Способ производства холода при т>4,4 к гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком



F25B1/00 - Холодильные машины, установки или системы; комбинированные системы для нагрева и охлаждения; системы с тепловыми насосами (теплопередающие, теплообменные или теплоаккумулирующие материалы, например хладагенты, или материалы для получения тепла или холода посредством химических реакций иных, чем горение, C09K 5/00; насосы, компрессоры F04; применение тепловых насосов для отопления жилых и других зданий или для горячего водоснабжения F24D; кондиционирование, увлажнение воздуха F24F; нагреватели текучей среды с тепловыми насосами F24H)

Владельцы патента RU 2792290:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ИФВЭ) (RU)

Изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к гелиевым рефрижераторам с избыточным обратным потоком. Заявлен способ производства холода при Т>4,4 К гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком, содержащим компрессор, теплообменник с каналами прямого и обратного потоков, дроссельный вентиль прямого потока, сборник криогенного продукта, вентиль подачи жидкого гелия и термодатчик потребителя холода. Степень открытия/закрытия вентиля подачи жидкого гелия определяется значением температуры термодатчика, размещенного на потребителе холода, причем в ручном или автоматическом режиме обеспечивают соблюдение условий: когда эта температура ниже заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия прикрывают, когда эта температура выше заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия приоткрывают. Технический результат заявленного изобретения - расширение арсенала способов производства холода при Т>4,4 К гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком, возможность производства гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком холода на любом температурном уровне, требуемым для полноценных испытаний сверхпроводящих и иных устройств. 2 ил.

 

Изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к гелиевым рефрижераторам с избыточным обратным потоком.

Известны гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком для производства холода на температурном уровне ~4,4 К, принцип действия которых и область применения наиболее полно отражены в монографии: В.П. Беляков Криогенная техника и технологии. М., Энергоиздат, 1982. Функциональная схема этого рефрижератора показана на фиг. 1 для двух способов охлаждения потребителя холода: прокачного, когда охлаждающий поток гелия прокачивается через каналы потребителя холода, фиг. 1а, и погружного, когда потребитель холода находится в сборнике жидкого гелия, фиг. 1б. Прямой поток сжатого гелия с расходом Х охлаждается в теплообменнике 2, затем дросселируется в вентиле 3 и поступает в виде парожидкостного потока либо в каналы потребителя холода 5 (фиг. 1а), либо в сборник жидкого гелия 4 (фиг. 1б). В сборник 4 через вентиль 6 также поступает жидкий гелий с расходом у.

Пары от парожидкостного потока и испаряющегося от тепловой нагрузки q жидкого гелия с общим расходом Х+y поступают в канал обратного потока теплообменника 2. Таким образом, расход обратного потока n превосходит расход прямого потока m на величину у, вследствие чего достигается положительный эффект Джоуля-Томсона на дроссельном вентиле 3, обеспечивающий производство холодопроизводительности q. Температура производимого холода равна температуре кипения жидкого гелия в сборнике 4 и, как правило, равна примерно 4,4 К. так как давление гелия на входе в компрессор 1 равно атмосферному давлению, примерно 1 бар абс. Регулирование режимов работы рефрижератора с избыточным обратным потоком при стабильной работе компрессора 1 достаточно простое: вентиль подачи жидкого гелия 6 открывается в такое положение, при котором уровень жидкого гелия по уровнемеру L в сборнике 4 остается стабильным. Такое регулирование достаточно легко исполняется как в ручном режиме управления, так и в режиме с использованием автоматизированной системы управления.

Как видно из фиг. 1, гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком в отличие от классических гелиевых рефрижераторов не содержат детандеров в ступени предварительного охлаждения и поэтому просты как в устройстве, так и в управлении и имеют высокую степень надежности. Благодаря этим качествам гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком нашли широкое применение как в различных исследовательских и испытательных установках, использующих холод при гелиевых температурах, так и в крупных криогенных системах, например, в криогенном комплексе сверхпроводящего ускорителя «Теватрон» (США, национальная лаборатория им. Ферми). Рассматривается применение гелиевых рефрижераторов с избыточным обратным потоком и в новом мегапроекте сверхпроводящего ускорительного комплекса НИКА (Н.Н. Агапов и др. Развитие и реконструкция криогенной системы ЛФВЭ ускорительного комплекса NIKA (2012-2015). Препринт Р8 2012-14, ОИЯИ, Дубна, 2012).

