Способ захолаживания объектов Советский патент 1984 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к технике низких температур, а именно к методам захолаживания низкотемпературных объектов с помощью криогенной установки, и может быть использовано для охлаждения от комнатной до рабочей температуры различных криогенных объектов, таких как сверхпроводящие магнитные системы и линии электропередачи, охлаждаемые магниты, большие пузырьковые камеры, откачивающие элементы конденсационных и адсорбционных насосов большой производительности и др. Применяются различные способы захо--15 ных

лаживания криогенных объектов с помощью рефрижераторов, причем предварительное захолаживание производится газообразным криоагентом, например гелием, который последовательно охлаждается на различных температурных уровнях С 1 3.

Однако данные способы захолаживания криогенных объектов с помощью потока охлажденного газа не позволяют полностью использовать холод выходящего из охлаждаемого объекта обратного потока газа во всем температур- HCi,: диапазоне охлаждения (от комнатной температуры до рабочей),

Известен способ захолаживания .криогенных объектов потоком охлажденного газообразного гелия, заключающийся в том, что в процессе охлаждения объекта от комнатной температуры прямой поток газообразного гели .охлаждается вначале парами испаряющегося хладагента (азота) и возвращающимся из объекта обратным потоком гелия, затем он охлаждается жидким о хладагентом (азотом) и поступает к охлаждаемому объекту 2. Для дальнейшего понижения температуры объекта (ниже температуры жидкого азота) предусмотрено охлаждение прямого поЛка на более низких температурных уровнях и подача его к захолаживаемому объекту С2Х

Недостаток этого способа - неэкономичность, обусловленная болышм ргасходом жидкого хладагента (азота) в начальный период захолаживания от комнатной температуры. Это связано с неэффективностью использования обратного потока в начальный период захолаживания объекта, так как использование обратного потока при данном способе захолаживания термодинамически невыгодно. Кроме того, в данном

способе предусмотрен ввод обратного потока газа только на один наиболее низкий температурный уровень, что также снижает эффективность использования обратного потока криоагента. Известен также способ захолаживания объектов с помощью криогенной установки путем ступенчатого охлаждения сжатого прямого потока криоагента обратным потоком и жидкими хладагентами и отвода тепла от объекта охлажденным криоагентом. В данном способе предусмотрен ввод обратного потока на три различных температурляет использовать довольно большую часть холода, запасенного обратным потоком.

Этот способ заключается в сжатии прямого потока криоагента, охлаждении прямого потока в газовом теплообменнике парами жидких хладагентов и обратным потоком криоагента и в охлаждении прямого потока в жидкостных теплообменниках на каждом температурном уровне. На наиболее низком температурном уровне производится охлаждение прямого потока обратным потоком и неожижившейся частью прямого потока и дальнейшее охлаждение объекта потоком жидкого или газообразного криоагента. Способ позволяет вводить обратный поток на три различных температурных уровня, причем охлаждение обратным потоком на каждом температурном уровне ведут после до- стижения обратным потоком криоагента. температуры жидкого хладагента данного температурного уровня 31.

