг.5, выполняют по существу те же самые действия, что и с помощью устройства, показанного на фиг.4. При этом учитываются его конструктивные отличия, состоящие в совмещении друг с другом емкостей 1 и 2, запорных устройств 7 и 8, каналов 9 и 10. Другими словами источник рабочего тела совпадает с его потребителем, впускной канал совмещен с выпускным каналом, запорные устройства выполнены как общие элементы для впускного и выпускного каналов.

Особенность осуществления способа с помощью устройства, показанного на фиг.5, состоит в том, что смесь выталкивается из расширительной камеры 6 в полость 2 не полностью. Оставшийся во впускной камере 12 объем рабочего тела используется в качестве исходного для следующего рабочего цикла расширения, т.е. начальное значение объема расширительной камеры равно объему впускной камеры.

Указанная особенность использования ненулевого начального объема расширительной камеры 6 имеется в расширительных машинах поршневого типа с совмещенными полостями источника и потребителя рабочего тела, обусловлена возвратно-поступательным движением поршня и позволяет уменьшить потери энергии на проталкивание рабочего тела.

Другая особенность рассматриваемого (фиг.5) осуществления способа состоит в том, что охлаждение газа происходит в месте его первоначального размещения, т.е. не сопровождается его перемещением в другую полость, т.к. эти полости совмещены друг с другом. Учитывая, что в предложенном способе отсутствует операция отвода теплоты от рабочего тела и поэтому не требуется теплообменное устройство, охлаждающее устройство типа того, что показано на фиг.5, является очень компактным и может быть легко размещено непосредственно в термокамере бытового холодильника или другой холодильной установки.

Приведенные выше примеры реализации предложенного способа показывают возможность его осуществления без использования естественного увеличения запертого объема рабочего тела за счет его внутренней энергии.

Еще более компактным и простым может быть реализация предложенного способа по п.2 охлаждения газообразного рабочего тела с помощью устройства, показанного на фиг.6, в котором выполняются по сути те же самые действия, что и с помощью устройств, показанных на фиг.4, 5. При этом учитываются его конструктивные отличия, состоящие в выполнении совмещенных друг с другом емкостей 1 и 2, выполнении раздельных запорных устройств 7 и 8, каналов 9 и 10, а также вращательное движение рабочего органа 4 (заслонки 4, подпружиненной в радиальном направлении), осуществляемое двигателем 5.

Запорное устройство 7, отделяющее расширительную камеру 6 от впускного канала 9, образовано заслонкой 4 с одной стороны камеры и поверхностью ротора 13 и двухстороннего волнообразного уплотнительного выступа 14, выполненного на стенке полости 3, с другой стороны камеры.

Запорное устройство 8, отделяющее расширительную камеру 6 от выпускного канала 10, образовано заслонкой 4 с одной стороны камеры и поверхностями ротора 13 и двухстороннего волнообразного уплотнительного выступа 14 с другой стороны камеры.

Впускной канал 9 соединяет емкость 1 с расширительной камерой 6 при определенной степени увеличения ее объема по отношению к объему впускной камеры 12 и обеспечивает тем самым циркуляцию рабочего тела между емкостью 1 и расширительной камерой 6.

Указанные особенности обуславливают режим работы запорных устройств 7, 8, несколько отличающийся от рассмотренного ранее режима работы запорных устройств 7, 8 расширительного устройства, показанного на фиг.5.

При совершении рабочего цикла устройство работает следующим образом.

В исходном положении заслонка 4 на фиг.6 направлена вертикально вверх. В таком ее положении расширительная камера 6 совпадает с впускной камерой 12. При этом впускной канал 9 закрыт заслонкой 4, выпускной канал 10 закрыт выступом 14. Давление и температура газа в полости 1, в полости 3, камерах 6 и 12 имеют одинаковые значения, т.е. рабочее тело равномерно заполняет внутренний объем устройства, который не сообщен с окружающей средой.

При повороте ротора 13 вместе с заслонкой 4 впускная камера 12, закрытая до этого выступом 14, сообщается с расширительной камерой 6. При дальнейшем повороте ротора 13 объем расширительной камеры 6 увеличивается. Рабочее тело, находящееся в камере 6, принудительно расширяют, что приводит к уменьшению его температуры и давления, т.е. газ охлаждается. Для указанного перемещения ротора 13 двигатель 5 совершает работу против силы, вызванной перепадом давления на заслонке 4 со стороны газа, находящегося в полости 3, сообщенной с емкостью 1, и со стороны рабочего тела с пониженным давлением, находящимся в расширительной камере 6. Тем самым при вынужденном расширении рабочего тела от него отводится энергия в форме работы.

При дальнейшем повороте ротора 13 заслонка 4 сообщает впускной канал 9 с расширительной камерой 6. При этом из-за разности давлений из емкости 1 рабочее тело по впускному каналу 9 поступает в расширительную камеру 6, пополняя тем самым расположенный там запас рабочего тела. При этом впускной канал 9 также выполняет функцию нерегулируемого дроссельного устройства. Сечение впускного канала 9 и место расположения его выхода в стенке полости 3 подобраны обеспечивающими стабилизацию давления в расширительной камере 6 при определенной угловой скорости вращения ротора 13. С началом перепуска в расширительную камеру 6 давление и температура рабочего тела в ней стабилизируются на значениях, которые меньше исходных значений этих параметров.

При дальнейшем повороте ротора 13 заслонка 4 сообщает расширительную камеру 6 с выпускным каналом 10, открывая тем самым доступ охлаждаемому рабочему телу в емкость 1. Поскольку после расширения давление рабочего тела в камере 6 ниже его давления в емкости 1, часть газа из емкости 1 поступает в камеру 6 и смешивается там с охлажденным рабочим телом. При этом давление в камере 6 и емкости 1 выравниваются, а температура смеси становится ниже температуры газа в емкости 1, но выше его температуры в камере 6, т.е. смесь охлаждается. Кроме того, за счет поступления части газа из емкости 1 в камеру 6 он расширяется, и его температура также снижается.

При последующем повороте ротора 13 смесь, находящаяся в полости 3, выталкивается заслонкой 4 через открытый выпускной канал 10 в емкость 1, в которой она еще раз смешивается с находящимся там газом, образуя новую смесь. Ее температура ниже исходной температуры рабочего тела за счет уменьшения его внутренней энергии в результате расширения в камере 6 с отводом энергии в форме работы и расширения в емкости 1. Таким образом, осуществляется охлаждение газа, находящегося в емкости 1.

Указанное охлаждение сопровождается перекачиванием части газа из емкости 1 (источник рабочего тела) через расширительную камеру 6 обратно в емкость 1 (потребитель рабочего тела), что обеспечивает его циркуляцию и выравнивание температуры по объему емкости 1.

При уменьшении расширительной камеры 6 до объема впускной камеры 12 (вертикальное положение заслонки 4) запорное устройство 8 разобщает камеру 12 и выпускной канал 10, рабочий цикл заканчивается. Все элементы находятся в исходном состоянии. При этом во впускной камере 12 находится часть охлажденной смеси из емкости 1. Устройство готово к совершению нового рабочего цикла.

Таким образом, в предложенном способе дополнительное увеличение объема рабочего тела может быть осуществлено путем принудительного увеличения объема расширительной камеры за счет энергии двигателя.

Поскольку в предложенном способе отсутствует операция отвода теплоты от рабочего тела в охлаждающем устройстве, выполненном на его основе, не требуется теплообменное устройство, что упрощает его конструкцию и повышает КПД.

При осуществлении предложенного способа по п.3 с помощью устройства с двумя расширительными камерами, показанного на фиг.7, выполняются следующие действия.

Поочередно впускают рабочее тело от нагнетательного устройства 16 (источника с избыточным давлением) через впускное устройство 17 (впускной канал) в одну из смежных расширительных камер I, II. Для определенности в дальнейшем будем рассматривать увеличение объема одной расширительной камеры, например, I.

Впуск рабочего тела осуществляют во впускную камеру 24 - часть расширительной камеры, образуемой углублением, примыкающим к заслонке 18. В исходном состоянии каждая расширительная камера имеет объем, равный объему впускной камеры 24. Объем расширительной камеры увеличивается в результате поворота ротора 21. Начало и окончание впуска определяется золотником 19 газораспределительного устройства, который перекрывает впускной канал 18.

После завершения впуска рабочее тело расширяют в расширительной камере I с понижением его температуры и давления. При этом рабочее тело за счет своей внутренней энергии совершает механическую работу, которая передается путем давления на заслонку 22, образующую подвижную стенку расширительной камеры I, вращающемуся ротору 21.

Начало расширения рабочего тела совпадает с началом его впуска в расширительную камеру.

Расширение ведут до получения заданного перепада давления рабочего тела по отношению к давлению в выпускном устройстве 20 за пределами расширительной камеры I. После расширения осуществляют разрежение (принудительное расширение) рабочего тела путем принудительного увеличения объема расширительной камеры I в результате поворота ротора 21 с заслонкой 22 за счет механической энергии, получаемой в результате естественного расширения рабочего тела в последующей смежной расширительной камере (камере II), и/или кинетической энергии, запасенной вращающимся ротором 21 при расширении рабочего тела в предыдущей смежной расширительной камере, завершенном до начала разрежения рабочего тела в камере I.

При снижении давления рабочего тела в расширительной камере I до заданного перепада по отношению к давлению в выпускном устройстве 20 за пределами расширительной камеры I, часть рабочего тела, уже находящегося за пределами расширительной камеры I (в выпускном устройстве 20), непрерывно перепускают в расширительную камеру I. Перепускаемую часть рабочего тела дросселируют в дроссельном устройстве 39. Перепуск с дросселированием продолжают до начала выпуска рабочего тела из расширительной камеры I через выпускное устройство 20 и прекращают при осуществлении выпуска рабочего тела из расширительной камеры через выпускное устройство.

При достижении расширительной камерой I максимального объема рабочее тело выпускают из нее через выпускное устройство 20.

Аналогичную последовательность действий осуществляют по отношению к рабочему телу в расширительной камере II.

Поясним рассмотренный способ с позиции энергетического обеспечения процессов рабочего цикла, протекающих при его реализации, на примере идеального газа, используемого в качестве рабочего тела.

В начальной точке рабочего цикла, показанного на фиг.1, соответствующей высокому давлению Р₀ и температуре Т_н, рабочее тело через открытый золотник 19 по впускному каналу 18 подают во впускную камеру 24, а затем в остальной объем расширительной камеры. После закрытия золотника 19 рабочее тело, находящееся во впускной камере с объемом V_вк (см. фиг.1), начинают расширять с понижением температуры и давления. Процесс расширения заканчивается при достижении рабочим телом объема V_р, при котором давление рабочего тела сравнивается с давлением газа в выпускном канале 20 (совпадает с обозначенным на фиг.1 давлением Р_тк в термокамере для системы кондиционирования открытого типа).

При указанном впуске и расширении рабочее тело совершает положительную механическую работу (обозначена знаком «+» на диаграмме фиг.1), которая накапливается в виде кинетической энергии вращающегося ротора 21 и, как будет показано далее, одновременно используется для разрежения рабочего тела в предыдущей смежной расширительной камере.

Начиная с объема V_р и до достижения объема V_рк рабочее тело разреживают (принудительно расширяют) с понижением его температуры и давления. Для этого над рабочим телом» совершают отрицательную механическую работу (обозначена знаком «-» на диаграмме фиг.1). Энергию, расходуемую для разрежения рабочего тела, получают в виде положительной механической работы за счет расширения рабочего тела в последующей смежной расширительной камере (см. фиг.3), а также за счет кинетической энергии вращающегося ротора 21.

В результате указанного увеличения объема рабочего тела от 0 до V_рк его температура понизится от начального значения Т_н на входе в расширительную камеру I до конечного значения Т_к на входе в выпускной канал 20. В указанном процессе увеличение объема рабочего тела рассматривалось без перепуска рабочего тела.

Однако если на выходе из расширительной камеры необходимо получить температуру рабочего тела, превышающую его температуру, получаемую при естественном процессе, то для этого перепускают часть рабочего тела из объема вне расширительной камеры I через перепускной канал 27 (36) (см. фиг.7, 9) в расширительную камеру I.

В соответствии с предлагаемым способом по п.3 использование перепускного канала 27 (см. фиг.7) обеспечивает изменение температуры рабочего тела по перепаду давления ΔР. При достижении заданного перепада давления ΔР рабочего тела по отношению к давлению в выпускном устройстве 20 за пределами расширительной камеры I, измеряемого в каналах 29, 30, срабатывает клапан 28 перепада давления и сообщает перепускной канал 27 с расширительной камерой I. По перепускному каналу 27 перепускаемое рабочее тело через дроссельное устройство 39 поступает в расширительную камеру I, где смешивается с уже имеющимся там рабочим телом.

При перепуске в расширительную камеру I подают дополнительное количество рабочего тела, имеющего определенное давление и температуру. (При этом, естественно, предполагается, что давление перепускаемого рабочего тела не ниже текущего давления в расширительной камере). В результате смешивания поступающего в расширительную камеру дополнительного и уже находящегося там рабочего тела происходит (за счет переноса массы и тепла) стабилизация температуры смеси и увеличение ее объема вплоть до значения V_рк осуществляется при некотором значении температуры, превышающем конечную температуру Т_н естественного процесса расширения. Масса, температура и давление перепускаемой части рабочего тела изменяются степенью ее дросселирования в дроссельном устройстве 39. Изменение указанной степени дросселирования приводит к изменению температуры рабочего тела на выходе 20 из расширительной камеры.

Температура T₁ при перепуске рабочего тела в рабочем цикле, представленном на фиг.1, превышает температуру Т_тк окружающей среды (температуру термокамеры), поэтому рабочее тело постоянно расширяется с получением положительной механической работы. Рабочий цикл с указанной точкой перепуска (P₁, V₁) может быть использован для обогрева окружающей среды.

Температура Т₂ при перепуске рабочего тела в рабочем цикле, представленном на фиг.1, ниже температуры Т_тк окружающей среды (температуры термокамеры). Поэтому рабочее тело до достижения объема V_р расширяется с получением положительной механической работы. В диапазоне объемов V_p, V_рк рабочее тело принудительно расширяется (разреживается) за счет потребления механической работы. Рабочий цикл с указанной точкой перепуска (P₂, V₂) может быть использован для охлаждения окружающей среды.

Особенность осуществления предлагаемого способа состоит в том, что в результате наложения процессов получения (знак «+») и потребления (знак «-») механической работы (см. фиг.3) для процессов, протекающих в смежных расширительных камерах I и II, которые расположены на одном роторе 21, энергия, потребляемая в одной камере, компенсируется за счет энергии, одновременно получаемой в другой, и наоборот. В результате такого обмена энергией между камерами значительно снижаются ее потери, что повышает КПД.