Простота и надежность гелиевых рефрижераторов с избыточным обратным потоком обусловили их широкое применение в стендах по испытанию различных сверхпроводящих электрофизических устройств. При испытании некоторых сверхпроводящих устройств оказалось желательным повысить температуру производимого холода выше 4,4 К, до 6 К и выше, вплоть до критической температуры сверхпроводников: ~10 К для NbTi сверхпроводников и~20 К для сверхпроводников Nb3Sn. Произвести холод при подобных температурах в гелиевом рефрижераторе с избыточным обратным потоком в конфигурации по фиг. 1 невозможно хотя бы по той причине, что при температуре выше 5,18 К гелий находится только в газообразном состоянии и становится невозможным использование уровнемера L жидкого гелия для регулирования режимов работы рефрижератора.

Наиболее близким аналогом является гелиевый рефрижератор с избыточным обратным потоком для производства холода на двух температурных уровнях (RU2576768, опубликовано: 10.03.2016), содержащий компрессор, теплообменный блок с каналами прямого и обратного потоков, дроссельный вентиль прямого потока и криостат охлаждаемого устройства при гелиевой температуре ~4,4 К, отличающийся тем, что для охлаждения второго устройства при температурах выше 4,4 К часть прямого потока выводится из теплообменного блока на второе охлаждаемое устройство и после второго охлаждаемого устройства возвращается в теплообменный блок в дополнительный канал прямого потока, соединенный с криостатом первого охлаждаемого устройства дополнительным дроссельным вентилем.

Техническим результатом прототипа является наличие в гелиевом рефрижераторе с избыточным обратным потоком двух источников холода на различных температурных уровнях, что позволит использовать его и в тех случаях, когда по условиям техники безопасности запрещено применение жидкого азота для охлаждения экранов устройства, работающего при 4,4 К<Т<80 К.

Техническая проблема, присущая прототипу, заключается в следующем.

Потребители холода, работающие при гелиевых температурах криостатирования ~4,4 К имеют высокоэффективную экранно-вакуумную суперизоляцию, содержащую множество не охлаждаемых экранов с одним промежуточным охлаждаемым экраном при температуре ~80 К. При такой изоляции теплопритоки из окружающей среды к изделию составляют величину около 0,2 Вт/м2. Если из этой суперизоляции убрать охлаждаемый экран, то теплопритоки из окружающей среды к потребителю холода возрастут до значения 3 Вт/м2, что, как правило, недопустимо.

Обычно для охлаждения промежуточного экрана применяют жидкий азот, который кипит при температуре 77,4 К. Применение жидкого азота практически не усложняет криогенную установку, охлаждающую потребитель холода при Т=4,4 К. Но когда по условиям техники безопасности применение жидкого азота запрещено, то для охлаждения промежуточного экрана при Т≈70 К приходится в криогенную установку встраивать дополнительный детандер, который значительно усложняет и удорожает криогенную установку.

Решение по прототипу предлагает устройство именно для охлаждения промежуточного экрана без усложнения криогенной установки и технически в этом патенте гелиевый поток, охлаждающий промежуточный экран, не может быть направлен на криотатирование потребителя холода при температуре 4,4 К и выше.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является нахождение такого способа работы гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком, при котором бы этот рефрижератор производил холод и при температуре выше 4,4 К.

В отличие от патента RU2576768 предлагаемое изобретение описывает способ повышения заданной температуры криостатирования испытываемого потребителя холода выше 4.4 К.

Новый результат, недостижимый в прототипе – это возможность получать температуру выше 4,4 К не только на промежуточном экране испытываемого потребителя холода, но и на непосредственно испытываемом потребителе холода.

Причем новый результат не зависит от того, как охлаждается промежуточный экран: жидким азотом, детандером или устройством по патенту RU2576768.

Технический результат заявленного изобретения - расширение арсенала способов производства холода при Т>4,4 К гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком, при котором регулирование подачи жидкого гелия в сборник криогенного продукта производится по показаниям термодатчика испытываемого потребителя холода, что ранее в гелиевых рефрижераторах с избыточным обратным потоком не применялось.

Также техническим результатом является возможность производства гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком холода на температурном уровне выше Т>4,4 К, требуемым для полноценных испытаний сверхпроводящих и иных устройств.

Указанный технический результат достигается тем, что заявлен способ производства холода при Т>4,4 К гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком, содержащим компрессор, теплообменник с каналами прямого и обратного потоков, дроссельный вентиль прямого потока, сборник криогенного продукта, вентиль подачи жидкого гелия и термодатчик потребителя холода, отличающийся тем, что степень открытия/закрытия вентиля подачи жидкого гелия определяется значением температуры термодатчика, размещенного на потребителе холода, причем в ручном или автоматическом режиме обеспечивают соблюдение условий:

- когда эта температура ниже заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия прикрывают;

- когда эта температура выше заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия приоткрывают.

