СПОСОБ ОТРАБОТКИ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИХ РЕФРИЖЕРАТОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR ADJUSTMENT OF MAGNETOCALORIC REFRIGERATOR OPERATION PARAMETRES IN LABORATORY CONDITIONS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретения относятся к холодильной технике, в частности к способам и устройствам для отработки в лабораторных условиях параметров работы рефрижераторов, работающих на основе магнитокалорического эффекта.
В настоящее время ведутся интенсивные исследования в области создания холодильных установок на основе магнитокалорического эффекта (МКЭ). Создаваемые материалы, обладающие МКЭ, требуют тщательных и широкомасштабных лабораторных испытаний с целью внедрения полученных результатов в разрабатываемые вновь конструкции рефрижераторов.
Известные из патентных источников [1, 2, 3] стендовые установки и используемые способы решают частные задачи и не могут быть использованы для комплексной отработки конструкций рефрижераторов и оптимизации их параметров.
Известен магнитный рефрижератор [4], содержащий корпус с вращающимся колесом, которое жестко насажено на вал и выполнено из рабочего вещества, обладающего магнитокалорическим эффектом (МКЭ), в виде насаженных друг на друга коаксиальных колец с радиальными каналами для прохода теплого и холодного потоков теплоносителя и разделенных на сегменты непроницаемыми теплоизолирующими перегородками, магнит, охватывающий часть колеса, газораспределительное устройство для подвода и отвода теплоносителя, размещенное в центральной части корпуса, и теплообменник нагрузки, выполненный в виде корпуса рефрижератора, жестко связанного с размещенным в нем колесом с возможностью вращения совместно с последним, при этом между корпусом и наружной поверхностью колеса выполнен зазор для прохода холодного потока теплоносителя.
Несмотря на хорошие эксплуатационные характеристики указанная конструкция разработана применительно к использованию пористых материалов с МКЭ, что не позволяет без существенной переделки конструкции рефрижератора применять другие материалы с МКЭ, исследовать их влияние на конструктивные элементы вновь создаваемых рефрижераторов, проводить оптимизацию параметров работы рефрижераторов.
Известен магнитокалорический рефрижератор, работающий на основе магнитокалорического эффекта [5], содержащий корпус, заполненный жидким или газообразным теплоносителем, магнитокалорические элементы, имеющие каналы для прохода теплоносителя, теплоотдатчик, теплообменник нагрузки, магнитную систему и два возвратно-поступательных механизма привода магнитокалорических элементов и магнита. Недостатки указанного устройства:
- низкая эффективность,
- относительно небольшой ресурс работы,
- большие габариты и масса, являющиеся следствием применения двух возвратно-поступательных приводных механизмов,
- невозможность его использования в качестве лабораторной установки для исследования и отработки параметров работы вновь проектируемых магнитокалорических рефрижераторов.
Известен также магнитокалорический рефрижератор [6] для получения низких температур, содержащий корпус, внутри которого размещен ротор с каналами, систему теплоносителя, состоящую из побудителя расхода теплоносителя, теплообменника нагрузки, подводящих и отводящих патрубков, магнитную систему, включающую, по крайней мере, три секции, а на внешней поверхности ротора установлено кольцо из сверхпроводящего материала, а ротор выполнен из материала с МКЭ. Несмотря на очевидные преимущества по сравнению с известными конструкциями описанное выше техническое решение обладает существенным недостатком: рефрижератор для его устойчивой работы должен содержать не менее трех секций магнитной системы, что усложняет конструкцию, а выход из строя одной из секций приводит к неустойчивой работе рефрижератора в целом. Кроме того, без существенных переделок его весьма затруднительно использовать для экспериментальной отработки вновь создаваемых рефрижераторов.
Несмотря на указанные недостатки, конструкция, приведенная в патенте RU 2029203 [6], может быть принята за прототип.
Задачей, на решение которой направлены предлагаемые технические решения, является создание конструкции, пригодной для отработки в лабораторных условиях параметров работы магнитокалорических рефрижераторов, и на ее основе реализовать способ отработки, заключающийся в проведении экспериментов, позволяющих изучать влияние многочисленных факторов и конструктивных решений на эффективность работы рефрижераторов, а изменяя их комплексно, проводить оптимизацию параметров работы рефрижераторов и добиваться совершенства их конструкции.
