холодильно-нагревательная установка

Формула изобретения

1. ХОЛОДИЛЬНО-НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, содержащая ротор с продольными радиальными перегородками и расположенными между ними параллельно оси ротора парами высокотемпературных и низкотемпературных металлогидридных контейнеров, статор с цилиндрическим корпусом и патрубками для подвода и отвода теплоносителей в высокотемпературной, среднетемпературной и низкотемпературный секторы, отличающаяся тем, что ротор снабжен поперечным теплоизоляционным экраном, а статор - перегородками и цилиндрическими обечайками, установленными внутри ротора, патрубки подвода и отвода теплоносителей выполнены на цилиндрической поверхности корпуса статора, в каждой паре высокотемпературный и низкотемпературный металлогидридный контейнеры установлены соосно друг с другом по разные стороны от экрана с образованием высокотемпературного и низкотемпературного блоков контейнеров и поперечных каналов между контейнерами, причем перегородки и обечайки статора со стороны высокотемпературного блока установлены с образованием радиальных уплотнений между перегородками ротора и обечайками статора в зонах, разграничивающих высокотемпературный и среднетемпературный секторы, а перегородки и обечайки статора со стороны низкотемпературного блока установлены с образованием переходного сектора и радиальных уплотнений между перегородками ротора и обечайками статора в переходном секторе и зоне, разграничивающей среднетемпературный и низкотемпературный секторы, причем длина дуги каждой обечайки превышает минимальное расстояние между перегородками ротора.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каждая пара металлогидридных контейнеров выполнена в виде единой трубы, заглушенной с двух концов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к холодильной технике, системам кондиционирования воздуха, отопления помещений и может быть применено на транспортных средствах при использовании в качестве источника энергии выхлопных газов.

Известно холодильно-нагревательное устройство, содержащее ротор с высокотемпературными и низкотемпературными контейнерами, статор с цилиндрической внутренней поверхностью корпуса и зоны высокотемпературного, среднетемпературного и низкотемпературного теплоносителей. Устройство недостаточно эффективно в связи с значительным термическим сопротивлением между теплоносителем и металлогидридом (стенки статора, контактное сопротивление между ротором и статором).

Известна холодильно-нагревательная установка, содержащая ротор с продольными радиальными перегородками и расположенными между ними параллельно оси ротора высокотемпературными и низкотемпературными металлогидридными контейнерами, статор с цилиндрическим корпусом и патрубками для подвода к контейнерам и отвода от них высокотемпературного, среднетемпературного и низкотемпературного теплоносителей. Ротор установки имеет два положения относительно статора, различающихся углом поворота 90^о, а патрубки подвода и отвода теплоносителей установлены на торцевых поверхностях статора. Это техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является прерывистый характер выработки в нем холода, так как в конструкции отсутствует переходная зона, в которой температура низкотемпературного контейнера уменьшается от среднего уровня (Т_m) до нижнего уровня (T_l), прерывается также и подача низкотемпературного теплоносителя, для чего требуются дополнительные органы регулирования. К недостаткам прототипа можно отнести и то, что металлогидридные контейнеры характеризуются при работе неравномерным распределением температуры по длине вследствие изменения температуры теплоносителей в процессе теплообмена с контейнерами.

Общим недостатком известных металлогидридных установок, включая прототип, является необходимость использования клапанов или гидрораспределителей потоков теплоносителей, что связано с циклическим характером самого физического процесса выделения-поглощения водорода в металлогидридах. Поэтому металлогидридные устройства с непрерывной выработкой холода и содержат органы переключения потока с одного генератора холода на другой при перезарядке первого.

Предлагаемое изобретение направлено на создание эффективной бесклапанной металлогидридной холодильно-нагревательной установки с непрерывной подачей всех теплоносителей в неизменных направлениях. Это необходимо для создания конкурентоспособной металлогидридной транспортной установки, работающей на теплоте выхлопных газов двигателя и служащей для получения холода.

Указанный технический результат достигается в установке, содержащей ротор с продольными перегородками и расположенными между ними параллельно оси ротора парами высокотемпературных и низкотемпературных металлогидридных контейнеров, статор с цилиндрическим корпусом и патрубками для подвода к контейнерам и отвода от них высокотемпературного, среднетемпературного и низкотемпературного теплоносителей, ротор установки снабжен поперечным теплоизоляционным экраном, а статор перегородками и цилиндрическими обечайками, установленными внутри ротора, патрубки подвода и отвода теплоносителей выполнены на цилиндрической поверхности корпуса статора, в каждой паре высокотемпературный и низкотемпературный металлогидридный контейнеры установлены соосно друг другу по разные стороны от экрана с образованием высокотемпературного и низкотемпературного блоков контейнеров и поперечных каналов между контейнерами, причем перегородки и обечайки статора со стороны высокотемпературного блока установлены с образованием высокотемпературного и среднетемпературного секторов и радиальных уплотнений между перегородками ротора с обечайками статора в зонах, разграничивающих высокотемпературный и среднетемпературный секторы, а перегородки к обечайки статора со стороны низкотемпературного блока контейнеров установлены с образованием среднетемпературного, переходного и низкотемпературного секторов и радиальных уплотнений между перегородками ротора и обечайками статора в переходном секторе и зоне, разграничивающих среднетемпературный и низкотемпературный секторы, причем длина дуги каждой обечайки превышает минимальное расстояние между перегородками ротора. Кроме того, пара металлогидридных контейнеров выполнена в виде единой трубы, заглушенной с двух концов, при этом высокотемпературный и низкотемпературный металлогидриды разделены в середине трубы, проницаемой для водорода перегородкой.

