203224 pl 203224 b1 - Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
OPIS PATENTOWY
(19)
PL
(21) Numer zgłoszenia: 373079
(22) Data zgłoszenia: 16.05.2003
(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:
203224
(13) B1
(11)
(51) Int.Cl.
F25B 19/00 (2006.01)
F25B 21/00 (2006.01)
16.05.2003, PCT/US03/16063
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(54)
(87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:
04.12.2003, WO03/100330
PCT Gazette nr 49/03
Sposób generowania niskotemperaturowego upustu cieplnego do absorbowania
energii cieplnej i urządzenie do pochłaniania energii cieplnej oraz urządzenie do
wytwarzania niskotemperaturowego upustu cieplnego do pochłaniania energii cieplnej
(30) Pierwszeństwo:
21.05.2002,US,10/151,537
(76) Uprawniony i twórca wynalazku:
Minovitch Michael, A.,Los Angeles,US
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
08.08.2005 BUP 16/05
(74) Pełnomocnik:
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
PL 203224 B1
30.09.2009 WUP 09/09
Piotrowicz Alicja, Rzecznik Patentowy,
KULIKOWSKA & KULIKOWSKI Sp.j.
2
PL 203 224 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób generowania niskotemperaturowego upustu cieplnego do
absorbowania energii cieplnej i urządzenie do pochłaniania energii cieplnej oraz urządzenie do wytwarzania niskotemperaturowego upustu cieplnego do pochłaniania energii cieplnej.
Znana jest technika przetwarzania naturalnej energii cieplnej w środowisku o temperaturze otoczenia w użyteczną pracę mechaniczną za pomocą silnika kriogenicznego. Zasadniczo silnik ten działa poprzez sprężanie kriogenicznego płynu roboczego, takiego jak ciekły azot o temperaturze 77°K,
przepływający przez wymiennik ciepła w stałym kontakcie cieplnym ze środowiskiem naturalnym,
przez co odparowuje się płyn kriogeniczny do sprężonego gazu o temperaturze otoczenia rozprężony
gaz nie może być z powrotem skraplany do płynu przy temperaturze kriogenicznej i zawracany do
obiegu przez silnik, by wytworzyć więcej mechanicznej pracy w procesie cyklicznym. Rozprężony gaz
musi być raczej wyprowadzany do otwartej atmosfery, a nie powtórnie wykorzystywany. Ponieważ
koszt skroplonego płynu kriogenicznego jest bardzo wysoki, ta technika wytwarzania pracy mechanicznej jest bardzo droga w porównaniu z innymi sposobami, takimi jak silniki spalinowe i silniki elektryczne.
Technika zmniejszania temperatury substancji paramagnetycznej przez wykorzystanie pola
magnetycznego, znana jako zjawisko magnetokaloryczne lub demagnetyzacja adiabatyczna, jest
znana. Technika ta polega na umieszczeniu substancji paramagnetycznej w postaci stałej (zwykle
grudki soli paramagnetycznej) pomiędzy biegunami silnego elektromagnesu i na włączeniu pola magnetycznego. Uzyskane ciepło magnetyzacji przenoszone jest do zbiornika z ciekłym helem. Namagnesowana substancja jest następnie izolowana cieplnie od ciekłego helu, a pole magnetyczne zostaje wyłączone. Rozmagnesowanie, (które następuje po wyłączeniu pola magnetycznego) zmniejsza
temperaturę substancji, tworząc przez to sztuczny niskotemperaturowy upust cieplny poniżej temperatury ciekłego helu. Niestety, pochłanianie ciepła magnetyzacji przez zewnętrzny zbiornik z ciekłym
helem jest procesem bardzo kosztownym.
W 1989 roku zgłaszający odkrył, jak wykorzystać zjawisko magnetokaloryczne do tworzenia
i podtrzymywania sztucznego niskotemperaturowego upustu cieplnego przy temperaturze kriogenicznej bez stosowania zewnętrznego ciekłego helu, by umożliwić cykliczne działanie silnika kriogenicznego. System ten polegał na użyciu kriogenicznego płynu roboczego w silniku, który jest paramagnetyczny, takiego jak skroplony tlen. Przez umożliwienie, by rozprężona substancja paramagnetyczna,
która jest w stanie gazowym zamiast w stanie stałym, przemieszczała się swobodnie w pole magnetyczne i z tego pola magnetycznego wytworzonego przez nadprzewodzący elektromagnes, za pomocą przewodu niemagnetycznego, można odprowadzać ciepło magnetyzacji mechanicznie przez przetwarzanie go w pracę mechaniczną przy użyciu niemagnetycznej turbiny zamontowanej wewnątrz
przewodu. Wynalazek ten opatentowano poprzez patent USA nr 5.040.373 „Condensing System and
Operating Metod”, wydany 20 sierpnia 1991.
Niestety, system taki wymagał niezwykle silnego pola magnetycznego (rzędu 50 T), a sprawność skraplania była bardzo mała (około 3%). Chociaż silnik taki działał i mógł przetwarzać naturalną
energię cieplną zawartą w środowisku o temperaturze otoczenia w pracę mechaniczną, jego moc
wyjściowa była bardzo mała w porównaniu z jego wymiarami i wymagał on bardzo drogiego elektromagnesu nadprzewodzącego. Bardziej praktyczne były inne systemy, takie jak ogniwa słoneczne
i elektrownie wiatrowe. Odkryto jednak radykalnie nową konstrukcję, która stanowi podstawę przedmiotowego wynalazku. Konstrukcja ta polega na zastosowaniu dwóch oddzielnych płynów kriogenicznych zamiast jednego, stosowanego w pierwotnej konstrukcji. Pierwszy płyn kriogeniczny jest paramagnetyczny, np. jest to skroplony tlen wykorzystywany w kriogenicznym systemie skraplania wraz
z wieloma nadprzewodzącymi elektromagnesami, działającymi w tandemie zamiast pojedynczo. Drugi
płyn kriogeniczny jest nieparamagnetyczny, np. jest to skroplony azot, który jest używany oddzielnie
w silniku kriogenicznym. Wynikowy system może działać ze znacznie większą sprawnością, by otrzymać znaczne polepszenie osiągów przy równoczesnym stosowaniu znacznie słabszych pól magnetycznych. Chociaż przedmiotowy wynalazek oparty jest również na wykorzystaniu zjawiska magnetokalorycznego do umożliwienia cyklicznego działania silnika według poprzedniego wynalazku, zjawisko
to nie działa na płyn roboczy wykorzystywany w silniku. Według przedmiotowego wynalazku substancją paramagnetyczną nie jest płyn roboczy i nie jest ona gazowa. Jest to ciecz i pozostaje cieczą bez
zmiany stanu skupienia. Dzięki temu 100% rozprężonego płynu roboczego wyprowadzonego z silnika
kriogenicznego można z powrotem skroplić zamiast tylko 3%. Uzyskuje się to przy zastosowaniu pola
PL 203 224 B1
3
magnetycznego tylko 30 T, co mieści się w granicach możliwości technicznych. W konsekwencji
przedmiotowy wynalazek stanowi znacznie ulepszony system skraplania magnetycznego do silników
kriogenicznych w porównaniu z moim pierwotnym wynalazkiem.
Chociaż może się wydawać, że przedmiotowy wynalazek oraz mój poprzedni wynalazek z 1989
roku zasadniczo nie nadają się do realizacji, ponieważ oba są sprzeczne z drugim prawem termodynamiki, to jednak tak nie jest. Zjawisko znane jako zjawisko magnetoelektryczne lub demagnetyzacja
adiabatyczna obejmuje zasady i procesy w dziedzinie elektromagnetyzmu, które wychodzą poza istotę
klasycznej termodynamiki. Kiedy procesy elektromagnetyczne, takie jak zjawisko magnetoelektryczne,
są wykorzystywane w połączeniu z procesami termodynamicznymi, wyników nie można już przewidywać w teoretycznych ramach klasycznej termodynamiki.
Przykładowo, kiedy substancję paramagnetyczną poddaje się działaniu pola magnetycznego,
temperatura tej substancji rośnie, ale jej entropia pozostaje stała na skutek korekcji spinu magnetycznego. Jest to termodynamicznie niemożliwe. Według termodynamiki ogrzewana substancja zawsze zwiększa swą entropię. Ilustruje to fakt, że prawa termodynamiki nie mogą być stosowane do procesów nietermodynamicznych. (Patrz Classical Physics Gives Neither Diamagnetism nor Paramagnetism, roz. 34-6,
s. 34-8, w The Feynman Lectures On Physics, R. Feynman, Addison-Wesley Pub. Co., 1964).
Istotą wynalazku jest generowanie niskotemperaturowego upustu cieplnego do absorbowania
energii cieplnej przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia charakteryzującego się tym, że magnesuje się paramagnetyczny płyn przy temperaturze początkowej poniżej temperatury otoczenia
przez poddanie tego płynu działaniu pola magnetycznego, po czym przetwarza się ciepło magnetyzacji paramagnetycznego płynu w pracę mechaniczną oraz wyłącza się pole magnetyczne uzyskując
spadek temperatury w płynie paramagnetycznym przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia na
skutek zjawiska magnetokalorycznego, by absorbować ciepło przy temperaturze poniżej temperatury
otoczenia.
Innym sposobem według wynalazku jest generowanie niskotemperaturowego upustu cieplnego
do absorbowania energii cieplnej przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia naturalnego środowiska, charakteryzujące się tym, że magnesuje się paramagnetyczny płyn w stanie ciekłym przy
temperaturze początkowej poniżej temperatury otoczenia naturalnego środowiska przez umożliwienie,
aby ten płyn był przeciągany przez przewód pierwotny w pole magnetyczne za pomocą sił przyciągania magnetycznego. Przy czym ruch poprzez ten przewód wytwarza energię kinetyczną. Po czym
rozmagnesowuje się ten paramagnetyczny płyn przy początkowej temperaturze poniżej temperatury
otoczenia przez wyłączenie pola magnetycznego, przez co osiąga się spadek temperatury w płynie
paramagnetycznym do temperatury poniżej początkowej temperatury poniżej temperatury otoczenia
na skutek zjawiska magnetokalorycznego, przez co umożliwia się, by płyn paramagnetyczny pochłania energię cieplną przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia. Powtarza się magnesowanie
i rozmagnesowywanie, umożliwiając przez to, by paramagnetyczny płyn ciągle pochłaniał energię
cieplną przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia.
Korzystnie, stosuje się paramagnetyczny płyn w postaci ciekłego tlenu o temperaturze kriogenicznej, a przetwarzanie energii kinetycznej w pracę mechaniczną odbywa się za pomocą turbiny
w przewodzie pierwotnym.
Korzystnie, pole magnetyczne wytwarza się za pomocą nadprzewodzącego elektromagnesu
posiadającego środkowy otwór, przez który przechodzi przewód pierwotny.
Korzystnie, gdy przewód pierwotny jest w kontakcie cieplnym z pochłaniającym ciepło płynem
paramagnetycznym, montuje się przewód wtórny w kontakcie cieplnym z przewodem pierwotnym
i skrapla się nie skroploną parę w temperaturze niższej od temperatury otoczenia przez doprowadzanie tej pary do przewodu wtórnego i przenoszenie energii cieplnej z pary do pochłaniającego ciepło
płynu paramagnetycznego.
W odmiennym wariancie według wynalazku opracowano urządzenie do pochłaniania energii
cieplnej w temperaturze poniżej temperatury otoczenia, charakteryzujące się tym, że zawiera płyn
paramagnetyczny w stanie ciekłym o początkowej temperaturze niższej od temperatury otoczenia,
środki do wytwarzania pola magnetycznego i przewód pierwotny wchodzący w pole magnetyczne
w celu magnesowania paramagnetycznego płynu umożliwiając przepływ przez ten przewód w kierunku do pola magnetycznego napędzany przez siły przyciągania magnetycznego wytwarzane przez pole
magnetyczne. Urządzenie to zawiera środki do przetwarzania ciepła magnetyzacji w pracę mechaniczną przez turbinę zamontowaną wewnątrz przewodu i środki do demagnetyzacji płynu przez usuwanie pola magnetycznego, przez co uzyskuje się spadek temperatury w płynie paramagnetycznym
4
PL 203 224 B1
do temperatury poniżej początkowej temperatury mniejszej niż temperatura otoczenia, generowane
przez zjawisko magnetokaloryczne, co umożliwia pochłanianie przez płyn paramagnetyczny energii
cieplnej przy temperaturze mniejszej od temperatury otoczenia. Ponadto, urządzenie to zawiera środki
do powtarzania magnesowania i rozmagnesowywania, aby umożliwić przez to ciągłe pochłanianie
przez płyn paramagnetyczny energii cieplnej poniżej temperatury otoczenia.
