Способ захолаживания объектов

 

СПОСОБ ЗАХОЛАЖИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ с помощью криогенной установки путем ступенчатого охлаждения сжатого прямого потока криоагента обратным потоком и жидкими хладагентами и отвода тепла от объекта охлаждённым криоагентом, о т л и ч а ю щ. и и с я тем, что, с целью повышения экономичности , обратный поток перед охлаждением им прямого потока поочередно охлаждают на каждой из ступеней , начиная с самой теплой, парами хладагентов этих ступеней, причем охлаждение обратного потока на каждой ступени проводят до достижения i им температуры хладагента этой ступени . (Л

СО!ОЭ СОВЕТСКИХ

3 ЮЮ

РЕСПУБЛИН

0% (11) (51) Р 25 В 9/02

С : 1.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOtVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

fl0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3452471/23-06 (22) 10.06.82 (46) 15.05.84. Бюл. ¹ 18 (72) Б.П. Батраков, В.А. Кравченко и Ю.Н. Волков (53) 62!.574(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 603818, кл. F 25 J 1/09, 1979.

2. Агеев А.И. и др. Анализ процессов охлаждения и криостатирования крупных сверхпроводящих устройств.

Препринт ОИЯИ, Р8-10039. Дубна,1976.

3. Зельдович А.Г. и др. Криоген- ные проблемы, связанные с использованием крупных сверхпроводящих соленоидов. Препринт ОИЯИ, Р8-3206. Дубна, 1968. (54) (57) СПОСОБ ЗАХОЛАЖИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ с помощью криогенной установки путем ступенчатого охлаждения сжатого прямого потока криоагента обратным потоком и жидкими хладагентами и отвода тепла от объекта охлажденным криоагентом, о т л и ч а ю щ. и и с я тем, что, с целью повьниения экономичности, обратный поток перед олаждением им прямого потока поочередно охлаждают на каждой из ступеней, начиная с самой теплой, парами хладагентов этих ступеней, причем охлаждение обратного потока на каждой ступени проводят до достижения им температуры хладагента этой ступени.

10923

Изобретение относится к технике низких температур, а именно к методам эахолаживания низкотемпературных объектов с помощью криогенной установки, и может быть использовано для охлаждения от комнатной до рабочей температуры различных криогенных объектов, таких как сверхпроводящие магнитные системы и линии электропередачи, охлаждаемые магниты, большие 10 пузырьковые камеры, откачивающие элементы конденсационных и адсорбционных насосов большой производительности и др.

Применяются различные способы эахо -15 лаживания криогенных объектов с помощью рефрижераторов, причем предварительное захолаживание производится газообразным криоагентом, например гелием, который последовательно охла- 20 ждается на различных температурных уровнях 1 3.

Однако данные способы эахолаживания криогенных объектов с помощью потока охлажденного газа не позволяют 25 полностью использовать холод выходя-. щего из охлаждаемого объекта обрат.— ного потока газа во всем температурнс: диапазоне охлаждения (от комнатной температуры до рабочей). 30

Известен способ захолаживания .криогенных объектов потоком охлажденного газообразного гелия, заключающийся н том, что в процессе охлаждения объекта от комнатной температуры прямой поток газообразного гелия .охлаждается вначале парами испаряющегося хладагента (азота) и возвращающимся из объекта обратным потоком гелия, затем он охлаждается жидким о хладагентом (азотом) и поступает к охлаждаемому объекту 2. Для дальнейmего понижения температуры объекта (ниже температуры жидкого азота) предусмотрено охлаждение прямого поЙка на более низких температурных уровнях и подача его к. захолаживаемому объекту (2.1.

Недостаток этого способа — неэкономичность, обусловленная больпым расходом жидкого хладагента (азота) в начальный период захолаживания от комнатной температуры. Это связано с неэффективностью использования обратного потока в начальный период захолажквания объекта, так как использование обратного потока при данном способе захолаживания термодинамически невыгодно. Кроме того, в данном способе предусмотрен ввод обратного потока газа только на один наиболее низкий температурный уровень, что также снижает эффективность использования обратного потока криоагента.

