Результат интеллектуальной деятельности: НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА

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.