Причинно-следственная связь существенных признаков и технического результата появляется в цепочке: описанная выше конструкция ротора, вращающегося в одном направлении, обеспечение квазистационарного температурного поля в пределах корпуса статора непрерывная подача теплоносителей в одни и те же соответствующие секторы статора.

На фиг.1 представлена предлагаемая установка, смонтированная на кузове, общий вид; на фиг.2 то же, продольный разрез; на фиг.3 и 4 схематично изображены соответственно поперечный разрез установки со стороны низкотемпературного блока и со стороны высокотемпературного блока металлогидридных контейнеров; на фиг. 5 показаны металлогидридные контейнеры, разрез; на фиг.6 представлен график термодинамического цикла работы пары металлогидридов.

Холодильно-нагревательная установка содержит неподвижный статор 1 с цилиндрической внутренней поверхностью 2 корпуса 3, закрытого по торцам днищами 4, 5, а также ротор 6 с высокотемпературными 7 и низкотемпературными 8 металлогидридными контейнерами, выполненными в едином корпусе бесшовной трубе 9 с заглушенными концами. Патрубки для подвода и отвода высокотемпературного теплоносителя соответственно 10, 11, патрубки для подвода и отвода среднетемпературного теплоносителя соответственно 12, 13 и 14, 15, а также патрубки для подвода и отвода низкотемпературного теплоносителя соответственно 16, 17 выполнены на боковой поверхности корпуса 3. Патрубки 11, 15 и верхний патрубок 14 ориентированы в осевом направлении. Ротор снабжен поперечным теплоизоляционным экраном 18 и продольными радиальными перегородками 19, а статор содержит элементы внутри ротора: перегородки 20 и обечайки 21, при этом образуются высокотемпературный сектор 22, среднетемпературный сектор 23 высокотемпературного блока 24 металлогидридных контейнеров и среднетемпературный сектор 25, переходный сектор 26 и низкотемпературный сектор 27 низкотемпературного блока 28 металлогидридных контейнеров. Между цилиндрической поверхностью 2 корпуса 3 и радиальными перегородками 19 с одной стороны и обечайками 21 с другой стороны выполнены радиальные уплотнения (контактные или бесконтактные), при этом протяженность обечаек 21 по длине дуги превышает минимальное расстояние между перегородками 19 с целью образования шлюзовых зон 29, 30 и переходного сектора 26, разграничивающих секторы для предотвращения перетекания теплоносителя из одного сектора в другой.

Предлагаемая холодильно-нагревательная установка может быть использована для целей отопления, однако более целесообразно ее применение в качестве холодильного агрегата (кондиционера) авторефрижератора (автобуса, грузового автомобиля). Поэтому вариант установки, изображенный на фиг.1-4 предусматривает использование выхлопных газов в качестве высокотемпературного теплоносителя, для чего от выхлопной трубы 31 выполнено ответвление 32, снабженное клапаном 33, подключающим или отключающим установку. В качестве среднетемпературного теплоносителя используется воздух внешней среды, для чего установлены вентиляторы 34, 35. Воздух внутри кузова 36 является охлаждаемой средой и для его циркуляции установлен вентилятор 37. Для повышения интенсивности теплообмена между теплоносителями и металлогидридными контейнерами последние оребрены по внешней поверхности (см. фиг.5) с образованием каналов 38 между ребрами 42.

Металлогидридные контейнеры 7, 8 выполнены в виде трубы-пенала 9, заполненной с одной стороны высокотемпературным металлогидридом 39, например LaNi_4,65Al_0,35H_x с другой низкотемпературным металлогидридом 40, например Ti_0,8Zr_0,2CrMnH_x. По оси трубы 9 установлены водородные коллекторы-фильтры 41, выполненные из пористой нержавеющей стали. Труба 9 оребрена изнутри для улучшения теплообмена между металлогидридом и стенкой трубы (ребра не показаны).

Установка работает следующим образом. При работе двигателя автомобиля в выхлопную трубу 31 поступают газы с температурой 200-350^оС, которые несут тепловую энергию (применительно к грузовому автомобилю) 40-60 кВт. Благодаря открытому клапану 33 выхлопные газы поступают в газовод-ответвление 32 и далее через патрубок 10 на высокотемпературные контейнеры 7, обтекая которые по каналам 38, покидают высокотемпературный сектор 22 через отводной патрубок 11. В это время соответствующие высокотемпературным низкотемпературные контейнеры 8 охлаждаются атмосферным воздухом, подаваемым вентилятором 36 через патрубок 13 в среднетемпературный сектор 25. Водород, содержащийся в металлогидриде 39, в соответствии с термодинамическим циклом (см. фиг.6) выделяется из него, перетекает в низкотемпературный металлогидрид 40, где поглощается, а теплота абсорбции водорода отводится с воздухом в атмосферу.