Завленное изобретение заключается в том, что способ отработки в лабораторных условиях параметров работы магнитокалорических рефрижераторов, основанный на наложении магнитного поля на магнитокалорическое рабочее тело, прокачке теплоносителя для его контакта с рабочим телом, организации теплообмена нагретого теплоносителя с окружающей средой, отводе охлажденного теплоносителя в камеру охлаждения рефрижератора, регулировании и контроле параметров работы рефрижератора, отличается тем, что в качестве рабочего тела используют набор однотипных сменных капсул с магнитокалорическим эффектом, объединенных в один блок, организуют контакт сменных капсул по всей их поверхности с теплоносителем, при этом оптимизацию работы рефрижератора производят путем изменения величины напряженности магнитного поля, скорости прокачки теплоносителя, скорости прохождения сменных капсул через зону магнитного поля, интенсивности теплопередачи теплоносителя во внешнюю среду, а при достижении минимального значения температуры в камере охлаждения рефрижератора фиксируют значения параметров работы рефрижератора, обеспечивших максимальную холодопроизводительность.
Также заявленное изобретение заключается в том, что устройство для отработки в лабораторных условиях параметров магнитокалорических рефрижераторов, содержащее магнитную систему, ротор со съемной крышкой, снабженный каналами для прохода теплоносителя, рабочее тело из материала с магнитокалорическим эффектом, привод ротора, систему теплоносителя с насосом и его приводом, теплоприемником, размещенным в камере охлаждения, и теплоотдатчиком, блоки регулировки и контроля параметров работы рефрижератора, отличается тем, что рабочее тело выполнено в виде набора однотипных сменных капсул с магнитокалорическим эффектом, смонтированных в омываемых теплоносителем и отделенных друг от друга ячейках в теле ротора, а ось ротора выполнена неподвижной и снабжена каналами для подвода и отвода теплоносителя и двумя поясами уплотнений, исключающими перетекание теплоносителя по плоскости взаимодействия неподвижной оси и ротора, при этом ротор кинематически связан с приводом, теплоотдатчик выполнен в виде герметично установленного на роторе сменного обода с внешним и внутренним оребрением и полостью для прокачки, а приводы насоса и ротора выполнены регулируемыми.
Установленный на роторе сменный обод может быть выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например меди или алюминиевого сплава.
Внешнее оребрение сменного обода теплоотдатчика может быть выполнено в виде многоступенчатых многосекционных лопастей, установленных под углом к плоскости вращения ротора.
Формы ячеек в теле ротора для монтажа сменных капсул могут быть выполнены подобными внешним обводам сменных капсул.
Сменные капсулы могут быть выполнены в виде пакета установленных с зазором горизонтальных или вертикальных пластин из материала с магнитокалорическим эффектом.
Сменные капсулы могут быть выполнены из материала с магнитокалорическим эффектом в виде оребренного монолита.
Сменные капсулы могут быть выполнены из материала с магнитокалорическим эффектом в виде монолита со сквозными каналами для прохода теплоносителя.
Сменные капсулы могут быть выполнены из пористого, проницаемого для теплоносителя материала с магнитокалорическим эффектом.
Сменные капсулы могут быть выполнены из материала с магнитокалорическим эффектом в виде шариков или гранул, помещенных в сетчатый корпус.
Неподвижная ось ротора может быть снабжена двумя пазами, расположенными между двух поясов уплотнений.
Блоки регулировки и контроля параметров работы рефрижератора могут быть выполнены в виде совмещенного пульта управления и контроля параметров, содержащего регулятор скорости вращения ротора с установленными в нем однотипными сменными капсулами, регулятор расхода теплоносителя и приборы контроля числа оборотов ротора, расхода теплоносителя, напряженности магнитного поля, температуры в камере охлаждения рефрижератора и температуры окружающей среды.
