Микрокриогенная система

 

«/fan -,.

В. М. Худзинский и А. Н. Дмитфаш

У ". ь...Х (72) Авторы изобретения (7I ) Заявитель (54) МИКРОКРИОГЕННАЯ СИСТЕМА

Изобретение относится к технике получения низких температур и может быть использовано для охлаждения объектов с тепловыделениями не более 5 Вт.

Известна микрокриогенная система, содержащая мембранный компрессор, ступень промежуточного охлажде" ния в виде двухступенчатой газовой криогенной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга, и ступень основного охлаждения, включающую дроссель, вход и выход которого связаны с полостями высокого и низкого давления компрессора соответственно, машинные теплообменники, установленные на линии высокого давления дросселя и имеющие тепловую связь с хо лодными зонами ступеней газовой криогенной машины, и регенеративные .теплообменники, установленные с ох" ватом линий высокого и низкого дав,ления,дросселя.

При работе этой системы сжимают сверхчистый газ (гелий ) в компрессоре, охлаждают сжатый газ до температуры начала дросселирования в машин5 ных теплообменниках, дросселируют газ с отводом тепла от охлаждаемого объекта и возвращают его в компрессор через линию обратного потока. регенеративных теплообменников gl.g.

1в Недостатком известной системы является низкая экономическая эФфективность вследствие малого среднего срока службы между капитальными ремонтами из-за ограниченного ресурса. Ред сурс.микрокриогенной системы, выполненной на основе мембранного компрессора, лимитируется работоспособностью мембраны и составляет в среднем 5001200 ч. Микрокриогенные системы с

26 мембраннными компрессорами имеют сравнительно большие массу. и габаритные размеры.

Известна также криогенная система для охлаждения объекта до гелиевого

3 992950 4 а5

Z0 т

25 уровня температур, содержащая компрессор, вращающийся золотник, соединенный линиями связи с полостями всасывания и нагнетания компрессора ступень основного охлаждения, включающую два регенератора, теплые зоны которых связаны с вращающимся золотником, дроссель, вход и выход которого соединены линиями связи с холодными зонами регенераторов, и регенеративные теплообменники, установленные с охватом линий низкого и высокого давления дросселя, и ступень промежуточного охлаждения в виде турбодетандеров, количество которых определяется необходимым количеством уровней промежуточного охлаждения, входы которых связаны с линией высокого давления дросселя, а выходы - с линией низкого давления дросселя.

При работе этой системы газ сжимаю в компрессоре, охлаждают сжатый газ попеременно в каждом из регенераторов в течение половины цикла работы регенераторов и затем в линии прямого потока теплообменников непрерывно до температуры начала дросселирования (г зом обратного потока теплообменников . и газом, расширенным в турбодетандерах ), дросселируют газ с отводом тепла от охлаждаемого объекта и возвращают в компрессор непрерывно Герез линию обратного потока теплообмен" ников и через каждый регенератор по. переменно в течение половины цикла работы регенераторов. Переключение регенераторов осуществляется через

1-,3 мин вращающимся золотником (2 ).

Недостатком данной системы охлаждения является низкая термодинамическая эффективность вследствие большого сопротивления регенераторов обратному потоку (в крупных криогенных системах с большим расходом рабочего газа). Уменьшение сопротивления регенераторов приводит к значительному увеличению их .размеров, что в свою очередь ведет к повышению теплопритоков из окружающей среды, а следовательно, и к уменьшению термодинамической эффективности охлаждения. Указанное свойство систем охлаждения с использованием турбомашин приводит к невозможности их применения в .микрокриогенных системах, поскольку работа турбомашин эффективна при большом расходе рабочего таза, а резкое возрастание удельных потерь а

55 при малом расходе газа в микрокриогенных системах, вызываемое несоответствием параметров конструкции заданным параметрам происходящих в ней процессов, делает использование такой конструкции неэффективным для охлаждения объектов с тепловыделениями менее 5 Вт.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является микрокриогенная система, содержащая компрессор, г.эдключенный посредством клапанов к газовой криогенной машине, и дроссельный контур, на линиях прямого и обратного потоков которого установлены теплообменники, а на линии прямого потокаохладители, имеющие тепловой контакт с машиной. Цсли компрессор этой систены выполнен смазываемым поршневым то на линии прямого потока должен быть установлен фильтр-адсорбер для очистки рабочего газа, в основном от газов смазки.

