ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО-РЕКУПЕРАТОР

Область техники

Изобретение относится к технологии получения холода до минус 170 °С и может быть использована в клиниках для замораживания и длительного хранения разных объектов медицинского назначения в холодильных камерах объемами до 160 кубических дециметров ультранизькотемпературних холодильников.

Уровень техники.

С термодинамики известно, что принцип работы холодильных систем основан на фазовых переходах - испарении и конденсации или иначе в которых

используется рабочее тело, подвергающееся давлению и испарению. При нормальном атмосферном давлении рабочего тела (далее -хладагенты) компрессионных холодильных установок имеют газообразное состояние. Под давлением в герметичных емкостях они сжижаются. Фазовое состояние

хладагентов в отдельных составных частях герметичных компрессионных холодильных установок зависит от давления и температуры. При высоком давлении это жидкость, а при низком - газ. При сжатии хладагент нагревается, а при расширении - кипит с отбором теплоты в окружающей среде и испаряется, охлаждая эту среду. В компрессор установки должен поступать обязательно газообразный хладагент, чтобы не происходили гидравлические удары и разрушения деталей компрессора.

Известен способ для получения низких температур путем сжатия хладагента до рабочего давления с помощью, по меньшей мере двух, дроссельных регенеративных циклов или в двухступенчатой компрессионной холодильной установке (см., Например, кн. Грезин А.К., Зиновьев ВС Микрокриогенная техника. М. "Машиностроение ", 1978, с. 90-94). Однако, создание рабочего давления с помощью нескольких дроссельных регенеративных циклов требует значительных затрат энергии, снижает термодинамический коэффициент полезного действия (в дальнейшем - КПД), удельную объемную холодопроизводительность и повышает стоимость компрессионных установок.

Как известно, основными частями компрессионных холодильных систем являются следующие составляющие:

- Компрессор - устройство, создающее необходимую разницу давления;

- Испаритель - устройство, отбирающее тепло от внутреннего объема

холодильника;

- Теплообменный устройство-конденсатор - устройство, отдающее тепло в окружающую среду;

- Дроссельный устройство - устройство, поддерживающее разницу давления за счет дросселирования рабочего тела;

- Рабочее тело - вещество, которое переносит тепло от испарителя к

конденсатору.

Вместе с тем, было установлено, что реализацией способа регенерации теплоты можно снизить затраты энергии, повысить термодинамический КПД и удельную объемную холодопроизводительность при получении холода с помощью компрессионных холодильных установок. Были созданы

одноступенчатые компрессионные холодильные установки, в которых был реализован способ регенерации теплоты при помощи теплообменного

устройства-рекуператора, представляющего собой расположенные одна в другой трубки круглые бесшовные цельнотянутые устойчивого сечения из меди или латуни (см., например, патент Украины Ne 31652 А, кл. С09 К 5/00, кл. F 25 В 1 / 00, бюл. Ns 7, 15.12.2000 г.).

Кроме того, для снижения затрат энергии и повышения термодинамического КПД и удельной объемной холодопроизводительности были созданы

многокомпонентные смеси хладагентов, которые имеют в своем составе вещества с низкой и высокой точками кипения (см., например, авт. св. СССР

N ^Q 342482, кл. F 25 В 1/00, 1972, пат. США N ^Q 3872682, кл. 62 -1 14, 1975 г.).

Для обозначения этого класса хладагентов используется аббревиатура:

• CFC - (chlorine - fluorine - carbon) - по первым буквам латинских названий химических элементов, входящих в состав хладагента;

• ХФУ - (хлор - фтор - углерод) - по первым буквам русских названий химических элементов, входящих в состав хладагента.

Обозначение каждого класса хладагента включает в себя букву R - (refrigerant - хладагент). Ранее в бытовых установках использовался хладагент

R-12 (фреон-12, дифтордихлорметан CF2C12). В середине прошлого века был синтезирован и стал широко использоваться класс хладагентов - гидрохлорфторуглеродов - HCFC (ГХФУ). Наибольшее распространение получили хладагенты этого класса R-22 и R-502.

