Устройство для низкотемпературного охлаждения
DEVICE FOR LOW-TEMPERATURE COOLING

Изобретение относится к холодильной технике и может быть применено в холодильных системах  и машинах для низкотемпературного охлаждения до -130°С. Устройство может использоваться в медицине, в  частности, для подачи холодного воздуха в криокамеры, рабочая температура в которых составляет не более                           -100°С. Устройство также  может быть использовано в пищевой промышленности для глубокой заморозки продуктов.
Известна холодильная установка с аккумулятором холода из тепловых труб по патенту РФ на изобретение №2190813,  F25B7/00, 2002. Установка содержит в замкнутом контуре циркуляции хладагента компрессор, маслоотделитель, конденсатор, ресивер, дроссель-вентиль и испаритель. Установка также содержит аккумулятор холода в виде бака, заполненного водой, и тепловых труб. Верхние части труб определенным образом расположены в испарителе, а нижние части размещены в баке. К каждой из тепловых труб дополнительно закреплена теплообменная поверхность, которая выполнена в виде вертикальных однотипных полых секций, соединенных с коллекторами. Через полые секции происходит подвод теплоты паров сжатого хладагента к поверхности тепловых труб в зоне намораживания. Происходит реверсирование процесса циркуляции антифризного рабочего тела тепловых труб при создании на теплообменной поверхности нижней части тепловых труб слоя льда максимальной допустимой толщины, оттаивание льда на поверхности теплообмена и удаление (сползание) намороженного льда с поверхности тепловых труб. Недостатками являются невысокая эффективность охлаждения, высокие энергозатраты системы, сложность конструкции, сложность процесса охлаждения.
Известен аккумулятор холода по патенту РФ на изобретение №2438074, F25D 3/00, 2011. Аккумулятор холода содержит бак-аккумулятор, герметичные пластиковые контейнеры, которые размещены в баке-аккумуляторе и заполнены средой фазового перехода. Контейнеры выполнены в виде линейных эластичных труб. Трубы размещены в баке-аккумуляторе параллельно перекрестными рядами. Трубы заполнены средой фазового перехода - теплоаккумулирующим материалом, таким как, например, водой, соляным раствором. Конструкция относится к типу аккумуляторов холода с капсулированным льдом.  На стадии зарядки аккумулятора в него поступает охлажденный вторичный хладагент, например раствор этиленгликоля. Омывая пространственную структуру межтрубного пространства линейных пластиковых контейнеров, вторичный хладагент отбирает тепло у теплоаккумулирующего материала, замораживая его. Процесс продолжается до полной  заморозки теплоаккумулирующего материала в трубках. В процессе разрядки аккумулятора холода отепленный этиленгликоль поступает в бак-аккумулятор, охлаждается, контактируя с трубами через стенки, отдает тепло среде фазового перехода теплоаккумулирующего материала. Недостатками являются невысокая надежность устройства из-за полного замораживания теплоаккумулирующего материала в трубках, которое может привести к повреждению трубок, а также сложность конструкции, низкая эффективность работы устройства.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрано устройство для охлаждения теплоносителя по патенту РФ на изобретение №2105940, F25D 3/00, 1998, содержащее теплоизолированный корпус, в нижней части которого установлена емкость для теплоносителя, в которой установлен испаритель холодильной машины. Для дополнительного захолаживания теплоносителя в верхней части корпуса установлен змеевиковый трубопровод для подсоединения к теплообменной системе, который коаксиально размещен внутри водораспределителя. Водораспределитель снабжен расположенными под емкостью пластинами, между которыми есть проходы для охлаждающего воздуха. Корпус разделен на две секции. На пластинах одной секции происходит намораживание льда, а в другой секции происходит плавление ранее образованного льда и сброс его в охлаждаемую емкость. Захолаживание теплоносителя в емкости происходит за счет сбора охлажденного теплоносителя из одной секции, плавления сброшенного льда из другой секции и отбора теплоты испарителем холодильной машины. Недостатками являются сложность конструкции и низкая эффективность охлаждения.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение эксплуатационных свойств устройства.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы устройства при упрощении его конструкции.
Технический результат достигается за счет того, что в охлаждающем устройстве, содержащем змеевик с патрубками для ввода и вывода хладагента, аккумулятор холода, теплообменные элементы, отличающийся тем, что  аккумулятор холода выполнен в виде трубного контура, змеевик установлен внутри трубного контура аккумулятора холода, межтрубное пространство между ними заполнено жидкостью, состоящей хотя бы из двух компонентов с различной температурой замерзания, теплообменные элементы установлены на внешней поверхности аккумулятора холода.
Кроме того, змеевик имеет участок соприкосновения с трубой трубного контура.