Korzystnie, paramagnetycznym płynem jest ciekły tlen o temperaturze kriogenicznej.
Korzystnie, pole magnetyczne jest wytwarzane przez nadprzewodzący elektromagnes posiadający środkowy otwór, przez który przechodzi przewód pierwotny.
Korzystnie, przewód pierwotny jest w kontakcie cieplnym z pochłaniającym ciepło płynem paramagnetycznym, znamienne tym, że zawiera przewód wtórny w kontakcie cieplnym z przewodem
pierwotnym oraz środki do doprowadzania nieskroplonej pary o temperaturze niższej od temperatury
otoczenia w przewód wtórny, aby przez to ciepło było przenoszone z pary do płynu paramagnetycznego w celu skraplania tej pary przy temperaturze niższej od temperatury otoczenia.
Korzystnie, nieskroplona para jest parą wyprowadzoną z silnika kriogenicznego, a ponadto
urządzenie zawiera środki do recyrkulacji skroplonej pary z powrotem do silnika kriogenicznego.
Korzystnie, powtarzanie magnetyzacji i demagnetyzacji obejmuje: środkowy przewód pierwotny,
tworzący zamkniętą pętlę, zawierający płyn paramagnetyczny i w kontakcie cieplnym z płynem oraz
wiele usytuowanych w odstępach nadprzewodzących elektromagnesów, posiadających środkowe
otwory zamontowane wokół przewodu pierwotnego, który przechodzi przez te otwory, a także turbinę
zamontowaną wewnątrz przewodu pierwotnego w kontakcie cieplnym z przewodem pierwotnym i wiele komór z uszczelniającymi drzwiczkami zamontowanymi w otworach łączących z przewodem pierwotnym oraz środki do zasilania przemiennie nadprzewodzących elektromagnesów prądem, przez co,
w co drugich elektromagnesach powstają pola magnetyczne i środki do wprowadzania płynu paramagnetycznego w komory, co drugich elektromagnesów, posiadających pole magnetyczne, przez co płyn
ten jest magnesowany, a także środki do wyłączania co drugich nadprzewodzących elektromagnesów
zawierających płyn paramagnetyczny przez przenoszenie ich prądu do niezasilanych sąsiednich elektromagnesów, aby przez to rozmagnesowywać płyn paramagnetyczny i powodować spadek temperatury w płynie paramagnetycznym przez zjawisko magnetokaloryczne oraz środki do otwierania drzwiczek komór zawierających rozmagnesowany płyn paramagnetyczny, aby umożliwiać rozmagnesowanie płynu przez przyspieszanie przez przewód pierwotny w kierunku do pól magnetycznych sąsiednich
włączonych elektromagnesów przez siły przyciągania magnetycznego, aby umożliwić przez to przejawianie się magnetyzacji w postaci energii kinetycznej, a także środki do przetwarzania ciepła magnetyzacji w pracę mechaniczną przez przetwarzanie energii kinetycznej w pracę mechaniczną za pomocą turbiny i środki do podawania nieskroplonej pary o temperaturze niższej od temperatury otoczenia,
wyprowadzonej z silnika kriogenicznego, w przewód wtórny, aby przez to skropić parę w temperaturze
niższej od temperatury otoczenia przez przeniesienie energii cieplnej z pary do płynu paramagnetycznego; oraz środki do powtarzania etapów przenoszenia prądu z włączonych elektromagnesów do
niewłączonych elektromagnesów i uwalniania płynu do przepływu z jednego elektromagnesu do drugiego wokół zamkniętej pętli przewodu pierwotnego przez obwody przełączające i środki do otwierania
i zamykania drzwiczek, aby płyn paramagnetyczny był przez to poddawany szeregowi etapów magnetyzacji i demagnetyzacji, tworzących upust cieplny do pochłaniania energii cieplnej z pary przepływającej przez przewód wtórny przy temperaturze niższej od temperatury otoczenia.
Korzystnie, zawiera środki do recyrkulacji skroplonej pary z powrotem do silnika kriogenicznego,
dzięki czemu silnik działa cyklicznie.
Innym urządzeniem według wynalazku jest urządzenie do wytwarzania niskotemperaturowego
upustu cieplnego do pochłaniania energii cieplnej przy temperaturze niższej od temperatury otoczenia,
charakteryzujące się tym, że zawiera środki do magnesowania płynu paramagnetycznego o początkowej temperaturze poniżej temperatury otoczenia przez poddawanie płynu działaniu pola magnetycznego i środki do przetwarzania ciepła magnetyzacji płynu paramagnetycznego w pracę mechaniczną oraz środki do usuwania pola magnetycznego z płynu, aby przez to osiągnąć spadek temperatury w płynie paramagnetycznym przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia dzięki zjawisku
magnetoelektrycznemu i umożliwić pochłanianie przez płyn ciepła przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia.
Opracowano system skraplania magnetycznego do silników kriogenicznych przez utworzenie
sztucznego upustu cieplnego o niskiej temperaturze poniżej temperatury otoczenia przez wykorzystanie
zjawiska magnetokalorycznego. System ten skonstruowano przez utworzenie wielu pól magnetycznych
PL 203 224 B1
5
i poddawanie skroplonego płynu paramagnetycznego, takiego jak ciekły tlen, działaniu tych pól w temperaturze kriogenicznej. Pola magnetyczne tworzy się przez ładowanie i rozładowywanie parzystej liczby
izolowanych cieplnie, usytuowanych w odstępie od siebie nadprzewodzących elektromagnesów, posiadających środkowe otwory. W korzystnym przykładzie realizacji elektromagnesy te są połączone sześciokątnym niemagnetycznym przewodem metalowym przechodzącym przez każdy otwór i mającym
dużą przewodność cieplną, np. z miedzi lub z aluminium. Elektromagnesy są zamontowane w każdym
wierzchołku i w środkowej części każdego boku, przez co w sumie jest 12 elektromagnesów. Po każdej
stronie otworów zamontowane są niemagnetyczne jednokierunkowe drzwiczki, które służą do tworzenia
szczelnych komór wewnątrz każdego elektromagnesu. Wiele podłużnych niemagnetycznych turbin zamontowane jest w regularnych odstępach wewnątrz przewodu pomiędzy sąsiednimi elektromagnesami.
Płynem paramagnetycznym, który reprezentuje upust cieplny, jest nasycony skroplony tlen, który jest
silnie paramagnetyczny w temperaturze kriogenicznej. Początkowo jest on trzymany wewnątrz komór,
co drugiego elektromagnesu przez siły przyciągania magnetycznego przy zamkniętych drzwiczkach,
podczas gdy sąsiednie elektromagnesy są puste i pozbawione prądu, a zatem nie wytwarzają żadnych
pól magnetycznych. Ciecz w każdej komorze jest magnesowana przez pola magnetyczne i ma początkową temperaturę 56°K, początkową entropię 2,148 J/g x K oraz całkowitą początkową entalpię 83,44 J/g.
Pola magnetyczne włączonych elektromagnesów, działające na paramagnetyczny skroplony tlen w swych
szczelnie zamkniętych komorach mają maksymalne natężenie 30 T.
Pola magnetyczne włączonych elektromagnesów, zawierających skroplony tlen, są równocześnie wyłączane przez przeniesienie prądu do poprzedniego w kierunku przepływu elektromagnesu,
który jest pusty. Przez wyłączenie pola w każdym elektromagnesie zawierającym paramagnetyczny
skroplony tlen ciecz w szczelnie zamkniętych komorach podlega rozmagnesowaniu (pojawia się zjawisko magnetokaloryczne), na skutek czego powstaje spadek temperatury o około 2 stopnie do 54,61°
i spadek entalpii do 81,123 J/g, podczas gdy entropia pozostaje stała. Taki spadek temperatury
w sześciu elektromagnesach powoduje spadek temperatury na całej długości przewodu otaczającego
ciecz, przez co powstaje sztuczny niskotemperaturowy upust cieplny.
Po wyłączeniu pól magnetycznych działających na ciecz na skutek przeniesienia prądu do sąsiednich pustych elektromagnesów poprzednich w kierunku przepływu cieczy, drzwiczki pomiędzy
sąsiednimi elektromagnesami zostają równocześnie otwarte. Paramagnetyczny skroplony gaz jest
równocześnie wyciągany z elektromagnesów przez siły przyciągania magnetycznego sąsiedniego,
poprzedniego w kierunku przepływu cieczy, włączonego elektromagnesu, przez co powstaje przyspieszający przepływ cieczy paramagnetycznej poprzez przewód w kierunku do pustych włączonych elektromagnesów. Gradient pola magnetycznego każdego elektromagnesu jest taki, aby ciągnąć ciecz
wokół środkowego przewodu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Zwiększająca się,
skierowana energia kinetyczna strumieni, które są magnetycznie przyciągane do sąsiednich pustych
elektromagnesów, reprezentuje ciepło magnetyzacji wytwarzane przez pola magnetyczne sąsiednich
pustych elektromagnesów. Energia ta (ciepło magnetyzacji) jest wyciągana z płynu i przetwarzana
w pracę mechaniczną przez niemagnetyczne turbiny zamontowane w drodze przepływu strumieni
pomiędzy sąsiednimi elektromagnesami. Na skutek tego ciecz dopływa do każdego sąsiedniego elektromagnesu i osiąga maksymalne namagnesowanie przy bardzo małej skierowanej energii kinetycznej, a zatem przy pomijalnie małym wzroście temperatury. Proces ten reprezentuje magnesowanie
izotermiczne. Pomijając straty tarcia, które można uczynić bardzo małymi przez zabiegi konstrukcyjne,
zasadniczo całe ciepło magnetyzacji cieczy paramagnetycznej dopływającej do pól magnetycznych
pustych sąsiednich elektromagnesów jest przetwarzane w równoważną pracę mechaniczną przez
wirujące turbiny. Turbiny te są dołączone do generatorów elektrycznych, by wytwarzać prąd elektryczny. Prąd ten jest doprowadzany do każdego włączonego sąsiedniego elektromagnesu podczas procesu ładowania, by uzupełnić niewielkie zmniejszenie natężenia prądu powodowane przez namagnesowaną ciecz doprowadzaną do każdego elektromagnesu poprzez sprzężenie indukcyjne. Entropia izotermicznie magnesowanej cieczy ulega zmniejszeniu na skutek uporządkowania spinu dipoli przez
pola magnetyczne. Po wciągnięciu cieczy w komory odpowiednich elektromagnesów przez pola magnetyczne wszystkie drzwiczki są zamykane i powtarzany jest od nowa cykl demagnetyzacji, by spowodować nowy spadek temperatury w całym pierwotnym przewodzie przenoszenia ciepła.
Zmniejszenie temperatury centralnego pierwotnego przewodu przenoszenia ciepła, spowodowane przez zjawisko demagnetyzacji działające powtarzalnie na paramagnetyczny skroplony gaz jest
przenoszone na miedziane śrubowe uzwojenie (wtórny przewód przenoszenia ciepła), które jest owinięte wokół środkowego pierwotnego przewodu i jest z nim w kontakcie cieplnym. Konstrukcja jest
6
PL 203 224 B1
taka, że chłodzenie magnetyczne powodowane w przewodzie pierwotnym jest przenoszone na przewód wtórny ze względu na jego wyższą temperaturę. Przez doprowadzenie częściowo sprężonej,
nieskroplonej pary o niskiej temperaturze, wyprowadzonej z ostatniego ekspandera silnika kriogenicznego poprzez przewód wtórny (rurkę skraplającą) ciepło parowania jest odprowadzane przez różnicę
temperatury utrzymywaną za pomocą cyrkulującego paramagnetycznego skroplonego tlenu i para jest
skraplana. Cała nieskroplona para, wchodząca do wtórnego przewodu śrubowego, opuszcza ten
przewód jako skroplona ciecz o temperaturze kriogenicznej.
W korzystnym przykładzie realizacji kriogenicznym płynem roboczym użytym w silniku kriogenicznym jest azot. Azot jest nieco diamagnetyczny i nie działają na niego pola magnetyczne. Przed
doprowadzeniem skroplonego azotu z powrotem do silnika kriogenicznego jest on wykorzystywany
jako chłodziwo kriogeniczne do nadprzewodzących elektromagnesów, które są wykonane z drutu
nadprzewodzącego w wysokiej temperaturze.
Te i inne zalety i właściwości przedmiotowego wynalazku staną się zrozumiałe na podstawie
opisu, zastrzeżeń patentowych i załączonych rysunków.
Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na których: fig. 1
przedstawia wykres temperatura-entropia dla substancji paramagnetycznej, ilustrujący podstawowe
zasady termodynamiczne znanej demagnetyzacji adiabatycznej, fig. 2 jest perspektywicznym przekrojem wzdłużnym niemagnetycznego przewodu dołączonego do otworu nadprzewodzącego elektromagnesu, ilustrującym przyspieszający przepływ płynu paramagnetycznego poprzez przewód pod działaniem sił przyciągania magnetycznego wytwarzanych przez pole magnetyczne nadprzewodzącego
elektromagnesu, fig. 3 jest perspektywicznym przekrojem wzdłużnym niemagnetycznego przewodu
pokazanego na fig. 2, ilustrującym, jak energia kinetyczna przyspieszającego płynu paramagnetycznego jest przetwarzana w pracę mechaniczną przez zamontowanie niemagnetycznej wirującej turbiny
w strumieniu przepływu wewnątrz przewodu, fig. 4 jest schematem blokowym silnika kriogenicznego
wykorzystującego korzystny przykład realizacji magnetycznego systemu skraplającego, fig. 5 jest
schematycznym perspektywicznym widokiem z góry korzystnego przykładu realizacji magnetycznego
systemu skraplającego, przedstawiającym całą jego konstrukcję, fig. 6 jest powiększonym wzdłużnym
widokiem perspektywicznym pierwotnego przewodu przenoszenia ciepła pomiędzy dwoma sąsiednimi
elektromagnesami z pokazaniem konstrukcji zamontowanych wewnątrz turbin magnetycznych, fig. 7
jest powiększonym przekrojem poprzecznym przedstawiającym konstrukcję tulei wspierających turbiny, zaś fig. 8 jest schematycznym przekrojem poprzecznym poprzez komorę chłodzącą skraplacza
magnetycznego zamontowanego wewnątrz otworu nadprzewodzącego elektromagnesu z pokazaniem
konstrukcji wielu przenoszących ciepło żeberek w celu zwiększenia kontaktu cieplnego pomiędzy płynem paramagnetycznym, który jest magnetycznie chłodzony wewnątrz komory, a pierwotną rurką
przenoszenia ciepła.
Podstawowe zasady fizyczne wykorzystywane w konstrukcji magnetycznego systemu skraplającego, opisanego tu, są zasadami demagnetyzacji adiabatycznej, zwanej również chłodzeniem magnetycznym lub zjawiskiem magnetokalorycznym. Przed szczegółowym opisaniem konstrukcji i działania magnetycznego systemu skraplającego dobrze, zatem będzie zapoznać się z podstawowymi
zasadami działania demagnetyzacji adiabatycznej i jak te zasady są wykorzystywane w znanych systemach chłodzenia magnetycznego. Zapewni to podstawowe zrozumienie unikatowych właściwości
działania przedmiotowego wynalazku, które można łatwo odróżnić od stanu techniki.
Przy takim porównaniu ważne jest wykazanie i podkreślenie, że wszystkie dotychczasowe systemy chłodzenia magnetycznego wykorzystujące zasady chłodzenia magnetycznego przez demagnetyzację adiabatyczną stosują substancję paramagnetyczną, która występuje albo w postaci stałej, albo
w postaci proszku. Według przedmiotowego wynalazku ta substancja paramagnetyczna jest cieczą
w temperaturze kriogenicznej. W konsekwencji przedmiotowy wynalazek zasadniczo różni się od
wszystkich znanych magnetycznie chłodzonych systemów chłodzenia i dlatego jest wyraźnie odróżnialny od wszystkich znanych systemów chłodzenia wykorzystujących demagnetyzację adiabatyczną. Drugim powodem takiego przeglądu jest przedstawienie podstawowych równań analitycznych, które zapewnią ogólne podstawy matematyczne ilościowego zbadania konstrukcji i działania przedmiotowego
wynalazku (to znaczy podstawy matematyczne teorii leżącej u podstaw wynalazku i zasad działania).
Na fig. 1 przedstawiono wykres temperatura-entropia dla substancji paramagnetycznej, ilustrujący
podstawowe termodynamiczne zasady działania demagnetyzacji adiabatycznej. Jak pokazano na tym
rysunku, proces rozpoczyna się w punkcie A, który oznacza początkową temperaturę T1 i początkową entropię S1 substancji paramagnetycznej. Zwykle substancja ta jest w postaci stałej i jest sztywno
7
PL 203 224 B1
zamocowana na konstrukcji wsporczej pomiędzy biegunami elektromagnesu, odizolowana cieplnie od
otoczenia. Wytworzenie pola magnetycznego powoduje dwa zjawiska fizyczne: (1) substancja ta zostaje namagnesowana na skutek częściowego uporządkowania dipoli magnetycznych przez przyłożone pole magnetyczne, a ponadto (2) substancja ta nagrzewa się. Nagrzewanie to jest spowodowane
przez ruch w strukturze krystalicznej na skutek sił magnetycznych działających na cząsteczki. Stała
substancja paramagnetyczna przenosi energię cieplną przez drgania atomowe w kierunkach przypadkowych, kiedy nie ma zewnętrznego pola magnetycznego. Jednakże, kiedy substancja ta podlega
działaniu zewnętrznego pola magnetycznego, wówczas ma mniejszą pojemność cieplną, ponieważ
ma mniejszą liczbę węzłów drgań do magazynowania energii cieplnej na skutek uporządkowania dipoli magnetycznych zewnętrznym polem magnetycznym. W konsekwencji, aby przenosić taką samą
ilość energii cieplnej jak przed namagnesowaniem, temperatura tej substancji musi się zwiększyć.
Ponieważ substancja ta jest paramagnetyczna, uporządkowanie dipoli za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego B będzie uniemożliwiać zwiększenie się entropii podczas takiego grzania (to
znaczy podczas magnetyzacji). System ten jest skonstruowany tak, że ciepło magnetyzacji ΔHm jest
pochłaniane przez zasoby ciekłego helu o pewnej bardzo niskiej temperaturze, który otacza tę substancję i również jest usytuowany pomiędzy biegunami. Ponieważ ciepło magnetyzacji jest wyprowadzane podczas procesu magnetyzacji, entropia jest zmniejszana o ΔSm. Jak pokazano na fig. 1, taki
izotermiczny proces magnetyzacji jest reprezentowany termodynamicznie na wykresie temperaturaentropia przez ruch pionowo do dołu od punktu A do punktu B, ilustrujący spadek entropii ΔSm = S1 - S2
przy stałej temperaturze T1 według następującego wzoru
ΔS m =
MB
2T1
(1)
gdzie M oznacza magnetyzację wyrażoną w jednostkach J/(g x T), a B oznacza natężenie pola magnetycznego wyrażone w teslach (T). (1 T = 10.000 Gs. We wszystkich równaniach stosowany jest
układ jednostek MKS.) Ciepło magnetyzacji ΔHm jest określone przez
ΔHm = T1ΔSm
(2)
Znając równania (1) i (2) ciepło magnetyzacji ΔHm można również wyrazić w następującej postaci
ΔH m =
MB
2
(3)
Po wyprowadzeniu ciepła magnetyzacji ΔHm z substancji za pomocą ciekłego helu, kiedy substancja ta jest w stanie odpowiadającym punktowi B na wykresie temperatura-entropia, jest ona izolowana cieplnie od otaczającego ciekłego helu, a pole magnetyczne jest wyłączone. Przez wyłączenie
tego pola substancja podlega demagnetyzacji adiabatycznej i spadkowi temperatury do końcowej
temperatury T2 reprezentowanej przez poziomy odcinek BC na wykresie temperatura-entropia z fig. 1.
Spadek temperatury można określić następująco: niech C oznacza pojemność cieplną substancji w temperaturze T1 i niech ΔTm oznacza spadek temperatury na skutek zjawiska demagnetyzacji
adiabatycznej. W konsekwencji zmniejszenie ilości ciepła w substancji na skutek zjawiska demagnetyzacji adiabatycznej można wyrazić w przybliżeniu jako CΔTm. Ponieważ ciepło magnetyzacji ΔHm jest
równe zmniejszeniu ilości ciepła, wynika, że CΔTm = ΔHm. Zatem, spadek temperatury ΔTm na skutek
zjawiska demagnetyzacji adiabatycznej można obliczyć z dobrym przybliżeniem ze wzoru
ΔTm =
ΔH m
2
(4)
Bardziej szczegółowe analityczne przedstawienie demagnetyzacji adiabatycznej (zjawiska magnetokalorycznego) można znaleźć w następujących książkach: Principles and Application of Magnetic
Cooling, North - Holland Publishing Co., 1972, R. P. Hudson; Magnetic Cooling, Harvard Monographs In
Applied Science, nr 4, 1954, C. Garrett; oraz Experimental Techniques In Low-Temperature Physics,
Oxford Press, 1968, G. White. Za pomocą tych sposobów można osiągnąć temperatury T2 = T1-ΔTm tak
niskie, jak 0,001°K. Jednakże według przedmiotowego wynalazku zjawisko magnetoelektryczne będzie wykorzystywane do otrzymania upustu cieplnego przy temperaturze kriogenicznej przez użycie
8
PL 203 224 B1
substancji paramagnetycznej do pochłaniania energii cieplnej Qm przy temperaturze T1, gdzie ilość
pochłoniętej energii cieplnej Qm = ΔHm = CΔTm.
Aby obliczyć spadek entropii ΔSm, ciepło magnetyzacji ΔHm oraz spadek temperatury ΔTm substancji paramagnetycznej podlegającej procesowi demagnetyzacji adiabatycznej, opisanemu w równaniach (1)-(4), trzeba obliczyć magnetyzację M substancji w pewnej temperaturze T przy działaniu
pola magnetycznego o danym natężeniu B. Chociaż obliczenia magnetyzacji substancji paramagnetycznej zwykle uzyskuje się przez aproksymację stosując prawo Curie, magnetyzacja będzie tu obliczana dokładnie za pomocą dokładnych równań mechaniki kwantowej.
r
Niech u oznacza moment dipola magnetycznego pojedynczej cząsteczki substancji paramar
gnetycznej. (Dipol magnetyczny u jest bardzo małą kołową pętlą z prądem i, a promień R jest defi-
r
r
niowany jako i A , gdzie A jest wektorem, którego wartość bezwzględna jest równa polu powierzchni
pętli A = πR2, a kierunek jest prostopadły do pętli i jest określony przez kierunek prądu zgodnie ze
znaną regułą prawej dłoni). W mechanice kwantowej skalarny moment dipola magnetycznego pewnej
substancji może być wyrażony jako g J ( J + 1) μ B , jest stałą nazywaną współczynnikiem g, J jest
całkowitą liczbą kwantową momentu kątowego, a μB jest stałą, nazywaną magnetronem Bohra. Jeden
magnetron Bohra μB jest równy 9,273x10-24 J/T (J/T = Am2).
Jeżeli substancja
r jest w tym obszarze przestrzeni, gdzie nie ma pola magnetycznego, wówczas
kierunki momentów u dipoli magnetycznych wszystkich poszczególnych cząsteczek mają rozkład
przypadkowy, ponieważ ruch cieplny, a zatem substancja jako całość, nie wykazuje netto żadnego
magnetyzmu. Jeżeli jednak istnieje zewnętrzne pole magnetyczne, wówczas pewna część ƒ poszczególnych dipoli ulegnie uporządkowaniu zgodnie z zewnętrznym polem. Im silniejsze jest to pole, tym
większe jest uporządkowanie, im niższa jest temperatura, tym większe jest uporządkowanie. O substancji mówi się, że ma nasycenie paramagnetyczne, kiedy wszystkie dipole są uporządkowane
zgodnie z polem magnetycznym. W klasycznej teorii elektromagnetyzmu wynikowa magnetyzacja M0,
odpowiadająca nasyceniu paramagnetycznemu, jest określona przez M0 = Nμ,, gdzie N oznacza liczbę cząsteczek na jednostkę masy. Jednakże w mechanice kwantowej niemożliwe jest, by wszystkie
dipole były uporządkowane zgodnie z zewnętrznym polem magnetycznym, a to ze względu na kwantyzację przestrzenną. Zatem w mechanice kwantowej maksymalna możliwa magnetyzacja M0 będzie
nieco mniejsza niż maksymalna magnetyzacja wyznaczona na podstawie klasycznej teorii elektromagnetyzmu. W mechanice kwantowej M0 = NgJμB. Jeżeli N będzie równe liczbie Avogadra 6,022169 x 1023
cząsteczek na mol, wówczas po podzieleniu przez ciężar cząsteczkowy M substancji, wówczas magnetyzację M0 otrzymuje się w jednostkach J/(g x T). A zatem,
M0 =
NgJμ B
M
(5)
W praktyce nie można osiągnąć pełnego nasycenia paramagnetycznego. Rzeczywista magnetyzacja M, która wynika z częściowego uporządkowania, jest określona przez następujący wzór
M=ƒ x M0
(6)
Pomijając szczegóły matematyczne można wykazać, że równanie określające ułamek ƒ magnetyzacji substancji paramagnetycznej w temperaturze T pod działaniem pola magnetycznego o natężeniu B jest następujące
ƒ=
⎛ a ⎞
⎡⎛ 2 J + 1 ⎞ ⎤ ⎛ 1 ⎞
M ⎛ 2J + 1 ⎞
=⎜
⎟ctgh⎜⎜ ⎟⎟
⎟ctgh ⎢⎜
⎟α ⎥ − ⎜
M 0 ⎝ 2J ⎠
⎣⎝ 2 J ⎠ ⎦ ⎝ 2 J ⎠
⎝2j⎠
(7)
gdzie parametr
a=
gJμ B B
kT
a k = stała Boltzmanna, wynosząca 1,38062 x 10-23 J/K. Funkcja po prawej stronie równania (7) nazywana jest funkcją Brillouina. (Patrz: Modern Magnetism, Cambridge University Press, 1963, s 43-44,
9
PL 203 224 B1
L. F. Bates; oraz Tables of the Brillouin Function and of the Related Function for the Spontaneous
Magnetization, British Journal of Applied Physics, wol. 18, 1967, s. 1415-1417, M. Darby).
