способ охлаждения окружающей среды в замкнутом цикле и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ охлаждения окружающей среды в замкнутом цикле, при котором поток газообразного рабочего тела низкого давления сжимают до высокого давления, затем адиабатически расширяют до низкого давления, отличающийся тем, что поток газообразного рабочего тела низкого давления в виде водорода химически соединяют с гидрооксидом никеля NiOOH или оксидом серебра AgO с образованием продуктов реакции и одновременно с химической реакцией воздействуют на продукты реакции электрическим током с образованием потока газообразного тела высокого давления, который адиабатически расширяют до низкого давления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника тока используют электрический ток, выделяющийся в результате химического соединения гидрооксида никеля NiOOH или оксида серебра AgO с водородом низкого давления.

3. Устройство охлаждения окружающей среды в замкнутом цикле, включающее теплообменник, магистрали высокого давления и низкого давления, отличающееся тем, что в устройство введены, по крайней мере, две никель-водородные батареи, ресиверы высокого давления и низкого давления, зарядно-разрядное устройство, выключатель, контактор, источник тока, блок автоматики и турбина с генератором, при этом зарядно-разрядное устройство соединено через выключатель с источником тока и через контактор - с шинами никель-водородных батарей, выход сигнала управления зарядно-разрядного устройства соединен с входом блока автоматики, который своим первым входом соединен с контактором, а магистрали высокого и низкого давлений объединены коллектором, в котором установлены клапаны, при этом один клапан установлен между корпусом первой никель-водородной батареи и магистралью низкого давления, другой клапан установлен между корпусом первой никель-водородной батареи и магистралью высокого давления, третий - между корпусом второй никель-водородной батареи и магистралью низкого давления, четвертый - между магистралью высокого давления и корпусом второй никель-водородной батареи, а второй, третий, четвертый и пятый выходы блока автоматики соединены со входами вышеуказанных клапанов, при этом на магистрали высокого давления последовательно установлены обратный клапан высокого давления, ресивер высокого давления, электроклапан, редуктор и турбина, к выходу из турбины подстыкована магистраль низкого давления, на которой последовательно установлены теплообменник, ресивер низкого давления и обратный клапан низкого давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к холодильным установкам и может быть использовано в народном хозяйстве как в наземных установках, так и в установках, функционирующих в космосе и под водой. Такого типа установки находят в настоящее время самое широкое применение.

Известен способ охлаждения окружающей среды, при котором поток жидкого рабочего тела испаряют за счет тепла, отнимаемого у охлаждаемой среды. Затем пары отсасываются компрессором, опять сжимаются и направляются в конденсатор, и цикл охлаждения повторяется [1].

Известно устройство для осуществления этого способа, содержащее компрессор, конденсатор, расширительный цилиндр и испаритель.

Недостатком способа и устройства для его осуществления является большой шум из-за наличия большого количества вращающихся частей и самое главное - большое энергопотребление [1].

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу охлаждения окружающей среды является способ, при котором воздух засасывают из охлаждаемого помещения при давлении, равном приблизительно 1 ата, и сжимают его адиабатически до давления примерно 4-5 ата. Температура воздуха вследствие такого сжатия достигает 100-120С. Сжатый воздух охлаждают до температуры, близкой к температуре окружающей среды. После этого воздух адиабатически расширяют до первоначального давления, вследствие чего его температура снижается до минус 70-75. Затем он подается в охлаждаемое помещение, охлаждает его, а сам нагревается до температуры окружающей среды. Из охлаждаемого помещения воздух опять засасывается в компрессор, сжимается в нем, и цикл повторяется снова [2].

Известно устройство для реализации этого способа охлаждения окружающей среды в замкнутом цикле, включающее магистраль высокого давления с входом и выходом, теплообменник-охладитель, магистраль низкого давления с входом и выходом, компрессор и расширительный цилиндр [2].

