Способ получения холода или тепла и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК F25B9/02 

Предлагается способ получения холода или тепла в потоке газа в замкнутем coeyas, пазшадяющий упреетить устройства для получения холеда и тепла и устранить в них двмкущиеся части.

Отличительная особенность способа заключается в том, что в потоке газа создают объемные колебания,при которых поток пониженного давления газа используется для получения пониженных температур (холода), а поток с повьшенным давлением газа для получения повьшенных температур (тепла),

Для веущ§ет1л1ния епеееба предлагается уетройет1о, сосуд-ре1онатвр которого представляет замкнутьЛ цилиндр, снабженный в торцовых частях клапанами, один из которых посредством кулачкового или другого механизма открывается принудительно и синхронно с частотой объемных колебаний газа в сосуде, а другой подпружинен и открывается автоматически под действием избыточного давления. Для повышения эффективности работы сосуд-резонатор выполняется также в форме цш1индра с переменным профилем сечения, плавно сужающимся к его середине. Кроме того, предлагаемое устройство может быть видоизменено тем, что сосуд-резонатор выполняется многоступенчатым, На фиг,1 изображена схема сосударезонатора, один из клапанов которого выполнен с принудительным управле нием; на фиг,2 - диаграмма S-T состояния газа; на фиг, 3 - схема сосуда-резонатора с автоматически действующими клапанами; на фиг, 4 - то же с переменным профилем сечения; на фиг, 5 - схема видоизмененного устройства с многоступенчатым сосудом резонатором; на фиг, 6 - схема испол зования устройства для простейшего холодильного цикла; на фиг, 7 - схема применения видоизмененного устрой ства для сжижения газа, Сосуд-резонатор устройства выпол нен в виде замкнутого цилиндра 1 .дли ной LO В средней части цилиндра по трубе . подается сжатый газ при дав лении Рр и температуре Т, В левом торце цилиндра 1 помещен клапан 3 принудительного действия и открьгеае ся, например, эксцентриком 4, приче частоту и величину открытий клапана можно регулировать по желанию, EcjfH подобрать продолжительность и частоту открытия клапана так,чтоб она равнялась периоду t объемных колебаний газа в сосуде-резонаторе, и если время открытия клапана 3 буд совпадать с моментом минимума давле ния в этом конце цилицдра 1, то мож но показать, что таким путем можно создавать и поддерживать акустические колебания в цилиндре. При этом ин:тенсивность колебаний определяется величиной и продолжительностью открытия клапана 3, При объемных ко лебаниях в резонаторе, имеющем форм цилиндра длиной L, она будет равна половине длины свободных акустических волн и период колебаний газа в цилиндре определится из выражения t t - ---, где С - скорость звука в газе. ние давления и температуры вдоль цилиндра в момент времени, когда в газе отсутствует кинетическая энергия акустических колебаний, можно получить из ST диаграммы состояния (фиг,2) и из условия, что общая энергия газа остается за период колебания постоянной. При этом точки РдТд, и лежали бы на вертикальной прямой S const, Конечно, на практике при определенной разнице давления и разности температуры , на концах цилиндра будет несколько меньше полученной из диаграммы при S const благодаря потерям, поскольку суммарная энтропия газа должна возрастать. Эти потери также приведут к тому,что для поддержания колебаний постоянной шстенсивности в резонаторе нужно будет непрерывно пропускать некоторое количество газа через клапан 3, На другом торце цяпивдра 1 помещен автоматический клапан 5, устроенный так, что он начинает открываться, когда давление на этом конце цилиндра будет больше Р , Такиьг образом, если путем дальнейшего увеличенгй открытия клапана 3 интенсифицировать акустические колебания в цилиндре, то ия клапана 5 цилиндра будет вытекать газ более высокой температуры Tj, и давления Р. , чем в основном потоке , и при этом эта температура и давление будут близко соответствовать тем, которые получаются при адиабатическом сжатии, В другом конце цилиндра 1 через клапан 3 газ будет течь при пониженном давлении Р. и температуре Т, тоже близко соответствующих полученным при расширении газа адиабатическим путем. Таким образом, основной поток газа будет разделен на два, один из которых может быть использован для получения холода, а другой для получения тепла. Клапан 3 принудительного действия на конце сосуда-резонатора I может быть заменен автоматически действующим клапаном, идея конструкции которого показана фиг.З Пружина 6 отодвигает тарелку 7, и если давление в резонаторе немногим более давления Р. , то пружина удерживает клапан в открытом состоянии. Когда же давление в резонаторе будет значительно больше Р , то клапан закроет5ся и будет закрыт до тех пор,пока давление в резонаторе опять не упадет до величины близкой к Р,, Нетрудно видеть, что клапан такой конструкции будет работать подобно языку в обычной органной трубе. Он будет открывать клапан в нужный для поддержания колебаний момент, а продолжительность открытия определится силой пружины 6, натяжение которой можно устанавливать по желанию. Продолжительность откры.1Я позволяет определить интенсивность объемных колебаний в сосуде-резонаторе.

