автономная система азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии

Формула изобретения

Автономная система азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии, включающая в себя емкость с жидким азотом, погружной центробежный насос для подачи жидкого азота, охлаждаемый теплоизолированный объем, отличающаяся тем, что снабжена замкнутым контуром азота, содержащим воздухоохлаждающую панель, расположенную в охлаждаемом теплоизолированном объеме, расширительную турбину высокого давления с электрогенератором на одном валу, теплообменник подогрева азота, расширительную турбину низкого давления с электрогенератором на одном валу, расширительную емкость, криогенную холодильную машину Стирлинга, сосуд Дьюара, насос высокого давления, подающий жидкий азот из сосуда Дьюара в емкость с жидким азотом, и обратный клапан, а также контуром охлаждения криогенной машины Стирлинга, проходящим через теплообменник подогрева азота и включающим в себя насос и теплообменник, связанный с окружающей средой, при этом привод криогенной машины Стирлинга осуществляется от электродвигателя, специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к криогенной технике и криогенным холодильным машинам, работающим по обратному циклу Стирлинга, может быть использовано для термостатирования специальных стационарных объектов, а также и для транспортных средств.

Известны технические решения газовых турбин, в которых энергия сжатого (высокого давления) газа при расширении преобразуется в работу одновременно с понижением температуры газа (Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим.-техн. спец.вузов. -М.: Высш.шк., 1986, стр. 307). Однако для эффективной работы расширительной турбины необходим газ с высоким давлением и температурой.

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителям с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб.статей под ред.проф. М.П.Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 287-288).

Известно устройство сосуда Дьюара для жидкого азота с вакуумно-порошковой изоляцией (Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб. пособие для вузов. -2-е изд., -М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202).

Известно, что в области криогенных температур (60-160 K) наиболее высокоэффективным циклом является обратный цикл Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше, по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186).

Известно устройство газовой холодильной машины "Филипса", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для ожижения воздуха и включающей в себя блок теплообменников: конденсатор, регенератор и холодильник. В качестве рабочего тела в холодильной машине используется гелий (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П.Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М. , 1961, стр.35). Однако жидкий воздух обладает повышенной пожароопасностью.

Известно, что азот является химически малоактивным веществом, не ядовит и может применяться для создания инертной среды, ввиду своей взрывопожаробезопасности (Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. -22-е изд., испр. Л.: "Химия", 1982, стр. 398-399). Однако получение азота является дорогостоящим технологическим процессом.

Известна система азотного охлаждения в теплоизолированном кузове автомашины, предназначенная для перевозки продуктов и позволяющая быстро охлаждать внутренний объем кузова. Система включает в себя емкость с жидким азотом, погружной центробежный насос для подачи жидкого азота (Акулов Л.А., Борзенко Е. И., Соловьев В.А. Система азотного охлаждения в теплоизолированном кузове автомашины. // Тез. докладов международной науч. - техн. конф. "Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне XXI века"//, СПб., 1998, стр. 32). Однако данная система предполагает заполнение внутреннего объема кузова азотом с последующим его выбросом в атмосферу, что не позволяет использовать ее для термостатирования обитаемых помещений и приводит к безвозвратной потери дорогостоящего газа азота.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в исключении безвозвратной потери азота, возможности использования системы для термостатирования различных объектов, без нарушения состава воздуха внутри этих объектов с высоким уровнем взрывопожаробезопасности и получении дополнительной электроэнергии.

Для достижения этого технического результата, автономная система азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии, включающая в себя емкость с жидким азотом, погружной центробежный насос для подачи жидкого азота, охлаждаемый теплоизолированный объем, снабжена замкнутым контуром азота, содержащим воздухоохлаждающую панель, расположенную в охлаждаемом теплоизолированном объеме, расширительную турбину высокого давления с электрогенератором на одну валу, теплообменник подогрева азота, расширительную турбину низкого давления с электрогенератором на одном валу, расширительную емкость, криогенную холодильную машину Стирлинга, сосуд Дьюара, насос высокого давления, подающий жидкий азот из сосуда Дьюара в емкость с жидким азотом, и обратный клапан, а также контуром охлаждения криогенной машины Стирлинга, проходящим через теплообменник подогрева азота и включающим в себя насос и теплообменник, связанный с окружающей средой, при этом привод криогенной машины Стирлинга осуществляется от электродвигателя, специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства.

