адсорбционно-дроссельная система охлаждения

Формула изобретения

АДСОРБЦИОННО-ДРОССЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ, содержащая компрессор с переключающимися клапанами, многопоточный предварительный теплообменник, выход линии обратного потока которого присоединен к входу в компрессор, двухполостной теплообменник, два переключающихся адсорбера с размещенными в них теплообменниками и объект охлаждения, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности, система охлаждения снабжена конденсатором-испарителем, соединенным по линии испарения через дроссель с двухпоточным теплообменником, а по линии конденсации - с адсорберами и объектом охлаждения, компрессор выполнен двухступенчатым, многопоточный предварительный теплообменник снабжен линией обратного потока промежуточного давления, присоединенной входом к выходу из теплообменников, размещенных в адсорберах, а выходом - к входу второй ступени компрессора, при этом линии прямых потоков многопоточного предварительного теплообменника присоединены через дроссели к входу в теплообменники, размещенные в адсорберах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области криогенной техники и может быть использовано в радиоэлектронике, криобиологии, криомедицине и других областях, где необходимо применение низких температур.

Известна двухступенчатая холодильная установка, включающая компрессорную и сорбционную ступени.

Ввиду того, что сорбционная часть выполнена в виде адсорбера с циркуляционным насосом, а компрессор размещен в корпусе генератора, установка обладает большими массогабаритными характеристиками. Кроме того, при наличии двух машин неизбежно попадание их смазки в холодную часть установки, что ограничивает ее применение при низких температурах.

Известна система охлаждения с адсорбционным криогенным рефрижератором непрерывного действия, предназначенным преимущественно для работы в области сверхнизких температур и содержащим, как минимум, два сорбционных насоса с пневмоклапанами, которые управляются тепловыми сверхпроводящими ключами, расположенными в корпусе каждого из насосов. Все устройство помещено в сосуд с криогенной жидкостью.

Основным недостатком такой системы является низкая экономичность вследствие периодичности и ограниченной продолжительности работы из-за использования для обеспечения действия адсорбционных насосов конечного количества жидкого криопродукта. Кроме того, наличие тепловых сверхпроводящих ключей обусловливает сложность устройства управления насосами.

Частично эти недостатки устраняются в установке, наиболее близкой по технической сущности к изобретению. Данная установка снабжена компрессором, двумя адсорберами, одним многопоточным и двумя двухпоточными теплообменниками, связанными с адсорберами и с дополнительным проходящим через адсорберы контуром, по которому циркулирует с помощью насосов, расположенных в ванне с криоагентом, вспомогательный газ, являющийся хладоносителем. Кроме того, установка содержит магистрали, проходящие через адсорберы, для подачи жидкого криоагента в ванну с насосами. На этих магистралях, а также на линиях нагнетания и всасывания компрессора установлены электропневмоклапаны, позволяющие управлять работой установки. При этом хладагентом является вещество, прокачиваемое компрессором через адсорберы.

Указанную систему охлаждения также отличает невысокая экономичность, так как ее работа зависит от определенного количества криопродукта, подаваемого извне.

Цель изобретения - повышение экономичности адсорбционно-дроссельной системы охлаждения.

Поставленная цель достигается тем, что установка содержит двухступенчатый компрессор с переключающимися клапанами, многопоточный предварительный теплообменник, выход линии обратного потока которого присоединен к входу в компрессор, двухпоточный теплообменник, два переключающихся адсорбера с размещенными в них теплообменниками и объект охлаждения, причем многопоточный предварительный теплообменник снабжен линией обратного потока промежуточного давления, присоединенной входом к выходу из теплообенников, размещенных в адсорберах, а выходом к входу второй ступени компрессора. Линии прямых потоков многопоточного предварительного теплообменника присоединены через дроссели к входу в теплообменники, размещенные в адсорберах, а система охлаждения в целом снабжена конденсатором-испарителем, соединенным по линии испарения через дроссель с двухпоточным теплообменником, а по линии конденсации с адсорберами и объектом охлаждения.

Отличия заявляемой установки от прототипа состоят в том, что предлагаемая система охлаждения снабжена конденсатором-испарителем, соединенным по линии испарения через дроссель с двухпоточным теплообменником, а по линии конденсации с адсорберами и объектом охлаждения, компрессор выполнен двухступенчатым, многопоточный предварительный теплообменник снабжен линией обратного потока промежуточного давления, присоединенный входом к выходу из теплообменников, размещенных в адсорберах, а выходом к входу второй ступени компрессора, при этом линии прямых потоков многопоточного предварительного теплообменника присоединены через дроссели к входу в теплообменники, размещенные в адсорберах.

Схема адсорбционно-дроссельной системы охлаждения изображена на чертеже.