Величина наиболее возможного перепада давления вдоль цилиндра,создаваемая объемными колебаниями, будет иметь принципиальное ограничение. Так, например, при сосуде-резонаторе им°еющем форму цилиндра постоянного течения, максимальная скорость газа, которая достигается в средней части трубы, не может превосходить скорость звука, это и ограничивает интенсивность колебаний. Практическое ограничение также вызвано появлением акустических колебаний с волнами ударного типа,

Дпя того, чтобы увеличить рабочий перепад давления вдоль сосуда-резонатора, его выполняют в ввде цилиндра с переменным профилем сечения с сужениями в его средней части (фиг,4), или более сложного сечения,используя для этого известные в аэродинамических трубах профили комбинаций сверх звукового сопла и диффузора. Даже, если при таких условиях и осуществимы колебания со значительными перепадами давления вдоль цилиндра, то при этом неизбежно возрастут потери, что может уменьшить КПД термодинамического процесса.

Для получения больших перепадов давления без увеличения потерь предлагается сосуд-резонатор выполнять многоступенчатым. На фиг,5 изображена схема устройства, состоящего из соединения трех сосудов-резонаторов Если принять для простого одноступенчатого сосуда-резонатора предельное значение отношения Р. PI порядка п, то для двухступенчатого устройства отношение Р и Р будет уже порядка п. Очевидно, что число ступеней здесь можно сделать еще большим и тогда перепад давления будет увеличен п раз, где К - число сту8

пеней, которые и определяются требованиями теплового цикла.

Принципиальная схема использования устройства для простейшего холодильного цикла показана на фиг,6,

На фиг,6 изображен одноступенчатый сосуд-резонатор 8, От компрессора 9 к нему подводится газ при давлении Р и нормальной температуре ТдТ Холод - Ч,, произведенный за счет адиабатического расширения части потока газа, отбирается теплообменником 10, Часть потока газа при

повьпиенном давлении Р и температуре Т возвращают в сосуд 8, для этого его охлаждают в холодильнике 11 до нормальной температуры Т, при этом предварительно понижают его

давление путем дросселирования через вентиль 12, либо осуществляя тот же процесс обратимым путем,пропустив газ через пневматический двигатель 13, Получаемая мощность

от двигателя 13 будет соответствовать отдаваемому в теплообменнике 10 потоку холода - Q, Клапан 14 предохраняет нагнетательный трубопровод компрессора от возникновения

в нем дополнительных колебательных процессов.

Пример возможного применения устройства для цикла, предназначенного для ожижения газа, схематически

изображен на фиг,7,Компрессор 9 подает газ под давлением Рд в сосудрезонатор 8 с необходимым количеством ступеней. Газ при повьш1енном давлении Р частично идет в пневматический двигатель 13 и затем, смешиваясь с газом после компрессора 9,вновь возвращается в сосуд-резонатор 8, Другая часть газа при давлении Р охлаждается до комнатной температуры

холодильником 11, идет в противоточные теплообменники 10 и дросселируется через вентиль 12 в бачок 15, Из бачка 15 газ при давлении Р, идет в теплообменники 10, туда же идет

холодный газ из сосуда-резонатора 8, Общий поток после теплообменников 10 направляется на всасывание в компрессор 9,

Использование на практике устройства для получения обратимым образом тепла может представить интерес в тех случаях, где требуется получать большое количество тепла при невысокой температуре, например при отоплеНИИ помещения или Фракционировании низко кипящих смесей и пр. Тогда,используя от сосуда-резонатора теплый

поток газа при давлении Р и Т .можно получить тепло с термодинамическим КПД больше единицы (цикл Томсона.).

I. Способ получения холода или тепла в потоке газа в замкнутом сосуде, отличающийся тем, что в целях упрощения устройств для получения холода и тепла и устранения в них движущихся частей, в потоке газа создают объемные колебания, при которых поток пониженного давления газа используется для получения пониженных температур (холода), а поток с повьшенным давлением газа для получения повышенных температур (тепла).?.. Устройство для получения холода или тепла в потоке газа в замкну-том сосуде ПОП.1, отличающее "с я тем, что сосуд-резонатор выполнен в виде замкнутого цилиндра, снабженного в то1)цовых частях клапанами, один из которых посредством кулачкового или другого механизма открывается принудительно и синхронно с частотой объемных колебаний газа в сосуде, а другой подпружинен и открывается автоматически под действием избыточного давления газа в сосуде.3. Видоизменение сосуда-резонатора по п.2, отличающееся тем, что, с целью повьшения эффективности работы, он имеет форму цилиндра с переменным профилем сечения, плавно сужающимся к его середине.А. Видоизменение устройства по п.2, о тл ичающе е с я тем, что, с целью повьппения перепада рабочего давления, его сосуд-резонатор выполнен многоступенчатым.«О

Те

h РО PI

Фие.г

S W/75i S

ТУУЯ

РгГ,

УУЯ

B9JT

РоТо Фие.д

фиг.

.i

«Г./Ь

Фигб