Способ получения холода

 

Использование: в низкотемпературной технике. Сущность изобретения: периодически изменяют напряженность электрического или магнитного поля, накладываемого на блоки с твердым рабочим телом, обладающим калорическим эффектом, а реверсивную прокачку через него теплоносителя, интегральное значение калорического эффекта рабочего тела в блоках определяется по предлагаемому закону. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к низкотемпературной технике, в частности, к специальным методам получения низких температур.

Известна холодильная установка, в которой реализуется способ получения холода, при котором поочередно накладывают электрическое поле на блоки из параэлектрического материала. При наложении поля блоки нагреваются вследствие поляризации материала, а при снятии поля охлаждаются [1] К недостаткам данного способа следует отнести сложность системы управления включением энерготрансформирующих блоков, а также значительная масса блоков, работающих при относительно высоких температурах, что определяется увеличением количества трансформируемого тепла по мере перехода к вышележащим блокам.

Наиболее близким техническим решением из известных к описываемому является способ получения холода путем периодического изменения напряженности физического (электрического или магнитного) поля, накладываемого на блоки с твердым рабочим телом, обладающим калорическим эффектом, и реверсивной прокачки через него теплоносителя [2] Недостаток известного способа относительно низкая эффективность установок, выполненных по этому способу, вследствие большой разности температур между теплоносителем и рабочим телом на холодных концах блоков.

Этот недостаток устранен в предлагаемом способе получения холода.

Целью изобретения служит повышение энергетической эффективности получения холода.

Указанная цель достигается тем, что в способе получения холода путем периодического изменения напряженности электрического или магнитного поля, накладываемого на блоки с твердым рабочим телом, обладающим калорическим эффектом, и реверсивной прокачки через него теплоносителя, при наложении электрического или магнитного поля интегральное значение калорического эффекта рабочего тела в блоках определяют по формуле ΔT_эк= ΔT_эк,ос(T/T_ос)^к, где Т средняя рабочая температура соответствующего блока с рабочим телом: Т_ос температура окружающей среды; ΔT_эк,ос- интегральное значение калорического эффекта в блоке, находящемся при Т ≈T_ос; к≥1 коэффициент, определяемый эффективностью трансформации энергии в рабочем теле и процессом теплообмена рабочего тела с теплоносителем, например, в диапазоне к=1.10.

В предпочтительном варианте исполнения указанная цель достигается тем, что изменение интегрального значения калорического эффекта ведут путем соответствующего изменения амплитуды напряженности накладываемого поля.

Кроме того, указанная цель в соответствии с изобретением достигается тем, что изменение интегрального значения калорического эффекта ведут путем использования в блоках различных рабочих тел с соответствующим интегральным значением калорического эффекта.

Во всех устройствах, действие которых основано на использовании электро- и магнитокалорических эффектов, количество тепла Q_ос, отводимое в окружающую среду, больше, чем тепло Q_о, подводимое в теплоприемнике (холодопроизводительность), на величину работы электрического (магнитного) поля по реализации цикла в рабочем теле. В силу этого в рефрижераторах, работающих по прототипу, разность температур между теплоносителем и рабочим телом в относительно более холодных блоках выше, чем на более теплых блоках. Это обуславливает большие потери энергии при теплообмене, а следовательно, и относительно невысокую эффективность устройств. В устройствах по предлагаемому нами способу получения холода уменьшение калорического эффекта рабочего тела на более холодных блоках позволяет уменьшить разность температур между теплоносителем и рабочим телом, т.е. уменьшить потери. При этом уменьшением калорического эффекта требует меньшей поляризации рабочего тела при наложении поля и, следовательно, меньшей работы внешнего поля. Это дополнительно увеличивает КПД устройств, работающих по предлагаемому способу.

На чертеже в качестве примера изображен электрокалорический (ЭК) рефрижератор, в котором может быть реализован предлагаемый способ получения холода.

Рефрижератор состоит из корпуса 1, разделенного перегородкой 2 на энерготрансформирующие модули 3 и 4, включающие рабочие блоки соответственно 5 9 и 10 14, а также теплоприемника 15, теплоотдатчиков 16 и 17, нагнетателя 18 для реверсивной прокачки теплоносителя и источника питания 19.

