Устройство для охлаждения потребителя холода переохлажденным сжиженным газом Российский патент 2023 года по МПК F25B19/00 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к холодильной технике, а именно, к устройству для охлаждения потребителя холода, имеющему предназначенный для потребителя холода контур охлаждения для циркуляции охлаждающей жидкости.

Уровень техники

Кипящие при низких температурах сжиженные газы (криогенные жидкости), такие как, например, жидкий азот, жидкий кислород или сжиженные инертные газы, могут храниться жидкими только посредством эффективной теплоизоляции резервуаров для их хранения, трубопроводов, по которым производится транспортирование криогенных жидкостей, и потребителей холода, например, устройств, использующих высокотемпературную сверхпроводимость. Даже небольшое количество тепла, подведенное к криогенной жидкости с температурой, близкой к температуре его кипения, может приводить к частичному парообразованию. Если это происходит в потребителе холода, выделившийся пар скапливается в этом устройстве и ухудшает процесс охлаждения потребителя холода. Для предотвращения частичного парообразования целесообразно переохлаждать жидкость в охладителе перед ее подачей к потребителю холода. Кроме того, при охлаждении сверхпроводящих устройств понижение температуры криогенной жидкости, которое происходит при его переохлаждении, приводит к улучшению характеристик сверхпроводящих устройств, например, к повышению максимального рабочего тока в сверхпроводящем устройстве. В настоящем изобретении «переохлаждение» понимается как охлаждение жидкости до температуры ниже температуры кипения жидкости при действующем давлении. Повышать степень переохлаждение криогенной жидкости можно, как понижая ее температуру при постоянном давлении, так и повышая давление жидкости при постоянной температуре.

В патенте РФ № 2648312 описывается устройство для охлаждения потребителя холода криогенной жидкостью за счет отвода тепла от криогенной жидкости путем ее частичного испарения. Устройство состоит из термически изолированного сосуда-охладителя, который частично заполнен криогенной жидкостью и, в свободном пространстве которого, над жидкостью расположен газоотводящий вентиль. В заполненной криогенной жидкостью части сосуда-охладителя расположен теплообменник, например, охлаждающий змеевик, через который течет криогенная жидкость, подлежащая переохлаждению. Для переохлаждения жидкости давление внутри охлаждающего теплообменника поддерживается ниже, чем давление в сосуде-охладителе. Сосуд-охладитель соединен с окружающей атмосферой через содержащую пар верхнюю часть либо непосредственно, либо через вакуумный насос. При использовании вакуумного насоса, откачивающего из сосуда-охладителя пар, образующийся за счет тепла, поступающего из охлаждаемой через теплообменник жидкости, температура охлаждаемой в теплообменнике жидкости получается ниже температуры кипения жидкости при атмосферном давлении. Охлажденная в теплообменнике криогенная жидкость подается в охлаждаемый объект, где нагревается, после чего подается в циркуляционный насос, затем снова поступает в охлаждающий теплообменник.

Недостатком этого устройства, принятого за наиболее близкий аналог, являются термодинамические потери, возникающие в результате передачи тепла в теплообменнике от охлаждаемой жидкости, протекающей в теплообменнике, к охлаждающей жидкости, кипящей в сосуде-охладителе при низком давлении, а также достаточно большие размеры и масса сосуда-охладителя, зависящие от размеров теплообменника. Согласно данным, приведенном в патенте РФ № 2648312, при использовании в качестве криогенного холодильного агента азота, разница между температурой кипящего в сосуде азота при давлении и температурой азота на выходе из теплообменника составляет около 2 градусов. В этом случае при температуре переохлажденного азота на выходе из теплообменника -206°С (около 67К) температура кипящего в сосуде-охладителе азота будет 65К, что соответствует давлению паров кипящего азота 17,7 кПа. Повышение эффективности теплообменника (снижение разницы между температурой кипящего в сосуде азота и температурой азота на выходе из теплообменника) приводит к быстрому росту размеров и массы сосуда-охладителя за счет роста размеров теплообменника. При отсутствии потерь в процессе теплообмена и температуре кипения азота 67К давление паров азота было бы 24,7 кПа. Для выброса паров кипящего азота в атмосферу степень сжатия в вакуумном насосе составляет при давлениях кипения 24,7 и 17,7 кПа соответственно 4,05 и 5,65 раз, т.е. необходимая степень сжатия паров отличается почти в 1,5 раза. Увеличение степени сжатия в вакуумном насосе приводит повышению мощности привода вакуумного насоса. Кроме того, в случае использования вакуумного насоса центробежного типа, дающего резкое снижения массы насоса, что особенно актуально для транспортных установок, снижение степени сжатия приводит к существенному упрощению задачи создания такого насоса.