Таким образом, дополнительное увеличение объема рабочего тела осуществляют путем принудительного увеличения объема очередной расширительной камеры за счет энергии источника рабочего тела.

Устройство для осуществления предложенного способа по п.п.3, 4 охлаждения газообразного рабочего тела (фиг.7) выполнено в виде нагнетательного устройства 15, сообщенного с роторной машиной, содержащей рабочий орган, корпус 16, снабженный направляющей полостью 17 с впускным устройством, имеющим впускной канал 18, периодически перекрываемый золотниковым устройством 19, и сообщенным с источником рабочего тела с избыточным давлением 15, а также выпускным устройством, имеющим выпускной канал 20. При этом направляющая полость 17 выполнена в виде цилиндра, рабочий орган выполнен в виде ротора 21 с заслонками 22. Ротор 21 выполнен в виде цилиндрического тела, размещен в полости 17 корпуса 16 с возможностью вращения относительно своей продольной оси и смещен в радиальном направлении до касания с поверхностью полости 17 корпуса 16. Ротор 21 снабжен пазами 23, выполненными по периферии ротора в его осевых плоскостях и расположенными равномерно по окружности, впускными камерами, выполненными в виде углублений 24 на поверхности ротора, примыкающих к его пазам 23, сообщаемых с впускным каналом 18 посредством золотникового устройства 19. Заслонки 22 выполнены в виде прямоугольных пластин, подпружиненных 25 и установленных в пазах 23 ротора. При этом поверхности корпуса 16, ротора 21 и заслонок 23 образуют смежные расширительные камеры I, II, поочередно сообщаемые с впускным 18 и выпускным 20 каналами. Направляющая полость 17 корпуса 16 снабжена уплотнительным устройством 26, размещенным около линии ее касания с ротором 21, перепускным устройством, имеющим перепускной канал 27, перекрываемый клапаном 28 перепада давления, оборудованным датчиками давления. При этом вход одного датчика 29 давления сообщен с расширительной камерой I или II, вход другого датчика 30 давления сообщен с выпускным каналом 20. Канал 27 снабжен регулируемым дроссельным устройством 38. Выход перепускного канала 27 выполнен в стенке направляющей полости 17 корпуса 16 между двумя положениями заслонки 22, в первом из которых ограниченная поверхностью заслонки 22 со стороны впускного канала 18 часть расширительной камеры I равна заданному объему впускной камеры, а во втором - имеет максимальный объем.

По сравнению с устройством, показанным на фиг.6, расширительное устройство рабочего тела, показанное на фиг.7, снабжено дополнительной расширительной камерой, газораспределительное устройство выполнено обеспечивающим поочередное сообщение каждой расширительной камеры с впускным каналом при ее увеличении от начального объема до объема впускной камеры, с выпускным каналом при ее уменьшении от максимального объема до начального объема. Кроме того, его газораспределительное устройство снабжено перепускным каналом, выход которого сообщен с расширительной камерой, а его вход сообщен с источником рабочего тела, дроссельным устройством, установленным в перепускном канале, выход перепускного канала выполнен в стенке расширительной камеры за пределами впускной камеры.

Уплотнительное устройство (фиг.8) выполнено в виде волнообразного выступа 31, расположенного на цилиндрической поверхности направляющей полости 17 корпуса 16 и направленного от линии се касания с ротором 21 в сторону вращения ротора, который отстоит от поверхности ротора на величину зазора 32.

Уплотнительное устройство (фиг.8) выполнено в виде волнообразного выступа 33, расположенного на цилиндрической поверхности направляющей полости 17 корпуса 16 и направленного от линии ее касания с ротором 21 в сторону, противоположную вращению ротора, который отстоит от поверхности ротора на величину зазора 34 и снабжен окном 35 для выпуска рабочего тела в выпускной канал 20.

Для улучшения уплотнения выступы 31 и 33 могут быть использованы совместно.

Устройство (фиг.7, 8) для осуществления способа п.п.3, 4 охлаждения газообразного рабочего тела работает следующим образом.

Предположим в качестве примера, что клапан 28, работающий по сигналам датчиков давления в каналах 29 и 30, настроен на перепад давления +ΔР, соответствующий на фиг.1 объему V₁.

От нагнетательного устройства 15 по впускному каналу 18 рабочее тело под давлением через углубление 24 начинает поступать во впускную камеру. Под действием избыточного давления на заслонку 22 ротор 21 поворачивается вокруг своей продольной оси. Объем соответствующей расширительной камеры увеличивается. При достижении расширительной камерой объема V_вк (фиг.1) золотник 19 перекрывает доступ из впускного канала 18 во впускную камеру. Рабочее тело, находящееся под давлением во впускной камере, начинает расширяться в объеме расширительной камеры с получением положительной механической работы, за счет которой поворачивается ротор 21 с заслонками 22. При достижении в каналах 29 и 30 перепада давления +ΔР клапан 28 открывает перепускной канал 27 и перепускаемое рабочее тело через дроссельное устройство 38 непрерывно поступает в расширительную камеру, смешиваясь с уже имеющимся там рабочее тело. Параметры регулируемого дроссельного устройства 38 подобраны таким образом, что обеспечивают требуемый расход и другие параметры перепускаемого рабочего тела для поддержания заданной температуры смеси рабочего тела за счет его внутренней энергии.

При достижении объема V_рк расширительная камера сообщается с выпускным каналом 20 и находящееся в ней рабочее тело вытесняется наружу. Несмотря на то, что давление рабочего тела в расширительной камере при ее увеличении до максимального объема V_рк может стать меньше давления в выпускном канале 20, это не препятствует вытеснению рабочего тела, поскольку объем расширительной камеры уменьшается до нуля и в ней не может оставаться рабочее тело.

При осуществлении предложенного способа по п.5 с помощью устройства, показанного на фиг.9, выполняются следующие действия.

Поочередно впускают рабочее тело от нагнетательного устройства 15 (источника с избыточным давлением) через впускное устройство 18 (впускной канал) в одну из смежных расширительных камер I, II. Для определенности в дальнейшем будем рассматривать увеличение объема одной расширительной камеры, например, I.

Впуск рабочего тела осуществляют во впускную камеру - часть расширительной камеры, образуемую заслонкой 22 и углублением 24 в исходном состоянии каждой расширительной камеры при увеличении ее объема от нулевого значения в результате поворота ротора 21. Начало и окончание впуска определяется золотником 19 газораспределительного устройства, который перекрывает впускной канал 18.

После завершения впуска рабочее тело расширяют в расширительной камере I с понижением его температуры и давления. При этом рабочее тело за счет своей внутренней энергии совершает механическую работу, которая передается путем давления на заслонку 22, образующую подвижную стенку расширительной камеры I, вращающемуся ротору 21.

Начало расширения рабочего тела совпадает с началом его впуска в расширительную камеру.

Расширение ведут до получения заданного перепада давления рабочего тела по отношению к давлению в выпускном устройстве 20 за пределами расширительной камеры I. После расширения осуществляют разрежение рабочего тела путем принудительного увеличения объема расширительной камеры I в результате поворота ротора 21 с заслонкой 22 за счет механической энергии, получаемой в результате расширения рабочего тела в последующей смежной расширительной камере (камере II), и/или кинетической энергии, запасенной вращающимся ротором 21 при расширении рабочего тела в предыдущей смежной расширительной камере, завершенном до начала разрежения рабочего тела.

При достижении расширительной камерой I заданного объема часть рабочего тела, уже находящегося за пределами расширительной камеры I (в выпускном устройстве 20), непрерывно перепускают в расширительную камеру I. Перепускаемую часть рабочего тела дросселируют в дроссельном устройстве 38. Перепуск с дросселированием продолжают до начала выпуска рабочего тела из расширительной камеры I через выпускное устройство 20 и прекращают при осуществлении выпуска рабочего тела из расширительной камеры через выпускное устройство.

При достижении расширительной камерой I максимального объема рабочее тело выпускают из нее через выпускное устройство 20.

Аналогичную последовательность действий осуществляют по отношению к рабочему телу в расширительной камере II.

Предложенный способ по п.5 по своему энергетическому обеспечению подобен способу 1, рассмотренному ранее.

Поясним рассмотренный способ по п.5 с позиции энергетического обеспечения процессов рабочего цикла, протекающих при его реализации, на примере идеального газа, используемого в качестве рабочего тела.

В начальной точке рабочего цикла, соответствующей высокому давлению Р₀ и температуре Т_н, рабочее тело через открытый золотник 19 по впускному каналу 18 подают во впускное углубление 24, а затем в остальной объем впускной камеры. После закрытия золотника 19 рабочее тело, находящееся во впускной камере с объемом V_вк (см. фиг.1), начинают расширять с понижением температуры и давления. Процесс расширения заканчивается при достижении рабочим телом объема V_p, при котором давление рабочего тела сравнивается с давлением газа в выпускном канале 20 (совпадает с обозначенным на фиг.1 давлением Р_тк в термокамере для системы кондиционирования открытого типа).

При указанном впуске и расширении рабочее тело совершает положительную механическую работу (обозначена знаком «+» на диаграмме фиг.1), которая накапливается в виде кинетической энергии вращающегося ротора 21 и, как будет показано далее, одновременно используется для разрежения рабочего тела в предыдущей смежной расширительной камере.

Начиная с объема V_p и до достижения объема V_рк рабочее тело разреживают (принудительно расширяют) с понижением его температуры и давления. Для этого над рабочим телом совершают отрицательную механическую работу (обозначена знаком «-» на диаграмме фиг.1). Энергию, расходуемую для разрежения рабочего тела, получают в виде положительной механической работы за счет расширения рабочего тела в последующей смежной расширительной камере (см. фиг.2), а также за счет кинетической энергии вращающегося ротора 21.

В результате указанного увеличения объема рабочего тела от 0 до V_рк его температура понизится от начального значения Т_н на входе в расширительную камеру I до конечного значения Т_к на входе в выпускной канал 20. В указанном процессе увеличение объема рабочего тела рассматривалось без перепуска рабочего тела.

Если на выходе из расширительной камеры необходимо получить температуру рабочего тела, превышающую его температуру, получаемую при естественном процессе, то для этого перепускают часть рабочего тела из объема вне расширительной камеры I через перепускной канал 27 и один из каналов 36 (см. фиг.9) в расширительную камеру I.

В соответствии с предлагаемым способом по п.5 использование перепускного канала 27 (см. фиг.9) обеспечивает охлаждение температуры рабочего тела в соответствии с объемом расширительной камеры. Для этого перепускное устройство снабжено газовым коммутатором 37, выполненным соединяющим его входное отверстие с одним из его выходных отверстий, оборудованным ответвлениями перепускного канала 36, при этом входное отверстие газового коммутатора 37 сообщено с перепускным каналом 27, каждое входное отверстие его ответвлений 36 сообщено с соответствующим выходным отверстием газового коммутатора 37, а выходные отверстия его ответвлений сообщены с внутренней полостью корпуса 16 (расширительной камерой).

При достижении заданного объема расширительной камеры I соответствующий канал 36 газового коммутатора 37 (например, определяющий объем V₁) сообщает перепускной канал 27 с расширительной камерой I. По перепускному каналу 27 перепускаемое рабочее тело через дроссельное устройство 38 поступает в расширительную камеру I, где смешивается с уже имеющимся там рабочим телом.

При перепуске в расширительную камеру I подают дополнительное количество рабочего тела, имеющего определенное давление и температуру. (При этом, естественно, предполагается, что давление перепускаемого рабочего тела не ниже текущего давления в расширительной камере). В результате смешивания поступающего в расширительную камеру дополнительного и уже находящегося там рабочего тела происходит (за счет переноса массы и тепла) стабилизация температуры смеси и увеличение ее объема вплоть до значения V_рк осуществляется при некотором значении температуры, превышающим конечную температуру Т_н естественного процесса расширения. Масса, температура и давление перепускаемой части рабочего тела изменяются степенью ее дросселирования в дроссельном устройстве 38. Изменение указанной степени дросселирования приводит к изменению температуры рабочего тела на выходе 20 из расширительной камеры.

Температура T₁ при перепуске рабочего тела в рабочем цикле, представленном на фиг.1, превышает температуру Т_тк окружающей среды (температуру термокамеры), поэтому рабочее тело постоянно расширяется с получением положительной механической работы. Рабочий цикл с указанной точкой перепуска (P₁, V₁) может быть использован для обогрева окружающей среды.

Температура T₂ при перепуске рабочего тела в рабочем цикле, представленном на фиг.1, ниже температуры Т_тк окружающей среды (температуры термокамеры). Поэтому рабочее тело до достижения объема V_р расширяется с получением положительной механической работы. В диапазоне объемов V_p, V_рк рабочее тело принудительно расширяется (разреживается) за счет потребления механической работы. Рабочий цикл с указанной точкой перепуска (Р₂, V₂) может быть использован для охлаждения окружающей среды.

Особенность осуществления предлагаемого способа состоит в том, что в результате наложения процессов получения (знак «+») и потребления (знак «-») механической работы (см. фиг.3) для процессов, протекающих в смежных расширительных камерах I и II, которые расположены на одном роторе 21, энергия, потребляемая в одной камере, компенсируется за счет энергии, одновременно получаемой в другой, и наоборот. В результате такого обмена энергией между камерами значительно снижаются ее потери, что повышает КПД.

Устройство для осуществления предложенного способа по п.5 охлаждения газообразного рабочего тела (фиг.8, 9) выполнено в виде нагнетательного устройства 15, сообщенного с роторной машиной, содержащей рабочий орган, корпус 16, снабженный направляющей полостью 17 с впускным устройством, имеющим впускной канал 18, периодически перекрываемым золотниковым устройством 19 и сообщенным с источником рабочего тела с избыточным давлением 15, а также выпускным устройством, имеющим выпускной канал 20. При этом направляющая полость 17 выполнена в виде цилиндра, рабочий орган выполнен в виде ротора 21 с заслонками 22. Ротор 21 выполнен в виде цилиндрического тела, размещен в полости 17 корпуса 16 с возможностью вращения относительно своей продольной оси и смещен в радиальном направлении до касания с поверхностью полости 17 корпуса 16. Ротор 21 снабжен пазами 23, выполненными по периферии ротора в его осевых плоскостях и расположенными равномерно по окружности, впускными камерами, выполненными в виде углублений 24 на поверхности ротора, примыкающих к его пазам 23, сообщаемых с впускным каналом 18 посредством золотникового устройства 19. Заслонки 22 выполнены в виде прямоугольных пластин, подпружиненных пружинами 25 и установленных в пазах 23 ротора. При этом поверхности корпуса 16, ротора 21 и заслонок 23 образуют смежные расширительные камеры I, II, поочередно сообщаемые с впускным 18 и выпускным 20 каналами. Направляющая полость 17 корпуса 16 снабжена уплотнительным устройством 26, размещенным около линии ее касания с ротором 21, перепускным устройством, имеющим перепускной канал 27, сообщенный через газовый коммутатор 37 с одним из перепускных каналов 36. Канал 27 снабжен регулируемым дроссельным устройством 38.