В этом способе и устройстве, его реализующем, газообразное рабочее тело сжимается и расширяется в замкнутом цикле. Сброс тепла сжатого рабочего тела высокого давления осуществляют, например, прокачкой воды через теплообменник.

Недостатками способа и устройства, его реализующего, являются:

- сложность конструкции из-за обязательного наличия внешнего теплообменника для сброса тепла, что резко увеличивает пожаровзрывоопасность и снижает надежность,

- большой шум при работе устройства из-за наличия постоянно работающего компрессора.

Задачей изобретения является создание источника охлаждения окружающей среды с абсолютной экологической чистотой, удобного в обслуживании, экономически эффективного, со значительным снижением энергозатрат и сравнительно меньшими массогабаритными характеристиками.

Задача решается тем, что в способе охлаждения окружающей среды в замкнутом цикле, при котором поток газообразного рабочего тела низкого давления сжимают до высокого давления, затем адиабатически расширяют до низкого давления, поток газообразного рабочего тела низкого давления в виде водорода химически соединяют с гидрооксидом никеля NiOOH или оксидом серебра AgO с образованием продуктов реакции и одновременно воздействуют на продукты реакции электрическим током с образованием потока газообразного тела высокого давления, который адиабатически расширяют до низкого давления.

Задача решается также тем, что в устройство охлаждения окружающей среды в замкнутом цикле, включающее теплообменник, магистрали высокого давления и низкого давления, введены по крайней мере две никель-водородные батареи, ресиверы высокого давления и низкого давления, зарядно-разрядное устройство, выключатель, контактор, источник тока, блок автоматики и турбина с генератором, при этом зарядно-разрядное устройство соединено через выключатель с источником тока и через контактор - с шинами никель-водородных батарей, выход сигнала управления зарядно-разрядного устройства соединен с входом блока автоматики, который своим первым входом соединен с контактором, а магистрали высокого и низкого давлений объединены коллектором, в котором установлены клапаны, при этом один клапан установлен между корпусом первой никель-водородной батареи и магистралью низкого давления, другой клапан установлен между корпусом первой никель водородной батареи и магистралью высокого давления, третий - между корпусом второй никель-водородной батареи и магистралью низкого давления, четвертый - между магистралью высокого давления и корпусом второй никель-водородной батареи, а второй, третий четвертый и пятый выходы блока автоматики соединены со входами вышеуказанных клапанов, при этом на магистрали высокого давления последовательно установлены обратный клапан высокого давления, ресивер высокого давления, электроклапан, редуктор и турбина, к выходу из турбины подстыкована магистраль низкого давления, на которой последовательно установлены теплообменник, ресивер низкого давления и обратный клапан низкого давления.

Принципиальное отличие предлагаемого способа охлаждения окружающей среды заключается в том, что если в известном способе охлаждения окружающей среды при сжатии газообразного рабочего тела необходимо обязательно сбрасывать тепло в окружающую среду, то в предлагаемом цикле сжатие осуществляется за счет электроэнергии, а при расширении используется тепло окружающей среды.

Известно, что процесс превращения тепла в работу при постоянной температуре осуществить нельзя. Для этого должна существовать хоть какая-либо разница температур. Превращение электричества в работу не связано с разностью температур. Этот процесс связан с напряжением, то есть с разностью потенциалов. При химической реакции 2NiOOH+Н₂=2Ni(ОН)₂ возникает разность потенциалов между водородным электродом и никель-окисным электродом. Образуется электрический ток. Именно это и происходит в разряжаемой никель-водородной батарее. Если создать разность потенциалов в заряжаемой никель-водородной батарее, то под действием электрического потенциала будет выделяться водород по реакции 2Ni(OH)₂-Н₂=2NiOOH. При этом количество выделяющегося водорода в единицу времени (именно от этого зависит давление выделившегося водорода) будет зависеть от разности потенциалов [3].

