Теплоиспользующая газовая холодильная машина Советский патент 1979 года по МПК F25B9/00 

(54) ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ГАЗОВАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА

, 1 ,Настоящее изобретение относится к холодильной технике и может быть исподьзрвацо в различных отраслях народного хозяйства для получения умеренно низких и криогенных температур, например, в системах кондйционй рования воздуха, в оптико-электронных системах для криостатироваИйя чувствйгельных злемейтов (приемников инфракрасного излучения), в пищевой промышленности.

Известна теплоиспрльзующая газовая холодильная машина, содержащая газовый циркуляционный контур и установленш 1е в нем цилиндры, регенераторы и тбплообменные аппараты 1.

Такая машина, будучи поршневой, обладает всеми недостатками, присущими этому классу машин; во-первых, наличие возвратно-поступательно перемещаюпдахся поршней, снижает ее механическую н1адежность; возможно также заклинивание поршней - вытеснителей, поломка штоков, удары поршней о стенкн цилиндров, разрушение приводного механизма. Сборка поршневых машин требует большой тщательности и должна производиться квалифицировшшым персоналом. Это обстоятельство существенно повышает стоимость порпшевых машин. Уплотнение зазора между зеркалом цилиндра и поршнем-вытеснителем, а также ме5кду штбком и ДётаИйШ корпуса осуществляется, как правило, кольцами из антифрикционного материала. Через 100-500 часов уплотнительныё кбльца срабатьгеаются и необходима остановка ма;цшны для замены уплотнений. Серьезньш иедостатком поршневых машин, вообще, и холОдильнь1К в частности яв- , ляется их плохая уравновешенность, следствием которой являются вибра1щи. Вибрации холодильной головки приводят к серьезным трудностям при использовании зтих машин для криостатирования многих объектов радиоэлектронной техники, и прежде всего, приемников инфракрасного излучения.