Aby zrozumieć podstawowe zasady działania przedmiotowego wynalazku, trzeba podkreślić, że
opisane powyżej zjawisko demagnetyzacji adiabatycznej, przedstawione termodynamicznie na fig. 1,
dotyczy wszystkich substancji paramagnetycznych niezależnie od stanu skupienia, stałych, gazowych
lub ciekłych. W korzystnym przykładzie realizacji wynalazku substancją paramagnetyczną będzie ciekły tlen o początkowej temperaturze T1 = 56°K, czyli tuż powyżej punktu potrójnego (54,359°K). (Ciekły tlen jest najbardziej paramagnetyczną cieczą przy temperaturze kriogenicznej). Dla tlenu o ciężarze cząsteczkowym M = 32, g = 2, a J = 1. Zatem, μ = 2,828 μB. Pole magnetyczne będzie wytwarzane
przez nadprzewodzący elektromagnes o maksymalnym natężeniu pola magnetycznego B = 30T. Pojemność cieplna C nasyconego ciekłego tlenu przy 56°K wynosi 1,6616 J/(g x K). (Wartość ta jest
otrzymana z The National Bureau of Standards Report, The Thermodynamic Properties Of Oxygen
From 20°K to 100°K, Technical Report Nr 2, Projekt Nr A-593, National Bureau of Standards Contract No.
CST - 7339, 1 marca 1962, J.C. Mullins i in. s. 40). Po podstawieniu tych wartości do powyższych równań
parametry robocze (8) procesu demagnetyzacji adiabatycznej i pojemność pochłaniania ciepła Qm = ΔHm
przy temperaturze Ti korzystnego przykładu realizacji systemu skraplania magnetycznego są:
Ti = 56°K
B = 30 T
ƒ = 0,44251
(8)
M = 0,15445J/g x T
ΔSmm = 0,4137J/g x K
Qm = AHm = 2,31679J/g
ΔTm = 1,394°K (8)
Fakt, że zjawisko demagnetyzacji adiabatycznej, opisane powyżej i przedstawione na fig. 1
wraz z równaniami (1) - (7) odnosi się do wszystkich substancji paramagnetycznych niezależnie od
tego, czy są one w postaci stałej, ciekłej lub gazowej, jest ważny dla przedmiotowego wynalazku, ponieważ przez wybór substancji paramagnetycznej, która jest ciekła lub gazowa, możliwe jest odprowadzanie ciepła magnetyzacji ΔHm bez stosowania żadnego zewnętrznego niskotemperaturowego
upustu cieplnego, takiego jak skroplony hel (który jest bardzo drogi). W odróżnieniu od stanu techniki
można to osiągnąć przez umieszczenie początkowo skroplonego tlenu w szczelnej komorze usytuowanej w pewnej odległości od nadprzewodzącego elektromagnesu, który jest dołączony do komory
prostym, izolowanym cieplnie, niemagnetycznym przewodem współosiowym z otworem elektromagnesu. Jeżeli w przewodzie tym nie ma nic, co by utrudniało przepływ, kiedy płyn jest uwolniony
z komory, siły Fm przyciągania magnetycznego będą ciągle przyspieszały płyn w przewodzie do otworu elektromagnesu. Podczas przemieszczania się poprzez przewód płyn ten zostaje namagnesowany
na skutek wprowadzenia go w obszar o większym natężeniu pola magnetycznego. W procesie tym
ciepło magnetyzacji ΔHm będzie reprezentowane przez rosnącą skierowaną energię kinetyczną substancji, gdy jest ona przyspieszana poprzez przewód w otwór. Z zasady zachowania energii wynika,
że ciepło magnetyzacji ΔHm (określone przez równanie 3) jest reprezentowane przez wzrost energii
kinetycznej paramagnetycznego płynu, gdy wchodzi on w otwór nadprzewodzącego elektromagnesu.
W przypadku cieczy i gazów większość energii cieplnej (ciepło zawarte w substancji) jest reprezentowana przez energię kinetyczną cząsteczek. W przypadku substancji w postaci stałej większość energii
cieplnej jest w postaci energii drgań. Ponieważ całkowita energia systemu musi pozostać stała, zwiększenie skierowanej energii kinetycznej płynu przepływającego poprzez przewód odpowiada równoważnemu zmniejszeniu energii pola magnetycznego elektromagnesu. Takie zmniejszenie energii pola
magnetycznego elektromagnesu, które objawia się przez niewielki spadek natężenia prądu, jest spowodowane sprzężeniem indukcyjnym pomiędzy dipolami wchodzącymi w pole oraz polem elektromagnesu. Ten spadek energii jest równy ciepłu magnetyzacji ΔHm. Ta zasada równoważności pomiędzy
skierowaną energią kinetyczną a przyspieszaniem płynu poprzez przewód w kierunku do pola magnetycznego przez siły przyciągania magnetycznego i ciepłem magnetyzacji, określonym przez równanie
(3), może być dowiedziona analitycznie przez obliczenie przyspieszenia płynu (zawierającego dipole
10
PL 203 224 B1
magnetyczne), gdy przechodzi on przez przewód, przy użyciu równania siły z teorii elektromagnetyzmu oraz obliczenie energii kinetycznej właściwej (KE/g) przy wejściu w otwór elektromagnesu, gdzie
płyn osiąga maksymalną prędkość.
Fig. 2 opisuje paramagnetyczny płyn 10 (w założeniu jest to skroplony tlen o początkowej temperaturze 56°K) przyspieszający ze szczelnej komory 12 poprzez niemagnetyczny przewód 14 o długości 0,50 m (19,7 cala) prowadzący w środkowy otwór 16 nadprzewodzącego elektromagnesu 18
pod wpływem sił Fm przyciągania magnetycznego. Proces przemieszczania poprzez przewód 14
w kierunku do włączonego nadprzewodzącego elektromagnesu 18, to znaczy przemieszczania
w magnetyczne pole 20 nadprzewodzącego elektromagnesu 18 na skutek ruchu poprzez przewód 14,
reprezentuje proces magnesowania paramagnetycznego płynu według przedmiotowego wynalazku.
Dzięki zamontowaniu niemagnetycznej wirującej turbiny 24 w tym strumieniu 26 przepływu wewnątrz
przewodu 14, jak pokazano na fig. 3, możliwe będzie przetworzenie tej skierowanej energii kinetycznej
paramagnetycznego płynu płynącego poprzez przewód w pracę mechaniczną bez konieczności stosowania żadnego zewnętrznego upustu cieplnego jak w znanych procesach adiabatycznej demagnetyzacji, które wykorzystują tradycyjne paramagnetyczne sole występujące w postaci stałej. Po przejściu przez turbinę 24 namagnesowany strumień przepływu wchodzi w otwór elektromagnesu z bardzo
małą prędkością. Nie ma zasadniczo żadnego zwiększenia temperatury. Wynikiem jest magnetyzacja
izotermiczna, która osiągana jest bez przenoszenia ciepła magnetyzacji ΔHm do żadnego kriogenicznego upustu cieplnego, ponieważ jest ono przetwarzane w pracę mechaniczną za pomocą turbiny.
Fakt ten wraz z faktem, że demagnetyzacja adiabatyczna powodująca spadek temperatury opisany
przez równanie (4) dotyczy wszystkich substancji paramagnetycznych podlegających demagnetyzacji,
niezależnie od tego, czy są one w stanie stałym, czy też nie, demonstruje podstawową możliwość
realizacji przedmiotowego wynalazku.
Ruch poprzez przewód jest przeznaczony do uzyskania izotermicznej magnetyzacji. Spowoduje
to zmniejszenie entropii płynu wewnątrz elektromagnesu 18, ale nie temperatury. Zmniejszenie temperatury występuje wtedy, gdy pole magnetyczne elektromagnesu jest wyłączone. Powoduje to powstanie zjawiska magnetokalorycznego, które zmniejsza temperaturę płynu poniżej początkowej temperatury T1 (56°K) do T2 = T1 - ΔTm = 54,61°K. Przez wykonanie środkowego przewodu 14 z materiału
metalicznego o dużej przewodności cieplnej, który jest niemagnetyczny, takiego jak miedź lub aluminium, straty ciepła skroplonego tlenu wewnątrz otworu elektromagnesu 18 są przenoszone do przewodu 14, który staje się pierwotną nieruchomą powierzchnią chłodzącą. Jak pokazano na fig. 3, rura
30 wtórnego przenoszenia ciepła jest owinięta wokół chłodzącego przewodu 14 i w kontakcie termicznym z nim.
Cały zespół jest izolowany cieplnie od otoczenia. Przez doprowadzenie pary wypływającej z silnika kriogenicznego do wtórnej wężownicy 30 działanie chłodzące rozmagnesowanego ciekłego tlenu
chłodzi parę i powoduje jej skroplenie. Możliwości chłodzenia można zwiększyć, by wyprowadzać
dowolną potrzebną ilość ciepła z pary (w granicach możliwości roboczych) przez proste powtarzanie
powyższych etapów. Jeżeli tlen przejdzie R razy poprzez przewód w czasie jednej minuty (częstość
& c J/(g x min)
powtarzania), system będzie zdolny do absorbowania ciepła (zdolność chłodzenia) Q
według następującego wzoru
Q& c = RQm = 2,31679R (J/(g x min)
(9)
Aby uzyskać takie ciągłe chłodzenie magnetyczne przy temperaturze kriogenicznej, środkowy
przewód, 14 (który będzie nazywany przewodem pierwotnego przenoszenia ciepła) będzie skonstruowany jako zamknięta pętla. W szczególności będzie on wykonany w kształcie wielokąta z nadprzewodzącymi elektromagnesami zamontowanymi u wierzchołków. W celu zwiększenia możliwości chłodzenia systemu dodatkowy elektromagnes nadprzewodzący będzie zamontowany w punktach pośrodku każdego boku i będzie działać równocześnie. Są to podstawowe zasady działania i parametry
pracy korzystnego przykładu realizacji magnetycznego systemu skraplania. Szczegółowa konstrukcja
korzystnego przykładu wykonania zostanie przedstawiona poniżej. W korzystnym przykładzie wykonania środkowy przewód tworzy zamkniętą sześciokątną pętlę z dwunastoma nadprzewodzącymi
elektromagnesami z sześcioma oddzielnymi częściami skroplonego tlenu, które poruszają się w sposób przerywany wokół tej pętli równocześnie w tym samym kierunku. Umożliwi to ciągłe skraplanie
znacznie większej ilości pary przez skraplacz magnetyczny. Jest on przeznaczony zwłaszcza do silników kriogenicznych zdolnych do generowania ciągłej mocy wyjściowej rzędu kilku kilowatów.
PL 203 224 B1
11
Aby skonstruować skraplacz magnetyczny, który będzie nadawać się do skraplania rozprężonej
pary wyprowadzonej z silnika kriogenicznego przy żądanym masowym natężeniu przepływu, konieczne będzie określenie mocy wyjściowej silnika kriogenicznego, odpowiadającej różnym wartościom
masowego natężenia przepływu. Działający kriogenicznie płyn zastosowany w tym silniku w założeniu
będzie azotem.
