Низкотемпературная холодильная машина на диоксиде углерода
LOW-TEMPERATURE REFRIGERATION MACHINE ON CARBON DIOXIDE

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности холодильной технике, конкретно к холодильной технике компрессорного типа, и может быть использовано при замораживании биоматериалов, продуктов питания, низкотемпературной обработки металлов и сплавов, в технологических процессах, где требуется потребление искусственного холода в диапазоне низких температур от минус 60 до минус 130°C.
Из уровня техники известны парокомпрессионные низкотемпературные холодильные системы, например, низкотемпературная холодильная машина, состоящая из верхнего и нижнего каскадов (RU 122159 U1, 2012 г.), такая установка требует применения синтетических рабочих веществ (хладонов), оказывающих негативное влияние на экологию, отличается высоким расходом электроэнергии и конструктивной усложненностью из-за наличия в каждом каскаде множества оборудования (компрессоры, конденсаторы, маслоотделители, отделители жидкости и т.п.), что удорожает установку. При этом минимальные достигаемые температуры определяются выбранным рабочим веществом для нижнего каскада, так для хладона R-13 минимальная температура составит от минус 80 до минус 100°C.
Интерес представляет схема гибридной низкотемпературной холодильной и морозильной установки (US 20060144073 A1, 2004 г.).
Холодильная установка по патенту US 20060144073 А1 состоит из термоэлектрического модуля, забирающего тепло из охлаждаемого объема и парокомпрессионного контура, отводящего тепло от нагреваемой части термоэлектрического модуля. Данная установка способна поддерживать температуры в охлаждаемом объеме вплоть до минус 80°C.
Недостаток установки состоит в повышенном потреблении энергии, па сравнению с парокомпрессионными системами, необходимости наличия мощного стабилизированного по току источника питания для энергоснабжения термоэлектрического модуля.
В настоящее время продолжается тенденция уменьшения влияния деятельности человека на экологию в холодильной технике, это выражается в переходе на использование природных рабочих веществ: аммиака, углеводородов, диоксида углерода, воды, что подтверждают публикации:
Lorentzen G. «The use of natural refrigerants: a complete solution to the CFC/HCFC predicament», International journal of refrigeration Vol 18, №3 (1995);
Yamaguchi H, Zhang H-R «A novel CO2 refrigeration system achieved by CO2 solid-gas two-phase fluid and its basic study on system performance)). International journal of refrigeration №32 (2009).
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения определена низкотемпературная двухкаскадная холодильная машина компрессорного типа на углеводороде в верхнем каскаде и диоксиде углерода в нижнем каскаде (JP 2001091074 A, 1999 г.), содержащая два независимых гидравлических контура (каскада), объединенных теплообменником-конденсатором, в котором осуществляется кипение рабочего вещества верхнего каскада с поглощением тепла от охлаждаемого объекта и конденсация рабочего вещества нижнего каскада с выделением тепла в окружающую среду. Поглощение тепла в данной установке осуществляется за счет кипения рабочего вещества в нижнем каскаде, при этом минимально достигаемая температура находится на уровне минус 56,6°C, что определяется тройной точкой диоксида углерода.
Недостатки установки состоят в наличии двух независимых контуров с двумя компрессорами, необходимость заправки двумя рабочими веществами, что удорожает ее обслуживание, ограничение по достигаемой минимальной температуре минус 56,6°C.
Задача настоящего изобретения заключается в создании энергоэффективной низкотемпературной холодильной машины на экологически чистом природном рабочем веществе - диоксиде углерода.
Технический результат, получаемый от использования изобретения, заключается в повышении экологичности низкотемпературной холодильной машины, упрощении конструкции низкотемпературной холодильной установки, достижении более низких температур и снижении энергопотребления.
Сущность изобретения состоит в том, что низкотемпературная холодильная машина, использующая природное рабочее вещество диоксид углерода, циркулирующее в замкнутом герметичном гидравлическом контуре машины, содержит теплообменник-нагрузку с герметичным внутренним пространством, подключенным к гидравлическому контуру холодильной машины, в котором осуществляется сублимация рабочего вещества с подводом теплоты от охлаждаемого продукта, вакуумный насос, обеспечивающий откачку паров диоксида углерода из теплообменника-нагрузки при пониженном давлении, трехступенчатый малогабаритный компрессор, осуществляющий сжатие паров диоксида углерода, промежуточные сосуды, обеспечивающие отделение жидкого диоксида углерода, конденсатор воздушного охлаждения для отвода тепла от диоксида углерода во внешнюю среду в процессе фазового перехода из парообразного в жидкое состояние, распределительный жидкостный трубопровод, обеспечивающий подачу жидкого диоксида углерода к приборам охлаждения, дроссельные форсунки, расположенные непосредственно на жидкостном трубопроводе, обеспечивающие дросселирование жидкого диоксида углерода и распыление его на внутреннюю теплообменную поверхность теплообменника-нагрузки, в процессе которого происходит фазовое превращение жидкость - твердое вещество, где при подводе теплоты от охлаждаемого продукта, расположенного на внешней поверхности теплообменника-нагрузки, за счет теплопередачи через стенки теплообменника-нагрузки происходит сублимация рабочего вещества.