Выход перепускного канала 36 выполнен в стенке направляющей полости корпуса таким образом, что отделен заслонкой 22 от части расширительной камеры I со стороны выпускного канала 20 при положении заслонки 22, в котором ограниченная ею часть расширительной камеры I имеет заданный объем, и сообщен с указанной частью расширительной камеры I при перемещении заслонки 22 в сторону выпускного канала 20.

Перепускное устройство снабжено дополнительными перепускными каналами 36, входные отверстия которых сообщены с соответствующим выходом газового коммутатора 37. На фиг.9 показано положение коммутатора 37, при котором расширительная камера I сообщена с перепускным каналом 36, обеспечивающим начало перепуска при объеме V_р. При этом перепускные каналы 36, обеспечивающие начало перепуска при объеме V₁ или V₂, перекрыты для подачи рабочего тела в расширительную камеру I.

Уплотнительное устройство (фиг.8) выполнено в виде волнообразного выступа 31, расположенного на цилиндрической поверхности направляющей полости 17 корпуса 16 и направленного от линии ее касания с ротором 21 в сторону вращения ротора, который отстоит от поверхности ротора на величину зазора 32.

Уплотнительное устройство (фиг.9) выполнено в виде волнообразного выступа 33, расположенного на цилиндрической поверхности направляющей полости 17 корпуса 16 и направленного от линии ее касания с ротором 21 в сторону, противоположную вращению ротора, который отстоит от поверхности ротора на величину зазора 34 и снабжен окном 35 для выпуска рабочего тела в выпускной канал 20.

Для улучшения уплотнения выступы 31 и 33 могут быть использованы совместно.

Устройство (фиг.8, 9) для осуществления способа по п.5 охлаждения газообразного рабочего тела работает следующим образом.

Предположим в качестве примера, что положение коммутатора 37 обеспечивает сообщение канала 27 с каналом 36, соответствующему объему V₁, показанному на диаграмме фиг.1.

От нагнетательного устройства 15 по впускному каналу 18 рабочее тело под давлением через углубление 24 начинает поступать во впускную камеру. Под действием избыточного давления на заслонку 22 ротор 21 поворачивается вокруг своей продольной оси. Объем соответствующей расширительной камеры увеличивается. При достижении расширительной камерой объема V_вк (фиг.7) золотник 19 перекрывает доступ из впускного канала 18 во впускную камеру. Рабочее тело, находящееся под давлением во впускной камере, начинает расширяться в объеме расширительной камеры с получением положительной механической работы, за счет которой поворачивается ротор 21 с заслонками 22. При достижении впускной камерой объема V₁ соответствующий канал 36 через коммутатор 37 оказывается сообщенным с перепускным каналом 27 и перепускаемое рабочее тело через дроссельное устройство 38 непрерывно поступает в расширительную камеру, смешиваясь с уже имеющимся там рабочим телом.

При достижении объема V_рк расширительная камера сообщается с выпускным каналом 20 и находящееся в ней рабочее тело вытесняется наружу. Несмотря на то, что давление рабочего тела в расширительной камере при ее увеличении до максимального объема V_рк может стать меньше давления в выпускном канале 20, это не препятствует вытеснению рабочего тела, поскольку объем расширительной камеры уменьшается до нуля и в ней не может оставаться рабочее тело.

Помимо устройств, представленных выше при описании предложенных способов, возможно также использовать другие технические решения.

Так, двигатель расширительного устройства может быть выполнен в виде преобразователя энергии, его общий элемент выполнен в виде механического преобразователя энергии двигателя, например, толкателя, штока, ротора или вала с кривошипно-шатунного механизмом (см. фиг.4-6).

Кроме того, двигатель расширительного устройства может быть выполнен в виде нагнетательного устройства для рабочего тела, снабженного двигателем, при этом вход нагнетательного устройства сообщен с источником рабочего тела, а выход сообщен с впускным каналом расширительного устройства (см. фиг.31).

Нагнетательное устройство для рабочего тела может быть выполнено в виде компрессора (см. фиг.31).

Нагнетательное устройство для рабочего тела может быть выполнено в виде центробежного уплотнителя (см. фиг.20-28), содержащего корпус с полостью, снабженной входным каналам, соединительным каналом, сообщающим полость уплотнителя с потребителем уплотненной газообразной среды, рабочей камерой, коллектором, образованным зазором между камерой и стенкой полости корпуса уплотнителя, сообщенным с соединительным каналом полости корпуса уплотнителя, при этом рабочая камера выполнена в виде полой оболочки, установлена на валу, размещена в полости корпуса с возможностью вращения относительно оси вала, снабжена входным каналом, выполненным в ее приосевой части, выходными отверстиями, выполненными в ее периферийной части, внутренними перегородками, образующими каналы, сообщенные с входным каналом и выходными отверстиями рабочей камеры, причем площадь поперечного сечения впускного канала рабочей камеры превышает суммарную площадь поперечного сечения выпускных отверстий.

Нагнетательное устройство (см. фиг.28) для рабочего тела может быть снабжено пусковым устройством (см. фиг.29), при этом двигатель нагнетательного устройства может быть выполнен в виде газовой турбины, установленной на одном валу с рабочей камерой центробежного уплотнителя, снабженной впускным каналом, сообщенным с выходом соединительного канала центробежного уплотнителя и выходным каналом пускового устройства.

Расширительное устройство может быть выполнено в виде роторной машины (см. фиг.6-9, 12, 14, 16, 17), полость ее корпуса выполнена в виде цилиндра, снабжена впускным устройством, имеющим впускной канал, а также выпускным устройством, имеющим выпускной канал, общий элемент привода выполнен в виде цилиндрического ротора, который размещен в полости корпуса с возможностью вращения относительно своей продольной оси, смещен в радиальном направлении до касания с поверхностью полости корпуса, снабжен пазами, выполненными по периферии ротора в его осевых плоскостях и расположенными по окружности, рабочий орган представляет собой заслонку, которая выполнена в виде прямоугольной пластины, подпружинена и установлена в пазу ротора, расширительная камера образована поверхностями полости, заслонки и ротора, запорное устройство впускного канала выполнено в виде золотникового устройства, образованного кромками углубления в роторе, которое сообщает расширительную камеру с впускным каналом, запорное устройство выпускного канала выполнено в виде золотникового устройства, образованного кромками заслонки и окна в стенке полости, которое сообщает расширительную камеру с выпускным каналом, при этом впускная камера снабжена углублением, имеющим объем, равный начальному объему впускной камеры, выполненным на поверхности ротора примыкающим к его пазу, сообщаемым с впускным каналом посредством золотникового устройства, причем полость корпуса снабжена уплотнительным устройством, размещенным около линии ее касания с ротором.

Расширительное устройство рабочего тела может быть выполнено в виде поршневой машины(см. фиг.10, 11, 13, 15, 18, 19), полость ее корпуса выполнена в виде цилиндра, снабжена впускным устройством, имеющим впускной канал, а также выпускным устройством, имеющим выпускной канал, общий элемент привода выполнен в виде вала с кривошипно-шатунным механизмом, размещенного в полости корпуса с возможностью вращения относительно своей продольной оси, рабочий орган представляет собой поршень, связанный с валом посредством его кривошипно-шатунного механизма, расширительная камера образована поверхностями полости и поршня, запорное устройство впускного канала выполнено в виде золотникового или клапанного устройства, которое сообщает расширительную камеру с впускным каналом, запорное устройство выпускного канала выполнено в виде золотникового или клапанного устройства, которое сообщает расширительную камеру с выпускным каналом, при этом впускная камера снабжена углублением, имеющим объем, равный начальному объему расширительной камеры, выполненным на ее поверхности, сообщаемым с впускным каналом посредством его запорного устройства.

На фиг.10 показан поперечный разрез двухкамерного поршневого расширительного устройства с нагнетателем и регулированием перепуска рабочего тела по избыточному давлению.

Устройство для осуществления предложенного способа по п.4 охлаждения газообразного рабочего тела (фиг.10) может быть выполнено в виде двухкамерной поршневой машины, сообщенной с нагнетательным устройством 39, содержащей рабочий орган, корпус 40, снабженный направляющей полостью 41 с впускным устройством, имеющим впускной канал 42, периодически перекрываемым золотниковым устройством 43 и сообщенным с источником рабочего тела с избыточным давлением 39, а также выпускным устройством, имеющим выпускной канал 44, периодически перекрываемый золотниковым устройством 54. При этом направляющая полость 41 выполнена в виде цилиндра, рабочий орган выполнен в виде поршня 45, связанного с кривошипно-шатунным механизмом 46. Пространство над поршнем при его положении в верхней мертвой точке образует начальный объем расширительной камеры либо объем впускной камеры 47. Начальный объем расширительной камеры I может быть образован в виде зазора между днищем поршня 45 и головкой 48 цилиндра, либо углублениями, выполненными на поверхности днища поршня и/или головки цилиндра, и сообщен с впускным каналом 42 посредством золотникового устройства 43. При этом поверхности направляющей полости 41, днища поршня 45 и головки 48 цилиндра образуют расширительную камеру I, поочередно сообщаемую с впускным 42 и выпускным 44 каналами. Сопряженная ей расширительная камера II имеет аналогичную конструкцию. Направляющая полость 41 корпуса снабжена перепускным устройством, имеющим перепускной канал 49, перекрываемый клапаном 50 перепада давления, оборудованным датчиками давления. При этом вход одного датчика 51 давления сообщен с расширительной камерой I, вход другого датчика 52 давления сообщен с впускным каналом 42. Канал 49 снабжен регулируемым дроссельным устройством 53. Выход перепускного канала 49 выполнен в стенке корпуса 40 между двумя положениями поршня 45, в первом из которых ограниченная поверхностью днища поршня 45 со стороны впускного канала 42 часть расширительной камеры I равна заданному объему впускной камеры, а во втором - имеет максимальный объем.

По сравнению с устройством, показанным на фиг.4, расширительное устройство рабочего тела, показанное на фиг.10, снабжено дополнительной расширительной камерой II, газораспределительное устройство выполнено обеспечивающим поочередное сообщение каждой расширительной камеры с впускным каналом 42 при ее увеличении от начального объема до объема впускной камеры, и посредством золотникового устройства 54 с выпускным каналом 44, при ее уменьшении от максимального объема до начального объема. Кроме того, его газораспределительное устройство снабжено перепускным каналом, выход которого сообщен с расширительной камерой, а его вход сообщен с источником рабочего тела, дроссельным устройством, установленным в перепускном канале, выход перепускного канала выполнен в стенке расширительной камеры за пределами впускной камеры.

Устройство, представленное на фиг.10, работает аналогично устройству на фиг.6 с учетом того, что каждая расширительная камера I и II имеет свой клапан 50 перепада давления с соответствующими датчиками.

На фиг.11 показан поперечный разрез двухкамерного поршневого расширительного устройства с нагнетателем и регулированием перепуска рабочего тела по объему расширительной камеры;

Устройство для осуществления предложенного способа по п.5 охлаждения газообразного рабочего тела (фиг.11) может быть выполнено в виде двухкамерной поршневой машины, сообщенной с нагнетательным устройством 39, содержащей рабочий орган, корпус 40, снабженный направляющей полостью 41 с впускным устройством, имеющим впускной канал 42, периодически перекрываемым золотниковым устройством 43, и сообщенным с источником рабочего тела с избыточным давлением 39, а также выпускным устройством, имеющим выпускной канал 44, периодически перекрываемый золотниковым устройством 54. При этом направляющая полость 41 выполнена в виде цилиндра, рабочий орган выполнен в виде поршня 45, связанного с кривошипно-шатунным механизмом 46. Пространство над поршнем при его положении в верхней мертвой точке образует начальный объем расширительной камеры либо объем впускной камеры 47. Начальный объем расширительной камеры I может быть образован в виде зазора между днищем поршня 45 и головкой 48 цилиндра либо углублениями, выполненными на поверхности днища поршня и/или головки цилиндра, и сообщен с впускным каналом 42 посредством золотникового устройства 43. При этом поверхности направляющей полости 41, днища поршня 45 и головки 48 цилиндра образуют расширительную камеру I, поочередно сообщаемую с впускным 42 и выпускным 44 каналами. Сопряженная ей расширительная камера II имеет аналогичную конструкцию. Направляющая полость 41 корпуса снабжена перепускным устройством, имеющим перепускной канал 49, коммутируемый посредством газового коммутатора 55 с соответствующим ответвлением 56 перепускного канала. Выходы ответвлений 56 перепускного канала 49 выполнены в стенке корпуса 40 между двумя положениями поршня 45, в первом из которых ограниченная поверхностью днища поршня 45 со стороны впускного канала 42 часть расширительной камеры I равна заданному объему впускной камеры, а во втором - имеет максимальный объем.

По сравнению с устройством, показанным на фиг.10, расширительное устройство рабочего тела, показанное на фиг.11, имеет газораспределительное устройство, которое снабжено газовым коммутатором 55 с соответствующим ответвлениями 56 перепускного канала, выходы которых выполнены в стенке расширительной камеры за пределами впускной камеры.

Устройство, представленное на фиг.11, работает аналогично устройству на фиг.10 с учетом того, что каждая расширительная камера I и II имеет свой набор ответвлений 56, одно из которых через коммутатор 56 сообщено с перепускным каналом 49 и тем самым определяет объем расширительной камеры при перепуске и соответствующую этому объему температуру рабочего тела на выходе из расширительной камеры.

На фиг.12 показан поперечный разрез однокамерного роторного расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по избыточному давлению. Обозначения элементов устройства совпадают с их обозначениями на фиг.7. В отличие от устройства, показанного на фиг.7, данное устройство имеет одну расширительную камеру I с заслонкой 22, которая приводится во вращение с помощью двигателя 57. Работа данного устройства аналогична работе одной камере расширительного устройства, показанного на фиг.7, с учетом того, что вращение ротора 21 с заслонкой 22 осуществляется за счет энергии двигателя 57, а не за счет энергии рабочего тела.

На фиг.13 показан поперечный разрез однокамерного поршневого расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по избыточному давлению. Обозначения элементов устройства совпадают с их обозначениями на фиг.10. В отличие от устройства, показанного на фиг.10, данное устройство имеет одну расширительную камеру I с поршнем 45, который приводится в движение с помощью двигателя 58. Работа данного устройства аналогична работе одной камеры расширительного устройства, показанного на фиг.7, с учетом того, что вращение кривошипно-шатунного механизма 46 с поршнем 45 осуществляется за счет энергии двигателя 58, а не за счет энергии рабочего тела.

