RU2091675C1 - Рефрижераторная установка - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относится к холодильной технике, а именно к рефрижераторным установкам, используемым для сохранения скоропортящейся продукции, в том числе пищевых продуктов, при ее перевозке. Рефрижераторная установка включает в себя изотермическую камеру 1 и холодильную одноцилиндровую машину 2 вытеснительного типа, работающую по обратному циклу Стирлинга. Машина 2 имеет внутренний рабочий контур, включающий в себя полость сжатия 3 и полость расширения 4 рабочего тела (газообразного гелия), и буферную полость 5, соединенную с полостью сжатия 3 байпасным каналом 6. Полости сжатия 3 и расширения 4 соединены между собой через регенератор 7 и теплообменники 8 и 9 указанных полостей. Установка имеет радиаторы 10 и 11, первый из которых размещен в изотермической камере 1, а второй - вне ее. Машина 2 имеет реверсивный электропривод, включающий ромбический кривошипно-шатунный механизм 12, содержащий два коленчатых вала 13, синхронизация вращения которых осуществляется через зацепленные друг с другом синхронизирующие зубчатые колеса 14. Установка содержит два внешних контура (I и II) циркуляции промежуточного теплоносителя с насосами 15 и 16. Контур I соединен с теплообменником 9 полости расширения через радиатор 10, расположенный в изотермической камере 1, а контур II - с теплообменником 8 полости сжатия через радиатор 11. Контур I соединен с управляющей полостью запорного клапана 17, установленного на байпасном канале 6. На приводном валу каждого из насосов 15 и 16 закреплено зубчатое колесо 18, зацепленное с одним из синхронизирующих зубчатых колес 14. Коренная шейка каждого из коленчатых валов 13 с установленным на ней синхронизирующим зубчатым колесом 14 кинематически соединена с валом своего индивидуального приводного электродвигателя. Соединение штока 19 главного поршня и/или штока 20 вытеснителя с элементами ромбического привода может быть выполнено шарнирным. 1 з. п.ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к рефрижераторным установкам, используемым для сохранения скоропортящейся продукции, в том числе пищевых продуктов, при ее перевозке и предназначено для установки на транспортных средствах, преимущественно на специальных автомобилях с изотермическим кузовом.

Известны и широко распространены рефрижераторные установки с холодильными машинами, работа которых основана на парокомпрессионном цикле с использованием в качестве рабочего тела (рабочей среды) фреонов различных марок. Такие машины обладают высокой надежностью и сравнительно высокими технико-экономическими показателями. Однако в связи с вредным воздействием фреонов на озоновый слой Земли наметилась стойкая тенденция к отказу от их использования во всех областях техники, в том числе и холодильной.

Поэтому в последнее время развитие холодильной техники идет в основном по пути использования безфреоновых газовых циклов, при которых в качестве рабочих тел применяются газы, не оказывающие вредного воздействия на окружающую среду: воздух, водород, азот, гелий и др. При этом приходится мириться с тем, что холодильные машины, работающие по газовому циклу, в котором для получения искусственного холода используется только работа расширения газа, требуют более высокой удельной мощности привода по сравнению с машинами такой же холодопроизводительности, работающими по парокомпрессионному циклу, при котором холод получается за счет фазового перехода.

Одним из видов холодильных машин, работающих на экологически безопасном рабочем теле, являются машины, основанные на обратном цикле Стирлинга. Важнейшим преимуществом этих машин является их универсальность. Такая машина, работающая в режиме получения холода, при изменении направления вращения вала ее приводного электродвигателя на противоположное начинает работать как тепловой насос, т.е. создает не холод, а тепло. Это свойство имеет большую ценность именно для рефрижераторных установок, позволяя не только сохранять скоропортящиеся продукты при положительных температурах окружающей среды путем их замораживания или охлаждения, но и предохранять в необходимых случаях от воздействия отрицательных температур.

Рефрижераторные установки с холодильными машинами, работающими по обратному циклу Стирлинга, являются аналогами изобретения.

Известна установка для охлаждения или нагревания воздуха в помещении, предназначенная, в частности, и для использования в автомобильном рефрижераторе [1]
Эта установка содержит холодильную машину с теплообменниками полостей сжатия и расширения рабочей среды, сообщенными между собой через регенераторы и внешние контуры циркуляции теплопередающей среды (промежуточного теплоносителя). Один из этих контуров сообщен с теплообменником полости сжатия рабочей среды в машине, а другой с теплообменником полости расширения. Оба внешних контура оснащены радиаторами с вентиляторами. Один из радиаторов установлен в обслуживаемом помещении (изотермической камере, изотермическом кузове), а другой вне его. Холодильная машина основана на обратном цикле Стирлинга, она представляет собой многопоршневую машину двойного действия, выполненную по схеме Рини, с приводом в виде косой шайбы, через которую машина приводится в действие синхронным электродвигателем, установленным в герметичном корпусе под давлением. Эта машина имеет высокий холодильный коэффициент, близкий к машинам, работающим на основе парокомпрессионного цикла. Однако эта машина сложна по конструкции и обладает принципиальной неуравновешенностью, что связано с наличием вращающейся косой шайбы и момента, возникающего из-за наличия плеч между возвратно-поступательно движущимися поршнями.

