RU2522142C1

RU2522142C1 - Conversion method of work to heat flow in refrigerating machine

Info

Publication number: RU2522142C1
Application number: RU2013123072/06A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Ковнацкий
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Ларчик"
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2014-07-10

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: method involves creation in the volume of the working medium of a refrigerating machine of temperature gradient and use of the working medium in a closed thermodynamic cycle. The working medium of the cycle obtains energy in the form of work, obtains heat from a cold heat source and transmits heat to a hot heat source. The working medium pressure varies periodically. The working medium of the refrigerating machine is made in the form of a mixture of substances, between which a reversible chemical reaction is carried out. The method involves use of constant heat exchange between the working medium and the cold and the hot heat sources. Heat flow from the cold heat source to the hot heat source is obtained when a periodic chemical reaction is being carried out in the working medium volume.

EFFECT: simpler design, higher reliability, cold capacity and efficiency of a refrigerating machine.

1 dwg

Description

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.The method of converting work to heat flow in a refrigerating machine can be used for the technological needs of various sectors of the national economy (in the food industry for the production and storage of food, in the metallurgical and chemical industries in the production, storage and use of industrial gases, etc.) to create systems air conditioning and heat pump systems.

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.There is a method of converting work into heat flow in a refrigeration machine, carried out in a refrigeration machine operating on the reverse Stirling cycle (Heat engineering: textbook for high schools / edited by A.M. Arkharov, V.N. Afanasyev. - 3rd ed. ., revised and additional - Moscow: Publishing House of the MSTU named after N.E.Bauman, 2011 .-- 792 pp., ill. S.566-568). In this refrigerating machine, the working fluid moves in a closed volume, and the substance forming the working fluid remains unchanged. As a rule, helium gas is used as the working fluid of a refrigerating machine operating in the reverse Stirling cycle. This refrigeration machine contains separated cold and hot cavities, through the connecting channels between which, under the action of the displacement piston, the working fluid moves. A regenerator is installed between the cold and hot cavities. The working body of the refrigeration machine receives energy from the working piston in the form of work in a closed thermodynamic cycle. Using a working piston that receives power from the shaft of the refrigeration machine, compression processes are carried out in a warm cavity and expansion in a cold cavity, due to which the pressure of the working fluid changes periodically. In this case, the working fluid alternately receives heat in the cold cavity from the cold heat source and gives off heat in the hot cavity to the hot heat source. Thus, the heat exchange process between the working fluid and both heat sources occurs alternately, i.e. not permanent.

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.The use of this method of converting work into a heat flux leads to the complication of refrigeration machines, which is due to the need to use an additional displacement piston. With this method, energy losses are large due to irreversible heat exchange processes occurring in the chiller between the working fluid and heat sources at large temperature differences. In addition, this method does not allow the construction of chillers with high speeds of the drive shaft and increased cooling capacity, since at high speeds of movement of the working fluid between the cold and hot cavities, hydraulic losses are large and the efficiency of converting work to heat flow is reduced.

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.Closest to the proposed method is a method of converting work into a heat flow, carried out in a refrigerator with a wave cryogenerator (Heat engineering: a textbook for high schools / edited by A.M. Arkharov, V.N. Afanasyev. - 3rd ed., revised and supplemented - Moscow: Publishing House of MGTU named after NE Bauman, 2011. - 792 pp .: ill. S.530, 533, 538, 539; Cryogenic systems: Fundamentals of theory and calculation: A textbook for university students with a degree in Cryogenic Engineering / A.M. Arkharov, I.V. Marfenina, E.I. Mikulin. - 2nd ed., revised and supplemented. - M.: Mechanical Engineering, 1988. - 464 p. : ill. S.158-162). In a refrigeration machine with a wave cryogenerator, which can be used for continuous cooling of bodies, the working fluid circulates in a closed circuit, and the substance forming the working fluid remains unchanged. This refrigeration machine uses a variety of gaseous working fluids. In the compressor of the refrigeration machine, the working fluid is compressed, its pressure rises. Then, the jet of the working fluid is directed under pressure into the tapering nozzle of the cryogenerator. At the expiration of the working fluid through the nozzle, jumps in its density occur and a wave self-oscillatory regime of the jet is excited. During the further inflow of the working fluid jet into the closed cavity of the resonance tube, the shock waves begin to oscillate and a self-oscillating process is established in the resonance tube. In this case, the closed end of the resonance tube is heated and part of the energy of the working fluid in the form of heat is transferred to a hot heat source. When the cryogenerator is operating in the volume of the working fluid, a temperature gradient arises along the resonance tube. The temperature of the working fluid at the outlet of the resonator becomes lower than the temperature at the entrance to it. A jet of a working fluid with reduced temperature and pressure enters the heat exchanger, where it receives heat from a cold heat source. Then the working fluid again enters the compressor, where its pressure and temperature increase. Further, these processes are repeated.