На фиг.14 показан поперечный разрез однокамерного роторного расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по объему расширительной камеры. Обозначения элементов устройства совпадают с их обозначениями на фиг.9. В отличие от устройства, показанного на фиг.9, данное устройство имеет одну расширительную камеру I с заслонкой 22, которая приводится во вращение с помощью двигателя 59. Работа данного устройства аналогична работе одной камере расширительного устройства, показанного на фиг.9, с учетом того, что вращение ротора 21 с заслонкой 22 осуществляется за счет энергии двигателя 59, а не за счет энергии рабочего тела.

На фиг.15 показан поперечный разрез однокамерного поршневого расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по объему расширительной камеры. Обозначения элементов устройства совпадают с их обозначениями на фиг.11. В отличие от устройства, показанного на фиг.11, данное устройство имеет одну расширительную камеру 1 с поршнем 45, который приводится в движение с помощью двигателя 60. Работа данного устройства аналогична работе одной камере расширительного устройства, показанного на фиг.11, с учетом того, что вращение кривошипно-шатунного механизма 46 с поршнем 45 осуществляется за счет энергии двигателя 60, а не за счет энергии рабочего тела.

На фиг.16 показан поперечный разрез двухкамерного роторного расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по избыточному давлению. Обозначения элементов устройства совпадают с их обозначениями на фиг.7. В отличие от устройства, показанного на фиг.7, расширительные камеры I и II данного устройства с заслонками 22 приводятся во вращение с помощью двигателя 61. Работа данного устройства аналогична работе расширительного устройства, показанного на фиг.7, с учетом того, что вращение ротора 21 с заслонкой 22 осуществляется за счет энергии двигателя 61, а не за счет энергии рабочего тела.

На фиг.17 показан поперечный разрез двухкамерного роторного расширительного устройства с двигателем и изменением перепуска рабочего тела по объему расширительной камеры. Обозначения элементов устройства совпадают с их обозначениями на фиг.9. В отличие от устройства, показанного на фиг.9, расширительные камеры I и II данного устройства с заслонками 22 приводятся во вращение с помощью двигателя 62. Работа данного устройства аналогична работе расширительного устройства, показанного на фиг.9, с учетом того, что вращение ротора 21 с заслонкой 22 осуществляется за счет энергии двигателя 62, а не за счет энергии рабочего тела.

На фиг.18 показан поперечный разрез двухкамерного поршневого расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по избыточному давлению. Обозначения элементов устройства совпадают с их обозначениями на фиг.10. В отличие от устройства, показанного на фиг.10, кривошипно-шатунный механизм 46 с поршнем 45 данного устройства приводится в движение с помощью двигателя 63. Работа данного устройства аналогична работе расширительного устройства, показанного на фиг.10, с учетом того, что вращение кривошипно-шатунного механизма 46 с поршнем 45 осуществляется за счет энергии двигателя 63, а не за счет энергии рабочего тела.

На фиг.19 показан поперечный разрез двухкамерного поршневого расширительного устройства с двигателем и регулированием перепуска рабочего тела по объему расширительной камеры. Обозначения элементов устройства совпадают с их обозначениями на фиг.11. В отличие от устройства, показанного на фиг.11, кривошипно-шатунный механизм 46 с поршнем 45 данного устройства приводится в движение с помощью двигателя 64. Работа данного устройства аналогична работе расширительного устройства, показанного на фиг.11, с учетом того, что вращение кривошипно-шатунного механизма 46 с поршнем 45 осуществляется за счет энергии двигателя 64, а не за счет энергии рабочего тела.

На фиг.20 - поперечный разрез центробежного уплотнителя (1) с двигателем;

Нагнетательное устройство рабочего тела 15 (фиг.7, 9) или 39 (фиг.10, 11) может быть выполнено в виде центробежного устройства (фиг.20) и содержит корпус 65 с полостью 66, в которой на валу 67 установлена камера 68, снабженная внутри перегородками 69, разделяющими ее полость на изолированные секции 70. Наружные стенки камеры 68 образуют с внутренними стенками полости 66 соответственно подобранные зазоры. Вал 67 установлен в корпусе 65 в подшипниках 71 с возможностью вращения относительно продольной оси. Подшипник 71 выполнен двухсторонним, т.е. обеспечивает вращение камеры 68 относительно корпуса 65 и вращение вала 67 относительно камеры 68. Второй подшипник 72 камеры 68 обеспечивает ее вращение относительно вала 67, который установлен в подшипнике 73, связанном с помощью стоек 74 с корпусом 65. Подшипники 71, 72, 73 выполнены самосмазывающимися. Камера 68 уплотнителя снабжена каналом 75, сообщенным с выходом канала 76 источника 77 уплотняемой газообразной среды. Канал 75 снабжен боковыми отверстиями 78. Секции 70 снабжены впускными отверстиями 79, выполненными в их приосевой части в виде радиальной проточки, сообщающей полости секций 70 с боковыми отверстиями 38 канала 35. Кроме того, секции 70 снабжены выпускными отверстиями 80, выполненными в их периферийной пристеночной части и периодически сообщаемыми посредством выходного канала 82 в корпусе с соединительными каналами 83. Выпускные отверстия сообщены посредством выходного канала 82 и соединительного канала 83 с потребителем 84 уплотненной газообразной среды. Выпускные отверстия 80 секций 70 размещены в пристеночной части секций и смещены в направлении вращения (на фиг.21 обозначено - н.в.) камеры 68. Выпускные отверстия 60 соответственно подобраны впускным отверстиям 79. При этом площадь впускных отверстий 79 секций 70 превышает площадь их выпускных отверстий 80.

Привод содержит двигатель 95, связанный с валом 67, центробежную газовую турбину, ее рабочее колесо, выполненное в виде кольцевого элемента 66, который снабжен сквозными каналами 67, выполненными по его периметру в направлении от оси вращения газовой турбины к периферии, оборудованными лопатками 68 для газообразной среды, размещенное соосно с камерой 68 уплотнителя и жестко связанное с ней. Устройство также содержит компрессор, который имеет корпус 89, размещенный во входном канале 75 камеры 68 уплотнителя, оборудованный входным 90 и выходными 91 каналами, рабочее колесо 92, размещенное на валу 67 в полости 93 корпуса компрессора, при этом вал 94 рабочего колеса 92 компрессора размещен соосно с валом 67 оболочки камеры 68 и связан с двигателем 85. Входной канал 90 корпуса компрессора сообщен с источником 77 газообразной среды, а выходной канал 91 корпуса компрессора сообщен с входами 95 каналов 87 кольцевого элемента 86 рабочего колеса турбины, периферийные выходы 95 которых сообщены с приемной полостью, совмещенной с полостью камеры уплотнителя, образованной ее секциями 70.

Наружный диаметр камеры 68 уплотнителя выполнен превышающим диаметр рабочего колеса 86 турбины и подобран соответствующим мощности турбины и степени повышения плотности газа в уплотнителе.

Выходной канал 82 корпуса 65 уплотнителя снабжен приемной полостью для газа, выполненной в виде кольцевого коллектора 96, который размещен в периферийной части полости 66 корпуса камеры уплотнителя и расположен в плоскости, перпендикулярной оси вращения камеры 68 уплотнителя. Коллектор 96 имеет конструкцию, аналогичную конструкции коллектора 24, показанного на фиг.26.

При этом возможно следующее выполнение устройства:

- компрессор выполнен центробежным.

- компрессор выполнен осевым, его корпус снабжен профилированным выступом, размещенным в его выходном канале за рабочим колесом.

- рабочее колесо газовой турбины связано с камерой уплотнителя через редуктор.

- отводной канал выполнен в стенке корпуса газовой турбины и сообщен с полостью камеры уплотнителя.

- отводной канал выполнен в стенке камеры уплотнителя и сообщен с полостью корпуса уплотнителя, при этом корпус уплотнителя снабжен дренажным отверстием, отводной канал периодически сообщен с дренажным отверстием.

- корпус газовой турбины жестко связан с корпусом компрессора.

- корпус газовой турбины жестко связан с камерой уплотнителя.

- корпус компрессора жестко связан с корпусом уплотнителя.

- вал рабочего колеса компрессора связан с двигателем через повышающий редуктор.

- двигатель выполнен тепловым.

- двигатель выполнен электрическим.

- коллектор выполнен кольцевым, размещен в периферийной части полости корпуса уплотнителя и расположен в плоскости, перпендикулярной оси вращения камеры уплотнителя, вход в соединительный канал полости корпуса уплотнителя выполнен в стенке коллектора.

- коллектор выполнен в стенке оболочки камеры.

- коллектор выполнен в стенке полости корпуса уплотнителя, вход в соединительный канал полости корпуса размещен на периферии коллектора, при этом в поперечном сечении коллектор имеет уклон, направленный в сторону соединительного канала.

- коллектор выполнен по периферии стенки полости корпуса уплотнителя, соединительный канал полости корпуса размещен на периферии коллектора, при этом в поперечном сечении коллектор имеет уклон, направленный в сторону соединительного канала.

- коллектор выполнен в стенках оболочки камеры и полости корпуса уплотнителя, при этом в поперечном сечении коллектор имеет чечевицеобразную форму.

- коллектор выполнен в боковой стенке полости корпуса уплотнителя.

- спиралевидное углубление выполнено многозаходным.

Источником 77 уплотняемой газовой среды может быть: атмосфера, газогенератор, газонаполненный трубопровод и др.

Потребителем 84 уплотненного газа может быть баллон, двигатель внутреннего сгорания, напорная ветвь газопровода.

Нагнетательное устройство рабочего тела работает следующим образом. При вращении вала 67 уплотняемый газ от источника 77 поступает в канал 76 и далее через боковые отверстия 78 канала 75 и впускные отверстия 79 попадает в секции 70 камеры 68, которая вращается вместе с валом 67. Поступивший в полости 70 газ прижимается к перегородкам 69 и таким образом вовлекается во вращение вместе с камерой 68. При этом под действием центробежных сил инерции газ перемещается в радиальном направлении вдоль перегородок 69 секций 70 от оси вращения к периферии камеры 68. По мере удаления от оси вращения действие центробежных сил инерции возрастает. Поскольку площадь впускных отверстий 79 превышает площадь выпускных отверстий 80, не весь поступивший в полости 70 газ успевает выйти через выпускные отверстия 80 и скапливается в периферийной части камеры 68, уплотняясь под действием центробежных сил и инерционного давления со стороны вновь поступающих порций газа. По мере увеличения массы скопившегося в камере 68 вещества возрастает сила давления на периферийные слои газа и, как следствие, увеличивается его расход через выпускные отверстия 80. При определенной скорости вращения камеры 68 наступает динамическое равновесие между количествами поступающего в камеру 68 и исходящим из нее вещества. Поскольку площадь впускных отверстий 79 превышает площадь выпускных отверстий 80 из камеры 68 выходит более плотное вещество.

В результате такого воздействия, на выходе из камеры 68 уплотнителя газ имеет более высокую плотность, чем во входном канале 75. Кроме того, при вращении вместе с камерой 68 газ приобретает повышенную кинетическую энергию. Из камеры 68 газ поступает в коллектор 96, где продолжает по инерции вращаться по окружности в кольцевом канале с минимальным торможением. Уплотненный газ по мере потребности из коллектора 96 через выходной канал 82 поступает соединительный канал 83.

Попав в соединительный канал 83, газ тормозится, что приводит к дополнительному повышению его давления и температуры при поступлении к потребителю 84.

Газообразную среду вместе с камерой 68 вращают от рабочего колеса 92 газовой турбины, связанного с камерой 68 уплотнителя. Для этого от подаваемой в камеру 68 уплотнителя газообразной среды отделяют часть, которую подают во входной канал 90 рабочего колеса компрессора, связанного с двигателем 85. Затем на выходе 91 из компрессора эту часть газообразной среды подают на вход каналов 87 турбины и пропускают между лопатками 88 ее рабочего колеса, после чего подают в камеру 68 уплотнителя, где ее смешивают с уже поступившей туда газообразной средой.

На фиг.23 - поперечный разрез центробежного уплотнителя (2) с двигателем;

Нагнетательное устройство рабочего тела 15 (фиг.7, 9) или 39 (фиг.10, 11) может быть выполнено в виде центробежного устройства (фиг.23) и содержит корпус 97 с полостью 98, в которой на валу 99 установлена камера 100, снабженная внутри перегородками 101, разделяющими ее полость на изолированные секции 102. Наружные стенки камеры 100 образуют с внутренними стенками полости 98 соответственно подобранные зазоры. Вал 99 установлен в корпусе 97 в подшипниках 103 с возможностью вращения относительно продольной оси. Подшипник 103 выполнен двухсторонним, т.е. обеспечивает вращение камеры 100 относительно корпуса 97 и вращение вала 99 относительно камеры 100. Второй подшипник 104 камеры 100 обеспечивает ее вращение относительно вала 99, который установлен в подшипнике 105, связанном с помощью стоек 106 с корпусом 97. Подшипники 103,104,105 выполнены самосмазывающимися. Камера 100 уплотнителя снабжена каналом 106, сообщенным с выходом канала 107 источника 108 уплотняемой газообразной среды. Канал 106 снабжен боковыми отверстиями 109. Секции 102 снабжены впускными отверстиями 110, выполненными в их приосевой части в виде радиальной проточки, сообщающей полости секций 102 с боковыми отверстиями 109 канала 106. Кроме того, секции 102 снабжены выпускными отверстиями 111, выполненными в их периферийной пристеночной части и периодически сообщаемыми посредством выходного канала 113 в корпусе с соединительными каналами 114. Выпускные отверстия сообщены посредством выходного канала 113 и соединительного канала 114 с потребителем 115 уплотненной газообразной среды. Выпускные отверстия 111 секций 102 размещены в пристеночной части секций и смещены в направлении вращения (на фиг.24 обозначено н.в.) камеры 100. Выпускные отверстия 130 соответственно подобраны впускным отверстиям 129. При этом площадь впускных отверстий 110 секций 102 превышает площадь их выпускных отверстий 111.

Привод содержит двигатель 116, связанный с валом 99, центробежную газовую турбину, ее рабочее колесо, выполненное в виде кольцевого элемента 117, который снабжен сквозными каналами 118, выполненными по его периметру в направлении от оси вращения газовой турбины к периферии, оборудованными лопатками 119 для газообразной среды, размещенное соосно с камерой 100 уплотнителя и жестко связанное с ней. Устройство также содержит компрессор, который имеет корпус 120, размещенный во входном канале 106 камеры 100 уплотнителя, оборудованный входным 121 и выходными 122 каналами, рабочее колесо 123, размещенное на валу 99 в полости 124 корпуса компрессора, при этом вал 125 рабочего колеса 123 компрессора размещен соосно с валом 99 оболочки камеры 100 и связан с двигателем 116. Входной канал 121 корпуса компрессора сообщен с источником 108 газообразной среды, а выходной канал 122 корпуса компрессора сообщен с входами 126 каналов 118 кольцевого элемента 117 рабочего колеса турбины, периферийные выходы 126 которых сообщены с приемной полостью, причем газовая турбина снабжена корпусом 127, оборудованным полостью 128 с отводным каналом 129, рабочее колесо 117 газовой турбины размещено в полости ее корпуса 128, при этом приемная полость совмещена с полостью 128 корпуса газовой турбины и периодически через отводной канал 129 с дренажным отверстием 130, выполненным в стенке корпуса 97 уплотнителя.