Для изменения величины хода поршня, что позволяет уменьшить крутящий момент при запуске машины и тем самым снизить установочную мощность, в машине применен механизм регулирования наклона косой шайбы, который обладает большой конструктивной сложностью.

Для надежной работы рассматриваемой машины, как и других известных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга, требуется интенсивная смазка трущихся частей, особенно элементов привода. Поэтому в установку приходится вводить централизованную систему циркуляции жидкой смазки, включающую насос с приводом и трубопроводы для подачи масла к узлам трения, причем в процессе эксплуатации необходимо периодически пополнять систему маслом. Наличие системы жидкой смазки связано с проблемой чистоты регенератора одного из основных узлов машины. Насадки регенератора играют роль аккумулятора тепла и холода и от их правильной работы в очень большой степени зависит эффективность работы машины и всей установки. Загрязнение насадок регенератора маслом резко снижает КПД холодильной машины. Поэтому требуются меры для предотвращения проникновения масла в регенераторы в виде специальных сложных и дорогостоящих уплотнительных устройств, которые, однако, не могут полностью исключить загрязнение регенератора, что приводит к необходимости его оперативной замены или очистки (промывки) его насадки. Это неприемлемо в условиях эксплуатации транспортных, особенно автомобильных, рефрижераторных установок.

Общими признаками описанного аналога и предлагаемого изобретения являются:
наличие холодильной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга;
наличие теплообменников полостей сжатия и расширения рабочего тела;
теплообменники сообщены между собой через регенераторы;
наличие двух внешних контуров циркуляции промежуточного теплоносителя, один из которых сообщен с теплообменником полости сжатия рабочего тела в машине, а другой с теплообменником полости расширения;
оба внешних контура содержат обдуваемые вентиляторами радиаторы, один из которых установлен в обслуживаемом помещении в изотермической камере рефрижераторной установки, а другой вне этой камеры;
наличие привода, работающего от электродвигателя.

Известна также установка для охлаждения или нагрева воздуха в помещении [2] которая является ближайшим аналогом заявляемого изобретения по совокупности признаков. В этой установке в качестве холодильной машины применена одноцилиндровая машина вытеснительного типа, работающая по обратному циклу Стирлигна. Эта машина имеет привод от реверсивного электродвигателя через ромбический кривошипно-шатунный механизм, преобразующий вращательное движение вала электродвигателя через маховик, редуктор скорости и движение поршней. Установка содержит теплообменник полости сжатия и теплообменник полости расширения, сообщенные между собой через регенератор. Установка не содержит внешних контуров циркуляции промежуточного теплоносителя. Теплообменники выполняют функции радиаторов, используемых для охлаждения или нагрева изотермической камеры. Теплообменники-радиаторы полостей сжатия и расширения разнесены: один размещен в изотермической камере, другой, сообщающийся с окружающей средой, вне ее. Это приводит к наличию в машине значительного мертвого объема внутреннего контура, что, во-первых, отрицательно сказывается на эффективности работы машины, снижая ее КПД, во-вторых, все трубопроводы этой машины в процессе работы находятся под высоким давлением рабочего тела, что требует повышения прочности всех элементов этих трубопроводов, особенно при использовании установки в качестве автомобильного рефрижератора, подверженного вибрационным и динамическим нагрузкам, возникающим при тряске, резком торможении и т.п. Повышение же прочности указанных элементов, как правило, связано с увеличением их массы. Для обеспечения плавной работы машины в ней имеется буферная полость, позволяющая снизить нагрузки на механизмы привода за счет уменьшения влияния на них перепадов давления в рабочей полости и, как следствие, несколько снизить потребную мощность приводного электродвигателя. Установка содержит также централизованную систему жидкой смазки, что связано с вышеуказанной проблемой обеспечения чистоты насадки регенератора.

Общими признаками описанного ближайшего аналога по патенту США и предлагаемого изобретения являются:
наличие изотермической камеры;
наличие холодильной одноцилиндровой машины вытеснительного типа, работающей по обратному циклу Стирлинга;
рабочий контур машины включает в себя сообщающиеся между собой через регенератор теплообменники полостей сжатия и расширения;
наличие в машине буферной полости;
наличие в установке радиаторов (в прототипе функции радиаторов выполняют указанные теплообменники), один из которых размещен в изотермической камере установки, а другой вне ее.

