МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ РЕФРИЖЕРАТОР
MAGNETOCALORIC REFRIGERATOR

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта (МКЭ).
Известен магнитокалорический рефрижератор [1], работающий на основе магнитокалорического эффекта, содержащий корпус, внутри которого размещен ротор с каналами, систему теплоносителя, состоящую из побудителя расхода теплоносителя, теплообменника нагрузки, теплоотдатчика и подводящих и отводящих патрубков, и магнитную систему, при этом он снабжен кольцом из сверхпроводящего материала, установленного на внешней поверхности ротора, магнитная система выполнена по крайней мере из трех секций, подводящие патрубки обращены к внутренней поверхности ротора и соединены между собой через один в два коллектора, а отводящие патрубки обращены к наружной поверхности ротора и соединены между собой через один также в два коллектора, причем один из коллекторов подводящих патрубков подключен к выходу теплообменника нагрузки, а другой - к выходу теплоотдатчика, а один из коллекторов отводящих патрубков подключен к входу теплообменника нагрузки, а другой - к побудителю расхода теплоносителя.
Недостаток указанного рефрижератора - сложность конструкции.
Известна также магнитная тепловая машина (магнитный холодильник или тепловой насос) [2], содержащая в своем рабочем контуре магнитное рабочее тело, горячий и холодный теплообменники, насосы для создания потока теплоносителя, вентили, переключатели направления потока теплоносителя, а также магнит, перемещающийся относительно рабочего тела для его намагничивания/размагничивания, при этом изменение направления потока теплоносителя в рабочем теле обеспечивается переключателями направления потока, управляемыми механически или электрически с помощью датчиков положения магнита.
Несмотря на очевидные преимущества по сравнению с известными конструкциями, описанное выше техническое решение обладает существенным недостатком: для перемещения магнита требуется специальный привод.
Несмотря на указанные недостатки, конструкция, приведенная в патенте RU 2252375 [2], может быть принята за прототип.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является устранение приведенных выше недостатков и создание конструкции, позволяющей упростить конструкцию и повысить эффективность работы.
Этот технический результат достигается тем, что патентуемый магнитокалорический рефрижератор содержит неподвижную (стационарно установленную) магнитную систему, состоящую из n магнитов, и последовательно соединенные между собой однотипные и взаимозаменяемые ступени в количестве 2n, где n - целое число, равное или больше 1, при этом каждая ступень содержит систему теплоносителя с насосом и его приводом, теплоприемник, теплоотдатчик, аккумулятор, распределитель потока теплоносителя, омываемые теплоносителем ячейки с рабочим телом из материала с магнитокалорическим эффектом и синхронно работающий с распределителем потока теплоносителя узел попеременного ввода ячеек в рабочую зону магнита, а ступени связаны между собой посредством теплообменников, содержащих теплоприемник предыдущей ступени и теплоотдатчик последующей ступени, при этом все составляющие системы теплоносителя изолированы от внешней среды и между собой, кроме теплоотдатчика первой ступени.
Насосы и распределители потока теплоносителя могут быть задействованы от одного привода, а однотипные ступени снабжены отличными друг от друга рабочими телами из материала с магнитокалорическим эффектом и теплоносителями.
Такая конструкция позволяет повысить эффективность работы рефрижератора, улучшить его эксплуатационные характеристики и ремонтоспособность.
Предлагаемое техническое решение позволяет упростить конструкцию и повысить эффективность работы рефрижератора.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где:
на Фиг.1 показана принципиальная схема рефрижератора и распределение потока теплоносителя при нахождении омываемой ячейки нечетной (первой, третьей и т.д.) ступени в рабочей зоне магнитной системы;
на Фиг.2 показана принципиальная схема рефрижератора и распределение потока теплоносителя при нахождении омываемой ячейки четной (второй, четвертой и т.д.) ступени в рабочей зоне магнитной системы.
Магнитокалорический рефрижератор (Фиг.1, 2) содержит неподвижную (стационарно установленную) магнитную систему 1, состоящую из n магнитов, и последовательно соединенные между собой однотипные и взаимозаменяемые ступени 2, 3, 4, 5 в количестве 2n, где n - целое число, равное или больше 1.
Первая ступень 2 включает соответственно систему теплоносителя с насосом 6, теплоприемником 7, теплоотдатчиком (радиатором) 8, аккумулятором тепла 9, распределителем потока теплоносителя 10, трубопроводами подвода 11 и отвода 12 теплоносителя, омываемую ячейку 13 с рабочим телом 14 из материала с магнитокалорическим эффектом.
Вторая ступень 3 включает систему теплоносителя с насосом 15, теплоприемником 16, теплоотдатчиком 17, аккумулятором тепла 18, распределителем потока теплоносителя 19, трубопроводами подвода 20 и отвода 21 теплоносителя, омываемую ячейку 22 с рабочим телом 23 из материала с магнитокалорическим эффектом.
Передача теплоты от второй ступени к первой осуществляется посредством теплообменника 24, в состав которого входит теплоприемник 7 первой ступени и теплоотдатчик 17 второй ступени.
Третья ступень 4 включает систему теплоносителя с насосом 25, теплоприемником 26, теплоотдатчиком 27, аккумулятором тепла 28, распределителем потока теплоносителя 29, трубопроводами подвода 30 и отвода 31 теплоносителя, омываемую ячейку 32 с рабочим телом 33 из материала с магнитокалорическим эффектом.