Наружный диаметр камеры 100 уплотнителя выполнен превышающим диаметр рабочего колеса 117 турбины и подобран соответствующим мощности турбины и степени повышения плотности газа в уплотнителе.

Выходной канал 113 корпуса 97 уплотнителя снабжен приемной полостью для газа, выполненной в виде кольцевого коллектора 127, который размещен в периферийной части полости 98 корпуса камеры уплотнителя и расположен в плоскости, перпендикулярной оси вращения камеры 100 уплотнителя. Коллектор 127 имеет конструкцию, аналогичную конструкции коллектора 24, показанного на фиг.26.

При этом возможно следующее выполнение устройства:

- компрессор выполнен центробежным.

- компрессор выполнен осевым, его корпус снабжен профилированным выступом, размещенным в его выходном канале за рабочим колесом.

- рабочее колесо газовой турбины связано с камерой уплотнителя через редуктор.

- отводной канал выполнен в стенке корпуса газовой турбины и сообщен с полостью камеры уплотнителя.

- отводной канал выполнен в стенке камеры уплотнителя и сообщен с полостью корпуса уплотнителя, при этом корпус уплотнителя снабжен дренажным отверстием, отводной канал периодически сообщен с дренажным отверстием.

- корпус газовой турбины жестко связан с корпусом компрессора.

- корпус газовой турбины жестко связан с камерой уплотнителя.

- корпус компрессора жестко связан с корпусом уплотнителя.

- вал рабочего колеса компрессора связан с двигателем через повышающий редуктор.

- двигатель выполнен тепловым.

- двигатель выполнен электрическим.

- коллектор выполнен кольцевым, размещен в периферийной части полости корпуса уплотнителя и расположен в плоскости, перпендикулярной оси вращения камеры уплотнителя, вход в соединительный канал полости корпуса уплотнителя выполнен в стенке коллектора.

- коллектор выполнен в стенке оболочки камеры.

- коллектор выполнен в стенке полости корпуса уплотнителя, вход в соединительный канал полости корпуса размещен на периферии коллектора, при этом в поперечном сечении коллектор имеет уклон, направленный в сторону соединительного канала.

- коллектор выполнен по периферии стенки полости корпуса уплотнителя, соединительный канал полости корпуса размещен на периферии коллектора, при этом в поперечном сечении коллектор имеет уклон, направленный в сторону соединительного канала.

- коллектор выполнен в стенках оболочки камеры и полости корпуса уплотнителя, при этом в поперечном сечении коллектор имеет чечевицеобразную форму.

- коллектор выполнен в боковой стенке полости корпуса уплотнителя.

- спиралевидное углубление выполнено многозаходным.

Источником 108 уплотняемой газовой среды может быть: атмосфера, газогенератор, газонаполненный трубопровод и др.

Потребителем 116 уплотненного газа может быть баллон, двигатель внутреннего сгорания, напорная ветвь газопровода.

Нагнетательное устройство рабочего тела работает следующим образом. При вращении вала 99 уплотняемый газ от источника 108 поступает в канал 107 и далее через боковые отверстия 109 канала 106 и впускные отверстия 110 попадает в секции 102 камеры 90, которая вращается вместе с валом 99. Поступивший в полости 102 газ прижимается к перегородкам 101 и таким образом вовлекается во вращение вместе с камерой 100. При этом под действием центробежных сил инерции газ перемещается в радиальном направлении вдоль перегородок 101 секций 102 от оси вращения к периферии камеры 100. По мере удаления от оси вращения действие центробежных сил инерции возрастает. Поскольку площадь впускных отверстий 110 превышает площадь выпускных отверстий 111, не весь поступивший в полости 102 газ успевает выйти через выпускные отверстия 111 и скапливается в периферийной части камеры 100, уплотняясь под действием центробежных сил и инерционного давления со стороны вновь поступающих порций газа. По мере увеличения массы скопившегося в камере 100 вещества, возрастает сила давления на периферийные слои газа и, как следствие, увеличивается его расход через выпускные отверстия 111. При определенной скорости вращения камеры 100 наступает динамическое равновесие между количествами поступающего в камеру 100 и исходящим из нее вещества. Поскольку площадь впускных отверстий 110 превышает площадь выпускных отверстий 111, из камеры 100 выходит более плотное вещество.

В результате такого воздействия, на выходе из камеры 100 уплотнителя газ имеет более высокую плотность, чем во входном канале 106. Кроме того, при вращении вместе с камерой 100 газ приобретает повышенную кинетическую энергию. Из камеры 100 газ поступает в коллектор 127, где продолжает по инерции вращаться по окружности в кольцевом канале с минимальным торможением. Уплотненный газ по мере потребности из коллектора 127 через выходной канал 113 поступает соединительный канал 114.

Попав в соединительный канал 114, газ тормозится, что приводит к дополнительному повышению его давления и температуры при поступлении к потребителю 115.

Газообразную среду вместе с камерой 100 вращают от рабочего колеса 123 газовой турбины, связанного с камерой 100 уплотнителя. Для этого от подаваемой в камеру 100 уплотнителя газообразной среды отделяют часть, которую подают во входной канал 121 рабочего колеса компрессора, связанного с двигателем 116. Затем на выходе 122 из компрессора эту часть газообразной среды подают на вход каналов 118 турбины и пропускают между лопатками 119 ее рабочего колеса, после чего через отводной канал 129 выпускают из полости 128 корпуса газовой турбины в дренажное отверстие 130.

На фиг.26 - поперечный разрез центробежного уплотнителя с двигателем и пневмоприводом рабочей камеры;

Нагнетательное устройство рабочего тела 15 (фиг.7, 9) или 39 (фиг.10, 11) может быть выполнено в виде центробежного устройства (фиг.26) и содержит корпус 131 с полостью 132, в которой на валу 133 установлена камера 134, снабженная внутри перегородками 135, разделяющими ее полость на изолированные секции 136. Наружные стенки камеры 134 образуют с внутренними стенками полости 132 соответственно подобранные зазоры. Вал 133 установлен в корпусе 131 в самосмазывающимся подшипнике 137 с возможностью вращения относительно продольной оси. Камера 134 уплотнителя снабжена каналом 138, сообщенным с выходом канала 139 источника 140 уплотняемой газообразной среды. Канал 138 снабжен боковыми отверстиями 141. Секции 136 снабжены впускными отверстиями 142, выполненными в их приосевой части в виде радиальной проточки, сообщающей полости секций 136 с боковыми отверстиями 141 канала 138. Кроме того, секции 6 снабжены выпускными отверстиями 143, выполненными в их периферийной пристеночной части и периодически сообщаемыми посредством выходного канала 144 в корпусе с соединительными каналами 145. Выпускные отверстия 143 выполнены в периферийной части секций 136 и сообщены посредством выходного канала 144 и соединительного канала 145 с потребителем 146 уплотненной газообразной среды. Выпускные отверстия 143 секций 136 размещены в пристеночной части секций и смещены в направлении вращения (на фиг.27 обозначено н.в.) камеры 134. Выпускные отверстия 143 соответственно подобраны впускным отверстиям 142. При этом площадь впускных отверстий 142 секций 6 превышает площадь их выпускных отверстий 143. Привод уплотнителя выполнен в виде газовой турбины, которая содержит корпус 147, снабженный полостью 148, входным 149 и выходным 150 каналами, рабочее колесо 151, установленное соосно на валу 133 камеры уплотнителя, размещенное в полости 148 корпуса турбины. Наружный диаметр камеры 134 уплотнителя выполнен превышающим диаметр рабочего колеса 151 турбины и подобран соответствующим мощности турбины и степени повышения плотности газа в уплотнителе. Входной канал 149 корпуса турбины сообщен с выходным устройством 152 источника сжатого газа 153. Выходной канал 144 корпуса 131 уплотнителя снабжен приемной полостью для газа, выполненной в виде кольцевого коллектора 154, который размещен в периферийной части полости корпуса камеры уплотнителя и расположен в плоскости, перпендикулярной оси вращения камеры 134 уплотнителя;

При этом коллектор 154 может быть выполнен в стенке оболочки камеры 134, в стенке полости 132 корпуса уплотнителя, в стенках оболочки камеры 134 и полости 132 корпуса уплотнителя.

Источником 153 сжатого газа для турбины может быть: баллон с устройством 152 регулирования и подвода газа; роторный, поршневой или газотурбинный двигатель внутреннего сгорания, выходное устройство 152 которого снабжено выхлопным патрубком, сообщенным с входным каналом 149 корпуса турбины.

Источником 140 уплотняемой газовой среды может быть: атмосфера, газогенератор, газонаполненный трубопровод и др.

Потребителем 146 уплотненного газа может быть баллон, двигатель внутреннего сгорания, напорная ветвь газопровода.

Нагнетательное устройство рабочего тела работает следующим образом. При вращении вала 133 уплотняемый газ от источника 140 поступает в канал 139 и далее через боковые отверстия 141 канала 138 и впускные отверстия 142 попадает в секции 136 камеры 134, которая вращается вместе с валом 133. Поступивший в полости 136 газ прижимается к перегородкам 135 и таким образом вовлекается во вращение вместе с камерой 134. При этом под действием центробежных сил инерции газ перемещается в радиальном направлении вдоль перегородок 135 секций 136 от оси вращения к периферии камеры 134. По мере удаления от оси вращения действие центробежных сил инерции возрастает. Поскольку площадь впускных отверстий 142 превышает площадь выпускных отверстий 143, не весь поступивший в полости 136 газ успевает выйти через выпускные отверстия 143 и скапливается в периферийной части камеры 134, уплотняясь под действием центробежных сил и инерционного давления со стороны вновь поступающих порций газа. По мере увеличения массы скопившегося в камере 134 вещества, возрастает сила давления на периферийные слои газа и, как следствие, увеличивается его расход через выпускные отверстия 143. При определенной скорости вращения камеры 134 наступает динамическое равновесие между количествами поступающего в камеру 134 и исходящим из нее вещества. Поскольку площадь впускных отверстий 142 превышает площадь выпускных отверстий 143, из камеры 134 выходит более плотное вещество.

В результате такого воздействия на выходе из камеры 134 уплотнителя газ имеет более высокую плотность, чем во входном канале 138. Кроме того, при вращении вместе с 134 газ приобретает повышенную кинетическую энергию. Из камеры 134 газ поступает в коллектор 154, где продолжает по инерции вращаться по окружности в кольцевом канале с минимальным торможением. Уплотненный газ по мере потребности из коллектора 154 через выходной канал 144 поступает соединительный канал 145.

Попав в соединительный канал 145, газ тормозится, что приводит к дополнительному повышению его давления и температуры при поступлении к потребителю 146.

Вращение вала 133 осуществляется за счет энергии сжатого газа, подводимого к рабочему колесу 151 турбины от источника 153. Вращение газообразной среды вместе с камерой 134 осуществляют от рабочего колеса 151 газовой турбины, расположенного на одном валу 133 с камерой 134 уплотнителя. Для этого через лопатки рабочего колеса 151 турбины пропускают газ от внешнего источника 153 газа с повышенным давлением.

На фиг.28 - поперечный разрез центробежного турбоуплотнителя;

Нагнетательное устройство рабочего тела 15 (фиг.7, 9) или 39 (фиг.10, 11) может быть выполнено в виде центробежного устройства (фиг.28) и содержит корпус 155 с полостью 156, в которой на валу 157 установлена камера 158, снабженная внутри перегородками 159, разделяющими ее полость на изолированные секции 160. Наружные стенки камеры 158 образуют с внутренними стенками полости 156 соответственно подобранные зазоры. Вал 157 установлен в корпусе 155 с помощью устройства 161, обеспечивающего возможность его вращения относительно продольной оси. Камера 158 уплотнителя снабжена каналом 162, сообщенным с выходом канала 163 источника 164 уплотняемой газообразной среды. Канал 162 снабжен боковыми отверстиями 165. Секции 160 снабжены впускными отверстиями 166, выполненными в их приосевой части в виде проемов между перегородками 159, сообщающих полости секций 170 с боковыми отверстиями 165 канала 162. Кроме того, секции 160 снабжены выпускными отверстиями 167, выполненными в их периферийной пристеночной части и периодически сообщаемыми посредством выходного канала 168 в корпусе с соединительными каналами 169. Выпускные отверстия 167 выполнены в периферийной части секций 160 и сообщены посредством выходного канала 168 и соединительного канала 169 с потребителем 170 уплотненной газообразной среды. Выпускные отверстия 167 секций 160 размещены в пристеночной части секций и смещены в направлении вращения (фиг.28 обозначено н.в.) камеры 158. Выпускные отверстия 167 соответственно подобраны впускным отверстиям 166. При этом площадь впускных отверстий 166 секций 6 превышает площадь их выпускных отверстий 167. Привод уплотнителя выполнен в виде газовой турбины, которая содержит корпус 171, снабженный полостью 172, входным 173 и выходным 174 каналами, рабочее колесо 175, установленное соосно на валу 157 камеры уплотнителя, размещенное в полости 172 корпуса турбины. Наружный диаметр камеры 158 уплотнителя превышает диаметр рабочего колеса 175 турбины и подобран соответствующим мощности турбины и степени повышения плотности газа в уплотнителе. Входной канал 173 корпуса турбины снабжен регулируемым дроссельным устройством 177 и сообщен соединительным каналом 169 с выходным каналом 168 в корпусе 155. Выходной канал 168 корпуса 155 уплотнителя снабжен приемной полостью для газа, выполненной в виде кольцевого коллектора 176, который размещен в периферийной части полости корпуса камеры 158 уплотнителя.

При этом коллектор 176 может быть выполнен в стенке оболочки камеры 158, в стенке полости 156 корпуса уплотнителя, в стенках оболочки камеры 158 и полости 156 корпуса уплотнителя.

При выполнении в стенке полости 156 корпуса уплотнителя кольцевой коллектор 176 выполнен в периферийной части корпуса, выходной канал 168 корпуса размещен на периферии коллектора, при этом в поперечном сечении коллектор имеет уклон, направленный в сторону выходного канала корпуса.

Источником 164 уплотняемой газовой среды может быть: атмосфера, газогенератор, газонаполненный трубопровод, уплотнитель газообразной среды и др.

