способ охлаждения воздуха и устройство для осуществления этого способа

Формула изобретения

1. Способ охлаждения воздуха, содержащегося в изолированной полости, заключающийся в том, что охлаждаемый воздух направляют в компрессор, где его сжимают с повышением его температуры, затем сжатый воздух направляют в теплообменник, где его охлаждают при постоянном давлении, и охлажденный в теплообменнике воздух направляют в детандер, где его расширяют и снижают его температуру до заданного уровня на выходе из детандера, после чего воздух, имеющий температуру заданного уровня, направляют в первую изолированную полость, отличающийся тем, что охлаждение в теплообменнике сжатого воздуха осуществляют путем его теплообмена с окружающей средой, а в компрессор направляют охлаждаемый воздух, содержащийся в первой изолированной полости, и в зависимости от температуры этого воздуха варьируют площадь поверхности теплообмена между охлаждаемым в теплообменнике сжатым воздухом и окружающей средой и изменяют до заданного значения температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что снижают температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера путем увеличения площади поверхности теплообмена между охлаждаемым в теплообменнике воздухом и окружающей средой.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что повышают температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера путем уменьшения площади поверхности теплообмена между охлаждаемым в теплообменнике воздухом и окружающей средой.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатый воздух, охлажденный в теплообменнике, дополнительно охлаждают до температуры ниже температуры окружающей среды путем осуществления теплообмена между этим воздухом и охлаждаемым воздухом, направляемым в компрессор из первой изолированной полости.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие в компрессоре охлаждаемого воздуха осуществляют адиабатно.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что расширение в детандере охлажденного в теплообменнике воздуха осуществляют адиабатно.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно используют вторую изолированную полость, при этом попеременно снижают температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера до первого заданного уровня и направляют его в первую изолированную полость, затем повышают температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера до второго заданного уровня и направляют его во вторую изолированную полость.

8. Устройство для охлаждения воздуха в изолированной полости, содержащее компрессор объемного действия, теплообменник и детандер объемного действия, сообщенные посредством воздуховодных каналов между собой, при этом выход из компрессора соединен с входом в теплообменник, выход из теплообменника соединен с входом в детандер, а выход из детандера соединен с входом в первую изолированную полость, отличающееся тем, что вход в компрессор посредством воздуховодного канала соединен непосредственно с выходом из первой изолированной полости, при этом теплообменник содержит, по меньшей мере, два трубчатых элемента, наружная поверхность каждого из которых находится в контакте с окружающей средой с образованием поверхности теплообмена, а, по меньшей мере, один из трубчатых элементов теплообменника содержит средство для изменения площади поверхности теплообмена, электрически связанное с температурным датчиком, расположенным в воздуховодном канале на выходе из первой изолированной полости.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что средство для изменения площади поверхности теплообмена выполнено в виде электромагнитного клапана.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит вторую изолированную полость, при этом каждая изолированная полость посредством воздуховодных каналов сообщена с компрессором и детандером, при этом названные воздуховодные каналы снабжены приспособлением, обеспечивающим попеременное сообщение первой изолированной полости с компрессором и детандером и затем второй изолированной полости с компрессором и детандером.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит рекуперативный теплообменник, установленный на двух воздуховодных каналах, соединяющих изолированную полость с компрессором и теплообменник с детандером.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к технологии получения холода, а точнее касается способа охлаждения воздуха и устройства для осуществления этого способа.

Известно, что в большинстве случаев получение холода в бытовых и промышленных холодильных системах осуществляют при использовании в качестве охлаждающего агента химических соединений, которые негативно влияют на состояние окружающей среды, в частности способствуют разрушению озонового слоя земли и/или способствуют возникновению парникового эффекта. В альтернативу указанным технологиям получения холода были разработаны способы, исключающие использование таких соединений. В соответствии с альтернативными способами (SU 1592676 A1, F 25 B 9/00, RU 2054146, F 25 B 9/00, DE 4127224) в качестве охлаждающего агента используют атмосферный воздух, который подвергают приблизительно аналогичному воздействию, а именно осуществляют его сжатие, теплообмен и расширение с достижением охлаждения воздуха до заданной температуры. Охлажденный воздух направляют в изолированную полость, где он нагревается за счет теплообмена, нагретый воздух выталкивают в атмосферу.