Известно теплообменное устройство-рекуператор для холодильных

компрессионных установок, являющееся близким по технической сути, количеству существенных признаков к заявляемому теплообменному устройству- рекуператору (см. патент Российской Федерации Ns 2378586, ПК F25B39 / 02 заявка РСТ: GB 2005/003700 20050923, публикация РСТ: WO 2006/032922

20060330). Известное устройство-рекуператор содержит расположенные один в другом внутренний нагнетающий и внешний всасывающий трубопроводы. В известных теплообменных устройствах-рекуператорах для холодильных установок используют типы поверхностей раздела между теплоносителями, имеющих коэффициенты теплоотдачи одинаковые в середине и снаружи трубы; такими трубами являются трубы с гладкой поверхностью. Конструктивно

устройство-рекуператор представляет собой или медный или латунный или стальной трубопровод выполнен в виде труба в трубе. Участие в теплообмене принимают или парообразных или жидкие вещества, потоки которых движутся одновременно и непрерывно. Основной характеристикой конструкций известных устройств-рекуператоров является тип относительного движения потоков хладагентов нагнетающей линии (прямой поток) и всасывающей линии (обратный поток) и взаимная геометрия этих течений, которым является противоток в известных устройствах, то есть обратной поток жидких веществ течет вдоль трубок с гладкой поверхностью в кольцевом зазоре между ними.

Таким образом, в установках, в которых реализован способ регенерации теплоты прямой высокого давления поток рабочего тела дополнительно

охлаждают обратным низкого давления потоком. При этом, использование регенерации теплоты и смеси хладагентов позволяет получить низкие

температуры относительно недорого.

Так известный способ получения низких температур (см. Патент Украины

N2 31652 А, кл. С09 К 5/00, кл. F 25 В 1/00, бюл. N° 7, 15.12.2000), являющийся близким по технической сущности и количеству существенных признаков к заявляемому способу. Известным способом с помощью одного дроссельного регенеративного цикла или одноступенчатой компрессионной холодильной установки с использованием регенерации теплоты и смеси хладагентов получены низкие температуры на уровне до минус 170 °С. Согласно известному способу как хладагенты используют хладон 404А, хладон 134А, пропан, изобутан, азот, хладон 14, хладон 23, метан, этан, пропилен, а низкие температуры получают путем их сжатия в компрессоре, нагнетания прямым потоком высокого давления в теплообменное устройство-конденсатор, предварительного охлаждения прямого потока высокого давления до частичного сжижения в теплообменном устройстве- конденсаторе, нагнетания прямым потоком высокого давления в теплообменное устройство-рекуператор, дополнительного охлаждения обратным потоком низкого давления до полного сжижения в теплообменном устройстве-рекуператоре, нагнетания прямым потоком высокого давления в дроссельное устройство, дросселирования прямого высокого давления потока и снижения его давления до повышенного, нагнетания прямым потоком повышенного давления в испаритель, его расширения до частичного испарения с отбором теплоты и предварительного нагрева от охлаждаемого объекта в испарителе, всасывания с формированием обратного низкого давления потока в теплообменное устройство-рекуператор, его дополнительный нагрев прямым потоком высокого давления до полного испарения хладагентов в теплообменном устройстве-рекуператоре, всасывания хладагентов обратного потока низкого давления в компрессор для повторного сжатия.

Согласно известному способу в теплообменном устройстве-рекуператоре охлаждение прямого потока осуществляют до его конденсации (т.е. сжижения) хладагентов с низкой точкой кипения и их растворения одновременно в

сконденсированных (т.е. сжиженных) хладагентах с высокой точкой кипения, но для растворения друг в друге хладагентов, отличающихся фазовым состоянием теплообменное устройство-рекуператор имеет значительные геометрические размеры, что не делает одноступенчатую компрессионную холодильную установку компактной, и при этом создаваемое компрессором давление

конденсации является относительно высоким и составляет 4,0 - 6,0 МПа в зависимости от уровня необходимого охлаждения, а также и величина

расходования хладагентов (хлорфторуглероды) является относительно высокой, большая часть которых, как оказалось, имеет озоноразрушающую способность.

Найденный заменитель для фреона R-12 - это фреон R-134a, относящийся к группе HFC и не содержащий хлор и другие заменители фреонов - хладон 404А, хладон 14, хладон 23 относятся к «парниковых газов». Решением Монреальской конвенции (Протокол 1987 г.) их производство, использование запрещены с 1 января 1994 года. В связи с этим решением Монреальской конвенции о запрете использования так называемых фреонов CFC и HCFC встал вопрос о поиске других термодинамических процессов получения холода.

Кроме того, заявителем установлено, что низкотемпературный холодильник с холодильной камерой рабочим объемом 120 - 160 дм куб, в котором может быть реализован известный способ приобретает значительные геометрические размеры из-за размеров теплообменного устройства-рекуператора.