Потребителем 170 уплотненного газа может быть баллон, двигатель внутреннего сгорания, напорная ветвь газопровода, вентилируемое помещение, уплотнитель газовой среды и др.

На фиг.28 в качестве примера показан потребитель 170, выполненный в виде расширительного устройства - роторного двигателя с заслонками. Расширительное устройство имеет корпус 177 с цилиндрической полостью 178, в которой с возможностью вращения относительно оси вала 179 размещен ротор 180, снабженный заслонками 181, перемещающимися в радиальном направлении в пазах 182. Корпус 177 имеет впускной канал 183, сообщенный с соединительным каналам 179, выпускной канал 184, сообщенный с окружающей средой.

Нагнетательное устройство рабочего тела работает следующим образом. При вращении вала 157 уплотняемый газ от источника 164 поступает в канал 163 и далее через боковые отверстия 165 канала 162 и впускные отверстия 166 попадает в секции 160 камеры 158, которая вращается вместе с валом 157. Поступивший в полости 160 газ прижимается к перегородкам 159 и таким образом вовлекается во вращение вместе с камерой 158. При этом под действием центробежных сил инерции газ перемещается в радиальном направлении вдоль перегородок 159 секций 160 от оси вращения к периферии камеры 158. По мере удаления от оси вращения действие центробежных сил инерции возрастает. Поскольку площадь впускных отверстий 166 превышает площадь выпускных отверстий 167, не весь поступивший в полости 160 газ успевает выйти через выпускные отверстия 167 и скапливается в периферийной части камеры 158, уплотняясь под действием центробежных сил и инерционного давления со стороны вновь поступающих порций газа. По мере увеличения массы скопившегося в камере 158 вещества, возрастает сила давления на периферийные слои газа и, как следствие, увеличивается его расход через выпускные отверстия 167. При определенной скорости вращения камеры 158 наступает динамическое равновесие между количествами поступающего в камеру 158 и исходящим из нее вещества. Поскольку площадь впускных отверстий 166 превышает площадь выпускных отверстий 167, из камеры 158 выходит более плотное вещество. В результате такого воздействия на выходе из камеры 158 уплотнителя газ имеет более высокую плотность, чем во входном канале 162. Кроме того, при вращении вместе с камерой 158 газ приобретает повышенную кинетическую энергию. Из камеры 158 газ поступает в коллектор 176, где продолжает по инерции вращаться по окружности в кольцевом канале с минимальным торможением. Уплотненный газ по мере потребности из коллектора 175 через выходной канал 168 поступает соединительный канал 169.

Попав в соединительный канал 169, газ тормозится, что приводит к дополнительному повышению его давления и температуры при поступлении к потребителю.

Вращение вала 157 осуществляется за счет энергии газа с повышенным давлением, подводимого к рабочему колесу 175 турбины от уплотнителя. По соединительному каналу 169 уплотненное рабочее тело через регулируемое дроссельное устройство 177 поступает во входной канал 173 турбины 175. Изменение степени дросселирования устройства 177 приводит к соответствующему изменению параметров газового потока, подаваемого к рабочему колесу 175 турбины от уплотнителя. В соответствии с этим изменяется величина энергии, подводимой к турбине, и режимы ее использования в турбине, определяющие эффективность преобразования энергии в работу, т.е. КПД. В зависимости от величины подводимой работы определяется частота вращения турбин 175 и расположенной с ней на одном валу 157 камеры 158 уплотнителя. Частота вращения камеры 158 уплотнителя определяет степень уплотнения газового потока и расход газа, подаваемого по соединительному каналу 169 к регулируемому дроссельному устройству 177. Рассмотренная последовательность соответствует контуру управления термомеханическим процессом уплотнения.

Вращение газообразной среды вместе с камерой 158 осуществляют от рабочего колеса 175 газовой турбины, расположенного на одном валу 157 с камерой 158 уплотнителя. Для этого через лопатки рабочего колеса 175 турбины пропускают газ с повышенным давлением, который затем через выходное устройство 185 возвращают в окружающую среду. Выходное устройство 185, выполненное в виде реактивного сопла, разгоняет поступающий из турбины газовый поток, создавая при этом силу тяги.

На фиг.29 - пусковое устройство центробежного турбоуплотнителя.

Для запуска центробежного турбоуплотнителя может быть использовано пусковое устройство 186, представленное на фиг.29, которое содержит ресивер 187, вход которого сообщен с выходом компрессора 188, снабженного двигателем 189. На выходе ресивер снабжен вентилем 190, в обратном канале которого установлен обратный клапан 191.

Пусковое устройство работает для обеспечения разгона турбины центробежного турбо-уплотнителя (см. фиг.26) следующим образом. Сжатое в ресивере 187 рабочее тело при открытом вентиле 190 подают на лопатки турбины 175, которая за счет энергии сжатого газа начинает вращаться. Вместе с турбиной вращается камера 158 центробежного уплотнителя. После выхода уплотнителя на рабочий режим вентиль 190 перекрывает поступление газа из ресивера 187. При этом создаваемое в уплотнителе давление рабочего тела через обратный клапан 191 может пополнять запас газа в ресивере, который используется при следующем запуске.

Предложенная система 1 охлаждения среды является одним из вариантов выполнения открытого типа системы охлаждения газообразной среды, основанной на использовании предложенного способа по одному из п.п.1-5 и расширительных устройств по одному из п.п.6-21 для его осуществления.

Система охлаждения среды открытого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.30, содержит двигатель 192, связанный с расширителем 193 рабочего тела, термокамеру 194, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, сообщена дренажным клапаном 195 с окружающей средой, вход 196 расширителя 192 сообщен с окружающей средой, а выход его выпускного канала 197 сообщен с термокамерой 194. При этом расширитель 193 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23. Для регулирования расхода рабочего тела на входе в расширитель 193 может быть установлен вентиль 198. Для системы открытого типа рабочее тело в расширителе 193 совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 194.

Предложенная система 1 охлаждения среды (фиг.30) работает следующим образом. Расширитель рабочего тела 193 через вход 196 за счет разряжения в расширительной камере засасывает воздух из атмосферы. Далее поступивший в расширитель 193 воздух в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе 197 из расширителя получается более холодный воздух, чем поступивший на вход 196. Охлажденный воздух поступает в термокамеру 194, из которой часть находящегося там воздуха через дренажный клапан 195 возвращается в окружающую среду, обеспечивая тем самым постоянное давление в термокамере. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи и тепломассопереноса рабочего тела.

В рассматриваемом варианте системы понижения температуры газообразной среды в термокамере 194 может быть только ниже температуры атмосферного воздуха. Тем самым данная система обеспечивает охлаждение воздуха в термокамере 194.

Система охлаждения среды открытого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.31, содержит нагнетатель рабочего тела 199, вход 200 которого сообщен с окружающей средой, термокамеру 201, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, сообщена дренажным клапаном 202 с окружающей средой, расширитель рабочего тела 203, вход 204 которого сообщен с выходом 205 нагнетателя рабочего тела 199. При этом расширитель 203 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23.

Для регулирования расхода рабочего тела нагнетатель 199 на выходе 205 в расширитель 203 может быть снабжен вентилем 206. Нагнетатель 199 может быть выполнен в виде компрессора 207, снабженного двигателем 208. Регулирование расхода рабочего тела через расширитель 203 может быть также выполнено в нагнетателе 199 за счет изменения мощности двигателя 208 либо расхода компрессора 207. Для системы открытого типа рабочее тело в расширителе 203 совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 201.

Предложенная система 1 охлаждения среды (фиг.31) работает следующим образом. Нагнетатель 199 подает воздух из атмосферы на вход 204 расширителя рабочего тела. Далее поступивший в расширитель 203 воздух в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе 205 из расширителя получается более холодный воздух, чем поступивший на вход 204. Охлажденный воздух поступает в термокамеру 201, из которой часть находящегося там воздуха через дренажный клапан 202 возвращается в окружающую среду, обеспечивая тем самым постоянное давление в термокамере. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи и тепломассопереноса рабочего тела.

Если температура рабочего тела, поступающего из нагнетателя 199 на вход 204 расширителя 203, выше температуры среды в термокамере 201, то возможен режим поддержания этой температуры. Для этого, в зависимости от используемого способа, в расширителе 203 устанавливается либо соответствующее значение перепада давления клапана перепуска (см., например, фиг.7 поз.28), либо положение коммутатора 37 (см., например, фиг.9), при котором перепускной канал 27 обеспечивает соответствующий объем расширительной камеры.

При этом расширитель 203 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23.

Для регулирования расхода рабочего тела нагнетатель 199 на выходе 205 в расширитель 203 может быть снабжен вентилем 206. Нагнетатель 199 может быть выполнен в виде компрессора 207, снабженного двигателем 208. Регулирование расхода рабочего тела через расширитель 203 может быть также выполнено в нагнетателе 199 за счет изменения мощности двигателя 208 либо расхода компрессора 207. Для системы открытого типа рабочее тело в расширителе 203 совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 201.

Предложенная система 1 охлаждения среды (фиг.31) работает следующим образом. Нагнетатель 199 подает воздух из атмосферы на вход 204 расширителя рабочего тела. Далее поступивший в расширитель 203 воздух в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе 203 из расширителя получается более холодный воздух, чем поступивший на вход 204. Охлажденный воздух поступает в термокамеру 201, из которой часть находящегося там воздуха через дренажный клапан 202 возвращается в окружающую среду, обеспечивая тем самым постоянное давление в термокамере. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи и тепломассопереноса рабочего тела.

Если температура рабочего тела, поступающего из нагнетателя 199 на вход 204 расширителя 203, выше температуры среды в термокамере 201, то возможен режим поддержания этой температуры. Для этого, в зависимости от используемого способа, в расширителе 203 устанавливается либо соответствующее значение перепада давления клапана перепуска (см., например, фиг.7 поз.28), либо положение коммутатора 37 (см., например, фиг.9), при котором перепускной канал 27 обеспечивает соответствующий объем расширительной камеры.

Таким образом, в рассматриваемом варианте температуры газообразной среды в термокамере 201, может быть, как ниже, так и выше температуры атмосферного воздуха.

Система охлаждения среды открытого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.32, содержит нагнетатель рабочего тела 209, вход 210 которого сообщен с окружающей средой, термокамеру 211, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, сообщена дренажным клапаном 212 с окружающей средой, расширитель рабочего тела 213, вход 214 которого сообщен с выходом 215 нагнетателя рабочего тела 209. При этом расширитель 213 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23.

Для регулирования расхода рабочего тела нагнетатель 209 на выходе 215 в расширитель 213 может быть снабжен вентилем 216. Нагнетатель 209 может быть выполнен в виде центробежного уплотнителя 217, снабженного двигателем 218. Регулирование расхода рабочего тела через расширитель 213 может быть также выполнено в нагнетателе 209 за счет изменения мощности двигателя 218 либо расхода центробежного уплотнителя 217. Для системы открытого типа рабочее тело в расширителе 213 совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 211.

Предложенная система 1 охлаждения среды (фиг.32) работает следующим образом. Нагнетатель 209 подает воздух из атмосферы на вход 204 расширителя рабочего тела. Далее поступивший в расширитель 213 воздух в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе из расширителя получается более холодный воздух, чем поступивший на вход 214. Охлажденный воздух поступает в термокамеру 211, из которой часть находящегося там воздуха через дренажный клапан 212 возвращается в окружающую среду, обеспечивая тем самым постоянное давление в термокамере. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи и тепломассопереноса рабочего тела.

Если температура рабочего тела, поступающего из нагнетателя 209 на вход 214 расширителя 213, выше температуры среды в термокамере 211, то возможен режим поддержания этой температуры, т.е. нагрев воздуха в термокамере 211. Для этого, в зависимости от используемого способа регулирования, в расширителе 213 устанавливается либо соответствующее значение перепада давления клапана перепуска (см., например, фиг.6 поз.28), либо положение коммутатора 37 (см., например, фиг.8), при котором перепускной канал 27 обеспечивает соответствующий объем расширительной камеры.

Таким образом, в рассматриваемом варианте температура газообразной среды в термокамере 211, может быть, как ниже, так и выше температуры атмосферного воздуха. Тем самым система обеспечивает охлаждение или нагрев воздуха в термокамере 211.

Система терморегулирования среды открытого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.27, содержит нагнетатель рабочего тела 219, вход 220 которого сообщен с окружающей средой, термокамеру 221, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, сообщена дренажным клапаном 222 с окружающей средой, расширитель рабочего тела 223, вход 224 которого сообщен с выходом 255 нагнетателя рабочего тела 219. При этом расширитель 223 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.5, 11-20. Для регулирования расхода рабочего тела нагнетатель 219 на выходе 225 в расширитель 223 может быть снабжен вентилем 226. Нагнетатель 219 может быть выполнен в виде центробежного уплотнителя 227, снабженного турбиной 228. Регулирование расхода рабочего тела через расширитель 223 может быть также выполнено в нагнетателе 219 за счет изменения мощности турбины 228 либо расхода центробежного уплотнителя 227. Для системы открытого типа рабочее тело в расширителе 223 совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 221.

Предложенная система 1 охлаждения среды (фиг.33) работает следующим образом. Нагнетатель 219 подает воздух из атмосферы на вход 214 расширителя рабочего тела. Далее поступивший в расширитель 223 воздух в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе из расширителя получается более холодный воздух, чем поступивший на вход 224. Охлажденный воздух поступает в термокамеру 221, из которой часть находящегося там воздуха через дренажный клапан 222 возвращается в окружающую среду, обеспечивая тем самым постоянное давление в термокамере. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи и тепломассопереноса рабочего тела.

Если температура рабочего тела, поступающего из нагнетателя 219 на вход 224 расширителя 223, выше температуры среды в термокамере 221, то возможен режим поддержания этой температуры, т.е. нагрев воздуха в термокамере 221. Для этого, в зависимости от используемого способа регулирования, в расширителе 223 устанавливается либо соответствующее значение перепада давления клапана перепуска (см., например, фиг.7 поз.28) либо положение коммутатора 37 (см., например, фиг.9), при котором перепускной канал 27 обеспечивает соответствующий объем расширительной камеры.

Таким образом, в рассматриваемом варианте температура газообразной среды в термокамере 221, может быть, как ниже, так и выше температуры атмосферного воздуха.

Предложенная система 2 охлаждения среды является одним из вариантов выполнения закрытого типа системы охлаждения газообразной среды, основанной на использовании предложенного способа по одному из п.п.1-5 и расширительных устройств по одному из п.п.6-21 для его осуществления.

Система охлаждения среды закрытого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.24, содержит двигатель 230, связанный с расширителем 231 рабочего тела, термокамеру 232, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, сообщена обратным каналом 233 с входом 234 расширителя 231, а выход его выпускного канала 235 сообщен с термокамерой 232. При этом расширитель 231 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23. Для регулирования расхода рабочего тела на входе в расширитель 231 может быть установлен вентиль 236. Для системы закрытого типа рабочее тело в расширителе 231 совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 232.