Fig. 4 przedstawia schemat blokowy silnika kriogenicznego, użytego w korzystnym przykładzie realizacji systemu skraplania magnetycznego. Określenie parametrów termodynamicznych silnika w różnych
punktach przepływu oparte będzie na dokładnych danych termodynamicznych opublikowanych w publikacji Thermodynamic Properties Of Nitrogen, Journal of Physical Chemistry Ref. Data, wol. 2, nr 4, 1973,
Richard G. Jacobson i Richard B. Stewart. Jak pokazano na fig. 4, nasycony skroplony azot opuszczający
rury kondensacyjne magnetycznego skraplacza 32 będzie mieć następujące wartości parametrów stanu
termodynamicznego: TN0 = 76°K, entropia SN0 = 2,803 J/g x K, entalpia HN0 = -124, 221 J/g, ciśnienie
PN0 = 1,0 bar (wartości tych parametrów są wzięte bezpośrednio z wyżej wymienionej publikacji i oparte na
punktach zerowych stosowanych w tej publikacji). Taki skroplony azot jest następnie wprowadzany do
niewielkiej izentropowej sprężarki 34 i sprężany do ciśnienia 2,0 bar. (Parametry stanu termodynamicznego pozostają zasadniczo bez zmian.) Następnie azot ten cyrkuluje jako chłodziwo kriogeniczne do elektromagnesów nadprzewodzących, systemu przełączania prądu i innych elementów wewnątrz systemu skraplania magnetycznego w postaci skraplacza 32. Ponieważ bierna wielowarstwowa kriogeniczna izolacja
cieplna wokół magnetycznego skraplacza 32 jest przeznaczona do utrzymywania upływu ciepła ze środowiska na minimum, ciepło pochłaniane przez cyrkulujący skroplony azot nie będzie bardzo duże. Można,
zatem przyjąć, że po cyrkulacji w charakterze chłodziwa do różnych części składowych wewnątrz magnetycznego skraplacza 32 ciecz wypłynie ze wzrostem temperatury o 6 stopni. Parametry stanu termodynamicznego skroplonego azotu po przepływie wokół różnych części składowych skraplacza magnetycznego
w charakterze chłodziwa są następujące: TN1 = 82°K, SN1 = 2,959 J/g x K, HN1 = -111,736 J/g, PN1 = 2,0 bar.
Płyn kriogeniczny jest następnie wprowadzany w cieplnie izolowany kriogeniczny zbiornik 36 o pojemności
10 galonów (37,85 l). Następnie ciekły azot jest wyprowadzany z tego zbiornika 36 i wprowadzany w kriogeniczną hydrauliczną sprężarkę 38 i jest sprężany izentropowo do wartości ciśnienia 600 bar
(8,702 funta/cal2). Po tym izentropowym sprężeniu parametry stanu termodynamicznego są następujące: TN2 = 96,186°K, SN2 = 2,959 J/g x K, HN2 = -38, 975 J/g, PN2 = 600 bar. W konsekwencji wartość
mechanicznej pracy właściwej Ŵc, zużytej przy tym sprężaniu, wynosi HN2-HN1 = 72,761 J/g. (Mechaniczna
praca właściwa dotyczy przepływu 1,0 g masy i będzie oznaczana symbolem Ŵ).
Po opuszczeniu sprężarki 38 skroplony azot o temperaturze 96,186°K doprowadzany jest do niskotemperaturowego, izolowanego cieplnie wymiennika ciepła 40, gdzie służy jako chłodziwo do chłodzenia
pary wyprowadzonej z ostatniego rozprężacza 42 kriogenicznego silnika 44 przed doprowadzeniem tej
pary do magnetycznego skraplacza 32. Sprężony skroplony azot opuszcza niskotemperaturowy wymiennik
ciepła 40 z następującymi parametrami stanu termodynamicznego: TN3 = 125,756°K, SN3 = 3,412 J/g x K,
HN3 = 11,019 J/g, PN3 = 600,0 bar. (Obliczenie tych parametrów oparte było na założeniu, że masowe natężenie przepływu ciekłego chłodziwa dopływającego do niskotemperaturowego wymiennika ciepła 40 o temperaturze TN2 = 96,186°K i entalpii HN2 = -38,975 J/g było takie samo jak masowe natężenie przepływu pary
dopływającej do wymiennika ciepła 40 przy temperaturze TN11 = 173,47°K i entalpii HN11 = 179,336 J/g z parametrami termodynamicznymi równymi parametrom rozprężonej pary wyprowadzanej z ostatniego rozprężacza 42 oraz przy założeniu, że temperatura tych dwóch składników opuszczających wymiennik ciepła
40 jest taka sama. Ponieważ ilość ciepła pochłanianego przez ciekły azot jest równa ciepłu traconemu
przez parę, obliczona temperatura wyjściowa wynosi 125,756°K.) Ilość energii cieplnej ΔQ pochłanianej
w niskotemperaturowym wymienniku ciepła 40 z pary wynosi HN3-HN2 = 49,994 J/g. Po przepływie przez
niskotemperaturowy wymiennik ciepła 40 sprężony ciekły azot jest doprowadzany do pierwszego wymiennika 46 ciepła otoczenia, gdzie jest izobarycznie nagrzewany do temperatury otoczenia, która według założenia wynosi 290°K (62,3°F). Ten wymiennik ciepła 46 jest utrzymywany w kontakcie cieplnym ze zwykłym
powietrzem atmosferycznym o temperaturze otoczenia, które nieprzerwanie opływa grzejne powierzchnie
wymiennika ciepła 46 z masowym natężeniem przepływu wielokrotnie większym niż masowe natężenie
przepływu sprężonego azotu przepływającego przez ten wymiennik ze względu na prędkość wiatru i wymiary wymiennika ciepła 46. (Wymiennik ciepła 46 mógłby również być zamontowany w kontakcie cieplnym z wodą w jeziorze o temperaturze otoczenia w zależności od zastosowania wynalazku.) Temperatura
wyjściowa wszystkich wymienników ciepła otoczenia może być zakładana jako równa temperaturze otoczenia. Ponieważ temperatura sprężonego ciekłego azotu dopływającego do pierwszego wymiennika 46
ciepła otoczenia jest znacznie mniejsza niż temperatura przepływającego strumienia powietrza, gradient
12
PL 203 224 B1
temperatury na jego powierzchniach termicznych jest bardzo duży, a zatem kriogeniczny azot pobiera
naturalną energię cieplną ze strumienia powietrza bardzo szybko. Na skutek tego sprężony azot zostaje szybko nagrzany powyżej swej temperatury krytycznej (126,200°K) i odparowany, aby stać się
sprężonym gazem o ciśnieniu 600 bar (8,702 funt/cal2), który jest przegrzany do temperatury 290°K.
Sprężony, przegrzany azot opuszcza pierwszy wymiennik ciepła 46 z następującymi parametrami
stanu termodynamicznego: TN4 = 290,0°K, SN4 = 4,711 J/g x K, HN4 = 262,742 J/g, PN4 = 600,0 bar.
)
Ilość naturalnej energii cieplnej Q N1 absorbowanej z atmosfery podczas przepływu przez pierwszy wymiennik 46 ciepła otoczenia wynosi HN4-HN3 = 251,723 J/g.
Po opuszczeniu pierwszego wymiennika ciepła 46 (fig. 4) przegrzany, sprężony azot jest doprowadzany do wysokociśnieniowego zbiornika 48 wyrównującego obciążenie (system magazynowania energii).
Ten zbiornik 48 jest również przeznaczony do pozostawania w kontakcie cieplnym z powietrzem atmosferycznym o temperaturze otoczenia. Sprężony gaz jest wyprowadzany ze zbiornika 40 i doprowadzany do
pierwszego izentropowego rozprężacza 50 w układzie kaskadowym, gdzie gaz ten jest izentropowo rozprężany do ciśnienia 120 bar (1,740 funta/cal2). Wynikowe parametry stanu termodynamicznego są następujące: TN5 = 191,917°K, SN5 = 4,711 J/g x K, HN5 = 136,106 J/g, PN5 = 120 bar. Praca mechaniczna ŴN1
wykonywana od pierwszego rozprężenia wynosi ŴN1 = HN4-HN5 = 126,636 J/g. Zbiorniki wyrównujące obciążenie będą umożliwiały zmiany masowego natężenia przepływu do dalszych rozprężaczy w bardzo
szerokim zakresie, aby generować poziomy mocy w szerokim zakresie. Zakłada się jednak, że masowe
natężenia przepływu do każdego rozprężacza będą równe.
Rozprężony azot opuszczający pierwszy rozprężacz 50 azotu z temperaturą 191,917°K, doprowadzany jest do drugiego wymiennika 52 ciepła otoczenia, który jest również utrzymywany w kontakcie cieplnym ze strumieniem powietrza atmosferycznego o temperaturze otoczenia. Sprężony azot
pod ciśnieniem 120 bar przepływa przez ten drugi wymiennik 52 ciepła otoczenia, gdzie pochłania
znaczną ilość dodatkowej naturalnej energii cieplnej z atmosfery. Azot jest, zatem izobarycznie nagrzewany z powrotem do 290°K i wychodzi z drugiego wymiennika 52 ciepła otoczenia jako przegrzany, sprężony gaz. Parametry stanu termodynamicznego tego sprężonego, przegrzanego azotu są
następujące: TN6 = 290°K, SN6 = 5,310 J/g x K, HN6 = 276,378 J/g, PN6 = 120 bar.
)
Ilość naturalnej energii cieplnej Q N2 absorbowanej z atmosfery podczas przepływu przez drugi
wymiennik 52 ciepła otoczenia wynosi HN6-HN5=140,272 J/g.
Po opuszczeniu drugiego wymiennika 52 ciepła otoczenia przegrzany, sprężony azot jest wprowadzany do drugiego wyrównującego obciążenie zbiornika 54 (akumulator energii), który jest również utrzymywany w kontakcie termicznym z przepływającym powietrzem atmosferycznym. Gazowy azot pod wysokim ciśnieniem jest wyprowadzany z tego zbiornika 54 i doprowadzany do drugiego izentropowego rozprężacza 56, gdzie jest rozprężany do ciśnienia 25 bar (362,60 funta/cal2). Wynikowe parametry stanu termodynamicznego są następujące: TN7 = 181,630°K, SN7 = 5,310 J/g x K, HN7 = 173, 397 J/g, PN7 = 25 bar.
Mechaniczna praca właściwa ŴN2 powstająca przy tym drugim rozprężaniu izentropowym wynosi
ŴN1 = HN6-HN7 = 102, 981 J/g.
Rozprężony azot opuszczający drugi izentropowy rozprężacz 56 z temperaturą 181,630°K jest
doprowadzany do trzeciego wymiennika 58 ciepła otoczenia, który jest również utrzymywany w kontakcie cieplnym z powietrzem atmosferycznym o temperaturze otoczenia. Sprężony azot o ciśnieniu
25 bar przepływa przez trzeci wymiennik 58 ciepła azotu, gdzie pochłania znaczną ilość dodatkowej
naturalnej energii cieplnej z atmosfery. Azot jest zatem izobarycznie nagrzewany z powrotem do temperatury 290°K i wychodzi z trzeciego wymiennika ciepła 58 jako przegrzany, sprężony gaz o ciśnieniu
25 bar (362,594 funta/cal2). Parametry stanu termodynamicznego tego sprężonego, przegrzanego
azotu są następujące: TN8 = 290°K, SN8 = 5,838 J/g x K, HN8 = 295,141 J/g, PN8 = 25 bar.
)
Ilość naturalnej energii cieplnej Q N3 absorbowanej z atmosfery podczas przepływu przez trzeci
wymiennik 58 ciepła otoczenia wynosi HN8-HN7 = 121,744 J/g.
Po opuszczeniu trzeciego wymiennika 58 ciepła otoczenia przegrzany, sprężony azot jest doprowadzany do trzeciego wyrównującego obciążenie zbiornika 60 (akumulator energii), który jest również utrzymywany w kontakcie cieplnym z atmosferą o temperaturze otoczenia. Sprężony gazowy azot jest wyprowadzany ze zbiornika 60 i podawany do trzeciego izentropowego rozprężacza 62, gdzie jest rozprężany do ciśnienia 6 bar (87,02 funta/cal2). Wynikowe parametry stanu termodynamicznego są następujące: TN9 = 191,731°K, SN9 = 5,838 J/g x K, HN9 = 195,749 J/g, PN9 = 6 bar. Mechaniczna praca właściwa ŴN3, powstająca przy tym trzecim izentropowym rozprężaniu, wynosi ŴN3 = HN8-HN9 = 99,392 J/g.
