Автономная система азотного охлаждения для термостатирования и долговременного хранения продуктов

 

Изобретение относится к области криогенной техники и криогенных холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга, и может быть использовано для термостатирования различных объектов и долговременного хранения продуктов питания. Автономная система представляет собой замкнутый контур азотного ожижителя. Подача жидкого азота в охлаждаемый объем производится с помощью метода самонаддува с использованием испарителя. Для переконденсации паров азота применяется криогенная машина Стирлинга. Для снятия тепловой нагрузки с машины Стирлинга используется контур охлаждения с двумя теплообменниками. Предложенная система позволит исключить потери азота, термостатировать объекты с высоким уровнем взрывопожаробезопасности, а также обеспечить долговременное хранение продуктов питания 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.

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителя с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П.Малкова/. М., Иностр. литература, 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., Бродянкий 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, ср. 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/. М., Иностр.литература, 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 г., 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, 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 научн.-техн. конф. "Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне XXI века"//, СПб. , 1998, стр.32). Однако, данная система предполагает выброс использованного азота в атмосферу, что 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 любых объектов, например, датчиков инфракрасного излучения, с высоким уровнем взрывопожаробезопасности, а также быстрого замораживания и долговременного хранения продуктов питания в азотной среде.

Для достижения этого технического результата автономная система азотного охлаждения для термостатирования и долговременного хранения продуктов, включающая в себя емкость с жидким азотом, охлаждаемый теплоизолированный объем, снабжена замкнутым контуром азота, содержащим регулировочный клапан подачи жидкого азота, испаритель азота, змеевик в газосодержащей части емкости с жидким азотом, системы раздачи и сбора азота, расположенную в охлаждаемой теплоизолированном объеме, дроссельный вентиль, 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, включающим в себя насос, первичный теплообменник, вторичный теплообменник и систему подачи охлаждающей окружающей среды, например атмосферного воздуха, состоящую из линии нагрева жидкого азота с регулирующим клапаном, проходящую через испаритель азота и вторичный теплообменник контура охлаждения, и линии, проходящей через первичный теплообменник контура охлаждения, при этом привод криогенной машины Стирлинга осуществляется от электродвигателя, отдельного теплового двигателя или от двигателя транспортного средства.

Введение в состав автономной системы азотного охлаждения для термостатирования и долговременного хранения продуктов, замкнутого контура азота с испарителем жидкого азота и криогенной машиной Стирлинга, контура охлаждения криогенной машины с двумя теплообменниками и системы подачи воздуха атмосферы, состоящей из отдельных линий, каждая из которых проходит через один из теплообменников контура охлаждения, позволяет получить новое свойство, заключающееся в исключении выброса испарившегося азота в окружающую среду за счет его переконденсации в криогенной машине Стирлинга и в уменьшении потребляемой мощности на привод криогенной машины Стирлинга за счет снижения верхней температуры цикла машины.

На чертеже изображена автономная система азотного охлаждения для термостатирования и долговременного хранения продуктов.

Автономная система состоит из замкнутого контура азота, в который входят емкость с жидким азотом 1, регулирующий клапан подачи жидкого азота 2, испаритель азота 2, змеевик 4, расположенный газообразной части емкости 1, теплоизолированный охлаждаемый объем 5, система раздачи и сбора азота 6, дроссельный вентиль 7, расширительная емкость 8, криогенная холодильная машина Стирлинга 9, включающая в себя конденсатор 10 и холодильник 11, сосуд Дьюара 12, насос высокого давления 13, обратный клапан 14, а также контура охлаждения криогенной машины 8, состоящего из насоса 15, первого теплообменника 16 и второго теплообменника 17, и системы подачи охлаждающей окружающей среды, например воздух атмосферы, включающей в себя линию нагрева жидкого азота 18 с регулирующим клапаном 19, проходящую последовательно через испаритель 3 и вторичный теплообменник 17 и линию 20 с регулирующим клапаном 21, проходящую через первичный теплообменник 16.

Автономная система азотного охлаждения для термостатирования и долговременного хранения продуктов работает следующим образом.

