АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ С КРИОГЕННЫМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ Российский патент 2000 года по МПК F25J1/02 

Изобретение относится к области криогенной техники и криогенных холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга, может быть использовано для термостатирования как специальных стационарных объектов, так и транспортных средств.

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителям с применениям насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. Сб. статей под ред. проф. М.П. Малков. М.: Изд. "Иностр. литература", 1961, с. 287-288).

Известно устройство сосуда Дьюара для жидкого азота с вакуумно-порошковой изоляцией (Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. М. : Энергоиздат, 1981, с. 202).

Известна схема холодильной установки с вихревой трубой, включающей в себя источник газа с повышенным давлением (компрессор), вихревую трубу, магистраль теплого потока с дроссельным клапаном, магистраль холодного потока (Теоретические основы тепло- и хладотехники. Ч.1. Техническая термодинамика. Уч. пособие под ред. проф. Э.И. Гуйго. Л., 1974, с. 265).

Известно, что для сжижения газов может применяться вихревая труба (Р.Б. Скотт Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, с. 50). Однако при применении вихревой трубки коэффициент сжижения не превышает 15% от общего количества подаваемого в трубку газа.

Известно, что в области криогенных температур (60 - 160 К) наиболее высокоэффективным циклом является обратный цикл Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше, по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с. 185-186).

Известно устройство газовой холодильной машины "Филипса", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для ожижения воздуха и включающей в себя блок теплообменников: конденсатор, регенератор и холодильник. В качестве рабочего тела в холодильной машине используется гелий. (Вопросы глубокого охлаждения. Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. "Иностр. литература", 1961, с. 35). Однако жидкий воздух обладает повышенной пожароопасностью.

Известно, что азот является химически малоактивным веществом, не ядовит, и может применяться для создания инертной среды, ввиду своей взрыво-пожаробезопасности (Глинка Н.Л. Общая химия. Учебное пособие для вузов. - 22-е изд. , испр. Л.: Химия, 1982, с. 398 - 399). Однако получение азота является дорогостоящим технологическим процессом.

Известна система азотного охлаждения в теплоизолированном кузове автомашины, предназначенная для перевозки продуктов и позволяющая быстро охлаждать внутренний объем кузова. Система включает в себя емкость с жидким азотом, погружной центробежный насос для подачи жидкого азота (Акулов Л.А., Борзенко Е. И. , Соловьев В.А. Система азотного охлаждения в теплоизолированном кузове автомашины. //Тез. докладов международной науч.-техн. конф. "Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне XXI века". //СПб. , 1998, с. 32). Однако данная система предполагает заполнение внутреннего объема кузова азотом с последующим его выбросом в атмосферу, что не позволяет использовать ее для термостатирования обитаемых помещений и приводит к безвозвратной потери дорогостоящего газа - азота.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в исключении безвозвратной потери азота, возможности использования системы для термостатирования различных объектов, без нарушения состава воздуха внутри их объектов, с высоким уровнем взрыво-пожаробезопасности.

Для достижения этого технического результата, автономная система охлаждения с криогенным рабочим телом, включающая в себя емкость с жидким азотом, погружной центробежный насос для подачи жидкого азота, охлаждаемый теплоизолированный объем, снабжена замкнутым контуром азота, содержащим воздухоохлаждающую панель, расположенную в охлаждаемом теплоизолированном объеме, вихревую трубку, смесительную емкость, связанную с вихревой трубкой линиями холодного и теплого потоков с теплообменниками, дроссельный вентиль, криогенную холодильную машину Стирлинга, сосуд Дьюара, насос высокого давления, подающий жидкий азот из сосуда Дьюара в емкость с жидким азотом, и обратный клапан, а также, контуром охлаждения криогенной машины Стирлинга, проходящим через теплообменник холодного потока и включающим в себя насос и теплообменник, связанный с окружающей средой, при этом привод криогенной машины Стирлинга осуществляется от электродвигателя, специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства, а теплообменник теплого потока связан с окружающей средой.

Введение в состав автономной системы охлаждения с криогенным рабочим телом замкнутого контура азота с вихревой трубой, линиями холодного и теплого потоков с теплообменниками и криогенной машиной Стирлинга, а также, контура охлаждения криогенной машины, связанного с замкнутым контуром азота через теплообменник линии холодного потока, позволяет получить новое свойство, заключающееся в исключении выброса испарившегося азота в окружающую среду за счет его переконденсации в криогенной машине Стирлинга и получении дополнительного холода для уменьшения потребляемой мощности на привод криогенной машины Стирлинга за счет снижения верхней температуры цикла машины.

На чертеже изображена автономная системы охлаждения с криогенным рабочим телом.

Автономная система состоит из замкнутого контура азота, в который входят емкость с жидким азотом 1, погружной центробежный насос 2, теплоизолированный охлаждаемый объем 3, воздухоохлаждаемая панель 4, вихревая трубка 5, линия холодного потока 6 с теплообменником 7, линия теплого потока 8 с теплообменником 9, смесительная емкость 10, дроссельный вентиль 11, криогенная холодильная машина Стирлинга 12, включающая в себя конденсатор 13 и холодильник 14, сосуд Дьюара 15, насос высокого давления 16, обратный клапан 17, и контура охлаждения криогенной машины 12, состоящего из насоса 18, теплообменника 19 и проходящего через теплообменник 7 линии холодного потока 6. Теплообменник 19 контура охлаждения холодильной машины Стирлинга 12 и теплообменник 9 линии теплого потока 8 связаны с окружающей средой с помощью трубопроводов 20 и 21, соответственно. Привод холодильной машины Стирлинга 12 может осуществляться от электродвигателя, специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства (на чертеже не показаны).

