RU30422U1 - Устройство для охлаждения рабочего тела - Google Patents

Description

Устройство для охлаждешта рабочего тела.

Полезная модель относится к области теплофюики, более конкретно - к устройствам для охлаждения рабочего тела, н может быть использована ири создании холодильньк установок и тепловых машин.

Известны устройства - компрессионные холодильные машины, в том числе и низкотелшературные, теплоисиользуюпще холодильные устройства, реализуюпд{е способ охлаждения рабочего тела с помош;ью подводимой энергш Большой энциклопед1гческий словарь политехнический. Назчное издательство « Большая Российская энциклопедия.М.;1998г.,стр.585.

Недостатком известных устройств для охлаждения является значительное количество подводимого тепла, невысокая эффективность холодильных установок, использование в конструкциях значительного числа движлтцихся элементов, а также применение в качестве рабочего тела экологически вредных фреонов.

Известны термоэлектрические поллтЕроводшжовые устройства, позволяюид1е увеличить ресурс холодильных установок и ILX надежность Пат.РФ .No2187176. IvDlK F25D21/00, публ.2002.05.10 . Основным недостатком известных пол ттроводниковых ус1ройств является невозможность достижения высоких КПД.

Разработаны устройства, реализующие способы охлаждения на основе использоваш я электрокалор1«еского (ЭК) и магьп пока дорического (IViK) эффектов в твердом теле В.М,Бродянск1ш,Ю.В.Сгшявскхо На}т а,техника, технология.Холодильная

г о о 51: ,0 О г 8

МПК Р25В21/00

( ,

магнитного поля соответственно, (поглощение тепла от термостатируемого тела при снятю поля, выделение тепла, отводимого в окружающлто при наложешт поля).

При температурах ниже 20-25 К в качестве рабочих веществ для ЭК установок применяют параэлектрики, а при 20..300 К - сегнетоэлектрики и ферромагнетики Пат.США .К 3413814,кл.62-3,п)бл.19б8; а.с.СССР 840621, МПК F 25D 21/00, .23.01.81; а.с. СССРХо 853316, МПК F 25 В 21/00. . 07.08.81.

В патенте США jVg 4033743. кл.62-3, .1977, описан рефрижератор, в котором рабочгш элемент выполнен в виде диска из ферромагнетика, в авторском свидетельстве СССР KO 853316 рабоч1п1 элемент представляет собой бесконечною ленту из электропроводящего материала с нанесенным на нее слоем сегнетоэлектрика. размещекнлю на приводе в виде пары рошпсов.

Известно устройство для о.хлаждеиия рабочего тела, газа или Ж113 кости, содержащее камеру для помещения рабочего тела, молекллы которого обладают устой пгвым дипольньп моментом, средства для подвода и отвода рабочего тела, связанные с камерой, исгочшпч высокого напряжения. Камера содержит эле.енты для подвода разности потенциалов, создающей электрическое поле в камере, напряжеьшость которого удовлетворяет условию M. ДВ/м (где J.I - дипольный момент молеклл рабочего тела, Д; Е - напряженность электрического поля, Вм). Источник высокого напряжения соедЕшен с элементами для гтодвода разности потенц1{алов, которые выполнены в виде пластин из электропроводящего материала для обеспечения однородного электр1гческого иоля в зоне его действия. Источта1к высокого напряжения обеспештвает постоянн ю или переменн ю разность потенциалов Пат. РФ. 2182689, NETK F 25 В 21 00. . 20.05.2002.

Работа данного устройства в качестве холодильника обеспечивается смещением термод1шамического равновесия рабочего тела в сторон}- уменьшения темиературы по сравнению с температурой окружающей среды (эффект Штарка Минкин В.И.,Ос1тов О..Л..