Таким образом, технический результат достигается тем, что в качестве рабочего тела используют набор однотипных сменных капсул с магнитокалорическим эффектом, объединенных в одном блоке (роторе), организуют контакт сменных капсул по всей их поверхности с теплоносителем, а оптимизацию работы рефрижератора проводят путем изменения величины напряженности магнитного поля, скорости прокачки теплоносителя, скорости прохождения сменных капсул через зону магнитного поля, интенсивности теплопередачи теплоносителя во внешнюю среду, а при достижении минимальной температуры в камере охлаждения рефрижератора фиксируют значения параметров работы рефрижератора, обеспечивших максимальную холодопроизводительность.
Предложенный способ реализуется в устройстве, содержащем магнитную систему, ротор со съемной крышкой, снабженный каналами для прохода теплоносителя, рабочее тело из материала с магнитокалорическим эффектом, привод ротора, систему теплоносителя с насосом и его приводом, теплоприемником, размещенным в камере охлаждения рефрижератора, и теплоотдатчиком, блоки регулировки и контроля параметров работы рефрижератора. При этом рабочее тело выполнено в виде набора однотипных сменных капсул, смонтированных в омываемых теплоносителем и отделенных друг от друга ячейках в теле ротора, ось ротора выполнена неподвижной и снабжена каналами для подвода и отвода теплоносителя и двумя поясами уплотнений, исключающими перетекание теплоносителя по плоскости взаимодействия неподвижной оси и ротора, а ротор кинематически связан с приводом, теплоотдатчик выполнен в виде герметично установленного на роторе сменного обода с внешним и внутренним оребрением и полостью для прокачки теплоносителя. Приводы насоса и ротора выполнены регулируемыми.
Патентуемые способ и устройство позволяют проводить в лабораторных условиях отработку конструкций рефрижераторов, исследовать широкий спектр рабочих тел из материалов, обладающих МКЭ, в том числе вновь создаваемых, проводить оптимизацию параметров разрабатываемых рефрижераторов.
Сущность изобретений поясняется графическими материалами, где
на Фиг.1 показана блок-схема устройства;
на Фиг.2 изображен выносной элемент I на Фиг.1;
на Фиг.3 показан разрез А-А на Фиг.2 - поперечный разрез ротора;
на Фиг.4 представлен вид Б на Фиг.3 - внешнее оребрение обода ротора;
на Фиг.5 изображен вид В на Фиг.3 - вариант внешнего оребрения обода ротора;
на Фиг.6 показан разрез А-А на Фиг.1 - вариант выполнения неподвижной оси ротора с двумя пазами для прохода теплоносителя одновременно через несколько смежных ячеек ротора;
на Фиг.7 изображен вид Г на Фиг.6 - вид на паз в неподвижной оси для прохода теплоносителя, выполненный между двух поясов уплотнений;
на Фиг.8 показана сменная капсула, выполненная в виде пакета горизонтальных пластин из материала с МКЭ, установленных с зазором для прохода теплоносителя;
на Фиг.9 представлена сменная капсула в виде пакета установленных вертикально пластин из материала с МКЭ.
на Фиг.10 показана сменная капсула в виде оребренного монолита из материала с МКЭ;
на Фиг.11 изображена сменная капсула из материала с МКЭ в виде монолита со сквозными каналами для прохода теплоносителя;
на Фиг.12 представлена сменная капсула, изготовленная из пористого материала с МКЭ;
на Фиг.13 показана сменная капсула, выполненная в виде сетчатого корпуса с размещенными в нем шариками или гранулами из материала с МКЭ.
