ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ОППОЗИТНОЙ ТЕПЛОВОЙ МАШИНОЙ СТИРЛИНГА
COOLING PLANT WITH OPPOSITE STIRLING THERMAL ENGINE

Изобретение относится к области холодильной и криогенной техники, а именно к установкам, использующим тепловые машины, работающие по обратному циклу Стирлинга. Кроме того, изобретение может работать как тепловой насос в системах энергосбережения.
Известна холодильная установка (Патент США №6886348, МПК F02G 1/043, опубл. 05.03.2005), содержащая радиатор отвода тепла, примыкающий к головке цилиндра на отводящей тепло стороне установки, образующий вместе с поршнем первую рабочую полость, радиатор, передающий тепло окружающей среде, примыкающий к головке цилиндра на горячей стороне холодильной установки и образующий вместе с поршнем вторую рабочую полость. Первая рабочая полость с газообразным рабочим телом отделена от второй рабочей полости колеблющейся мембраной, механически связанной с якорем линейного электродвигателя. Первая и вторая рабочие полости соединены регенератором.
Недостатком известного устройства является трудность запуска, когда мембрана и якорь находятся в неподвижном состоянии, а необходимые для устойчивой работы тепловой машины, работающей по обратному циклу Стирлинга, фазовые соотношения объемов горячей и холодной полостей образуются только при колебательном режиме. Кроме того, малые амплитуды перемещений якоря электрогенератора, определяемые механическими свойствами мембраны, не позволяют получить существенную холодопроизводительность.
Наиболее близким по технической сущности является холодильная установка с тепловой машиной Стирлинга, содержащая полости отвода тепла из холодильной камеры, образованные цилиндрами и поршнями на теплоотводящей стороне установки, причем цилиндры на теплоотводящей стороне установки имеют тепловой контакт с радиатором отвода тепла из холодильной камеры, полости передачи тепла на теплопередающей стороне установки, образованные цилиндрами и поршнями, причем цилиндры на теплопередающей стороне установки имеют тепловой контакт с радиатором воздушного или водяного охлаждения. Для привода в движение поршней на теплоотводящей и теплопередающей сторонах установки используется ромбический привод (Новотельнов В.Н. и др. Криогенные машины. - С.Петербург: Политехника, 1991, с.260, рис.5-23).
Недостатком известного устройства является сложность и металлоемкость, обусловленные использованием для привода поршней ромбического механизма. Кроме того, при работе известной холодильной установки происходит утечка газообразного рабочего тела из цилиндропоршневых полостей в картер установки и далее через подшипники привода в окружающую среду. Потеря рабочего тела ведет к снижению холодопроизводительности и КПД.
Технической задачей изобретения является упрощение конструкции, уменьшение потерь рабочего тела из рабочих полостей холодильной установки и повышение КПД.
Эта техническая задача решается тем, что известная холодильная установка с оппозитной тепловой машиной Стирлинга, содержащая полости отвода тепла из холодильной камеры, образованные цилиндрами и поршнями на теплоотводящей стороне установки, причем цилиндры на теплоотводящей стороне установки имеют тепловой контакт с радиатором отвода тепла из холодильной камеры, полости передачи тепла на теплопередающей стороне установки, образованные цилиндрами и поршнями, причем цилиндры на теплопередающей стороне установки имеют тепловой контакт с радиатором охлаждения, снабжена четырьмя герметичными капсулами и двумя противопоточными газовыми теплообменниками с двумя соединительными трубопроводами в каждом потоке, в каждой из капсул заключены полости отвода тепла из холодильной камеры, образованные цилиндрами и поршнями на теплоотводящей стороне установки, оппозитно которым в капсулах расположены полости передачи тепла радиатору охлаждения, образованные цилиндрами и поршнями на теплопередающей стороне установки, в каждой из капсул заключены также линейные электродвигатели с подвижным элементом в виде сквозного штока, жестко соединяющим оппозитные поршни теплопередающей и теплоотводящей сторон установки, причем полость отвода тепла из холодильной камеры первой капсулы соединена первым трубопроводом первого потока первого теплообменника, камерой первого потока первого теплообменника и вторым трубопроводом первого потока первого теплообменника с полостью передачи тепла на теплопередающей стороне установки второй капсулы, полость отвода тепла из холодильной камеры второй капсулы соединена первым трубопроводом первого потока второго теплообменника, камерой первого потока второго теплообменника и вторым трубопроводом первого потока второго теплообменника с полостью передачи тепла на теплопередающей стороне установки третьей капсулы, полость отвода тепла из холодильной камеры третьей капсулы соединена первым трубопроводом второго потока первого теплобменника, камерой второго потока первого теплообменника и вторым трубопроводом второго потока первого теплобменника с полостью передачи тепла на теплопередающей стороне установки четвертой капсулы, полость отвода тепла из холодильной камеры четвертой капсулы соединена первым трубопроводом второго потока второго теплообменника, камерой второго потока второго теплообменника и вторым трубопроводом второго потока второго теплообменника с полостью передачи тепла на теплопередающей стороне установки первой капсулы, внутреннее пространство камер заполнено газом, идентичным по составу газообразному рабочему телу под давлением, соответствующим среднему значению давления рабочего тела в термодинамическом цикле.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема холодильной установки, на фиг.2 показаны временные диаграммы напряжения питания линейных электродвигателей и, соответственно, положения поршней, на фиг.3 приведены временные диаграммы изменения объемов полостей, образующих один термодинамический цикл.