С учетом экспериментально установленного вышеприведенного, что свойства и расходование хладагентов влияют на размер теплообменного устройства- рекуператора в основу изобретения положена задача усовершенствовать способ получения низких температур путем наличии новых операций, их

последовательности проведения во времени при определенных хладагентах и с помощью определенных устройств обеспечить получение холода до минус 170 °С в камерах холодильников низкотемпературных объемами 120 -160 кубических дециметров.

А также в основу изобретения положена задача усовершенствовать

теплообменное устройство-рекуператор одноступенчатой компрессионной холодильной установки путем наличии новых деталей и элементов, их нового расположения, формы, взаимной функциональной и конструктивной связи, и их соотношения обеспечить получение холода до минус 170 °С в камерах

холодильников низкотемпературных объемами 120 -160 кубических дециметров. А также обеспечить относительно небольшие геометрические размеры и компактность одноступенчатой холодильной компрессионной установке в целом, работающей при давлении газа, которое создает компрессор в 1 ,5 - 2,5 МПа и на смеси хладагентов, предназначенной для низкотемпературных холодильников с холодильной камерой рабочим объемом до 160 дм куб.

Раскрытие изобретения.

Эта задача решена тем, что в способе получения низких температур с помощью одного дроссельного регенеративного цикла в компрессионной холодильной установке, работающей на смеси хладагентов, кипящих при различных температурах путем их сжатия в компрессоре, нагнетания прямым потоком высокого давления в теплообменное устройство-конденсатор,

предварительного охлаждения прямого потока высокого давления до частичного сжижения в теплообменном устройстве-конденсаторе, нагнетания прямым потоком высокого давления в теплообменное устройство-рекуператор,

дополнительного охлаждения обратным потоком низкого давления до полного сжижения в теплообменном устройстве-рекуператоре, нагнетания прямым потоком высокого давления в дроссельное устройство, дросселирования прямого высокого давления потока до снижения его давления до повышенного, нагнетания прямым потоком повышенного давления в испаритель, его расширения до частичного испарения с отбором теплоты и предварительного нагрева от охлаждаемого объекта в испарителе, всасывания обратным низкого давления потоком в теплообменное устройство-рекуператор, его дополнительного нагрева прямым потоком высокого давления до полного испарения хладагентов в теплообменном устройстве-рекуператоре, всасывания хладагентов обратным потоком низкого давления в компрессор для повторного сжатия, в способе в качестве хладагентов, кипящих при различных температурах используют изобутан, этилен, метан и азот, полное сжижение хладагентов осуществляют в теплообменном устройстве-рекуператоре дроблением прямого потока высокого давления с одновременным дополнительным его охлаждением обратным потоком низкого давления, и полное испарение хладагентов в теплообменном устройстве- рекуператоре осуществляют путем уменьшения скорости прямолинейного движения и дробления обратного потока низкого давления и одновременно осуществляют дополнительный его нагрев прямым потоком высокого давления. При этом, дробление потока высокого давления для полного сжижения хладагентов в теплообменном устройстве-рекуператоре осуществляют путем интенсивного вращательного движения сжиженных хладагентов по винтообразной траектории, а дробление обратного потока низкого давления осуществляют путем уменьшения скорости его прямолинейного движения в 2 - 4 раза, придания обратному потоку сжиженных хладагентов вращательного движения по

винтообразной траектории и пропускания через криволинейные поверхности в теплообменном устройстве-рекуператоре.

Возможен вариант выполнения способа, при котором изобутан, этилен, метан и азот используют при таком их соотношении, вес. %:

изобутан ... 0,4 - 0,7;

этилен ... 0,2 - 0,4;

метан ... 0,1 - 0,3;

азот ... 0,1 - 0,3

Возможен вариант выполнения способа, при котором изобутан, этилен, метан и азот используют при таком их соотношении, вес. %:

изобутан 0,5; этилен 0,25;

метан . 0, 125;

азот 0, 125

Возможен вариант выполнения способа, при котором в качестве хладагентов, кипящих при различных температурах используют изобутан, пропилен, этан, метан и азот при таком их соотношении, вес. %:

изобутан 0,4 - 0,7;

пропилен 0, 15 - 0,6

этан 0,2 - 0,4;

метан 0, 1 - 0,3;

азот 0, 1 - 0,3

Возможен вариант выполнения способа, при котором изобутан, пропилен, этан, метан и азот используют при таком их соотношении, вес. %:

изобутан ... 0,4;