Передача теплоты от третьей ступени ко второй осуществляется посредством теплообменника 34, в состав которого входит теплоприемник 16 второй ступени и теплоотдатчик 27 третьей ступени.
Ступень 2п (поз.5) включает систему теплоносителя с насосом 35, теплоприемником (холодильником) 36, теплоотдатчиком 37, аккумулятором тепла 38, распределителем потока теплоносителя 39, трубопроводами подвода 40 и отвода 41 теплоносителя, омываемую ячейку 42 с рабочим телом 43 из материала с магнитокалорическим эффектом.
Передача теплоты от ступени 2n (поз.5) к предпоследней осуществляется посредством теплообменника 44, в состав которого входит теплоотдатчик 37 последней 2n-ой ступени и теплоприемник 26 предыдущей ступени.
Поочередное введение ячеек 13, 22, 32, 42 в рабочую зону (зону максимальной напряженности магнитного поля) магнитной системы 1 осуществляется узлами ввода ячеек (на чертежах не показаны), работающими по заданной программе, которая обеспечивает также синхронное вводу ячеек открытие (закрытие) распределителей потока теплоносителей 10, 19, 29, 39.
Для получения заданных характеристик работы в ступенях рефрижератора могут быть использованы различные по своим характеристикам теплоносители и материалы с магнитокалорическим эффектом.
Магнитокалорический рефрижератор работает следующим образом. В омываемых теплоносителем ячейках 13, 22, 32, 42 размещают соответственно рабочие тела 14, 23, 33, 43, изготовленные из материала, обладающего магнитокалорическим эффектом. Все ступени рефрижератора заполняют теплоносителем и задействуют приводы насосов 6, 15, 25, 35.
Многоступенчатый рефрижератор, состоящий из последовательно соединенных ступеней 2, 3, 4, 5 с попеременно перемещаемым теплоносителем через теплоприемники 7, 16, 26, 36 и теплоотдатчики 8, 17, 27, 37 посредством насосов 6, 15, 25, 35 и распределителей 10, 19, 29, 39, обеспечивает передачу некоторого количества теплоты между ступенями в теплообменниках 24, 34, 44. При этом все элементы систем теплоносителей ступеней рефрижератора, кроме теплоотдатчика (радиатора) 8, конструктивно теплоизолированы от внешней среды и между собой.
При введении в рабочую зону магнитной системы 1 ячеек 13 и 32 (Фиг.1) соответственно первой и третьей ступеней с рабочим телом из материала, обладающего магнитокалорическим эффектом, температура материала становится выше температуры окружающей среды. Теплоноситель, перемещаемый с помощью насосов 6 и 25, снимает с ячеек 13 и 32 некоторое количество теплоты, проходит через распределители 10 и 29 и отдает часть теплоты во внешнюю среду посредством теплоотдатчика (радиатора) 8, а в теплообменнике 34 теплоносителю второй ступени. Неснятое количество теплоты снимается в аккумуляторах 9 и 28. В то же время ячейки 22 и 42 второй и (2n-й) ступени, выведенные из магнитного поля, имеют пониженную температуру теплоносителей относительно температуры теплоносителей предыдущих нечетных ступеней. Теплоноситель, перемещаемый с помощью насосов 15 и 35, проходя через ячейки 22 и 42, охлаждается. Охлажденный теплоноситель, перемещаясь через распределители 19 и 39, отбирает тепло в теплообменнике 34 и холодильнике 36 у теплоносителей третьей ступени и ступени 2n. В дальнейшем теплоносители после прохождения теплообменника 34 и холодильника 36 подогреваются в аккумуляторах 18 и 38. При смене положения ячеек процессы теплопередачи происходят в соответствии со схемой, приведенной на Фиг.2. Тепло, накопленное в аккумуляторах 9 и 28, передается теплоносителям первой и третьей ступеней перед вхождением их в ячейки 13 и 32, находящиеся в магнитном поле, тем самым обеспечивая необходимый для теплопередачи в соответствии с Фиг.1 перепад температур. Аккумуляторы 18 и 38 будут резервировать оставшееся в теплоносителях второй и 2n-ой ступеней количество теплоты после передачи тепла первой и третьей ступеней в теплообменниках 24 и 44. Таким образом, будет происходить передача теплоты от последующих ступеней к предыдущим и отдача теплоты во внешнюю среду посредством теплоотдатчика (радиатора) 8 первой ступени 1.
Так реализуется холодопроизводительность. Этот цикл многократно повторяется.
Требуемую температуру в холодильнике 36 можно достичь последовательным соединением необходимого количества конструктивно однотипных ступеней и применением в ступенях различных по своим характеристикам теплоносителей и материалов с магнитокалорическим эффектом.
Такая конструкция позволяет повысить эффективность работы рефрижератора (повысить КПД, расширить диапазон режимных параметров), улучшить его эксплуатационные характеристики и ремонтоспособность за счет применения однотипных и взаимозаменяемых ступеней.
Источники информации
1. Патент России RU 2029203, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор. Приоритет от 20.05.1992 г.
2. Патент России RU 2252375, кл. F25B 21/00. Магнитная тепловая машина. Приоритет от 26.09.2003 г.
3. Патент России RU 67237, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор. Приоритет от 10.10.2007 г.
4. Патент России RU 2354898, кл. F25B 21/00. Способ отработки в лабораторных условиях параметров работы магнитокалорических рефрижераторов и устройство для его осуществления. Приоритет от 16.04.2007 г.