Способ получения холода при низких температурах и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к холодильной технике низких температур и может быть использовано в микроустановках, работающих на многокомпонентных рабочих телах.

Цель изобретения - повышение термодинамической эффективности и уменьшение массы, а также обеспечение работоспособности при любом пространственном расположении, уменьшение амплитуды колебания суточной температуры хладагентов и повыше- ние долговечности регулятора давления.

На фиг. 1 приведена схема устройства для получения холода при низких температурах с регулятором давления, работающим на промежуточном температурном уровне; на фиг. 2 - то же, с регулятором давления, работающим при температуре окружающей среды.

Устройство содержит баллоны-источники I и 2 для низкокипящего и высококипящего хладагентов соответственно (например, газо- вой смеси азота и метана и бинарного раст- вора пропана и этана). Баллон-источник 2 высококипящего хладагента выполнен с эластичной перегородкой 3 в виде сферы, которая разделяет его газовую полость 4 от жидкостной полости 5. Каждый баллон-источник име- ет вентиль 6 и 7, установленный на линиях прямых потоков хладагентов, подсоединенных к каналам 8 и 9 прямых потоков хладагентов рекуперативного теплообменника 10. На выходе из этого теплообменника на линии прямого потока низкокипящего хладагента установлен регулятор 11 давления, у которого к рабочей полости подсоединены трубопровод 12 гидравлической связи, подключенный к газовой полости 4 баллона-источника 2, и трубопровод 13, снабженный калиб- рованным гидравлическим сопротивлением, рассчитанным на заданный расход низкокипящего хладагента, и подсоединенный к камере 14 смешения. К трубопроводу 15 прямого потока высококипящего хладагента с калиброванным гидравлическим сопротив- лением, рассчитанным на заданный расход жидкого высококипящего хладагента, подсоединенному к камере 14 смешения, подключена линия отбора жидкого высококипящего хладагента, на которой последовательно установлены регулятор 16 расхода и дополнительный дроссель 17, сообщающийся с каналом 18 обратного потока теплообменника 10. Камера 14 смешения последовательно соединена с каналом 19 прямого потока рабочего тела концевого теплообменника 20, дросселем 21, испарителем 22 с объектом 23 охлаждения, каналом 24 обратного потока рабочего тела теплообменника 20 и каналом 18 обратного потока теплообменника 10. Холодная часть устройства теплоизолирована от внешней среды вакуумируемым корпусом 25 с окном 26, теплая часть - тепловой изоляцией 27, например пенопластом. Устройство снабжено также блоком 28 управления..

При установке регулятора 11 давления в теплой области устройства (фиг. 2) к рабочей полости подсоединены трубопровод 12 гидравлической связи, подключенный к газовой полости 4 баллона-источника 2, и канал 8 прямого потока теплообменника 10, подключенного к камере 14 смешения при помощи tpyбoпpoвoдa 13, снабженного гидравлическим сопротивлением, рассчитанным на заданный расход низкокипящего хладагента.

Устройство работает следующим образом.