Выделение водорода в заряжаемой никель-водородной батарее под действием электрического потенциала можно осуществлять от постороннего источника тока. Однако, с целью повышения эффективности способа, в качестве источника тока используют электрический ток, выделяющийся в результате химического соединения гидрооксида никеля NiOOH или оксида серебра AgO с водородом низкого давления в разряжаемой никель-водородной батарее.

Ясно, что для того чтобы количество выделяющего водорода в единицу времени было больше количества водорода, благодаря которому создается разность потенциалов в разряжаемой батарее за тот же промежуток времени, необходима дополнительная электрическая энергия, превращаемая в работу. Дополнительное количество этой электрической энергии равно

где Е_эл - электроэнергия, затраченная на сжатие;

R - газовая постоянная водорода;

P_в - высокое давление газообразного рабочего тела;

P_н - низкое давление газообразного рабочего тела;

Т_окрж - температура окружающей среды.

Поэтому в предлагаемом замкнутом цикле для образования рабочего газа высокого давления (водорода) обязательно необходима дополнительная электрическая энергия (дополнительная разность потенциалов на заряжаемой никель-водородной батарее). Эта дополнительная электроэнергия постоянно или периодически поступает на шины заряжаемой батареи от источника тока. При этом никакой разницы температур не требуется.

Таким образом, если в известном цикле тепло необходимо сбрасывать при сжатии, то в предлагаемом цикле для сжатия рабочего тела используется электричество. При этом, в связи с тем что электрохимическое сжатие происходит при постоянной температуре, исключается сброс тепла в окружающую среду.

Из термодинамики известно, что U=Q+А. Поэтому, если водород высокого давления адиабатически расширять в турбине (при Q=0), то U будет равно работе. В этом случае температура водорода низкого давления упадет согласно термодинамическим зависимостям на величину

где Т - температура рабочего тела (водорода);

P_в - высокое давление газообразного рабочего тела (водорода);

P_н - низкое давление газообразного рабочего тела (водорода);

k - отношение теплоемкостей с_р (при P=const) к с_v (при V=const) водорода;

R - газовая постоянная водорода.

На фиг.1 изображен предлагаемый цикл в T-S диаграмме.

На фиг.2 изображена зависимость T предлагаемого цикла охлаждения окружающей среды (при температуре окружающей среды Т_окрж=300 К) от отношения высокого давления (Р_в) к низкому давлению (Р_н).

Способ реализуется следующим образом.

Поток газообразного рабочего тела высокого давления Р_в, нагретый до температуры окружающей среды Т_окрж, адиабатически расширяют в турбине до Р_н с получением полезной работы. При этом температура потока падает на величину T, зависимую от отношения высокого давления (Р_в) к низкому давлению (Р_н), указанную на фиг.2.

После чего нагретый поток низкого давления направляют в разряжаемую никель-водородную батарею, где происходит химическое соединение с гидрооксидом никеля NiOOH с образованием продукта реакции оксида никеля Ni(OH)₂. Одновременно с этим выделяют рабочий газ с высоким давлением из заряжаемой никель-водородной батареи, где происходит выделение водорода высокого давления из оксида никеля Ni(OH)₂ с образованием продукта реакции гидрооксида никеля NiOOH под действием электрического тока. После чего рабочий газ высокого давления (водород) направляют в турбину, и цикл повторяется.

Принципиальным отличием предлагаемого цикла охлаждения окружающей среды известных циклов заключается в том, что в известных установках при изотермическом сжатии рабочего газа необходимо обязательно сбрасывать тепло в окружающую среду. Это связано с большими техническими и технологическими сложностями и со снижением КПД.

В предлагаемом цикле сжатие рабочего тела (водорода) производят электрохимическим способом в соответствии с законами сохранения энергии, согласно которым Е_хим=Е_эл при реакции водорода низкого давления и Е_эл+Е_эл=Е_хим при выделении водорода высокого давления.

