Теплоиспользующая газовая холодильнаямашина

Союз Советских

Социапистических

Республик

ИЗОБРЕТЕНИЯ

< >, 713214 ев(К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 300178 (21) 2575639/23-06 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 070 781.Бюллетень М 25

Дата опубликования описания 070781 (51)М. Кл.з

F 25 В 9/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (53) УДК6 21 . 5 7 4 (088 ° 8) (72) Авторы изобретения

И.М.Инайд и Г.Б.Зозулевич (71) Заявитель т (54 ) ТЕПЛОИСПОЛЬЗУОЦАЯ ГАЗОВАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ

МАШИ HA но и механически — через механизм движения. Эти особенности обычной машины Виллюмьера усложняют ее изготовление, снижают надежность, делают невоз мо>кным применение ее в объектах, .располагающих только источниками тепла и не имеющих источников механической или электрической энергии, кроме того, невозможно непос1О редственное соединение машины с несколькими охлаждающими объ ек тами.

Укаэанные недостатки устранимы в теплоиспольэующих газовых холодильных машинах, в которых поршни снабжены

15 штоками.

Известна теплоиспользующая газовая холодильная машина, имеющая цилиндры, в которых находятся поршни со што ками, связ анные с кривошипно-шатун20 ным механизмом, теплообменники и регенераторы, включенные между полостями цилиндров Г2) .

Такая машина производит, помимо холода, механическую работу, использу25 емую для приведения в движение поршней. Поэтому она, в отличие от машины Виллюмьера, не нуждается во внешних источниках механической энергии.

Таким образом, в ней устранен один

30 из существенных недостатков машины

Из обретение от носится к холодильной технике, на его основе возможно создавать автономные устройства для охлаждения различных объектов при криогенных температурах.

Известна теплоиспользующая газовая холоцильная маШина Виллюмьера, состоящая из цилиндров с поршнями двойного действия — вытеснителями, теплообменников и регенераторов, включенных между полостями цилиндров L 13 .

Для работы такой машины необходимо, чтобы колебания поршней были согласованы по фазе. Это обычно достигается применением для привода поршней различных модификаций кривошипношатунного механизма, — сдвоенного, с прицепными шатунамн и т.п. При этом для компенсации потерь от трения к механизму машины извне подводится механическая энергия. Таким образом, машина Виллюмьера обычно имеет значительноее число подви>кных частей, требующих высокой точности изготовления, потребляет не только тепло, но и механическую энергию для привода, а ее блок охлаждения, в котором производится холод, связан с "горячим" блоком, к которому подводится греющее тепло не только газовой линией, Одесский технологический институт холодильной промышленности

713214

Виллюмьера. Остальные недостатки машины Виллюмьера, вызванные применением кривошипно-шатунного механизма, в рассматриваемой машине сохраняются: она сложна по конструкции, содержит большое число подвижных частей, требующих высокой точности изготовления, ее "холодный" и "горячий" блоки связаны не только газовой линией, но и механически — механизмом движения. Это отрицательно сказывается на надежности, энергетической эФфективности и технологичности машины. Такую машину невозможно непосредственно соединить с несколькими рассредоточенными объектами охлаждения.

Наиболее близкой по технической 15 сущности к описываемой является теплоиспользующая газовая холоцильная машина, содержащая. цилиндры, разделенные поршнями на две полости, соединенные между собой посредством gp теплообменников и регенератора, причем один из поршней выполнен кинематически свободным со штоком образующим дополнительную полость L3) .

В этой машине "холодный и "горячий" 25 блоки не связаны между собой механически, а связаны только газовой линией.

Такая конструкция поз воляет располагать "холодный" блок на некотором расстоянии от "горячего", з начительно сократить уровень вибраций "холодного" блока. Однако эта машина, как и предыдущие, содержит механизм привода для осуществления перемещения поршня горячего блока, что снижает ее эксплуатационную надежность.

Целью изобретения является повышение эксплуатационной надежности.

