Низкотемпературная холодильная машина



Низкотемпературная холодильная машина
Низкотемпературная холодильная машина
Низкотемпературная холодильная машина

 


Владельцы патента RU 2617039:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (RU)

Низкотемпературная холодильная машина для выработки искусственного холода с использованием в качестве рабочего вещества хладагента природного происхождения, преимущественно диоксида углерода. Машина содержит компрессор, теплообменник-охладитель, охлаждающий пары рабочего вещества после сжатия, рекуперативный теплообменник, детандер, обеспечивающий расширение предварительно охлажденного рабочего вещества до твердофазного мелкодисперсного состояния, теплообменник-сублиматор, в котором за счет отбора тепла от потребителя осуществляется сублимирование твердого рабочего вещества с получением перегретого пара, и блок вакуумной откачки этого пара, создающего вакуум в теплообменнике-сублиматоре для обеспечения необходимой для процесса сублимации рабочего вещества низкой температуры. Охлаждение основного потока рабочего вещества, обеспечиваемое в рекуперативном теплообменнике путем регенерации холода от откачиваемого перегретого пара, а перед детандером - за счет используемой в качестве охлаждающей среды расширенной во вспомогательном детандере предварительно отобранной части основного потока, способствует снижению энергопотребления. Изобретение направлено на повышение экономической и технологической эффективности получения низкотемпературного искусственного холода. 1 з.п. ф-лы. 2 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, в частности технике низких температур, конкретно к холодильной технике компрессорного типа, и может быть использовано в разнообразных технологических процессах пищевой и химической отраслях промышленности, в машиностроении и других областях деятельности человека, где требуется потребление искусственного холода в диапазоне низких температур до минус 140-150°С.

Из уровня техники известна низкотемпературная техника компрессорного типа, в которой достигается температурный уровень вплоть до минус 150°С, например автокаскадная холодильная система (US 5408848 A, 1994 г.), работающая на сложном смесевом хладагенте, таком как смесь холодильных агентов R-142b, R-134a, R-23, R-14, R-740 с массовой долей каждого вещества соответственно 25,5/23,2/12,8/23,7/14,8%, и достигнутый ею указанный температурный уровень определяется нормальной температурой кипения наиболее низкокипящего компонента смеси рабочих веществ, которым является аргон (R-740). Кроме необходимости использования в качестве рабочего вещества сложного смесевого хладагента такая установка отличается высоким расходом электроэнергии и конструктивной усложненностью из-за множества необходимого дополнительного оборудования (конденсаторы, маслоотделители, отделители жидкости и т.п.), что удорожает установку.

В настоящее время при разработке низкотемпературной холодильной техники важным фактором становится использование природных хладагентов: воздух, вода, углеводороды, диоксид углерода и аммиак (Цветков О.Б. «Современные холодильные агенты и хладоносители», интернет-газета «Холодильщик.RU», выпуск №6 (66), июнь 2010 г.).

Так из уровня техники известны компрессионные холодильные машины, в которых в качестве рабочего вещества используется такой природный хладагент, как диоксид углерода (RU №2173822, 2001 г.) и диоксид углерода в смеси с пропаном (RU №2220383, 2003 г.).

Холодильная машина по патенту RU №2220383, работающая на смесевом хладагенте, состоящем из пропана R290 и диоксида углерода R744, представляет собой однопоточную холодильную машину (по циклу А.П. Клименко) и содержит линейный ресивер, промежуточный сосуд, оснащенный теплообменником, дроссельные вентили и испарители на промежуточную и низкую температуры кипения, компрессор высокой ступени, компрессор низкой ступени, охладитель и конденсатор.

