Способ охлаждения и устройство для его осуществления

 

Использование: в средствах охлаждения посредством твердых рабочих тел, обладающих электрокалорическим или магнитокалорическим эффектом. Сущность изобретения: способ охлаждения заключается в периодическом изменении внешнего поля, накладываемого на твердое рабочее тело, обладающее калорическим эффектом, и реверсивной прокачке через теплоносители. Прокачку ведут с изменением по длине установки массового расхода теплоносителя по закону , где, Т - средняя температура соответствующего сечения рабочего тела; Т_o - температура охлаждения; G_o - массовый расход теплоносителя при Т = T_o ≥ 1 коэффициент, определяемый эффективностью трансформации энергии рабочим телом и процесса теплообмена рабочего тела с теплоносителем. Рефрижератор содержит корпус 1, энерготрансформирующие блоки 2 и 3 с рабочим телом, разделенные перегородкой 4, теплоприемник 5, теплоотдатчики 6 и 7. Система создания периодического поля 9 подает напряжение на электроды 15 и снимает с электродов 16. Под действием избыточного давления, создаваемого системой реверсивной прокачки теплоносителя 8, обратный клапан 13 закрывается, а клапан 12 открывается. Теплоноситель поступает в блок 3 и в результате теплообмена с холодным рабочим телом охлаждается до температуры Т_o. 2с и 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области низких температур, а именно к средствам охлаждения посредством твердых рабочих тел, обладающих электрокалорическим (ЭК) или магнитокалорическим (МК) эффектом.

Известные способы охлаждения, в которых внешнее электрическое или магнитное поле накладывается попеременно на четные и нечетные ступени каскада рабочего тела, и между соседними ступенями осуществляется периодический теплообмен, чем обеспечивается трансформация тепла на более высокий температурный уровень. Недостатки такого способа охлаждения невысокая цикличность работы, ограниченная временем протекания процесса теплообмена, и существенное снижение эффективности охлаждения по мере увеличения числа ступеней каскада.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ охлаждения, заключающийся в периодическом изменении внешнего поля, накладываемого на твердое рабочее тело, обладающее калорическим эффектом, и реверсивной прокачке через него постепенного расхода теплоносителя. При использовании этого способа повышается цикличность и эффективность работы.

Однако этот способ охлаждения существенно уменьшает энергетическую эффективность при увеличении интервала перекрываемых температур.

Известны устройства, реализующие данный способ, которые содержат энерготрансформирующие блоки с твердым рабочим телом, обладающим калорическим эффектом, систему реверсивной прокачке теплоносителя, систему для создания периодического внешнего поля теплоприемники теплоодатчик.

Такие устройства имеют низкий КПД при работе в широком диапазоне температур.

Техническая задача, решаемая данным изобретением, заключается в увеличении энергетической эффективности ЭК и МК рефрижераторов.

Указанная задача решается тем, что в известном способе охлаждения путем периодического изменения внешнего поля, накладываемого на твердое рабочее тело, обладающее калорическим эффектом, и реверсивной прокачки через него теплоносителя прокачку ведут с изменением по длине установки массового расхода теплоносителя по закону где Т средняя температура соответствующего сечения рабочего тела, Т_o температура охлаждения, G_o массовый расход теплоносителя при Т T_o, K ≥ 1 коэффициент, определяемый эффективностью трансформации энергии рабочим телом и процесса теплообмена рабочего тела с теплоносителем.

Кроме этого, изменение расхода теплоносителя ведут непрерывно.

Дополнительно изменение расхода теплоносителя ведут ступенчато.

В устройстве для охлаждения, реализующем предложенный способ и содержащем энерготрансформирующие блоки с твердым рабочим телом, обладающим калорическим эффектом, систему реверсивной прокачки теплоносителя, систему для создания периодического внешнего поля, теплоприемник и теплоотдатчик, энерготрансформирующие блоки размещены в едином корпусе и разделены перегородкой, в перегородке выполнены по меньшей мере два канала переменной вдоль оси корпуса ширины с установленными в каждом канале и с разных сторонот перегородки к обратному клапану, и в каналах под углом к оси корпуса размещены направляющие элементы, причем их выходные кромки, со стороны обратного клапана, расположены ближе к теплоприемнику, чем входные.

