СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РАБОТЫ В ПОТОК ТЕПЛОТЫ В ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЕ
CONVERSION METHOD OF WORK TO HEAT FLOW IN REFRIGERATING MACHINE

Способ преобразования работы в поток теплоты в холодильной машине может быть использован для технологических нужд различных отраслей народного хозяйства (в пищевой промышленности для производства и хранения продуктов питания, в металлургической и химической промышленности при производстве, хранении и использовании промышленных газов и др.) для создания систем кондиционирования воздуха и систем с тепловыми насосами.
Известен способ преобразования работы в поток теплоты в холодильной машине, осуществляемый в холодильной машине, работающей по обратному циклу Стирлинга (Теплотехника: учебник для вузов / под общ. ред. А.М. Архарова, В.Н.Афанасьева. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2011. - 792 с.: ил. С.566-568). В этой холодильной машине рабочее тело перемещается в замкнутом объеме, а вещество, образующее рабочее тело, остается в неизменном количестве. Как правило, в качестве рабочего тела холодильной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга, используют газ гелий. Эта холодильная машина содержит разделенные холодную и горячую полости, по соединительным каналам между которыми под действием вытеснительного поршня перемещается рабочее тело. Между холодной и горячей полостями установлен регенератор. Рабочее тело холодильной машины получает энергию от рабочего поршня в форме работы в замкнутом термодинамическом цикле. С помощью рабочего поршня, получающего мощность с вала холодильной машины, осуществляются процессы сжатия в теплой полости и расширения в холодной полости, благодаря чему давление рабочего тела периодически изменяется. При этом рабочее тело попеременно получает теплоту в холодной полости от холодного источника теплоты и отдает теплоту в горячей полости горячему источнику теплоты. Таким образом, процесс теплообмена между рабочим телом и обоими источниками теплоты происходит попеременно, т.е. не является постоянным.
Применение данного способа преобразования работы в поток теплоты приводит к усложнению холодильных машин, что обусловлено необходимостью использования дополнительного вытеснительного поршня. При этом способе велики потери энергии из-за протекания в холодильной машине необратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты при больших разностях температур. Кроме того, данный способ не позволяет конструировать холодильные машины с высокими оборотами ведущего вала и повышенной холодопроизводительностью, так как при больших скоростях перемещения рабочего тела между холодной и горячей полостями велики гидравлические потери и снижается эффективность преобразования работы в поток теплоты.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ преобразования работы в поток теплоты, осуществляемый в холодильной машине с волновым криогенератором (Теплотехника: учебник для вузов / под общ. ред. А.М Архарова, В.Н. Афанасьева. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 792 с.: ил. С.530, 533, 538, 539; Криогенные системы: Основы теории и расчета: Учебник для студентов вузов по специальности «Криогенная техника» / А.М Архаров, И.В. Марфенина, Е.И. Микулин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988. - 464 с.: ил. С.158-162). В холодильной машине с волновым криогенератором, которая может применяться для непрерывного охлаждения тел, рабочее тело циркулирует по замкнутому контуру, а вещество, образующее рабочее тело, остается в неизменном количестве. В этой холодильной машине используются различные газообразные рабочие тела. В компрессоре холодильной машины рабочее тело сжимается, его давление повышается. Затем струя рабочего тела под давлением направляется в сужающееся сопло криогенератора. При истечении рабочего тела через сопло возникают скачки его плотности и возбуждается волновой автоколебательный режим движения струи. В ходе дальнейшего втекания струи рабочего тела в замкнутую полость резонансной трубки скачки уплотнений начинают осциллировать и в резонансной трубке устанавливается автоколебательный процесс. При этом нагревается закрытый конец резонансной трубки и часть энергии рабочего тела в виде теплоты передается горячему источнику теплоты. При работе криогенератора в объеме рабочего тела возникает градиент температуры, направленный вдоль резонансной трубки. Температура рабочего тела на выходе из резонатора становится ниже температуры на входе в него. Струя рабочего тела с пониженными температурой и давлением поступает в теплообменник, где получает теплоту от холодного источника теплоты. Затем рабочее тело снова попадает в компрессор, где его давление и температура повышаются. Далее указанные процессы повторяются.