Поставленная цель достигается тем, что машина дополнительно содержит ре- 4р сивер опорного давления и тормозные устройства для поршней, все поршни выполнены кинематически свободными аналогично первому и подпружинены, а ресивер опорного давления соединен с дополнительными полостями всех ци.линдров посредством линий связи, на которых установлены автономные запорные вентили. Тормозные устройства дл» поршней могут быть выполнены в виде дроссельных устройств, установленных на линиях связи ресивера с дополнительными полостями.

На фиг. 1 показана принципиальная схема данной машины; на фиг. 2 теоретическая индикаторная диаграм- 5э ма "горячего" блока; на фиг. 3 — ин" дикаторная диаграмма "холодного" блока.

Машина содержит цилиндр 1 "горячего" блока и цилиндр 2 "холодного" бло gp ка. Цилиндр 1 разделен поршнем 3 на две полости 4 и 5, соединенные между собой посредством теплообменников

6 и 7 и регенератора 8. Цилиндр 2 также разделен поршнем 9 на две полос- 5 ти 10 и 1l соединенные между собой посредством теплообменников 12 и 13 и регенератора 14. Поршни 3 и 9 выполнены кинематически свободными и содержат штоки 15 и 16, образующие соответственно дополнительные полости

17 и 18. Машина также содержит ресивер 19 опорного давления и тормоз ные устройства, выполненные в виде запорных вентилей 20 и 21 для поршней 3 и 9. Поршни 3 и 9 подпружинены с помощью пружин 22 и 23.

Ресивер 19 опорного давления соединен с дополнительными полостями 17 и

18 цилиндров 1 и 2 посредством линий

24 и 25 связи. Тормозные устройства

20 и 21 выполненные в виде эапорных вентилей, являются в открытом состоянии дроссельными устройствами. "Горячий" и "холодный" блоки связаны газовой линией 26. В цилиндре 1 установлены упоры 27 и 28, а в цилиндре 2 установлены упоры 29 и 30.

Ресивер 19 опорного давления связан с полостью 4 цилиндра 1 через дроссель 31 с большим сопротивлением.

Ресивер 19 может быть связан и с любой другой точкой газового тракта машины, Возможны конструктивные модификации машины, у которых регенераторы

8 и 14 встроены в поршни 3 и 9, а функции теплообменников 6, 7, 12 и

13 выполняют соответствующие части поверхности цилиндров 1 и 2. Вместо пружин 22 и 23 могут быть использованы упругие элементы любой другой конструкции. Тормозные устройства могут быть выполнены не только в виде дросселирующих устройств. Взамен их можно установить на поршнях 3 и 9 электромагнитные или другие подобные устройства, Работает машина следующим образом.

При работе машины к теплообменнику

7 подводится тепло, например, от продуктов сгорания топлива, радиоизотопных источников, Солнца и т.п.;от теплообменников 6 и 12 отводится тепло в окружающую среду — воздух, воду и т.д.; регенератор 14 находится в тепловом контакте с охлаждаемым объектом. Ресивер 19 и все полости машины заполнены рабочим телом, например гелием.

При пуске машины целесообразно закрыть дроссель 31 и полностью открыть запорные вентили 20 и 21; После этого начинают нагрев теплообменника

7 и прилегающей к теплообменнику части цилиндра 1. При,этом давление в рабочих полостях майины увеличивается, в то время - как в дополнительных полостях 17 и 18 оно остается прежним, равным давлению в ресивере 19.

Поэтому поршни 3 и 9 начинают двигаться (по фиг. 1 слева направо). Массы поршней 3 и 9 и жесткости пружин

22 и 23 нужно подобрать такими, что713214

3S бы движение поршня 9 происходило с отставанием по фазе от движения поршня 3. При выполнении этих условий поршни приходят в колебательное движение, имеющее такие последовательные стадии:

1) поршни 3 и 9 одновременно движутся вправо, при этом поршень 3 переталкивает газ через теплообменник

7 в примыкающую к нему полость цилиндра 1, вызывая дальнейшее повышение давления, !О

2) поршень 3 стоит, касаясь упора

28; поршень 9 продолжает движение вправо по инерции, давление в системе начинает уменьшаться, так как при движении поршня 9 вправо суммарный объ- 15 ем рабочих полостей машины возрастает;

