Комбинированная система с азотным охлаждением

 

Холодильная машина комбинированной системы с азотным охлаждением выполнена в виде машины Стирлинга. В замкнутом контуре переконденсации паров жидкого азота последовательно расположены азотная емкость, испаритель, промежуточный теплообменник, расширительная турбина, расширительная емкость, холодильная машина, сосуд Дьюара, насос высокого давления и обратный клапан. Отвод соединяет газовую часть азотной емкости с промежуточным теплообменником и с испарителем. Замкнутый рабочий контур газообразного азота содержит охлаждаемый теплоизолированный объем с расположенной в нем системой раздачи и сбора азота и компрессор. Компрессор связан с расширительной турбиной через муфту сцепления. Привод холодильной машины может осуществляться от электродвигателя, отдельного теплового двигателя или двигателя транспортного средства. Использование изобретения позволит термостатировать различные объекты с высоким уровнем взрывопожаробезопасности, быстро замораживать и долговременно хранить продукты питания и другие материалы в азотной среде. 1 ил.

Изобретение относится к области криогенной техники и криогенных холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга, может быть использовано для термостатирования различных объектов и долговременного хранения продуктов питания и других материалов.

Известны технические решения газовых турбин, в которых энергия сжатого газа при расширении преобразуется в работу одновременно с понижением температуры газа (Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим. - технол. спец. вузов. - М.: "Высшая школа". 1986. - стр. 307).

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителям с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 287 - 288).

Известны технические решения для опорожнения криогенных емкостей методом самонаддува, при котором часть жидкости подается в испаритель, для теплообмена с воздухом атмосферы и перехода в газообразное состояние с повышенным давлением, и возвращается в емкость в свободное пространство над жидкостью (Р. Ф. Баррон. Криогенные системы. 2-е изд. под ред. А.К. Городова. М.: "Энергоатомиздат". 1989. - стр. 323).

Известно устройство сосуда Дьюара для жидкого азота с вакуумно-порошковой изоляцией (Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202).

Известно, что в области криогенных температур (60 - 160 К) наиболее высокоэффективным циклом является обратный цикл Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982., стр. 185 - 186).

Известно устройство газовой холодильной машины "Филипса", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для сжижения воздуха и включающей в себя блок теплообменников: конденсатор, регенератор и холодильник. В качестве рабочего тела в холодильной машине используется гелий (Вопросы глубокого охлаждения /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М. , 1961, стр. 35). Однако жидкий воздух обладает повышенной пожароопасностью.

Известно, что азот является химически малоактивным веществом, не ядовит и может применяться для создания инертной среды ввиду своей взрыво-пожаробезопасности (Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 22-е изд., испр. Л.: "Химия", 1982. - стр. 398 - 399). Однако получение азота является дорогостоящим технологическим процессом.

Известна система азотного охлаждения в теплоизолированном кузове автомашины, предназначенная для перевозки продуктов и позволяющая быстро охлаждать внутренний объем кузова. Система включает в себя емкость с жидким азотом и погружной центробежный насос для подачи жидкого азота в охлаждаемую камеру, при этом азотная среда оказывает благоприятное воздействие на сохраняемые продукты (Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Соловьев В.А. Система азотного охлаждения в теплоизолированном кузове автомашины.// Тез. докладов международной науч. -техн. конф. "Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне XXXI века"//, СПб., 1998. - стр. 32.) Однако данная система предполагает выброс использованного азота в атмосферу, что приводит к безвозвратной потери дорогостоящего газа - азота.

Известно устройство для охлаждения продуктов, содержащее замкнутый контур переконденсации паров жидкого азота, включающий азотную емкость с газовой и жидкостной частями, регулирующий клапан подачи азота из емкости в испаритель, а также холодильную машину (Патент GB N 1179796, F 25 D 3/10, 1970). Однако в данном техническом решении не используется высокоэффективный холодильный цикл Стирлинга.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в исключении безвозвратной потери азота, возможности использования системы для термостатирования различных объектов с высоким уровнем взрыво-пожаробезопасности, быстрого замораживания и долговременного хранения продуктов питания и других материалов в азотной среде.

Для достижения этого технического результата комбинированная система с азотным охлаждением, содержащая замкнутый контур переконденсации паров жидкого азота, включающий азотную емкость с газовой и жидкостной частями, регулирующий клапан подачи азота из жидкостной части емкости в испаритель, а также холодильную машину, снабжена в контуре переконденсации паров жидкого азота последовательно размещенными промежуточным теплообменником, установленным после испарителя, отводом, соединяющим газовую часть азотной емкости с промежуточным теплообменником и с испарителем, расширительной турбиной, расширительной емкостью, соединенную с сосудом Дьюара через холодильную машину, выполненную в виде машины Стирлинга, насосом высокого давления и обратным клапаном, а также система снабжена замкнутым рабочим контуром газообразного азота, последовательно проходящим через промежуточный теплообменник и испаритель, и содержащим охлаждаемый теплоизолированный объем с расположенной в нем системой раздачи и сбора азота, и компрессор, связанный с расширительной турбиной через муфту сцепления, причем привод холодильной машины Стирлинга может осуществляться от электродвигателя, отдельного теплового двигателя или от двигателя транспортного средства.