Введение в состав автономной системы азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии, замкнутого контура азота с расширительной турбиной высокого давления, теплообменником подогрева азота, расширительной турбиной низкого давления, причем турбины расположены на одном валу с электрогенераторами, и криогенной машиной Стирлинга, а также контура охлаждения криогенной машины, связанного с замкнутым контуров азота через теплообменник подогрева азота, позволяет получить новое свойство, заключающееся в исключении выброса испарившегося азота в окружающую среду за счет его переконденсации в криогенной машине Стирлинга, уменьшении потребляемой мощности на привод криогеннной машины Стирлинга за счет снижения верхней температуры цикла машины и получении дополнительной электроэнергии в электрогенераторах при расширении азота высокого давления и низкого давления.

На чертеже изображена автономная система азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии.

Автономная система состоит из замкнутого контура азота, в который входят емкость с жидким азотом 1, погружной центробежный насос 2, теплоизолированный охлаждаемый объем 3, воздухоохлаждающая панель 4, расширительная турбина высокого давления 5 с электрогенератором 6 на одном валу, теплообменник подогрева азота 7, расширительная турбина низкого давления 8 с электрогенератором 9 на одном валу, расширительная емкость 10, криогенная холодильная машина Стирлинга 11, включающая в себя конденсатор 12 и холодильник 13, сосуд Дьюара 14, насос высокого давления 15, обратный клапан 16, и контура охлаждения криогенной машины 11, состоящего из насоса 17, теплообменника 18 и проходящего через теплообменник подогрева азота 7. Теплообменник 18 связан с окружающей средой с помощью трубопроводов 19. Привод холодильной машины Стирлинга 11 может осуществляться от электродвигателя, специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства (не показаны).

Автономная система азотного охлаждения с одновременной выработкой электроэнергии работает следующим образом.

Жидкий азот из емкости 1 подается погружным центробежным насосом 2 в воздухоохладительную панель 4, расположенную в теплоизолированном охлаждаемом объеме 3, охлаждает внутреннюю среду объема 4 до нужной температуры, при этом сам нагревается и переходит в газообразное состояние с высоким давлением. Из панели 4 газообразный азот поступает в расширительную турбину высокого давления 5, где расширяется, при этом одновременно охлаждается и совершает полезную работу, генерируя электрический ток в электрогенераторе 6. После этого азот поступает в теплообменник подогрева 7, где охлаждает охлаждающую жидкость контура охлаждения машины Стирлинга 11 до температуры ниже окружающей среды. В результате этого теплообмена температура азота повышается с одновременным повышением давления. Газообразный азот из теплообменника 5 поступает в расширительную турбину низкого давления 8, где расширяется, при этом одновременно охлаждается и совершает полезную работу, генерируя электрический ток в электрогенераторе 9. После этого азот с низким давлением поступает в расширительную емкость 10, откуда засасывается в конденсатор 12 криогенной холодильной машины Стирлинга 11, где азот конденсируется, переходя в жидкую фазу, и сливается самотеком в сосуд Дьюара 14, откуда с помощью насоса высокого давления 15 через обратный клапан 16 подается вновь в емкость с жидким азотом 1.

С целью охлаждения криогенной машины 11 предусмотрен контур системы охлаждения. По этому контуру нагретая от рабочего тела машины 11 охлаждающая жидкость из холодильника 13 машины 11 с помощью насоса 17 подается в теплообменник 18, где происходит теплообмен с окружающей средой (например, атмосферный воздух), подаваемый по трубопроводам 19, при этом охлаждающая жидкость охлаждается до температуры окружающей среды. Затем жидкость подается в теплообменник подогрева азота 7, где она охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды, за счет теплообмена с газообразным азотом, и поступает вновь в холодильник 13. За счет теплообмена охлаждающей жидкости с низкой температурой и рабочим телом машины 11 происходит снижение верхней температуры цикла машины Стирлинга 11, что приводит к увеличению холодильного коэффициента машины 11 и снижению потребляемой мощности на ее привод.

Источники информации

1. Чечеткин А. В. , Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим.- техн. спец.вузов. -М.: Высш.шк. 1986, стр. 307.

2. Вопросы глубокого охлаждения./Сб. статей под ред. проф.М.П.Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 287-288.

3. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб.пособие для вузов. -2-е изд., -М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202.

4. Усюкин И. П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186.

5. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб.статей под ред. проф.М.П.Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 35.

6. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. -22-е изд., испр. Л.: "Химия", 1982, стр. 398-399.

7. Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Соловьев В.А. Система азотного охлаждения в теплоизолированном кузове автомашины. //Тез. докладов международной научн. - техн. конф. "Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне XXI века"//, СПб., 1998. - стр.32. - прототип.