Однако при таком использовании

обратйого потока его техпература всегда не вьше, чем температура паров Жидкого хладагента на каждом температурном уровне. При таком способе испольс зования холода, запасенного обратным потоком, он не может быть использован оптимальным образом. Так, совсем не используется обратный поток в интерва ле температур 300-78 К. Использование обратного потока на более низких тем пературных уровнях также является неоптимапьным в связи с тем, что не используется холод обратного потока на каждом температурном уровне до достижения обратным потоком температуры жидкого хладагента этого уровня Недостаточная эффективность испох зования обратного потока при данном способе захолаживания значительно уровня, т.е. данный способ позвоувеличивает расходы жидких хладагентов в соответствующих ваннах, особен но высококипящих жидкостей, в данном случае азота, и в меньшей степени во дорода. Целью изобретения является повьшение экономичности. Указанная цель достигается тем, ITO согласно способу захолаживания объектов с помощью криогенной установки путем ступенчатого охлаждения сжатого прямого потока криоагента об ратным потоком и жидкими хладагентами и отвода тепла от объекта охлажденны криоагентом, обратный поток перед охлаждением им прямого потока поочередно охлаждают на каждой из ступене начиная с самой теплой, парами хладагентов этих ступеней, причем охлаждение обратного потока на каждой сту пени проводят до достижения им темпе ратуры хладагента этой ступени. На чертеже изображена схема установки, реализующей предлагаемый способ. Устройство, реализующее способ, содержит компрессор 1 для сжатия газа, теплообменники 2-6, ванны 7,8 и 9 для жидких хладагентов, в которых размещены змеевики 10, 11 и 12, дроссель-вентиль 13 и систему коммутирующих вентилей 14-19. На чертеже также схематически изображен охлажда емый объект 20. Способ реализуют следующим образом. Хладагент (жидкий азот) подают в ванну 7. В этот период вентили 15-18 и дроссель-вентиль 13 закрыты, а вентили 14 и 19 открыты. Сжатый компрессором 1 крйоагент (гелий) направ ляют в теплообменник 2, где его охлаждают теплым потоком, а затем пропуская через змеевик 10, расположен ный в ванне 7, охлаждают жидким азотом и подают в захолаживаемый объект При этом возвращающийся из объекта обратный поток крисагента, имеющий постоянно снижающуюся температуру, охлаждают парами жидкого хладагента из ванны 7 в теплообменнике 5, после чего этот обратный поток охлаждает прямой поток в теплообменнике 2 и поступает на вход компрессора 1. Ког да темп охлаждения становится меньшим оптимального темпа охлаждения, вентиль 14 закрывают и открывают вен тиль 15, а затем заливают жидкий хла агент (водород) в ванну 8. После достяжения обратным потоком на выходе из охлаждаемого объекта 20 температуры жидкого хладагента (азота), залитого в ванну 7, обратный поток начинают охлаждать парами жидкого хладагента (водорода) последующего, более низкого температурного уровня. Для этого вентиль 19 закрывают и открывают вентиль 18. На этом этапе прямой поток последовательно охлаждают в теплообменнике 2 обратным потоком и парами жидкого хладагента более низкого температурного уровня (парами водорода), после чего этот прямой поток охлаждают жидким азотом, залитым в ванну 7. Затем прямой поток охлаждают обратным потоком втеплообменнике 3, пропуская его через змеевик I1,.расположенный в ванне 8, охлаждают жидким водородом. Охлажденный таким образом прямой поток направляют в захолаживаемый объект. Возвращающийся из объекта обратный поток криоагента охлажд-ают в теплообменнике б парами жидкого хладагента (последующего, более низкого температурного уровня) из ванны 8 (парами водорода), после чего этот обратный поток охлаждает прямой поток последовательно в теплообменниках 3 и 2 и поступает на вход компрессора 1. Когда темп охлаждения объекта становится меньше оптимального темпа охлаждения, закрывают вентиль 15 и начинают дросселирование криоагента через дроссель-вентиль 13. Открывают вентиль 16, по которому проходит часть, прямого потока криоагента, предназначенная непосредственно для захолаживания объекта 20. . После достижения обратным потоком температуры жидкого хладагента (водорода) на этом температурном уровне обратный поток начинают охлаждать парами жидкого хладагента (в данном случае криоагента - гелия) последующего более низкого температурного уровня. Для.этого вентиль 18 закрывают, открывают вентиль 17, а обратный поток охлаждает прямой поток последовательно в теплообменниках 4, 3 и 2. После этого происходит окончательное захолаживание объекта 20 до температуры криостатирования. Такой способ охлаждения позволяет эффективно использовать холод возвращающегося из захолаживаемого объекта обратного потока газа во всем температурном диапазоне охлаждения, начиная от комнатной температуры, что при водит к значительной экоцомии жидкого хладагента в процессе эахолаживания криогенных объектов. Преимущества предлагаемого способа по сравнению с известными заключаются в том,.что обратный поток газа, имеющий в процессе захолаживания объекта переменную температуру, вначале доохлаладается парами жидкого хладагента а затем уже обратный поток охлаждает прямой. Это позволяет эффективно использовать холод обратного потока в течение всего процесса захолаживания независимо от того, с какой температурой обратный поток выходит из эахолаживаемого объекта. Возможность использования обратного потока на температурном уровне, где температура жидкого хладагента ниже температуры обратного потока (т.е. обратный поток используется на самом низком температурном уровне, который возможен при температуре обратного потока в данный момент), делает предлагаемый способ экономичнее Благодаря тому, что обратный поток криоагента сначала доохлаждается парами жидкого хладагента данного температурного уровня, а затем охлаждает прямой поток, не используется (выбрасывается)только часть холода паров жидкого хладагента наиболее высокого температурного уровня (на наиболее низком температурном уровне пары используются полностью; остатки холода паров промежуточных хладагентов также частично могут использоваться на более высоких температурных уровнях). Холод выбрасывается после того, как пары достигнут температуры обратного потока, т.е. выбрасывается холод в интервале: температура обратного потока - температура окружающей среды. Этот интервал по мере охлаждения объекта увеличивается, но количество паров резко уменьшается как и абсолютная величина неиспользовагаюго холода. При этом полностью используется холод обратного потока (исключая естественную недорекуперацию). В известном способе абсолютная величина неиспользованного холода рас тет по мере охлаждения объекта. За счет этой разницы получается термодинамический выигрыш в данном способе. Конструктивно данный способ захолаживания криогенных объектов можно реализовать с помощью теплообменников - приставок к имеющимся криогенным установкам без существенного дополнительного изменения их схем.

жидн.

СПОСОБ ЗАХОЛАЖИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ с помощью криогенной установки путем ступенчатого охлаждения сжатого прямого потока криоагента обратным потоком и жидкими хладагентами и отвода тепла от объекта охлаждённым криоагентом, о т л и ч а ю щ. и и с я тем, что, с целью повышения экономичности, обратный поток перед охлаждением им прямого потока поочередно охлаждают на каждой из ступеней, начиная с самой теплой, парами хладагентов этих ступеней, причем охлаждение обратного потока на каждой ступени проводят до достижения i им температуры хладагента этой ступени. (Л