Введение в состав комбинированной системы с азотным охлаждением замкнутого рабочего контура газообразного азота с компрессором и системой раздачи и сбора азота в охлаждаемом объеме, а в контуре переконденсации паров жидкого азота промежуточного теплообменника, установленного после испарителя, отвода, соединяющего газовую часть азотной емкости с промежуточным теплообменником и с испарителем, расширительной турбины, расширительной емкости, соединенной с сосудом Дьюара через холодильную машину, выполненную в виде машины Стирлинга, насоса высокого давления и обратного клапана, позволяет получить новое свойство, заключающееся в исключении выброса азота в окружающую среду и компенсации теплопритоков от охлаждаемых продуктов за счет передачи тепла от замкнутого рабочего контура газообразного азота к замкнутому контуру переконденсации паров жидкого азота, причем конденсация паров азота происходит в конденсаторе холодильной машине Стирлинга.

На чертеже изображена комбинированная система с азотным охлаждением.

Комбинированная система состоит из замкнутого контура переконденсации паров жидкого азота, в который входят азотная емкость 1, регулирующий клапан подачи жидкого азота 2, испаритель жидкого азота 3, отвод 4, связывающий газовую часть емкости 1 с промежуточным теплообменником 5 и испарителем 3, расширительная турбина 6, расширительная емкость 7, холодильная машина Стирлинга 8, включающая в себя конденсатор 9, сосуд Дьюара 10, насос высокого давления 11, обратный клапан 12, и замкнутого рабочего контура газообразного азота, проходящего через промежуточный теплообменник 5 и испаритель 3, и состоящего из компрессора 13, связанного с расширительной турбиной 6 через муфту сцепления 14, и системы раздачи и сбора азота 15, расположенной в теплоизолированном охлаждаемом объеме 16. Для привода холодильной машины Стирлинга 8 может использоваться двигатель транспортного средства, электродвигатель или отдельный тепловой двигатель (на рис. не показаны).

Комбинированная система с азотным охлаждением работает следующим образом.

За счет внешних теплопритоков и теплопритоков от охлаждаемых продуктов в газообразный азот замкнутого рабочего контура нагревается в охлаждаемом объеме 16, охлаждая его внутреннюю среду. Из объема 16 теплый азот с помощью компрессора 13 подается в промежуточный теплообменник 5, где частично охлаждается, а затем поступает в испаритель 3, где происходит его дальнейшее охлаждение до низких температур за счет теплообмена с жидким азотом, и поступает в систему раздачи и сбора азота 15, расположенную в объеме 16. Кроме быстрого замораживания продуктов и термостатирования объема 16, азотная среда оказывает благоприятное воздействие при долговременном хранении на продукты питания. За счет теплообмена с газообразным азотом из замкнутого рабочего контура в испаритель 3 жидкий азот замкнутого контура переконденсации нагревается и испаряется, что приводит к образованию паров с высоким давлением. Из испарителя 3 газообразный азот повышенного давления одновременно поступает по отводу 4 в газовую часть емкости азотной 1, для подачи жидкого азота из жидкостной части емкости 1 в испаритель 3, подача регулируется с помощью клапана 2, и в промежуточный теплообменник 5, где перегревается, за счет теплообмена с азотом замкнутого рабочего контура, с увеличением давления. Затем нагретый азот поступает в расширительную турбину 6, где расширяется с понижением температуры, при этом вырабатываемая полезная работа расходуется на привод компрессора 13, соединенного с турбиной 6 через муфту сцепления 14. Из турбины 6 азот поступает в расширительную емкость 7, откуда газообразный азот засасывается в конденсатор 9 холодильной машины Стирлинга 8, где конденсируется, переходя в жидкую фазу, и сливается самотеком в сосуд Дьюара 10, откуда с помощью насоса высокого давления 11, через обратный клапан 12, подается вновь в азотную емкость 1.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки: 1. Чечеткин А.В., Занемонец Н.А Теплотехника: Учеб. для хим. - технол. спец. вузов. - М.: "Высшая школа", 1986. - стр. 307.

2. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 287 - 288.

3. Р.Ф. Баррон. Криогенные системы. 2-е изд. под ред. А.К. Городова. М.: "Энергоатомиздат", 1989. - стр. 323.

4. Соколов Е. Я. , Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., - М.: Энергоиздат. 1981, стр. 202.

5. Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185 - 186.

6. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 35.

7. Глинка Н. Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 22-е изд., испр. Л.: "Химия", 1982. - стр. 398 - 399.

8. Акулова Л.А., Борзенко Е.И., Соловьев В.А. Система азотного охлаждения в теплоизолированном кузове автомашины. //Тез. докладов международной науч. - техн. конф. "Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне XXXI века"//, СПб., 1998. - стр. 32.

9. Патент GB N 1179796, F 25 D 3/10, 1970. - прототип.

Формула изобретения

Комбинированная система с азотным охлаждением, содержащая замкнутый контур переконденсации паров жидкого азота, включающий азотную емкость с газовой и жидкостной частями, регулирующий клапан подачи азота из жидкостной части емкости в испаритель, а также холодильную машину, отличающаяся тем, что холодильная машина выполнена в виде машины Стирлинга, контур переконденсации снабжен последовательно размещенными промежуточным теплообменником, установленным после испарителя, отводом, соединяющим газовую часть азотной емкости с промежуточным теплообменником и с испарителем, расширительной турбиной, расширительной емкостью, сосудом Дьюара, соединенным через машину Стирлинга с расширительной емкостью, насосом высокого давления и обратным клапаном, а система снабжена замкнутым рабочим контуром газообразного азота, последовательно проходящим через промежуточный теплообменник и испаритель и содержащим охлаждаемый теплоизолированный объем с расположенной в нем системой раздачи и сбора азота, и компрессор, связанный с расширительной турбиной через муфту сцепления, причем привод холодильной машины Стирлинга может осуществляться от электродвигателя, отдельного теплового двигателя или от двигателя транспортного средства.

РИСУНКИ

Рисунок 1