ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА

Область применения
Предлагаемое устройство относится к области холодильной техники, и может быть использовано в бытовых и промышленных холодильниках, тепловых насосах, кондиционерах и других системах охлаждения.
Уровень техники
Известные в этой области устройства, как правило, работают на фреонах [1-3], что является их основным недостатком, т.к. установлено разрушающее действие фреонов на озоновый слой атмосферы Земли и в соответствии с Монреальским протоколом запрещена разработка и производство приборов и устройств, работающих на фреонах [4]. Известны устройства для передачи теплоты, работающие на принципе изменения агрегатного состояния промежуточного теплоносителя, переносящего тепло из горячей зоны в холодную. К ним относятся тепловые трубы [5], центробежные тепловые трубы [6]. Эти устройства сложны и требуют постоянного поддержания циркуляции теплоносителя, на что уходит много энергии.
Из уровня техники известно устройство "Теплопереносящий воздушный кондиционер/тепловая труба" [7], содержащее изолированную трубку с прямой средней частью, которая служит для транспортировки теплоносителя из испарителя в конденсатор и расположена рядом с осью вращения, а конденсатором и испарителем являются колена трубки, расположенные на разных расстояниях от оси вращения, причем испаритель находится ближе, чем конденсатор.
При вращении указанной трубки вокруг оси вращения создается разность давлений в испарителе и конденсаторе, и рабочее тело в виде пара переходит в конденсатор. При этом испарительное колено охлаждается и, в случае работы устройства в качестве кондиционера, на него подается воздух для охлаждения. После полного перехода рабочего тела в конденсатор в устройстве предусмотрен процесс ретранспортировки рабочего тела обратно в испаритель. Для этого на конденсаторное колено направляется подогретый воздух и рабочее тело вновь в виде пара возвращается в испаритель, полностью перенося обратно всю теплоту испарения, поэтому рассматриваемое устройство не может быть использовано в качестве холодильника.
Другим недостатком устройства является то, что для функционирования указанного устройства требуются дополнительные затраты энергии, т.к. для его работы необходим
подвод тепла. Для увеличения эффективности работы вышеуказанного устройства, авторы предлагают увеличивать количество как изолированных трубок в тепловой трубе, так и количество самих тепловых труб, что усложняет конструкцию. Кроме того, устройство по патенту США [7] использует в качестве рабочего тела запрещенные фреоны или токсичный диоксид серы.
Наиболее близким аналогом из уровня техники является патент РФ [8], на пароротационную холодильную машину периодического действия, состоящую из испарителя и конденсатора, жестко соединенных между собою термоизолирующим элементом, выполненную с возможностью переноса рабочим телом теплоты испарения из испарителя в конденсатор при вращении, отличающуюся тем, что расположенный под конденсатором испаритель, конденсатор и термоизолирующий элемент выполнены цилиндрической формы с возможностью вращения вокруг центральной общей оси, диаметр конденсатора больше диаметра испарителя в 10-12 раз, диаметр испарителя больше диаметра термоизолирующего элемента в 1,5-2 раза, а дно конденсатора выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона 1,5-3° с возможностью периодического слива рабочего тела в виде конденсата без переноса теплоты конденсации в испаритель.
К недостаткам устройства по патенту РФ [8] следует отнести то, что периодически требуется останавливать агрегат для слива конденсата, а это означает, что устройство не работает, например, в невесомости. Также недостатками является то, что агрегат работоспособен только в вертикальном положении; ограничена скорость вращения агрегата. При высокой скорости вращения, жидкость будет размазана по стенкам испарителя.
Задачей данной полезной модели является устранение недостатков, присущих аналогу.
Технический результат, который достигается в заявленном устройстве, позволяет обеспечить непрерывную работу, работоспособность независимо от наличия силы тяжести, работоспособность в любом положении и при любой скорости вращения. К преимуществам следует отнести отсутствие потребности в сосуде для хладагента, радиальных пластин и теплоизолирующего патрубка.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показано конструктивное устройство холодильной машины, где 1 - привод (электрический или другой двигатель, выходной вал какого-либо механизма и т.п.), 2 -
ось привода, 3 - конденсатор (зона конденсации), 4 - капилляры, 5 - хладагент, 6 - испаритель (зона испарения), 7 - теплоизолирующие соединительные элементы.
Сущность изобретения
Заявленный технический результат достигается за счет того, что холодильная машина, состоящая из испарителя и конденсатора, жестко соединенных между собой, выполненная с возможностью переноса рабочим телом теплоты испарения из испарителя в конденсатор при вращении, отличается тем, что выполнена с возможностью переноса рабочего тела из конденсатора к испарителю за счет капиллярного эффекта по соединяющим их капиллярам.
Соединение испарителя и конденсатора выполнено на основе теплоизолирующих соединительных элементов.
Холодильную машину (см. Фиг.1) выполняют состоящей из испарителя (6) и конденсатора (3), жестко соединенных между собой, и с возможностью переноса рабочим телом теплоты испарения из испарителя в конденсатор при вращении. Отличительной особенностью устройства является то, что перенос рабочего тела (хладагента) (5) из конденсатора к испарителю производят по соединяющим их капиллярам (4) на основе капиллярного эффекта.