3) при уменьшении давления поршень

3 под дей ст вием пружины 2 2 начи нает двигаться влево; при этом поршень 9 2О продолжает движение вправо по инерции; давление продолжает понижаться главным образом из-за уменьшения объема горячей полости 5 цилиндра 1 и возрастания объема среднетемпературной полости 4 этого же цилиндра;

4) поршень 3 продолжает движение влево; поршень 9 стоит, касаясь упора

30; давление гаэа а рабочих полостях уменьшается;

5) поршень 9 пэд действием пружи-, ны 23 начинает движение влево; поршень 3 движется в том же направлении; давление газа в системе уменьшается и становится ниже давления а дополнительных полостях 17 и 18 б ) поршень 9 продолжает движение влево; поршень 3 стоит, касаясь упора

27; давление газа в системе возрастает, .так как при движении поршня 9 влево суммарный объем рабочих полос- 4(} тей уменьшается >

7) поршень 3 под действием пружины 22 начинает движение вправо; поршень 9 продолжает движение влево; давление в системе продолжает возрастать, S) поршень 9 стоит, касаясь упора

29; поршень 3 продолжает движение вправо; давление в системе возрастает;

9) поршень 9 под действием пружины начинает двигаться вправо; поршень

3 движется в том же направлении и повторяются все описанные выше стадии процесса.

Таким образом, в машине воз никают 55 автоколебания поршней.

При установившемся режиме работы поршни машины не касаются упоров. На фиг. 2-3 обозначено: V> — объем газа в горячей полости 5 цилиндра 1, Ve - . gg объем газа в холодной полости 4 цилиндра 2, P — давление газа а машине, P — среднее давление газа в машине, равное давлению газа в ресивере опорного давления 19 . И ндексы обоз начают: "max" — максимальное з начение соот аетствующей величи ны, " п1 и" — минимальное значение величины ".ар" среднее значение объема, r;ñ-!-.таетствую= щее среднему положению г ня, когда пружина находится в свободном состоянии.

Движение поршней в установившемся режиме имеет следующие стадии (теплообменник 7 нагрет, а теплообменник 13 имеет низкую температуру.

Пусть поршень 9 находится в крайнем левом положении {т.h), а поршень 3 а положении, соответствующем точке

1. Участки h 0 и h D. Оба поршня движутся вправо, объемы V u V C возрастают, одновременно аоз Растает суммарный объем рабочих полостей машины. Эти противоположно действующие факторы вызывают вначале рост давления (участки h В и hb кривых) а затем его уменьшение. На участках

h L и h1 поршни движутся под действием растянутых пружин 22 и 23. На участках LA и 1а к усилиям пружин прибавляются равнодействующие газовых сил, что приводит к ускоренному движению поршней. На участках AD u а0 пружины 3 и 10 сжимаются и замедляют движение пор. ней. В т. D скорость поршня 3 нулевая.

2. Участки Dd и 0 d Поршень 3 движется влево под действием пружины 22, поршень 9 продолжает движение вправо. При этом давление газа в рабочих полостях машины уменьшается, так как объем горячей полос.. и

5 уменьшается, объемы холодной 0 и среднетемпературной полостей 4 увеличиваются, 3. Участки d Н и d H ; Оба поршня движутся влево, объемы V+ и 1с уменьшаются, объемы среднетемпературных полостей 4 и 11 машины увеличиваются, суммарный объем рабочих полостей уменьшается . Это приводит к тому, что давление а машине сначала уменьшается до Р,„.„(т.т. G и g), а з атем начи нает расти . Движение поршней на участках d Е и de происходит только под действием сжатых пружин

22 и 23, на участках EF u ef к усилиям пружин прибавляются равнодействующие газовых сил, что приводит к ускоренному движению поршней. Дальнейшее движение поршней влево растягивает пружины 22 и 23 и движение поршней замедляется. В точке Н скорость поршня 3 нулевая.