пропилен ... 0,2;

этан 0,2;

метан 0, 1 ;

азот 0, 1

Эта задача решена и тем, что теплообменное устройство-рекуператор для холодильных компрессионных установок, содержащее расположенные один в другом внутренний нагнетающий и внешний всасывающий трубопроводы, оно дополнительно содержит сердечник в виде цилиндра, обечайку и трубчатый элемент, сердечник и обечайка расположены соосно друг другу с образованием канала всасывающего трубопровод между ними в виде впускной камеры, кольцеобразного канала и выпускной камеры, нагнетающий трубопровод выполнен скрученным в виде цилиндрической спирали с образованием винтообразного канала, витки спиралей последнего выполнены с одинаковым шагом и образованием поочередно расположенных выступов из витков спирали нагнетающего трубопровода и впадин между витками спирали нагнетающего трубопровода, трубчатый элемент выполнен скрученным виде цилиндрической спирали, а витки его расположены на нагнетающем трубопроводе с одинаковым шагом и образованием винтового канала между витками спирали трубчатого элемента и сердечником, а также между витками спирали трубчатого элемента и обечайкой, ось спирали трубчатого элемента и ось спирали нагнетающего трубопровода расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.

При этом, сердечник, обечайка, нагнетающий трубопровод и трубчатый элемент выполнены постоянного сечения, сердечник и обечайка выполнены из

коррозионно-стойкой стали, а нагнетательный трубопровод и трубчатый элемент - из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.

При этом, соотношение проходных сечений кольцеобразного канала

всасывающего трубопровода и канала нагнетающего трубопровода равно 1 ,2 - 3,3, а соотношение сечений сердечника и обечайки равно 2 - 3.

Экспериментально авторами установлено, что характер процессов

теплообмена и гидродинамики в теплообменниках обусловлен их конструкцией, температурным уровнем и величиной расходования хладагентов, которые, в свою очередь, определяются типом и холодопроизводительностью холодильной установки.

Также авторами было установлено, что свойства и расходования хладагентов влияют на размер теплообменника.

Первым аспектом настоящего изобретения является наличие совокупности таких новых операций и последовательность их выполнения во времени с использованием определенных веществ в способе в качестве хладагентов, кипящих при различных температурах, а именно: в способе используют изобутан, этилен, метан и азот, полное сжижение хладагентов осуществляют в

теплообменном устройстве-рекуператоре дроблением прямого потока высокого давления с одновременным дополнительным его охлаждением обратным потоком низкого давления, а полное испарение хладагентов осуществляют путем уменьшения скорости прямолинейного движения и дробления обратного потока низкого давления с одновременным дополнительным его нагревом прямым потоком высокого давления. А также наличием сердечника в виде цилиндра, обечайки и трубчатого элемента в теплообменном устройстве-рекуператоре, расположением сердечника и обечайки соосно друг другу, образованием канала всасывающего трубопровода в устройстве-рекуператоре между сердечником и обечайкой в виде впускной камеры, кольцеобразного канала и выпускной камеры, выполнением трубчатого элемента скрученным в виде цилиндрической спирали, расположением витков скрученного трубчатого элемента на нагнетающем трубопроводе с одинаковым шагом с образованием винтового канала между витками спирали трубчатого элемента и сердечником и между витками спирали трубчатого элемента и обечайкой. А также выполнением нагнетательного трубопровода скрученным в виде цилиндрической спирали и образованием его канала винтообразным, выполнением витков спиралей нагнетательного

трубопровода с одинаковым шагом и образованием поочередно расположенных выступов из витков спирали нагнетательного трубопровода и впадин между витками его спирали. А также расположением оси спирали трубчатого элемента и оси спирали нагнетающего трубопровода во взаимно перпендикулярных плоскостях. А также выполнением сердечника, обечайки, нагнетающего

трубопровода и трубчатого элемента постоянного сечения, выполнением сердечника и обечайки из коррозионно-стойкой стали, а нагнетательного трубопровода и трубчатого элемента из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.