За счет теплопритоков от системы подачи воздуха окружающей среды в испарителе 3 жидкий азот нагревается и переходит в газообразное состояние с повышенным давлением, а затем поступает в змеевик 4, расположенный в газосодержащей части емкости 1, где газообразный азот охлаждается за счет теплообмена с парами жидкого азота. Температура и давление паров жидкого азота в емкости 1 повышается, что обеспечивает подачу жидкого азота в испаритель 3. Регулирование подачи жидкого азота в испаритель 3 осуществляется клапаном 2. Из змеевика 4 газообразный азот повышенного давления с криогенной температурой поступает в систему раздачи и сбора азота 6, расположенную в теплоизолированном охлаждаемой объеме 5, охлаждает внутреннюю среду объема 5 до нужной температуры, при этом сам нагревается. Подача газообразного азота криогенной температуры вовнутрь объема 5 позволяет, с одной стороны, эффективно, например без вибрации, термостатировать различные объекты, например датчики инфракрасного излучения, с другой стороны, в случае хранения продуктов быстро замораживать и создавать благоприятную азотную атмосферу. С целью предварительного охлаждения и снижения давления, азот из объема 5 дросселируется через вентиль 7 в расширительную емкость 8. Из расширительной емкости 8 газообразный азот засасывается в конденсатор 10 криогенной холодильной машины Стирлинга 9, где конденсируется, переходя в жидкую фазу, и сливается самотеком в сосуд Дьюара 12, откуда с помощью насоса высокого давления 13 через обратный клапан 14 подается вновь в емкость с жидким азотом 1.

Для привода криогенной машины Стирлинга 8 может использоваться двигатель транспортного средства, электродвигатель или специальный тепловой двигатель (не показаны). С целью охлаждения криогенной машины 9 предусмотрен контур системы охлаждения. По этому контуру нагретая от рабочего тела машины 9 охлаждающая жидкость из холодильника 11 машины 9 с помощью насоса 1 подается сначала в первый теплообменник 16, где жидкость охлаждается до температуры окружающей среды, а затем во второй теплообменник 17, где она охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды.

Для снятия тепловой нагрузки с криогенной машины Стирлинга 9 предусмотрена система подачи воздуха окружающей среды, состоящая из линии 20 с регулировочным клапаном 21, обеспечивающей подачу воздуха в теплообменник 16 для охлаждения охлаждающей жидкости контура охлаждения машины Стирлинга 9 до температуры окружающей среды, и линии 18 с регулировочным клапаном 19, обеспечивающей подачу воздуха сначала в испаритель 3 для его охлаждения до низкой температуры, а затем в теплообменник 17 для охлаждения охлаждающей жидкости контура охлаждения машины Стирлинга 9 до температуры, ниже температуры окружающей среды. За счет теплообмена между охлаждающей жидкостью с низкой температурой и рабочим телом машины 9 происходит снижение верхней температуры цикла машины 9, что приводит к увеличению холодильного коэффициента машины 9 и снижению потребляемой мощности на ее привод.

Источники информации 1. Вопросы глубокого охлаждения./Сб. статей под ред. проф. М.П.Малкова/. Изд.: "Иностр.литература", М., 1961, стр. 287-288.

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

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 г., 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 для термостатирования и долговременного хранения продуктов, включающая в себя емкость с жидким азотом, охлаждаемый теплоизолированный объем, отличающаяся тем, что снабжена замкнутым контуром азота, содержащим регулировочный клапан подачи жидкого азота, испаритель азота, змеевик в газосодержащей части емкости с жидким азотом, систему раздачи и сбора азота, расположенную в охлаждаемом теплоизолированном объеме, дроссельный вентиль, 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, включающим в себя насос, первый и второй теплообменники и систему подачи охлаждающей окружающей среды, например атмосферного воздуха, состоящую из линии нагрева жидкого азота с регулирующим клапаном, проходящей через испаритель азота и второй теплообменник контура охлаждения, и линии, проходящей через первый теплообменник контура охлаждения, при этом привод криогенной машины Стирлинга осуществляется от электродвигателя, отдельного теплового двигателя или от двигателя транспортного средства.

РИСУНКИ

Рисунок 1