Блоки представляют собой пластинчато-щелевые конструкции, которые на фигуре изображены в виде пяти параллельных пластин с электродами для подвода и снятия электрического напряжения. Щели служат для прохода теплоносителя. Пластины выполнены из рабочего материала, обладающего электрокалорическим (ЭК) эффектом, причем материалы подобраны так, чтобы в наиболее теплых блоках 5 и 10 ЭК эффект был максимальным и равнялся ΔT_эк,ос. а во всех последующих он уменьшается в соответствии с законом, приведенным в п.1 формулы изобретения, и будет минимальным по значению в блоках 9 и 14 (эта схема будет соответствовать п. 3 формулы изобретения). Каждый блок имеет независимую шину питания. Шины блоков 5 9 модуля 3 имеют обозначения соответственно а', б', в', г', д', а блоки 10 14 модуля 4 а'', б'', в'', г'', д''. Шины подключены к соответствующим контактам источника питания 19 (на фигуре не показано).

После выхода рефрижератора на установившийся режим средняя температура рабочих материалов по длине модулей понижается в целом от Т_ос в блоках 5 и 10 до Т_o в блоках 9 и 14, где Т_ос температура окружающей среды, а Т_o температура охлаждаемого объекта.

Весь рабочий цикл рефрижератора условно можно представить в виде двух полуфаз.

В первой полуфазе внешнее электрическое поле посредством источника питания 19 накладывается, например, на блоки 5 9 модуля 3; в это время с блоков 10 14 модуля 4 поле снимается. В результате реализации ЭК эффекта температура всех блоков 10 14 понижается, а температура блоков 5 9 повышается.

Посредством нагнетателя 18 теплоноситель прокачивается сначала через модуль 4, где постепенно на блоках 10 14 охлаждается до температуры Т_х несколько меньшей, чем температура Т_o охлаждаемого объекта, при этом сами блоки нагреваются. Затем теплоноситель проходит через теплоприемник 15, где забирает тепло от охлаждаемого объекта, и далее через модуль 3, в котором на блоках 9 5 постепенно нагревается (блоки при этом охлаждаются), до температуры Т_х несколько большей температуры Т_oс. В теплоотдатчике 16 тепло от теплоносителя отдается в окружающую среду.

В следующей полуфазе, наоборот, внешнее поле от источника питания 19 накладывается на блоки 10 14 модуля 4 и снимается с блоков 5 9 модуля 3. В результате ЭК эффекта температура блоков 5 9 понижается, а температура блоков 10 14 повышается. Теплоноситель посредством нагнетателя 18 прокачивается в противоположном направлении, т.е. сначала через модуль 3, где на блоках 5 9 охлаждается до температуры Т_х < Т_o, проходит через теплоприемник 15, где забирает тепло от охлаждаемого объекта, затем через блоки 14 10 модуля 4, где нагревается, и наконец, через теплоотдатчик 17, где тепло отводится в окружающую среду.

Далее полуфазы повторяются.

Если рефрижератор выполнен в соответствии с п.2 формулы изобретения, то изменение интегральной величины ЭК эффекта ΔT_эк вдоль оси модулей 3 и 4 достигается наложением на блоки 5 9 и 10 14 в соответствующих полуфазах различного по величине внешнего напряжения, что обеспечивается источником питания 19 по независимым шинам питания.

В качестве теплоносителя может использоваться любая маловязкая диэлектрическая жидкость или газ.

Аналогичным образом работает магнитокалорический рефрижератор, выполненный по предлагаемому способу получения холода. В этом случае рабочие материалы блоков, естественно, должны обладать магнитокалорическим эффектом, а снаружи блоки должны иметь соответствующие магнитные системы для наложения и снятия внешнего магнитного поля.

Формула изобретения

1. Способ получения холода путем периодического изменения напряженности электрического или магнитного поля, накладываемого на блоки с твердым рабочим телом, обладающим калорическим эффектом, и реверсивной прокачки через него теплоносителя, отличающийся тем, что интегральное значение калорического эффекта рабочего тела в блоках определяют по формуле ΔT_эк= T_эк.ос(T/T_ос)^K, где Т средняя рабочая температура соответствующего блока с рабочим телом; Т_ос температура окружающей среды; Т_эк.ос интегральное значение калорического эффекта в блоке, находящемся при Т≈Т_ос;
К≥1 коэффициент, определяемый эффективностью трансформации энергии в рабочем теле и процессом теплообмена рабочего тела с теплоносителем.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменение интегрального значения калорического эффекта ведут путем соответствующего изменения амплитуды напряженности накладываемого электрического или магнитного поля.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменение интегрального значения калорического эффекта ведут путем использования в блоках различных тел с соответствующим интрегральным значением калорического эффекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1