ТУРБОДЕТАНДЕРНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК
TURBINE-EXPANSION-ENGINE REFRIGERATOR

Изобретение относится к области холодильной техники, в устройствах которой в качестве рабочего тела используются газы. Конкретно изобретение относится к области устройств холодильной техники, основанных на известном в физике газов эффекте Джоуля-Томсона [1], [2], который состоит в том, что если теплоизолированный газ переходит от высшего давления к низшему, то происходящее при этом расширение сопровождается изменением температуры газа. В известных холодильных устройствах, основанных на эффекте Джоуля-Томсона, рабочее тело (газ) предварительно сжимается до давлений от нескольких атмосфер (в турбодетандерах) до двухсот атмосфер (в поршневых детандерах). Для обеспечения снижения температуры до желаемого уровня в упомянутых устройствах предусматривается достаточное число ступеней, что позволяет процесс охлаждения повторять многократно. Для сжатия рабочего тела (газа) используются компрессорные установки [3], [4].
В качестве одного из аналогов заявляемого устройства можно указать на устройство по патенту RU 2075014, F25B 9/00, 1997 (устройство для охлаждения материальных тел, содержащее, по меньшей мере, одну ступень, включающую канал для циркуляции рабочего тела, движитель, обеспечивающий циркуляцию рабочего тела по каналу, двигатель, приводящий в действие движитель, а также источник энергии для работы двигателя). Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является изобретение по патенту RU 2299381 C1, F25B 9/00, 2007 г. (устройство для снижения температуры материальных тел).
В устройстве по патенту RU 2299381 процесс сжатия и расширения рабочего тела осуществляется без использования компрессора. В целях снижения температуры газа канал, по которому циркулирует газ, имеет переменное поперечное сечение. Примером канала с наличием одного зауженного участка малого сечения является известная в технике трубка Вентури [1]. Движение среды жидкости по каналу с переменным сечением описывается уравнением Бернулли [2]. Для описания процессов изменения параметров газа, движущегося по каналу с переменным сечением, используется термодинамическое обобщение уравнения Бернулли [2]:
где
i - теплосодержание газового потока (i=u+ρυ),
- кинетическая энергия газового потока,
ω - скорость течения газового потока,
g - ускорение силы земного тяготения,
u - удельная внутренняя энергия газа,
ρ - давление газа, υ - удельный объем газа.
В уравнении (1) энергетические параметры газового потока приведены для одного кг массы. Из уравнения (1) следует, что сумма теплосодержания и кинетическая энергия газового потока при стационарном адиабатном течении, без производства работы, одинакова для всех сечений потока. В зауженных сечениях канала, где скорость газа увеличивается, увеличивается также и кинетическая энергия потока, а следовательно, согласно уравнению (1) плотность, давление и температура газа уменьшаются, а объем увеличивается. При адиабатном течении с расширением газа прирост кинетической энергии ведет к убытку теплосодержания (падению температуры) [2]:
p
где C - теплоемкость газа при постоянном давлении,
T - температура в объеме газа.
1
2
В уравнениях (1) и (2) параметры газового потока соответствуют двум участкам канала, различным по площади поперечного сечения (S и S).
Из уравнения (2) следует, что для снижения температуры газа в зауженном сечении канала необходимо выполнение условия:
Как показано в [2], существенное снижение температуры газа начинается при условии, что скорость течения газа в зауженной части канала в 50 раз больше, чем скорость течения газа в обычном сечении канала.
Эффект уменьшения температуры газа в зауженном участке канала используется для снижения температуры среды, окружающей упомянутый участок канала. Для достижения желаемого уровня снижения температуры охлаждаемой среды (вещества) предусматривается необходимое число связанных между собой ступеней устройства. Одним из недостатков устройства по патенту RU 2299381 С1 2007 года является необходимость создания конструкции из нескольких ступеней, что приводит к усложнению и увеличению габаритов устройства.
В предлагаемом изобретении процесс сжатия и расширения рабочего тела (газа) осуществляется без использования компрессоров так, как это осуществляется в устройстве по патенту RU 2299381. Однако процесс охлаждения до желаемой температуры осуществляется в одной ступени холодильника.
С этой целью в канале для циркуляции газообразного рабочего тела предусматривается зауженный участок, площадь поперечного сечения которого меньше площади поперечного сечения остальной части канала. При циркуляции рабочего тела по каналу параметры рабочего тела претерпевают следующие изменения: скорость потока рабочего тела в зауженной части канала больше, чем в остальной части канала, во столько раз, во сколько площадь поперечного сечения обычной части канала превосходит площадь поперечного сечения зауженной части канала. Температура рабочего тела в зауженной части канала соответственно ниже температуры рабочего тела в обычной (незауженной) части канала.