наличие привода, выполненного в виде кривошипно-шатунного механизма, кинематически связанного с валом реверсивного электродвигателя через зацепленные друг с другом синхронизирующие зубчатые колеса.

К рефрижераторной установке, в основу которой положено предлагаемое изобретение, предъявляются следующие требования.

Экологическая и пожарная безопасность. При эксплуатации установки не должны использоваться процессы и материалы (например, фреоны), оказывающие вредное воздействие на окружающую среду, а также представляющие опасность в пожарном отношении.

Универсальность. Установка должна создавать в изотермической камере, в зависимости от необходимого режима, как отрицательную, так и положительную температуру.

Удобство эксплуатации. Установка должна нуждаться лишь в минимальном обслуживании, всякого рода регламентные и ремонтные работы в пути должны быть по возможности исключены.

Минимальные габариты и масса. В автомобильных рефрижераторах такие установки чаще всего монтируются либо на нежесткой передней стенке изотермического кузова, либо в его консольном выступе над кабиной водителя, что налагает жесткие ограничения на габариты и массу установки.

Потребление возможно меньшей мощности. Это вызвано как ограничениями, связанными с дефицитом и дороговизной энергоносителей, так и тем, что увеличение потребляемой мощности, в свою очередь, связано с ухудшением массогабаритных характеристик.

Задачей изобретения является создание рефрижераторной установки, отвечающей вышеуказанным требованиям, а именно улучшение ее массогабаритных и эксплуатационных характеристик.

Технический результат, обусловливающий решение этой задачи, заключается в снижении массы установки, уменьшении габаритов и потребляемой мощности.

Частично указанную задачу можно решить за счет применения средств, не составляющих предмета изобретения и известных в технике. В частности, эксплуатационные характеристики установки можно значительно улучшить, сняв проблему защиты насадки регенератора от проникновения в нее жидкой смазки и таким образом увеличив время эксплуатации между регламентными работами. Это можно сделать, исключив из установки систему циркуляции жидкой смазки. Такое решение применено в описываемой установке. Оно стало возможным благодаря достижениям материаловедения, разработке новых видов консистентных смазок и новых конструкций подшипников качения. Все это потребовало изменений конструкции узлов трения в механизмах привода, например: выполнение пар трения из материалов, вообще не требующих смазки (полимерные материалы; материалы, выполненные в виде пористых пропитанных густой смазкой структур и т.д.); применение пар трения, в которые консистентная смазка закладывается при заводской сборке на весь срок их эксплуатации (подшипники качения); применение пар трения с заложенной в них консистентной смазкой, периодически пополняемой в процессе эксплуатации (подшипники качения в специальном корпусе с пресс-масленками) и т.п. Исключение жидкой смазки, кроме решения проблемы, связанной с чистотой регенератора, позволяет упростить конструкцию установки, уменьшить ее габариты и массу.

Сущность изобретения в соответствии с формулой изобретения заключается в следующем.

Предлагаемая рефрижераторная установка включает в себя изотермическую камеру и холодильную одноцилиндровую машину вытеснительного типа, работающую по обратному циклу Стирлинга. Машина имеет внутренний рабочий контур (рабочее пространство), включающий в себя полость сжатия и полость расширения рабочего тела (газообразного гелия), и буферную полость, соединенную с рабочим контуром байпасным каналом. Полости сжатия и расширения соединены между собой через регенератор и теплообменники указанных полостей. Установка содержит радиаторы, один из которых размещен в изотермической камере, а другой вне ее. Холодильная машина имеет реверсивный электропривод, включающий ромбический кривошипно-шатунный механизм, содержащий два коленчатых вала с установленными на их коренных шейках находящимися в постоянном зацеплении друг с другом синхронизирующими зубчатыми колесами.

Установка характеризуется также следующими существенными признаками, отличающими ее от прототипа:
она содержит два внешних контура циркуляции промежуточного теплоносителя, каждый из которых приводится в действие от своего насоса;
один их внешних контуров соединен с теплообменником полости расширения и содержит радиатор, расположенный в изотермической камере, а другой с теплообменником полости сжатия и содержит радиатор, расположенный вне изотермической камеры;
один из указанных внешних контуров соединен с управляющей полостью запорного клапана, установленного на байпасном канале между полостью сжатия и буферной полостью машины;
теплообменники и регенератор расположены в рубашке вокруг цилиндра машины;
на приводном валу каждого из насосов закреплено зубчатое колесо, зацепленное с одним из синхронизирующих зубчатых колес;
коренная шейка каждого из коленчатых валов ромбического привода с установленным на ней указанным синхронизирующим зубчатым колесом кинематически соединена с валом своего индивидуального приводного электродвигателя.

Кроме того, соединение штоков поршней машины с элементами ромбического привода может быть выполнено шарнирным.