13
PL 203 224 B1
Rozprężony azot opuszczający trzeci rozprężacz 62 z temperaturą 191,731°K jest podawany do
czwartego wymiennika 64 ciepła otoczenia, który jest również utrzymywany w kontakcie termicznym
z innym strumieniem powietrza o temperaturze otoczenia. Sprężony azot o ciśnieniu 6 bar przepływa
przez czwarty wymiennik ciepła 64, gdzie absorbuje jeszcze więcej naturalnej energii cieplnej z atmosfery. Azot ten jest, zatem izobarycznie podgrzewany z powrotem do temperatury 290°K i wychodzi
z czwartego wymiennika ciepła 64 jako przegrzany, sprężony gaz. Parametry stanu termodynamicznego tego sprężonego, przegrzanego azotu są następujące: TN10 = 290°K, SN10 = 6,275 J/g x K,
HN10 = 299,560 J/g, PN10 = 6 bar.
)
Ilość naturalnej energii cieplnej Q N4 absorbowanej z atmosfery podczas przepływu przez
czwarty wymiennik 64 ciepła otoczenia wynosi HN10-HN9 = 103,811 J/g.
Po opuszczeniu czwartego wymiennika 64 ciepła otoczenia przegrzany, sprężony azot jest odprowadzany do czwartego, wyrównującego obciążenie zbiornika 66 sprężonego gazu (akumulator
energii), który jest również utrzymywany w kontakcie cieplnym z atmosferą o temperaturze otoczenia.
Gaz zawarty w tym czwartym zbiorniku 66 (akumulator energii) jest doprowadzany do czwartego izentropowego rozprężacza 42, gdzie jest on rozprężany do ciśnienia 1,000 bar. Wynikowe parametry
stanu termodynamicznego są następujące: TN11 = 173,47°K, SN11 = 6,275 J/g x K, HN11 = 179, 336 J/g,
PN11 = 1,000 bar. Praca mechaniczna właściwa ŴN4 powstająca na skutek tego czwartego rozprężania
izentropowego wynosi ŴN4 = HN10-HN11 = 120,224 J/g.
Po opuszczeniu czwartego rozprężacza 42 z temperaturą 173,47°K para azotu jest doprowadzana do
izolowanego cieplnie, niskotemperaturowego wymiennika ciepła 40, gdzie jest izobarycznie chłodzona do
125,756°K przez ciekły azot wypływający z hydraulicznej sprężarki 33. Parametry stanu termodynamicznego
po wyjściu z niskotemperaturowego wymiennika ciepła 40 są następujące: TN12 = 125, 756°K, SN12 = 5, 938
J/g x K, HN12 = 129,302, PN12 = 1,0 bar. Następnie para jest doprowadzana do magnetycznego skraplacza 32,
gdzie jest chłodzona do temperatury 76°K i przechodzi w stan ciekły. Ilość energii cieplnej QE, którą trzeba
odprowadzić w magnetycznym skraplaczu 32, aby osiągnąć to przejście w stan ciekły, wynosi
QE = HN12 - HN0 = 253,523 J/g
(10)
Zasady działania skraplacza magnetycznego są takie, że to ciepło QE jest absorbowane
w skraplaczu przez wykorzystanie procesu demagnetyzacji do utworzenia wynikowego ciepła magnetyzacji, które jest równe QE, a które jest przetwarzane w pracę mechaniczną przez wirujące turbiny i
jest wykorzystywane do likwidacji strat prądu w nadprzewodzących elektromagnesach skraplacza
dzięki indukcyjnemu sprzężeniu dipoli magnetycznych w paramagnetycznym tlenie. Aby skraplacz
absorbował tę energię cieplną QE, musi być on zatem zdolny do tworzenia ciągłego upustu cieplnego,
gdzie całkowite ciepło magnetyzacji jest równe QE. Konstrukcja i wymiary korzystnego przykładu realizacji skraplacza magnetycznego oparte są na tym wymaganiu, które zostało ilościowo określone poprzez powyższą analizę termodynamiczną silnika kriogenicznego i wyrażone przez wzór (10).
Całkowita ilość mechanicznej pracy właściwej WN wytworzonej przez silnik kriogeniczny wynosi
ŴN = ŴN1 + ŴN2 + ŴN3 + ŴN4 = 449,233 J/g
Dlatego wyjściowa praca właściwa netto wytworzona przez silnik kriogeniczny wynosi
ŴNET = ŴN – Ŵc = 376,472 J/g
(11)
& oznacza masowe natężenie przepływu (g/s) poprzez silnik kriogeniczny, moc wyjJeżeli m
ściowa P(W) wynosi
& ŴNET
P= m
(12)
Całkowita ilość naturalnej energii cieplnej, którą ciekły azot jako płyn roboczy absorbował z atmosfery podczas przepływu przez cztery wymienniki ciepła otoczenia wynosi
)
)
)
)
Q N = Q N1 + Q N3 + Q N4 = 617,550 J/g
14
PL 203 224 B1
Zatem sprawność cieplna η silnika kriogenicznego wynosi
)
WNET
η=
= 0,610
QN
Ponieważ sprawność cieplna dużych, wielomegawatowych, konwencjonalnych, kondensacyjnych silników cieplnych o maksymalnej temperaturze w przybliżeniu 1100°F (593°C) wynosi tylko
0,40, to sprawność kondensacyjnego silnika kriogenicznego jest znacząco większa. A, co najważniejsze, silnik kriogeniczny nie spala żadnego paliwa, nie wytwarza żadnych spalin (brak skażenia środowiska) i nie powoduje żadnego hałasu.
Powyższa analiza ilościowa umożliwia obliczenie całkowitej mocy wyjściowej P silnika krioge& . Przykładowo masonicznego, odpowiadającej masowemu natężeniu przepływu płynu roboczego m
we natężenie przepływu tylko 20 g/s wytworzy 7,5 kW. Natężenie przepływu 50 g/s wytworzy moc
wyjściową 18,8 kW. Stanowi to znaczne ulepszenie w stosunku do mojego poprzedniego wynalazku
według patentu USA nr 5.040.373.
Fig. 5 jest schematycznym perspektywicznym widokiem z góry korzystnego przykładu realizacji
systemu 32 skraplania magnetycznego pary pochodzącej z kriogenicznego silnika 44, opisanego powyżej, ilustrującym jego konstrukcję. Jak pokazano na tym rysunku, środkowy pierwotny przewód 70 przenoszenia ciepła jest skonstruowany jako zamknięta sześciokątna pętla z nadprzewodzącymi elektromagnesami 72 zamontowanymi przy każdym wierzchołku 74 i w środkowych częściach każdego boku.
Wokół pierwotnego przewodu 70 przenoszenia ciepła zamontowane jest zatem dwanaście nadprzewodzących elektromagnesów 72. System ten jest skonstruowany tak, że ciekły tlen przemieszcza się poprzez ten przewód 70 w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Sześciokątny pierwotny przewód 70 jest wykonany z miedzi, aby miał dobrą przewodność cieplną. (Miedź jest niemagnetyczna i nie
działają na nią pola magnetyczne.) Każdy elektromagnes 72 jest wyposażony w parę jednokierunkowych drzwiczek 76 (fig. 6) zamontowanych na każdym końcu otworów 78, na skutek czego wewnątrz
każdego elektromagnesu utworzone są szczelnie zamknięte komory 80. Drzwiczki 76 są otwierane
i zamykane przez zasilane elektrycznie szybko działające siłowniki 82 sterowane komputerowo.
Jak pokazano na fig. 5, ponieważ chłodzenie powodowane przez skraplacz magnetyczny przeprowadzane jest wewnątrz ciekłego tlenu 84 w komorach 80, kiedy ten ciekły tlen 84 podlega demagnetyzacji, podczas gdy elektromagnesy są wyłączone, skraplające rurki są skonstruowane jako zawierające dwanaście oddzielnych rurek 86 owiniętych wokół pierwotnego przewodu 70 pomiędzy
wszystkimi sąsiednimi elektromagnesami 72. Dopływająca para 88 pochodząca z niskotemperaturowego wymiennika ciepła 40 jest wprowadzana w magnetyczny skraplacz 32 poprzez wlotowy przewód
90 i podzielona na dwanaście równych strumieni o jednakowych masowych natężeniach przepływu
przez centralny rozdzielacz 92. Izolowane cieplnie doprowadzające przewody 94 transportują parę 88
z rozdzielającego systemu 92 do każdej z tych dwunastu skraplających rurek 86. Te skraplające rurki
86 są również wykonane z miedzi i są ciasno owinięte wokół pierwotnego przewodu 70 przenoszenia
ciepła w kształcie śrubowych wężownic 86 w kontakcie cieplnym z centralnym przewodem 70 przenoszenia ciepła. Para 88 jest chłodzona przy przechodzeniu przez skraplające wężownice 86 i wypływa
jako skroplony azot o temperaturze 76°K. Po przepływie przez skraplające wężownice 86 ciekły azot
jest wprowadzany w izolowane cieplnie powrotne przewody 96, które są dołączone do przewodu 38
wypływu ciekłego azotu. Ciekły azot jest następnie doprowadzany do niskociśnieniowej izentropowej
sprężarki 34 (fig. 4), jest sprężany do 2,0 bar i przepływa wokół różnych części składowych magnetycznego skraplacza jako kriogeniczne chłodziwo, zanim opuści skraplacz 32.
Nadprzewodzące elektromagnesy 72 będą miały maksymalne natężenie pola magnetycznego
30 T. Ich fizyczne wymiary są następujące: średnica zewnętrzna = 30 cm (11,8 cal), wewnętrzna
średnica otworu = 10,4 cm (4,09 cal), a długość (grubość) elektromagnesów 100 zamontowanych
w punktach środkowych prostych odcinków sześciokątnego pierwotnego przewodu 70 przyjmowana
będzie jako 15 cm (4,7 cal). (Szczegółowa konstrukcja nadprzewodzących elektromagnesów o silnym
polu opisana jest w artykule Advanced High-Field Coil Designs: 20 Tesla, Advances in Cryogenic Engineering, wol. 29, s. 57-66, R. Hoard i in.) Elektromagnesy 72 w korzystnym przykładzie wykonania
są skonstruowane tak, że gradient pola magnetycznego po jednej stronie różni się nieco od gradientu
pola po drugiej stronie. Uzyskano to przez większe skupienie nadprzewodnika po jednej stronie elektromagnesu. Spowoduje to wytwarzanie większej siły przyciągania magnetycznego po jednej stronie
niż po drugiej, tak że ciekły tlen będzie zmuszony poruszać się wokół sześciokątnego środkowego
PL 203 224 B1
15
przewodu 70 w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Elektromagnesy 72 są również wyposażone po każdej stronie w cylindryczne rurowe odcinki 102, wykonane z miękkiego żelaza, co
ogranicza pola magnetyczne wytworzone przez elektromagnesy do stosunkowo niewielkich obszarów
104 otaczających środkowy przewód 70. Wiele izolowanych cieplnie rozporek 106 łączy wszystkie
elektromagnesy ze sobą w sztywną konstrukcję, która wspiera również sześciokątny przewód 70
przenoszący ciepło, który przechodzi przez każdy elektromagnes 72.
Wewnętrzna średnica pierwotnego przewodu 70 wymiany ciepła, który przechodzi przez elektromagnesy 100 zamontowane w punktach środkowych każdego boku odcinków przewodu pierwotnego,
wynosi 10 cm (3,94 cala). Komory 80 wewnątrz tych otworów będą miały objętość 1178,097 cm3. Inne
elektromagnesy 108 zamontowane wokół wierzchołków pierwotnego przewodu 70 są zakrzywione, ale
mają taką samą objętość V komory wewnętrznej. Nadprzewodnik 110 elektromagnesów 72 jest wykonany z odpornych na wysoką temperaturę drutów nadprzewodzących, tak że kriogeniczne chłodziwo
112 przepływające w dwuściennych kriogenicznych cieplnych osłonach 114 wokół każdego elektromagnesu 72 jest ciekłym azotem o temperaturze 77°K, który jest otrzymany ze skraplających wężownic 86.
(Patrz Critical Current Properties Under High Magnetic Fields Up To 30 T For Y-Ba-Cu-O Films By
MOCVD, IEEE Transactions On Magnetics, wol. 27, nr 2, marzec 1991, S. Matsuno i in.).
Każdy bok sześciokątnego pierwotnego przewodu 70 przenoszenia ciepła ma długość 100 cm
(39,37 cala). Zatem długość (patrz fig. 5) sześciokątnego pierwotnego przewodu 70 przenoszenia
ciepła (mierzona od środka przewodu) wynosi 200 cm (78,74 cala lub 6,56 stopy), a szerokość wynosi
173,21 cm (68,16 cala lub 5,69 stopy). Ponieważ zewnętrzna średnica elektromagnesów 72 wynosi 30
cm, zatem zewnętrzna długość pomiędzy przeciwległymi elektromagnesami wynosi 230 cm (90,55
cala lub 7,54 stopy), a szerokość wynosi 203,21 cm (80,00 cala lub 6,67 stopy). Kiedy dodana jest
wielowarstwowa kriogeniczna izolacja cieplna 116 i dwuścienna cieplna osłona 114, całkowita zewnętrzna długość magnetycznego skraplacza 32 wynosi w przybliżeniu 232 cm (91,34 cala lub 7,61
stopy), a całkowita zewnętrzna szerokość wynosić będzie około 205,21 cm (80,79 cal lub 6,73 stopy).