Для достижения указанного технического результата в низкотемпературной холодильной машине, за счет использования фазового перехода твердое - пар (сублимации), распыляемого на теплообменную поверхность в теплообменнике-нагрузке, диоксида углерода при пониженном давлении, создаваемом вакуумным насосом, возможно достижение низких температур сублимации в диапазоне от минус 60°C до минус 130°C,
при этом теплообменник-нагрузка выполнен таким образом, что внутреннее герметичное пространство, присоединенное к гидравлическому контуру холодильной машины, имеет теплообменную поверхность,
в то же время жидкий диоксид углерода, полученный в результате теплообмена с окружающей средой, подается по жидкостным трубопроводам и распыляется во внутреннюю полость на развитую поверхность теплообменника-нагрузки, с понижением давления, в результате чего диоксид углерода превращается в твердофазное состояние в мелкодисперсном виде.
Предложенная низкотемпературная холодильная машина на диоксиде углерода иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема установки, на фиг. 2 приводится конструкция теплообменника-нагрузки с расположенным внутри жидкостным трубопроводом и распылительными дроссельными форсунками для использования в низкотемпературной холодильной машине.
Предложенная низкотемпературная холодильная машина на диоксиде углерода содержит замкнутый гидравлический контур парокомпрессионной холодильной машины, работающий по обратному термодинамическому циклу с диоксидом углерода в качестве рабочего вещества и пониженным давлением в теплообменнике-нагрузке.
Контур холодильной машины состоит из теплообменника-нагрузки 1, вакуумного насоса 2, трехступенчатого компактного компрессора 3, конденсатора воздушного 4, дроссельных вентилей 5, промежуточных сосудов 6, дроссельных форсунок 7, соединенных гидравлически системой трубопроводов, на нагнетательных трубопроводах имеются оребренные участки трубопроводов 8.
Теплообменник-нагрузка состоит из герметичного объема 1, оребренной поверхности 2 на которой с наружной стороны размещается охлаждаемый продукт 3, трубопровода для подачи жидкого рабочего вещества 4, дроссельных форсунок 5, штуцера для присоединения вакуумного насоса 6.
Предложенная низкотемпературная холодильная машина на диоксиде углерода (фиг. 1) функционирует следующим образом. Диоксид углерода в мелкодисперсном твердофазном состоянии сублимирует при подводе тепла от охлаждаемого объекта в теплообменнике-нагрузке 1, при этом переходит в парообразное состояние, затем всасывается в вакуумный насос 2, далее нагнетается в первую ступень трехступенчатого компактного компрессора 3, при прохождении через каждую ступень компрессора к сжимаемому пару подмешиваются насыщенные пары из промежуточных сосудов 6 при промежуточных давлениях, после прохождения третьей ступени компрессора 3, пар поступает в конденсатор 4, где за счет отвода теплоты в окружающую среду конденсируется, переходя из парообразного в жидкое состояние, жидкий диоксид углерода дросселируется последовательно в дроссельных вентилях 5 и отделяется от пара в промежуточных сосудах 6, насыщенная жидкость поступает в теплообменник-нагрузку 1, насыщенные пары всасываются в ступени компрессора при промежуточных давлениях в теплообменнике-нагрузке 1, насыщенная жидкость поступает по жидкостному трубопроводу и распыляется в форсунках 7, цикл замыкается.
В теплообменнике-нагрузке (фиг. 2) происходят следующие процессы: жидкий диоксид углерода подается по жидкостному трубопроводу 1, распыляется через дроссельные форсунки 2, при этом переходит в твердое состояние в виде снега, равномерно распределяясь по теплообменной поверхности 3, с внешней стороны теплообменника-нагрузки располагается охлаждаемый продукт 4, сублимировавшие пары диоксида углерода отводятся по всасывающей магистрали 5.