Если охлаждение потребителя холода производится без использования вакуумного насоса, температура охлаждаемой в теплообменнике жидкости получается ниже температуры кипения жидкости при атмосферном давлении за счет потерь теплообмена в теплообменнике.

Устранение потерь теплообмена в теплообменнике-охладителе может быть получено, если кипящую в сосуде-охладителе жидкость подавать циркуляционным насосом потребителю холода и возвращать нагретый азот обратно в сосуд-охладитель. Однако такая схема неработоспособна, во-первых, по причине возникновения кавитации азота на входе в циркуляционный насос, что существенно ухудшает характеристики циркуляционного насоса по повышению давления и расходу, во-вторых, поступающая к потребителю холода жидкость, возвращающаяся затем в сосуд-охладитель, в процессе охлаждения потребителя холода будет кипеть, что, как было сказано выше, может значительно снижать эффективность системы охлаждения.

Раскрытие изобретения.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является снижение потребления энергии в устройстве, затрачиваемой на сжатие откачиваемых паров криогенной жидкости, а также снижение массы и размеров устройства для переохлаждения криогенной жидкости.

Указанный технический результат достигается следующим образом. Устройство для охлаждения потребителя холода имеет предназначенный для потребителя холода контур охлаждения для циркуляции переохлажденной криогенной жидкости и резервуар для подпитки контура охлаждения, соединенные гидравлически через подводящий трубопровод, снабженный дроссельным вентилем.

Контур охлаждения содержит соединенные последовательно гидравлически сосуд-охладитель, устройство понижения скорости криогенной жидкости, циркуляционный насос, потребитель холода, регулировочный вентиль, устройство повышения скорости криогенной жидкости и соединяющие их трубопроводы.

Сосуд-охладитель имеет верхнюю часть, нижнюю часть и расположенную между ними цилиндрическую часть. Сосуд-охладитель соединен с атмосферой непосредственно или через вакуумный насос для отвода паров испарившейся в сосуде-охладителе криогенной жидкости.

Выход из устройства повышения скорости криогенной жидкости соединен гидравлически с верхней частью и направлен тангенциально относительно оси цилиндрической части сосуда-охладителя. Вход в устройство уменьшения скорости криогенной жидкости соединен гидравлически с нижней частью сосуда-охладителя и направлен тангенциально относительно оси цилиндрической части сосуда-охладителя с возможностью обеспечения преобразования скоростного напора криогенной жидкости, движущейся в сосуде-охладителе, в статическое давление на выходе из устройства понижения скорости криогенной жидкости.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана схема устройства для охлаждения потребитель холода.

На фиг. 2 показан вид сверху на сосуд-охладитель.

На фиг. 3 показано изменение статического давления криогенной жидкости в различных точках контура охлаждения.

Подробное описание изобретения.

Показанное на фиг. 1 устройство 1 для охлаждения потребителя холода 5 содержит контур охлаждения 2 и резервуар 3 для подпитки контура охлаждения криогенной жидкостью, соединенные гидравлически (для прохода жидкости) через подводящий трубопровод 14, снабженный дроссельным вентилем 10.

Контур охлаждения 2 содержит последовательно соединенные гидравлически сосуд-охладитель 4, устройство понижения скорости криогенной жидкости 15, циркуляционный насос 7 криогенной жидкости, потребитель холода 5, регулировочный вентиль 18, устройство повышения скорости криогенной жидкости 11 и соединяющие их трубопроводы 16 и 17.

Сосуд-охладитель 4 содержит верхнюю часть 37, нижнюю часть 36 и расположенную между ними цилиндрическую часть 35.

Показанные на фиг. 1 устройства 11 и 15 изображены схематично, отдельно от сосуда 4, для иллюстрации последовательности прохождения криогенной жидкости по контуру 2. Для эффективного функционирования устройства охлаждения устройства 11 и 15 предпочтительно установлены соответственно на верхнюю и нижнюю части 37 и 36.