В результате интенсивного вращательного движения сжиженных хладагентов по винтообразной траектории несжиженные хладагенты, находящихся в

состоянии пара пропускают через слой сжиженных. Происходит дробление непрерывного объема несжиженных хладагентов с образованием пузырьков из паров. Как следствие, образуется структурированный поток с обусловленным повышением давления до давления, соответствующего давлению конденсации несжиженных хладагентов. В результате уменьшения скорости движения обратного потока низкого давления при дополнительном его нагреве, но

интенсивном вращательном по винтообразной траектории его движения

улучшилось взаимодействие испарившихся хладагентов с хладагентами, которые не испарились, то есть через тот же слой хладагентов, которые не испарились пропустили большее количество хладагентов в состоянии жидкости. Состоялось лучшее дробление непрерывного объема хладагентов, которые не испарились и образование пузырьков из них. При протекании с меньшей скоростью пузырьков через выступы и впадины, то есть через преграды пузырьки сжимают друг друга чаще, образуя пузырьки больших размеров и они лопаются чаще. Происходит обусловленное падение давления в обратном потоке до давления, что

соответствует давлению парообразования. Таким образом, при дополнительном нагреве обратного потока меньшей скорости состоялся быстрее дополнительный процесс испарения и быстрее произошло полное испарение хладагентов перед их повторным сжатием. И в совокупности с другими операциями способа это обеспечивает получение холода до минус 170 °С в камерах холодильников низкотемпературных объемами 120-160 кубических дециметров с помощью компактной одноступенчатой компрессионной холодильной установки и смеси хладагентов, кипящих при различных температурах.

Вторым аспектом настоящего изобретения является наличие совокупности таких новых операций и последовательность их выполнения во времени, а именно: в теплообменном устройстве-рекуператоре дробление потока высокого давления для полного сжижения хладагентов осуществляют путем интенсивного вращательного движения сжиженных хладагентов по винтообразной траектории, а для полного испарения хладагентов уменьшают скорость движения обратного потока низкого давления в 2 - 4 раза и его дробление осуществляют путем пропускания его через выступы и впадины. Эти операции обеспечили снижение создаваемого компрессором давления конденсации и в совокупности с другими операциями способа это обеспечивает получение холода до минус 170°С в камерах холодильников низкотемпературных объемами 120-160 кубических дециметров с помощью компактной одноступенчатой компрессионной

холодильной установки и смеси хладагентов, кипящих при различных

температурах.

Другим аспектом этого изобретения является соотношение изобутана, этилена, метана и азота. При этом следует учитывать, что свойства и расходования хладагентов влияют на габаритные размеры теплообменного устройства- рекуператора.

Соответствующее соотношение изобутана, этилена, метана и азота,

уменьшение размеров нагнетающего трубопровода по высоте, малое отношение диаметров сердечника и обечайки к их высоте при нужной тепловой

эффективности, то есть соответствующие геометрические характеристики, соответствующая общая конфигурация поверхностей, передающих тепло и соответствующая компактность теплообменного устройства-рекуператора и самой установки обеспечивают в холодильных камерах рабочим объемом 120 - 160 дм куб температурный уровень до минус 170 °С.

Иным аспектом этого изобретения является использование иных веществ, а именно: изобутана, пропилена, этана, метана и азота при их соответствующем соотношении как рабочего тела и вариантом выполнения теплообменного устройства-рекуператора, содержащем нагнетающий трубопровод в виде основного и по меньшей мере одного вспомогательного трубопроводов, скрученных между собой вдоль общей их оси и их выполнением из медной трубки одного диаметра.

Авторами экспериментально определены и хладагенты и определенное их соотношение для получения низких температур до минус 170 °С в

одноступенчатых компрессионной холодильной установке с регенерацией теплоты и компрессором относительно малой мощности в камерах

низкотемпературных холодильников объемами 120 -160 кубических дециметров.

Дополнение описанного выше исследования по известным правилам любым другим способом получения низких температур с помощью компактной

одноступенчатой компрессионной холодильной установки и смеси хладагентов, кипящих при различных температурах, которые известны авторам не приведут к достижению технического результата, которым является обеспечение получения холода до минус 170 °С в камерах холодильников низкотемпературных объемами 120-160 кубических дециметров.

Краткое описание графических материалов.

В дальнейшем изобретение поясняется примером конкретного выполнения и графическими материалами, на которых изображено следующее:

- на фиг. 1 схематично изображена компрессионная холодильная установка для получения низких температур в соответствии с изобретением; - на фиг. 2 схематично изображен холодильный цикл с регенерацией теплоты в координатах T-S (TS-диаграмма) компрессионной холодильной установки для получения низких температур в соответствии с изобретением;

- на фиг. 3 схематично изображены прямой "Θ1" и обратный "Θ2" потоки регенерации теплоты согласно изобретению;

- на фиг. 4 схематически изображен разрез I-I фиг. 3;

- на фиг. 5 схематично изображена зона А фиг. 4.

