Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ ЗАМКНУТЫХ МИКРОКРИОГЕННЫХ СИСТЕМ ХЛАДАГЕНТОМ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫВКОЙ ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТИ

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к способу заполнения замкнутых микрокриогенных систем хладагентом с предварительной подготовкой внутренней полости, предварительным заполнением хладагентом, проверкой на отсутствие утечек и заполнение микрокриогенной системы хладагентом рабочей дозой.

Известен способ заполнения замкнутых систем хладагентом, используемый в холодильной технике, в частности, при заполнении внутренних полостей замкнутых систем хладагентом. Цель способа - сокращение расхода хладагента при заполнении замкнутых холодильных систем и защита окружающей среды от разложения озонового слоя Земли, обеспечивается тем, что хладагент, оставшийся в паразитных объемах стенда после заполнения одной замкнутой холодильной системы, используется для предварительного заполнения другой [см. патент RU №2098726, кл. F25B, опубл. 10.12.1997].

Известен также способ заполнения замкнутых систем хладагентом. Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано при заполнении внутренних полостей замкнутых систем хладагентом. Окончательное вакуумирование внутренней полости замкнутой холодильной системы осуществляется за счет дополнительной емкости, объем которой значительно превышает вакуумируемые объемы перед подачей хладагента. Использование изобретения позволит повысить качество заполнения и производительность труда [см. патент RU №2169322, кл. F25B, опубл. 20.06.2001].

Наиболее близким является способ заправки холодильных систем при ремонте. При заполнении хладагентом последовательно должны быть выполнены следующие операции: вакуумирование холодильной системы до остаточного давления; заполнение системы технологической дозой хладагента; проверка холодильной системы на отсутствие утечки хладагента; удаление хладагента из полости системы; заполнение холодильной системы рабочей дозой хладагента в количестве, указанном на табличке; проверка холодильной системы на отсутствие утечки хладагента. Операции по вакуумированию и заполнению хладагентом проводятся с помощью стенда вакуумирования и заправки [Рекламный проспект фирмы «Профит-Москва», интернет-адрес: http://профит-москва.рф/mezametka/3-vidy-remonta-holodilnikov.html].

Недостатками существующего способа являются повышенный уровень трудозатрат и материальных затрат, связанных с предварительным вакуумированием.

В заявленном способе, в котором подготовка к заполнению микрокриогенной системы хладагентом, включающем в себя задание профиля промывки микрокриогенной системы хладагентом; задание числа выполняемых профилей промывки и выполнение заданного числа профилей промывки, отсутствуют трудоемкие и более дорогостоящие процессы вакуумирования.

Микрокриогенная система в процессе производства собирается и поступает на заправку хладагентом (газообразным гелием) с предварительной промывкой газообразным гелием внутренней полости. Микрокриогенная система поступает на заправку, заполненная атмосферным воздухом окружающей среды.

Сущность заявленного способа заполнения замкнутых микрокриогенных систем хладагентом с предварительной промывкой внутренней полости заключается в том, что к установке заполнения микрокриогенной системы хладагентом, снабженной баллоном с хладагентом, подсоединяют микрокриогенную систему, проводят подготовку микрокриогенной системы к заполнению, заполняют микрокриогенную систему технологической дозой хладагента, проверяют микрокриогенную систему на отсутствие утечек хладагента, удаляют хладагент из полости системы, заполняют систему рабочей дозой хладагента, отличающегося тем, что подготовка к заполнению включает в себя задание профиля промывки микрокриогенной системы хладагентом, задание числа выполняемых профилей промывки, выполнение заданного числа профилей промывки.

Выполнение заявленного способа позволяет перед заправкой микрокриогенной системы хладагентом уменьшить концентрацию атмосферного воздуха во внутренней полости микрокриогенной системы настолько, чтобы его остаточная концентрация была сопоставима с концентрацией примесей в баллоне газообразного гелия чистотой 99,9999%, принятого к использованию в качестве хладагента микрокриогенной системы, а именно 10^-6 доли.

Заявленное изобретение заключается в том, что микрокриогенная система после сборки поступает на промывку хладагентом, при промывке задается требуемый профиль цикла впуска/выпуска гелия (профиль промывки) в полость микрокриогенной системы с определенным давлением и число профилей. Отличие заявленного способа от аналога и прототипа заключается в отсутствии дополнительной емкости и вакуумирования внутренней полости перед заполнением хладагентом. Профиль промывки характеризуется параметрами процесса промывки: давлением промывки, временем впуска и выпуска гелия в процессе промывки. Давление промывки получено расчетным путем, время впуска и выпуска выбирается исходя из конструктивных возможностей установки промывки. Число профилей промывки определяется также расчетным путем.