Рассмотрим причинно-следственную связь между перечисленными признаками, характеризующими изобретение, и достигаемым техническим результатом. Указанная совокупность существенных признаков обеспечивает работоспособность рефрижераторной установки, выполнение предъявляемых к ней требований и достижение обусловленного задачей технического результата.

Наличие изотермической камеры, т.е. помещения для хранения продуктов, обусловлено назначением рефрижераторной установки.

Наличие холодильной машины как агрегата для получения искусственного холода обусловлено функцией рефрижераторной установки обеспечение сохранности скоропортящихся продуктов путем их поддержания в замороженном или охлажденном состоянии.

Выбор в качестве холодильной машины одноцилиндровой машины вытеснительного типа, работающей по обратному циклу Стирлинга, произведен потому, что машины такого типа, во-первых, имеют хорошие технико-экономические показатели, во-вторых, позволяют использовать в качестве рабочего тела безвредный и негорючий инертный газ гелий, в-третьих, обладают универсальностью, давая возможность получать как холод, так и тепло.

Наличие рабочего контура, включающего полости сжатия и расширения, соединенные между собой через регенератор и теплообменники указанных полостей, а также радиаторов, один из которых размещен в изотермической камере, а другой вне ее, это признаки, отражающие конструктивные особенности холодильных машин рассматриваемого типа, обеспечивающие их работоспособность.

Наличие буферной полости позволяет повысить плавность работы холодильной установки и уменьшить влияние нагрузок, возникающих от перепадов давления в рабочем контуре, на элементы привода и тем самым несколько снизить потребляемую мощность.

Выполнение привода, преобразующего вращательное движение вала электродвигателя в возвратно-поступательное перемещение главного поршня и вытеснителя, в виде ромбического кривошипно-шатунного механизма (содержащего кинематически связанные с электродвигателем коленчатые валы, на кривошипных шейках которых установлены шатуны, одни из которых шарнирно соединены с траверсой, соединенной со штоком главного поршня, а другие с траверсой, соединенной со штоком вытеснителя) обусловлено простотой конструкции и компактностью этого привода, а также лучшей динамической уравновешенностью по сравнению с приводом в виде косой шайбы. Кроме того, ромбический кривошипно-шатунный механизм, в силу своих особенностей, связанных с наличием двух кинематически связанных коленчатых валов, позволяет производить "дробление" мощности при выборе приводных электродвигателей (подробнее см. ниже). Далее, применение такого привода позволяет исключить боковые нагрузки на главный поршень и вытеснитель. Это в основном и позволяет избавиться от системы централизованной жидкой смазки со своим насосом и приводом, а также разгрузить картер за счет отсутствия в нем давления рабочего тела, что уменьшает габариты и массу картера.

Реверсивный электродвигатель необходим для обеспечения универсальности установки: машина Стирлинга работает либо как холодильная машина, либо как тепловой насос в зависимости от направления вращения приводного электродвигателя.

Кинематическая связь ромбического кривошипно-шатунного механизма с приводным электродвигателем через зацепленные друг с другом синхронизирующие зучатые колеса, установленные на коренных шейках каждого из двух коленчатых валов, позволяет осуществлять вращение обоих валов со строго одинаковой угловой скоростью.

Наличие, как это имеет место и в аналоге, двух внешних контуров циркуляции промежуточного теплоносителя, первый из которых соединен с теплообменником полости расширения и содержит радиатор, расположенный в изотермической камере, а второй соединен с теплообменником полости сжатия и содержит радиатор, расположенный вне этой камеры, обусловлено необходимостью переноса выработанного машиной холода или тепла в изотермическую камеру. Отсутствие внешнего контура, как показано при описании прототипа, приводит к увеличению мертвого объема рабочего пространства машины, снижению ее КПД, увеличению массы и потребляемой мощности.

Насосы являются необходимыми элементами указанных внешних контуров, так как они осуществляют циркуляцию промежуточного теплоносителя.

Наличие запорного клапана, установленного в байпасном канале между полостью сжатия и буферной полостью машины, продиктовано необходимостью перекрытия этого канала с целью разобщения указанных полостей после того, как электродвигатель выйдет на номинальный режим (в неработающей установке, а также при ее запуске полость сжатия сообщена с буферной полостью, что облегчает условия запуска машины и снижает пусковой момент).

Соединение одного из внешних контуров циркуляции промежуточного теплоносителя с управляющей полостью запорного клапана позволяет производить управление перекрытием байпасного канала посредством указанного контура.

Размещение теплообменников и регенератора в рубашке вокруг цилиндра, т. е. выполнение их в форме колец, концентричных цилиндру, обеспечивает компактность компоновки машины.

