Теплоиспользующая газовая холодильнаяМАшиНА Советский патент 1981 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к холодильной технике, на его основе возможно создавать автономные устройства для охлаждения различных объектов пр криогенных температурах. Известна теплоиспользующая газова холодильная машина Виллюмьера, состоящая из цилиндров с поршнями двойного действия - вытеснителями, теплообменников И регенераторов, включенных между полостями цилиндров Г1 Для работы такой машины необходимо, чтобы колебания поршней были сог ласованы по фазе. Это обычно достигается применением для привода поршней различных модификаций кривошипношатунного механизма, - сдвоенного, с прицепныгШ шатунами и т.п. При этом для компенсации потерь от трения к механизму машины извне подводится механическая энергия. Таким образом, машина Виллюмьера обычно имеет значительное число подвижных частей, требующих высокой точности изготовле ния, потребляет не только тепло, но и механическую энергию для привода, а ее блок охлаждения, в котором производится холод, связан с горячим блоком, к которому подводится грекаде тепло не только газовой линией, но и механически - через механизм, движения. Эти особенности обычной машины Виллюмьера усложняют ее изготовление, снижают надежность, делают невозможным применение ее в объектах, .располагающих только источниками тепла и не имеющих источников механической или электрической энергии, кроме того, невозможно непосредственное соединение машины с несколькими охлаждающими объектами. Указанные недостатки устранимы в теплоиспользующих газовых холодильных машинах, в которых поршни снабжены штоками. Известна теплоиспользующая газовая холодильная машина, имегацая цилиндры, в которых находятся поршни со штоками, связанные с кривошипно-шатун- . ным механизмом, теплообменники и регенераторы, включенные между полостями цилиндров Г2 . Такая машина производит, помимо холода, механическую работу, используемую для приведения в движение поршней. Поэтому она, в отличие от машины Виллюмьера, не нуждается во внешних источниках механической энергии. Таким образом, в ней устранен один из существенных недостатков машины Виллюм1гера, Остальные недостатки маши ны Виллюмьера, вызванные применением кривошипно-шатунного механизма, в рассматриваемой машине сохраняются: она сложна по конструкции, содержит большое число подвижных частей, требующих высокой точности изготовления ее холодный и горячий блоки связаны не только газовой линией, но и механически - механизмом движения. Эт отрицательно сказывается на надежности, энергетической эффективности и технологичности машины. Такую машину невозможно непосредственно соединить с несколькими рассредоточенными объектами охлаждения. Наиболее близкой по технической сущности к описываемой является теплой спользующая газовая холодильная машина, содержащая-цилиндры, разделенные поршнями на две полости, соединенные между собой, посредством теплообменников и регенератора, причем один из поршней выполнен кинемат чески свободным со штоком, образующи дополнительную полость ГзЗ . в этой машине холодный и горячи блоки не связаны между собой механически, а связаны только газовой линией . Такая конструкция позволяет распо лагать холодный блок на некотором расстоянии от горячего, значительно сократить уровень вибраций холод ного блока. Однако эта машина, как и предыдущие, содержит механизм привода для осуществления перемещения поршня горячего блока, что снижает ее эксплуатационную надежность. Целью изобретения является повыше ние эксплуатационной надежности. Поставленная цель достигается тем что машина дополнительно содержит ре сивер опорного давления и тормозные устройства для поршней, все поршни выполнены кинематически свободными аналогично первому и подпружинены, ресивер опорного давления соединен с дополнительными полостями всех цилиндров посредством линий связи, на которых установлены автономные з порные вентили. Тормозные устройств для поршней могут быть выполнены в виде дроссельных устройств, установ ленных на линиях связи ресивера с дополнительными полостями. На фиг. 1 показана принципиальна схема данной машины; на фиг. 2 теоретическая индикаторная диаграмма горячего блока; на фиг. 3 - ин дикаторная диаграмма холодного бл ка. Машина содержит цилиндр 1 горяч го блока и цилиндр 2 холодного б ка. Цилиндр 1 разделен поршнем 3 на две полости 4 и 5, соединенные межд собой посредством теплообменников 6 и 7 и регенератора 8. Цилиндр 2 также разделен поршнем 9 на две пол ти 10 и 11, соединенные между собой посредством теплообменников 12 и 13 и регенератора 14. Поршни 3 и 9 выполнены кинематически свободными и содержат штоки 15 и 16, образующие соответственно дополнительные полости 17и 18. Машина также содержит ресивер 19 опорного давления и тормозные устройства, выполненные в виде запорных вентилей 20 и 21 для поршней 3 9. Поршни 3 и 9 подпружинены с поощью пружин 22 и 23. Ресивер 19 опорного давления соединен с дополнительными полостями 17 и 18цилиндров 1 и 2 посредством линий 24 и 25 связи. Тормозные устройства 20 и 21, выполненные в виде запорных вентилей, являются в открытом состоянии дроссельными устройствами. Горячий и холодный блоки связаны газовой линией 26. В цилиндре 1 установлены упоры 27 и 28, а в цилиндре 2 установлены упоры 29 и 30. Ресивер 19 опорного давления связан с полостью 4 цилиндра 1 через дроссель 31 с большим сопротивлением. Ресивер 19 может быть связан и с любой другой точкой газового тракта машины. Возможны конструктивные модификации машины, у которых регенераторы 8 и 14 встроены в поршни 3 и 9, а функции теплообменников б, 7, 12 и 13 выполняют соответствующие части поверхности цилиндров 1 и 2. Вместо пружин 22 и 23 могут быть использованы упругие элементы любой другой конструкции. Тормозные устройства могут быть выполнены не только в виде дросселируквдих устройств. Взамен их можно установить на поршнях 3 и 9 электромагнитные или другие подобные устройства. Работает машина следующим образом. При работе машины к теплообменнику 7 подводится тепло, например, от продуктов сгорания топлива, радиойзотопных источников. Солнца и т.