устройство для снижения температуры материальных тел

Формула изобретения

1. Устройство для охлаждения материальных тел, содержащее, по меньшей мере, одну ступень, включающую канал для циркуляции газообразного рабочего тела, движитель, обеспечивающий циркуляцию рабочего тела по каналу, двигатель, приводящий в действие движитель, а также источник энергии для работы двигателя, отличающееся тем, что устройство снабжено теплоизолированным контейнером для охлаждаемого вещества, канал циркуляции рабочего тела выполнен с зауженным участком, площадь поперечного сечения которого меньше площади поперечного сечения остальной части канала, с возможностью понижения температуры рабочего тела при принудительном распространении его через зауженный участок канала, а стенки изготовлены из теплопроводного материала с возможностью понижения температуры охлаждаемого вещества, плотно прилегающего к стенкам зауженной части канала и имеющего более высокую температуру по сравнению с рабочим телом в зауженной части канала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными ступенями, соединенными последовательно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области холодильной техники, в устройствах которой в качестве рабочего тела используются газы. Конкретно изобретение относится к области устройств холодильной техники, основанных на известном в физике газов эффекте Джоуля-Томсона [1], [2], который состоит в том, что если теплоизолированный газ переходит от высшего давления к низшему, то происходящее при этом расширение сопровождается изменением температуры газа. В известных холодильных устройствах, основанных на эффекте Джоуля-Томсона, рабочее тело (газ) предварительно сжимается до давлений от нескольких атмосфер (в турбодетандерах) до двухсот атмосфер (в поршневых детандерах). Для обеспечения снижения температуры до желаемого уровня в упомянутых устройствах предусматривается достаточное число ступеней, что позволяет процесс охлаждения повторять многократно. Для сжатия рабочего тела (газа) используются компрессорные установки [3], [4].

Ближайшим аналогом заявляемого устройства можно указать на устройство по патенту RU 2075014, F25B 9/00, 1997 (устройство для охлаждения материальных тел, содержащее, по меньшей мере, одну ступень, включающую канал для циркуляции рабочего тела, движитель, обеспечивающий циркуляцию рабочего тела по каналу, двигатель, приводящий в действие движитель, а также источник энергии для работы двигателя).

Предлагаемое изобретение отличается тем, что процесс сжатия и расширения рабочего тела (газа) осуществляется без использования компрессоров. Для этих целей канал, по которому циркулирует газ, имеет переменное поперечное сечение. Устройство такого канала характеризуется тем, что по длине канала предусматривается один или несколько зауженных участков, площадь поперечных сечений которых меньше, преимущественно значительно меньше, площади поперечного сечения остальных участков канала. Примером канала с наличием одного зауженного участка малого сечения является известная в технике трубка Вентури [1]. Движение среды жидкости или газа по трубе с переменным сечением описывается уравнением Бернулли [2]. Для описания движения газа по трубе с переменным сечением используется термодинамическое обобщение уравнения Бернулли [2]:

где

i - теплосодержание газового потока (i= p+u),

- кинетическая энергия газового потока,

- скорость течения газового потока,

g - ускорение силы земного тяготения,

u - удельная внутренняя энергия газа,

p - давление газа,

- удельный объем газа.

В уравнении (1) энергетические параметры газового потока приведены для одного кг массы. Из уравнения (1) следует, что сумма теплосодержания и кинетическая энергия газового потока при стационарном адиабатном течении, без производства работы, одинакова для всех сечений потока. В зауженных сечениях канала, где скорость газа увеличивается, увеличивается также и кинетическая энергия потока, а следовательно, согласно уравнению (1) плотность, давление и температура газа уменьшаются, а объем увеличивается. При адиабатном течении с расширением газа прирост кинетической энергии ведет к убытку теплосодержания (падению температуры) [2]:

где

C_p - теплоемкость газа при постоянном давлении,

T - температура в объеме газа.

В уравнениях (1) и (2) параметры газового потока соответствуют двум участкам канала, различным по площади поперечного сечения (S₁ и S₂).

Из уравнения (2) следует что для снижения температуры газа в зауженном сечении канала необходимо выполнение условия:

Как показано в [2], существенное снижение температуры газа начинается при условии, что скорость течения газа в зауженной части канала в 50 раз больше, чем скорость течения газа в обычном сечении канала.