Резервуар 3, в котором хранится криогенная жидкость, предназначен для подпитки криогенной жидкостью сосуда-охладителя 4. Нижняя часть резервуара 3 соединена гидравлически с сосудом-охладителем 4 трубопроводом 14. Трубопровод 14 снабжен дроссельным вентилем 10 для поддержания баланса криогенной жидкости, поступающей из резервуара 3 в сосуд 4, и откачиваемых из сосуда 4 паров криогенной жидкости при необходимом давлении паров в сосуде 4.

Верхняя часть 37 сосуда-охладителя 4 имеет выход 40 из внутренней полости 23 сосуда 4 для паров криогенной жидкости. Для варианта функционирования контура охлаждения 2 с пониженным давлением в сосуде-охладителе 4 используется вакуумный насос 8, соединяющий выход 40 с атмосферой.

Нижняя часть 36 сосуда-охладителя 4 соединена с входом 30 в устройство 15 уменьшения скорости криогенной жидкости, направленным тангенциально относительно оси цилиндрической части сосуда-охладителя 4. В качестве устройства 15 уменьшения скорости криогенной жидкости может быть использован диффузор, схематично показанный на фиг. 2 или сборная камера с расширяющимся проходным сечением. Выход из устройства 15 соединен с входом в 31 в циркуляционный насос 7. Выход 32 насоса 7 гидравлически соединен с потребителем холода 5 через трубопровод 16. Выход из потребителя холода 5 гидравлически соединен через трубопровод 17 с регулировочным вентилем 18, предназначенным для поддержания заданного повышенного давления в потребителе холода 5.

Большая часть разности давлений в потребителе холода 5 и сосуде 4 обеспечивается за счет устройство повышения скорости криогенной жидкости 11 и предлагаемое устройство 1 для охлаждения потребителя холода будет функционировать и давать технический результат также без вентиля 18, сопротивление которого должно быть минимальным и обеспечивать минимальные колебания давления в потребителе холода 5.

Регулировочный вентиль 18 соединен с входом 33 в устройство 11 увеличения скорости криогенной жидкости. В качестве устройства увеличения скорости криогенной жидкости 11 используется сопло с сужающимся проходным сечением, схематично показанное на фиг. 2. Выход 34 из устройства 11 повышения скорости криогенной жидкости соединен гидравлически с верхней частью 37 и направлен тангенциально относительно оси цилиндрической части сосуда-охладителя 4.

В циркуляционном насосе 7 происходит сжатие криогенной жидкости до давления, превышающего 100 кПа, т.е. жидкость становится переохлажденной. Изменение давления циркулирующей в контуре 2 криогенной жидкости показано на фиг. 3, где по вертикали отложено давление криогенной жидкости, а по горизонтали указаны номера частей контура 2. После циркуляционного насоса 7 криогенная жидкость поступает в потребитель холода 5, в котором температура жидкости повышается за счет подвода тепла от потребителя холода 5, давление потока криогенной жидкости несколько снижается за счет гидравлического сопротивления потребителя холода 5. Выходящий из потребителя холода 5 поток поступает в регулировочный вентиль 18, который поддерживает в потребителе холода 5 повышенное давление, препятствующее с определенным запасом вскипанию криогенной жидкости в потребителе холода 5. После регулировочного вентиля 18 поток криогенной жидкости поступает в сопло 11, где происходит рост скорости потока и падение его давления за счет сужения проходного сечения сопла 11. Выходящий из сопла 11 поток криогенной жидкости имеет давление, близкое к давлению в сосуде-охладителе 4, и направлен тангенциально относительно оси цилиндрической части сосуда-охладителя 4. Поток криогенной жидкости в слое 24 движется по поверхности 35 стенки сосуда-охладителя 4 по спирали, прижимаясь к стенке сосуда за счет силы инерции и постепенно опускаясь вниз с образованием поверхности 22 между жидкостью и паром.