Лучший вариант выполнения изобретения.

Способ получения низких температур на уровне до минус 170 °С в камерах холодильников низкотемпературных объемами 120-160 кубических дециметров с помощью одного дроссельного регенеративного цикла осуществляют в одноступенчатый компрессионной холодильной установке (см. фиг. 1) с использованием определенного рабочего тела - смеси хладагентов, кипящих при различных температурах. В способе в качестве хладагентов, кипящих при различных температурах используют изобутан, этилен, метан и азот, а лучшие показатели достигнуты при таком их соотношении, вес. %:

изобутан .... 0,5;

этилен 0,25;

метан 0,125;

азот 0,125

Возможен вариант выполнения способа, при котором в качестве смеси хладагентов, кипящих при различных температурах используют изобутан, пропилен, этан, метан и азот при таком их соотношении, вес. %:

изобутан ... 0,4;

пропилен ...0,2;

этан 0,2; метан 0,1 ;

азот 0,1

Температуры кипения холодильных агентов при давлении 760 мм рт. ст.

прописаны в таблице 1 (см. Таблицу 1).

Подвод и отвод теплоты описывается TS-диаграммой по изменению энтропии S, где и ниже обозначено следующее (см. Фиг. 2):

S - энтропия; при подводе к рабочему телу теплоты его энтропия возрастает, а при отводе теплоты - уменьшается;

Т - температура;

Таблица 1.

точками а, Ь, с, обозначено стационарное характерное состояние рабочего тела; линиями a-b, b-c и т.п. - изменения параметров рабочего тела, соответствующие процессам, происходящим в установке;

То - температура окружающей среды;

Тконд п - температура начала конденсации рабочего тела;

Тконд к - температура конца конденсации рабочего тела;

Ткип п - температура начала кипения рабочего тела;

Ткип к - температура конца кипения рабочего тела;

qo - количество теплоты, которое отбирается из охлаждаемого объекта;

Рконд - давление конденсации;

Ркип - давление кипения.

В способе один дроссельный регенеративный цикл осуществляют в

одноступенчатой компрессионной холодильный установке, содержащей

компрессор 1 , теплообменное устройство-конденсатор 2, теплообменное устройство-рекуператор 3, дроссельное устройство 4, испаритель 5, которые связаны между собой соответствующей системой трубопроводов высокого давления 6 и низкого давления 7 для создания прямого высокого давления «Θ1 » и обратного низкого давления «Θ2» потоков рабочего тела соответственно (см. фиг. 1 , 2). Теплообменное устройство-рекуператор 3 содержит по меньшей мере один нагнетающий трубопровод 8, сердечник 9 в виде цилиндра устойчивого сечения и обечайку 10 также в виде цилиндра устойчивого сечения. Нагнетающий

трубопровод 8 выполнен скрученным в виде цилиндрической спирали с

образованием винтообразного канала и с наружной его поверхностью в виде образованных витками цилиндрической спирали поочередно расположенных выступов и впадин между выступами (см. Фиг. 3 и 4). Сердечник 9 и обечайка 10 расположены соосно друг к другу и с зазором между ними с образованием, согласно изобретению, канала всасывающего трубопровода в виде впускной камеры 1 1 , кольцеобразного канала 12 и выпускной камеры 13. На верхней и нижней поверхностях обечайки 10 смонтированы соединяющие штуцеры 14.

Теплообменное устройство-рекуператор 3 также содержит трубчатый элемент 15, расположенный на нагнетающем трубопроводе 8, представляющий собой скрученную цилиндрическую спираль с, например медной трубки.

Пары смеси, содержащей хладагенты, кипящие при более высоких

температурах, преимущественно изобутан, и хладагенты, кипящие при более низких температурах, преимущественно этилен, метан и азот в соответствующем соотношении сжимают в компрессоре 1 (см . табл. 1 и фиг.1 ) до давления 1 ,5 МПа - 2,5 па, т.е. давления конденсации преимущественно изобутана. Процесс сжатия паров хладагентов соответствует линии а - b на TS-диаграмме (см. Фиг. 2). При сжатии в компрессоре 1 паров хладагентов их температура Т повышается из- за внутреннего трения между подвижными хладагентами, трения смазки и т.п. (процесс а - b на TS-диаграмме); при этом в окружающую среду с температурой То передается удельная (то есть на единицу количества хладагентов) теплота qo, что условно соответствует заштрихованной площади на фиг. 2. Давление кипения Ркип и давление конденсации Рконд однозначно связаны с температурой кипения рабочего тела Ткип и температурой конденсации Тконд рабочего тела, то есть преимущественно изобутана, этилена, метана и азота, и температура