Całkowita zewnętrzna grubość łącznie z cieplną izolacją 116 wynosić będzie około 35 cm (13,78 cal
lub 1,15 stopy).
Fig. 6 jest powiększonym wzdłużnym widokiem perspektywicznym pierwotnego przewodu 70
przenoszenia ciepła pomiędzy dwoma sąsiednimi elektromagnesami 72, przedstawiającym konstrukcję zamontowanych wewnątrz turbin 102 napędzanych energią magnetyczną. Razem wewnątrz pierwotnego przewodu 70 przenoszenia ciepła, jak pokazano na fig. 5, zamontowane jest dwanaście takich turbin 120. Są one wykonane z niemagnetycznego materiału, takiego jak materiał kompozytowy
z tworzywem sztucznym lub włóknem szklanym. Są one wsparte wewnątrz przewodu 70 przez system
obrotowych kołowych tulejowych pierścieni 122 z kołnierzami, które pasują w szczeliny 126 zamontowane wewnątrz ścianki nieruchomego pierwotnego przewodu 70. Fig. 7 jest powiększonym przekrojem poprzecznym, przedstawiającym ponadto konstrukcję wspierających tulei 122. Jak pokazano na
fig. 6, spiralnie skręcający kształt łopatek 128 turbiny ma coraz większy skok, tak że ciekły tlen 130
przepływający wewnątrz przewodu 70 od wyłączonego elektromagnesu 132 do włączonego elektromagnesu 134 poprzez turbinę 120 pod działaniem silnych sił przyciągania magnetycznego włączonego elektromagnesu 134 będzie hamować skroplony tlen 130, gdy ten skroplony tlen 130 zbliża się do
włączonego elektromagnesu 134, tak że skroplony tlen ma bardzo małą prędkość ruchu translacyjnego przy wchodzeniu w otwór 136 włączonego elektromagnesu 134. Ponieważ lepkość skroplonego
tlenu w temperaturze kriogenicznej jest wśród najmniejszych wartości dla wszystkich płynów i dlatego
jest on doskonałym kriogenicznym środkiem smarującym, możliwe jest skonstruowanie turbin 120
napędzanych energią magnetyczną, mających bardzo dużą sprawność. Zasadniczo cała skierowana
energia kinetyczna skroplonego tlenu dopływającego do komory 80 włączonego elektromagnesu 134
pod działaniem sił przyciągania magnetycznego będzie przetwarzana w pracę mechaniczną przez
turbinę 120 napędzaną energią magnetyczną. Generator 138 prądu elektrycznego przetwarza tę pracę mechaniczną wykonywaną przez turbinę 120 w energię elektryczną. System połączenia pomiędzy
turbiną 120 a generatorem 138 jest przedstawiony na fig. 6 i 7. Układ rowków 140 zamontowanych na
zewnętrznej stronie obrotowych tulei 122, które są sztywno dołączone do obrotowej turbiny 120, obraca napędzające koło 142, którego zęby 144 wchodzą w rowki 140. Napędzające koło 142 jest dołączone do napędowego wału 14 6 generatora 138 prądu elektrycznego. Konstrukcja ta przewiduje zatem środki przenoszenia mechanicznej pracy ΔHm wytworzonej przez turbinę 120 wirującą wewnątrz
szczelnie zamkniętego pierwotnego przewodu 10 na generator 138 prądu elektrycznego zamontowany na zewnątrz przewodu 70.
16
PL 203 224 B1
Prąd jest przełączany z włączonych elektromagnesów na wyłączone elektromagnesy przez
nadprzewodzące obwody przełączające 148 sterowane przez centralny komputer 150 (fig. 5). Prąd
jest przenoszony z elektromagnesów i obwodów przełączających 148 przez nadprzewodzące przewody 152. Podobnie, prąd wytwarzany przez generatory 138 jest również doprowadzany do obwodów
148 przełączania prądu poprzez elektryczne przewody 154, a ponadto jest również doprowadzany do
elektromagnesów podczas procesu włączania ich. Jak opisano powyżej, kiedy paramagnetyczny
skroplony tlen jest wciągany we włączony nadprzewodzący elektromagnes przez działanie sił przyciągania magnetycznego, energia pochodzi z energii indukcyjnej elektromagnesu. Powoduje to niewielkie
zmniejszenie energii indukcyjnej elektromagnesu, co się objawia poprzez niewielkie zmniejszenie
natężenia jego prądu. Mechanizm, który powoduje taki spadek natężenia prądu, jest wywołany sprzężeniem indukcyjnym pomiędzy dipolami magnetycznymi w ciekłym tlenie a polem magnetycznym włączonych elektromagnesów. Przy doprowadzeniu całego prądu wytworzonego przez generator 138
prądu elektrycznego z powrotem do elektromagnesu, gdy jest on włączany, pierwotna energia indukcyjna tego elektromagnesu będzie zawsze przywracana do swej wartości początkowej. Jest to realizowane przez przełączające obwody 148. Sterujący komputer 150 wykonuje polecenia sterujące wydawane przez człowieka obsługującego silnik i przez różne przetworniki 156, które monitorują termodynamiczne parametry w różnych punktach 158 przepływu w magnetycznym skraplaczu 32 oraz
w kriogenicznym silniku 44. System 148 przełączania prądu jest podobny do znanych obwodów przełączania prądu skonstruowanych do nadprzewodzących silników, ale działa ze znacznie mniejszą
częstotliwością. Szczegóły konstrukcji nadprzewodzącego obwodu przełączającego prąd można znaleźć
w następujących publikacjach: Superconducting Motors, s. 115-131 w książce Superconductivity - The
New Alchemy, 1989, John Langone; Introduction To Superconducting Circuits, John Wiley & Sons, Inc.,
1999, Alan M. Kadin; oraz Superconducting Devices, Academic Press, Inc., 1990, wyd. Steven T. Ruggiero
i David A. Rudman.
Szczegółowe parametry działania skraplacza magnetycznego, działającego na zasadzie zjawiska magnetokalorycznego według korzystnego przykładu wykonania skraplacza podano w równaniach (8). Przy przetwarzaniu energii kinetycznej ciekłego tlenu przepływającego przez pierwotny
przewód 70 przenoszenia ciepła pod działaniem sił przyciągania magnetycznego, wytwarzanych przez
włączone nadprzewodzące elektromagnesy 134 (fig. 6), ciecz będzie wchodzić w komory 80 wewnątrz
otworów 136 włączonych elektromagnesów 134, gdzie osiąga maksymalne namagnesowanie przy
bardzo małej prędkości. Ciecz wewnątrz komór 80 jest zatem magnesowana izotermicznie. Temperatura cieczy wchodzącej w komory 80 jest równa początkowej temperaturze T1 = 56°K. Jednakże początkowa entropia S1 ciekłego tlenu wewnątrz komór 80 jest zmniejszona o wartość ΔSm określoną
przez równanie (1) na skutek uporządkowania dipoli przez pole magnetyczne B o wartości ΔSm określonej przez równanie (1). Kiedy magnetyczne pole B jest wyłączone przez przeniesienie prądu płynącego we włączonych elektromagnesach 134 na poprzedzające sąsiednie elektromagnesy za pomocą
obwodu 148 przełączania prądu, ciekły tlen zostaje rozmagnesowany, a jego temperatura maleje
o wartość ΔTm określoną przez równanie (4). Ponieważ ten spadek temperatury wynosi 1,394°K, temperatura wynosi T2 = T1-ΔTm = 54,606°K. Ciekły tlen wewnątrz komór 80 staje się, zatem upustem
cieplnym przeznaczonym do absorbowania pewnej ilości energii cieplnej Qm = CΔTm = 2,31679 J/g = ciepło magnetyzacji ΔHm. Ponieważ gęstość ρ ciekłego tlenu przy temperaturze 56°K wynosi 1,299 g/cm3,
całkowita ilość ciepła, jaką ciekły tlen wewnątrz każdej komory 80 może absorbować przy temperaturze T1 = 56°K bez zwiększenia swej temperatury powyżej 56°K po wyłączeniu pola magnetycznego
wynosi ρVQM = 3545,495 J. Ciepło to będzie pobierane od pary przepływającej wokół pierwotnego
przewodu 70 przenoszenia ciepła wewnątrz skraplającej rurki 86 przy początkowej temperaturze
125,756°K. Ponieważ różnica temperatury jest tak duża, przenoszenie ciepła pomiędzy parą azotu
przepływającą przez skraplającą rurkę 86 a ciekłym tlenem wewnątrz komór 80 jest dość szybkie. Aby
uzyskać dużą prędkość przenoszenia ciepła pomiędzy azotem a tlenem, komory 80 są wyposażone
w wiele cienkich cieplnych powierzchni 160, wykonanych z miedzi, które przebiegają wzdłużnie przez
komory 80 w kontakcie cieplnym z ciekłym tlenem i przez pierwotną rurę 70 przenoszenia ciepła, jak
pokazano na fig. 8. Masowe natężenie przepływu pary azotu dopływającej do skraplających rurek 86
przy ciśnieniu 1,0 bar jest takie, że temperatura jest zmniejszona do 76°K tam, gdzie para staje się
nasycona i zostaje ona przy tej temperaturze skroplona przez odprowadzanie dodatkowej energii
cieplnej (ciepło parowania). Jak opisano powyżej, dopływająca para jest wprowadzana w dwanaście
skraplających rurek 86 przenoszenia ciepła poprzez rozdzielacz 92. Strata ciepła w ciekłym tlenie na
skutek demagnetyzacji jest przenoszona do pierwotnego przewodu 70 przenoszenia ciepła, skąd
17
PL 203 224 B1
z kolei jest przenoszona do dwunastu rurek 86 przenoszenia ciepła (rurek skraplających) poprzez
& pary 89 dopływającej do magnetycznego skraplacza
rozdzielacz 92. Masowe natężenie przepływu m
& QE według rów32 jest takie, że ta strata ciepła jest dokładnie równa ciepłu odprowadzanemu z pary m
nania (10). Ponieważ przy każdym przełączeniu prądu z włączonych elektromagnesów na wyłączone
elektromagnesy równocześnie sześć części ciekłego tlenu poddawane jest demagnetyzacji, a prąd
jest przełączany R razy na minutę, całkowita wartość energii cieplnej wyprowadzanej z dopływającej
pary w ciągu minuty (prędkość chłodzenia) przez zjawisko magnetokaloryczne jest określona przez
następujące równanie
)
Q c = 6ρVRQm = 21272,974 x R J/min
(13)
W korzystnym przykładzie realizacji magnetyczny skraplacz 32 ma za zadanie umożliwienie, by
kriogeniczny silnik wytwarzał na wyjściu nieprzerwanie moc 10 kW. Zgodnie z równaniami (11) i (12)
masowe natężenie przepływu m azotu, które wytwarzać będzie nieprzerwanie moc 10 kW, wynosi
26,562 g/s. Ponieważ skraplacz musi odprowadzać QE = 253,523 J energii cieplnej w celu skroplenia
każdego grama (patrz równanie 10), zatem skraplacz magnetyczny musiałby powodować chłodzenie
& QE = 26, 562 x 253,523 = 6734,180 J/s = 4, 041 x 105 J/min. W konsekwencji poz prędkością m
trzebna częstość powtarzania R może być obliczona z następującego równania
R=
m& QE
= 19,0
6 ρVQm
Zatem odstęp czasowy pomiędzy przełączeniami prądu wynosi 3,16 s. Ponieważ czas potrzebny na przejście skroplonego tlenu przez sekcje przewodu od jednego elektromagnesu do sąsiedniego
elektromagnesu będzie krótszy niż 2 s, częstość powtarzania R = 19,0 na minutę będzie dobrze mieścić się w ograniczeniach roboczych. (Jeżeli częstość powtarzania R byłaby mniejsza niż 19,0, wówczas temperatura skroplonego tlenu zaczęłaby rosnąć powyżej 56°K, ponieważ strata ciepła powodowana przez zjawisko magnetokaloryczne byłaby mniejsza niż potrzeba do skroplenia pary azotu.
Gdyby częstość ta była większa niż 19,0, temperatura ciekłego tlenu zaczęłaby maleć poniżej 56°K).