Закрепление на приводных валах насосов зубчатых колес, находящихся в постоянном зацеплении с синхронизирующими зубчатыми колесами привода машины, позволяет синхронизировать работу машины и насосов. Благодаря этому срабатывание клапана и перекрытие байпасного канала осуществляется в момент, когда давление во внешних контурах достигнет расчетного, что соответствует окончанию разгона электродвигателей и их выходу на штатный режим работы, когда необходимость соединения полости сжатия с буферной полостью отпадает.

Кинематическая связь коренной шейки каждого из коленчатых валов ромбического привода, на которой установлено синхронизирующее зубчатое колесо с валом своего индивидуального приводного электродвигателя, позволяет осуществить принцип "дробления" мощности. Снизить потребляемую мощность установки, а тем самым значительно уменьшить ее массу и габариты можно за счет рационального выбора приводного электродвигателя.

Мощность приводного электродвигателя определяется:
суммарной потребляемой мощностью всех механизмов, приводимых в действие от данного электродвигателя, необходимой для обеспечения заданной холодопроизводительности установки в процессе ее установившейся работы;
величиной максимального пускового момента при запуске установки, расходуемого на преодоление инерции покоя ее подвижных элементов.

Как правило, определяющим фактором при выборе электродвигателя является максимальный пусковой момент, что приводит к выбору электродвигателя с заведомо завышенной мощностью. Как показано выше, в заявляемой установке полость сжатия машины в момент пуска сообщена с ее буферной полостью. Это позволяет уменьшить величину максимального пускового момента до такой степени, что появляется возможность выбора электродвигателя не по величине этого момента, а только по величине потребляемой мощности, т.е. приблизить установочную (номинальную) мощность электродвигателя к фактически потребляемой.

Особенности ромбического кривошипно-шатунного привода, имеющего два кинематически связанных между собой коленчатых вала, позволяют осуществить "дробление" мощности, установив на машину не один электродвигатель, а два (или четыре) соответственно меньшей мощности, без применения редуктора скорости. Наличие большого количества типоразмеров выпускаемых промышленностью электродвигателей (при этом при переходе от одного типаразмера к другому мощность и допускаемый пусковой момент изменяются скачкообразно и непропорционально) позволяет осуществить выбор электродвигателей так, что суммарная установочная мощность двух парных (или четырех) электродвигателей будет меньше мощности одного электродвигателя и ближе к величине потребной суммарной мощности, чем при использовании одного электродвигателя большей мощности. Кроме того, с уменьшением номинальной мощности электродвигателя увеличивается кратность величины его допускаемого момента по отношению к его номинальному значению.

Шарнирное соединение штоков поршней машины (главного поршня и вытеснителя) с элементами привода, при котором шток вытеснителя и/или шток главного поршня шарнирно соединены со своими траверсами посредством соответствующих узлов, исключает радиальные силы, возникающие из-за дефектов при изготовлении деталей привода, что уменьшает износ штоков и их уплотнений.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема установки с продольным разрезом холодильной машины; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1 (привод установки, поперечный разрез по картеру); на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг.1 (привод установки, продольный разрез картера по оси цилиндра и штоков); на фиг. 4 - разрез В-В на фиг.1 (шарнирное соединение штока главного поршня с его траверсой); на фиг. 5 узел IV на фиг.1 (шарнирное соединение штока вытеснителя с его траверсой); на фиг. 6 разрез Г-Г на фиг.5; на фиг.7 узел III на фиг.1 (запорный клапан).

Предлагаемая рефрижераторная установка, предназначенная для транспортных средств, например для автомобилей, обеспечивает сохранность скоропортящихся продуктов во время их перевозки в замороженном или охлажденном виде в теплое время года (при этом в изотермической камере обеспечивается охлаждение воздуха до минус 20^oС при температуре окружающей среды 30^oС) или обогрев этих продуктов в холодное время (при температуре окружающей среды минус 30^oС в изотермической камере поддерживается температура 12^oС).

Установка состоит из одноцилиндровой теплохолодильной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга, двух внешних теплообменных контуров I и II (фиг. 1), системы автоматики и источника энергии.

Теплохолодильная машина служит для получения холода или тепла, необходимых для функционирования установки. Она представляет собой герметичный агрегат в вертикальном исполнении, основными элементами которого являются два соосно расположенных поршня: главный поршень 1 с уплотнениями 2, установленный с возможностью возвратно-поступательного осевого перемещения в цилиндре 3, и вытеснитель 4 с уплотнениями 5, имеющий возможность такого же перемещения в цилиндре 6. Цилиндры 3 и 6 могут иметь разные или одинаковые диаметры (в последнем случае они могут быть объединены в один цилиндр).

Пространство над главным поршнем 1 является рабочим пространством машины, оно разделено вытеснителем 4 на две части: полость расширения 7, расположенную над вытеснителем 4, и полость сжатия 8, расположенную под ним.