конденсации Тконд определяется температурой охлаждаемого объекта. Сжатую и при сжатии нагретую смесь паров преимущественно изобутана, этилена, метана и азота нагнетают в теплообменное устройство-конденсатор 2. В теплообменном устройстве-конденсаторе 2 нагретые пары преимущественно изобутана

охлаждают до давления конденсации преимущественно изобутана; происходит изменение фазового состояния нагретых паров в жидкость (линия b - с на TS- диаграмме). При этом нагретые пары преимущественно этилена, метана и азота находятся в парообразном фазовом состоянии и, таким образом, в теплообменном устройстве-конденсаторе 2 рабочее тело частично сжижают. Процесс охлаждения рабочего тела соответствует линии b - с- d на TS-диаграмме (см. Фиг.2). Для изменения фазового состояния изобутана от каждой единицы его массы отводят теплоту, равную удельной теплоте конденсации или удельной теплоте парообразования. В теплообменном устройстве-конденсаторе 2 объем жидкости остается неизменным, пока изменения давления пара или температуры не приведут к соответствующим изменениям интенсивности сжижения.

После теплообменного устройства-конденсатора 2 в парожидкостном состоянии рабочее тело из сжиженного преимущественно изобутана и несжиженных преимущественно этилена, метана и азота, то есть прямой поток высокого давления «Θ1 » через фильтр-осушитель (на фиг. 1 не изображен) нагнетают в теплообменное устройство-рекуператор 3, содержащее преимущественно один нагнетающий трубопровод 8 высокого давления для прямого потока «Θ1 » и один всасывающий трубопровод низкого давления для обратного потока «Θ2» (см. фиг.З, 4, 5). Нагнетающий трубопровод 8 теплообменного устройства- рекуператора 3 выполнен скрученным в виде цилиндрической спирали, витки которого выполнены с одинаковым шагом с образованием винтообразного канала внутри. Таким образом, с помощью нагнетающего трубопровода 8 прямому потоку под давлением придают винтообразную траекторию движения, соответствующую его винтообразному каналу (см. Фиг. 3, 4, 5, обозначены стрелками "Θ1 »). При этом сжиженный хладагент преимущественно изобутан приобретает

вращательное движение, а несжиженные (в парообразном фазовом состоянии) хладагенты преимущественно этилен, метан и азот ведут себя как пар и

нагнетаются прямолинейно. В результате интенсивного вращательного движения сжиженного хладагента, преимущественно изобутана по винтообразной траектории несжиженные (в парообразном фазовом состоянии) хладагенты, преимущественно этилен, метан и азот пропускают через слой сжиженного хладагента, преимущественно изобутана. Происходит дробление непрерывного объема несжиженных хладагентов, преимущественно этилена, метана и азота с образованием пузырьков из паров хладагентов, преимущественно этилена, метана и азота. Как следствие, образуется структурированный поток с

обусловленным повышением давления до давления, соответствующего давлению конденсации несжиженных хладагентов, преимущественно этилена, метана и азота. При этом, одновременно прямой поток высокого давления «Θ1 » подвергают дополнительному охлаждению обратным потоком низкого давления «Θ2», который всасывается из испарителя 5 во всасывающийся трубопровод (см. Фиг. 3, 4, 5, обозначенный стрелками "Θ2»). При таком дополнительном охлаждении

снижается температура прямого потока высокого давления «Θ1 » и пузырьки из паров этилена, метана и азота смешиваются, лопаясь в жидкости сжиженного хладагента, преимущественно изобутана. Таким образом, происходит

дополнительный процесс конденсации, то есть полное сжижение прямого потока высокого давления «Θ1 » в теплообменном устройстве-рекуператоре 3 перед его дросселированием. Процесс дополнительного охлаждения прямого потока высокого давления «Θ1 » соответствует линии d - е на TS-диаграмме (см. Фиг. 2). Далее осуществляют дросселирование дополнительно охлажденного и

