Рабочий орган тепловой машины Советский патент 1992 года по МПК F04D25/00 

Изобретение относится к устройствам для производства холода и может использоваться в холодильных камерах, в частности в бытовых холодильниках.

Известна холодильная камера, содержащая рабочий орган в виде вихревой трубы. Сжатый воздух из внешней магистрали через патрубок подается в силикагелевый осушитель и теплообменник, откуда через вход поступает в вихревую трубу. После разделения в вихревой трубе холодный поток через отверстие диафрагмы и щелевой диффузор поступает в камеру холода, где охлаждает загруженные в нее образцы или изделия. Из камеры холода через кольцевую полость и второй контур теплообменника отработанный холодный поток отсасывается эжектором в атмосферу (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969, с. 120, рис 7.2).

Недостаток описанного рабочего органа холодильника- заключается в исключительно низкой его эффективности. При термодинамическом анализе холодильных аппаратов основным критерием является степень термодинамического совершенства положенных в их основу циклов. В большинстве случаев этот критерий оказывается единственно правильным, так как энергетические затраты на осуществление цикла чаще всего оказываются доминирующими в общей сумме затрат. Цикл вихревой трубы с этой точки зрения приводит к выводу о его крайнем несовершенстве. По сравнению с обратным циклом Карно КПД вихревой трубки без регистрации составляет 2-3%. Вторым недостатком такого холодильника, а следовательно, и его рабочего органа является необходимость иметь внешний источник сжатого воздуха. Если учесть, что КПД компрессора не равен 100%, то ясна исключительно низкая эффективность вихревой трубы и в комплексе с компрессором.

Известен рабочий орган тепловой машины, содержащий вал с насаженным на нем вентилятором 1.

Недостатком известного рабочего органа является повышенный расход энергии на создание потока.

Целью изобретения является повышение экономичности.

Указанная цель достигается тем, что вентилятор рабочего органа выполнен в виде двух сочлененных односторонних поверхностей по типу листов Мебиуса, причем развертки поверхностей на плоскость выполнены в виде S-образных фигур, насажен- ных своими серединами на вал и соединенных каждая внешними точками ее

в одном месте н а валу, расположенном между участками крепления поверхностей к валу, передние кромки вентилятора образованы выпуклыми и вогнутыми ребрами фигур.

На фиг. 1 показана конструктивная схема рабочего органа тепловой машины; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1-; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг. А - сечение

В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - сечение Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 - сечение Д-Д на фиг, 1; на фиг. 7 - развертка верхней поверхности рабочего органа; на фиг. 8 - развертка нижней поверхности рабочего органа тепловой машины; на фиг. 9 - сечение Е-Е на фиг. 7 и 8; на фиг. 10-сечение Ж-Ж на фиг. 7 и 8; на фиг. 11 - схема работы тепловой машины.

Рабочий орган тепловой машины (фиг. 1)

состоит из вала 1, вертикально расположенного и закрепленного на нем вентилятора, выполненного в виде двух сочлененных односторонних поверхностей 2 и 3 по типу листа Мебиуса. При этом поверхность 2 расположена выше поверхности 3.

В верхнем месте (фиг. 2) крепления поверхности 2 и в нижнем месте крепления поверхности 3 к валу 1 сечения 4 поверхностей параллельны оси вала 1.

В нижнем месте (фиг. 3) крепления поверхности 2 и в верхнем месте крепления поверхности 3 к валу 1 сечения 5 поверхностей параллельны оси вала 1.

В меридиональных сечениях (фиг. 4)

профили 6 и 7 сечений с векторами окружной скорости V составляют углы а, равные примерно 45°. При этом вал 1 имеет направление вращения Н-.В. Передние кромки 8 и 9 винта закругленные, а задние 10 и 11 острые.

В промежуточных сечениях (фиг. 5 и 6) профили 12 и 13 с векторами скорости Vi составляют углы а, заведомо значительно меньшие углов в меридиональных

сечениях.

Развертка поверхности 2 на плоскость (фиг. 7) представляет собой S-образную фигуру 14, внешние точки 15 и 16 которой соединены с одном месте на валу 1. При этом

фигура 14 надета на вал своей серединой 17. Поверхность может быть выполнена из пластины или спрофилирована в своих сечениях.

Развертка поверхности 3 на плоскость

(фиг. 8) представляет собой точно такую же S-образную фигуру 18, внешние точки 15 и 16 которой соединены в одном месте на валу 1, Причем фигура 14 надета на вал своей серединой 17. Места 17 на валу 1 расположены на внешних сторонах, а точки 15 и 16 посередине между ними.

Передние кромки 8 и 9 (фиг. 9 и 10) поверхностей 2 и 3 образованы вогнутыми ребрами фигур.

