Автономная система азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии

 

Изобретение относится к криогенной технике и криогенным холодильным машинам, работающим по обратному циклу Стирлинга, может быть использовано для термостатирования специальных стационарных объектов, а также и для транспортных средств. Жидкий азот с помощью погружного насоса подают в воздухоохлаждаемую панель, расположенную в теплоизолированном охлаждаемом объеме. Жидкий азот охлаждает объем до нужной температуры, при этом сам испаряется. Газообразный поток азота расширяют в турбинах высокого и низкого давления с получением полезной работы и подогревают в теплообменнике. Из расширительной емкости азот подают в конденсатор криогенной машины Стирлинга, где он сжижается, и сливают в сосуд Дьюара, из которого насосом высокого давления подают в емкость. Нагретую от рабочего тела машины Стирлинга охлаждающую жидкость из холодильника подают в теплообменники для охлаждения окружающей средой и затем азотом. Привод холодильной машины Стирлинга осуществляют от электродвигателя специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства. Использование изобретения обеспечит исключение безвозвратной потери дорогостоящего газа азота, возможность использования системы для термостатирования обитаемых помещений без нарушения состава воздуха внутри этих помещений с высоким уровнем взрывопожаробезопасности и получение дополнительной электроэнергии. 1 ил.

Изобретение относится к криогенной технике и криогенным холодильным машинам, работающим по обратному циклу Стирлинга, может быть использовано для термостатирования специальных стационарных объектов, а также и для транспортных средств.

Известны технические решения газовых турбин, в которых энергия сжатого (высокого давления) газа при расширении преобразуется в работу одновременно с понижением температуры газа (Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим.-техн. спец.вузов. -М.: Высш.шк., 1986, стр. 307). Однако для эффективной работы расширительной турбины необходим газ с высоким давлением и температурой.

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).

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 K) 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 ожижения 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 взрывопожаробезопасности (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, погружной центробежный насос для подачи жидкого азота (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 XXI века"//, СПб., 1998, стр. 32). Однако данная система предполагает заполнение внутреннего объема кузова азотом с последующим его выбросом в атмосферу, что не позволяет использовать ее для термостатирования обитаемых помещений и приводит к безвозвратной потери дорогостоящего газа азота.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в исключении безвозвратной потери азота, возможности использования системы для термостатирования различных объектов, без нарушения состава воздуха внутри этих объектов с высоким уровнем взрывопожаробезопасности и получении дополнительной электроэнергии.

Для достижения этого технического результата, автономная система азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии, включающая в себя емкость с жидким азотом, погружной центробежный насос для подачи жидкого азота, охлаждаемый теплоизолированный объем, снабжена замкнутым контуром азота, содержащим воздухоохлаждающую панель, расположенную в охлаждаемом теплоизолированном объеме, расширительную турбину высокого давления с электрогенератором на одну валу, теплообменник подогрева азота, расширительную турбину низкого давления с электрогенератором на одном валу, расширительную емкость, криогенную холодильную машину Стирлинга, сосуд Дьюара, насос высокого давления, подающий жидкий азот из сосуда Дьюара в емкость с жидким азотом, и обратный клапан, а также контуром охлаждения криогенной машины Стирлинга, проходящим через теплообменник подогрева азота и включающим в себя насос и теплообменник, связанный с окружающей средой, при этом привод криогенной машины Стирлинга осуществляется от электродвигателя, специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства.

Введение в состав автономной системы азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии, замкнутого контура азота с расширительной турбиной высокого давления, теплообменником подогрева азота, расширительной турбиной низкого давления, причем турбины расположены на одном валу с электрогенераторами, и криогенной машиной Стирлинга, а также контура охлаждения криогенной машины, связанного с замкнутым контуров азота через теплообменник подогрева азота, позволяет получить новое свойство, заключающееся в исключении выброса испарившегося азота в окружающую среду за счет его переконденсации в криогенной машине Стирлинга, уменьшении потребляемой мощности на привод криогеннной машины Стирлинга за счет снижения верхней температуры цикла машины и получении дополнительной электроэнергии в электрогенераторах при расширении азота высокого давления и низкого давления.

На чертеже изображена автономная система азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии.