Холодильная установка с оппозитной тепловой машиной Стерлинга содержит герметичные капсулы 1, 2, 3 и 4, заключающие в себе цилиндры 1-5, 2-5, 3-5 и 4-5, имеющие тепловой контакт с радиатором 6 холодильной камеры, цилиндры 1-5, 2-5, 3-5 и 4-5 с поршнями 1-7, 2-7, 3-7 и 4-7 образуют полости 1-8, 2-8, 3-8 и 4-8 отвода тепла от радиатора 6 холодильной камеры, оппозитно цилиндрам 1-5, 2-5, 3-5 и 4-5 в капсулах 1, 2, 3 и 4 размещены цилиндры 1-9, 2-9, 3-9 и 4-9, имеющие тепловой контакт с радиатором 10 охлаждения, отводящим тепло в окружающую среду, цилиндры 1-9, 2-9, 3-9 и 4-9 с поршнями 1-11, 2-11, 3-11 и 4-11 образуют полости 1-12, 2-12, 3-12 и 4-12 передачи тепла радиатору 10 охлаждения.
Поршни 1-7, 2-7, 3-7 и 4-7 полостей 1-8, 2-8, 3-8 и 4-8 отвода тепла от радиатора 6 холодильной камеры штоками 1-13, 2-13, 3-13 и 4-13, являющимися подвижными элементами линейных электродвигателей 1-14, 2-14, 3-14 и 4-14, соединены с поршнями 1-11, 2-11, 3-11 и 4-11 полостей 1-12, 2-12, 3-12 и 4-12 передачи тепла радиатору 10 охлаждения.
Полость 1-8 отвода тепла из холодильной камеры первой капсулы 1 соединена первым трубопроводом 15 первого потока, камерой 16 первого потока первого теплообменника 17 и вторым трубопроводом 18 первого потока первого теплообменника с полостью 2-12 передачи тепла на теплопередающей стороне установки второй капсулы 2
Полость 2-8 отвода тепла из холодильной камеры второй капсулы 2 соединена первым трубопроводом 19 первого потока, камерой 20 первого потока второго теплообменника 21 и вторым трубопроводом 22 первого потока второго теплообменника с полостью 3-11 передачи тепла на теплопередающей стороне установки третьей капсулы 3.
Полость 3-8 третьей капсулы 3 соединена входящим трубопроводом 23, второй камерой 24 первого теплообменника 16 и выходящим трубопроводом 25 с полостью 4-11 четвертой капсулы 4.
Полость 3-8 отвода тепла из холодильной камеры третьей капсулы 3 соединена первым трубопроводом 23 второго потока первого теплообменника 17, камерой 24 второго потока первого теплообменника и вторым трубопроводом 25 второго потока первого теплообменника с полостью 4-11 передачи тепла на теплопередающей стороне установки четвертой капсулы 4.
Полость 4-8 отвода тепла из холодильной камеры четвертой капсулы 4 соединена первым трубопроводом 26 второго потока второго теплообменника, камерой 27 второго потока второго теплообменника 20 и вторым трубопроводом 28 второго потока второго теплообменника с полостью 1-11 передачи тепла на теплопередающей стороне установки первой капсулы 1.
Полости 1-8, 2-8, 3-8 и 4-8 отвода тепла от радиатора холодильной камеры и полости 1-11, 2-11, 3-11 и 4-11 передачи тепла радиатору 10 охлаждения заполнены газом, выполняющим функции рабочего тела в термодинамическом цикле, например гелием, под давлением до 20 мПа.