Рабочий орган тепловой машины (фиг, 11) помещен в емкость 20, в которой находится газообразная или жидкая среда 21, которая является рабочим телом для холодильника, т.е. хладоносителем. Рабочий ор- ган вращается в направлении Н.В. При этом с поверхностей рабочего органа сходят мощные вихри 22 и 23, которые перемещаются в плоскостях, перпендикулярных оси вала, т.е. эти вихри отжимаются к стенкам емкости 20. Эти вихри сопровождаются потоком 24, направленным вдоль оси вала в разные стороны от миделевой плоскости рабочего органа 19. У стенок происходит разрушение вихрей 22 и 23. Ядра вихрей 25, имеют пониженный запас энергии, более низкую температуру с окружающей средой. Периферийные участки вихрей имеют существенно большую скорость и значительно больший запас кинетической энергии. Раз- рушение вихрей происходит у стенок емкости 20. При этом ядра их движутся в направлении 26, а периферийыые участки - в направлении 27 и 28, Двигаясь в направлении 27, периферийные участки вихрей 22 и 23 вновь поступают на вход поверхностей вентилятора. Забор среды поверхностями вентилятора происходит примерно до миде- левого сечения каждой поверхности в направлении 29.

Рабочий орган тепловой машины в качестве холодильника работает следующим образом.

При вращении его в среде хладоносите- ля имеет место образование вихрей и их разрушение у стенок емкости. С поверхностей сходят вихри в виде шнуров, образующих дорожки, отбрасывающие массу назад к поверхностям по оси вала. Периферийные участки, уносящие с собой основную часть энергии вихрей, поступают каждый раз на вход поверхностей вентилятора. Таким образом имеет место разделение потока хла- доносителя на поток с высоким запасом кинетической энергии и поток с весьма низ- ким запасом кинетической энергии. Такое разделение позволяет осуществить именно вихри. Вихри могут быть и дискретными, в виде отдельных торов (бубликов), но картина разделения потока на два потока от этого не изменится.

Как следует из описания рабочего органа аэродинамического холодильника и его

работы, имеется возможность разделить поток на два с различным энергетическим запасом и поток с более низким запасом направить на охлаждение объектов или вещества, предметов и пр. Так как на образование вихрей практически уходит вся энергия, подводимая к вентилятору, то орган обладает высокой экономичностью. Кроме того, рабочий орган позволяет вырабатывать холод простым устройством без радиаторов.

Рабочий орган в качестве нагревателя работает следующим образом.

При вращении рабочего органа в среде 21 имеет место образование вихрей и сильная циркуляция среды. Это обусловлено тем, что с каждой поверхности сходят два вихря в виде шнуров, образующих дорожку Дорожки поверхностей, сталкиваясь на меридиональной плоскости, поворачивают в стороны, к стенкам емкости 21. При разрушении вихрей происходит разделение потока на два. Один из них, высокоэнергетический, направлен от поверхностей рабочего органа, нагревая объекты, а второй, низкоэнергетический , поступает вновь на вход поверхностей рабочего органа.

Как следует из описания рабочего органа аэродинамического нагревателя и его работы, имеется возможность значительно упростить его конструкцию и повысить экономичность нагрева, т.е. снизить затраты энергии на производство одной килокалории тепла. Прм равных производительно- стях тепла это позволяет выполнить аэродинамический нагреватель более компактным, значительно меньшей материалоемкости и с более высокими удельными показателями экономичности.

Формула изобретения

Рабочий орган тепловой машины, содержащий вал и насаженный на него вентилятор, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, вентилятор выполнен в виде двух сочлененных односторонних поверхностей по типу листов Мебиуса, причем развертки поверхностей на плоскость выполнены в виде S- образных фигур, насаженных своими серединами на вал и соединенных каждая внешними точками ее в одном месте на валу, расположенном между местами крепления поверхностей к валу, при этом передние кромки вентилятора образованы выпуклыми и вогнутыми ребрами фигур.

Фиг. г Х/ 5-6

Назначение: изобретение относится к устройствам для производства холода или тепла и позволяет повысить экономичность. Сущность изобретения: рабочий орган тепловой машины состоит из вала 1 и закрепленного на нем вентилятора, выполненного в виде двух сочлененных односторонних поверхностей 2 и 3 по типу листа Мебиуса. Г /V Поверхность 2 расположена выше поверхности 3. В верхнем месте крепленая поверхности 2 и в нижнем месте крепления поверхности 3 к валу 1 сечения поверхностей перпендикулярны оси вала 1. В нижнем месте крепления поверхности 2 и в верхнем месте крепления поверхности 3 к валу 1 сечения поверхностей параллельны оси вала 1. В меридиональных сечениях профили сечений с векторами окружной скорости составляют углы, равные примерно 45°. Передние кромки винта загругленные, а задние острые. Развертка поверхности 2 на плоскость представляет собой S-образ- ную фигуру, внешние точки которой соединены в одном месте на валу 1. Развертка поверхности 3 на плоскость представляет собой точно такую же S-образную фигуру. Передние кромки поверхностей 2 и 3 образованы вогнутыми ребрами фигур. 11 ил. w w Ё 2 О о о 1 JL 8 V/ Шиг.1

У Фиг.З

8

Ю

ф-Фиг.4

г-г

Фиг. 5

MS.

ф-#

S&Д-А

f

3-4с/( у

i

15

i 9

Фиг.в Фиг.10

. Фиг. 8