Недостаток установки состоит в том, что использование смесевого рабочего вещества усложняет ее эксплуатацию и обслуживание (выражается в необходимости контроля состава смеси при заправке и наличии горючего рабочего вещества в смеси), а наличие двух комплектов дроссельных вентилей и испарителей (для соответствующих температурных уровней) обуславливает усложнение ее конструктивного построения.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения определена низкотемпературная турбохолодильная машина с хладагентом природного происхождения (RU №2123647, 1998 г., второй вариант - фиг. 2), содержащая подключенный к потребителю холода замкнутый гидравлический контур с циркулирующей в нем газовой средой в качестве рабочего вещества (РВ), включающий в себя компрессор, на выходе которого в линии высокого давления установлен теплообменник с внешним подводом охлаждающей среды, предназначенный для отвода теплоты сжатия; блок рекуперативных теплообменников, используемых поочередно, и детандер - расширитель потока РВ перед подачей потребителю. Выходящий из компрессора поток газовой среды поступает в теплообменник, где охлаждается до 20°С и далее в рекуператоре и в турбодетандере (после передачи тепла охлаждаемому продукту) охлаждается до температуры минус 80°С - минус 85°С.

Из описания прототипа следует, что в нем обеспечивается интервал рабочих температур от минус 20°С до минус 100°С, что ограничивает область его использования и, соответственно, является его недостатком. Наличие дополнительного охлаждения основного потока РВ перед детандером - расширителем посредством циклона-холодильника не оказывает решающего влияния на расширение достигнутого диапазона температур.

Другой недостаток прототипа заключается в повышенном энергопотреблении, обусловленном особенностями его конструктивного и функционального построения. Так из-за выполнения компрессора центробежным с масляной смазкой мультипликатора в РВ на выходе из него присутствуют пары масла и воды, в результате конструкция машины содержит двухстадийную усложненную систему очистки РВ.

Задача, решаемая изобретением, направлена на повышение эффективности низкотемпературной холодильной машины, способной вырабатывать искусственный холод не ниже минус 90°С при использовании экологически чистого природного хладагента - диоксида углерода.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в расширении диапазона достигаемых околокриогенных температур за счет преобразования РВ - диоксида углерода - в твердофазное мелкодисперсное состояние и в снижении энергопотребления.

Достигается указанный технический результат тем, что низкотемпературная холодильная машина с хладагентом природного происхождения, преимущественно диоксидом углерода, в качестве рабочего вещества, циркулирующего в подключенном к потребителю холода закрытом гидравлическом контуре машины, содержащем компрессор, на выходе которого в линии высокого давления установлен теплообменник с внешним подводом охлаждающей среды, предназначенный для отвода теплоты сжатия, последовательно размещенные за ним рекуперативный теплообменник и детандер - расширитель потока рабочего вещества, а также средства дополнительного охлаждения основного потока рабочего вещества перед детандером, согласно изобретению снабжена системой, обеспечивающей перевод циркулирующего в гидравлическом контуре парообразного диоксида углерода в твердофазное мелкодисперсное состояние и его возврат из твердого состояния в парообразное, включающей в себя упомянутый детандер, имеющий при этом на выходе вакуум, обеспечивающий переход рабочего вещества в твердофазное мелкодисперсное состояние, и встроенные после него, вновь введенные в гидравлический контур машины: отбирающий тепло от потребителя теплообменник, в котором осуществляется процесс сублимации твердофазного рабочего вещества в перегретый пар, и блок вакуумной откачки этого пара, и при этом средства дополнительного охлаждения основного потока рабочего вещества выполнены в виде детандера, расширяющего отбираемую часть основного потока, и теплообменника, в котором расширенный этим детандером поток рабочего вещества является охлаждающей средой для основного потока, а рекуперативный теплообменник включен в линию откачки перегретого пара, воспринимающего при этом часть тепла основного потока высокого давления.

В частном случае исполнения машины блок вакуумной откачки холодного пара выполнен в виде двухступенчатого откачного агрегата, включающего в себя основной вакуумный насос и вспомогательный вакуумный насос, работающие последовательно, и охладители нагревающегося в процессе сжатия пара.

Предлагаемая низкотемпературная холодильная машина позволяет получать температуры (в зависимости от нужд потребителя холода) в диапазоне от минус 90°С до минус 150°С и при этом имеет высокую энергетическую эффективность, выражающуюся в низком энергопотреблении, что достигается благодаря использованию процесса сублимации РВ в процессе отбора тепла от потребителя из твердофазного мелкодисперсного состояния в парообразное.