Технический результат обеспечивается тем, что устройство содержит трубный контур, заполненный  айссларри жидкостью, данная жидкость известна также под такими названиями, как жидкий лед, флюидный лед, бинарный лед, FLO-ICE, Binary-ICE, Fiuid-ICE, Liquid-ICE, Pumpable-ICE. Эта жидкость состоит хотя бы из двух компонентов с различной температурой замерзания. В определенном диапазоне температур одна из жидкостей переходит в твердую фазу и находится в виде кристаллов во второй жидкости, которая имеет более низкую температуру замерзания. Благодаря установке змеевикового трубопровода с хладагентом внутри трубного контура, заполненного двухкомпонентной жидкостью с различными температурами замерзания компонентов, резко возрастает энергетический потенциал устройства для низкотемпературного охлаждения. Использование указанной жидкости позволяет повысить  аккумулирующую способность устройства  за счет фазового перехода одной из жидкостей в кристаллы льда. При этом сохраняются теплопроводность и текучесть  двухкомпонентной жидкости благодаря  жидкости с более низкой температурой замерзания, которая остается в жидком состоянии. Установка теплообменных элементов, например пластин оребрения, на внешней поверхности аккумулятора холода в сочетании с тем, что  одна из жидкостей внутри межтрубного пространства кристаллизуется с большой отведенной теплотой,  обеспечивают чрезвычайно интенсивную поверхностную теплопередачу устройства.  Выход устройства на рабочий режим происходит гораздо быстрее, чем в устройствах  с традиционными аккумуляторами холода, таких, как описаны в аналогах. Температура, снимаемая с наружной поверхности устройства, гораздо ниже, чем в ближайшем аналоге и составляет -130°С при определенном подборе жидкостей. Кроме того, конструкция предлагаемого устройства  значительно  проще, чем конструкция ближайшего аналога.
На фигуре представлена схема охлаждающего устройства.
Устройство для низкотемпературного охлаждения  содержит змеевик 1 с входным патрубком 2 и выходным патрубком 3. Змеевик 1 установлен внутри трубного контура 4. Диаметр змеевика 1 меньше диаметра труб трубного контура 4. Змеевик 1 может быть уложен в трубы трубного контура 4 с соприкосновением его участка с участком трубы трубного контура 4 для более интенсивного теплообмена между этими трубами.  На внешней поверхности  трубного контура 4 установлены теплообменные элементы 5, выполненные в виде пластин или ребер. Внутри змеевика 1 циркулирует хладагент 6, подаваемый от компрессора (не показан на чертеже). Межтрубное пространство 7 заполнено двухкомпонентной айсслари жидкостью 8.
Устройство для охлаждения работает следующим образом.
Хладагент 6 от компрессора через входной патрубок 2 поступает в змеевиковый  трубопровод 1 и, проходя по нему, охлаждает двухкомпонентную айссларри жидкость 8, находящуюся  в трубном контуре 4 аккумулятора холода. В качестве двухкомпонентной жидкости могут использовать, например, воду и спирт. Температура замерзания спирта составляет -114°С, в данной двухкомпонентной жидкости спирт может замерзать при более высокой температуре от -11°С, т.к. температура замерзания зависит от его концентрации в жидкости. Оптимальное использование данной двухкомпонентной жидкости находится в интервале температур от -40° до -100°С. Соотношение спирта и воды может быть, в мас.%, следующим: спирта от 55% до 95%, воды от 5% до 45%.   В качестве айссларри жидкости могут применяться иные жидкости с различными значениями температуры замерзания.  Подбор жидкостей,  соотношение их частей, рабочий интервал температур осуществляют, используя специальные программы и таблицы. При охлаждении двухкомпонентной жидкости 8 в межтрубном пространстве 7 вода замерзает и кристаллизуется. За счет фазового перехода воды значительно повышается аккумулирующая способность устройства. Это происходит вследствие использования теплоты фазового перехода с забором тепла от теплообменных элементов 5 и за счет того, что  в двухкомпонентной жидкости 8 при образовании льда снижается количество воды и повышается концентрация спирта. Температура замерзания спирта гораздо ниже, чем у воды, поэтому двухкомпонентная айсслари жидкость 8, продолжая охлаждаться от хладагента 6, протекающего по змеевику 1 накапливает энергетический потенциал для холодопроизводительности. При этом компонент с более низкой температурой замерзания – спирт - остается в жидком состоянии, не теряет текучесть. В целом  айсслари жидкость 8, представляющая собой мелкокристаллическую ледяную суспензию, ведет себя подобно жидкости. Полного  замерзания не происходит, из-за чего не происходит повреждения трубопроводов и устройства в целом. Повышается надежность работы охлаждающего устройства. Компрессор охлаждающего устройства работает постоянно, подавая хладагент по змеевику 1 беспрерывно, при этом в межтрубном пространстве 7 происходит дальнейшая кристаллизация льда в жидкости 8 и накапливание потенциала холода. В медицинской криокамере,  или в устройстве для глубокой  заморозки продуктов питания, происходит периодическое, кратковременное снятие холода с теплообменных пластин 5. За счет аккумулирования холода устройством при таком снятии холода происходит чрезвычайно интенсивная поверхностная теплопередача. Энергетического потенциала холода, накопленного устройством, достаточно для охлаждения человека, находящегося в криокамере с температурой до -100°С  до пяти минут. При этом не требуется использование компрессора большой мощности для компенсации провала температуры в пиковые тепловые нагрузки на установку, для достижения данных температур охлаждения. Для данного устройства возможно использование компрессора малой мощности, например  мощности  3 КВт. За счет высокой аккумулирующей способности устройства, использующего тепло фазового перехода жидкости в достаточно узком выбранном диапазоне температур, выход устройства на рабочий режим происходит гораздо быстрее по сравнению с традиционными аккумуляторами холода, которые работают за счет теплопередачи от конструкции с большой массой металла или большого объема жидкости.
Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность работы устройства при упрощении его конструкции.