п.от теплообменников б и 12 отводится тепло в окружающую среду - воздух, воду и т.д., регенератор 14 находится в тепловом контакте с охлаждаемым объектом. Ресивер 19 и все полости машины заполнены рабочим телом, например гелием. При пуске машины целесообразно закрыть дроссель 31 и полностью открыть запорные вентили 20 и 21; После этого начинают нагрев теплообменника 7 и прилегающей к теплообменнику части цилиндра 1. При этом давление в рабочих полостях майины увеличивается в то время как в дополнительных полостях 17 и 18 оно остается прежним, равным давлению в ресивере 19, Поэтому поршни 3 и 9 начинают двигаться (по фиг, 1 слева направо). Массы поршней 3 и 9 и жесткости пружин 22 и 23 нужно подобрать такими, что-бы движение поршня 9 происходило с отставанием по фазе от движения порш ня 3. При выполнении этих условий поршни приходят в колебательное движение, имеющее такие последовательны стадии: 1)поршни 3 и 9 одновременно движутся вправо, при этом поршень 3 переталкивает газ через теплообменни 7 в примыкающую к нему полость цилин ра 1, вызывая дальнейшее повышение давления; 2)поршень 3 стоит, касаясь упора 28; поршень 9 продолжает движение вп во по инерции; давление в системе на чинает уменьшаться, так как при движении поршня 9 вправо суммарный объем рабочих полостей машины возрастает j 3)при уменьшении давления поршен 3 под действием пружины 22 начинает двигаться влево; при этом поршень 9 продолжает движение вправо по инерции; давление продолжает понижаться .главным образом из-за уменьшения объ ема горячей полости 5 цилиндра 1 и возрастания объема среднетемпературной полости 4 этого же цилиндра; 4)поршень 3 продолжает движение влево; поршень 9 стоит, касаясь упор 30; давление газа в рабочих полостях уменьшается 5)поршень 9 под действием пружины 23 начинает движение влево; поршень 3 движется в том же направлении; давление газа в системе уменьшается и становится ниже давление в дополнительных полостях 17 и 18; 6)поршень 9 продолжает движение влево) поршень 3 стоит, касаясь умор 27 давление газа в системе возраста ет, -так как при движении поршня 9 влево суммарный объем рабочих полостей уменьшается; 7)поршень 3 под действием пружины 22 начинает движение вправо; поршень 9 продолжает движение влево; давление в системе продолжает возрастать;8)поршень.9 стоит, касаясь упора 29; поршень 3 продолжает движени.е вправо; давление в системе возрастает9)поршень 9 под действием пружины начинает двигаться вправо; поршень 3 движется в том же направлении и повторяются все описанные выше стадии процесса. Такимобразом, в машине возникают автоколебания поршней. При установившемся режиме работы поршни машины не касаются упоров. На фиг. 2-3 обозначено.- Vy, - объем газа в горячей полости 5 цилиндра 1, V объем газа в холодной полости 4 цилиндра 2, Р - давление газа в машине Рд - среднее давление газа в машине, равное давлению газа в ресивере опор ного давления 19. Индексы обозначают: max - максимаипьное значение соответствующей величит ; Fiin - №sнимальное значение величины ср среднее значение объема, ссстветстзующее среднему положению Л-.1ня, когда пружина находится в свободном состоянии. Движение поршней в установившемся режиме имеет следующие стадии (теплообменник 7 нагрет, а теплообменник 13 имеет низкую температуру. Пусть поршень 9 находится в крайнем левом положении (т.Ь), а поршень 3 в положении, соответствукхдем точке h . 1. Участки h О и hOl Оба поршня движутся вправо, объемы Vi и VQ возрастают, одновременно возрастает суммарный объем рабочих полостей машины. Эти противоположно действующие факторы вызывают вначале рост давления (участки Ъ В и hb кривых) а затем его уменьшение. На участках hL и hi поршни движутся под действием растянутых пружин 22 и 23. На участках LA и 1а к усилиям пружин прибавляются равнодействующие газовых сил, что приводит к ускоренному движению поршней. На участках AD и аО пружины 3 и 10 сжимаются и замедляют движение пориней. В т.D скорость поршня 3 нулевая. .2. Участки Dd и О d.Поршень 3 движется влево под действием пружины 22, поршень 9 продолжает движение вправо. При этом давление газа в рабочих полостях машины уменьшается, так как объем горячей полос.:и 5 уменьшается, объемы холодной 10 и среднетемпературной полостей 4 увеличиваются3.-Уча-стки dH и dHj Оба поршня движутся влево, объемы V и V уменьшаются, объемы среднетемпературных полостей 4 и 11 машины увеличиваются, суммарный объем рабочих полостей уменьшается . Это приводг.т к тому, что давление в машине сначала уменьшается до ,-|(т. т. G и д), а затем начинает расти. Движение поршней на участках dЕ и de происходит только под действием сжатых пружин 22 и 23, на участках EF и ef к усилиям пружин.прибавляются равнодействующие газовых сил, что приводит к ускоренному движению поршней. Дальнейшее движение поршней влево растягивает пружины 22 и 23 и движение поршней замедляется. В точке Н скорость поршня 3 нулевая. 4,Участки Hh и Hh. Поршень 3 движется вправо под действием растянутой пружины 22, а поршень 9 продолжает движение влево. Давление газа в рабочих полостях машины увеличивается, так как объем горячей полости 5 увеличивается, а объем холодной полоСти 10 уменьшается. ПоршЬ1и достигают положений, соответствуюцих т.т, h и h , и процесс повторяется.