В верхней части машины коаксиально цилиндрам 3 и 6 установлена рубашка 9, закрытая крышкой 10 с теплоизоляцией. В кольцевой полости между цилиндром 6 и рубашкой 9 размещены, примыкая торцами друг к другу, теплообменник 11 полости расширения, регенератор 12 и теплообменник 13 полости сжатия.

Теплообменники 11 и 13 могут быть, например, трубчатого типа. В этом случае они содержат пучки вертикально расположенных труб для прохода рабочего тела и межтрубные кольцевые каналы для циркуляции промежуточного теплоносителя.

Регенератор 12 выполняет функции аккумулятора тепла и холода. Он содержит насадку из тонкой медной проволоки, бронзовой сетки и т.п. к чистоте которой предъявляются повышенные требования. Загрязнение насадки хотя бы небольшим количеством масла или попадание в нее влаги резко ухудшает теплообмен между ней и рабочим телом.

Верхняя часть внутренней полости машины до картера 14 заполнена рабочим телом (хладоагентом) газообразным гелием. Применение негорючего инертного гелия обеспечивает пожарную и экологическую безопасность при эксплуатации установки.

К нижней части вытеснителя 4 жестко прикреплен шток 15, а к главному поршню 1 полый шток 16, при этом шток 15 проходит внутри штока 16. Внутри штока 16 также установлены направляющие 17 и уплотнения 18 штока 15.

Пространство под главным поршнем 1 образует буферную полость 19, соединяющуюся, как будет показано ниже, с полостью сжатия 8.

В нижней части машины расположен картер 14, служащий для размещения элементов привода. Внутри картера 14, в его верхней части, выполнена бобышка 20, в которой установлены направляющие 21 и уплотнения 22 штока 16 главного поршня.

Установка содержит два приводных реверсивных электродвигателя 23 (фиг. 2 и 3), получающих питание от автономного источника энергии дизельгенератора (не показан) либо от внешней электросети (на стоянке). Каждый электродвигатель 23 через муфту 24 соединен с коренной шейкой 25 одного из коленчатых валов 26. Муфта 24 выполнена в виде маховика, который своей массой обеспечивает необходимую равномерность вращения коленчатого вала 26. На каждой коренной шейке 25 каждого из коленчатых валов 26 расположены попарно зацепленные друг с другом синхронизирующие зубчатые колеса 27 (фиг.1-3). Передаточное отношение между этими зубчатыми колесами равно единице.

На каждой из кривошипных шеек 28 коленчатых валов 26 шарнирно установлены шатун 29 вытеснителя и по два шатуна 30 главного поршня. Шатуны 29 вытеснителя шарнирно соединены с траверсой 31 (фиг. 1 и 5), соединенной со штоком 15 вытеснителя, а шатуны 30 главного поршня с траверсой 32 (фиг. 1 и 4), соединенной со штоком 16 главного поршня.

Таким образом, шатуны 29 и 30, траверсы 31 и 32 и коленчатые валы 26 образуют ромбический кривошипно-шатунный механизм, предназначенный для преобразования вращательного движения валов электродвигателей в колебательное возвратно-поступательное движение штока 16 с главным поршнем 1 и штока 15 с вытеснителем 4.

Соединение штока 15 с траверсой 31 и/или штока 16 с траверсой 32 может быть как жестким, так и шарнирным. В последнем случае нижняя часть штока 16 главного поршня имеет цапфы 33 (фиг. 4), а траверса 32 выполнена в виде двух щек, между которыми установлены распорные втулки 35. Цапфы 33 входят в соответствующие отверстия в щеках 34, за счет чего и создается шарнирное соединение штока 16 с траверсой 32. Шатуны 30 главного поршня соединяются с траверсой 32 посредством осей 36. Шатуны 29 вытеснителя (фиг. 1, 5 и 6) соединены с траверсой 31 посредством осей 37. Траверса 31 имеет отверстие 38 для прохода штока 15 вытеснителя и отверстие 39 для установки в нем пальца 40. Оси отверстий 38 и 39 взаимно перпендикулярны. Конец штока 15 проходит через отверстие в пальце 40, закрепленном на нем гайкой 41. Шарнирное соединение штока 15 с траверсой 31 осуществляется за счет возможности поворота указанной траверсы относительно пальща 40.

Установка имеет два внешних теплообменных контура циркуляции промежуточного теплоносителя, в качестве которого применяется жидкий антифриз, например, ТОСОЛ А60 по ТУ 6-02-751-78 с температурой замерзания минус 60^oС.