Несомненным достоинством указанных способов является то, что они исключают применение токсичных рабочих веществ, что существенно повышает запас прочности и одновременно сводит к минимуму техническое обслуживание. При этом такие способы обеспечивают небольшую охлаждающую способность по сравнению со способами охлаждения, использующими в качестве охлаждающего агента активные химические соединения, что является основной причиной, по которой они редко находят применение.

Кроме того, в соответствии с SU 1592676 A1, RU 2054146, DE 4127224 процессы сжатия и расширения воздуха осуществляют посредством турбомашин. Однако из-за того, что малорасходные турбомашины отличаются невысоким значением изоэнтропного коэффициента полезного действия, что существенно снижает энергетическую эффективность как отдельно взятых процессов сжатия и расширения воздуха, так и в целом всего процесса охлаждения воздуха, рассматриваемые способы не применяют для охлаждения воздуха в изолированной полости, например бытового холодильника.

В качестве прототипа выбран способ теплообмена между первой и второй средами, обладающий повышенной эффективностью (US 3 896 632, МПК: F 25 В 9/00). Согласно указанному способу, газ, например воздух, из первой среды направляют в компрессор, сжимают его и нагревают, затем подают сжатый воздух из компрессора через первый канал теплообменника в объемный детандер. Воздух из второй среды направляют по второму каналу теплообменника в первую среду и переносят тепло из нагретого и сжатого воздуха в воздух второй среды. Сжатый воздух, из которого тепло перенесено в воздух второй среды, подвергают адиабатическому расширению /для отбора работы расширения у расширенного воздуха и его охлаждения/, при этом в компрессоре применяют отобранную из детандера работу расширения сжатого воздуха. Варьируют соотношение эффективного рабочего объема компрессора и эффективного рабочего объема детандера по мере изменения абсолютной температуры первой среды. Кроме того, во вторую среду из детандера подают холодный воздух, а в первую среду подают из теплообменника по второму каналу воздух, нагретый за счет нагретого и сжатого воздуха первой среды.

Энергию сохраняют за счет использования в компрессоре работы преимущественно адиабатического расширения и расширения сжатого воздуха, причем поддерживают на заданном уровне соотношение эффективного рабочего объема компрессора и эффективного рабочего объема детандера по мере изменения абсолютной температуры первой среды при заданном рабочем давлении сжатого воздуха в теплообменнике и увеличивают указанное соотношение при падении давления сжатого воздуха в теплообменнике ниже заданного значения или уменьшают указанное соотношение при увеличении давления сжатого воздуха в теплообменнике сверх заданного значения. Воздух из второй среды в теплообменнике нагревают до осуществления теплообмена между воздухом второй среды и сжатым воздухом первой среды, при этом температура поступающего из детандера воздуха второй среды превышает температуру окружающего воздуха первой среды, а воздух второй среды в теплообменнике нагревают после осуществления теплообмена между воздухом второй среды и сжатым воздухом первой среды, при этом тепло, отданное воздухом второй среды в воздух первой среды, соответственно увеличивается.

Для осуществления указанного способа используют устройство, содержащее компрессор объемного действия, теплообменник, имеющий по меньшей мере два канала, и детандер объемного действия. При этом выход из детандера соединен с входом во вторую среду, вход в детандер соединен с выходом первого канала теплообменника, а выход из компрессора соединен с входом первого канала теплообменника. Второй канал теплообменника связан с его первым каналом с возможностью теплообмена, при этом вход второго канала сообщен с первой средой, в выход второго канала сообщен со второй средой.

Согласно указанному выше сжатие и расширение газообразного теплоносителя осуществляют посредством компрессора и детандера объемного действия, тем самым повышают эффективность как отдельно взятых процессов, так и в целом процесса охлаждения газообразного теплоносителя, поступающего из первой среды во вторую среду. Однако при применении рассматриваемого способа для охлаждения воздуха в изолированной полости, например бытового холодильника, придется осуществлять процесс охлаждения воздуха с высоким содержанием водяного пара, поступающего из окружающей среды в изолированную полость. Необходимость отвода дополнительной тепловой энергии, выделяемой в процессе конденсации и кристаллизации водяного пара, содержащегося в охлаждаемом воздухе, снижает энергетическую эффективность рассматриваемого способа и системы в целом.