Для реализации этого способа разработано устройство охлаждения окружающей среды в замкнутом цикле, включающее теплообменник, магистрали высокого давления, и низкого давления, в которое введены по крайней мере две никель-водородные батареи, ресиверы высокого давления и низкого давления, зарядно-разрядное устройство, выключатель, контактор, источник тока, блок автоматики и турбина с генератором, при этом зарядно-разрядное устройство соединено через выключатель с источником тока и через контактор - с шинами никель-водородных батарей, выход сигнала управления зарядно-разрядного устройства соединен с входом блока автоматики, который своим первым входом соединен с контактором, а магистрали высокого и низкого давлений объединены коллектором, в котором установлены клапаны, при этом один клапан установлен между корпусом первой никель-водородной батареи и магистралью низкого давления, другой клапан установлен между корпусом первой никель водородной батареи и магистралью высокого давления, третий - между корпусом второй никель-водородной батареи и магистралью низкого давления, четвертый - между магистралью высокого давления и корпусом второй никель-водородной батареи, а второй, третий четвертый и пятый выходы блока автоматики соединены со входами вышеуказанных клапанов, при этом на магистрали высокого давления последовательно установлены обратный клапан высокого давления, ресивер высокого давления, электроклапан, редуктор и турбина, к выходу из турбины подстыкована магистраль низкого давления, на которой последовательно установлены теплообменник, ресивер низкого давления и обратный клапан никого давления.

Механическая энергия турбины может быть использована для гребного винта, насоса и т.д. В данном случае механическая энергия использована для получения электричества в генераторе электрического тока.

На фиг.3 изображена схема устройства охлаждения окружающей среды в замкнутом цикле, где обозначены:

1, 2 - шины первой никель-водородной батареи;

3,4 - шины второй никель-водородной батареи;

5 - контактор;

6 - зарядно-разрядное устройство;

7 - выключатель;

8 - источник тока;

9 - блок автоматики;

10, 11, 12, 13 - клапаны;

14 - первая никель-водородная батарея;

15 - вторая никель-водородная батарея;

16 - коллектор;

17 - магистраль высокого давления;

18 - обратный клапан высокого давления;

19 - ресивер высокого давления;

20 – электроклапан;

21 - редуктор;

22 - турбина;

23 - генератор;

24 - магистраль низкого давления;

25 - теплообменник;

26 - ресивер низкого давления;

27 - обратный клапан низкого давления.

Устройство состоит из первой никель-водородной батареи 14 с шинами 1, 2, которые подсоединены к контактору 5, второй никель-водородной батареи 15 с шинами 3,4, которые также подсоединены к контактору 5. Контактор 5 подсоединен к зарядно-разрядному устройству 6, которое через выключатель 7 подсоединено к источнику тока 8. Выход зарядно-разрядного устройства 6 соединен с входом блока автоматики 9, а первый выход блока автоматики 9 соединен с контактором 5. Выходы второй, третий, четвертый и пятый блока автоматики 9 соединены соответственно с клапанами 10, 11, 12, 13, которые установлены на коллекторе 16. К коллектору 16 между клапанами 11 и 13 присоединена магистраль высокого давления 17, а между клапанами 10 и 12 - магистраль низкого давления. На магистрали высокого давления 17 последовательно установлены: обратный клапан высокого давления 18, ресивер высокого давления 19, электроклапан 20, редуктор 21 и турбина 22 с генератором 23. Выход из турбины 22 соединен с магистралью низкого давления 24, в которой последовательно установлены теплообменник 25, ресивер низкого давления 26 и обратный клапан низкого давления 27.

Поток водорода низкого давления, поступающий в батарею 14, соединяют с гидрооксидом никеля NiOOH при нормальной температуре. В результате реакции водорода с гидрооксидом никеля 2NiOOH+H₂=2Ni(OH)₂ образуется оксид никеля Ni(ОН)₂ с выделением электричества [3].