Как следует из вышеизложенного, в потоке газа, распространяющегося по каналу типа трубки Вентури, происходит изменение параметров газа: в зауженной части канала (в горловине трубки Вентури) скорость и кинетическая энергия возрастают, а давление, плотность и температура уменьшаются. При переходе потока газа в участок канала с увеличенным поперечным сечением происходит обратный процесс изменения параметров газа. Эффект уменьшения температуры в зауженном участке канала может быть использован для снижения температуры среды, окружающей упомянутый участок канала или соприкасающейся со стенками канала, при условии, что стенки зауженного участка канала изготовлены из материала хорошей теплопроводности, а также приняты и другие известные меры для повышения теплопередачи от среды к газу (хладагенту). Процесс теплопередачи (охлаждения среды) будет происходить непрерывно, если обеспечить постоянную циркуляцию газа (хладагента) по трубе. Для достижения необходимого уровня снижения температуры охлаждаемой среды может быть предусмотрено необходимое число связанных между собой ступеней устройства. Для принудительного перемещения газа (хладагента) по каналу устройства (холодильника) предусматривается движитель (например, лопастный насос), приводимый в действие двигателем, который работает от источника энергии, например электромотор, работающий от источника электропитания. Стенки внутренней полости канала холодильника обрабатываются так, чтобы сопротивление трения при движении газа было минимальным. Учитывая еще и тот факт, что газы имеют малый коэффициент вязкости, то при малом сопротивлении трения общее сопротивление движению газа по каналу холодильника будет также незначительным [2]. На этом основании можно утверждать, что уровень энергетических затрат в предлагаемом устройстве холодильника будет достаточно низким.

На чертеже представлен схематический рисунок, иллюстрирующий разрез конструкции и схему работы трехступенчатого холодильника. На чертеже показаны: 1 - канал и хладагент первой ступени холодильника (в открытой области); 2 - камера с каналом и хладагентом второй ступени холодильника; 3 - камера с каналом и хладагентом третьей ступени холодильника; 4 - зауженные участки каналов циркуляции хладагента (1-3 ступеней), изготовленные из материала хорошей теплопроводности; 5 - двигатели (например, электромоторы), приводящие в действие движители во всех ступенях холодильника; 6 - движители (например, лопастные насосы), обеспечивающие циркуляцию хладагента в каналах всех трех ступеней холодильника; 7 - источник питания электромоторов; 8 - электропроводка от источника электропитания к двигателям; 9 - теплоизолированный контейнер с газом (веществом), предназначенным для охлаждения. Газ (хладагент), циркулирующий по каналу первой ступени, может быть средой открытого пространства (например, воздух). Стенки камер ступеней 1-3 изготовлены из теплоизоляционного материала (показаны двойными линиями). В качестве каналов 1-3 ступеней холодильника используются каналы типа трубки Вентури.

Устройство (холодильник) работает следующим образом. После включения двигателей и начала работы движителей газ (хладагент) начинает циркулировать по каналам ступеней. Направление циркуляции газа по каналам и в камерах ступеней показано сплошными стрелками.

Температура газа (хладагента) при распространении по зауженной части канала первой ступени снижается по сравнению с температурой газа на входе канала. Через хорошо теплопроводящие стенки зауженной части канала первой ступени тепло передается от газовой среды второй ступени к газовой среде, распространяющейся в канале первой ступени. Таким путем снижается температура газа, находящегося в камере второй ступени. Подобным же образом происходит снижение температуры газа, циркулирующего в канале и объеме камеры третьей ступени. При циркуляции газа по зауженной части канала третьей ступени температура газа снижается еще в большей степени. Зауженная часть канала третьей ступени проходит через теплоизолированный контейнер, в котором находится вещество, предназначенное для охлаждения до желаемой температуры. Тепло от упомянутого вещества передается через хорошо теплопроводящие стенки зауженной части канала хладагенту третьей ступени. Поскольку циркуляция газа - хладагента - происходит непрерывно, то в результате происходит постепенный отбор тепла и, соответственно, охлаждение вещества до желаемой температуры. Уровень снижения температуры определяется числом ступеней холодильника. Чем больше число ступеней холодильника, тем больше уровень снижения температуры.

Заявляемое устройство может быть использовано в холодильной технике для охлаждения газов и других веществ. Его преимуществами являются относительная простота изготовления и эксплуатации, а также малые энергетические затраты при функционировании.

Литература

1. Физическая энциклопедия. Гл. редактор A.M. Прохоров. М.: Сов. Энциклопедия, 1990 г.

2. К.А. Путилов, Курс физики т. 1, М.: Госиздат, 1957 г.

3. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. М.П. Малкова, М., 1985 г.

4. Е.Я. Соколов, В.М. Бродянский, Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоиздат, 1981 г.