Предложенная система 2 охлаждения среды (фиг.24) работает следующим образом. Расширитель 231 через вход 234 по обратному каналу 233 за счет разряжения в расширительной камере засасывает рабочее тело из термокамеры 232. Далее поступившее в расширитель 231 рабочее тело в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе 235 из расширителя получается более холодное рабочее тело, чем поступившее на вход 234. Охлажденное рабочее тело поступает в термокамеру 232, из которой часть находящегося там рабочего тела по обратному каналу 233 вновь возвращается в расширитель 231, обеспечивая тем самым постоянное давление в термокамере. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи и тепломассопереноса рабочего тела.

В рассматриваемом варианте температура газообразной среды в термокамере 232 может быть только ниже температуры рабочего тела, поступающего в расширитель231. Тем самым система охлаждения в результате циркулирования рабочего тела по замкнутому контуру обеспечивает его постепенное охлаждение газообразной среды в термокамере 232.

Система охлаждения среды закрытого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.35, содержит нагнетатель рабочего тела 237, вход 238 которого сообщен обратным каналом 239 с термокамерой 240, содержащей охлаждаемую газообразную среду, расширитель рабочего тела 241, вход 242 которого сообщен с выходом 243 нагнетателя рабочего тела 237. При этом расширитель 241 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23.

Для регулирования расхода рабочего тела нагнетатель 237 на входе 242 в расширитель 241 может быть снабжен вентилем 244. Нагнетатель 237 может быть выполнен в виде компрессора 245, снабженного двигателем 246. Изменение расхода рабочего тела через расширитель 241 может быть также выполнено в нагнетателе 237 за счет изменения мощности двигателя 246, либо расхода компрессора 245. Для системы закрытого типа рабочее тело в расширителе 241 совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 240.

Предложенная система 2 охлаждения среды (фиг.35) работает следующим образом. Нагнетатель 237 подает рабочее тело из термокамеры 240 на вход 242 расширителя рабочего тела. Далее поступившее в расширитель 241 рабочее тело в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе из расширителя 241 получается более холодное рабочее тело, чем поступившее на вход 242. Охлажденное рабочее тело поступает в термокамеру 240, из которой часть находящейся там охлаждаемой среды по обратному каналу 239 возвращается в нагнетатель, обеспечивая тем самым постоянное давление в термокамере. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи и тепломассопереноса рабочего тела.

Если температура рабочего тела, поступающего из нагнетателя 237 на вход 242 расширителя 241, выше температуры среды в термокамере 240, то возможен режим поддержания этой температуры. Для этого, в зависимости от используемого способа регулирования, в расширителе 241 устанавливается либо соответствующее значение перепада давления клапана перепуска (см., например, фиг.7 поз.28), либо положение коммутатора 37 (см., например, фиг.9), при котором перепускной канал 27 обеспечивает соответствующий объем расширительной камеры.

Система охлаждения среды закрытого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.36, содержит нагнетатель рабочего тела 247, вход 248 которого сообщен обратным каналом 249 с термокамерой 250, содержащей охлаждаемую газообразную среду, расширитель рабочего тела 251, вход 252 которого сообщен с выходом 253 нагнетателя рабочего тела 237. При этом расширитель 251 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23.

Для регулирования расхода рабочего тела нагнетатель 247 на выходе 253 в расширитель 251 может быть снабжен вентилем 254. Нагнетатель 247 может быть выполнен в виде центробежного уплотнителя 255, снабженного двигателем 256. Изменение расхода рабочего тела через расширитель 251 может быть также выполнено в нагнетателе 247 за счет изменения мощности двигателя 256, либо расхода центробежного уплотнителя 255. Для системы закрытого типа рабочее тело в расширителе 251 совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 250.

Предложенная система 2 охлаждения среды (фиг.36) работает следующим образом. Нагнетатель 251 подает рабочее тело на вход 252 расширителя. Далее поступившее в расширитель 251 рабочее тело в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе из расширителя получается более холодное рабочее тело, чем поступившее на вход 252. Охлажденное рабочее тело поступает в термокамеру 250, из которой часть находящейся там газовой среды по обратному каналу 249 возвращается опять в нагнетатель 247, обеспечивая тем самым постоянное давление в термокамере. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи и тепломассопереноса рабочего тела.

Если температура рабочего тела, поступающего из нагнетателя 247 на вход 252 расширителя 251, выше температуры среды в термокамере 211, то возможен режим поддержания этой температуры, т.е. нагрев газовой среды в термокамере 250. Для этого, в зависимости от используемого способа регулирования, в расширителе 251 устанавливается либо соответствующее значение перепада давления клапана перепуска (см., например, фиг.7 поз.28) либо положение коммутатора 37 (см., например, фиг.9), при котором перепускной канал 27 обеспечивает соответствующий объем расширительной камеры.

Таким образом, в рассматриваемом варианте температура газообразной среды в термокамере 250 может как понижаться, так и повышаться. Тем самым система обеспечивает охлаждение или нагрев газообразной среды в термокамере 250.

Система охлаждения среды закрытого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.37, содержит нагнетатель рабочего тела 257, вход 258 которого сообщен обратным каналом 259 с термокамерой 260, содержащей охлаждаемую газообразную среду, расширитель рабочего тела 261, вход 262 которого сообщен с выходом 263 нагнетателя рабочего тела 257. При этом расширитель 261 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23.

Для регулирования расхода рабочего тела нагнетатель 257 на выходе 263 в расширитель 261 может быть снабжен вентилем 264. Нагнетатель 257 может быть выполнен в виде центробежного уплотнителя 265, снабженного турбиной 266. Регулирование расхода рабочего тела через расширитель 261 может быть также выполнено в нагнетателе 257 за счет изменения мощности турбины 266 либо расхода центробежного уплотнителя 265. Для системы закрытого типа рабочее тело в расширителе 261 совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 260.

Предложенная система 2 охлаждения среды (фиг.37) работает следующим образом. Нагнетатель 257 подает рабочее тело на вход 262 расширителя. Далее поступившее в расширитель 261 рабочее тело в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе из расширителя получается более холодное рабочее тело, чем поступившее на вход 262. Охлажденное рабочее тело поступает в термокамеру 260, из которой часть находящейся там газовой среды по обратному каналу 259 возвращается опять в нагнетатель 257, обеспечивая тем самым постоянное давление в термокамере. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи и тепломассопереноса рабочего тела.

Если температура рабочего тела, поступающего из нагнетателя 257 на вход 252 расширителя 251, выше температуры среды в термокамере 260, то возможен режим поддержания этой температуры, т.е. нагрев газообразной среды в термокамере 260. Для этого, в зависимости от используемого способа регулирования, в расширителе 261 устанавливается либо соответствующее значение перепада давления клапана перепуска (см., например, фиг.7 поз.28) либо положение коммутатора 37 (см., например, фиг.9), при котором перепускной канал 27 обеспечивает соответствующий объем расширительной камеры.

Таким образом, в рассматриваемом варианте температура газообразной среды в термокамере 260 может как понижаться, так и повышаться. Тем самым система обеспечивает охлаждение или нагрев газообразной среды в термокамере 260.

Предложенная система 3 терморегулирования среды является одним из вариантов выполнения открытого типа системы охлаждения газообразной среды, основанной на использовании предложенного способа по одному из п.п.1-5 и расширительных устройств по одному из п.п.6-21 для его осуществления.

Система охлаждения среды замкнутого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.38, содержит двигатель 267, связанный с расширителем 268 рабочего тела, термокамеру 269, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, снабжена теплообменным устройством 270, сообщена обратным каналом 271 с входом 272 расширителя 268, а выход его выпускного канала 273 сообщен с термокамерой 269. При этом расширитель 268 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23. Для регулирования расхода рабочего тела на входе в расширитель 268 может быть установлен вентиль 274. Для системы замкнутого типа рабочее тело в расширителе 268 не совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 269.

Предложенная система 3 охлаждения среды (фиг.38) работает следующим образом. Расширитель 268 через вход 272 по обратному каналу 271 за счет разряжения в расширительной камере засасывает рабочее тело. Далее поступившее в расширитель 268 рабочее тело в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе 273 из расширителя получается более холодное рабочее тело, чем поступившее на вход 272. Охлажденное рабочее тело поступает в теплообменное устройство 270, из которого часть находящейся там рабочего тела по обратному каналу 271 вновь возвращается в расширитель. При этом через теплообменное устройство 270 рабочее тело изменяет температуру газообразной среды, находящейся в термокамере 269. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи.

В рассматриваемом варианте системы охлаждения температура газообразной среды в термокамере 269 может быть только ниже температуры рабочего тела, поступающего в расширитель 268. Тем самым система охлаждения в результате циркулирования рабочего тела по замкнутому контуру обеспечивает постепенное охлаждение газообразной среды в термокамере 269.

Система терморегулирования среды замкнутого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.39, содержит нагнетатель рабочего тела 275, вход 276 которого сообщен обратным каналом 277 с термокамерой 278, которая содержит охлаждаемую газообразную среду, снабжена теплообменным устройством 279, расширитель 280 рабочего, вход 281 которого сообщен с выходом 282 нагнетателя 275, а выход его выпускного канала 283 сообщен с термокамерой 278. При этом расширитель 280 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23.

Для регулирования расхода рабочего тела нагнетатель 275 на входе 282 в расширитель 280 может быть снабжен вентилем 284. Нагнетатель 275 может быть выполнен в виде компрессора 285, снабженного двигателем 286. Регулирование расхода рабочего тела через расширитель 280 может быть также выполнено в нагнетателе 275 за счет изменения мощности двигателя 286 либо расхода компрессора 285. Для системы замкнутого типа рабочее тело в расширителе 280 не совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 278.

Предложенная система 3 охлаждения среды (фиг.39) работает следующим образом. Нагнетатель 280 подает рабочее тело из термокамеры 278 на вход 281 расширителя рабочего тела. Далее поступившее в расширитель 280 рабочее тело в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе из расширителя 280 получается более холодное рабочее тело, чем поступившее на вход 281. Охлажденное рабочее тело поступает в теплообменное устройство 279, из которого часть находящейся там рабочего тела по обратному каналу 277 возвращается в нагнетатель. Тем самым система охлаждения в результате циркулирования рабочего тела по замкнутому контуру обеспечивает постепенное охлаждение газообразной среды в термокамере 278. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи через стенки теплообменного устройства 279.

Если температура рабочего тела, поступающего из нагнетателя 275 на вход 281 расширителя 280, выше температуры среды в термокамере 278, то возможен режим поддержания этой температуры, т.е. нагрев газовой среды в термокамере. Для этого, в зависимости от используемого способа регулирования, в расширителе 280 устанавливается либо соответствующее значение перепада давления клапана перепуска (см., например, фиг.7 поз.28) либо положение коммутатора 37 (см., например, фиг.9), при котором перепускной канал 27 обеспечивает соответствующий объем расширительной камеры.

Таким образом, в рассматриваемом варианте температура газообразной среды в термокамере 278 может как понижаться, так и повышаться. Тем самым система обеспечивает охлаждение или нагрев газовой среды в термокамере 278.

Система охлаждения среды замкнутого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.40, содержит нагнетатель рабочего тела 287, вход 288 которого сообщен обратным каналом 289 с термокамерой 290, содержащей охлаждаемую газообразную среду, снабженную теплообменным устройством 291, расширитель рабочего тела 292, вход 293 которого сообщен с выходом 294 нагнетателя рабочего тела 287. При этом расширитель 292 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23.

Для регулирования расхода рабочего тела нагнетатель 287 на выходе 294 в расширитель 292 может быть снабжен вентилем 295. Нагнетатель 287 может быть выполнен в виде центробежного уплотнителя 296, снабженного двигателем 297. Регулирование расхода рабочего тела через расширитель 292 может быть также выполнено в нагнетателе 287 за счет изменения мощности двигателя 297 либо расхода центробежного уплотнителя 296. Для системы закрытого типа рабочее тело в расширителе 292 не совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 290.

Предложенная система 3 охлаждения среды (фиг.40) работает следующим образом. Нагнетатель 287 подает рабочее тело на вход 293 расширителя. Далее поступившее в расширитель 292 рабочее тело в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе из расширителя получается более холодное рабочее тело, чем поступившее на вход 293. Охлажденное рабочее тело поступает в теплообменное устройство 291, из которого часть находящегося там рабочего тела по обратному каналу 289 возвращается опять в нагнетатель 287. Тем самым система охлаждения в результате циркулирования рабочего тела по замкнутому контуру обеспечивает постепенное охлаждение газообразной среды в термокамере 290. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи.

Если температура рабочего тела, поступающего из нагнетателя 287 на вход 293 расширителя 292, выше температуры среды в термокамере 290, то возможен режим поддержания этой температуры, т.е. нагрев газовой среды в термокамере 290. Для этого, в зависимости от используемого способа регулирования, в расширителе 292 устанавливается либо соответствующее значение перепада давления клапана перепуска (см., например, фиг.7 поз.28), либо положение коммутатора 37 (см., например, фиг.9), при котором перепускной канал 27 обеспечивает соответствующий объем расширительной камеры.

Таким образом, в рассматриваемом варианте температура газообразной среды в термокамере 290 может как понижаться, так и повышаться. Тем самым система обеспечивает охлаждение или нагрев газообразной среды в термокамере 290.

Система охлаждения среды замкнутого типа с различными способами понижения температуры, представленная на фиг.35, содержит нагнетатель рабочего тела 298, вход 299 которого сообщен обратным каналом 300 с термокамерой 301, содержащей охлаждаемую газообразную среду, снабженную теплообменным устройством 302, расширитель рабочего тела 303, вход 304 которого сообщен с выходом 305 нагнетателя рабочего тела 298. При этом расширитель 303 рабочего тела может быть выполнен в виде одного из расширительных устройств, показанных на фиг.6, 12-23.

Для регулирования расхода рабочего тела нагнетатель 298 на выходе 305 в расширитель 303 может быть снабжен вентилем 306. Нагнетатель 298 может быть выполнен в виде центробежного уплотнителя 307, снабженного турбиной 308. Регулирование расхода рабочего тела через расширитель 303 может быть также выполнено в нагнетателе 298 за счет изменения мощности турбины 308 либо расхода центробежного уплотнителя 307. Для системы замкнутого типа рабочее тело в расширителе 303 не совпадает с охлаждаемой газообразной средой, находящейся в термокамере 301.