В ходе преобразования работы в поток теплоты по способу, осуществляемому в холодильной машине с волновым криогенератором, к некоторому объему рабочего тела периодически подводится энергия в форме работы в компрессоре, подводится теплота от холодного источника теплоты и отводится теплота к горячему источнику теплоты таким образом, что давление этого объема рабочего тела периодически изменяется. При этом процесс теплообмена между данным объемом рабочего тела и обоими источниками теплоты происходит попеременно, т.е. не является постоянным.
Эффективность преобразования работы в поток теплоты по данному способу невысока вследствие повышенных гидравлических потерь при циркуляции рабочего тела по замкнутому контуру. При этом способе также велики потери энергии из-за протекания в холодильной машине необратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты при больших разностях температур, что вызвано непостоянным характером этого теплообмена. Непостоянный теплообмен приводит к необходимости создания отдельного теплообменника для получения рабочим телом теплоты от холодного источника теплоты, что приводит к усложнению конструкции холодильной машины, снижению ее надежности и холодопроизводительности.
Изобретение направлено на упрощение конструкции холодильных машин, повышение их надежности и холодопроизводительности, а также на повышение эффективности преобразования работы в поток теплоты в этих машинах. Для этого применяют способ преобразования работы в поток теплоты, при котором в объеме рабочего тела холодильной машины создают градиент температуры, используют рабочее тело в замкнутом термодинамическом цикле, в котором оно получает энергию в форме работы, получает теплоту от холодного источника теплоты и отдает теплоту горячему источнику теплоты таким образом, что давление рабочего тела периодически изменяется. При этом рабочее тело холодильной машины выполняют в виде смеси веществ, между которыми протекает обратимая химическая реакция, применяют постоянный теплообмен между рабочим телом и холодным и горячим источниками теплоты, а поток теплоты от холодного источника теплоты к горячему источнику теплоты получают в процессе протекания в объеме рабочего тела периодической химической реакции.
Выполнение рабочего тела холодильной машины в виде смеси веществ, между которыми протекает обратимая химическая реакция, позволяет увеличить плотность потока теплоты от холодного источника теплоты к горячему источнику теплоты и повысить холодопроизводительность машины. Применение постоянного теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты позволяет упростить конструкцию холодильной машины, так как при этом отпадает необходимость в отдельном теплообменнике, в котором рабочее тело получает теплоту от холодного источника теплоты. Кроме того, постоянный теплообмен позволяет уменьшить потери энергии из-за протекания в холодильной машине необратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты при больших разностях температур, что в итоге позволяет повысить эффективность преобразования работы в поток теплоты в холодильной машине. Получение потока теплоты от холодного источника теплоты к горячему источнику теплоты в процессе протекания в объеме рабочего тела периодической химической реакции способствует стабилизации автоколебательного процесса при работе холодильной машины и повышению ее надежности.
Данный способ преобразования работы в поток теплоты может быть осуществлен в холодильной машине, показанной на чертеже. Холодильная машина состоит из цилиндра 1 с частично теплоизолированными стенками, в который помещен поршень 2, приводимый в движение механизмом привода 3 с валом 4, двух установленных на цилиндре теплообменных рубашек 5 и 6, заполненных холодным и горячим теплоносителями. В цилиндре 1 над поршнем 2 помещено рабочее тело 7, представляющее собой смесь веществ, между которыми протекает обратимая химическая реакция.
При работе холодильной машины в теплообменные рубашки 5 и 6 подаются холодный и горячий теплоносители с разными температурами. Из-за наличия разности температур теплоносителей в результате теплообмена между каждым из теплоносителей и рабочим телом 7 через стенку цилиндра 1 в объеме рабочего тела 7 создается градиент температуры. Под действием градиента температуры достаточной величины и при возвратно-поступательном движении поршня 2 в состоянии рабочего тела 7 появляется неустойчивость и в его объеме устанавливаются автоколебания, т.е. незатухающие колебания концентраций веществ и температуры в каждом элементе объема рабочего тела 7. При этом в цилиндре 1 в объеме рабочего тела 7 протекает периодическая химическая реакция и появляются химические колебания. В ходе химических колебаний давление рабочего тела 7 в цилиндре 1 периодически изменяется, при этом происходит передача мощности от вращающегося вала 4 к поршню 2 через механизм привода 3. При этом рабочее тело 7 получает энергию в форме работы от поршня 2. В то же время появляется поток теплоты от холодного теплоносителя к горячему через объем рабочего тела 7. Благодаря этому потоку теплоты поддерживаются разность температур холодного и горячего теплоносителей, а также градиент температуры в объеме рабочего тела 7.