Микрокриогенные системы на базе смазываемых поршневых компрессоров имеют улучшенные массогабаритные характеристики по сравнению с микрокриогенными системами на базе мембранных компрессоров. Основные преимущества — возможность погьучения боль-. шого ресурса и высокая термодинамическая эффективность. Ресур микрокриогенной системы превышает 5 000 ч, причем имеются реальные технические возможности его дальнейшего повышения. При работе этой системы снижают газ в компрессоре, непрерывно очищают .сжатый газ в фильтре-адсорбере непрерывно охлаждают сжатый газ до температуры начала дросселирования в машинных теплообменниках и линии прямого потока регенеративных теплообменников, дросселируют газ с отводом тепла от охлаждаемого объекта и возвращают также непрерывно в компрессор через линию обратного потока регенеративных теплообменников.

Непрерывная очистка сжатого газа от примесей в фильтре-адсорбере заключается в том, что примеси из сжатого газа адсорбируются на поверхности адсорбента. По мере насыщения адсорбента примесями некоторое количество примесей начинает поступать вместе .со сжатым газом в дроссельный контур. При перемещении сжатого газа с примесями по линии прямого по950 6 ющие ездовой контакт с машиной 4.

Дроссельный контур 5 дополнительно в каждой линии имеет по ресиверу 10 с обратным клапаном 11 и подключен к входу машины 4, а первый на линии 6 прямого потока теплообменник выполнен в виде регенератора 12. Дроссельный контур включает расширитель 13.

Теплообменник 8; расположенный после расширителя 13, подстыкован .к охлаждаемому объекту 14.

Иикрокриогенная система работает следующим образом.

В. течение первой половины цикла работы регенератора 12 (клапан 2 впуска открыт, клапан 3 выпуска закрыт ) сжатый газ через клаяан 2,впуска из полости высокого давления компрессора 1 подают в газовую криогенную машину 4 для производства холода, необходимого для промежуточного охлаждения прямого потока дроссельного контура 5 в охладителях 9, и регенератор 12. В регенераторе 12 сжатый газ с примесями перемещается от теплого конца к холодному, охлаждаясь за счет отдачи тепла насадке. В определенной зоне температура сжатого газа достигает значения, соответствующего температуре насыщения од ной из примесей при данных давлениях ° и концентраций. Начиная с этой эоны примеси кристаллизуются на поверхности насадки регенератора. Из pere- t нератора полностью очищенный сжатый газ поступает в ресивер l0 через са модействующий обратный клапан 11.

Затем осуществляется непрерывный процесс охлаждения объекта 14. Из ресивера 1О полностью очищенный сжатый газ поступает в линию 6 прямого потока, где непрырвно охлаждается за счет отвода тепла к газовой криогенной машине 4 (в охладителях 9 ) и расширенному газу (в регенеративных теплообменниках 8 ) до температуры начала расширения. В расширителе (дросселе ) 13 газ дросселируется и отводит тепло от охлаждаемого объекта 14 в теплообменнике 8. После расширения газ поступает непрерывно в ресивер 10 через линию обратного потока теплообменников 8. тока теплообменников от теплового

Конца к холодному концу температура сжатого газа в определенной зоне достигает значения, соответствующего температуре насыщения одной из примесей при данных давлений и концентрации; начиная с этой зоны, при" меси кристаллизуются. При непрерыв" ном охлаждении сжатого газа в линии прямого потока теплоэбменников при- 10 меси накапливаются в виде инея (снега) на стенках трубок теплообменников.