Открытием вентилей 6 и 7 осуществляют подачу газообразного низкокипящего и жидкого высококипящего хладагентов соответственно из баллонов-источников 1 и 2 в каналы 8 и 9 прямых потоков теплообменника 10, в котором они предварительно охлаждаются обратным потоком рабочего тела и жидкого высококипящего хладагента, проходящего по каналу 18 обратного потока, до температуры точки росы высококипящего хладагента в обратном потоке, и через трубопроводы 13 и 15 с калиброванными гидравлическими сопротивлениями в камеру 14 смещения. Калиброванные гидравлические сопротивления настроены на подачу в камеру 14 смешения газообразного низкокипящего и жидкого высококипящего хладагентов - компонентов рабочего тела в заданных долях, обеспечивающих получение рабочего тела с температурой затвердевания ниже температуры, при которой отводится тепло от объекта охлаж- дения, например ниже азотной. Устойчивый расход компоиентов через калиброванные гидравлические сопротивления поддерживается за счет выравнивания давления после регулятора 11 давления и в газовой полости 4 при помощи трубопровода 12 гидравлической связи в течение всего процесса функционирования устройства. Величина уравновешивающего давления должна быть не менее критического давления высококипящего хладагента и является предельным давлением низкокипящего хладагента, при котором прекращается функционирование устройства в связи с истощением запасов хладагентов. Стабилизация температурного уровня предварительного охлаждения прямых потоков хладагентов в рекуперативном теплообменнике 10 при постепенно понижающемся давлении низкокипящего хладагента в баллоне-источнике 1 и колебаниях температуры окружающей среды обеспечивается изменением расхода жидкого высококипящего хладагента регулятором 16 расхода, дросселированием его в дросселе 17 до давления окружающей среды н подачей образовав- щейся парожидкостной смеси в канал 18 обратного потока теплообменника 10. Величина расхода жидкого высококипящего хладагента определяется температурой обратного потока рабочего тела на выходе из канала 24 обратного потока теплообменника 20. Жидкий высококипящий хладагент-компонент при входе в камеру 14 смешения не подвергается испарению, так как небольшая добавка высококипящего хладагента в баллоне-источнике 1 находится в состоянии насыщения низкокипящего хладагента-компонента при температуре точки росы высококипящего хладагента в обратном потоке рабочего тела на выходе из теплообменника 20, и к изотермическому дроссель-эффекту низкокипящего хладагента-компонента при смешении и образовании многокомпонентного рабочего тела прибавляется скрытая теплота парообразования жидкого высококипящего хладагента-компонента, в результате чего изотермический дроссель-эффект рабочего тела будет максимальным; из камеры 14 смешения рабочего тела поступает в канал 19 прямого потока теплообменника 20, где подвергается дополнительному и окончательному охлаждению обратным потоком рабочего тела, проходящему по каналу 24, при котором конденсируются все вь1сококипящие компоненты, проходит через дроссель 21, в котором дав- ление рабочего тела понижается до давления окружающей среды, конденсируется значительная часть самого низкокипящего компонента, и сконденсированная часть рабочего тела превращается в многокомпонентный раствор, испаритель 22, в котором рабочее тело отбирает тепло от объекта 23 охлаждения за счет испарения низкокипящих компонентов жидкого раствора (в основном азота и частично метана). Далее рабочее тело направляют з каналы 24 и 18 обратных

потоков теплообменников 20 и 10, в которых оно отбирает тепло от прямых потоков рабочего тела и хладагентов, и выводят в окру- жающу1р среду.

При установке регулятора 11 давления на промежуточном температурном уровне устройства изотермический дроссель-эффект предварительного дросселирования низкокипящего хладагента реализуется в основном в камере 14 смещения, понижая температурный уровень предварительного охлаждеS ния. При установке регулятора 11 давления в теплой области устройства изотермический дроссель-эффект предварительного дросселирования низкокипящего хладагента реализуется в рекуперативном теплообменнике 10.

O

Формула изобретения

1. Способ получения холода при низких температурах путем заполнения баллонов-ис5 точников соответственно низкокипящим и высококипящим хладагентами, охлаждения их прямых потоков в рекуперативном теплообменнике обратным потоком рабочего тела, предварительного дросселирования низкокипящего хладагента в регуляторе давления,