Известен также способ захолаживания объектов с помощью криогенной установки путем ступенчатого охлажде. ния сжатого прямого потока криоагента обратным потоком и жидкими хладагентами и отвода тепла от объекта охлажденным криоагентом. Б данном способе предусмотрен ввод обратного потока на три различных температурных уровня, т.е. данный способ позво ляет испольэовать довольно большую часть холода, запасенного обратным потоком.

Этот способ заключается в сжатии прямого потока криоагента, охлаждении прямого потока в газовом теплообменнике парами жидких хладагентов и обратным потоком криоагента и в охлаждении прямого потока в жидкостных теплообменниках на калдом температурном уровне. На наиболее низком температурном уровне производится охлаждение прямого потока обратным потоком и неожижившейся частью прямого потока и дальнейшее охлаждение объекта потоком жидкого или газообразного криоагента. Способ позволяет вводить обратный поток на три различных температурных уровня, причем охлаждение обратным потоком на каждом температурном уровне ведут после до" стижения обратным потоком криоагента. температуры жидкого хладагента даннога температурного уровня (31.

Однако при таком использовании обратного потока его температура всегда не выше, чем температура паров жидкого хладагента на каждом температурном уровне. При таком способе использования холода, запасенного обратным потвком, он не может быть использован оптимальным образом, Так, совсем не используется обратный поток в интервале температур 300-78 К. Использование обратного потока на более низких темнературных уровнях также является неоптимальным в связи с тем, что не используется холод обратного потока на каждом температурном уровне до достижения обратным потоком температуры жидкого хладагента этого уровн

Недостаточная эффективность испол зования обратного потока при данном способе захолаяявания значительно з

1092 увеличивает расходы жидких хладагентов в соответствующих ваннах, особенно высохокипящих жидкостей, в данном случае азота, и в меньшей степени водорода.

Целью изобретения является повышение экономичности.

Указанная цель достигается тем, 4то согласно способу захолаживания объектов с помощью криогенной установки путем ступенчатого охлаждения сжатого прямого потока криоагента обратным потоком и жидкими хладагентами и отвода тепла от объекта охлажденным криоагентом, обратный поток перед .охлаждением им прямого потока поочередно охлаждают на каждой из ступеней, начиная с самой теплой, парами хладагентов этих ступеней, причем охлаждение обратного потока на каждой сту- 20 пени проводят до достижения им температуры хладагента этой ступени.

На чертеже изображена схема установки, реализующей предлагаемый способ.

Устройство, реализующее способ, содержит компрессор 1 для сжатия газа, теплообменники 2-6, ванны 7,8 и 9 для жидких хладагентов, в которых размещены змеевики 10, 11 и 12, дроссель-вентиль 13 и систему коммутирующих вентилей 14-19, На чертеже также схематически изображен охлаждаемый объект 20.

Способ реализуют следующим обра- З5 зом.

Хладагент (жидкий азот) подают в ванну 7. В этот период вентили 15-18 и дроссель-вентиль 13 закрыты, а вентили 14 и 19 открыты. Сжатый ком- 40 прессором 1 криоагент (гелий) направляют в теплообменник 2, где его охлаждают теплым потоком, а затем про-, пуская через змеевик 10 расположенный в ванне 7, охлаждают жидким азо- -4S том и подают в захолаживаемый объект.

При этом возвращающийся из объекта обратный поток крис агента, имеющий постоянно снижающуюся температуру, охлаждают парами жидкого хладагента б из ванны 7 в теплообменнике 5, после чего этот обратный поток охлаждает прямой поток в теплообменнике 2 и поступает на вход компрессора 1. Когда темп охлаждения становится мень- SS шим оптимального темпа охлаждения, вентиль 14 закрывают и открывают вентиль 15, а затем заливают жидкий хлад335 агент (водород) в ванну 8. После до стижения обратным потоком на выходе из охлаждаемого объекта 20 температуры жидкого хладагента (азота), залитого в ванну 7, обратный поток начинают охлаждать парами жидкого хладагента (водорода) последующего, более низкого температурного уровня. Для этого вентиль 19 закрывают и открывают вентиль 18. На этом этапе прямой поток последовательно охлаждают в теплообменнике 2 обратным потоком и парами жидкого хладагента более низкого температурного уровня (парами водорода), после чего этот прямой поток охлаждают жидким азотом, залитым в ванну 7. Затем прямой поток охлаждают обратным потоком в теплообменнике 3, пропуская его через змеевик 11,. расположенный в ванне 8, охлаждают жидким водородом. Охлажденный таким образом прямой поток направляют в захолаживаемьй объект.