Внутреннее пространство капсул 1, 2, 3 и 4 заполнено газом, идентичным по составу газообразному рабочему телу под давлением, соответствующим среднему значению давления рабочего тела в термодинамическом цикле.
Холодильная установка с оппозитной тепловой машиной Стирлинга работает следующим образом.
В момент запуска устройство управления подачей необходимых питающих напряжений на статорные обмотки линейных электродвигателей 1-14, 2-14, 3-14 и 4-14 устанавливает начальное положение штоков 1-13, 2-13, 3-13 и 4-13 со сдвигом на четверть периода, считая периодом перемещение штока от крайнего верхнего положения до крайнего нижнего и обратно. Указанное положение показано на фиг.1. Из установленного начального положения на статорные обмотки линейных электродвигателей 1-14, 2-14, 3-14 и 4-14 подается знакопеременное напряжение, вызывающее челночное перемещение штоков 1-13, 2-13, 3-13 и 4-13. Временные диаграммы питающих напряжений приведены на фиг.2. Система управления может плавно изменять период питающих напряжений, обеспечивая при этом заданное при начальной установке соотношение фаз и, соответственно, взаимное положение штоков 1-13, 2-13, 3-13 и 4-13. При указанном перемещении штоков и поршней объем полостей 1-8, 2-8, 3-8 и 4-8 отвода тепла от радиатора 6 холодильной камеры и объем полостей 1-12, 2-12, 3-12 и 4-12 передачи тепла радиатору 10 воздушного охлаждения изменяются по линейному закону. На фиг.3 показаны временные диаграммы изменения объемов полости 1-8 первой капсулы 1 и полости 2-12 второй капсулы 2. Эти две полости не имеют механической связи, однако связаны трубопроводом 15, первой камерой 16 первого теплообменника 17 и трубопроводом 18.
Поскольку внутреннее пространство полостей 1-8, 2-12 и первой камеры 16 первого теплообменника 17 заполнено газообразным рабочим телом, то при челночном перемещении рабочего тела между полостями переменного объема осуществляется обратный термодинамический цикл Стирлинга, при котором механическая работа линейного электродвигателя расходуется на перенос тепла от радиатора 6 холодильной камеры к радиатору 10 воздушного охлаждения. Для эффективной работы тепловой машины по циклу Стирлинга, кроме фазового сдвига изменения объемов на теплоотводящей и теплопередающей сторонах установки в четверть периода, необходимо осуществить теплообмен между изохорными составляющими цикла. В предлагаемой конструкции осуществляются четыре независимых термодинамических цикла с взаимным фазовым сдвигом в четверть периода. Следовательно, первый и третий, а также, второй и четвертый термодинамические циклы находятся в противофазе, поэтому теплообмен между изохорными составляющими одного цикла можно заменить теплообменом между двумя разными циклами, но находящимися в противофазных состояниях, что и осуществляют первый и второй теплообменники 16 и 20.
Если в традиционных тепловых машинах, работающих по циклу Стирлинга, используется сеточный регенератор с челночным движением рабочего тела, вносящий существенные аэродинамические потери, то введенные теплообменники практически не создают аэродинамического сопротивления движению рабочего тела.
Поскольку при оппозитном движении поршней 1-7, 2-7, 3-7 и 4-7 и 1-11, 2-11, 3-11 и 4-11 не происходит изменения внутреннего объема камер 1, 2, 3 и 4, заполнение этого пространства газом под высоким давлением не создает препятствий для рабочих процессов. Однако создание такого контрдавления, равного среднему значению давления рабочего тела в термодинамическом цикле, препятствует утечке рабочего тела из рабочих полостей. Даже если такая утечка и произойдет в момент высокого давления в цикле, она будет компенсирована обратным перетеканием в момент, когда давление в цикле будет меньше среднего.
Таким образом, в холодильной установке реализуются четыре термодинамических цикла Стирлинга при использовании кинематической схемы значительно более простой, чем ромбический привод, что существенно снижает металлоемкость холодильной установки. Поскольку все поршни перемещаются в цилиндрах строго линейно без знакопеременных тангенциальных усилий, уплотнения поршней работают в оптимальных условиях, что позволяет создать, с одной стороны, надежное уплотнение, а с другой стороны, предотвращает их повышенный износ.
Использование изобретения позволяет упростить конструкцию за счет наличия полной идентичность конструкций четырех капсул. Кроме того, поскольку капсулы герметичны, при работе установки не происходит утечки рабочего тела в пространство, что предотвращает снижение холодопроизводительности и КПД.