АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА АЗОТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ОБЪЕКТОВ 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 специальных стационарных объектов, а также и транспортных средств.

Известны технические решения газовых турбин, в которых энергия сжатого (высокого давления) газа при расширении преобразуется в работу одновременно с понижением температуры газа (Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим.-техн. спец. вузов. - М.: Бысш. шк., 1986. - стр. 307). Однако для эффективной работы расширительной турбины необходим газ с высоким давлением и температурой.

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителям с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 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, стр. 202).

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., стр. 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/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 35). Однако жидкий воздух обладает повышенной пожароопасностью.

Известно, что азот является химически малоактивным веществом, неядовит 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. стр. 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 XXXI века" //, СПб., 1998. - стр. 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 обитаемых помещений, без нарушения состава воздуха внутри этих помещений, с высоким уровнем взрыво- пожаробезопасности и получении дополнительной электроэнергии.

Для достижения этого технического результата, автономная система азотного охлаждения для термостатирования стационарных объектов, 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, теплообменник подогрева азота, расширительную турбину с электрогенератором на одном валу, расширительную емкость, дроссельный вентиль, криогенную холодильную машину Стирлинга, сосуд Дьюара, насос высокого давления, подающий жидкий азот из сосуда Дъюара в емкость с жидким азотом, и обратный клапан, а также контуром охлаждения криогенной машины Стирлинга, проходящим через теплообменник подогрева азота и включающим в себя насос и теплообменник, связанный с окружающей средой, при этом привод криогенной машины Стирлинга осуществляется от электродвигателя или специального теплового двигателя.

Введение в состав автономной системы азотного охлаждения для термостатирования стационарных объектов, замкнутого контура азота с теплообменником подогрева азота, расширительной турбиной и криогенной машиной Стирлинга, а также контура охлаждения криогенной машины, связанного с замкнутым контуром азота через теплообменник подогрева азота, позволяет получить новое свойство, заключающееся в исключении выброса испарившегося азота в окружающую среду за счет его переконденсации в криогенной машине Стирлинга, уменьшении потребляемой мощности на привод криогенной машины Стирлинга за счет снижения верхней температуры цикла машины и получении дополнительной электроэнергии в электрогенераторе при расширении азота высокого давления.

На чертеже изображена автономная система азотного охлаждения для термостатирования стационарных объектов.

Автономная система состоит из замкнутого контура азота, в который входят емкость с жидким азотом 1, погружной центробежный насос 2, теплоизолированный охлаждаемый объем 3, воздухоохлаждающая панель 4, теплообменник подогрева азота 5, расширительная турбина 6 на одном валу с электрогенератором 7, расширительная емкость 8, дроссельный вентиль 9, криогенная холодильная машина Стирлинга 10, включающая в себя конденсатор 11 и холодильник 12, сосуд Дьюара 13, насос высокого давления 14, обратный клапан 15, и контура охлаждения криогенной машины 10, состоящего из насоса 16, теплообменника 17 и проходящего через теплообменник подогрева азота 5. Теплообменник 17 связан с окружающей средой с помощью трубопроводов 18. Привод холодильной машины Стирлинга 10 может осуществляться от электродвигателя 19 или специального теплового двигателя.

Автономная система азотного охлаждения для термостатирования стационарных объектов 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 переходит в газообразное состояние с высоким давлением. Из панели 4 газообразный азот поступает в теплообменник подогрева 5. где охлаждает охлаждающую жидкость контура охлаждения машины Стирлинга 10 до температуры ниже окружающей среды. В результате этого теплообмена температура азота повышается с одновременным повышением давления. Газообразный азот из теплообменника 5 поступает в расширительную турбину 6, где расширяется, при этом одновременно охлаждается и совершает полезную работу, генерируя электрический ток в электрогенераторе 7. После этого азот поступает в расширительную емкость 8, откуда через дроссельный вентиль 9, с целью предварительного охлаждения и снижения давления, засасывается в конденсатор 11 криогенной холодильной машины Стирлинга 10, где азот конденсируется, переходя в жидкую фазу, и сливается самотеком в сосуд Дьюара 13, откуда с помощью насоса высокого давления 14, через обратный клапан 15, подается вновь в емкость с жидким азотом 1.

Для привода криогенной машины Стирлинга 10 используется электродвигатель 19. С целью охлаждения криогенной машины 10 предусмотрен контур системы охлаждения. По этому контуру нагретая от рабочего тела машины 10 охлаждающая жидкость из холодильника 12 машины 10 с помощью насоса 16 подается в теплообменник 17, где происходит теплообмен с окружающей средой (например, атмосферный воздух), подаваемой по трубопроводам 18, при этом охлаждающая жидкость охлаждается до температуры окружающей среды. Затем жидкость подается в теплообменник подогрева азота 5, где она охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды за счет теплообмена с газообразным азотом, и поступает вновь в холодильник 12. За счет теплообмена охлаждающей жидкости с низкой температурой и рабочим телом машины 10 происходит снижение верхней температуры цикла машины Стирлинга 10, что приводит к увеличению холодильного коэффициента машины 10 и снижению потребляемой мощности на ее привод.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Чечеткин А. В. , Занемонец И.А. Теплотехника: Учеб. для хим.- техн. спец. вузов. М.: Высш. шк.. 1986. - стр. 307.

2. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 287-288.

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

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

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

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

7. 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. - стр. 32. - прототип.

B автономной системе азотного охлаждения для термостатирования стационарных объектов азотный контур выполнен замкнутым. Он состоит из емкости с жидким азотом, погружного центробежного насоса, воздухоохлаждающей панели, размещенной в охлаждаемом теплоизолированном объеме, теплообменника подогрева азота, расширительной турбины с электрогенератором на одном валу, расширительной емкости, дроссельного вентиля, криогенной машины Стирлинга, сосуда Дьюара, насоса высокого давления и обратного клапана. Контур охлаждения криогенной машины Стирлинга проходит через теплообменник подогрева азота и включает насос и теплообменник, связанный с окружающей средой. Привод криогенной машины Стирлинга осуществляется от электродвигателя или специального теплового двигателя. Использование изобретения позволит исключить потери азота и термостатировать обитаемые помещения без нарушения состава воздуха в них. 1 ил.

Автономная система азотного охлаждения для термостатирования станционарных объектов, включающая контур азота, содержащий емкость с жидким азотом, погружной центробежный насос для подачи жидкого азота и охлаждаемый теплоизолированный объем, отличающаяся тем, что контур азота выполнен замкнутым и снабжен воздухоохлаждающей панелью, размещенной в охлаждаемом теплоизолированном объеме, теплообменником подогрева азота, расширительной турбиной с электрогенератором на одном валу, расширительной емкостью, 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 подогрева азота и включающим насос и теплообменник, связанный с окружающей средой, при этом привод криогенной машины Стирлинга осуществляется от электродвигателя или специального теплового двигателя.