Целесообразность увеличения расхода теплоносителя к теплому концу установки определяется из следующих соображений, чем на более высоком температурном уровне располагается слой материала рабочего тела, тем большая величина работы расходуется для трансформации теплоты с внешнего температурного уровня на верхний. Соответственно возрастает и количество теплоты, которое должен отводить (подводить) теплоноситель от рабочего тела. Поэтому для увеличения эффективности работы рефрижератора необходимо увеличить полную теплоемкость теплоносителя, что и достигается увеличением его массового расхода G к теплому концу установки. Поскольку процесс трансформации тепла рабочим телом и процесс теплообмена рабочего тела с теплоносителем сопровождаются потерями энергии, они тоже должны компенсироваться увеличением G. Поэтому зависимость массового расхода теплоносителя от температуры носит нелинейный характер и выражается соотношением G G_o (T/T_o)^к, где К учитывает значения перечисленных потерь.

Изменение массового расхода G теплоносителя осуществляется в соответствии с приведенным соотношением либо непрерывно в каждом слое рабочего тела, либо ступенчато, конечное число раз.

Существо изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема устройства охлаждения ЭК рефрижератора с непрерывным изменением массового расхода теплоносителя, на фиг. 2 сечение А А рефрижератора, на фиг. 3 - схема организации перепуска в представленной конструкции рефрижератора.

Рефрижератор, реализующий предложенный способ охлаждения, содержит корпус 1, энерготрансформирующие блоки 2 и 3 с рабочим телом, разделенные перегородкой 4, теплоприемник 5, теплоотдатчики 6 и 7, систему реверсивной прокачки теплоносителя 8, систему для создания периодического электрического поля 9. В перегородке 4 выполнены каналы 10 и 11 переменной ширины, которые под действием избыточного давления могут открываться и закрываться обратными клапанами 12 и 13. В каналах установлены направляющие элементы 14. Рабочее тело энерготрансформирующих блоков 2 и 3 снабжено электродами 15 и 16 и заземляющими электродами 17.

Рефрижератор работает следующим образом. Пусть в некоторый момент времени в установившемся режиме работы рефрижератора система для создания периодического поля 9 подает напряжение на электроды 15 и снижает с электродов 16. В результате рабочее тело энерготрансформирующего блока 2 поляризуется и нагревается на величину ЭК эффекта, а рабочее тело энерготрансформирующего блока 3 соответственно деполяризуется и охлаждается. При этом система реверсивной прокачки 8, работа которого синхронизирована с системой для создания периодического поля 9, осуществляют прокачку теплоносителя в направлении энерготрансформирующего блока 3. Под действием избыточного давления, создаваемого системой реверсивной прокачки теплоносителя 8, обратный клапан 13 закрывается, а обратный клапан 12 открывается. Теплоноситель поступает в энерготрансформирующий блок 3 и в результате теплообмена с относительно более холодным рабочим телом охлаждается до температуры на выходе из блока ниже температуры охлаждения Т_o. При прокачке определенная часть теплоносителя в каждом поперечном сечении энерготрансформирующего блока 3 через канал 10 изотермически перепускаетсяв энерготрансформирующий блок 2, вследствие чего расход теплоносителя уменьшается по мере его движения к холодному концу установки. Охлажденный поток теплоносителя проходит через теплоприемник 5, отбирая тепло от термостатируемого объекта и реализуя тем самым холодопроизводительность рефрижератора. Далее теплоноситель поступает в энерготрансформирующий блок 2 с относительно более теплым рабочим телом и на выходе из него нагревается до температуры выше температуры окружающей среды Т_ос. При этом, вследствие изометрического перепуска через канал 10, расход теплоносителя увеличивается к теплому концу установки. Выходя из энерготрансформирующего блока 2, теплоноситель поступает в теплоотдатчик 6, где отводит тепло поляризации рабочего тела в окружающую среду. Во второй фазе цикла система для создания периодического поля 9 снимает напряжение с электродов 15 и подает на электроды 16. Система реверсивной перекачки 8 проталкивает теплоноситель в противоположном направлении, в результате чего обратный клапан 12 закрывается, а 13 открывается, и перепуск теплоносителя осуществляется через канал 11. В результате процессов, аналогичных описанным выше, к теплоприемнику 5 подводится полезная тепловая нагрузка, а в теплоотдатчике 7 отводится тепло в окружающую среду.

