RU2169888C2

RU2169888C2 - Metallohydride refrigerator

Info

Publication number: RU2169888C2
Application number: RU99104657A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Астахов; А.И. Соловей
Original assignee: ГосНИИ НПО "Луч"
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2001-06-27

Abstract

FIELD: refrigerating engineering. SUBSTANCE: metallohydride refrigerator has rotor with sorbers filled with high-temperature metallohydride at one end and with low-temperature metallohydride at other end, stator with cylindrical housing and branch pipes for supply of heat-transfer agents to high-temperature, average- temperature and low-temperature sectors and discharge of these agents from these sectors; sectors are divided by radial seals; provision is also made for transversal heat-insulating shield dividing rotor into high- temperature and low-temperature units. On side of low-temperature unit, stator is provided with cold regeneration loop laid between low- temperature ends of sorbers located between outlet of low-temperature sector and inlet of average-temperature sector on one side and between outlet of average-temperature sector and inlet of low-temperature sector on other side; fan may be mounted in regeneration loop inside rotor. EFFECT: enhanced efficiency of refrigerator. 2 cl, 3 dwg _

Description

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к системам кондиционирования воздуха на основе металлогидридных тепловых насосов, и может быть использовано в качестве металлогидридного рефрижератора (МГР), работающего на тепле выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и размещенного на транспортном средстве, например на автомобиле или судне. The invention relates to refrigeration, in particular to air conditioning systems based on metal hydride heat pumps, and can be used as a metal hydride refrigerator (MHR) operating on the heat of the exhaust gases of internal combustion engines and placed on a vehicle, for example, a car or a ship.

Известен МГР, содержащий 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 имеет два положения относительно статора, различающихся углом поворота 90^o, а патрубки подвода и отвода теплоносителей установлены на торцевых поверхностях статора (см. патент Японии N 63-27624, F 25 B 17/08/1988).Known MGR containing a rotor with longitudinal radial partitions and high temperature and low temperature metal hydride containers located between them parallel to the rotor axis, a stator with a cylindrical body and nozzles for supplying and removing high, medium and low temperature coolants from the containers. The rotor has two positions relative to the stator, differing by an angle of rotation of 90 ^o , and nozzles for supplying and removing coolants are installed on the end surfaces of the stator (see Japan Patent N 63-27624, F 25 B 17/08/1988).

Недостатком известного МГР является прерывистый характер выработки в нем холода, так как в конструкции отсутствует переходная зона, в которой температура низкотемпературного контейнера уменьшается от среднего уровня (T_m) до нижнего уровня (T_l), прерывается также и подача низкотемпературного теплоносителя, для чего требуются дополнительные органы регулирования. Кроме того, металлогидридные контейнеры характеризуются при работе неравномерным распределением температуры по длине вследствие изменения температуры теплоносителя в процессе теплообмена с контейнерами.A disadvantage of the known MGR is the intermittent nature of the generation of cold in it, since the design does not have a transition zone in which the temperature of the low-temperature container decreases from the average level (T _m ) to the lower level (T _l ), the flow of the low-temperature coolant is also interrupted, which requires additional regulatory authorities. In addition, metal hydride containers are characterized by an uneven distribution of temperature along the length due to a change in the temperature of the coolant during heat exchange with the containers.

Наиболее близким к заявляемому является МГР, содержащий ротор с металлогидридными сорберами, заполненными с одного конца высокотемпературным металлогидридом, с другого - низкотемпературным металлогидридом, статор с цилиндрическим корпусом и патрубками для подвода и отвода теплоносителей в высокотемпературный, среднетемпературный и низкотемпературный сорберы, разделенные переходными секторами с радиальными уплотнениями. Ротор МГР содержит поперечный теплоизоляционный экран, разделяющий ротор на высокотемпературный и низкотемпературный блоки (см. патент России N 2053463, F 25 B 17/08, заявл. 18.08.1992). Closest to the claimed one is an MGR containing a rotor with metal hydride sorbers filled at one end with high-temperature metal hydride, and at the other with a low-temperature metal hydride, a stator with a cylindrical body and pipes for supplying and discharging coolants into a high-temperature, medium-temperature, and low-temperature, low-temperature, low-temperature sectors seals. The MGR rotor contains a transverse heat-insulating screen separating the rotor into high-temperature and low-temperature blocks (see Russian patent N 2053463, F 25 B 17/08, application. 08/18/1992).