Жданов Ю.А. Дипольные моменты в органической xiiMini.-Л.: Хиш1я,19б8,стр.248). При помещешп вещества, находящегося в газообразном СОСТОЯШПЕ, в электрическое поле наблюдается смещение термодннамгнеского равновесия, вызванное увеличешюм энтрошп, WOCHMOH от рабочего тела тепловым нзя чеш1ем в микроволновом н ИК- диапазоне длин волн. Тепловое излучение улавливается теплоносителем с последующим отводом теплоносителя (или поглощается окружающей средой), при этом происходит охлаждение рабочего тела.

Недостатком известного устройства охлаждения рабочего тела является невозможность достижения высоких коэффициентов полезного действги вследствие того. 410 передача тепла от рабочего тела теплоносите:по происходит в виде мюсроволнового изллчения с поверхности, ограничивающей рабон то зон.

Д{Птим недостатком известного устройства для охлаждения рабочего тела является повышенная электроопасность гфи его экспдхатагцси как на производстве, так и в быт вследствие использования источшжов высокого ( icB) наиряжения для обеспечения значешш напряженности электрического поля порядка 10 В/м.

Задачей . i,. v. ij,. является создание устройства для охлаждения рабочего тела. обеспещ вающего повышение эффективности теплоотвода к теплоносителю от рабочею тела и электробезопасность при его работе.

казанный результат достигается тем, что :5аявленное устройство для охлаждения рабочего тела, содержит 1мкн}гый контлр П1р-к ляц1а рабочего тела, состоящш еплообменника для на1реваш1я рабочего тела п элемента для охлаждения рабочего тела, а также для отвода тепла от охлаж,1аемого рабочего тела в окружающлто средл. состоящий из теплообменника для охлаждения теплоносителя и элемента д.11я охлаждения рабочего тела. Элемент для охлаждерпи рабочего тела включает в себя камеру для тела (вн}тренн1П1 объем камеры является рабочей зоной, где пропсход1гг охлаждение

рабочего тела), электроды для подвода разности потенциалов, создающей неоднородное электрическое поле в камере, источшгк высокого напряжения, соединенный с электродами и средства для подвода и отвода рабочего тела, соед1шенные с камерой, гфи этом электроды образуют поверхности с коне1шым, в том числе переменным радил-сом криврвны (то есть неилоские поверхности). В качестве рабочего тела используют газообразные вещества (фреоны, хлоралканы, ацетальдегид и другие), молектлы которых обладают устой пгвым дипольным моментом.

Камера для помещения рабочего тела может представлять собой геомегртгческое тело цилиндр1«еской формы и выполнена, например в виде стеклянной трубы, толщгша стенок которой достаточна для исключения электр1гческ1к разрядов внлтри рабочей зоны.

Электроды элемента для охлаждега1Я рабочего тела представляют собой щглющрические поверхносги. создающие неоднородное электрическое поле в рабочей зоне.

При этом соотношение наружного радиуса полож1пельного (внлтреннего) электрода, вн треннего радилса камеры для помещения рабочего тела и внутреннего рад1Г са отргщательного (внешнего) электрода oбecпe DIвaeг напряженность элекгрггческого поля рлтри рабочей зоны, удовлетворяюшлю условию 10 ДВ м. где и -дипольный момент молекул рабочего тела, Д; Е -напряженность элекгрггческого поля, В/м.

Источник высокого напряжения предназначен для создания постоянной или переменно разностг потенциалов.

На фиг.1 представлено : аявле№юе устройство, включающее замкнлтый контлр цирклляцш рабочею 1ела. состоящий из теплообменника 1для нагревагася рабочего тела и элемента 2 для охлаждения рабочего тела, а также контур д.гш отвода тепла от охлаждаемого рабочего тела в окружающлто средл-. состоящий из теплообменника 3 для охлаждения теплоносителя и элемента 2 для о.члаждения рабочего тела.

Например, элемент для охлаждения рабочего тела (Фиг. 2) может быть выполнен в виде стеклянной трубы 4 (камера для рабочего тела), на оси которой расположена тонкая металлическая проволока 5, подключенная к положительному полюсу источника высокого напряжения. Отрицательным электродом толстостенная металлическая 6, расположенная соосио с трубой конденсатора 4. Толщгша стенок стеклянной трубы 4 обеспе твает отсутствие электрического тока через камеру.