Ponieważ spadek temperatury ΔTm ciekłego tlenu następuje prawie natychmiast po przełączeniu prądu z jednego elektromagnesu na sąsiedni elektromagnes, skraplacz magnetyczny mógłby działać przy
większej częstości powtarzania R, aby powodować szybsze chłodzenie. Umożliwiłoby to działanie
& , aby powodować nieprzerwasilnika kriogenicznego z większym masowym natężeniem przepływu m
nie wytwarzanie większej mocy wyjściowej.
Istnieje wiele innych odmian i modyfikacji systemu skraplania magnetycznego. Przykładowo
mniejsze magnetyczne systemy skraplające można by zastosować z małymi silnikami kriogenicznymi
do wytwarzania zarówno energii elektrycznej jak i do chłodzenia w prywatnych domach. System taki
mógłby również być wykorzystywany do wielu różnych zastosowań poza skraplaczami silników kriogenicznych. Przykładowo magnetyczny system skraplania, pokazany na fig. 5, można by również
wykorzystywać do wytwarzania ciekłego powietrza bezpośrednio z atmosfery. Przez doprowadzenie
powietrza atmosferycznego o temperaturze i ciśnieniu otoczenia do wlotowego kanału 90 z wylotowego kanału 98 otrzymywano by ciekłe powietrze. Inny przykład wykonania można by skonstruować do
klimatyzacji (chłodzenia) powietrza w domach w gorącym środowisku. W takim przykładzie wykonania
gorące powietrze z wnętrza budynku byłoby doprowadzane do wlotowego kanału 90, gdzie przez
przeniesienie ciepła do paramagnetycznego płynu byłoby chłodzone do pewnej komfortowej temperatury i wypływałoby z powrotem do wnętrza budynku poprzez wylotowy kanał 98. Innym przykładem
wykonania mogłoby być wykorzystanie do chłodzenia magazynu żywności (to znaczy lodówki).
Możliwe są jeszcze inne przykłady wykonania i odmiany podstawowego wynalazku. Przykładowo, ponieważ tlenek azotu (NO) jest innym gazem, który jest naturalnie paramagnetyczny, system
skraplania magnetycznego mógłby być również skonstruowany z wykorzystaniem ciekłego tlenku
azotu jako paramagnetycznego płynu roboczego zamiast ciekłego tlenu. Może być również możliwe
sztuczne wytworzenie innego ciekłego gazu, który jest bardziej paramagnetyczny niż ciekły tlen i który
mógłby być wykorzystany w praktycznej realizacji tego wynalazku. Paramagnetyczny płyn roboczy
mógłby być również gazem paramagnetycznym w niskiej temperaturze, takim jak gazowy tlen.
Ponieważ bez odchodzenia od ducha i zakresu wynalazku możliwe jest wprowadzanie wielu różnych
zmian i modyfikacji w powyższym sposobie i urządzeniu do wytwarzania sztucznego, niskotemperaturowego
18
PL 203 224 B1
zbiornika ciepła, całą treść powyższego opisu i załączonych rysunków należy interpretować w sensie
ilustracyjnym a nieograniczającym.
Zastrzeżenia patentowe
1. Sposób generowania niskotemperaturowego upustu cieplnego do absorbowania energii cieplnej przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia, znamienny tym, że magnesuje się paramagnetyczny płyn (10) przy temperaturze początkowej poniżej temperatury otoczenia przez poddanie tego
płynu działaniu pola magnetycznego, po czym przetwarza się ciepło magnetyzacji paramagnetycznego
płynu (10) w pracę mechaniczną oraz wyłącza się pole magnetyczne uzyskując spadek temperatury
w paramagnetycznym płynie przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia na skutek zjawiska magnetokalorycznego, by absorbować ciepło przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia.
2. Sposób generowania niskotemperaturowego upustu cieplnego do absorbowania energii
cieplnej przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia naturalnego środowiska, znamienny tym,
że magnesuje się paramagnetyczny płyn (10) w stanie ciekłym przy temperaturze początkowej poniżej
temperatury otoczenia naturalnego środowiska przez umożliwienie, aby ten płyn był przeciągany
przez przewód pierwotny w pole magnetyczne za pomocą sił przyciągania magnetycznego, przy czym
ruch poprzez ten przewód wytwarza energię kinetyczną, po czym rozmagnesowuje się ten paramagnetyczny płyn (10) przy początkowej temperaturze poniżej temperatury otoczenia przez wyłączenie
pola magnetycznego, przez co osiąga się spadek temperatury w płynie paramagnetycznym do temperatury poniżej początkowej temperatury poniżej temperatury otoczenia na skutek zjawiska magnetokalorycznego, przez co umożliwia się, by płyn paramagnetyczny (10) pochłania energię cieplną przy
temperaturze poniżej temperatury otoczenia oraz powtarza się magnesowanie i rozmagnesowywanie,
umożliwiając przez to, by paramagnetyczny płyn ciągle pochłaniał energię cieplną przy temperaturze
poniżej temperatury otoczenia.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się paramagnetyczny płyn (10) w postaci ciekłego tlenu o temperaturze kriogenicznej, a przetwarzanie energii kinetycznej w pracę mechaniczną odbywa się za pomocą turbiny w przewodzie pierwotnym.
4. Sposób według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że pole magnetyczne wytwarza się za pomocą nadprzewodzącego elektromagnesu posiadającego środkowy otwór, przez który przechodzi
przewód pierwotny.
5. Sposób według zastrz. 2 albo 3 albo 4, w którym przewód pierwotny jest w kontakcie cieplnym z pochłaniającym ciepło paramagnetycznym płynem, znamienny tym, że montuje się przewód
wtórny w kontakcie cieplnym z przewodem pierwotnym i skrapla się nieskroploną parę w temperaturze
niższej od temperatury otoczenia przez doprowadzanie tej pary do przewodu wtórnego i przenoszenie
energii cieplnej z pary do pochłaniającego ciepło płynu paramagnetycznego.
6. Urządzenie do pochłaniania energii cieplnej w temperaturze poniżej temperatury otoczenia,
znamienne tym, że zawiera paramagnetyczny płyn (10) w stanie ciekłym o początkowej temperaturze
niższej od temperatury otoczenia, środki do wytwarzania pola magnetycznego i przewód (70) pierwotny wchodzący w pole magnetyczne w celu magnesowania paramagnetycznego płynu (10) umożliwiając przepływ przez ten przewód w kierunku do pola magnetycznego napędzany przez siły przyciągania magnetycznego wytwarzane przez pole magnetyczne oraz środki do przetwarzania ciepła magnetyzacji w pracę mechaniczną przez turbinę (120) zamontowaną wewnątrz przewodu, a także środki do
demagnetyzacji płynu przez usuwanie pola magnetycznego, przez co uzyskuje się spadek temperatury w paramagnetycznym płynie (10) do temperatury poniżej początkowej temperatury mniejszej niż
temperatura otoczenia, generowane przez zjawisko magnetokaloryczne, co umożliwia pochłanianie
przez płyn paramagnetyczny energii cieplnej przy temperaturze mniejszej od temperatury otoczenia;
oraz środki do powtarzania magnesowania i rozmagnesowywania, aby umożliwić przez to ciągłe pochłanianie przez płyn paramagnetyczny energii cieplnej poniżej temperatury otoczenia.
7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że paramagnetycznym płynem (10) jest ciekły
tlen o temperaturze kriogenicznej.
8. Urządzenie według zastrz. 6 albo 7, znamienne tym, że pole magnetyczne jest wytwarzane
przez nadprzewodzący elektromagnes (72) posiadający środkowy otwór, przez który przechodzi
przewód (70) pierwotny.
PL 203 224 B1
19
9. Urządzenie według zastrz. 6 albo 7 albo 8, w którym przewód pierwotny jest w kontakcie
cieplnym z pochłaniającym ciepło płynem paramagnetycznym, znamienne tym, że zawiera przewód
wtórny w kontakcie cieplnym z przewodem (70) pierwotnym oraz środki do doprowadzania nieskroplonej pary o temperaturze niższej od temperatury otoczenia w przewód wtórny, aby przez to ciepło było
przenoszone z pary do płynu paramagnetycznego w celu skraplania tej pary przy temperaturze niższej
od temperatury otoczenia.
10. Urządzenie według zastrz. 6 albo 7, albo 8, albo 9, znamienne tym, że nieskroplona para
jest parą wyprowadzoną z silnika (44) kriogenicznego, a ponadto urządzenie zawiera środki do recyrkulacji skroplonej pary z powrotem do silnika kriogenicznego.
11. Urządzenie według zastrz. 6 albo 7, albo 8, albo 9, albo 10, znamienne tym, że powtarzanie magnetyzacji i demagnetyzacji obejmuje: środkowy przewód (70) pierwotny, tworzący zamkniętą
pętlę, zawierający płyn paramagnetyczny i w kontakcie cieplnym z płynem oraz wiele usytuowanych
w odstępach nadprzewodzących (72) elektromagnesów, posiadających środkowe otwory (78) zamontowane wokół przewodu pierwotnego, który przechodzi przez te otwory, a także turbinę (120) zamontowaną wewnątrz przewodu (70) pierwotnego w kontakcie cieplnym z przewodem pierwotnym i wiele
komór (80) z uszczelniającymi drzwiczkami (76) zamontowanymi w otworach (78) łączących z przewodem (70) pierwotnym oraz środki do zasilania przemiennie nadprzewodzących elektromagnesów
prądem, przez co w co drugich elektromagnesach powstają pola magnetyczne i środki do wprowadzania płynu paramagnetycznego w komory co drugich elektromagnesów, posiadających pole magnetyczne, przez co płyn ten jest magnesowany, a także środki do wyłączania co drugich nadprzewodzących elektromagnesów zawierających płyn paramagnetyczny przez przenoszenie ich prądu do niezasilanych sąsiednich elektromagnesów, aby przez to rozmagnesowywać paramagnetyczny płyn (10)
i powodować spadek temperatury w paramagnetycznym płynie przez zjawisko magnetokaloryczne
oraz środki do otwierania drzwiczek (76) komór (80) zawierających rozmagnesowany paramagnetyczny płyn (10), aby umożliwiać rozmagnesowanie płynu przez przyspieszanie przez przewód pierwotny
w kierunku do pól magnetycznych sąsiednich włączonych elektromagnesów przez siły przyciągania
magnetycznego, aby umożliwić przez to przejawianie się magnetyzacji w postaci energii kinetycznej,
a także środki do przetwarzania ciepła magnetyzacji w pracę mechaniczną przez przetwarzanie energii kinetycznej w pracę mechaniczną za pomocą turbiny i środki do podawania nieskroplonej pary
o temperaturze niższej od temperatury otoczenia, wyprowadzonej z silnika (44) kriogenicznego,
w przewód wtórny, aby przez to skropić parę w temperaturze niższej od temperatury otoczenia przez
przeniesienie energii cieplnej z pary do płynu paramagnetycznego oraz środki do powtarzania przenoszenia prądu z włączonych elektromagnesów do niewłączonych elektromagnesów i uwalniania płynu
do przepływu z jednego elektromagnesu do drugiego wokół zamkniętej pętli przewodu pierwotnego
przez obwody przełączające i środki do otwierania i zamykania drzwiczek, aby płyn paramagnetyczny
był przez to poddawany szeregowi etapów magnetyzacji i demagnetyzacji, tworzących upust cieplny
do pochłaniania energii cieplnej z pary przepływającej przez przewód wtórny przy temperaturze niższej od temperatury otoczenia.
12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że zawiera środki do recyrkulacji skroplonej
pary z powrotem do silnika (44) kriogenicznego, dzięki czemu silnik działa cyklicznie.
13. Urządzenie do wytwarzania niskotemperaturowego upustu cieplnego do pochłaniania energii cieplnej przy temperaturze niższej od temperatury otoczenia, znamienne tym, że zawiera środki do
magnesowania płynu paramagnetycznego o początkowej temperaturze poniżej temperatury otoczenia
przez poddawanie płynu działaniu pola magnetycznego i środki do przetwarzania ciepła magnetyzacji
płynu paramagnetycznego w pracę mechaniczną oraz środki do usuwania pola magnetycznego
z płynu, aby przez to osiągnąć spadek temperatury w płynie paramagnetycznym przy temperaturze
poniżej temperatury otoczenia dzięki zjawisku magnetoelektrycznemu i umożliwić pochłanianie przez
płyn ciepła przy temperaturze poniżej temperatury otoczenia.
20
PL 203 224 B1
Rysunki
PL 203 224 B1
21
22
PL 203 224 B1
PL 203 224 B1
23
24
PL 203 224 B1
Departament Wydawnictw UP RP
Cena 4,00 zł.