Соединение испарителя (6) и конденсатора (3) может быть выполнено с помощью теплоизолирующих соединительных элементов (7).
На холодильной машине могут быть установлены лопасти (крыльчатка вентилятора) (на чертеже не показаны), имеющие тепловой контакт с испарителем и/или конденсатором. Между конденсатором (3) и испарителем (6) может быть установлена перегородка (на чертеже не показана), способствующая разделению теплого и холодного воздушных потоков, отбрасываемых холодильной машиной. Перегородка может быть установлена непосредственно на холодильной машине, или отдельно.
Вращение испарителя (6) может быть обеспечено за счет привода (1). В качестве привода может выступать электрический или другой двигатель, выходной вал какого-либо механизма и т.п.).
Капилляры (узкие трубки) есть и в обычных холодильниках, но движение жидкости по ним происходит за счет разности давлений на концах, создаваемой компрессором.
Жидкость возвращается к испарителю (6) не за счет давления на периферии, а за счет того, что каждый капилляр (4), соприкасающийся с жидкостью, в любом случае будет ее впитывать. А так как испарение в центре интенсивнее, установится поток жидкости в капиллярах от периферии к центру. То есть, жидкость в испарителе испаряется с
капилляров, а не с поверхности жидкости. Благодаря таким особенностям обеспечивается минимальная разница диаметров испарителя (6) и конденсатора (3).
Высота подъема жидкости обратно пропорциональна диаметру капилляра, что позволяет подобрать материал с нужными характеристиками, вплоть до углеродных нанотрубок. Наглядный пример - подъем керосина по фитилю в керосиновой лампе против сил тяжести. Там также происходит испарение керосина с капилляров перед сгоранием. Эффект, на основе которого поток жидкости в капиллярах идет от периферии к центру - основан на общеизвестных законах физики [9].
При вращении испарителя давление в его приосевой части будет ниже, чем на периферии (за счет центробежных сил), поэтому испарение будет происходить интенсивнее ближе к центру, а конденсация - на периферии. Каждая молекула, покинувшая капилляр в зоне испарения (ближе к центру), будет иметь дополнительный импульс (момент движения), направленный по касательной к точке вылета, возникающий за счет центробежных сил. Этот импульс складывается с собственной скоростью молекулы. На периферии же, напротив, центробежная сила уменьшает скорость испарившихся молекул. Исходя из особенностей того, что способ основан на действии лишь эффектов центробежных сил и давления жидкости, обеспечивается работоспособность холодильной машины в любом положении и при любой скорости вращения, при которой капиллярные силы превышают центробежные.
Капилляры могут прилегать к стенкам тора или не прилегать, могут иметь произвольную форму, могут быть покрыты каким-либо материалом, за исключением зоны испарения. Капилляры могут быть усилены каким-либо бандажом, сеткой и т.п. во избежание отрыва от тора, могут быть армированы.
Испаритель и конденсатор могут иметь форму отличную от показанной на чертежах, например, коническую, шарообразную, и т.п.
На холодильной машине могут быть установлены лопасти (крыльчатка вентилятора), имеющие тепловой контакт с испарителем и/или конденсатором. Между конденсатором и испарителем можно установить перегородку, способствующую разделению теплого и холодного воздушных потоков, отбрасываемых холодильной машиной. Перегородка может быть установлена непосредственно на холодильной машине, или отдельно.
Внешние поверхности холодильной машины могут иметь шероховатости, ребра и т.п. для улучшения теплообмена и разделения воздушных потоков. Внутри тепловой машины воздух может быть откачан или заменен на легкий газ (например, водород).
Способ позволяет исключить потребность в сосуде для хладагента, радиальных пластин и теплоизолирующего патрубка.
Поскольку не требуется останавливать агрегат для слива конденсата, обеспечивается непрерывная работа и работоспособность независимо от наличия силы тяжести.
Источники информации:
1. Быков А.В. и др. Холодильные компрессоры. Справочник. Москва, "Колос", 1992.
2. Вейнберг Б.С., Вайн Л.Н. Бытовые компрессионные холодильники. Москва, "Пищевая промышленность", 1974.
3. Доссат Р.Дж. Основы холодильной техники. Москва, "Легкая и пищевая промышленность", 1984.
4. Быков А.В., Калнинь И.М., Сапронов В.И. Программа перехода на озонобезопасные хладагенты. Холодильная техника, N10, 1991, с.2.
5. Авторское свидетельство СССР №452743, кл. F25B 15/00, 1974 г.
6. Авторское свидетельство СССР №476433, кл. F28D 15/00, 1976 г.
7. Патент США №4438636, кл. F25B 3/00, F25B 29/00, 1984 г.
8. Патент РФ №2170890, кл. F25B 3/00, 2000.07.26
9. «Физика», О.Ф. Кабардин, «Просвещение», 1991 г., стр.84-85