Другим существенным признаком этого способа является варьирование соотношения эффективных рабочих объемов компрессора и детандера в единицу времени в зависимости от изменения температуры первой среды и при постоянном значении давления сжатого газообразного теплоносителя в полости теплообменника. Очевидно, что указанный признак позволяет обеспечить постоянную температуру газообразного теплоносителя, поступающего во вторую среду из детандера, независимо от изменений температуры первой среды, что является существенным преимуществом рассматриваемого способа при использовании его, например, для кондиционирования воздуха или поддержания постоянной температуры воздуха в изолированном объеме. Однако указанное преимущество не пригодно для охлаждения воздуха, например, в изолированных полостях двухкамерного холодильника, где температурные режимы должны существенно отличаться один от другого - указанное выше преимущество не позволяет получать на выходе из детандера температуру различного значения, так как все стадии указанного способа направлены на поддержание неизменного значения температуры (во второй среде) вне зависимости от температуры воздуха, поступающего из окружающей среды (первой среды).

В основу заявляемого изобретения положена задача создать такой способ и такое реализующее его устройство, которые обеспечили бы охлаждение воздуха до различных заданных температурных значений при сокращении затрачиваемой на это электроэнергии.

Технический эффект, который может быть достигнут при использовании предлагаемого способа охлаждения воздуха и реализующего его устройства, заключается в возможности поддерживать в изолированной полости, например, холодильного шкафа температурный режим различного заданного значения в условиях энергетической эффективности процесса охлаждения воздуха.

Поставленная задача решена созданием способа охлаждения воздуха, преимущественно содержащегося в изолированной полости, заключающегося в том, что охлаждаемый воздух направляют в компрессор, где его сжимают с повышением температуры, затем сжатый воздух направляют в теплообменник, где его охлаждают при постоянном давлении, и охлажденный в теплообменнике воздух направляют в детандер, где его расширяют и снижают его температуру, после чего воздух направляют в первую изолированную полость, в котором согласно изобретению охлаждение в теплообменнике сжатого воздуха осуществляют путем его теплообмена с окружающей средой, а в компрессор направляют охлаждаемый воздух, содержащийся в первой изолированной полости, и в зависимости от температуры этого воздуха варьируют площадь поверхности теплообмена между охлаждаемым в теплообменнике воздухом и окружающей средой и изменяют до заданного значения температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера.

Технический результат, достигаемый благодаря заявляемому изобретению, состоит в реализации возможности поддерживать в изолированной полости температурный режим различного заданного значения в условиях невысокого потребления электроэнергии на охлаждение воздуха до заданного значения.

При этом согласно изобретению целесообразно снижать температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера путем увеличения площади поверхности теплообмена между охлаждаемым в теплообменнике воздухом и окружающей средой или повышать температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера путем уменьшения площади поверхности теплообмена между охлаждаемым в теплообменнике воздухом и окружающей средой.

Для дополнительного сокращения энергозатрат на охлаждение воздуха согласно изобретению полезно сжатый воздух, охлажденный в теплообменнике, дополнительно охлаждать до температуры ниже температуры окружающей среды путем осуществления теплообмена между этим воздухом и охлаждаемым воздухом, направляемым в компрессор из первой изолированной полости.

Согласно изобретению полезно сжатие в компрессоре охлаждаемого воздуха осуществлять адиабатно и расширение в детандере охлажденного в теплообменнике воздуха осуществлять адиабатно.

Согласно изобретению целесообразно дополнительно использовать вторую изолированную полость, при этом попеременно снижать температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера до первого заданного уровня и направлять его в первую изолированную полость, затем повышать температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера до второго заданного уровня и направлять его во вторую изолированную полость, что позволяет за один временной период получать охлажденный воздух двух различных температурных уровней.