Осуществление изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что степень открытия/закрытия вентиля подачи жидкого гелия, которым регулируется режим работы гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком при Т>4,4 К, определяется значениями температуры от термодатчика, установленного непосредственно на потребителе холода.

Сущность изобретения поясняется схемой, представленной на фиг. 2. Гелиевый рефрижератор с избыточным обратным потоком для производства холода при Т>4,4 К содержит компрессор 1, теплообменник 2 с каналами прямого потока гелия высокого давления m и обратного потока n при давлении 1 бар абс., дроссельный вентиль 3, сборник холодного гелия 4, потребитель холода 5, вентиль подачи жидкого гелия 6, и термодатчик 7 для измерения температуры потребителя холода 5, где термодатчик 7 размещен на потребителе холода 5.

Когда требуется охлаждение потребителя холода при температуре кипения жидкого гелия в сборнике 4, Т≈4,4 К, то регулирование режимов работы рефрижератора осуществляется вентилем 6 так, чтобы уровень жидкого гелия по уровнемеру L (фиг. 1) в сборнике 4 оставался стабильным.

А в случае повышения температуры производимого холода выше 4,4 К степень открытия/закрытия вентиля подачи жидкого гелия 6 определяется значением температуры термодатчика 7 (фиг. 2) потребителя холода:

- когда эта температура ниже заданного значения, то вентиль 6 подачи жидкого гелия прикрывается;

- когда эта температура выше заданного значения, то вентиль 6 подачи жидкого гелия приоткрывается.

Это регулирование достаточно легко исполняется как в ручном режиме управления, так и в режиме с использованием автоматизированной системы управления.

При этом, если заданная температура производимого холода будет находится в диапазоне значений 4,4–5,18 К, то возможно наличие небольшого количества жидкого гелия в нижней части сборника 4.

Таким образом, при заданной температуре производимого холода выше 5,18 К в сборнике 4 будет находится только холодный газообразный гелий.

Способ согласно изобретения может применяться в работе рефрижератора следующим образом.

Сжатый в компрессоре 1 гелий поступает в канал прямого потока теплообменника 2, в котором охлаждается и далее дросселируется в вентиле 6 и затем поступает на охлаждение потребителя холода 5.

После охлаждения потребителя холода 5 этот гелий вместе с добавленным жидким гелием поступает в канал обратного потока теплообменника, где нагревается, охлаждая при этом прямой поток гелия. После теплообменника 2 большая часть обратного потока гелия в количестве Х направляется на сжатие в компрессор 1, а другая часть количеством у – на ожижение. Регулирование режимов работы рефрижератора с обратным потоком осуществляется открытием/закрытием вентиля 6 подачи жидкого гелия по сравнению температуры потребителя холода 5 с заданной температурой охлаждения. Открытие/закрытие вентиля 6 может осуществляться в ручном или автоматическом режиме.

Опытные испытания на гелиевых рефрижераторах с избыточным обратным потоком для производства холода при Т>4,4 К, проведенные 24 июня 2022 г. на основе схемы фиг.2(б), подтвердили возможность регулирования подачи жидкого гелия в сборник криогенного продукта по показаниям термодатчика испытываемого потребителя холода.

В ходе испытаний в Институте физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» была проверена возможность производства гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком холода на температурных уровнях 10 К и затем 5 К с нулевой холодопроизводительностью и с холодопроизводительностью 12 Вт, требуемыми для полноценных испытаний сверхпроводящих и иных устройств. Графики указанных температурных уровней испытываемого объекта показаны на фиг.3, фиг.4. На фиг.3 показан график термодатчика 7 при температурном уровне 10 К. Холодопроизводительность рефрижератора 0 Вт с 13-08 до 13-30 и 12 Вт с 13-30 до 13-48 24 июня 2022 г. На фиг.4 показан график термодатчика 7 при температурном уровне 5 К. Холодопроизводительность рефрижератора 0 Вт с 14-20 до 14-40 и 12 Вт с 14-40 до 15-10 24 июня 2022 г.

Из приведенных графиков следует, что заданные температуры криостатирования стабильны достаточно долгое время при различных холодопроизводительностях, что показывает работоспособность способа производства холода при Т>4,4 К гелиевым рефрижератором с избыточным с избыточным обратным потоком.

Способ производства холода при Т>4,4 К гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком, содержащим компрессор, теплообменник с каналами прямого и обратного потоков, дроссельный вентиль прямого потока, сборник криогенного продукта, вентиль подачи жидкого гелия и термодатчик потребителя холода, отличающийся тем, что степень открытия/закрытия вентиля подачи жидкого гелия определяется значением температуры термодатчика, размещенного на потребителе холода, причем в ручном или автоматическом режиме обеспечивают соблюдение условий:

- когда эта температура ниже заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия прикрывают;

- когда эта температура выше заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия приоткрывают.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к топливно-энергетическому комплексу и может быть использовано в системах энергогазоснабжения в случае отсутствия магистрального транспорта газа. Объединенный способ производства и транспортировки сжиженного природного газа (СПГ) заключается в том, что СПГ из транспортной емкости через устройство приема сливается в емкость хранения, подается на испаритель, где преобразуется в паровую фазу, после этого подогревается, одорируется и через пункт редуцирования подается потребителям.