Поток криогенной жидкости в слое 24 имеет после выхода из сопла 11 температуру, превышающую равновесную температуру кипящей криогенной жидкости при давлении паров в сосуде-охладителе 4. Поэтому в слое 24 криогенной жидкости происходит кипение и переход паров из слоя 24 в полость 23 сосуда-охладителя 4, откуда пары откачиваются насосом 8. Поскольку поток криогенной жидкости в слое 24 находится в поле инерционных сил и слой 24 имеет небольшую толщину, выделение пара в полость 23 происходит с высокой интенсивностью, обеспечивая отвод тепла от криогенной жидкости в пар в сосуде-охладителе 4, равного потоку тепла, поступающего в криогенную жидкость, проходящую через потребитель холода 5.

После выхода потока криогенной жидкости из сосуда-охладителя 4 и попадания в устройство 15 происходит понижение скорости потока за счет увеличения проходного сечения устройства 15 и повышение давления потока. Прошедший устройство 15 поток криогенной жидкости с повышенным давлением попадает на вход 31 в циркуляционный насос 7. Полученное в устройстве 15 давление потока, повышенное по сравнению с давлением в сосуде 4, достаточно для предотвращения кавитации на входе в насос 7, что обеспечивает правильную работу и эффективное повышение давления в насосе 7.

Предлагаемое устройство имеет меньшие размеры и массу по сравнению с известными устройствами охлаждения потребителя холода криогенной жидкостью за счет отвода тепла от криогенной жидкости путем ее частичного испарения, например, устройством, раскрытым в патенте РФ № 2648312, за счет уменьшения размеров и массы сосуда-охладителя 4, в котором отсутствует используемый в патенте РФ № 2648312 теплообменник.

Изобретение относится к холодильной технике. Устройство для охлаждения потребителя холода переохлажденной жидкостью в контуре охлаждения имеет холода контур охлаждения (2) и резервуар (3) для подпитки контура охлаждения, соединенные через подводящий трубопровод, снабженный дроссельным вентилем (10). Контур охлаждения содержит соединенные сосуд-охладитель (4), устройство понижения скорости криогенной жидкости (15), циркуляционный насос (7), потребитель холода (5), регулировочный вентиль (18), устройство повышения скорости криогенной жидкости (11). Сосуд-охладитель (4) содержит верхнюю часть, нижнюю часть и расположенную между ними цилиндрическую часть. Сосуд-охладитель (4) соединен с атмосферой непосредственно или через вакуумный насос (8). Выход из устройства (11) соединен с верхней частью сосуда-охладителя и направлен тангенциально относительно оси цилиндрической части сосуда-охладителя. Вход в устройство (15) соединен с нижней частью сосуда-охладителя и направлен тангенциально относительно оси цилиндрической части сосуда-охладителя. Технический результат – снижение потребления энергии в устройстве, затрачиваемой на сжатие откачиваемых паров криогенной жидкости, а также снижение массы и размеров устройства для переохлаждения криогенной жидкости. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для охлаждения потребителя холода, включающее предназначенный для потребителя холода контур охлаждения для циркуляции криогенной жидкости, содержащий соединенные последовательно гидравлически сосуд-охладитель, соединенный с атмосферой для отвода паров испарившейся в сосуде-охладителе криогенной жидкости, устройство понижения скорости криогенной жидкости, циркуляционный насос, потребитель холода, устройство повышения скорости криогенной жидкости и соединяющие их трубопроводы, при этом резервуар для подпитки контура охлаждения криогенной жидкостью соединен гидравлически с сосудом-охладителем через подводящий трубопровод, снабженный дроссельным вентилем; сосуд-охладитель содержит верхнюю часть, нижнюю часть и расположенную между ними цилиндрическую часть; выход из устройства повышения скорости криогенной жидкости соединен гидравлически с верхней частью и направлен тангенциально относительно оси цилиндрической части, вход в устройство уменьшения скорости криогенной жидкости соединен гидравлически с нижней частью сосуда-охладителя и направлен тангенциально относительно оси цилиндрической части сосуда-охладителя с возможностью обеспечения преобразования скоростного напора криогенной жидкости, движущейся в сосуде-охладителе, в статическое давление на выходе из устройства понижения скорости криогенной жидкости.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве устройства увеличения скорости криогенной жидкости используется сопло с сужающимся проходным сечением.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве устройства уменьшения скорости криогенной жидкости используется сборная камера с расширяющимся проходным сечением.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сосуд-охладитель соединен с атмосферой через вакуумный насос.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что потребитель холода гидравлически соединен с устройством повышения скорости криогенной жидкости через регулировочный вентиль.