Автономная система состоит из замкнутого контура азота, в который входят емкость с жидким азотом 1, погружной центробежный насос 2, теплоизолированный охлаждаемый объем 3, воздухоохлаждающая панель 4, расширительная турбина высокого давления 5 с электрогенератором 6 на одном валу, теплообменник подогрева азота 7, расширительная турбина низкого давления 8 с электрогенератором 9 на одном валу, расширительная емкость 10, криогенная холодильная машина Стирлинга 11, включающая в себя конденсатор 12 и холодильник 13, сосуд Дьюара 14, насос высокого давления 15, обратный клапан 16, и контура охлаждения криогенной машины 11, состоящего из насоса 17, теплообменника 18 и проходящего через теплообменник подогрева азота 7. Теплообменник 18 связан с окружающей средой с помощью трубопроводов 19. Привод холодильной машины Стирлинга 11 может осуществляться от электродвигателя, специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства (не показаны).

Автономная система азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии работает следующим образом.

Жидкий азот из емкости 1 подается погружным центробежным насосом 2 в воздухоохладительную панель 4, расположенную в теплоизолированном охлаждаемом объеме 3, охлаждает внутреннюю среду объема 4 до нужной температуры, при этом сам нагревается и переходит в газообразное состояние с высоким давлением. Из панели 4 газообразный азот поступает в расширительную турбину высокого давления 5, где расширяется, при этом одновременно охлаждается и совершает полезную работу, генерируя электрический ток в электрогенераторе 6. После этого азот поступает в теплообменник подогрева 7, где охлаждает охлаждающую жидкость контура охлаждения машины Стирлинга 11 до температуры ниже окружающей среды. В результате этого теплообмена температура азота повышается с одновременным повышением давления. Газообразный азот из теплообменника 5 поступает в расширительную турбину низкого давления 8, где расширяется, при этом одновременно охлаждается и совершает полезную работу, генерируя электрический ток в электрогенераторе 9. После этого азот с низким давлением поступает в расширительную емкость 10, откуда засасывается в конденсатор 12 криогенной холодильной машины Стирлинга 11, где азот конденсируется, переходя в жидкую фазу, и сливается самотеком в сосуд Дьюара 14, откуда с помощью насоса высокого давления 15 через обратный клапан 16 подается вновь в емкость с жидким азотом 1.

С целью охлаждения криогенной машины 11 предусмотрен контур системы охлаждения. По этому контуру нагретая от рабочего тела машины 11 охлаждающая жидкость из холодильника 13 машины 11 с помощью насоса 17 подается в теплообменник 18, где происходит теплообмен с окружающей средой (например, атмосферный воздух), подаваемый по трубопроводам 19, при этом охлаждающая жидкость охлаждается до температуры окружающей среды. Затем жидкость подается в теплообменник подогрева азота 7, где она охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды, за счет теплообмена с газообразным азотом, и поступает вновь в холодильник 13. За счет теплообмена охлаждающей жидкости с низкой температурой и рабочим телом машины 11 происходит снижение верхней температуры цикла машины Стирлинга 11, что приводит к увеличению холодильного коэффициента машины 11 и снижению потребляемой мощности на ее привод.

Источники информации 1. Чечеткин А. В. , Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим.- техн. спец.вузов. -М.: Высш.шк. 1986, стр. 307.

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

3. 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.

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

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

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

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

Формула изобретения

Автономная система азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии, включающая в себя емкость с жидким азотом, погружной центробежный насос для подачи жидкого азота, охлаждаемый теплоизолированный объем, отличающаяся тем, что снабжена замкнутым контуром азота, содержащим воздухоохлаждающую панель, расположенную в охлаждаемом теплоизолированном объеме, расширительную турбину высокого давления с электрогенератором на одном валу, теплообменник подогрева азота, расширительную турбину низкого давления с электрогенератором на одном валу, расширительную емкость, криогенную холодильную машину Стирлинга, сосуд Дьюара, насос высокого давления, подающий жидкий азот из сосуда Дьюара в емкость с жидким азотом, и обратный клапан, а также контуром охлаждения криогенной машины Стирлинга, проходящим через теплообменник подогрева азота и включающим в себя насос и теплообменник, связанный с окружающей средой, при этом привод криогенной машины Стирлинга осуществляется от электродвигателя, специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства.

РИСУНКИ

Рисунок 1