Создаваемое блоком вакуумной откачки пониженное давление способствует переходу парообразного РВ в твердофазное мелкодисперсное состояние перед началом отбора тепла от потребителя и в процессе этого отбора - сублимации твердообразного диоксида углерода.

Признано, что у диоксида углерода высокие показатели теплообмена. Объемная холодопроизводительность R744 почти на порядок выше, чем для любого синтетического хладагента, и в пять раз выше, чем для аммиака (Цветков О.Б. «Современные холодильные агенты и хладоносители», интернет-газета «Холодильщик.RU», выпуск №6 (66), июнь 2010 г.), и общеизвестно, что в процессе сублимации твердый диоксид углерода поглощает большое количество тепла (например, Алтунин В.В. «Теплофизические свойства двуокиси углерода», г.Москва, изд. Стандарт, 1975 г.).

Экономия энергопотребления достигается также за счет использования в качестве охлаждающей среды для охлаждения основного потока РВ: перед детандером - частично отбираемым от него с помощью дополнительного контура потока, расширяемого и охлаждаемого в этом контуре; в рекуперативном теплообменнике - откачиваемого перегретого пара.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 приведена принципиальная схема холодильной машины (пример); на фиг. 2 - то же, с вариантным исполнением блока откачки.

Закрытый гидравлический контур машины с циркулирующим в нем РВ - парообразным диоксидом углерода - содержит компрессор 1, теплообменник 2, предназначенный для охлаждения РВ после сжатия, установленный в линии высокого давления рекуперативный теплообменник 3, охлаждающий поток высокого давления, и детандер 4, расширяющий отбираемую часть основного потока, а также теплообменник 5, в котором охлаждающей средой для охлаждения основного потока РВ служит расширенная в детандере 4 отбираемая от основного часть потока. Детандер 6 обеспечивает повторное расширение основного потока РВ и переход диоксида углерода в твердофазное мелкодисперсное состояние.

В теплообменнике-сублиматоре 7 в процессе отбора тепла от потребителя за счет перегретых паров, откачиваемых из этого теплообменника блоком 8 вакуумной откачки паров с насосом 9, осуществляется процесс сублимации РВ, причем в линию откачки перегретых паров встроен рекуперативный теплообменник 3, в котором откачиваемый пар служит охлаждающей средой для основного потока РВ. Блок 8 может быть выполнен в виде двухступенчатого откачного агрегата (фиг. 2), содержащего вакуумные насосы: основной 9 и вспомогательный 11, и охладители 10 и 12.

Холодильная машина работает следующим образом.

Насосом 9 блока 8 откачиваются пары РВ из теплообменника 7 при низком давлении и нагнетаются в компрессор 1, который сжимает парообразное рабочее вещество (диоксид углерода) до высокого давления.

В теплообменнике-охладителе 2 отводится теплота сжатия с помощью доступной охлаждающей среды (например, воды или воздуха), и при проходе РВ через рекуперативный теплообменник 3 происходит рекуперация тепла между теплым потоком высокого давления и холодным паром, выходящим из теплообменника 7. Часть основного потока после рекуператора 3 отводится на детандер 4 вспомогательного контура, где он расширяется и охлаждается - расширенная часть потока принимает тепло от основного потока в теплообменнике 5 и, возвращаясь в основной контур, всасывается в компрессор 1 при промежуточном давлении. После предварительного охлаждения основной поток расширяется в вакуумном детандере 6 с превращением РВ в твердофазное мелкодисперсное состояние.

Далее РВ в виде снега поступает в теплообменник 7, где забирая тепло от потребителя (с помощью циркулирующего теплоносителя или при непосредственном контакта охлаждаемого объекта с теплообменной поверхностью), в процессе сублимации переходит в парообразное состояние. Необходимая для протекания процесса сублимации низкая температура обеспечивается созданием посредством блока 8 вакуума в теплообменнике 7.

