Холодильная установка Советский патент 1982 года по МПК F25B21/00 

(54) ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к низкотемпературной технике, в частности к специальным методам получения низких температур.

Известна холодильная установка, содержащая ряд энерготрансформирующих блоков, которые соединены между собой через термовыключатели. Блоки и термовыключатели подключены к соответствующим управляющим устройствам.

При работе этой установки поочередно накладывают и снимают электрическое поле на четные и нечетные энерготрансформирующие блоки из параэлектрического материала, при этом одновременно вводят в термический KOHTaijT блоки, на которые наложено поле, с соседними выщележащими по температурному диапазону блоками, находящимися вне поля. При наложении поля энерготрансформирующие блоки нагреваются вследствие поляризации материала, а при снятии поля - охлаждаются. При замыкании термических контактов тепло поляризации от нагретых (например, четных) блоков передается охлажденным (например, нечетным). Этим достигается ступенчатая трансформация тепла с нижележащего на вышележащий по температурному уровню энерготрансформирующий блок 1.

Недостатки этой установки - сложность системы управления включением энерготрансформирующих блоков и те мических контактов, а также значительное увеличение массы блоков, работающих при относительно высоких температурах, что вызвано увеличением количества трансформируемогочтепла по мере перехода к вышележащим бло10 кам..

Известна также холодильная установка, содержащая последовательно установленные энерготрансформирующие блоки и циркуляционный канал для теплоносителя с нагнетателем. При работе этой холодильной установки на все энерготрансформирующие блоки, выполненные из парамагнетика, одновременно накладывают, а затем снимают магнитное поле. Посредством нагнетателя через блоки проталкивают теплоноситель. При наложении поля создают поток теплоносителя с направлением от холодного конца к теплому, а при снятии - от теплого к холодному. При наложении поля тепло намагничивания парамагнетика снимают обратным потоком теплоносителя и в конечном итоге отводят в окружающую среду. При с,нятии поля прямой поток охлаждают, отдавая тепло последовательно тем же блокам, охлажденным в результате .размагничивания 2. Недостаток этой установки - необходимость реверсирования потока теплоносителя, что снижает её термодинамическую эффективность и надежность. Целью изобретения является повышение термодинамической эффективности. Поставленная цель достигается тем, что каждый энерготрансформирующий блок снабжен двумя тепловыми ключами, а циркуляционный канал выполнен в виде замкнутого с линиями прямого и обратного потоков, размещенными в тепловом контакте с тепловыми ключами блоков. На фиг. 1 изображена схема предлагаемой холодильной установки; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Установка содержит последовательно установленные энерготрансформирующие блоки f и циркуляционный канал 2 для теплоносителя с теплообменником 3 и нагнетателем 4. Каждый энерготрансформирующий блок 1 снабжен двумя тепловыми ключами 5 и 6, а циркуляционный канал 2 выполнен в виде замкнутого контура с линией 7 прямого потока и линией 8 обратного потока. Линии 7 и 8 размещены в тепловом контакте с тепловыми ключами 5 и 6. Между смежными блоками 1 установлены теплоизолирующие прокладки 9. Установка размещена в теплоизоляционном кожухе 10 с термостатируемой камерой II и охлаждаемым объектом 12. По бокам ряда блоков 1 установлены электроды 13 и 14. Установка работает следующим образом. По замкнутому контуру посредством нагнетателя 4 стационарно прокачивают газовый или жидкий теплоноситель. При наложении поля на все блоки I сегнетоэлектрик поляризуется, в результате чего его температура повыщается. Одновременно с наложением поля выключают все тепловые ключи 5 и замыкают тепловые ключи 6. В результате этого тепло поляризации через ключи 6 отводят к теплоносителю, проходящему по участку линии 8 обратного потока. Прямой поток, проходящий в это время по участку линии 7, не имеет теплообмена с энерготрансформирующими блоками , его охлаждение осуществляют-путем передачи тепла только тепловым ключам 5, имеющим для этого достаточную теплоаккумулирующую способность. После того, как температуру блоков 1 снизят до значений, близких к первоначальным, т.е. до наложения поля, электрическое поле снимают со всех блоков, осуществляя деполяризацию сегнетоэлектрика. При этом размыкают тепловые ключи 6 и замыкают тепловые ключи 5. В результате тепло от прямого потока теплоносителя, а также тепло, аккумулированное ключами 5 в течение предыдущего полуцикла, предают блокам 1, охлажденным в результате деполяризации сегнетоэлектрика. Прямой поток теплоносителя после охлаждения поступает в камеру 11 и осуществляют термостатирование объекта 12, отбирая от него тепло. Далее процессы поляризации и деполяризац.ии сегнетоэлектрика в блоках 1 повторяют. Тепло отводят в окружающую среду посредством теплообменника 3. Использование теплоаккумулирующей способности тепловых ключи 5 и 6 для охлаждения прямого потока при разомкнутых ключах 5 и для нагрева обратного потока при разомкнутых ключах 6 вместо специальных устройств для охлаждения и нагрева теплоносителя - важная особенность предлагаемого устройства, так как она обеспечивает простоту и высокую надежность устройства. Устройство можно построить и на базе магнитокалоричесКого эффекта с использованием в .энерготрансформирующих блоках ферромагнетика. В этом случае вместо электродов 13 и 14 устанавливают электромагниты, которые целесообразно размещать снаружи теплоизоляции., В предлагаемом устройстве можно использовать в принципе тепловые ключи любого типа. Однако наилучший вариант - применение тепловых ключей, действие которых основано на значительном изменении теплопроводности (на несколько порядков) при понижении или повышении температуры ключа Б определенном для каждого случая и весьма ограниченном диапазоне температур (несколько градусов). Наряду с существенным упрощением системы управления ключами (практически они становятся автоматическими, так как не требуют специальных внешних органов управления: замыкание и размыкание их происходит в результате повышения и понижения температуры блоков соответственно при поляризации и деполяризации сегнетоэлектрика), эти ключи дают возможность работать практически на предельных частотах циклов поляризациидеполяризации. Надежность устройства с такими ключами еще более повышается. Повышение термодинамической эффективности обеспечивается следующим. Стационарность потока теплоносителя, т.е. отсутствие механического реверсирования потока, позволяет работать на весьма большой частоте циклов. Сегнетоэлектрические (как и ферромагнитные при использовании магнитокалорического эффекта) материалы обладают способностью к периодической поляризации (намагничиванию) с частотой до 10Тц, в то время как в известной установке реверсирование потока не позво тяет поддерживать цикличность более 10-20 Гц. Повышение ЦИКЛИЧНОСТ.Н ведет к существенному (в два и более раз) снижению потерь на гистерезис, которые являются для циклов с электро- и магнитокалорическими эффектами основными. Кроме того, повышение цикличности ведет к относительному (на цикл) снижению многих других потерь,, связанных, например, с теплопритоками через теплоизоляцию и теплопритоками по элементам конструкции.

Формула изобретения

Холодильная установка, содерягащая последовательно установленные энерготранс-

1

7

/

/2

формирующие блоки и циркуляционный канал для теплоносителя с нагнетателем, отличающаяся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности, каждый энерготрансформирующий блок снабжен двумя тепловыми ключами, а циркуляционный канал выполнен в виде замкнутого контура с линиями прямого и обратного потоков, размещенными в тепловом контакте с тепловыми ключами блоков.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

//Оос I I if/i I I I

6

10

J.

;&дг5. /

/ 8

Фиг,. 2. .