Воздействуя на оксид никеля Ni(OH)₂, который находится в батарее 15, электрическим током, выделяют водород высокого давления, в соответствии с реакцией 2Ni(ОН)₂-Н₂=2NiOOH. Этот водород образует поток газообразного водорода высокого давления, который адиабатически расширяют в турбине 22 до низкого давления, получая работу в генераторе 23, при этом температура водорода снижается, и благодаря теплообменнику 25 происходит охлаждение окружающей среды.

Устройство функционирует следующим образом.

В исходном состоянии обе батареи 14 и 15 находятся в разряженном состоянии, то есть в первой батарее 14 и во второй батарее 15 находятся электроды, например, из оксида никеля Ni(OH)₂ и контур заполнен водородом.

В начальный момент устройство готовят к работе. Шины 1, 2, 3, 4 подключают к контактору 5. Контактор 5 подсоединяют к зарядно-разрядному устройству 6. Зарядно-разрядное устройство 6, в свою очередь, через выключатель 7 подключают к источнику питания 8. Выход сигнала управления зарядно-разрядного устройства 6 соединяют с входом блока автоматики 9, который своим первым выходом соединяют с контактором 5, а выходами вторым, третьим, четвертым и пятым соединяют соответственно со входами клапанов 10, 11, 12, 13, объединенных коллектором 16, который подсоединен к корпусам 14, 15, а также к магистрали высокого давления 17 и магистрали низкого давления 24 согласно схеме. Подают электрический ток от источника тока 8 при замкнутом выключателе 7 и производят заряд первой батареи 14, при этом, в результате прохождения электрического тока, из оксида никеля выделяется водород согласно реакции 2Ni(OH)₂-Н₂=2NiOOH, заполняя батарею 14 водородом высокого давления.

Из блока автоматики по каналу 3 подают команду на открытие клапана 11, в результате чего выделившийся водород заполняет ресивер высокого давления 19 по магистрали высокого давления 17 через обратный клапан высокого давления 18, затем, после окончания заряда, закрывают клапан 11. Конец заряда определяется по резкому падению напряжения, и окончание заряда фиксируется в зарядно-разрядном устройстве 6. Это связано с тем, что при переходе оксида никеля Ni(OH)₂ в гидрооксид никеля NiOOH резко падает сопротивление.

По окончании заряда первой батареи отключают источник тока от системы.

Таким образом, приводят устройство в рабочее состояние, то есть выводят систему, состоящую из двух никель-водородных батарей, в такое состояние, при котором первая батарея 14 находится в заряженном состоянии, а вторая батарея 15 - в разряженном состоянии.

В связи с тем что в заряженной батарее 14 в состав электродов входит гидрооксид никеля NiOOH и она заполнена газообразным водородом, на шинах 1 и 2 батареи 14 возникает электрический потенциал, так как гидрооксид никеля вступает в реакцию с газообразным водородом с выделением электричества. В результате этого давление водорода в батарее 14 падает. Из блока автоматики 9 по второму выходу подают команду на открытие клапана 10. В результате этого открывается обратный клапан низкого давления 27, и по магистрали низкого давления 24 водород поступает из ресивера низкого давления 26 в батарею 14 до тех пор, пока весь гидрооксид никеля NiOOH не превратится в оксид никеля Ni(OH)₂. Конец разряда заряженной батареи 14 фиксируется по скачку напряжения на шинах 1, 2, так как сопротивление после разряда падает.

В это же самое время по шинам 3, 4 поступает ток во вторую никель-водородную батарею 15, в состав электродов которой входит оксид никеля Ni(OH)₂. В результате этого давление водорода в батарее 15 растет, и водород заполняет магистраль коллектора 16 между клапанами 12 и 13. Из блока автоматики 9 по пятому выходу поступает команда на открытие клапана 13. В результате этого открывается обратный клапан высокого давления 18, и по магистрали высокого давления 17 водород поступает из батареи 15 в ресивер высокого давления 19 до тех пор, пока весь оксид никеля Ni(OH)₂ не превратится гидрооксид никеля NiOOH. Конец разряда заряженной батареи 14 фиксируется по падению напряжения на шинах 3, 4.