В варианте исполнения блок 8 вакуумной откачки, выполненный в виде двухступенчатого откачного агрегата, содержащего основной вакуумный насос 9, вспомогательный вакуумный насос 11 и охладители 10 и 12 нагревающегося в процессе сжатия пара, работает следующим образом: вакуумный насос второй ступени 9 откачивает пары РВ при низком давлении из теплообменника 7, в теплообменнике-охладителе 10 отводится теплота сжатия любой доступной охлаждающей средой, пары всасываются в вакуумный насос первой ступени 11 и в теплообменнике-охладителе 12 отводится теплота сжатия любой доступной охлаждающей средой, после чего пары РВ поступают на всасывание в компрессор 1.

1. Низкотемпературная холодильная машина с хладагентом природного происхождения, преимущественно диоксидом углерода, в качестве рабочего вещества, циркулирующего в подключенном к потребителю холода закрытом гидравлическом контуре машины, содержащем компрессор, на выходе которого в линии высокого давления установлен теплообменник с внешним подводом охлаждающей среды, предназначенный для отвода теплоты сжатия, последовательно размещенные за ним рекуперативный теплообменник и детандер - расширитель потока рабочего вещества, а также средства дополнительного охлаждения основного потока рабочего вещества перед детандером, отличающаяся тем, что в ней имеется система, обеспечивающая перевод циркулирующего в гидравлическом контуре парообразного диоксида углерода в твердофазное мелкодисперсное состояние и его возврат в процессе приема тепла от потребителя из твердого состояния в парообразное, включающая в себя упомянутый детандер, имеющий при этом на выходе вакуум, обеспечивающий переход рабочего вещества в твердофазное мелкодисперсное состояние, и встроенные после него вновь введенные в гидравлический контур машины: теплообменник, отбирающий тепло от потребителя, в котором осуществляется процесс сублимации твердофазного рабочего вещества в перегретый пар, и блок вакуумной откачки перегретого пара, и при этом средства дополнительного охлаждения основного потока рабочего вещества выполнены в виде детандера, расширяющего отбираемую часть основного потока, и теплообменника, в котором расширенный этим детандером поток рабочего вещества является охлаждающей средой для основного потока, а рекуперативный теплообменник включен в линию откачки перегретого пара, воспринимающего при этом часть тепла основного потока высокого давления.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что блок вакуумной откачки холодного пара выполнен в виде двухступенчатого откачного агрегата, включающего в себя основной вакуумный насос и вспомогательный вакуумный насос, работающие последовательно, и охладители нагревающегося в процессе сжатия пара.



 

Похожие патенты:

Способ управления временем перехода через диапазон скоростей, опасных для второго детандера (120), который принимает поток текучей среды от первого детандера (110), осуществляется путем автоматического смещения скорости второго детандера (120), когда текущая скорость первого детандера находится в пределах диапазона применения смещения.

Способ управления временем перехода через диапазон скоростей, опасных для первого детандера (110), осуществляется путем автоматического смещения скорости второго детандера (120), который принимает поток текучей среды с выхода первого детандера (110), когда текущая скорость первого детандера находится в пределах диапазона применения смещения.

Изобретение относится к установке турбодетандер-компрессор, способу ее регулирования и контроллеру. Установка турбодетандер-компрессор содержит детандер, компрессор и контроллер.

Группа изобретений относится к способу охлаждения/сжижения при низкой температуре рабочей текучей среды, в частности рабочей текучей среды, имеющей в своем составе гелий или представляющей собой чистый гелий, при помощи устройства охлаждения/сжижения, содержащего рабочий контур, снабженный станцией сжатия и холодным блоком.
Изобретение относится к холодильной технике. Воздушная холодильная установка содержит турбокомпрессор, турбодетандер и камеру сгорания.

Изобретение относится к холодильной технике. .

Изобретение относится к холодильной технике. .

Изобретение относится к холодильной технике. .

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплонасосных и холодильных установках бытового и промышленного назначения. .
Наверх