В установке частичного сжижения природного газа, расположенной на ГРС, применен способ охлаждения газа, основанный на эффекте Хирша в вихревых трубах. Особенностью установки является использование вихревых трубок со сверхзвуковым течением газа в соплах Лаваля завихрителя.

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к способу получения сверхчистого сжатого гелия в баллонах, основанного на очистке гелия в процессе его ожижения. Два режима получения сверхчистого гелия осуществляют за счет автономной подачи в ожижитель неочищенного потока гелия, равного по величине ожижаемому потоку гелия.

Установка (1) для сжижения газа содержит компрессор (2), выполненный с возможностью повышения давления газа с целью получения сжатого газа; охлаждающее устройство (3), соединенное гидравлическим образом с компрессором (2) и выполненное с возможностью охлаждения сжатого газа; узел расширения (6, 10, 20), который соединен гидравлическим образом с охлаждающим устройством (3), выполненный с возможностью снижения давления сжатого газа с целью получения сжиженного газа; заправочную станцию (4), соединенную гидравлическим образом с узлом расширения (6, 10, 20) и выполненную с возможностью наполнения криогенного резервуара (5) сжиженным газом.

Устройство (10) получения газа в газообразной форме из сжиженного газа, включает первый теплообменник (24), содержащий первый контур (24a) охлаждения, содержащий входное отверстие для сжиженного газа, соединенное с первым трубопроводом (18), который предназначен для соединения с выходным отверстием для сжиженного газа по меньшей мере одного резервуара (14) для хранения сжиженного газа, средство (19) испарения путем сброса давления, которым оснащен указанный первый трубопровод, и по меньшей мере один компрессор (26, 28).

Изобретение относится к криогенной технике и может быть применено для сжижения природного газа на газораспределительных станциях. Предложено три варианта установки, включающей во всех вариантах блоки осушки 1 и очистки от кислых компонентов 2, двухсекционный теплообменник 3, холодильник 4, нагреватель отпарного газа 5, детандер 6, редуцирующее устройство 7, компрессор 8 и сепаратор 9.

Изобретение относится к получению гранулированного СО2, используемого в процессах очистки поверхностей деталей промышленного оборудования и в процессах охлаждения промышленных и непромышленных объектов и изделий. Устройство получения гранулированного СО2 содержит корпус, имеющий камеру для твердого СО2, выполненную с возможностью формирования в ней твердого СО2, прессующий элемент, выполненный с возможностью прессования твердого СО2 в камере для твердого СО2 с обеспечением перехода по меньшей мере части твердого СО2 в состояние высоковязкого текучего СО2.

Изобретение относится к газовой промышленности и может найти применение при организации процесса ожижения природного газа. Установка для производства сжиженного природного газа подключена к источнику подачи природного газа и включает соединенные бустер-компрессор, теплообменники предварительного и окончательного охлаждения, блок осушки и блок очистки.

Изобретение относится к накоплению и хранению энергии и может быть использовано для регулирования мощности крупных генерирующих станций, управления спросом и иных применений для генерации, сетей, потребителей. Способ включает следующие этапы: очистка атмосферного воздуха, сжатие его с понижением температуры воздуха на выходе каждой ступени сжатия до температуры, близкой к температуре окружающей среды, охлаждение до температуры 100 К, разделение сжатого воздуха на газовую и жидкую фазы; хранение жидкой фракции в криогенном танке; высвобождение энергии при генерации.

Группа изобретений относится к технологии сжижения природного газа с использованием внешнего холодильного цикла. Поток природного газа высокого давления охлаждают, конденсируют и переохлаждают потоком смесевого хладагента, расширяют и направляют в резервуар на хранение.

Компрессорная холодильная установка для холодильной системы включает по меньшей мере два работающих параллельно между общим портом низкого давления и общим портом высокого давления поршневых компрессора. В компрессорной холодильной установке общий массовый расход компрессорной холодильной установки является задаваемым посредством того, что по меньшей мере для одного из поршневых компрессоров его массовый расход является задаваемым путем изменения частоты вращения электродвигателя посредством частотного преобразователя для электродвигателя, и что по меньшей мере для одного из поршневых компрессоров его массовый расход является задаваемым путем избирательного включения цилиндров.
Наверх