Поставленная задача также решена созданием устройства для охлаждения воздуха в изолированной полости, содержащего компрессор объемного действия, теплообменник и детандер объемного действия, сообщенные посредством воздуховодных каналов между собой, при этом выход из компрессора соединен с входом в теплообменник, выход из теплообменника соединен с входом в детандер, а выход из детандера соединен с входом в первую изолированную полость, в котором согласно изобретению вход в компрессор посредством воздуховодного канала соединен непосредственно с выходом из первой изолированной полости, при этом теплообменник содержит по меньшей мере два трубчатых элемента, наружная поверхность каждого из которых находится в контакте с окружающей средой с образованием поверхности теплообмена, а по меньшей мере один из трубчатых элементов теплообменника содержит средство для изменения площади поверхности теплообмена, электрически связанное с температурным датчиком, расположенным в воздуховодном канале на выходе из первой изолированной полости.

Благодаря заявляемому изобретению стало возможно поддерживать в изолированной полости температурный режим различного заданного значения в условиях невысокого потребления электроэнергии на охлаждение воздуха до заданного значения.

Согласно изобретению целесообразно, чтобы средство для изменения площади поверхности теплообмена было выполнено в виде электромагнитного клапана

Вариант выполнения изобретения состоит в том, что устройство содержит две изолированные полости, каждая из которых посредством воздуховодных каналов сообщена с компрессором и детандером, при этом названные воздуховодные каналы снабжены приспособлением, обеспечивающим попеременное сообщение первой изолированной полости с компрессором и детандером и затем второй изолированной полости с компрессором и детандером.

Согласно изобретению для дополнительного сокращения потребляемой электроэнергии полезно, чтобы устройство дополнительно содержало рекуперативный теплообменник, установленный на двух воздуховодных каналах, соединяющих изолированную полость с компрессором и теплообменник с детандером.

Дальнейшие цели и преимущества заявляемого изобретения станут ясны из последующего подробного описания способа охлаждения воздуха и устройства, которое можно использовать для осуществления этого способа, и чертежей, на которых

Фиг.1 схематично изображает устройство, выполненное согласно изобретению, один вариант выполнения;

Фиг.2 схематично изображает устройство, выполненное согласно изобретению, другой вариант выполнения;

Фиг.3 схематично изображает устройство, выполненное согласно изобретению, еще один вариант выполнения.

Предлагаемый способ охлаждения воздуха включает подачу охлаждаемого воздуха, преимущественно содержащегося в изолированной полости, в компрессор, где его сжимают с повышением его температуры выше температуры окружающей среды.

Сжатый воздух направляют в теплообменник, где его охлаждают при постоянном давлении путем его теплообмена с окружающей средой. При этом в зависимости от температуры этого воздуха варьируют площадь поверхности теплообмена между охлаждаемым в теплообменнике сжатым воздухом и окружающей средой. Так, например, при уменьшении температуры охлаждаемого воздуха, поступающего в компрессор из изолированной полости, увеличивают площадь поверхности теплообмена между охлаждаемым в теплообменнике сжатым воздухом и окружающей средой, а при увеличении температуры охлаждаемого воздуха площадь поверхности теплообмена уменьшают.

Варьирование площади поверхности теплообмена позволяет поддерживать давление воздуха в теплообменнике на постоянном уровне независимо от изменения температуры воздуха, заключенного в изолированной полости, и осуществлять дальнейший процесс охлаждения воздуха в любом диапазоне температур с одинаковыми затратами механической работы. Указанное обстоятельство, как будет видно далее, позволяет в одной и той же изолированной полости, а именно в холодильной камере, осуществлять, например, предварительное охлаждение продуктов, затем их глубокую заморозку и последующее хранение при постоянном значении потребляемой мощности.

Согласно изобретению полезно сжатый воздух, охлажденный в теплообменнике, дополнительно охлаждать до температуры ниже температуры окружающей среды путем осуществления теплообмена между этим воздухом и охлаждаемым воздухом, направляемым в компрессор из изолированной полости. Это позволяет дополнительно снизить энергозатраты на охлаждение воздуха.

Охлажденный в теплообменнике воздух направляют в детандер, где его расширяют и снижают его температуру на выходе из детандера до заданного значения. Воздух на выходе из детандера, имеющий температуру заданного значения, направляют в изолированную полость.