Однако известный МГР имеет недостаточную эффективность в связи с тем, что хладоресурс сорберов тратится на охлаждение собственной массы до рабочей точки в низкотемпературном секторе, а запас холода сорберов, выходящих из этого сектора, не используется. However, the well-known MGR has insufficient efficiency due to the fact that the cold resource of sorbers is spent on cooling its own mass to an operating point in the low-temperature sector, and the cold reserve of sorbers leaving this sector is not used.

Задачей изобретения является повышение эффективности (холодопроизводительности) МГР при том же энергопотреблении. The objective of the invention is to increase the efficiency (cooling capacity) of MGR with the same energy consumption.

Поставленная задача решается предлагаемым МГР, который включает в себя ротор с сорберами, заполненными с одного конца высокотемпературным, а с другого - низкотемпературным металлогидридами, статор с цилиндрическим корпусом и патрубками для подвода и отвода теплоносителей в высокотемпературный, среднетемпературный и низкотемпературный секторы, разделенные радиальными уплотнениями, поперечный теплоизоляционный экран, разделяющий ротор на высокотемпературный и низкотемпературный блоки, согласно изобретению со стороны низкотемпературного блока статор снабжен контуром регенерации холода между низкотемпературными концами сорберов, размещенных между выходом из низкотемпературного сектора и входом в среднетемпературный сектор с одной стороны и между выходом из среднетемпературного сектора и входом в низкотемпературный сектор с другой стороны, причем в контуре регенерации установлен вентилятор. Последний может быть установлен внутри ротора. The problem is solved by the proposed MGR, which includes a rotor with sorbers filled on one end with high-temperature and on the other with low-temperature metal hydrides, a stator with a cylindrical body and nozzles for supplying and discharging coolants into high-temperature, medium-temperature and low-temperature sectors, separated by radial transverse heat-insulating screen dividing the rotor into high temperature and low temperature blocks, according to the invention from the low temperature side molecular stator unit provided with a loop between the low-temperature regeneration cold sorber ends placed between the low-temperature output and input sector medium temperature in the sector on the one hand and between the outlet of the sector of medium and the inlet of the low-temperature section on the other hand, the regeneration circuit is a fan. The latter can be installed inside the rotor.

Причинно-следственная связь между существенными признаками предлагаемого МГР и техническим результатом заключается в обеспечении охлаждения низкотемпературной части сорберов, приближающихся к низкотемпературному сектору, имеющих температуру T_m (окружающей среды, среднетемпературный сектор) до температуры T_l (низкотемпературный сектор) частично за счет остаточного холода в сорберах, покинувших низкотемпературный сектор без затрат энергии и хладоресурса, что повышает холодопроизводительность при прочих равных условиях на 20...30%.A causal relationship between the essential features of the proposed MGR and the technical result is to provide cooling of the low-temperature part of the sorbers approaching the low-temperature sector, having a temperature T _m (environment, medium-temperature sector) to a temperature T _l (low-temperature sector) partially due to the residual cold in sorbers that left the low-temperature sector without the consumption of energy and cold resource, which increases cooling capacity, ceteris paribus, by 20 ... 30%.

На фиг. 1 приведен поперечный разрез МГР со стороны высокотемпературного блока; на фиг. 2 - поперечный разрез МГР со стороны низкотемпературного блока; на фиг. 3 - термодинамический цикл работы МГР. In FIG. 1 shows a transverse section of an MGR from the side of a high-temperature block; in FIG. 2 is a cross-sectional view of the MGR from the side of the low temperature unit; in FIG. 3 - thermodynamic cycle of MGR operation.