Контур 1 включает в себя шестеренчатый насос 42 (фиг. 1 и 2), приводимый в действие от одного из электродвигателей 23 через сцепленное с соответствующим синхронизирующим зубчатым колесом 27 зубчатое колесо 43. Полость нагнетания 44 насоса 42 трубопроводом 45 соединена с межтрубными каналами теплообменника 11 полости расширения машины. Полость всасывания 46 насоса 42 трубопроводом 47 соединена с радиатором 48, установленным в обслуживаемом помещении изотермической камере 49. Радиатор 48 обдувается вентилятором 50, электродвигатель этого вентилятора целесообразно разместить вне камеры 49 из-за выделения им тепла. Радиатор 48 трубопроводом 51 соединен с межтрубным пространством теплообменника 11.

Аналогично контуру I контур II содержит шестеренчатый насос 52 с таким же приводом. Обе полости насоса 52 соединены с межтрубным пространством теплообменника 13 полости сжатия машины: полость нагнетания насоса - трубопроводом 53, полость всасывания трубопроводами 54 и 55 через обдуваемый радиатор 56, сообщающийся с внешней средой.

В средней части машины установлен гидравлический запорный клапан 57 (фиг. 1 и 7), предназначенный для облегчения ее запуска. В корпусе клапана имеется отверстие 58, соединяющее его внутреннюю полость с полостью сжатия 8 машины. В торце корпуса клапана выполнено выходное отверстие 59, соединенное каналом 60 с буферной полостью 19 машины. Внутри корпуса размещен шток 61, на одном конце которого имеется запорный орган 62, размеры и форма которого соответствуют выходному отверстию 59, а на другом фланец 63. На штоке 61 между фланцем 63 и уступом в корпусе клапана установлена пружина сжатия 64, отжимающая запорный орган 62 от выходного отверстия 59, так что в неработающей машине ее полость сжатия 8 соединена с буферной полостью 19 через канал 60, выходное отверстие 59 клапана, его внутреннюю полость, отверстие 58 в его корпусе и канал 65. Каналы 60 и 65 являются байпасными. Внутри корпуса клапана 57 размещены эластичные мембраны 67 и 68 и установленный между ними грибок 69. В полость, расположенную между торцем корпуса клапана и мембраной 67, подведен трубопровод 66 от нагнетательной линии 45 контура 1, а в полость между мембранами 67 и 68 трубопровод 70 от всасывающей линии этого контура. Указанные полости образуют управляющую полость клапана 57.

Установка содержит не показанную на чертежах систему автоматики, которая служит для автоматического поддержания заданной температуры в изотермической камере, для аварийного выключения установки по сигналу датчиков системы обнаружения неисправностей, для выключения установки при необходимости оттаивания, возникающей из-за появления снежной "шубы" на поверхности теплообменников и т.п.

Принцип действия установки заключается в следующем.

Перед запуском машины при отсутствии давления промежуточного теплоносителя во внешнем контуре 1 запорный орган 62 клапана 57 под действием пружины 64 отжат от выходного отверстия 59 клапана и полость сжатия 8 машины соединена с ее буферной полостью 19 байпасными каналами 60 и 65.

При включении машины вращательного движения валов электродвигателей 23 через муфты 24 передается на коренные шейки 25 коленчатых валов 26 и на закрепленные на этих шейках постоянно зацепленные друг с другом синхронизирующие зубчатые колеса 27, а через них на зубчатые колеса 43, закрепленные на приводных валах шестеренчатых насосов 42 и 52, осуществляющих циркуляцию промежуточного теплоносителя во внешних контурах I и II.

Вращательное движение коленчатых валов 26 ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, включающим шатуны 29 и 30 и траверсы 31 и 32, преобразуется в возвратно-поступательное осевое перемещение главного поршня 1 и вытеснителя 4 через их штоки 16 и 15. Выбор соотношений геометрических размеров элементов привода осуществлен таким образом, что при своем движении вытеснитель 4 опережает главный поршень 1 по фазе. Вследствие указанного фазового сдвига главного поршня 1 и вытеснителя 4 при их возвратно-поступательном движении происходит периодическое сжатие и расширение рабочего тела газообразного гелия в соответствующих полостях машины.

Как уже указывалось, машина, основанная на обратном цикле Стирлинга, может работать в зависимости от направления вращения вала приводного электродвигателя в двух режимах в режиме охлаждения как холодильная машина и в режиме нагревания как тепловой насос.

Рассмотрим процессы, происходящие при работе установки в режиме охлаждения (направление вращения синхронизирующих зубчатых колес 27, совпадающее с направлением вращения вала приводных электродвигателей 23, и зубчатых колес шестеренчатых насосов 42 и 52 показано на фиг.1 стрелками).

При сближении главного поршня 1 и вытеснителя 4 рабочее тело сжимается в полости сжатия 8 и затем проталкивается через теплообменник 13 и регенератор 12 в пространство над вытеснителем 4 в полость расширения 7. Тепло, выделяемое при сжатии рабочего тела, отводится из теплообменника 13 промежуточным теплоносителем, циркулирующим по контуру II (в данном случае это "теплый контур"), по трубопроводу 55 в радиатор 56 и рассеивается в пространство. Часть этого тепла передается насадке регенератора 12, выполняющей функции аккумулятора тепла.