При этом внутренний радилс R камеры для помещения рабочего тела 4 выбран из условия а R b , где а - радил-с положительного (вилареннего) электрода 5. м; b - отрицательного (внешнего) электрода 6, м .

Соотношение радизсов а. b и R обеспечивает (при заданном напряжении) напряженность электрического поля внутри рабочей зоны, удовлетворяюпоЮ условию |jE 10 ДВ/м, где U - дипоЛьный момент молекул рабочего тела, Д; Е - напряженность электр11ческого поля, В/м.

Ис1оч11ик высокого нанряжсша иредназначе для создания постояниой или переменной разности потенциалов.

Зстройство работает следутопцгм образом: рабочее тело в теплообменнике 1 полл-чает тепло от охлаждаемого объекта. Горячее рабочее тело пост Т1ает в элемент 2 для охлаждешш рабочего тела, там отдает тепло теплоносителю. (Охлажденное рабочее тело постлттает обратно в теплообменник 1. Нагретьш теплоноситель постхттает из элемента 2 в дрлтой теплообменник 3, где отдает тепло окружающей среде, и, далее, постлттает обратно в элемент. Циркуляция в обоих контурах - естественная или принздительная.

Улучшение рабочих параметров устройства для охлаждения рабочего тела, представленного в npoTOTime, достигается за счет изменения его геометрии. Согласно описанию патента РФ 2182689 рабочее тело помещали в камеру, подобную плоском конденсатору с электродами в виде пластрш. Подавая на электроды разность потенциалов U (В), получали однородное электр1гческое поле напряженностью Е U/d, где d - расстояние между электродами, м. При этом требовалось соблюдение условия цЕ 10 ДВ/м, где ).Lдипольньп момент молек л рабочего тела, выраженный в Дебаях (Д); Е-напряженность электрического поля, выраженная в В/м.

В предлагаемом устройстве элемент для охлаждения рабочего тела представляет собой цилиндрический конденсатор, напряженность электрического поля в котором неоднородна, она описывается уравнением

E(

, АЛ Ь - 1 г

, гдеа - ради)с положггтельного (внлтреннего) электрода, м;

b - ради}с от}эицательного (внешнего) электрода, м.

При этом максимальные значения напряженности электрггческого поля достигаются в

окрестности положительного (внутреннего) электрода. Вн5тренний ращлус R (а R Ь)

корпуса камеры для помещения рабочего тела можно выбрать таким, чтобы обеспечить

31аксимальное среднее значение напряженности поля внутри рабочей зоны при заданном

объемном расходе хладагента.

Данная геометрия уст1)ойства для охлаждения рабочего тела позволяет достигать условия ( ДВ/м в окрестностях положительного (вн -треннего) электрода при меньших значениях разности потенциалов U по сравиешпо с устройством в виде плоского конденсатора, описанном в устройстве- npOTOTime (с таким же расстоянием d Ь - а электродами) или достичь больших значешп ). ири той же разности потенциалов U.

Например: а 0.02 мм, b 9.2 мм. Для плоского кондепсатора при U 60 кВ и d а - b 9.18 мм получим Е 6.53 10 В/м

Для цилиндрического конденсатора Е max ,

При этом есл11 выбрать вн}тренний радиус стеклянной трубы R 2.9 мм, то средняя напряженность поля в рабочем объеме будет превышать 6.53х10 В/м. С другой стороны, можно достигн ть значения Е 6.53 10 В/м вблизи положительного (вн треннего) электрода прикладывая разность потенциалов U 801.5 В. что в 74.9 раза меньше.