Предложенная система 3 охлаждения среды (фиг.41) работает следующим образом. Нагнетатель 298 подает рабочее тело на вход 304 расширителя. Далее поступившее в расширитель 303 рабочее тело в зависимости от типа используемого расширителя (см. п.п.6-21 формулы) подвергается воздействию в соответствии с одним из предложенных способов (см.п.п.1-5 формулы). В результате на выходе из расширителя получается более холодное рабочее тело, чем поступившее на вход 304. Охлажденное рабочее тело поступает в теплообменное устройство 302, из которого часть находящейся там рабочего тела по обратному каналу 300 возвращается опять в нагнетатель 298. Тем самым система охлаждения в результате циркулирования рабочего тела по замкнутому контуру обеспечивает постепенное охлаждение газообразной среды в термокамере 301. Теплообмен в системе осуществляется за счет теплопередачи.

Если температура рабочего тела, поступающего из нагнетателя 298 на вход 304 расширителя 303, выше температуры среды в термокамере 301, то возможен режим поддержания этой температуры, т.е. нагрев газообразной среды в термокамере 301. Для этого, в зависимости от используемого способа регулирования, в расширителе 303 устанавливается либо соответствующее значение перепада давления клапана перепуска (см., например, фиг.6 поз.28), либо положение коммутатора 37 (см., например, фиг.8), при котором перепускной канал 27 обеспечивает соответствующий объем расширительной камеры.

Таким образом, в рассматриваемом варианте температура газообразной среды в термокамере 301 может как понижаться, так и повышаться. Тем самым система обеспечивает охлаждение или нагрев газообразной среды в термокамере 301.

Помимо технических решений, указанных выше, также предлагаются следующие технические решения.

1. В соответствии с предлагаемым техническим решением в системе 2 или 3 (фиг.28-35) в качестве рабочего тела использован инертный газ, например, гелий или аргон.

Данное техническое решение направлено на снижение энергозатрат при обеспечении требуемого давления газовой среды, поступающей на вход системы охлаждения закрытого или замкнутого типа.

2. В соответствии с предлагаемым техническим решением в системе 2 или 3 (фиг.28-35) в качестве рабочего тела использован двухатомный газ, например водород или азот, или смесь двухатомных газов, например воздух.

Данное техническое решение направлено на снижение энергозатрат для обеспечения требуемого давления газовой среды, поступающей на вход системы охлаждения закрытого или замкнутого типа.

3. В соответствии с предлагаемым техническим решением в исходной системе (фиг.32-35) в качестве рабочего тела использован трехатомный газ, например углекислый газ.

Данное техническое решение направлено на повышение энергоотдачи при осуществлении рабочего процесса расширения рабочего тела в системе охлаждения закрытого или замкнутого типа.

Изобретения относятся к области машиностроения, а именно энергомашиностроения и, в частности, к способам и устройствам осуществления рабочего процесса в системах охлаждения и кондиционирования. Способ охлаждения рабочего тела включает впуск рабочего тела от источника во впускную камеру расширительной камеры, запирание впущенного рабочего тела в расширительной камере, последующее увеличение объема запертого рабочего тела, осуществляемое с понижением его температуры и давления до уровня более низкого, чем давление рабочего тела в источнике, удаление рабочего тела из расширительной камеры при достижении максимального объема расширительной камеры. Последующее увеличение объема запертого рабочего тела выполняют путем принудительного увеличения объема расширительной камеры за счет энергии, подводимой к расширительной камере. После завершения принудительного увеличения объема открывают доступ в расширительную камеру рабочего тела от потребителя, затем образованную в расширительной камере смесь удаляют к потребителю. Расширяется диапазон и повышается точность понижения температуры рабочего тела, повышается КПД, упрощается и повышается эффективность функционирования системы охлаждения среды в замкнутом, закрытом и открытом объеме. 5 н. и 24 з.п. ф-лы, 41 ил.

1. Способ охлаждения рабочего тела, включающий впуск рабочего тела от источника во впускную камеру расширительной камеры, запирание впущенного рабочего тела в расширительной камере, последующее увеличение объема запертого рабочего тела, осуществляемое с понижением его температуры и давления до уровня, более низкого, чем давление рабочего тела в источнике, удаление рабочего тела из расширительной камеры при достижении максимального объема расширительной камеры, отличающийся тем, что последующее увеличение объема запертого рабочего тела выполняют путем принудительного увеличения объема расширительной камеры за счет энергии, подводимой к расширительной камере, после завершения принудительного увеличения объема открывают доступ в расширительную камеру рабочего тела от потребителя, затем образованную в расширительной камере смесь удаляют к потребителю.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что увеличение объема рабочего тела осуществляют путем принудительного увеличения объема расширительной камеры за счет энергии двигателя.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что увеличение объема рабочего тела осуществляют путем принудительного увеличения объема очередной расширительной камеры за счет энергии источника рабочего тела, для чего повышают температуру и давление рабочего тела в источнике, предварительно впускают рабочее тело от источника в расширительную камеру, предшествующую очередной, запирают в ней впущенное рабочее тело, затем увеличивают объем запертого рабочего тела путем увеличения объема содержащей его расширительной камеры за счет использования его внутренней энергии, при этом впускают рабочее тело в очередную расширительную камеру, причем увеличение объема размещенного в ней рабочего тела осуществляют как за счет энергии, получаемой в предшествующей расширительной камере, так и кинетической энергии, запасенной движущимися частями расширительного устройства.4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что при снижении давления рабочего тела в расширительной камере до заданного уровня перепада давления рабочего тела относительно источника часть рабочего тела от источника перепускают с дросселированием в расширительную камеру.5. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что при достижении расширительной камерой заданного объема часть рабочего тела от источника перепускают с дросселированием в расширительную камеру.6. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее источник и потребитель рабочего тела, расширительное устройство, его корпус с полостью, рабочий орган, размещенный в полости, привод, состоящий из двигателя, связанного с рабочим органом общим элементом, расширительную камеру, образованную поверхностями полости и рабочего органа, сообщенную впускным каналом с источником, а выпускным каналом - с потребителем рабочего тела, газораспределительное устройство, выполненное периодически перекрывающим впускной и выпускной каналы, обеспечивающее сообщение расширительной камеры с впускным каналом при ее увеличении от начального объема до объема впускной камеры, с выпускным каналом при достижении ей максимального объема, снабженное управляемыми запорными устройствами впускного и выпускного каналов, при этом впускная камера составляет часть расширительной камеры, которая при минимальном объеме расширительной камеры сообщена впускным каналом с источником рабочего тела, причем максимальный объем впускной камеры задан газораспределительным устройством, отличающееся тем, что управление запорными устройствами обеспечивается посредством их связи с рабочим органом и общим элементом, в соответствии с которой при увеличении объема расширительной камеры от ее начального объема до объема впускной камеры впускной канал открыт, а выпускной канал закрыт, при увеличении объема расширительной камеры от объема впускной камеры до своего максимального объема впускной и выпускной каналы закрыты, при уменьшении объема расширительной камеры от ее максимального объема до се начального объема выпускной канал открыт, а впускной канал закрыт.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что начальное значение объема расширительной камеры равно нулю.8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что начальное значение объема расширительной камеры равно объему впускной камеры.9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что источник рабочего тела совпадает с его потребителем, впускной канал совмещен с выпускным каналом, запорные устройства выполнены как общие элементы для впускного и выпускного каналов.10. Устройство п.9, отличающееся тем, что расширительное устройство рабочего тела снабжено дополнительной расширительной камерой, газораспределительное устройство выполнено обеспечивающим поочередное сообщение каждой расширительной камеры с впускным каналом при ее увеличении от начального объема до объема впускной камеры, с выпускным каналом при ее уменьшении от максимального объема до начального объема.11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что газораспределительное устройство снабжено перепускным каналом, выход которого сообщен с расширительной камерой, а его вход сообщен с источником рабочего тела, дроссельным устройством, установленным в перепускном канале, выход перепускного канала выполнен в стенке расширительной камеры за пределами впускной камеры.12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что газораспределительное устройство снабжено клапаном перепада давления, перекрывающим перепускной канал, оборудованным датчиками давления, причем вход одного датчика давления сообщен с расширительной камерой, вход другого датчика давления сообщен с источником рабочего тела.13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что размещение выхода перепускного канала выполнено обеспечивающим его сообщение с расширительной камерой при заданном объеме расширительной камеры.14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что перепускное устройство снабжено газовым коммутатором, выполненным соединяющим его входное отверстие с одним из его выходных отверстий, оборудованным ответвлениями перепускного канала, при этом входное отверстие газового коммутатора сообщено с перепускным каналом, каждое входное отверстие его ответвлений сообщено с соответствующим выходным отверстием газового коммутатора, а выходные отверстия его ответвлений сообщены с расширительной камерой.15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что привод расширительного устройства выполнен в виде преобразователя энергии, общий элемент выполнен в виде механического преобразователя энергии двигателя, например толкателя, штока, ротора или вала с кривошипно-шатунным механизмом.16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что привод расширительного устройства выполнен в виде нагнетательного устройства для рабочего тела, снабженного двигателем, при этом вход нагнетательного устройства сообщен с источником рабочего тела, а выход сообщен с впускным каналом расширительного устройства.17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что нагнетательное устройство для рабочего тела выполнено в виде компрессора.18. Устройство по п.16, отличающееся тем, что нагнетательное устройство для рабочего тела выполнено в виде центробежного уплотнителя, содержащего корпус с полостью, снабженной входным каналом, соединительным каналом, сообщающим полость уплотнителя с потребителем уплотненной газообразной среды, рабочей камерой, коллектором, образованным зазором между камерой и стенкой полости корпуса уплотнителя, сообщенным с соединительным каналом полости корпуса уплотнителя, при этом рабочая камера выполнена в виде полой оболочки, установлена на валу, размещена в полости корпуса с возможностью вращения относительно оси вала, снабжена входным каналом, выполненным в ее приосевой части, выходными отверстиями, выполненными в ее периферийной части, внутренними перегородками, образующими каналы, сообщенные с входным каналом и выходными отверстиями рабочей камеры, причем площадь поперечного сечения впускного канала рабочей камеры превышает суммарную площадь поперечного сечения выпускных отверстий.19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что нагнетательное устройство для рабочего тела снабжено пусковым устройством, при этом двигатель нагнетательного устройства выполнен в виде газовой турбины, установленной на одном валу с рабочей камерой центробежного уплотнителя, снабженной впускным каналом, сообщенным с выходом соединительного канала центробежного уплотнителя и выходным каналом пускового устройства.20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что расширительное устройство выполнено в виде роторной машины, полость ее корпуса выполнена в виде цилиндра, снабжена впускным устройством, имеющим впускной канал, а также выпускным устройством, имеющим выпускной канал, общий элемент привода выполнен в виде цилиндрического ротора, который размещен в полости корпуса с возможностью вращения относительно своей продольной оси, смещен в радиальном направлении до касания с поверхностью полости корпуса, снабжен пазами, выполненными по периферии ротора в его осевых плоскостях и расположенными по окружности, рабочий орган представляет собой заслонку, которая выполнена в виде прямоугольной пластины, подпружинена и установлена в пазу ротора, расширительная камера образована поверхностями полости, заслонки и ротора, запорное устройство впускного канала выполнено в виде золотникового устройства, образованного кромками углубления в роторе, которое сообщает расширительную камеру с впускным каналом, запорное устройство выпускного канала выполнено в виде золотникового устройства, образованного кромками заслонки и окна в стенке полости, которое сообщает расширительную камеру с выпускным каналом, при этом впускная камера снабжена углублением, имеющим объем, равный начальному объему впускной камеры, выполненным на поверхности ротора примыкающим к его пазу, сообщаемым с впускным каналом посредством золотникового устройства, причем полость корпуса снабжена уплотнительным устройством, размещенным около линии ее касания с ротором.21. Устройство по п.19, отличающееся тем, что расширительное устройство рабочего тела выполнено в виде поршневой машины, полость ее корпуса выполнена в виде цилиндра, снабжена впускным устройством, имеющим впускной канал, а также выпускным устройством, имеющим выпускной канал, общий элемент привода выполнен в виде вала с кривошипно-шатунным механизмом, размещенного в полости корпуса с возможностью вращения относительно своей продольной оси, рабочий орган представляет собой поршень, связанный с валом посредством его кривошипно-шатунного механизма, расширительная камера образована поверхностями полости и поршня, запорное устройство впускного канала выполнено в виде золотникового или клапанного устройства, которое сообщает расширительную камеру с впускным каналом, запорное устройство выпускного канала выполнено в виде золотникового или клапанного устройства, которое сообщает расширительную камеру с выпускным каналом, при этом впускная камера снабжена углублением, имеющим объем, равный начальному объему расширительной камеры, выполненным на ее поверхности, сообщаемым с впускным каналом посредством его запорного устройства.22. Устройство по п.20, отличающееся тем, что уплотнительное устройство полости корпуса выполнено в виде волнообразного выступа, расположенного на цилиндрической поверхности полости корпуса и направленного от линии ее касания с ротором в сторону вращения ротора, который отстоит от поверхности ротора на величину зазора.23. Устройство по п.20, отличающееся тем, что уплотнительное устройство полости корпуса выполнено в виде волнообразного выступа, расположенного на цилиндрической поверхности полости корпуса и направленного от линии ее касания с ротором в сторону, противоположную вращению ротора, который отстоит от поверхности ротора на величину зазора и снабжен окном, сообщенным с входом выпускного канала полости корпуса.24. Устройство по п.22 или 23, отличающееся тем, что в качестве рабочего тела использован инертный газ, например гелий или аргон.25. Устройство по п.22 или 23, отличающееся тем, что в качестве рабочего тела использован двухатомный газ, например водород или азот, или смесь двухатомных газов, например воздух.26. Устройство по п.22 или 23, отличающееся тем, что в качестве рабочего тела использован трехатомный газ, например углекислый газ.27. Система охлаждения среды, содержащая устройство охлаждения рабочего тела, термокамеру, которая содержит газообразную среду, сообщена каналом с окружающей средой, отличающаяся тем, что устройство охлаждения рабочего тела выполнено в виде устройства по одному из пп.6-21, у которого источником рабочего тела является окружающая среда, потребителем рабочего тела является термокамера.28. Система охлаждения среды, содержащая устройство охлаждения рабочего тела, термокамеру, которая содержит газообразную среду, отличающаяся тем, что устройство охлаждения рабочего тела выполнено в виде устройства по одному из пп.6-21, у которого источником и потребителем рабочего тела является термокамера, которая снабжена обратным каналом, выход которого сообщен с входом нагнетательного устройства рабочего тела.29. Система терморегулирования среды, содержащая устройство охлаждения рабочего тела, теплообменное устройство, которое размещено в термокамере, содержащей газообразную или жидкую среду, отличающаяся тем, что устройство охлаждения рабочего тела выполнено в виде устройства по одному из пп.6-21, у которого источником и потребителем рабочего тела является теплообменное устройство, снабжено обратным каналом, выход которого сообщен с входом нагнетательного устройства, а вход сообщен с выходом выпускного канала расширительного устройства рабочего тела.