Устройство для отработки в лабораторных условиях параметров работы магнитокалорических рефрижераторов (Фиг.1, 2) содержит камеру 1 охлаждения, магнитную систему 2, ротор 3 со съемной крышкой 4. В теле ротора 3 выполнены углубления в виде отделенных друг от друга ячеек 5, в которых установлены однотипные сменные капсулы 6 (Фиг.1, 2, 3, 6) из материала 7, обладающего магнитокалорическим эффектом. Устройство снабжено системой 8 теплоносителя с насосом 9, теплоприемником 10, теплоотдатчиком 11, компенсационным бачком 12 с крышкой 13, подводящими и отводящими теплоноситель трубопроводами 14 и 15 соответственно. Ротор 3 и крышка 4 выполнены из магнитопроницаемого материала, например органического стекла. Ячейки 5 в теле ротора 3 (Фиг.3, 6) отделены друг от друга и снабжены радиальными каналами 16 и 17 для прохода теплоносителя. Сменные однотипные капсулы 6 (на Фиг.1, 2, 3, 6 показаны не все) имеют форму сегментов, цилиндров, многогранных брусков и т.п. и устанавливаются в ячейках с зазором для прохода теплоносителя, который омывает каждую капсулу 6. Сменные капсулы 6 могут быть выполнены в виде пакетов установленных с зазором горизонтальных (Фиг.8) или вертикальных (Фиг.9) пластин 18 и 19 соответственно из материала с МКЭ, оребренных монолитов (Фиг.10), монолитов со сквозными каналами 20 для прохода теплоносителя (Фиг.11), монолитов из пористого, проницаемого теплоносителем материала с МКЭ (Фиг.12) или сетчатых корпусов, внутри которых размещены шарики или гранулы из материала с МКЭ (Фиг.13). Теплоотдатчик 11 (Фиг.2) выполнен в виде герметично установленного на роторе 3 сменного обода 21 с внешним и внутренним оребрением 22 и 23 соответственно. Сменный обод 21 выполнен из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например меди или алюминиевого сплава. Внутри сменного обода 21 образована контактирующая с теплоносителем полость 24. Внешнее оребрение 22 сменного обода 21 представляет собой цилиндр с кольцевыми ребрами 25 (Фиг.4). Внешнее оребрение сменного обода 21 для увеличения теплоотдачи может быть выполнено также в виде хорошо развитых поверхностей, например многоступенчатых многосекционных лопастей 33 (Фиг.5), установленных под углом к плоскости вращения ротора 3. Кинематически связанный с регулируемым приводом (на Фиг.2 не показан) ротор 3 устанавливается на неподвижной оси 26 (Фиг.2, 3, 6, 7), выполненной из материала с низким коэффициентом трения, например фторопласта, и снабженной подводящими и отводящими каналами 27 и 28 соответственно и поясами уплотнений 29 и 30 (Фиг.2, 7), исключающими перетекание теплоносителя по плоскости взаимодействия 31 (Фиг.2) неподвижной оси 26 и ротора 3. Для одновременного прохода теплоносителя через несколько каналов 17 (в роторе 3) в неподвижной оси 26 выполнены пазы 32 (Фиг.6, 7), расположенные между двумя поясами уплотнений 29 и 30 (Фиг.2, 7). Такое техническое решение позволяет осуществлять одновременный контакт теплоносителя с несколькими сменными капсулами 6, размещенными в смежных ячейках 5, как при входе теплоносителя в ротор 3, так и при выходе из него. Для изменения скорости вращения ротора 3 и расхода теплоносителя устройство снабжено регулируемыми приводами 34 и 35 (Фиг.1) соответственно. Для контроля параметров работы патентуемое устройство снабжено датчиком расхода 36 теплоносителя, датчиком температуры 37 в камере охлаждения, датчиком температуры 38 окружающей среды, измерителем температуры 39. Для удобства проведения испытаний блоки регулировки и контроля параметров работы рефрижератора выполнены в виде совмещенного пульта 40 управления и контроля параметров.
Патентуемый способ осуществляется в описанном выше устройстве следующим образом. В ячейки 5 (при снятой крышке 4) устанавливают однотипные (по форме и материалу) сменные капсулы 6 с выбранным вариантом материала 7, обладающего магнитокалорическим эффектом (Фиг.8, 9, 10, 11, 12, 13). Съемную крышку 4 герметично закрепляют на роторе 3. Устанавливают на ротор 3 также сменный обод 21 с выбранным вариантом внешнего оребрения 22 (Фиг.4, 5). Компенсационный бачок 12 заполняют теплоносителем и задействуют регулируемые приводы 34 и 35 ротора 3 и насоса 9 соответственно (Фиг.1). Насос 9 прокачивает теплоноситель (Фиг.2, 3, 6) через компенсационный бачок 12, подводящий трубопровод 14, подводящий канал 27, канал 17 (каналы 17 в роторе 3 в зависимости от их положения относительно магнитной системы 2 являются для теплоносителя входными либо выходными), ячейку 5.