Для достижения желаемого уровня снижения температуры в одной ступени предусматривается отвод кинетической энергии от потока газа в зауженной части канала циркуляции посредством установки в потоке газа турбины (например, лопастной турбины). Установка турбины позволяет осуществлять процесс снижения температуры так, как это осуществляется в турбодетандерах, но без применения компрессора [4]. Снижение температуры рабочего тела происходит в потоке по зауженной части канала. При выходе газа из зауженной части канала его температура не восстанавливается до температуры газа на входе канала циркуляции (трубки Вентури), поскольку кинетическая энергия потока отбирается турбиной, т.е. теплосодержание газа на выходе канала меньше теплосодержания газа на входе канала. Этот процесс аналогичен процессу в турбодетандерах [4]. При перемешивании газа, вышедшего из канала, с остальным объемом газа в камере понижается температура всего объема газа. Снижение температуры газа в объеме камеры холодильника происходит также путем его охлаждения при контакте с потоком газа зауженной части канала через его теплопроводящие стенки. При этом желаемое достижение уровня снижения температуры может быть обеспечено в одной камере холодильника без использования дополнительных ступеней. Теоретически снижение температуры газа может происходить вплоть до температуры сжижения газа. Кинетическая энергия с вала турбины снимается и отводится за пределы камеры холодильника. Как вариант, часть упомянутой кинетической энергии может быть использована для приведения в действие движителя (дополнительно с работой двигателя). В такой холодильной камере охлаждаемое вещество может помещаться в любой части камеры, а не только непосредственно у стенок зауженной части канала. Кроме того, часть стенки или весь корпус камеры может быть изготовлен из теплопроводящего материала. В таком варианте холодильник может быть использован для снижения температуры среды (газа или вещества), окружающей полностью или частично камеру холодильника.
На чертеже, приложенном к описанию, представлен схематический рисунок, иллюстрирующий разрез конструкции и схему работы холодильника. На рисунке показаны: 1 - камера холодильника, изготовленная из теплоизолирующего материала и заполненная хладоагентом (газом); 2 - канал (трубка Вентури) для циркуляции хладоагента в камере холодильника; 3 - зауженный участок канала циркуляции хладоагента, изготовленный из материала хорошей теплопроводности; 4 - движитель (например, лопастный насос), обеспечивающий циркуляцию хладоагента в канале; 5 - двигатель (например, электромотор), приводящий в действие движитель в камере холодильника; 6 - лопастная турбина для отбора кинетической энергии потока газа в зауженном участке канала; 7 - источник питания электромотора; 8 - переходное устройство; 9 - устройство для отбора энергии с вала турбины.
Устройство (холодильник) работает следующим образом. После включения двигателя и начала работы движителя газ (хладоагент) начинает циркулировать по каналу (типа трубки Вентури) и во всем объеме камеры. Направление циркуляции газа по каналу показано сплошными стрелками.
Температура газа (хладоагента) при распространении по зауженной части канала снижается по сравнению с температурой газа на входе канала, а при перемешивании газа при циркуляции его в камере снижается температура газа и во всем объеме камеры. Поскольку циркуляция газа - хладоагента происходит непрерывно, то в результате происходит постепенный отбор тепла и, соответственно, охлаждение вещества до желаемой температуры. Указанный процесс происходит при условии, что контейнер холодильника изготовлен из теплоизолирующего материала. В таком контейнере охлаждаемое вещество размещается в желаемом месте в пределах объема контейнера.
Как вариант, контейнер холодильника изготавливается из теплопроводящего материала. Холодильник с таким контейнером может быть использован для снижения температуры среды (газа или вещества), окружающей контейнер или соприкасающейся с частью внешней поверхности контейнера. Необходимым условием для работы такого варианта холодильника является вывод энергии с вала турбины за пределы объема охлаждаемой среды.
Заявляемое устройство может быть использовано в холодильной технике для охлаждения газов и других веществ. Его преимуществами являются относительная простота изготовления и эксплуатации, а также малые энергетические затраты при функционировании.
Литература
1. Физическая энциклопедия. Гл. редактор A.M.Прохоров. М.: Сов. Энциклопедия, 1990 г.
2. К.А.Путилов, Курс физики, т.1, М.: Госиздат, 1957 г.
3. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. М.П.Малкова, М., 1985 г.
4. Е.Я.Соколов, В.М.Бродянский. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоиздат, 1981 г.