Снижения зфовня вибраций можно достичь путем уравновешивания поршневых машин. Однако, уравновешивание поршневых машин связано с увеличением веса конструкции, применением сложных приводных механизмов, например, ромбического привода. Кроме того. в целом ряде случаев полное уравновешивайие парпшевых машин принципиально не возможно. Цель изобретения - устранение указанных недостатков, повыщение надешгости, увеличение ресурса непрерывной работы и снижение сто имости изготовления теплоиспользующей холодильной установки путем, упрощения ее ,конст|)укции. Это достигается тем, что в контур предложенной мацтины дополнительно вклю чёНй uartietaf ель и газораспределитель, подсоединенный к цилиндрам, в которых размещеШ неподвижные перегородки выполиенш ге из порйстр1го материала. На фиг. 1 схематически изображена теплойсшл з щая тазовая холодильная машша; на фиг. 2 - газбраспрёделительное.устройство на фиг. 3 - первый процесс рабочего цикла; на фиг. 4 - второй процесс цикла; на фиг. $ - третий процесс; на фиг. б - четвертьщ. Машина содержит цилиндр 1 большого диа метра И цилиндр 2 малого диаметра. Цилиндры 1 и 2 связаны трубопроводом 3. Концевые части 4 и 5 цилиндра 1 гидравлически соединяются через систему трубопроводов и теплообменных аппаратов, содержащую трубопровод 6, теплообменник - нагреватель 7, го рячий регенератор 8, холодильник 9, трубопровод 10, газораст-феделитель 11 и трубогфовод 12. Концевая часть 13 цилиндра 2 соединена с концевой частью 14 тогЪ же щилиндра через трубопровод 15, теплообменник нагрузки 16, холодный регенератор 17, холод1тьник 18, трубопровод 19, газораспределитель йое устройство 11 и трубопровод 20, К газо распрёде1тител1б И подключены нагнетательный 21 и всасывающий 22 патрубки нагнетателя 23. Внутри цилиндров 1, 2 установлены пористые элементы 24. В качестве газораспределителя возможно применение вращающегося олотаика, содержащего неподвижный корпус 25, внутри которого с возможностью вращения установлен сердечник 26. В корпусе 25 золотника выполнены отверстия под трубопроводы 12, 20, 21, 22. Кроме того в теле сердечника выполнены каналы 27-34, служащие для соединения в различных сочетаниях трубопроводов 10, 12, 19, 20-24. Мащина работает следующим образом. При работе концевые части цилиндра 1. больщого диа:Мё1 а поддерживаются при разлйчных температурах. Часть 4 поддерживается при наивысщей температуре хижла Tj-, например, при 600-900° С, а часть 5 при промежуточной температуре цикла Тд например, при 300-320°К. Концевые части цилиндра 2 также имеют различные температуры. Часть 13 цилин а 2 поддерживается при промежуточной темературе цикла, также как и часть 5, цилинда 1. Часть 14 щшиндра 2 поддерживается при аиболее низкой температуре цикла TX, назыаемой далее холодной, например, при 77° К. очетание абсолютных значений температур епловых истотиков может быть практически любым. Это сочетание определяется целью использования холодильной установки. Дли подвода в щпсл тепла высокого потенциала служит теплообметшик-нагреватель 7, а теплообменник нагрузки 16 применяется для отвода низкопотенциального тепла от криостатируемого объекта. Отвод тепла, подведенного на самом высоком и самом низком температурных уровнях, осуществляется на промежуточном уровне с помощью водяных холодильников 9 и 18. Регенерация тепла в контуре больщого, цилиндра 1 осуществляется посредством горячего регенератора 8, а регенерация тепла в контуре цилиндра 2 осуществляется в холодном регенераторе 17. Установленные в цилиндрах 1, 2 цористые элементы 24 служат для предотвращения смещения порций газа с различными температурами. При установившемся режиме работы внутри цилиндров вследствие отсутствия перемещйвашш порций газа с различной температурой образуются газовые слои аа-вв и aiaj-BjBi, далее назьюаемые газовыми порщнями. Температура по длине газовых порщней изменяется по линейному закону. Рабочий цикл машины осуществляется за четыре процесса. В течение первого процесса газ перекачивают посредством нагнетателя 23 из части 5 цилиндра 1 в часть 4 тогр же цилиндра. Нагнетатель 23 создает напор. Достаточный для преодоления гидравлического сопротивления трубопровода 10, холодильника 9, регенератора 8, нагревателя 7 и трубопровода 6. При прохождейий fа;за через регенератор 8 газ подогревается за C4et teniia, аккумулированного его насадкой в течение предыдущего цикла. Проходя через нагреватель 7, газ нагревается до наивысшей температуры цикла, и при выходе из нагревателя имеет-.температуру ..Tj.. Газ с температурой TI-, втекающий внутрь части 4 цилиндра 1, выталкивает относительно холодный газ, находившийся до этого в этой части цилиндра и смещает газовый поршень аа-вв в противоположную сторону цилиндра 1. Смещение поступающего горячего газа с находившимся до этого в полости части 4 относительно холодным газом (внутри газового порщ, ня) предотвращается пористыми элементами 24. По мере поступления горячего газа внутрь части 3 цштшадра 1 и смещения газового поршня вправо давление газа в маЩине увеличивается. Увеличение давления газа объясняется тем, что в ма1)лине, имегоп1ей неизменный суммарный рабочий объем и массу хладагента происходит возрастание среднемасссовой температуры газа за счет переталкивания газа с температурой Тп из части 5, ограшгчивающей промежуточную полость маиптны, в часть 4, ограничивающ5 о горяч ю полость и имеющую температуру Т. В течение первого процесса цикла перемещения газового поршня aiai-« BjEi в цилиндре 2 не происходит, поскольку золотник отключает нагнетатель 23 от цилинд ра 2 и прерывает связь между трубопроводами 20 и 19. Первый процесс заканчивается, когда граничная полость вв газового поршня подходит к торцовой стенке части 5 цилиндра I. По достижении газовым поряшем. .