Автономная системы охлаждения с криогенным рабочим телом работает следующим образом.

Жидкий азот из емкости 1 подается погружным центробежным насосом 2 в воздухоохлаждающую панель 4, расположенную в теплоизолированном охлаждаемом объеме 3, охлаждает внутреннюю среду объема 4 до нужной температуры, при этом сам нагревается и переходит в газообразное состояние с высоким давлением. Из панели 4 газообразный азот высокого давления поступает в вихревую трубку 5, где разделяется на два потока: холодный и теплый. Холодный поток по линии 6 проходит через теплообменник 7, где охлаждает жидкость контура охлаждения холодильной машины Стирлинга 12. Теплый поток по линии 8 проходит через теплообменник 9, где охлаждается за счет теплообмена с окружающей средой, поступающей по трубопроводам 21. В смесительной емкости 10 потоки, поступающие по линиям 6 и 8, смешиваются, затем, дросселируются в вентиле 11, с целью снижения давления и охлаждения, и засасываются в конденсатор 13 холодильной машины 12, где азот конденсируется, переходя в жидкую фазу, затем, сливается самотеком в сосуд Дьюара 15, откуда с помощью насоса высокого давления 16, через обратный клапан 17, подается вновь в емкость с жидким азотом 1.

С целью охлаждения криогенной машины 12, предусмотрен контур системы охлаждения. По этому контуру, нагретая от рабочего тела машины 12, охлаждающая жидкость из холодильника 14 машины 12 с помощью насоса 18 подается в теплообменник 19, где происходит теплообмен с окружающей средой (например, атмосферный воздух), подаваемой по трубопроводам 20, при этом охлаждающая жидкость охлаждается до температуры окружающей среды. Затем жидкость подается в теплообменник 7 линии холодного потока 6, где она охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды, за счет теплообмена с холодным газообразным азотом, и поступает вновь в холодильник 14. За счет теплообмена охлаждающей жидкости с низкой температурой и рабочим телом машины 12, происходит снижение верхней температуры цикла машины Стирлинга 12, что приводит к увеличению холодильного коэффициента машины 12 и снижению потребляемой мощности на ее привод.

Источники информации
1. Вопросы глубокого охлаждения. Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. "Иностр. литература", 1961, с. 287-288.

2. Соколов Е. Я. , Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Учеб. пособие для вузов. 2-е изд. - М.: Энергоиздат, 1981, с. 202.

3. Теоретические основы тепло- и хладотехники. Ч.1. Техническая термодинамика. Уч. пособие под ред. проф. Э.И. Гуйго. Л., 1974, с. 265.

4. P. Б. Скотт Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, с. 50.

5. Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с.185-186.

6. Вопросы глубокого охлаждения. Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. "Иностр. литература", 1961, с. 35.

7. Глинка Н. Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 22-е изд., испр. Л.: Химия, 1982, с. 398-399.

8. Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Соловьев В.А. Система азотного охлаждения в теплоизолированном кузове автомашины. //Тез. докладов международной науч.- техн. конф. "Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне XXI века".//СПб., 1998, с. 32 - прототип.

В автономной системе охлаждения замкнутый азотный контур состоит из емкости с жидким азотом, погружного центробежного насоса, воздухоохлаждающей панели, размещенной в охлаждаемом теплоизолированном объеме, вихревой трубки, смесительной емкости, дроссельного вентиля, криогенной машины Стирлинга, сосуда Дьюара, насоса высокого давления и обратного клапана. Смесительная емкость связана с вихревой трубкой линиями холодного и теплого потоков с теплообменниками. Контур охлаждения криогенной машины проходит через теплообменник холодного потока и включает насос и теплообменник, связанный с окружающей средой. Привод криогенной машины осуществляется от электродвигателя, специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства. Теплообменник теплого потока связан с окружающей средой. Использование изобретения позволит исключить потери азота и термостатировать различные объекты без нарушения состава воздуха. 1 ил.

Автономная система охлаждения с криогенным рабочим телом, включающая азотный контур, содержащий емкость с жидким азотом, погружной центробежный насос для подачи жидкого азота и охлаждаемый теплоизолированный объем, отличающаяся тем, что азотный контур выполнен замкнутым и снабжен воздухоохлаждающей панелью, размещенной в охлаждаемом теплоизолированном объеме, вихревой трубкой, смесительной емкостью, связанной с вихревой трубкой линиями холодного и теплого потоков с теплообменниками, дроссельным вентилем, криогенной машиной Стирлинга, сосудом Дьюара, насосом высокого давления, подающим жидкий азот из сосуда Дьюара в емкость с жидким азотом, и обратным клапаном, а система снабжена контуром охлаждения криогенной машины Стирлинга, проходящим через теплообменник холодного потока и включающим насос и теплообменник, связанный с окружающей средой, при этом привод криогенной машины Стирлинга осуществляется от электродвигателя, специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства, а теплообменник теплового потока связан с окружающей средой.