Таким образом, движение поршней носит периодический колебательный характер. Площади, ограниченные на рисунке замкнутыми кривыми, представляют работы, совершаемые газом за цикл над поршнями в соответствующих полостях цилиндров. Части этих работ, пропорциональные площадям штоков, затрачиваются на преодоление трения, обеспечивая незатухающие колебания поршней.

Дроссель 31 открывают после запуска машины. В результате этого среднее за цикл, давление в рабочих полостях машины становится равным сре,цнему давлению в дополнительных полостях 17 и 18. В этом случае Ьредние положения колеблю1дихся поршней сохраняются одними и теми же независимо от режима работы. Такая стабилизация важна для обеспечения устойчивости характеристик машины. Дроссель 31 должен иметь значительное сопротивление для тогоJчтобы расход газа через него был малым и не влиял на рабочие процессы в цилиндрах. Дроссельные устройства, роль которых выполняют запорные вентили 20 и 21, позволяют регулировать амплитуды колебаний поршней. Чем больше они закрыты, тем меньше амплитуды колебаний. При этом можно в номинальном режиме избежать ударов поршней об упоры 27, 28, 29, 30. Только при увеличении ходов сверх номинальных значений доршни достигаю упоров, выполняющих функции ограничителей перемещения.

Таким образом, дроссельные устройства служат для регулирования амплитуд колебаний поршней и холодопроизводительности машины и представляют; собой регулируемые тормозные приспособления.

Длины пружин 22 и 23 подбираются такими, чтобы в неработающей машине поршни занимали средние положения в цилиндрах. Это необходимо для самозапуска машины, а также для получения максимально возможных амплитуд колебания поршней без ударов об упоры- ограничители перемещения.

В данной машине подвижными элементами являются только поршни, полностью отсутствует приводной меха-. .низм, горячий и холодный блок связаны только газовыми линиями. По этим причинам такая машина конструктивно проще известных, в ней дотижимы более высокая эксплуатационная надежность и долговечность. У этой машины холодный блок может распапагаться вблизи охлаждаемого обекта, а горячий блок - на некоторо удалении, что облегчает стыковку с охлаждаемым объектом. Эту машину можно также выполнить с одним горячим блоком и несколькими параллельно включенными холодными, каждый и которых работает на свой объект охлаждения.

Формула изобретения

1. Теплоиспользующая газовая холодильная МсШ1ина, содержащая цилиндры, разделенные поршнями на две полости, соединенные между собой посредством теплообменников и регенератора, причем один из поршней выполнен кинематически свободным со штоком, образующим дополнительную полость, отличающаяся тем, что, с целью повышения эксплуатационной надежности машина дополнительно содержит ресивер опорного давления и тормозные устройства для поршней, все поршни выполнены кинематически свободными аналогично первому и подпружинены, а ресивер опорного давления соединен с дополнительными полостями всех цилиндров посредством линий связи, н которых установлены автономные запорные вентили.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что тормозные устройства для поршней выполнены в виде дросселей,установленных на линиях связи ресивера с дополнительными полостями.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Суслов А.Д. и др. Холодильные газовые машины. Обзорная информация ЦИНТИХИМНЕФТЕМЛШа, М., 1977, с. 5.

2.Патент США № 3379026, кл. 62-6, опублик, 1968.

3.Патент США № 4024727, кл. 62-6 опуёлик. 1977.

7

29

5

Фиг.1

(.Vnjrr ir, (r,)(Vf,)a, (V),ir (Vc)y, Wmox

.

a S