У штывaя, что отрюдательный (внешний) электрод элемента холодильной становкп заземляется и служит заш|1тным внешним экраном от высокого напряжешм, п то, что возможно использовать меныш е значешш разности погсицпалов. данная констрлтоош nijeei преимуш;ества перед установкой - прототипом с точки зрения электробезопасностп. Кроме того, выпо шение камеры для помещения рабочего тела, в частности ци.1П1ндрической формы, уменьшает краевые эффекты.

Отвод тепла от рабочего тела в элементе холодильной установки реал11зуется по двлм механизмам:

1. При помещеши рабочего тела (газа, имеющего устойчивый дцшольнъп .момент) в .электрическое поле вследствие ориентащт диполей пропсходит перераспределение заселенности энергегггческ1 х уровней: часть вцчтренней энергшг газа переход1 т с вращательи.1х на постлшательные уровни. В адиабатических условтгях (то есть в условиях Г остоянства вн гренней энерпп газа) это приводит к уменьшению теплоемкое и газа и к увеличешпо его температуры. Поскольк} увеличение температуры газа происходит достаточно быстро (за время меньше 0.1 с), а удельная поверхность камеры для рабочего тела невелика, данньиЧ процесс можно считать адиабатическим в условиях эксплл-атащп холодильной установки. В результате возникает разность температур междл pa6oaiM телом в

60000- 1000

«

4.893Х 10

a-lnlкамере и теплоносителем вне камеры, то есть становится возможным теплоотвод путем теплопередачи от рабочего тела через стенк камеры к теплоносителю.

2. При помещении рабочего тела в электрическое поле наблюдается смещение термодгшамического равновесия, вызванное л-велггчением энтропии, уносимой от рабочего тела тепловым излучеш1ем, (эффект Штарка).

Отвод тепла от рабочего тела в устройстве-протолше осуществляется только по второш механизму.

Облегчение теплоотвода излл ением от рабочего тела по сравнеиию с уст1)ойствомпрототипом обзсловлено тем, что излзчение легко проходит через стешаг камеры 4 и поглощается внешним электродом 6. Возврат отведенной теплоты к рабочему тел) очень затруднен, поскольку внепший электрод наход111ся вне рабочей зоны и омывается теплоносителем.

Claims (7)

1. Устройство для охлаждения рабочего тела, содержащее замкнутый контур циркуляции рабочего тела, состоящий из теплообменника для нагревания рабочего тела и элемента для охлаждения рабочего тела, а также контур для отвода тепла от охлаждаемого рабочего тела в окружающую среду, состоящий из теплообменника для охлаждения теплоносителя и элемента для охлаждения рабочего тела, при этом элемент для охлаждения рабочего тела включает в себя камеру для рабочего тела, электроды для подвода разности потенциалов, создающей неоднородное электрическое поле в камере, источник высокого напряжения, соединенный с электродами, и средства для подвода и отвода рабочего тела, соединенные с камерой, причем электроды в общем случае образуют поверхности с конечным, в том числе переменным радиусом кривизны, а в качестве рабочего тела используют газообразные вещества, молекулы которых обладают устойчивым дипольным моментом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера для помещения рабочего тела может представлять собой геометрическое тело цилиндрической формы.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, камера для помещения рабочего тела выполнена в виде стеклянной трубы.

4. Устройство по любому из пунктов, отличающееся тем, что электроды элемента для охлаждения рабочего тела представляют собой цилиндрические поверхности, создающие неоднородное электрическое поле в рабочей зоне.

5. Устройство по любому из пунктов, отличающееся тем, что соотношение наружного радиуса положительного (внутреннего) электрода, внутреннего радиуса камеры для помещения рабочего тела и внутреннего радиуса отрицательного (внешнего) электрода обеспечивает напряженность электрического поля внутри рабочей зоны, удовлетворяющую условию μЕ > 10⁷ ДВ/м, где μ - дипольный момент молекул рабочего тела, Д; Е - напряженность электрического поля, В/м.

6. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что толщина стенок стеклянной трубы достаточна для исключения электрических разрядов внутри рабочей зоны.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник высокого напряжения предназначен для создания постоянной или переменной разности потенциалов.