Устройство управления микроохладителем Советский патент 1992 года по МПК F25B49/00 

Ik

8 7

Н№

«

00 00 Ю О

Изобретение относится к области холодильной техники и может быть использовано для охлаждения и термостабилизации микрообъектов в области криогенных температур.

Известен микроохладитель патент США № 3095711, НКИ 62-514 Двойной кри- остат, содержащий теплообменные секции змеевик-дросселирующее устройство (дроссель) с различной пропускной способностью дросселя и управляемый вентиль, автоматически отключающий одну из тепло- обменных секций по окончании пускового периода. В таких микроохладителях расход криоагента уменьшается скачком при закрытии управляемого вентиля, чем достигается экономия запаса криоагента и, как следствие, повышение длительности непрерывной работы микроохладителя разомкнутых микрокриогенных систем.

Однако в таких системах перерасход криоагента при работе в широком диапазоне изменений температуры окружающей среды остается значительным в связи с отсутствием возможности автоматического регулирования расхода криоагента в стационарном режиме работы микроохладителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому микроохладителю является криогенный микроохладитель а.с. СССР № 1239476, кл. F 25 В 9/02 Микроохладитель, содержащий криостат с размещенным в нем дросселем и теплообменником-рекуператором, подключенным к источнику сжатого криоагента, термоэлектрическую батарею предварительного охлаждения, теплообменник, охлаждаемый ее холодными спаями, управляемый вентиль, включенный последовательно с теплообменником в линии связи дросселя с источником сжатого криоагента, вторую линию связи соединения источника сжатого криоагента с теплообменником-рекуператором через упомянутый теплообменник.

Недостаток данного микроохладителя заключается в том, что он имеет одинаковую пропускную способность дросселя в пусковом и стационарном режимах работы микроохладителя. При этом пропускная способность дросселя рассчитывается, исходя из заданного (требуемого) времени выхода микроохладителя на режим, а расход криоагента в стационарном режиме превышает в 3-4 раза значение, необходимое для теплового баланса между располагаемой холодопроизводительностью и тепловой нагрузкой на микроохладитель. Это ведет к перерасходу криоагента и сокращению длительности функционирования разомкнутых систем с одной заправкой криоагентом и

перерасходу энергии, потребляемой компрессором в замкнутых микрокриогенных системах. Использование секций с различной пропускной способностью, определяемой

различным гидравлическим сопротивлением змеевиков прямому потоку газа высокого давления неприемлемо для разомкнутых микрокриогенных систем вследствие значительного расхода криоагента.

Цель изобретения - повышение длительности непрерывной работы микроохладителя от одной заправки криоагентом.

Поставленная цель достигается путем автоматического регулирования расхода

сжатого криоагента в стационарном режиме. Для этого в известный микроохладитель, содержащий криостат с двумя теплообмен- ными секциями змеевик-дроссель, подключенными линиями прямого потока к

источнику сжатого криоагента, термоэлектрическую батарею предварительного охлаждения с теплообменником,включенную в первую линию прямого потока, управляемый вентиль, введены сигнализатор уровня

жидкого криоагента с датчиком уровня и сигнализатор температуры недорекуперации с дифференциальным датчиком температуры, выходы которых подключены к входам S и R триггера, выход которого соединен с управляемым вентилем, включенным во вторую линию прямого потока, на змеевике которой установлена регенеративная насадка, сквозные каналы которой включены в линию суммарного обратного потока двух теплообменных секций. При этом в качестве дифференциального датчика использована дифференциальная термопара, первый спаи которой установлен во второй линии прямого потока, а второй - в линии суммарного обратного потока двух теплообменных секций.

Введение сигнализатора температуры недорекуперации регенеративной насадки повышает эффективность работы микроохладителя, благодаря исключению затопления змеевиков теплообменных секций и использованию автоматического регулирования расходом криоагента.

Введение сигнализатора уровня жидкого криоагента обеспечивает постоянное наличие в зоне криостатирования жидкого криоагента.

Введение триггера, сигнализаторов уровня и температуры недорекуперации регенеративной насадки повышает длительность работы микроохладителя от одной заправки.