Согласно изобретению, температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера снижают по мере уменьшения температуры охлаждаемого воздуха, поступающего в компрессор из изолированной полости, или повышают по мере увеличения температуры охлаждаемого воздуха, поступающего в компрессор из изолированной полости. Для этого соответственно увеличивают или уменьшают площадь поверхности теплообмена между охлаждаемым в теплообменнике воздухом и окружающей средой.

Возможность получения на выходе из детандера температуры охлажденного воздуха различного уровня, позволяет использовать предлагаемый способ для охлаждения воздуха в нескольких изолированных полостях, точнее в нескольких холодильных камерах, отличающихся температурным режимом хранения помещенных в них продуктов.

С целью повышения энергетической эффективности предлагаемого способа целесообразно:

- дополнительно охлаждать воздух, поступающий в детандер из теплообменника, путем его теплообмена с охлаждаемым воздухом, поступающим в компрессор из изолированной полости;

- осуществлять процессы сжатия и расширения воздуха адиабатно.

Совокупность указанных признаков позволяет понизить необходимый уровень давления воздуха в теплообменнике и уменьшить величину затрачиваемой механической работы на осуществление процесса сжатия воздуха.

В предлагаемом способе охлаждаемый воздух циркулирует по замкнутому контуру, состоящему из изолированной полости, компрессора, теплообменника и детандера. При выходе на заданный температурный режим, по мере охлаждения воздуха, содержащаяся в нем свободная влага конденсируется и тем самым воздух, заключенный в изолированной полости, осушается. При работе в установившемся температурном режиме на охлаждение воздуха с пониженным содержанием влаги требуется значительно меньше затрат механической энергии, чем для охлаждения того же объема воздуха по способу, описанному в патенте US №3896632. Например, чтобы охладить в изолированной полости объемом 0,25 м³ воздух, имеющий температуру +6°С, до температуры ±0°С (с учетом реальной влажности охлаждаемого воздуха), от него необходимо отвести 3040 Дж тепловой энергии (теплоты). Для охлаждения того же объема воздуха по способу, описанному в патенте US №3896632, потребуется осуществлять охлаждение воздуха с повышенным влагосодержанием с температуры +25°С (температура окружающей среды) до температуры ±0°С, при этом величина отводимой теплоты составит 12545 Дж, что потребует дополнительных затрат механической энергии по сравнению с предлагаемым способом.

Как указано выше, изобретение предусматривает возможность использования дополнительно и второй изолированной полости. При таком выполнении заявляемого изобретения охлаждение воздуха в каждой из этих полостей осуществляют отдельно, при этом как первую, так и вторую полость попеременно сообщают с входом в компрессор и с выходом из детандера. Сначала снижают температуру воздуха на выходе из детандера до первого заданного уровня. Для этого увеличивают площадь поверхности теплообмена между охлаждаемым в теплообменнике сжатым воздухом и окружающей средой и направляют воздух, имеющий температуру первого заданного уровня, в первую изолированную полость. Затем повышают температуру охлажденного воздуха на выходе из детандера до второго заданного уровня. Для этого уменьшают площадь поверхности теплообмена между охлаждаемым в теплообменнике сжатым воздухом и окружающей средой и направляют его во вторую изолированную полость.

Технический результат, достигаемый благодаря заявляемому изобретению, состоит в реализации возможности поддерживать в первой изолированной полости низкотемпературный режим на первом заданном уровне, а во второй изолированной полости - низкотемпературный режим на втором заданном уровне при невысоком потреблении затрачиваемой на это электроэнергии.

Заявляемый способ охлаждения воздуха, содержащегося в изолированной полости, может быть реализован, например, с помощью устройства, представленного на сопроводительных чертежах. Это устройство включает в себя компрессор 1 (фиг.1) объемного действия с постоянной степенью сжатия, теплообменник 2 и детандер 3 объемного действия с постоянной степенью расширения. Изолированная полость 4, компрессор 1, теплообменник 2 и детандер 3 сообщены между собой посредством воздуховодных каналов, снабженных штуцерами или иными применяемыми обычно соединительными средствами.