МГР содержит ротор с сорберами 1, разделенными перегородками 2, скользящими по цилиндрическим поверхностям 3 статора. Внутри ротора имеются неподвижные элементы статора 4, а также контур регенерации 5 с вентилятором 6. Со стороны низкотемпературного блока выполнен низкотемпературный сектор 7 с вентилятором 8 и среднетемпературный сектор 9 с вентилятором 10. Со стороны высокотемпературного блока выполнен газоподвод 11 со створкой 12, служащей для переключения режимов работы выхлопной трубы с прямого выхлопа на МГР для охлаждения кузова 13. С этой же стороны выполнен среднетемпературный сектор 14 с вентиляторами 15, 16. Среднетемпературный сектор 14 и высокотемпературный сектор 17 высокотемпературного блока разделены переходными секторами 18, 19. Корпус снабжен патрубками 20, 21 для отвода газа и воздуха. Сорберы 1 со стороны высокотемпературного блока заполнены высокотемпературным металлогидридом, например LaNi_4,6Al_0,4H_x, а со стороны низкотемпературного блока - низкотемпературным металлогидридом, например MmNi_4,15Fe_0,75H_y. Вентилятор 6 контура регенерации может быть размещен в центре ротора.MGR contains a rotor with sorbers 1, separated by partitions 2, sliding along the cylindrical surfaces 3 of the stator. Inside the rotor there are fixed elements of the stator 4, as well as a regeneration circuit 5 with a fan 6. On the side of the low-temperature block, a low-temperature sector 7 with a fan 8 and a medium-temperature sector 9 with a fan 10 are made. From the side of the high-temperature block, a gas supply 11 with a shutter 12 is used for switching modes of operation of the exhaust pipe from direct exhaust to MGR for cooling the body 13. On the same side, the medium temperature sector 14 with fans 15, 16. The medium temperature sector 14 and high temperature The temperature sector 17 of the high-temperature block is separated by transition sectors 18, 19. The housing is equipped with nozzles 20, 21 for exhausting gas and air. Sorbers 1 on the high-temperature block side are filled with high-temperature metal hydride, for example LaNi _4.6 Al _0.4 H _x , and on the low-temperature block side, are filled with low-temperature metal hydride, for example MmNi _4.15 Fe _0.75 H _y . The fan 6 of the regeneration circuit can be placed in the center of the rotor.

МГР работает следующим образом. MGR works as follows.

При поступлении выхлопных газов с температурой 200...250^oC через газопровод к сорберам (в положении створки 12, изображенном на схеме), последние нагреваются до температуры T_h = 170...190^oC (точка A цикла). Выхлопные газы выходят из газового тракта через патрубок 20 перпендикулярно плоскости чертежа. В результате нагревания высокотемпературных металлогидридов из них выделяется водород, который перетекает в низкотемпературный металлогидрид, где поглощается (точка B цикла), а тепло абсорбции отводится в атмосферу благодаря потоку воздуха, нагнетаемого вентилятором 10 и выходящего через патрубок 21 (перпендикулярно плоскости чертежа). Ротор с сорберами 1 медленно вращается (непрерывно или импульсами), в результате чего сорберы выходят из зоны выхлопных газов и зоны обдува вентилятором 10. Концы сорберов с низкотемпературным металлогидридом попадают в контур регенерации, соответствующие концы сорберов с высокотемпературным металлогидридом - в среднетемпературный сектор с вентилятором 15, где охлаждаются.Upon receipt of exhaust gases with a temperature of 200 ... 250 ^o C through the gas line to the sorbers (in the sash position 12 shown in the diagram), the latter are heated to a temperature T _h = 170 ... 190 ^o C (point A of the cycle). Exhaust gases exit the gas path through the pipe 20 perpendicular to the plane of the drawing. As a result of heating of high-temperature metal hydrides, hydrogen is released from them, which flows into a low-temperature metal hydride, where it is absorbed (point B of the cycle), and the heat of absorption is removed to the atmosphere due to the air flow pumped by fan 10 and leaving through pipe 21 (perpendicular to the plane of the drawing). The rotor with sorbers 1 rotates slowly (continuously or by pulses), as a result of which the sorbers leave the exhaust gas zone and fan zone 10. The ends of the sorbers with low-temperature metal hydride fall into the regeneration circuit, the corresponding ends of the sorbers with high-temperature metal hydride - in the medium-temperature sector with a fan 15 where they cool.

Охлаждение в контуре регенерации осуществляется не за счет перетекания водорода из низкотемпературного металлогидрида в высокотемпературный, а за счет теплообмена с низкотемпературными сорберами, вышедшими из низкотемпературного сектора и таким образом процесс B-C только частично (на 50%) сопряжен с обратным перетеканием водорода, то есть в высокотемпературный металлогидрид. Охлаждение низкотемпературных концов сорберов в низкотемпературном секторе связано с охлаждением соответствующих высокотемпературных концов в среднетемпературном секторе 14 (точки C-D цикла). Охлаждаясь до минус 22... 29^oC, низкотемпературные концы сорберов обеспечивают при подаче на них воздуха вентилятором 8 охлаждение воздуха в кузове 13 до минус 18^oC. Остаточный холод в низкотемпературных концах сорберов после их попадания в контур регенерации как бы "передается" приближающимся к низкотемпературному сектору низкотемпературным концам сорберов.The cooling in the regeneration circuit is carried out not due to the flow of hydrogen from the low-temperature metal hydride to the high-temperature, but due to heat exchange with the low-temperature sorbers emerging from the low-temperature sector, and thus the BC process is only partially (50%) coupled to the hydrogen back-flow, i.e., to the high-temperature metal hydride. The cooling of the low-temperature ends of the sorbers in the low-temperature sector is associated with the cooling of the corresponding high-temperature ends in the medium-temperature sector 14 (points of the CD cycle). Cooling to minus 22 ... 29 ^o C, the low-temperature ends of the sorbers provide, when air is supplied to them by fan 8, the cooling of the air in the body 13 to minus 18 ^o C. The residual cold in the low-temperature ends of the sorbers after they get into the regeneration circuit is “transferred” approaching the low-temperature sector, the low-temperature ends of the sorbers.