Омывая сменную капсулу 6, теплоноситель через канал 16 поступает в полость 24 оребренного обода 21 теплоотдатчика 11. Нагретые сменные капсулы 6 в зоне сильного магнитного поля, созданного магнитной системой 2, отдают свое тепло посредством теплоносителя ободу 21, снабженному внешним и внутренним оребрением 22 и 23. Затем теплоноситель движется во внутренней полости 24 обода 21, отдавая тепло во внешнюю среду (см. показанные на Фиг.3 и 6 стрелки), и поступает через каналы 16 (их функции аналогично каналам 17 также зависят от положения ротора 3) в ячейки 5, где происходит его охлаждение, т.к. сменные капсулы 6 с материалом 7, вышедшие из зоны сильного магнитного поля, размагничиваются и охлаждаются в результате магнитокалорического эффекта. Охлажденный теплоноситель через каналы 17, 28 и отводящий трубопровод 15 поступает в камеру 1 охлаждения, где реализуется холодопроизводительность. Далее цикл многократно повторяется. В процессе проведения испытаний с пульта 40 задают режимы работы регулируемых приводов 35 и 34, которые позволяют изменять расход теплоносителя в системе 8 и скорость вращения ротора 3, от которой зависит время нахождения капсул 6 с магнитокалорическими материалами 7 в магнитном поле, создаваемой магнитной системой 2. Напряженность магнитного поля, если оно создается электромагнитом магнитной системы 2, регулируется с пульта 40. В случае применения постоянных магнитов напряженность магнитного поля изменяют дискретно путем установки постоянных магнитов с фиксированными параметрами. Оптимизацию параметров работы рефрижератора производят путем замены набора одних сменных капсул 6 на другие (с различными материалами с МКЭ и формами их выполнения), подбором конструкций сменного обода 21 теплоотдатчика 11, изменением расхода теплоносителя и напряженности магнитного поля, а также скоростью вращения ротора 3. При достижении в морозильной камере 1 исследуемого рефрижератора минимальной температуры фиксируют значения параметров, обеспечивших максимальную холодопроизводительность.
Патентуемые способ и устройство позволяют проводить в лабораторных условиях отработку параметров работы разрабатываемых рефрижераторов, исследовать влияние используемых конструктивных элементов на холодопроизводительность, а за счет применения ротора с установленными в нем однотипными сменными капсулами с материалом, обладающим магнитокалорическим эффектом, добиваться оптимального соотношения рабочих параметров и принятых конструктивных решений.
Источники информации
1. Патент России RU 2027929, кл. F16J 15/00. Стенд для испытаний магнитных жидкостей, опубл. 1995.
2. Патент России RU 2269077, кл. F25B 25/02. Стенд для испытаний абсорбционно-компрессорного холодильника, опубл. 2006.
3. Патент России RU 2105938, кл. F25B 25/02. Стенд для испытаний абсорбционно-компрессорного агрегата, опубл. 1998.
4. А.с. 1668829, кл. F25B 21/00. Роторный магнитный рефрижератор.
5. Патент US 4392356, кл. 62-3. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1984.
6. Патент России RU 2029203, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1995.
7. Патент России RU 2252375, кл. F25B 21/00. Магнитная тепловая машина, опубл. 2005.
8. Патент России RU 2079802, кл. F25B 21/00. Рефрижератор, опубл. 1997.
9. Патент России RU 2040740, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1995.
10. А.с. 1726930, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1992.
11. А.с. 1719815, кл. F25B 21/00. Система криостатирования, опубл. 1992.
12. А.с. 1629706, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1991.
13. А.с. 1590881, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1990.
14. А.с. 1451490, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1989.
15. Патент US 6668560, кл. F25B 21/00. Ротационный магнитокалорический рефрижератор, опубл. 2003.
16. Патент US 6446441, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 2002.
17. Патент US 4727721, кл. F25B 21/02. Устройство магнитокалорического рефрижератора, опубл. 1988.
18. Патент US 4532770, кл. F25B 21/02. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1985.
19. Патент US 4107935, кл. F25B 21/02. Высокотемпературный рефрижератор, опубл. 1978.
20. Патент Японии 60-259870, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1985.