Ротор 6 при работе установки вращается со скоростью 1 оборот за 10-30 мин постоянно или импульсами по часовой стрелке, причем скорость вращения увязана с темпом нагрева высокотемпературных контейнеров 7 и темпом охлаждения низкотемпературных контейнеров 8 таким образом, что последние, находящиеся в одной секции между перегородками 19, покидают среднетемпературный сектор при полном поглощении всего активного водорода в них. При этом соответствующие высокотемпературные контейнеры 7 покидают высокотемпературный сектор 22 и, переместившись через зону 30, выполняющую роль шлюза, попадают в среднетемпературный сектор 23, где охлаждаются атмосферным воздухом, который нагнетается вентилятором 34 в сектор 23 и, охлаждая контейнеры 7, отводится в атмосферу через патрубки 14. Низкотемпературные контейнеры 8, попадающие в переходный сектор 26, охлаждаются от температуры T_m 40-60^оС до температуры T_l (-10)-(-25)^оС вследствие эндотермического перетекания водорода из них в соответствующие высокотемпературные контейнеры, находящиеся при этом в начале среднетемпературного сектора 23 (см. термодинамический цикл согласно фиг.6). Низкотемпературные контейнеры, имеющие температуру (-10)-(-25)^оС и попадающие далее при вращении ротора в низкотемпературный сектор 27, подготовлены для выработки холода (точка D термодинамического цикла) при подаче низкотемпературного теплоносителя вентилятором 37. Циркуляцией воздуха в кузове 36 обеспечивается охлаждение последнего до уровня температур 0 +5^оС и ниже. Низкотемпературные контейнеры 8 покидают низкотемпературный сектор 27, когда весь активный водород уже перетек обратно в высокотемпературный металлогидрид 39. Далее цикл повторяется.

Таким образом, предлагаемое техническое решение не требует использования клапанов или других распределительных органов, а теплоносители непрерывно подаются в неизменных направлениях. Этим во многом и обеспечивается достижение предлагаемого технического результата. Другим важным преимуществом предлагаемой установки является эффективность, которая поясняется ниже.

В известных металлогидридных преобразователях тепла, исключая системы с транспортированием металлогидридного порошка шнеками, низкотемпературные контейнеры при начальной температуре в фазе выработки холода (-25)-(-10)^оС к концу фазы нагреваются низкотемпературным теплоносителем на некоторую величину t. Тем самым средняя температура низкотемпературных контейнеров в фазе выработки холода равна

t_ср.нт= t_нач+ .

Это значит, что при самом совершенном теплообмене низкотемпературного теплоносителя с низкотемпературными контейнерами средняя конечная температура теплоносителя в фазе охлаждения будет выше чем t_нач на величину Т.е. если t_нач= -20^оС и t 15^oC, невозможно получить среднюю температуру теплоносителя ниже -12,5^оС при средней холодопроизводительности в течение фазы больше нуля. В итоге наиболее ценный нижний уровень температуры -20^оС не используется.

В предлагаемой установке достигается уровень температуры теплоносителя около -20^оС, так как теплообмен организован по аналогии с противоточным теплообменником. Воздух, засасываемый из кузова и имеющий 0^оС, натекая на покидающий низкотемпературный сектор контейнер с температурой -5^оС в конце обтекания контейнеров соприкасается уже с контейнером, только вышедшим из переходного сектора и имеющим температуру -20^оС. Поэтому схема теплообмена, реализованная в предлагаемой установке, значительно более совершенна, чем в прототипе и других известных решениях. В реальной установке, как показывает расчет, при достижении минимальной температуры контейнеров -25^оС может быть обеспечена температура в кузове до (-15)-(-20)^оС.

Вращение высокотемпературных контейнеров в направлении от выхлопного патрубка 11 к входному патрубку 10 и направление течения высокотемпературного теплоносителя способствуют более равномерному нагреву контейнеров, чем в установке-прототипе, где неравномерность нагрева значительна даже для одного высокотемпературного контейнера. Действительно, периферийный высокотемпературный контейнер, попадая из наименее нагретой области выхлопного патрубка 11 в наиболее высокотемпературную зону патрубка 10, получает в среднем то же количество теплоты, что и ближайший к оси ротора контейнер.

Преимуществом предлагаемого технического решения является также автоматический, т. е. достигаемый без дополнительных конструкторских мероприятий вынос влаги, намерзающей на контейнерах в процессе циркуляции низкотемпературного теплоносителя в окружающую среду. Обычно в традиционных холодильных агрегатах авторефрижераторов намерзание влаги на воздухоохладителе является трудноразрешимой проблемой.