Это может привести либо к полной закупорке линии прямого потока теплообменников, либо к срыву кристаллов потоком газа и переносу их в зону дросселя и далее в линию обратного потока теплообменников, В обоих случаях нормальная работа установки нарушается (3 1 м

Недостатком этой системы является относительно низкая экономическая эффективность вследствие малого межрегламентного периода, вызванного непрерывностью очистки сжатого газа от примесей в фильтре -адсорбере. Через

300-500 ч работы микрокриогенной системы необходимо проводить профилакти-ческие работы с заменой фильтра-адсорбера, поскольку дальнейшая его З0 эксплуатация приводит к нарушению нормального функционирования микрокриогенной системы. Осаждаясь в линии обратного потока теплообменников, примеси могут вызывать коле35 бания температуры за счет изменения гидравлического сопротивления тепдообменников обратному потоку или в случае полной закупорки теплообменников стать причиной разрушения уст" 40 ройства.

Цель изобретения - увеличение периода между регламентными работами.

Поставленная цель достигается тем, что дроссельный контур дополнительно в каждой линии имеет по ресиверу с обратным клапаном и подключен к входу машины, а первый на линии прямого потока теплообменник выполнен в виде регенератора.

На чертеже изображена схема данной микрокриогенной системы.

Система содержит компрессор 1, подключенный посредством клапанов 2 и 3 к газовой криогенной машине 4, и дрос55 сельный контур 5, на линиях прямого 6 и обратного 7 потоков которого установлены теплообменники 8, а на линии

6 прямого потока - охладители 9, имеВ течение второй половины цикла работы регенератора (клапаы выпуска

3 открыт, клапан впуска 2 закрыт) иэ ресивера 10 газ поступает в регенератор через самодействующий обратный

9929 клапан 11. В регенераторе гаэ нагревается за счет подвода тепла от насадки регенератора и испаряет примеси, кристаллиэовавшиеся иэ сжатого газа, Из регенератора газ с примесями через клапан 3 выпуска поступает в полость низкого давления компрессора 1. В компрессоре 1 гаэ сжимается, Далее цикл повторяется.

Осуществление очистки сжатого tO газа в регенераторе дроссельного контура устраняет накапливание примесей в виде инея(снега ) на стенках трубок теплообменников, так кан в линию прямого потока из регенератора посту" 1$ пает сжатый газ, полностью очищенный от примесей. Осуществление очистки сжатого газа в регенераторе вызывает накапливание в течение первой половины цикла работы регенератора при- 2о месей из сжатого газа, к-торые кристаллизуются на поверхности насадки регенератора. Возврат газа после расширения через этот регенератор в течение второй половины цикла работы 25 регенератора испаряет примеси с поверхности насадки и выносит эти примеси из регенератора в компрессор, чем исключает накапливание примесей на поверхности регенератора и его за- зо бивку.

Так как в теплообменниках и расширителе (дросселе в ступени основного охлаждения движется полностью очищенный гаэ, исключается возможность нарушения нормального функционирования криогенной системы, в результате чего нет необходимости проводить профилактические работы с заменой элементов устройства очистки газа, Межрегламентный период работы микрокриогенной системы становится равным

50 8

Ресурсу смазываемого поршневого компрессора.

Внедрение предлагаемого изобретения позволяет увеличить межрегламентный период микрокриогенной системы от 300-500 до 3000"5000 ч.

Ilo сравнению с известной системой, расчетный экономический эффект на одну микрокриогенную систему в год составит 1875 руб.

Формула изобретения

Микрокриогенная система, содержащая компрессор, подключенный посредством клапанов. к газовой криогенной машине, и дроссельный контур, на линиях прямого и обратного потоков которого установлены теплообменники, а на линии прямого потока — охладители, имеющие тепловой контакт с машиной, о т л и ч à ю щ а я с я тем, что, с целью увеличения периода между регламентными работами, дроссельный контур дополнительно в каждой линии имеет по ресиверу с обратным клапаном и подключен к входу машины, а первый на линии прямого потока теплообменник выполнен в виде регенератора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Грезин А, К. и Зиновьев В. С.

Микрокриогенная техника. M. "Машиностроение", 1977, с. 201, рис. 96.

2. Патент Англии И 1455293, кл, F 4 P опублик. 1976.

3. Фастовский B. Г. и др. Криогенная техника. М., "Энергия", 1967, с. 205, рис. 3-56.

Составитель 6. Килимник

Редактор Е. Кинив Темред И. Надь Корректор Л. Бокван

Заказ 431/50 Тираж 528 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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