Возвращающийся из объекта обратный поток криоагента охлаждают в теплообменнике 6 парами жидкого хладагента (последующего, более низкого температурного уровня) из ванны 8 (парами водорода), после чего этот обратный поток охлаждает прямой поток последовательно в теплообменниках 3 и 2 и поступает на вход компрессора 1. Когда темп охлаждения объекта становится меньше оптимального темпа охлаждения, закрывают вентиль 15 и начинают дросселирование криоагента через дроссель-вентиль 13. Открывают вентиль 16, по которому проходит часть. прямого потока криоагента, предназначенная непосредственно для захолаживания объекта 20.

После достижения обратным потоком температуры жидкого хладагента (водорода.) на этом температурном уровне обратный поток начинают охлаждать парами жидкого хладагента (в данном случае криоагЬнта — гелия) последующего более низкого температурного уровня. Для. этого вентиль 18 закрывают, открывают вентиль 17, а обратный поток охлаждает прямой поток последовательно в теплообменниках 4, 3 и

2. После этого происходит окончательное захолаживание объекта 20 до температуры криостатирования.

Такой способ охлаждения позволяет эффективно использовать холод возвращающегося из захолаживаемого объекта

10923

$ обратного потока газа во всем температурном диапазоне охлаждения, начиная от комнатной температуры, что при. водит к значительной эко омии жидкого хладагента в процессе захолаживания криогенных объектов.

Преимущества предлагаемого способа по сравнению с известными заключаются в том,.что обратный поток газа, имеющий в процессе захалаживания объекта 10 переменную температуру, вначале доохлаждается парами жидкого хладагента, а затем уже обратный поток охлаждает прямой. Это позволяет эффективно использовать холод обратного потока в . 15 течение всего процесса захолаживания, независимо от того, с какой температурой обратный поток выходит из эахолаживаемого объекта.

Возможность использования обрат- 20 ного потока на температурном уровне, где температура жидкого хладагента ниже температуры обратного потока (т.е. обратный ноток используется на " самом низком температурном уровне, 25 который возможен при температуре обратного потока в данный момент), делает предлагаемый способ экономичнее и рестных.

Благодаря тому, что обратный поток криоагента сначала доохлаждается парами жидкого хладагента данного температурного уровня, а затем охла35 Ь ждает прямой поток, не используется (выбрасывается) только часть холода паров жидкого хладагента наиболее высокого температурного уровня (на наиболее низком температурном уровне пары используются полностью; остатки холода паров.пром«жуточнык хладагентов также частично могут использоваться на более высоких температурных уровнях). Холод выбрасывается после того, как пары достигнут температуры обратного потока, т.е. выбрасывается холод в интервале: температура обратного потока — температура окружающей среды. Этот интервал по мере охлаждения объекта увеличивается, но количество паров резко уменьшается как и абсолютная величина неиспользованного холода. При этом полностью используется холод обратного потока (исключая естественную недорекуперацию).

Б известном способе абсолютная величина неиспользованного холода растет по мере охлаждения объекта. 3а счет этой разницы получается термодинамический выигрыш в данном спосо-бе.

Конструктивно данный способ захолаживания криогенных объектов можно реализовать с помощью теплообменников — приставок к имеющимся криогенным установкам без существенного дополнительного изменения их схем.

Составитель N. Килимник

Редактор М. Бандура Техред Б.далекорей Корректор С.Шекмар

Заказ 3236/24 Тираж 514 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4