При этом разряженная батарея будет потреблять ток заряженной батареи через зарядно-разрядное устройство и выделять водород высокого давления, а заряженная ячейка будет разряжаться, то есть выделять энергию (быть источником электроэнергии) и, при этом, потреблять водород низкого давления.

В момент, когда заряженная батарея 14 разрядится, производят подачу электрического тока на заряжаемую батарею (на шины 3, 4) от источника тока 8 через зарядно-разрядное устройство 6 включением выключателя 7 до появления скачка напряжения на шинах 3, 4. В этом и заключается суть электрохимического сжатия. То есть электроэнергию разряда, получаемую в результате соединения водорода низкого давления, преобразуют в такую электроэнергию, которая позволяет выделять водород высокого давления. Ясно, что этой энергии не хватит для полного выделения водорода высокого давления (иначе нарушается закон сохранения энергии). Именно поэтому, за счет дополнительного источника электроэнергии, появляется возможность увеличить давление водорода на выходе из второй никель-водородной батареи по сравнению с давлением водорода, поступающего на вход первой батареи, которая выделяет электричество.

После того как заряженная никель-водородная батарея 14 разрядится, а разряженная батарея 15 зарядится, из зарядно-разрядного устройства 6 поступает сигнал на вход блока автоматики 9, где в результате обработки этого сигнала вырабатываются команды:

- на переключение контактора 5

- на закрытие клапана 10

- на закрытие клапана 13

- на открытие клапана 11

- на открытие клапана 12.

В результате этого никель-водородные батареи по своему назначению как бы поменяются местами, то есть вторая никель-водородная батарея 15 с шинами 3, 4 будет источником тока и потреблять водород низкого давления, благодаря открытому клапану 12, соединяющему батарею 15 с ресивером низкого давления 26, а по шинам 1, 2 будет поступать ток в первую никель-водородную батарею 14, результате чего из батареи 14 будет выделятся водород высокого давления, который поступает через открытый клапан 11 в ресивер водорода высокого давления 19. Конец разряда заряженной батареи фиксируется, как и раньше, по скачку напряжения, но уже на шинах 3, 4, так как сопротивление после разряда возрастает.

Таким образом, поглощая и выделяя водород, его сжимают до высокого давления, создавая постоянную разницу давлений водорода. После того как будет открыт электроклапан 20 газ, высокого давления, проходя через редуктор 21, необходимый для стабилизации высокого давления, будет являться источником энергии для турбины 22 с генератором 23. Газ низкого давления, забирая тепло из окружающей среды через теплообменник 23 (охлаждая окружающую среду), поступает по магистрали низкого давления 24 и далее в ресивер низкого давления 26 уже с более высокой температурой, приблизительно равной температуре окружающей среды. Благодаря тому что водород низкого давления, находящийся в разряжаемой батарее, все время потребляется, то есть идет постоянное использование водорода для получения электричества, происходит открытие обратного клапана низкого давления 27, и по магистрали низкого давления 24 происходит постоянная подпитка водородом низкого давления разряжаемой батареи для возобновления цикла.

Таким образом, предложенным способом и реализующим его устройством решается поставленная задача охлаждения окружающей среды в замкнутом цикле с минимальными затратами и максимальными удобствами эксплуатации со значительным повышением коэффициента полезного действия.

Список использованных источников

1. Ф.Е. Мещеряков. Основы холодильной техники. М., 1960, с.16-20.

2. Ф.Е. Мещеряков. Основы холодильной техники, М., 1960, с.13-14.

3. Б.И. Центнер, Н.Ю. Лызов. Металл-водородные химические системы. Л.: Химия, 1989, с.9-16.