0 дозирования высококипящего хладагента, образования рабочего тела смешиванием хладагентов в камере смешения в заданном отношении, дросселирования рабочего тела, отбора тепла от объекта охлаждения в испарителе и вывода рабочего тела в окру5 жающую среду по каналу обратного потока рекуперативного теплообменника, отличающийся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности, в баллон-источник низкокипящего хладагента добавляют высококипящий хладагент, а баллон-источник высококипящего хладагента за полняют под давлением выше критического, охлаждение прямых потоков хладагентов перед их смещением производят до темпе ратуры точки росы высококипящего хлад5 агента, при этом дополнительно осуществляют регулируемый отбор жидкого высококипящего хладагента, его дросселирование и смещение с обратным потоком перед рекуперативным теплообменником, а также предварительно дросселируют низкоки0 пящий хладагент до давления выше критического и под этим давлением поддерживают высококипящий хладагент в баллоне- источнике, дозируют расход низкокипящего хладагента, а после смешения хладагентов охлаждают прямой поток рабочего тела в

концевом теплообменнике его обратным потоком перед его подачей в рекуперативный теплообменник.

0

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что при отборе тепла от объекта охлаждения на азотном уровне температуры в качестве высококипящего хладагента используют бинарный раствор пропана с этаном и поддерживают в баллоне-источнике высококипящего хладагента давление выше суммы критических давлений компонентов раствора, а в качестве низкокипящего хладагента - смесь газообразных a30ta и метана.

3.Устройство для получения холода при низких температурах, содержащее баллоны-источники высококипящего и низкокипящего хладагентов с запорными вентилями на линиях прямых потоков и последовательно соединенные рекуперативный теплообменник с каналами прямых потоков хладагентов и с каналом обратного потока рабочего тела, регулятор расхода, установленный на линии прямого потока высококипящего хладагента, регулятор давления, установленный на линии прямого потока низкокипящего хладагента, камеру смешения, дроссель, испаритель и канал обратного потока рекуперативного теплообменника, ог- личающееся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности и уменьшения массы, оно снабжено после рекуперативного теплообменника линией отбора части высококипящего хладагента со своими

/ 21- 25

8

регулятором расхода и дросселем, сообщающимся с каналом обратного потока рекуперативного теплообменника, линией связи, сообщающей рабочую полость регулятора

5 давления низкокипящего хладагента с газовой полостью баллона-источника высококипящего хладагента, гидравлическими сопротивлениями, установленными иа входе линий прямых потоков хладагентов в камеру смещения, и снабжено концевым теплообменни ком с каналами прямого и обратного потоков рабочего тела, установленным между камерой смешения и дросселем.

4.Устройство по п. 3, отличающееся тем, что, с целью обеспечения работоспо15 собности при любом пространственном расположении, баллон-источник высококипящего хладагента снабжен эластичной перегородкой.

5.Устройство по пп. 3 и 4, отличающееся тем, что, с целью уменьшения ам2 плитуды колебания суточной температуры хладагентов, баллоны-источники хладагентов, запорные вентили и линии прямых потоков хладагентов снабжены тепловой изоляцией.

25 6. Устройство по пп. 3-5, отличающееся тем, что, с целью повышения долговечности регулятора давления, регулятор давления низкокипящего хладагента размещен перед рекуперативным теплообменником.

21ч:Ьг

Изобретение относится к холодильной технике низких температур и может найти применение в микроустановках, работающих на многокомпонентных рабочих телах. Цель изобретения - повышение термодинамической эффективности и уменьшение массы, обеспечение работоспособности при любом пространственном расположении, уменьшение амплитуды колебания суточной температуры хладагентов и повышение долговечности регулятора давления. Газообразный низкокипящий и жидкий высококипящий хладагенты подаются из баллонов-источников 1 и 2 в теплообменник 10, в котором они охлаждаются до температуры точки росы высококипящего хладагента. В газовой полости 4 при помощи трубопровода 12 поддерживается давление не менее критического давления высококипящего хладагента. Регулятор 16 расхода обеспечивает стабильную подачу части высококипящего хладагента через дроссель 17 в канал 18 обратного потока теплообменника 10. При входе в камеру 14 смешения высококипящий хладагент не испаряется благодаря небольшой его добавке в баллон-источник 1. Окончательное охлаждение рабочего тела осуществляется в теплообменнике 20. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.