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.In the process of converting work to heat flow according to the method carried out in a refrigerating machine with a wave cryogenerator, energy in the form of work in the compressor is periodically supplied to a certain volume of the working fluid, heat is supplied from a cold heat source and heat is removed to a hot heat source so that the pressure this volume of the working fluid periodically changes. In this case, the heat transfer process between a given volume of the working fluid and both heat sources occurs alternately, i.e. not permanent.

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.The efficiency of converting work to heat flux according to this method is low due to increased hydraulic losses during the circulation of the working fluid in a closed loop. With this method, energy losses are also high due to irreversible heat exchange processes in the chiller between the working fluid and heat sources at large temperature differences, which is caused by the inconsistent nature of this heat transfer. Unstable heat transfer leads to the need to create a separate heat exchanger for the working fluid to receive heat from a cold heat source, which complicates the design of the refrigeration machine, reducing its reliability and cooling capacity.

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.The invention is aimed at simplifying the design of refrigeration machines, increasing their reliability and cooling capacity, as well as improving the efficiency of converting work to heat flow in these machines. For this, a method of converting work into a heat flux is used, in which a temperature gradient is created in the volume of the working body of the chiller, a working fluid is used in a closed thermodynamic cycle in which it receives energy in the form of work, receives heat from a cold heat source and gives off heat to a hot source heat so that the pressure of the working fluid changes periodically. In this case, the working fluid of the refrigeration machine is performed in the form of a mixture of substances between which a reversible chemical reaction takes place, constant heat exchange is used between the working fluid and the hot and cold heat sources, and the heat flow from the cold heat source to the hot heat source is obtained in the course of flowing in the working volume body periodic chemical reaction.

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.The execution of the working fluid of the refrigeration machine in the form of a mixture of substances between which a reversible chemical reaction takes place allows to increase the density of the heat flux from the cold heat source to the hot heat source and to increase the cooling capacity of the machine. The use of constant heat exchange between the working fluid and heat sources makes it possible to simplify the design of the refrigeration machine, since this eliminates the need for a separate heat exchanger, in which the working fluid receives heat from a cold heat source. In addition, continuous heat transfer can reduce energy loss due to irreversible heat transfer processes in the chiller between the working fluid and heat sources at large temperature differences, which ultimately improves the efficiency of converting work to heat flow in the chiller. Obtaining a heat flux from a cold heat source to a hot heat source during a periodic chemical reaction in the volume of the working fluid helps stabilize the self-oscillating process during operation of the refrigeration machine and increase its reliability.

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.This method of converting work into a heat stream can be carried out in the refrigeration machine shown in the drawing. The chiller consists of a cylinder 1 with partially insulated walls, in which a piston 2 is placed, driven by a drive mechanism 3 with a shaft 4, two heat-exchange shirts 5 and 6 mounted on the cylinder, filled with cold and hot heat carriers. In the cylinder 1 above the piston 2 is placed a working fluid 7, which is a mixture of substances between which a reversible chemical reaction proceeds.

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.During the operation of the refrigerating machine, cold and hot heat carriers with different temperatures are supplied to the heat exchange shirts 5 and 6. Due to the temperature difference between the fluids as a result of heat exchange between each of the fluids and the working fluid 7, a temperature gradient is created in the volume of the working fluid 7 through the wall of the cylinder 1. Under the action of a temperature gradient of sufficient magnitude and with the reciprocating motion of the piston 2 in the state of the working fluid 7, instability appears and self-oscillations are established in its volume, i.e. undamped fluctuations in the concentrations of substances and temperature in each element of the volume of the working fluid 7. In this case, a periodic chemical reaction takes place in the cylinder 1 in the volume of the working fluid 7 and chemical vibrations appear. During chemical vibrations, the pressure of the working fluid 7 in the cylinder 1 changes periodically, while power is transferred from the rotating shaft 4 to the piston 2 through the drive mechanism 3. In this case, the working fluid 7 receives energy in the form of work from the piston 2. At the same time, the heat flow from the cold coolant to the hot through the volume of the working fluid 7. Due to this heat flux, the temperature difference between the cold and hot coolants, as well as the temperature gradient in the volume of the working fluid 7 are maintained.

Claims

A method of converting work to heat flow in a refrigerating machine, including creating a temperature gradient in the volume of the working body of the refrigerating machine, using the working fluid in a closed thermodynamic cycle in which it receives energy in the form of work, receives heat from a cold heat source and gives off heat to a hot heat source so that the pressure of the working fluid periodically changes, characterized in that the working fluid of the refrigeration machine is made in the form of a mixture of substances between which flows imaya chemical reaction used a constant heat transfer between the working fluid and the cold and hot heat sources and the heat flow from the cold heat source to a hot source of heat is obtained in the process flow in the periodic chemical reaction volume working fluid.