Далее весь процесс повторяется. Временной цикл A-B-C-D-A составляет 20.. .40 мин. Further, the whole process is repeated. The time cycle A-B-C-D-A is 20 .. .40 min.

Преимущество предлагаемого МГР заключается в более высокой холодопроизводительности при прочих равных условиях (или более высоком холодильном коэффициенте). Благодаря контуру регенерации величина холодильного коэффициента, равного отношению полезной холодопроизводительности к затраченной энергии, в среднем на 20...30% больше, чем у прототипа и достигает величины 0.4...0,45. The advantage of the proposed MGR is a higher cooling capacity ceteris paribus (or a higher refrigeration coefficient). Due to the regeneration circuit, the value of the refrigeration coefficient equal to the ratio of useful cooling capacity to energy spent is on average 20 ... 30% more than that of the prototype and reaches a value of 0.4 ... 0.45.

Таким образом, предлагаемый МГР позволяет полезно использовать до 30% тепловой мощности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и получить в холодильной камере температуру минус 15-20^oC в режиме непрерывной генерации холода. Такой МГР может представлять коммерческий интерес для большегрузных дизельных автомобильных рефрижераторов-холодильников, обеспечивающих грузоперевозки пищевых продуктов, для рефрижераторов-холодильников и кондиционеров воздуха на различных судах и для других передвижных установок с приводом от двигателя внутреннего сгорания.Thus, the proposed MGR makes it possible to use up to 30% of the thermal power of the exhaust gases of an internal combustion engine and obtain a temperature of minus 15-20 ^o C in the cooling mode in the cold generation mode. Such an MGR may be of commercial interest for heavy-duty diesel automobile refrigerated refrigerators for the transportation of food products, for refrigerated refrigerators and air conditioners on various ships and for other mobile units driven by an internal combustion engine.

Claims

1. Металлогидридный рефрижератор, содержащий ротор с сорберами, заполненными с одного конца высокотемпературным металлогидридом, а с другого низкотемпературным металлогидридом, статор с цилиндрическим корпусом и патрубками для подвода и отвода теплоносителей в высоко-, средне- и низкотемпературный секторы, разделенные радиальными уплотнениями, поперечный теплоизоляционный экран, разделяющий ротор на высоко- и низкотемпературный блоки, отличающийся тем, что со стороны низкотемпературного блока статор снабжен контуром регенерации холода между низкотемпературными концами сорберов, размещенных между выходом из низкотемпературного сектора и входом в среднетемпературный сектор с одной стороны и между выходом из среднетемпературного сектора и входом в низкотемпературный сектор с другой стороны, причем в контуре регенерации установлен вентилятор. 1. A metal hydride refrigerator containing a rotor with sorbers filled at one end with high-temperature metal hydride and at the other with low-temperature metal hydride, a stator with a cylindrical body and nozzles for supplying and discharging heat carriers into the high-, medium- and low-temperature sectors, separated by radial seals, separated by radial seals, a screen dividing the rotor into high and low temperature blocks, characterized in that on the side of the low temperature block the stator is equipped with a cold regeneration circuit an ode between the low-temperature ends of the sorbers located between the exit from the low-temperature sector and the entrance to the medium-temperature sector on the one hand and between the exit from the low-temperature sector and the entrance to the low-temperature sector on the other hand, and a fan is installed in the regeneration circuit.

2. Металлогидридный рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что вентилятор контура регенерации установлен внутри ротора. 2. The metal hydride refrigerator according to claim 1, characterized in that the regeneration circuit fan is installed inside the rotor.