Установка регенеративной насадки на змеевик прямого потока в тепловой зоне

криостата, сквозные каналы которой включены в линию обратного потока криоагента, повышает эффективность работы микроохладителя за счет снижения разности температур прямого и обратного потоков криоагента, обеспечивает благодаря этому снижению расхода криоагента.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Устройство управления микроохладителем содержит источник сжатого криоагента 1, криостат 2, в котором размещен дроссельный микроохладитель, выполненный в виде двух теплообменных секций, каждая из которых имеет самостоятельный змеевик высокого давления 3 и 4 и дроссель 5 и б, соответственно. Змеевик 3 подключен к источнику сжатого криоагента 1 через термоэлектрическую батарею 7 для охлаждения змеевика 8 прямого потока криоагента предварительного охлаждения Go и вентиль 9 запуска микроохладителя, а змеевик 4 подключен к источнику сжатого криоагента 1 через этот же вентиль 9 и управляемый вентиль 10, осуществляющий управление холодопроизводительностью. В холодной зоне криостата 2 установлен датчик уровня 12. На змеевик 4 прямого потока GI криоагента через управляемый вентиль 10 в теплой зоне криостата 2 установлена регенеративная насадка 13. Сигнализатор температуры недорекуперации 14 соединен своим входом с выходом дифференциальной термопары 15, один спай которой установлен в линии прямого потока GI, а второй - в линии суммарного обратного потока кри- о.агента G0+Gi. Выходы сигнализаторов температуры недорекуперации и уровня жидкого криоагента соединены, соответственно с входами R и S триггера 16, выполненного, например, на элементах И-НЕ, выход которого соединен с управляющим, входом вентиля 10.

Отверстие дросселя 6 по сравнению с микроохладителями со стационарным потоком может быть выбрано на максимальный расход для обеспечения заданной длительности пускового периода. Регулирование потока осуществляется вентилем 10, управляемым широтно-импульсным сигналом от триггера 16, формируемым по сигналам сигнализаторов 12 и 14. Регенеративная насадка 13, включенная в линию обратного потока низкого давления G0+Gi, имеет сквозные каналы, проницаемые для газа низкого давления.

Микроохладитель работает следующим образом:

при включении вентиля 9 происходит запуск микроохладителя.

Температура в зоне криостатирования криостата 2 - выше нормы, отсутствует жидкий криоагент и на выходе сигнализатора уровня криоагента 12 формируется нулевой уровень напряжения, поступающий на вход

5триггера 16, установленный этим уровнем в единичное состояние. Управляемый вентиль 10 открыт. Поток сжатого криоагента поступает в микроохладитель по двум неза0 висимым ветвям. Поток поступает в змеевик 4, а затем к дросселю 6 непосредственно от источника сжатого криоагента 1 через вентили 9 и 10 соответственно, и имеет температуру окружающей среды. Поток G0

5 предварительно охлаждается термоэлектрической батареей 7 до промежуточной температуры и через змеевик 3 поступает к дросселю 5. Наружная поверхность змеевиков 3, 4 омывается газом низкого давления

0 обратного потока или отходящими парами криогенной жидкости, благодаря чему осуществляется охлаждение сжатого газа, поступающего к дросселям 5 и 6. за счет рекуперации холода обратного потока. После

5 дросселирования газ дополнительно охлаждается за счет эффекта Джоуля-Томсона, и температура в зоне криостатирования понижается. При достижении в зоне криостатирования заданного уровня жидкого

0 криоагента на выходе сигнализатора уровня 12 формируется единичный уровень напряжения.

Происходит дальнейшее повышение уровня жидкого криоагента. При достиже5 нии им нижних ветвей змеевиков теплообменников 3 и 4 возрастает недорекуперация холода обратного потока. При некоторой температуре недорекуперации, фиксируемой дифференциальной термопарой 15,

0 происходит формирование нулевого уровня на выходе сигнализатора 14, по которому триггер 16 устанавливается в нулевое состояние. Управляемый вентиль 10 закрывается, и подача потока сжатого газа GI от источни5 ка 1 прекращается, но сохраняется поток газа Go и дросселирование через дроссель

6остаточной порции газа потока GI из мертвых объемов системы после управляемого вентиля 10.