торцовой стенки части 5 щпиндра 1 сердечник 26 газораспределительного устройства 11 поворачивается, перекрывая сообщение между трубопроводами 10 и 12 цилиндра I. Одновременно в результате поворота сердечника 26 трзбопровод 20, отводящийся из части 13 цилиндра 2, соединяется через канал 29 с всасывающим патрубком 21 нагнетателя 22, а трубопровод 19 соединяется с нагнетательным патрубком 22 нагнетателя 23, При этом газ, имеющий температуру Tj,, перекачивается нагн тателем из части 3 цилиндра 2 в часть 14 того же цилиндра через трубопровод 20, канал 29, канал 30, холодильник 18, регенератор 17, теплообменник нагрузки 16 и трубопровод 15. Газ из части 13 цилиндра 2, проходя через регенератор 17, охлаждается. Насадка регенератора, охлажденная в течение предыдущего дикла, нагревается. За регенератором газ постзшает в теплообменник нагрузки 16, где он отбирает тепло от охлаждаемого объекта. Пройдя по трубопроводу 15, газ поступает в полость внутри-части 14 щшигщра 2 и расширяясь, переталкивает газовый поршень aiai-BiBi в часть 13 цилиндра 2. По мере поступления газа внутрь части 14 цилиндра 2 давление газа в мащине уменьшается в резуль тате понижения среднемассовой температуры газа в результате переталкивания порции га- за из полости с относительно более высокой температурой (полость внутри части 13) в полость с относительно более низкой темпера турой (полость внутри части 14 цилиндра 2). В течение второго процесса цикла перемещения газовогр порщня в цилиндре 2 не происходит, поскольку золотник отключает нагнетатель 23 от цилиндра 1 и прерывает сообщение между трубопроводами 10 и 12. Вто рой процесс заканчивается, когда граничная плоскость BiBi газового nopimiH BiBiai i достигает торцовой стенки части 13 цилиндра 2. Как только .граничная плоскость BiBi достигает торцевой стенки части 5 цилиндра 2, сердечник 26 поворачивается, перекрывая сообщение между тpyбoпpoвoдa ш 19 и 20 : через каналы 29 н 30 и нагнетатель 23. Одновременно в результате поворота серде тика 26 трубопровод 10 соедшмется с трубопроводом 12 через канал 31, всасывающий патрубок 22, нагнетательный патрубок 21 и канал 32- Начинается третий процесс. В течение, этого процесса происходит перемещение газа из части 4 цилиндра 1 в часть 5 того же цнлшщра. Газ перекач1Шается нагнетателем 23 из полости внутри части 4 в полость внутри части 5 цилиндра 1 через трубопровод 6, теплообменник-нагреватель 7, горячий регенератор 8, холодильник 9, канал 31, патрубки 22, 21, канал 32 и трубопровод 14. Горячий газ, имеющий температуру Tj-, проходя через регенератор 8, охлаждается. Насадка регенератора, охлажденная в течение первого цикла, нагревается. За регенератором газ последовательно проходит через холодильник 9, каналы в сердечнике 26 и трубопровод 12, посте чего входит в полость части 5 цилиндра 1, заставляя смещаться влево газовый поршень аа-вв. в течение третьего процесса цикла перемеще- . ния газового порщня в цил1шдре 2 не происходит, поскольку сердечник 26 .отключает нагнетатель 23 от цилиндра 2 и прерывает сообщение между трубопроводами 19 и 20. j Давление в машине уменьщается. Третий процесс цикла заканчивается, когда граничная плоскость аа газового поршня аа-вв в цилиндре 1 достигает торцевой стенки части 4 цилиндра 1. В результате последующего поворота сердечника 26 трубопровод 19 соединяется с трубопроводом 20 через канал 33, патрубок 22, нагнетатель 23, патрубок 21 и канал 34. Начинается четвертый процесс. В этого процесса газ перекачивается нагнетатёлем 23 из полости внутри части 14 цилиндра 2 в полость внутри части 13 через трубопровод 15, теплообменник нагрузки 16, регенератор 17, холодильник 18, трубопровод 19, канал 33 всасывагрщий патрубок 22 нагнетателя, нагнетатель 23, нагнетательный патрубок 21, канал 34 и трубопровод 20. Холодный газ, имеющий температуру TX, проходя через регенератор 17, нагревается. Насадка регенератора 17 охлаждается. Газ, входя в полость части 13 циливдра 2, заставляет смещаться газовый поршень BiBi-aiaj вправо. По мере поступления газа внутрь части 13 цилиндра 2 давление газа в машине увеличивается. В течение четвертого периода газовый поршень аа-вв не перемещается. Четвертый процесс цикла заканчивается, когда граничная плоскость aiai газового no|irnня atajBiBi в цилиндре 2 достигает торцевой 769 стенки части 14 изяпиндра 2. После этого сердечник 26 золотника И поворачивается, перекрывая сообщение между трубопроводами 19, 20 через каналы 33, 34 и нагнетатель 23. Одновременно в результате поворота сердечкика. 26 трубопровод 12 соединяется с трубопроводом 10 через канал 27, патрубок 22, нагнетатель 23, натрубок 21 и канал 28. Начинается первый процесс цикла. Цикл повторяется. Холодопроизводител ность машины зависит не только от термодинамических параметров цикла, но и от конструктивных соотношений между деталями и узлами машины. Так, холодопроизводительность может быть увеличена либо посредством увеличения диаметров цилиндров, либо увеличением их Длйньт, что эк1вйв;аЯентно увеличению хода газрврго поршня, либо увеличением числа рабочих адклов. Число рабочих Ц11клов машйиы регламентируется работой :газораспределителя. БлагЬдаря ЬтсутСтвию возвратно- поступатель1н6 перемещаю 1Цйхся элементов надежность машйнь значительно ваше надежности прототипа. Кроме то го, машина имеет простую конструкцию, а следовательно, и низкую стоимость изготовления. Полная уравновешенность машины позволят применять ее на транспортных средствах. ри использовании в стационарных условиях отаичие от поршневых типов холодильных ашин для эксплуатации машины не требуетя фундамента. Это обстоятельство позволяет низить расходы на эксплуатацию маш1шы, а акже рашюнальнее использовать производственое помешение. Формула изобретения Теплоиспользуюшая газовая холодильная машина, содержащая газовый циркуляционный контур и установленные в нем цилиндры, регенераторы и теплообменные аппараты, о тл и ч а ю га. а я с я тем. Что, с целью повышения надежности, в контур дополнительно вклюЧ ёны нагнетатель и газораспределитель, подсоединенный к цилиндрам, в которыХ разме1 й(ень1 неподвижные перегородки, выполненныеиз Пористого материала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 274780, кл. F 25 В 9/00, 1969.

ft

21

10

28

-20

Г9

zs

ZS

22 (pai.2

tf

о Ь

/Л1,А

ч

Ь, я

/-16

5 / . 2 5 gf Р/ /

f

6

/J

- /,

X XfL lX/A

/у

tfr fr.

-26

-5