При совместном движении главного поршня 1 и вытеснителя 4 вниз в сторону картера 14 происходит расширение рабочего тела в полости расширения 7, при этом температура рабочего тела понижается, что приводит к охлаждению теплообменника 11 и протекающего через него по контуру 1 ("холодный контур") промежуточного теплоносителя. Холодный промежуточный теплоноситель по трубопроводу 51 поступает на радиатор 48, установленный в изотермической камере 49, в которой холод снимается с радиатора 48 и рассеивается с помощью вентилятора 50.

При движении вытеснителя 4 вверх холодное рабочее тело проталкивается через регенератор 12 и теплообменник 13 в пространство между главным поршнем 1 и вытеснителем 4 в полость сжатия 8, при этом насадка регенератора 12 отдает накопленное ранее тепло рабочему телу, которое нагревается, а сама насадка охлаждается.

Описанные процессы происходят за один полный оборот коленчатых валов 26. При последующей работе машины эти процессы повторяются и происходит дальнейшее охлаждение теплообменника 11 холодного контура 1 и понижение температуры в изотермической камере 48.

Клапан 57 продолжает оставаться открытым в начальный период работы машины, когда давление промежуточного теплоносителя в контуре 1 не достигло номинального значения. Благодаря тому, что полость сжатия 8 и буферная полость 19 соединены, машина начинает работать с увеличенной за счет буферной полости 19 полостью сжатия 8. Тем самым значительно облегчаются условия работы электродвигателя в пусковой период. Однако для эффективной работы машины в нормальном режиме необходимо уменьшить объем полости сжатия за счет разобщения ее с буферной полостью 19, это производится с помощью клапана 57. Как только электродвигатели 23 наберут обороты и шестеренчатые насосы 42 и 52 выйдут на номинальный режим, давление промежуточного теплоносителя в контурах I и II начнет расти и он по трубопроводам 45 и 66 поступает в управляющую полость клапана 57. Когда давление промежуточного теплоносителя в контуре 1 достигнет расчетного значения, мембрана 67 прогибается, перемещает грибок 69, который воздействует на мембрану 68, а через нее на фланец 63. Запорный орган 62 перекрывает выходное отверстие 59, тем самым разобщая полость сжатия 8 и буферную полость 19. После этого установка постепенно выходит на нормальный, установившийся режим работы.

При изменении направления вращения валов приводных электродвигателей установка будет работать в режиме нагревания изотермической камеры. При этом все процессы воздействия на рабочее тело в машине изменятся на противоположные холодный контур превратится в теплый и наоборот, изменится направление циркуляции промежуточного теплоносителя в контурах I и II. При этом с радиатора 56 снимается тепло, а через радиатор 48 тепловая энергия рассеивается в изотермической камере 49, повышая в ней температуру воздуха. При достижении в контуре I расчетного давления промежуточного теплоносителя последний, поступая в управляющую полость клапана 57 по трубопроводам 47 и 70, непосредственно воздействует на мембрану 68 и запирает клапан, разобщая полость сжатия 8 и буферную полость 19.

Claims (2)

1. Рефрижераторная установка, включающая изотермическую камеру и холодильную одноцилиндровую машину вытеснительного типа, работающую по обратному циклу Стирлинга, содержащую рабочий контур с соединенными между собой через регенератор и теплообменники полостями сжатия и расширения рабочего тела, буферную полость, радиаторы, один из которых размещен в изотермической камере, а другой вне ее, и привод, выполненный в виде ромбического кривошипно-шатунного механизма, кинематически связанного с реверсивным электродвигателем через зацепленные друг с другом синхронизирующие зубчатые колеса, отличающаяся тем, что она содержит два внешних контура циркуляции промежуточного теплоносителя, причем радиатор, размещенный в изотермической камере, включен в первый из этих контуров, соединенный с теплообменником полости расширения, а радиатор, размещенный вне изотермической камеры, включен во второй контур, соединенный с теплообменником полости сжатия, один из указанных контуров соединен с управляющей полостью запорного клапана, установленного на байпасном канале, сообщающем полость сжатия машины с ее буферной полостью, каждый из указанных контуров содержит насос с закрепленным на его приводном валу зубчатым колесом, зацепленным с одним из синхронизирующих зубчатых колес, установленных на коренных шейках каждого из коленчатых валов ромбического привода, кинематически соединенных с валом своего индивидуального приводного электродвигателя, а теплообменники и регенератор расположены в рубашке вокруг цилиндра.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что соединение штоков поршней холодильной машины с элементами ромбического привода выполнено шарнирным.

Images