Способ понижения температуры

 

Использование: криогенная техника. Сущность изобретения: способ получения низких температур вакуумированием жидкой бинарной смеси криоагентов осуществляется путем их смешения после предварительного охлаждения обоих компонентов смеси до температуры ниже тройной точки одного из компонентов, который находится в твердом состоянии, а другой компонент - в жидком. 1 ил.

Изобретение относится к криогенной технике.

Известны способы понижения температуры путем смешения ряда газообразных и жидких компонентов, вакуумированием паpового пространства над зеркалом жидкости.

Основной недостаток охлаждения путем смешения - трудности с подбором компонентов, приводящих к понижению температуры смеси, а для способа понижения температуры за счет вакуумирования парового пространства криоагентов - ограничение нижнего предела температурой тройной точки Т_т и понижение давления откачиваемых паров при понижении температуры, что резко увеличивает удельный расход энергии на единицу произведенного холода.

Применение смесей в системах, использующих охлаждение за счет вакуумирования, позволяет повысить эффективность процесса по сравнению с вакуумной откачкой чистых криоагентов, как правило, увеличивается температурный интервал охлаждения и повышается эффективность работы вакуумных насосов.

Известно применение вакуумирования жидкой смеси для охлаждения и криостатирования. Низкие температуры достигают путем откачки бинарной смеси, которую готовят смешением жидких компонентов. Основной недостаток этого способа - достаточно высокое энергопотребление.

Предлагается способ получения низких температур путем вакуумирования жидкой бинарной смеси криоагентов, состоящий в том, что смешение компонентов ведут после предварительного охлаждения обоих компонентов смеси до температуры ниже тройной точки одного из компонентов, при которой этот компонент находится в твердом, другой - в жидком состоянии.

Новизна способа состоит в том, что смешение компонентов ведут после предварительного охлаждения обоих компонентов смеси до температуры ниже тройной точки одного из компонентов, при которой этот компонент находится в твердом, другой - в жидком состоянии.

Снижение энергопотребления достигается за счет повышения эффективности работы вакуумных насосов, для чего откачивают компонент, имеющий более высокое давление пара и более высокую, по сравнению со вторым компонентом, температуру тройной точки до Т<Т и полностью переводят этот компонент в твердое состояние. При этой температуре второй компонент находится в жидком состоянии, его охлаждение ведут за счет использования холода откачиваемых паров (возможно, на 1-2К выше температуры первого компонента). После смешения в теплоизолированном сосуде температура образовавшейся жидкой смеси понижается за счет плавления твердого компонента.

В зависимости от начальной температуры до смешения, соотношения компонентов и их теплофизических свойств эффект понижения температуры за счет растворения твердого компонента составляет 3-8К. Дальнейшее понижение температуры ведут за счет вакуумирования жидкой смеси аналогично способу-прототипу. Общее время достижения требуемой температуры сокращается на 30-40%.

На чертеже показана установка для предлагаемого способа понижения температуры. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - сосуд с компонентом N 1, 2 - сосуд с компонентом N 2, 3 - теплообменник-испаритель, 4 - охлаждаемый объект, 5 - насос для перекачки жидких криоагентов, 6 - вакуумный насос, 7 - теплообменник, 8,9,10,11 - вентили.

П р и м е р 1. Способ понижения температуры объекта до 56К за счет вакуумирования жидкой бинарной смеси кислород-азот.

Азот имеет температуру тройной точки Т_т=63,15К, давление Р_т=90 мм рт. ст; кислород - Т_т=54,36К, Р_т=1 мм рт.ст.

В сосуд 3, представляющий собой теплообменник-испаритель, помещают охлаждаемый объект 4. Из сосуда 1 в сосуд 3 насосом 5 подают жидкий азот в количестве 12,5 кг при температуре 77,35К, который охлаждают за счет вакуумной откачки насосом ВН-2 до температуры Т=62К и переводят полностью в твердое состояние. Масса твердого азота 9,3 кг.

Охлаждение кислорода, находящегося в сосуде 2 в количестве 21,3 кг, от температуры 90К до Т=63К достигают за счет холода откачиваемых паров азота.

Охлажденный жидкий кислород подают в теплоизолированный сосуд 3, в результате смешения азот плавится, образуется смесь 70%О₂-30%N₂, а температура понижается до 58К.

Плавление подтверждается диаграммой фазовых равновесий L-S системы кислород-азот, из которой следует, что смесь состава 70%О₂-30%N₂ моль существует в жидком состоянии до температуры 52К.

Дальнейшее охлаждение объекта 4 до температуры 56К достигают путем вакуумной откачки полученной жидкой смеси насосом ВН-2.

Повышение эффективности процесса достигают тем, что сокращают (на 30-40%) время достижения температуры 63К, так как давление паров азота при 63К составляет 90 мм рт.ст., а давление паров смеси 70%-О₂-30%N₂ - 40 мм рт.ст. Процесс растворения твердого азота в жидком кислороде и соответственно охлаждение смеси от 63К до 58К происходит достаточно быстро - 10-15 мин, в то время, как охлаждение 30 кг смеси этого состава от температуры 63К до 58К вакуумным насосом ВН-2 происходит за 50-60 мин.

П р и м е р 2. Способ понижения температуры за счет вакуумирования бинарной смеси метан-пропан.

Понижение температуры объекта 4 до температуры 80К ведут за счет вакуумирования смеси метан-пропан аналогично процессу, описанному в примере 1.

Метан имеет температуру тройной точки Т_т=90К, при этом давление паров 87 мм рт.ст.; пропан - Т_т=85,46К, Р_т=1,5^.10^-6 мм рт.ст.

Метан в количестве 20 кг при температуре 111К подают из сосуда 1 в сосуд 3, где охлаждают за счет вакуумирования насосом ВН-2 до температуры 88К. Масса твердого метана при температуре 88К - 16 кг.

Бутан, находящийся в сосуде 2 в количестве 44 кг охлаждают до температуры 89К за счет откачиваемых паров метана, а затем жидкий пропан подают в сосуд 3, где в результате смешения и растворения твеpдого метана в жидком пропане температура смеси 50%СН₄-50%С₃Н₈ понижается до 83К.

Из L-S диаграммы системы метан-пропан следует, что смесь состава 50% СН₄-50% С₃Н₈ до температуры 77К представляет собой жидкость.

Охлаждение от 83К до 80К ведут за счет вакуумирования жидкой бинарной смеси.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ путем вакуумирования жидкой бинарной смеси криоагентов, отличающийся тем, что смешение компонентов ведут после предварительного охлаждения компонентов смеси до температуры ниже тройной точки одного из компонентов, при которой этот компонент находится в твердом, а другой - в жидком состоянии.

РИСУНКИ

Рисунок 1