Таким образом, в соответствии с заявляемым изобретением вход 5 в компрессор 1 соединен воздуховодным каналом 6 непосредственно с выходом 7 из изолированной полости 4, выход 8 из компрессора 1 соединен с входом 9 в теплообменник 2, при этом выход 10 из теплообменника 2 соединен воздуховодным каналом 11 с входом 12 в детандер 3, а выход 13 из детандера 3 соединен с входом 14 в изолированную полость 4.

Согласно изобретению теплообменник 2 содержит по меньшей мере два трубчатых элемента 15, наружная поверхность которых находится в контакте с окружающей средой с образованием поверхности теплообмена, через которую осуществляется теплообмен между охлаждаемым в теплообменнике 2 сжатым воздухом и окружающей средой. По меньшей мере один из трубчатых элементов 15 теплообменника 2 содержит средство 16 для изменения площади поверхности теплообмена, представляющее собой, например, электромагнитный клапан, выполненный с возможностью осуществления полного перекрытия проходного сечения трубчатого элемента 15. Указанное средство 16 для изменения площади поверхности теплообмена электрически связано с температурным датчиком 17, расположенным в воздуховодном канале 6, сообщающим выход 7 из изолированной полости 4 и вход 5 в компрессор 1.

Вариант выполнения изобретения состоит в том, что устройство содержит две изолированные полости 4 и 18 (фиг.2), каждая из которых посредством воздуховодных каналов 6, 19 и 20, 21 сообщена с компрессором 1 и детандером 3 соответственно, при этом названные воздуховодные каналы 6, 19 и 20, 21 снабжены приспособлением 22, обеспечивающим попеременное сообщение первой изолированной полости 4 с компрессором 1 и детандером 3, и затем второй изолированной полости 18 с компрессором 1 и детандером 3.

Согласно изобретению полезно для повышения энергетической эффективности процесса охлаждения воздуха, чтобы устройство дополнительно содержало рекуперативный теплообменник 23 (фиг.3), установленный на двух воздуховодных каналах 6 и 11, соединяющих соответственно изолированную полость 4 с компрессором 1 и теплообменник 2 с детандером 3. Рекуперативный теплообменник 23 может иметь выполнение, аналогичное ранее описанному теплообменнику 2, и содержать по меньшей мере два трубчатых элемента.

Предлагаемое устройство обеспечивает средства для достижения эффективности в сфере производства холода как в промышленных масштабах, так и в быту для рядового потребителя.

Способ охлаждения воздуха в изолированной полости реализуется с помощью заявляемого устройства следующим образом.

Первоначально в изолированной полости 4 (фиг.1) при атмосферном давлении находится воздух с температурой окружающей среды и высоким влагосодержанием. Воздух из изолированной полости 4 подают в воздуховодный канал 6 и далее в рабочую полость компрессора 1 путем увеличения объема рабочей полости. Затем путем уменьшения объема рабочей полости компрессора 1 поступивший воздух сжимают. Сжатый в компрессоре 1 воздух за счет уменьшения объема рабочей полости компрессора 1 до минимально возможного значения перемещают в воздуховодный канал 24 и далее в полости трубчатых элементов 15 теплообменника 2.

В теплообменнике 2 сжатый воздух охлаждают при постоянном давлении путем его теплообмена с окружающей средой, в которую через наружную поверхность трубчатых элементов 15 от сжатого воздуха отводится необходимое количество теплоты.

Количество отводимой теплоты обеспечивает охлаждение сжатого воздуха на входе 12 в детандер 3 до температуры, отвечающей условию осуществления изобарного охлаждения, и определяется из формулы - Тд=Тк×Vд/Vк,

где Тк и Тд - температура сжатого воздуха соответственно на выходе 8 из компрессора 1 и на входе 12 в детандер 3,

Vк и Vд - объем, занимаемый воздухом, соответственно на выходе 8 из компрессора 1 и на входе 12 в детандер 3.

Охлажденный в теплообменнике воздух перемещают в воздуховодный канал 11 и далее в рабочую полость детандера 3 за счет увеличения ее объема до значения Vд. Воздух, перемещенный в детандер 3, расширяют путем увеличения объема рабочей полости детандера 3 до значения, при котором давление ранее сжатого воздуха понижается до атмосферного. При этом температуру воздуха понижают до значения, более низкого, чем температура воздуха на входе 5 в компрессор 1.

