АВТОНОМНАЯ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СРЕД С РАДИОИЗОТОПНЫМ ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к технике охлаждения сред до криогенных температур, основанной на принципах термоакустических преобразований тепловой энергии, а также принадлежит классу автономных устройств с питанием от радиоизотопных источников энергии.
Известны модели устройства тепловых машин для генерации электроэнергии, где в качестве источника тепловой мощности используется энергия, выделяющаяся при радиоактивном распаде соответствующих материалов, так называемые радиоизотопные источники энергии, Алиевский Б.Л., Специальные электрические машины, М.: Энергоатомиздат, 1994 г., 206 с. Главным достоинством источников является высокие удельные значения энергоемкости, надежность, компактность.
Известна модель устройства тепловой машины, работающей на принципах термоакустических преобразований, которая предназначена для охлаждения сред до криогенных температур. Основными функциональными элементами данных устройств являются термоакустический двигатель (ТАД), термоакустический холодильник (TAX), волноводный контур и резонатор Гельмгольца. ТАД выполняет функцию преобразования тепловой энергии в энергию акустической волны и представляет собой последовательность следующих основных элементов: горячий теплообменник, регенеративный теплообменник (регенератор), теплообменник для отвода тепла в окружающую среду. TAX выполняет функцию обратного преобразования, когда энергия акустической волны расходуется на совершение работы по переносу тепла из одной области среды в другую. Конструктивно он выполнен по аналогичной с ТАД схеме: низкотемпературный теплообменник, регенератор, теплообменник для отвода тепла в окружающую среду. Функции волноводного контура и резонатора в основном заключается в обеспечении условий распространения акустической волны в рабочей среде и согласовании работы основных элементов.
Существующие модели термоакустических установок для низкотемпературного охлаждения сред представлены в следующих базовых патентах:
US 4953366,
US 6021643,
US 6032464.
Наиболее близким прототипом предложенной модели является устройство, описанное в патенте US 6032464. Установка содержит волноводный контур тороидального вида, в котором расположены: термоакустический двигатель, термическая буферная труба, вспомогательный теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, труба обратного хода и газовый супрессор. Кроме того, в волноводный контур включен резонатор Гельмгольца. Полезной нагрузкой в установке является термоакустический холодильник, содержащий холодный (низкотемпературный) теплообменник, регенератор и теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, или пульсационная труба, которые соединяются с каналом резонатора.
Источниками тепловой мощности для данных устройств, как правило, служат либо электрические нагреватели, либо процесс выделения тепла при сгорании углеводородного топлива, патент US 6732515. Для получения высокого эксплуатационного ресурса устройств с источниками данного типа, потребуется создание системы обеспечения с соответствующей инфраструктурой. Это обстоятельство существенно ограничивает степень автономности подобных устройств.
Полезная модель направлена на обеспечение полной автономности термоакустической установки для низкотемпературного охлаждения сред.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке, содержащей:
- замкнутый тороидальный волноводный контур, в состав которого входит термоакустический двигатель, представленный в виде последовательности элементов: теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, регенератор, горячий теплообменник, буферная труба, вспомогательный теплообменник, а также труба обратного хода и газовый супрессор (элемент конструкции для подавления конвективного тока массы рабочей среды в трубе обратного тока, также служит для согласования фаз колебательных параметров акустической волны: объемной скорости и давления);
- резонатор Гельмгольца;
- по крайней мере, один термоакустический холодильник, выполненный по аналогичной схеме: теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, регенератор, холодный теплообменник;
поток тепловой мощности в горячий теплообменник термоакустического двигателя поступает от радиоизотопного источника тепловой энергии.
Полезная модель поясняется одной иллюстрацией, где на фиг. приведена принципиальная схема термоакустической установки для низкотемпературного охлаждения сред с радиоизотопным источником тепловой энергии.
Осуществление полезной модели
Установка содержит следующие узлы и элементы: волноводный контур 1 (фиг.), в котором расположены термоакустический двигатель 2, выполненный в виде последовательности элементов: теплообменник для отвода тепла в окружающую среду 3, регенератор 4, горячий теплообменник 5, который контактирует с радиоизотопным источником тепловой энергии 6, термическая буферная труба 7, вспомогательный теплообменник 8. Замыкание контура осуществляется трубой обратного хода 9 и объемом газового супрессора 10. К волноводному контуру подсоединен резонатор Гельмгольца 11. В качестве полезной нагрузки в систему включен термоакустический холодильник 12, выполненный по аналогичной с термоакустическим двигателем схеме: холодный теплообменник 13, регенератор 14, теплообменник для отвода тепла в окружающую среду 15.
Работает устройство следующим образом.
Модуль радиоизотопного источника 6 (фиг.) приводится в контакт с горячим теплообменником 5 термоакустического двигателя 2. Тепловой поток, передаваемый горячим теплообменником в рабочий объем, создает и поддерживает заданный температурный градиент на регенераторе 4. Данным процессом обеспечивается необходимые условия для возникновения и последующего циклического усиления бегущей акустической волны. Акустические волны, распространяясь по волноводному контуру 1, в зоне термоакустического холодильника 12, (а именно, при прохождении регенератора 14) совершает полезную работу по переносу тепла из одной области среды, где расположен холодный теплообменник 13, в другую область, где расположен теплообменник для отвода тепла в окружающую среду 15.
Поскольку в термоакустических устройствах охлаждения сред полностью отсутствуют какие-либо элементы с механической подвижкой, то их эксплуатационный ресурс фактически определяется временем распада материала радиоизотопного источника энергии. При этом обеспечивается полная автономность работы устройства, надежность и возможность компактного исполнения.