Согласно закону Дальтона о парциальных давлениях давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений этих газов, если эти газы химически не взаимодействуют,

где n_j - число молекул j-го сорта, ν - количество газов в смеси. Значит,

где p - давление смеси газов, p_j - парциальное давление компонента.

Закон Дальтона применим к идеальным газам, но может быть использован и для расчетов парциальных давлений и концентраций реальных газов, если давления и температуры газов в смеси далеки от критических.

Критическая температура воздуха составляет 132 К, его критическое давление - 37,6 атм. Критическая температура гелия составляет 5,189 К, критическое давление - 2,3 атм. Так как давление промывки гелием в данных исследованиях будет находиться в диапазоне 5....15 атм., парциальное давление воздуха не превысит одной атм., а эксперименты проводятся при температуре окружающей среды, то можно принять в данном случае гелий и воздух близкими к идеальным газам. Гелий же вообще по своим свойствам очень близок к идеальному газу. Гелий инертный газ и с воздухом химически не взаимодействует. Поэтому для расчета концентраций можно использовать закон Дальтона: p_см=p_в+p_Не, тогда n_см=n_в+n_Не.

Так как kT - const (k - постоянная Больцмана, исследования проводились при постоянной температуре окружающей среды), то p_в/p_Не=n_в/n_Не,

где p_см - полное давление смеси; p_в - парциальное давление остаточного воздуха; p_Не - парциальное давление промывочного гелия; n_см - концентрация смеси; n_в - концентрация примеси воздуха; n_Не - концентрация гелия в объеме микрокриогенной системы.

Допустимая концентрация примесей, то есть отношение n_в/n_Не должно быть не более 10^-6. Значит n_ост=(n_в/n_He)^m≤10^-6,

где n_ост - остаточная концентрация примесей в объеме микрокриогенной системы; m - число профилей промывки.

Остаточное парциальное давление воздуха в объеме микрокриогенной системы равно одной атмосфере, а так как p_в/p_Не=n_в/n_Не, то 1/p_Не=n_в/n_Не=1/n_Не.

Значит, n_ост=(1/n_Не)^m должно быть не более 10^-6, (1/n_Не)≤(1/10)⁶.

Результаты расчета показывают, что оптимальное давление промывочного гелия составит 10 атм., при количестве профилей промывки не менее шести, чтобы в конечном результате достичь концентрации примесей в объеме микрокриогенной системы, соизмеримой с концентрацией примесей в баллоне газообразного гелия чистотой 99,9999%.

После промывки микрокриогенной системы гелием на установке заполнения с баллоном систему заполняют технологической дозой гелия, проверяют на отсутствие утечек гелия, удаляют технологический гелий и заполняют рабочей дозой гелия.

Признаки, характеризующие заявленное изобретение, заключаются в уточненном расчетном установлении параметров профиля промывки и числа профилей промывки микрокриогенной системы хладагентом и взаимосвязи остаточных после промывки примесей с заправленным после промывки в микрокриогенную систему гелием, а также взаимосвязи заправленного гелия с рабочими параметрами микрокриогенной системы.

Способ позволяет обеспечивать микрокриогенной системе требуемые технические характеристики и исключит дорогостоящую и длительную операцию вакуумирования внутренней полости перед заправкой. На фиг.1 и 2 представлены схема и изображение установки для осуществления заявленного способа.

На установке заполнения (фиг.1, позиция 3), подсоединенной к баллону с газообразным хладагентом (фиг.1, позиция 1; на фиг.2, позиция 1 показан трубопровод от баллона с хладагентом), задают профиль промывки микрокриогенной системы (позиция 4 на обеих фигурах) хладагентом, также задают число профилей промывки и выполняют заданное число профилей промывки. В процессе выполнения промывок через соединительные трубопроводы (позиция 2 на обеих фигурах) происходит уменьшение концентрации атмосферного воздуха во внутренней полости микрокриогенной системы настолько, что его остаточная концентрация сопоставима с концентрацией примесей в баллоне газообразного гелия, принятого к использованию в качестве хладагента микрокриогенной системы. Промывка заключается во впуске и выпуске хладагента из полости микрокриогенной системы. Затем микрокриогенную систему заполняют рабочей дозой хладагента, проверяют на уровень течи и заполняют рабочей дозой хладагента до требуемого давления. На фиг.2 изображена установка промывки микрокриогенной системы.

Недостатки способа - дополнительный расход хладагента, однако затраты на вакуумирование, использованное в прототипе при подготовке системы к заполнению, превышают расходы на дополнительный хладагент.

Заявленный способ в настоящее время используется в промышленности (см. фото установки, фиг.2) в криогенной технике.