По мере понижения температуры воздуха, заключенного в изолированной полости 4, соответственно понижается температура сжатого воздуха на выходе 8 из компрессора 1 и, как следствие, уменьшается среднее значение температурного градиента между охлаждаемым в теплообменнике 2 сжатым воздухом и окружающей средой. При этом для отвода теплоты, необходимой для осуществления изобарного охлаждения сжатого воздуха, увеличивают площадь поверхности теплообмена сжатого воздуха с окружающей средой. Увеличение площади поверхности теплообмена осуществляют путем открытия управляемого клапана 16, расположенного по меньшей мере на одном трубчатом элементе 15 теплообменника 2. При этом по проходному сечению трубчатого элемента 15 восстанавливают перемещение сжатого воздуха, охлаждаемого в теплообменнике 2, и на величину площади внешней поверхности трубчатого элемента 15, имеющего управляемый клапан 16, увеличивают общую площадь поверхности теплообмена. Управление клапаном 16 осуществляют с помощью сигналов, передаваемых от датчика температуры 17 по электрической сети 25. В случае, когда температура воздуха в изолированной полости 4 повышается, например, во время сообщения изолированной полости 4 с окружающей средой, по сигналу температурного датчика 17 клапан 16 перекрывает проходное сечение трубчатого элемента 15 теплообменника 2. При этом уменьшается площадь поверхности теплообмена трубчатого элемента 15 до значения, необходимого для осуществления изобарного процесса охлаждения сжатого воздуха в теплообменнике 2.

Варьирование площади поверхности теплообменника, участвующей в процессе теплообмена сжатого воздуха с окружающей средой, позволяет плавно изменять температуру охлажденного воздуха на выходе 13 из детандера 3 и получать необходимую температуру воздуха в изолированной полости 4. Или варьирование площади поверхности теплообменника 2 позволяет получать любое значение температуры охлажденного воздуха на выходе 13 из детандера 3 в широком диапазоне, например, от нуля градусов до минус 50 градусов Цельсия. При этом величина механической работы, затрачиваемой на осуществление процесса охлаждения воздуха, остается практически постоянной, что позволяет повысить эффективность процесса охлаждения воздуха, заключенного в изолированной полости 4, за счет исключения потерь, связанных с постоянным изменением давления воздуха в теплообменнике 2.

Для повышения энергетической эффективности процесса охлаждения воздух, поступающий по воздуховодному каналу 11 (фиг.3) из теплообменника 2, направляют в рекуперативный теплообменник 23, где его дополнительно охлаждают путем его теплообмена с воздухом, поступающим по воздуховодному каналу 6 из полости 4 в компрессор 1. При этом температуру воздуха на входе 12 в детандер 3 понижают до значения, более низкого, чем температура окружающей среды, что позволяет понизить максимальное давление воздуха в теплообменнике 2 и, соответственно, уменьшить величину затрачиваемой механической работы.

В том случае, когда заявляемое устройство содержит две изолированные полости 4 и 18 (фиг.2), возможно достигнуть, чтобы, например, в изолированной полости 4 заданный уровень температуры заключенного в ней воздуха был ниже, чем в изолированной полости 18. Для этого с помощью средства 22 обеспечивают сообщение сначала, например, только полости 4 с компрессором 1, теплообменником 2, детандером 3 и осуществляют процесс охлаждения воздуха до заданного значения так, как это описано выше, затем с помощью средства 22 обеспечивают сообщение только полости 18 с компрессором 1, теплообменником 2, детандером 3 и осуществляют процесс охлаждения воздуха до заданного значения так, как это описано выше. При этом, как было описано выше, осуществляют варьирование площади поверхности теплообменника, участвующей в процессе теплообмена сжатого воздуха с окружающей средой, что позволяет изменять температуру охлажденного воздуха на выходе 13 из детандера 3 и получать заданное значение температуры как для полости 4, так и для полости 18.

Таким образом, при использовании предлагаемого способа охлаждения воздуха и реализующего его устройства стало возможно поддерживать в изолированной полости температурный режим на заданном уровне в условиях энергетической эффективности процесса охлаждения воздуха.