4, Участки Hh и H h. Поршень 3 движется вправо под действием растянутой пружины 22, а поршень 9 продолжает движение влево. Давление газа в рабочих полостях машины увеличивается, так как объем горячей полости 5 увеличивается, а объем холодной полости 10 уменьшается. Поршыи достигают положений, соотаетст713214 вующих т.-. h и h, и процес" повторяется.

Таким образом, движение поршней носит периодический колебательный характер. Площади, ограниченные на рисунке замкнутыми кривыми, представляют работы, совершаемые газом за цикл над поршнями в соответствующих полостях цилиндров. Части этих работ, пропорциональные площадям штоков, затрачиваются на преодоление трения, обеспечивая незатухающие колебания поршней.

Дроссель 31 открывают после запуска машины. В результате этого среднее за цикл давление в рабочих полостях машины становится равным cpeq- 15 нему давлению в дополнительных полостях 17 и 18. В этом случае средние положения колеблющихся поршней сохраняются однчми и теми же независимо от режима работы. Такая стабилизация QQ важна для обеспечения устойчивости характеристик машины. Дроссель 31 должен иметь значительное сопротивление для того чтобы расход газа че1 рез него был малым и не влиял на рабочие процессы в цилиндрах. Дроссельные устройства, роль которых выполняют запорные вентили 20 и 21, позволяют регулировать амплитуды колебаний поршней. Чем больше они з акрыты, тем меньше амплитуды колебаний.

При этом можно в номинальном режиме избежать ударов поршней об упоры

27, 28, 29, 30. Только при увеличе-!!ии ходов сверх номинальных значений поршни достигают упоров, выполняющих функции ограничителей перемещения.

Таким образом, дроссельные устройства служат для регулирования амплитуд колебаний поршней и холодопроизводительности MBIliHH>! и представляют 40 собой регулируемые тормозные приспособления.

Длины пружин 22 и 23 подбираются такими, чтобы в неработающей машине поршни занимали средние поло>кения в цилиндрах. Это необходимо для самозапуска машины, а также для получения максимально возможных амплитуд колебания поршней без ударов об упоры в ограничители перемещения.

В данной машине подвижными элементами siBJIR>oTGH только поршни, полностью отсутствует приводной механиз м, " горячий" и "холодный" блок газ овыми ли ниями .

По этим причинам такая машина конструктивно проще известных, в ней достижимы более высокая эксплуатационная надежность и долговечность. У этой машины "холодный" блок может располагаться вблизи охлаждаемого объекта, а "горячий" блок — на некотором удалении, что облегчает стыковку с охлаждаемым объектом. Эту машину можно также выполнить с одним "горячим" блоком и несколькими параллельно включенными "холодными", каждый из которых работает на свой объект охлаждения.

Формула изобретения

1. Теплоиспользующая газовая холодильная машина, содержащая цилиндры, разделенные поршнями на две полости, соединенные между собой посредством теплообменников и регенератора, причем один из поршней выполнен кинематически свободным со штоком, образующим дополнительную полость, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения эксплуатационной надежности машина дополнительно содержит ресивер опорного давления и тормозные устройства для поршней, все поршни выполнены кинематически свободными аналогично первому и подпружинены, а ресивер опорного давления соединен с дополнительными полостями всех цилиндров посредством линий связи, на которых установлены автономные запорные вентили.

2. Машина по и. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что тормозные устройства для поршней выполнены в виде дросселеи!установленных на линиях связи ресивера с дополнительными полостями °

Источники информации, принятые во внимание при экспертиз е

1. Суслов А. Д. и др. Холодильные газ овые машины. 0бз орная и нформация

ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, М., 1977, с. 5.

2. Патент США 9 3379026, кл. 62-6, опублик, 1968.

3. Патент США Р 4024727, кл. 62-6, опус>лик. 19 77.

713214

Ф г. f (

Риг. Ы Фиг, д

Составитель Ю Килимник

Техред .Э.Чужик Корректор Н. СтецРедактор Т.Морозова

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4 т

Заказ 4559/16 Тираж 566 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35,-Раушская наб.,д. 4/5