Адсорбционно-дроссельная система охлаждения содержит компрессор 1, который имеет первую 2 и вторую 3 ступени, переключающиеся клапаны (ПК) 4 и 5, расположенные на двух линиях 6 и 7 прямых потоков многопоточного предварительного теплообменника 8. Линии 6 и 7 подсоединены через дроссели 9 и 10 к входу соответственно в теплообменники 11 и 12, размещенные в адсорберах 13 и 14, а через обратные клапаны 15 и 16 к двухпоточному теплообменнику 17. Теплообменник 8 снабжен линией 18 обратного потока промежуточного давления, которая на входе подсоединена к выходу из теплообменников 11 и 12, а на выходе - к всасывающему патрубку второй ступени 3 компрессора 1. Адсорберы 13 и 14 имеют нагреватели 19 и 20. Двухпоточный теплообменник 17 через дроссель 21 соединен с линией 22 испарения конденсатора-испарителя 23. Линия 24 конденсации конденсатора-испарителя с одной стороны подсоединена к адсорберам 13 и 14, а с другой - к ваннам испарения 25 и 26, которые через тепловые ключи связаны с объектом охлаждения 27.

Установка работает следующим образом.

В пусковом периоде рабочее тело компрессорной ступени (РТКС) сжимается последовательно в ступенях 2 и 3 компрессора 1 и направляется через открытые ПК 4 и 5 в многопоточный теплообменник 8. После его прохождения РТКС дросселируется в дросселях 9, 10 и 21, а затем поступает в соответствующие линии промежуточного и обратного потоков компрессорного каскада. Таким образом осуществляется форсированный выход компрессорного каскада на рабочий режим.

За счет дросселирования РТКС в дросселях 9 и 10 с последующим его кипением в теплообменниках 11 и 12 происходит охлаждение сорбента в адсорберах 13 и 14. Дросселирование же РТКС в дросселе 21 обеспечивает конденсацию в линии 24 части рабочего тела адсорбционной ступени (РТАС), которое стекает в ванны испарения 25 и 26.

После снижения температуры адсорберов и конденсатора-испарителя 23 один из переключающихся клапанов, например ПК 4, закрывается, вследствие чего прекращается проход рабочего газа по линии 6 прямого потока многопоточного теплообменника 8. При этом включается нагреватель 19. В результате РТКС перестает дросселироваться в дросселе 9 и температура сорбента в адсорбере 13 начинает повышаться. Увеличение температуры сопровождается процессом десорбции РТАС.

Ввиду того, что ПК 5 по-прежнему открыт, РТКС после прохождения линии 7 прямого потока теплообменника 8 разделяется на две части. Одна часть дросселируется в дросселе 10 (следовательно, адсорбер 14 продолжает захолаживаться), другая через обратный клапан 16 направляется в двухпоточный теплообменник 17. При этом конструкция обратного клапана 15 обеспечивает его закрытое состояние, что исключает попадание этой части потока РТКС в магистрали, ведущие к дросселю 9 и теплообменнику 11. После теплообменника 17 данная часть РТКС направляется на дросселирование в дросселе 21, а затем в линию 22 испарения конденсатора-испарителя 23, где, выкипая, обеспечивает конденсацию РТАС, десорбирующего из адсорбера 13. Жидкое РТАС сливается в ванну испарения 25, увеличивая уже образовавшееся там некоторое количество жидкости.

В это время снижение температуры адсорбера 14 вызывает процесс поглощения (адсорбции) паров РТАС, находящегося в ванне испарения 26, что приводит к понижению давления в ней и соответственно уменьшению равновесной температуры. При достижении необходимой температуры охлаждения включается тепловой ключ ванны испарения 26, вследствие чего начинается теплоотвод от объекта охлаждения 27.

Через определенный интервал времени, когда из ванны испарения 26 откачивается практически весь РТАС, а в ванне испарения 25 будет накоплено достаточное количество жидкости, происходит переключение работы адсорберов 13 и 14. При этом ПК 4 открывается, а ПК 5 закрывается. Одновременно выключается нагреватель 19, а нагреватель 20 включается. В итоге часть РТАС поступает в дроссель 9 и далее в теплообменник 11 (адсорбер 13 начинает захолаживаться), а другая часть через открывшийся обратный клапан 15 (клапан 16 закрывается) подается в теплообменник 17, после прохождения которого дросселируется в дросселе 21. Включение нагревателя 20 и прекращение дросселирования РТАС в дросселе 10 способствует быстрому отогреву адсорбера 14, в результате чего он начинает работать в режиме десорбции РТАС, которое конденсируется в конденсаторе-испарителе 23 и сливается в ванну испарения 26. Охлаждение адсорбера 13 приводит к его работе в режиме откачки РТАС из ванны испарения 25, вследствие чего в ней начинает снижаться температура. При достижении необходимой температуры охлаждения включается тепловой ключ ванны испарения 25 и продолжается теплоотвод от объекта охлаждения 27. За это время температура ванны испарения 26 несколько повышается и отключившийся тепловой ключ ванны испарения 26 прерывает ее тепловой контакт с объектом 27. Таким образом, процесс криостатирования объекта 27 является практически непрерывным.

В предлагаемой системе в качестве РТКС с хорошей эффективностью можно использовать многокомпонентные рабочие тела, адсорбентом могут служить цеолиты либо активированный уголь, а в качестве РТАС могут применяться такие криоагенты как азот, кислород, аргон и др. Вследствие увеличения экономичности эффективность предлагаемой системы охлаждения по сравнению с прототипом может быть выше примерно на 25%.