0 При этом происходит выравнивание температур спаев дифференциальной термопары 15 и установление на выходе сигнализатора 14 единичного логического уровня. По мере снижения величины потока

5 Gt после закрытия управляемого вентиля 10 нарушается тепловой баланс между располагаемым холодом отходящих паров криогенной жидкости и тепловой нагрузкой, создаваемой прямым потоком криоагента. Образовавшийся избыток холода обратного

потока аккумулируется регенеративной насадкой 13, температура последней понижается. Пропускная способность дросселя 5 подобрана таким образом, чтобы компенсировать в стационарном режиме минимальную тепловую нагрузку, создаваемую объектом охлаждения, и минимальные теп- лопритоки при самой низкой температуре окружающей среды и максимальном давлении в емкости. Поэтому потока Go недостаточно для удержания системы в стационарном режиме и вследствие этого происходит выкипание криогенной жидкости при закрытом управляемом вентеле 10. При некотором уровне криоагента происходит срабатывание сигнализатора уровня 12, и на его выходе формируется нулевой уровень, по которому триггер 16 устанавливается в единичное состояние. Открывается управляемый вентиль 10, процесс накопления жидкого криоагента повторяется. В микроохладитель по змеевику 4 подается новая порция сжатого газа Gi. Поток Gi предварительно охлаждается за счет запасенного регенеративной насадкой 13 холода отходящих паров, а затем продолжает охлаждаться втеплообменной секции змеевика 4 за счет рекуперации холода обратного потока по схеме обычного противоточного теплообменника-рекуператора.

Таким образом, холод обратного потока, аккумулированный регенеративной насадкой 13 при закрытом вентиле 10, возвращается прямым потоком в цикл при открытии вентиля 10, потери цикла, благодаря наличию регенеративной насадки 13, минимальны.

Для достижения максимальной экономии сжатого криоагента регенеративная насадка 13 имеет значительную величину теплового сопротивления вдоль направления потока, з ее теплоемкость выбирается исходя из средней длительности паузы в подаче криоагента в потоке Gi и длительности включения управляемого1 вентиля 10. скважности формируемых сигналов управления вентилем 10.

Благодаря исключению затопления змеевиков 3, 4 прямых и обратного потоков

криогенной жидкостью повышается термодинамическая эффективность, снижаются теплопритоки и уменьшается перерасход криоагента при изменении внешних условий и условий окружающей среды. Различная пропускная способность теплообменных секций змеевиков 3, 4 микроохладителя достигается использованием в каждой из них самостоятельного дросселя 5, 6 с требуемой

0 величиной отверстия. Этим обеспечивается значительное увеличение.расхода потока сжатого криоагента в пусковом периоде, а в установившемся стационарном режиме функционирование осуществляется за счет

5 малого потока Go с периодической подпиткой потоком GL Предварительное охладже- ние потока Go термоэлектрической батареей 7 позволяет снизить расход криоагента в 1,7 - 2,0 раза по сравнению с нео0 хлаждаемым и тем самым дополнительно увеличить длительность функционирования микроохладителя.

Формула изобретения

5 Устройство управления микроохладителем, содержащее криостат с двумя теплооб- менными секциями змеевик-дроссель, подключенными линиями прямого потока к источнику сжатого криоагента, термоэлект0 рическую батарею предварительно охлаждения с теплообменником, включенную в первую линию прямого потока, управляемый вентиль, отличающееся тем, что, с целью повышения длительности непре5 рывной работы микроохладителя от одной заправки криоагентом путем автоматического регулирования расхода криоагента в стационарном режиме, дополнительно введены сигнализатор уровня жидкого криоа0 гента и сигнализатор температуры недорекуперации, а также триггер, при этом выходы сигнализаторов подключены к триггеру, который в свою очередь соединен с управляемым вентилем, включенным во

5 вторую линию прямого потока, на змеевике которого установлена регенеративная насадка со сквозными каналами, включенными в линию суммарного обратного потока двух теплообменных секций.

0

Использование: для охлаждения и термостабилизации микрообъектов в области криогенных температур. Сущность изобретения: термоэлектрическая батарея 7 установлена в линии прямого потока с меньшей пропускной способностью дросселя 5. Управление вентилем, установленным в линии прямого потока с большой пропускной способностью осуществляется с помощью триггера 16 по сигналам сигнализатора уровня 12 и температуры недорекуперации 14. Регенеративная насадка 13 установлена на змеевике прямого потока в теплой зоно криостата 2, сквозные каналы которой включены в линию обратного потока криоагента низкого давления, 1 ил.