Количество перепускаемого теплоносителя определяется, исходя из температурной зависимости массового расхода теплоносителя G G_o(T/T_o)^к путем расчета необходимой при данной температуре (в данном поперечном сечении энерготрансформирующего блока) ширины каналов 10 и 11. Как следует из этой зависимости, ширина каналов увеличивается по мере повышения температуры от Т_o до Т_ос. Во избежание потерь, связанных с перемешиванием различных порций теплоносителя с разными температурами, перепуск осуществляется по изотерме.

Для этого в каналах 10 и 11 устанавливаются тонкие направляющие элементы 14. Выходные кромки направляющих элементов 14, расположенные со стороны обратного клапана, размещены ближе к теплообменнику, чем входные, причем таким образом, чтобы соединять поперечные сечения блоков 2 и 3, работающие в данной фазе цикла при одинаковой средней температуре. Кроме того, направляющие элементы не допускают перемешивания порций теплоносителя с различной температурой.

Величина К, входящая в рассмотренное выражение для расчета G, определяется материалом рабочего тела и режимом работы установки. Например, для ЭК рефрижератора с сегнетоэлектрическим рабочим телом скандотанталатом свинца (СТС), работающим при температурах, близких к температуре окружающей среды, значение К (при оптимальных режимах и геометрических параметрах установки) составляет К 1,1 1,3. При этом эксергетический КПД трансформации энергии в СТС составляет η_c= 0,85-0,90 [3], а термический КПД, характеризующий эффективность процесса теплообмена η_t= 0,9-0,98 0,9 0,98.

Для ЭК рефрижератора с Т_o 300 К и СТС в качестве рабочего тела, обладающим адиабатным ЭК эффектом ΔT_э= 1,5 K при напряженности внешнего электрического поля Е 30 кВ/см, при постоянном массовом расходе теплоносителя (жидкого пентана) эксергетический КПД составляет η_e≈ 20 %. Непрерывное изменение массового расхода пентана в соответствии с приведенным выше соотношением позволяет увеличить η_e до 35 40% По мере увеличения интервала температур, перекрываемого рефрижератором, значение η_e установки с постоянным G уменьшается до нуля. В этом случае увеличение G к тепловому концу электротрансформирующих блоков становится условием работоспособности рефрижератора.

Расход теплоносителя можно изменять ступенчато по длине установки, путем использования конечного числа изотермических перепусков. При этом каналы 10 и 11 в рассмотренной конструкции рефрижератора трансформируются в совокупность отверстий необходимого диаметра, расположенных в определенных поперечных сечениях энерготрансформирующих блоков. Оптимальное количество перепусков n определяется температурным уровнем и перекрываемым диапазоном температур. Так, для рассмотренного выше ЭК рефрижератора, работающего в области температур 250 300 К, оптимальное значение n 3 (при этом η_e≈ 35 %. Увеличение перекрываемого диапазона температур, а также работа на более низких температурных уровнях приводят, естественно, к увеличению n.

Формула изобретения

1. Способ охлаждения, заключающийся в периодическом изменении внешнего поля, накладываемого на твердое рабочее тело, обладающее калорическим эффектом, и реверсивной прокачке через него теплоносителя, отличающийся тем, что прокачку теплоносителя производят с изменением массового расхода по длине установки согласно закону G G_о · (T/T_о)^K, где Т средняя температура рабочего тела в соответствующем сечении; Т_о температура охлаждения; G_о массовый расход теплоносителя при Т Т_о; К≥1 коэффициент, определяемый эффективностью трансформации энергии рабочим телом и процесса обмена рабочего тела с теплоносителем.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расход теплоносителя изменяют непрерывно.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расход теплоносителя изменяют ступенчато.

4. Устройство для охлаждения, содержащее энерготрансформирующие блоки с твердым рабочим телом, обладающим калорическим эффектом, систему реверсивной прокачки теплоносителя, систему для создания периодического внешнего поля, теплоприемник и теплоотдатчик, отличающееся тем, что устройство снабжено перегородкой, обратными клапанами и направляющими элементами, при этом энерготрансформирующие блоки размещены в едином корпусе и разделены перегородкой, в которой выполнены по меньшей мере два канала с переменной вдоль оси корпуса шириной, причем в каждом канале с разных сторон перегородки установлено по обратному клапану, а в каналах под углом к оси корпуса размещены направляющие элементы, причем их выходные кромки со стороны обратного клапана расположены ближе к теплоприемнику, чем выходные.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3