структурированного прямого потока высокого давления «Θ1 ». При

дросселировании через сужение проходного канала дроссельного устройства 4 осуществляется дальнейшее незначительное снижение температуры прямого потока высокого давления «Θ1 », то есть смесь хладагентов переохлаждается, сохраняя повышенное давление. Дроссельное устройство 4 представляет собой капиллярную трубку устойчивого сечения, в которой разность давления конденсации Рконд и кипения Ркип хладагентов, преимущественно изобутана, этилена, метана и азота обеспечивается за счет гидравлического сопротивления по всей длине капиллярной трубки. Процесс дросселирования полностью сжиженных хладагентов, преимущественно изобутана, этилена, метана и азота соответствует линии е - f на TS-диаграмме (см. Фиг. 2). Капилярная трубка 4, соединяющая линии нагнетания и всасывания, уравновешивает давление в холодильной установке при остановке компрессора 1. Это способствует разгрузке компрессора 1 в момент пуска и позволяет использовать электродвигатели с невысоким пусковым моментом. С дроссельного устройства 4 под действием разрежения, создаваемого во всасывающем трубопроводе компрессора 1 (на фиг. не изображен) переохлажденный с повышенным давлением прямой поток «Θ1 » сжиженных хладагентов, преимущественно изобутана, этилена, метана и азота нагнетают в испаритель 5 (см. фиг. 1). При разрежении в испарителе 5 происходит кипение (испарение) жидких хладагентов, кипящих при более высокой

температуре кипения, преимущественно изобутана полностью до парообразного состояния (см. фиг. 2, линии f - g на TS-диаграмме). При испарении хладагенты отбирают тепло от охлаждаемого объекта. Процесс испарения это

термодинамический процесс, при котором в результате происходит поглощение молекулами жидкости тепловой энергии. При испарении происходит быстрая смена объема жидкости хладагента, преимущественно изобутана, а необходимая для кипения теплота отнимается от охлаждаемого объекта, благодаря чему этот объект охлаждается с соответствующим снижением температуры до минус 170 °С. Процесс нагрева рабочего тела и частичного его испарения соответствует линии f - g на TS-диаграмме (см. Фиг. 2). С испарителя 5 рабочее тело всасывают обратным потоком низкого давления «Θ2» в теплообменное устройство- рекуператор 3 (см. Фиг. 1). В теплообменном устройстве-рекуператоре 3 обратной поток низкого давления «Θ2» дополнительно нагревают прямым потоком высокого давления «Θ1 » (см. Фиг. 2, линия g - h на TS-диаграмме). Объем жидкости в обратном потоке низкого давления «Θ2» остается неизменным, пока изменения давления пара или температуры не приведут к соответствующим изменениям интенсивности испарения. Как показано на фиг. 4, 5 в теплообменном устройстве- рекуператоре 3, именно в кольцеобразном канале 12 всасывающего

трубопровода обратной поток «Θ2» направляют по криволинейным поверхностям из выступов и впадин, образованных витками цилиндрических спиралей, скрученных нагнетающего трубопровода 8 и трубчатого элемента 15 на нем, то есть обратной поток «Θ2» направляют через преграды и по винтообразной траектории винтообразного канала, образованного витками спирали трубчатого элемента 15 на витках спирали нагнетающего трубопровода 8 между последним и сердечником 9 и между витками спирали нагнетающего трубопровода 8 и обечайкой 10. Как следствие, хладагенты, которые испарились преимущественно изобутан ведут себя как пар и всасываются прямолинейно, а хладагенты, которые не испарились (т.е. в состоянии жидкости) приобретают интенсивное

вращательное движение по винтообразной траектории, которую придают витки спирали трубчатого элемента 15. В результате хладагенты, которые испарились (т.е. в состоянии влажного пара) пропускают через слой хладагентов, которые не испарились преимущественно этилен, метан и азот. Происходит разрыв

непрерывного парожидкостного обратного потока низкого давления «Θ2» и дробление на пузыри потока хладагентов, которые не испарились

преимущественно этилена, метана и азота. Под действием разрежения, создаваемого во всасывающем трубопроводе компрессора 1 жидкость и пузырьки протекают с относительно большой скоростью в кольцеобразном канале 12 канала всасывающего трубопровода. Вследствие этого в обратном потоке «Θ2» происходит образование полостей, то есть разрежения, в которые выделяются пузырьки хладагентов, преимущественно этилена, метана и азота . Пузырьки хладагентов, преимущественно этилена, метана и азота сжимают друг друга, образуются пузырьки больших размеров и они лопаются. Происходит

обусловленное падение давления в обратном потоке «Θ2» до давления, соответствующего давлению парообразования. Таким образом, в кольцеобразном канале 12 всасывающего трубопровода теплообменного устройства-рекуператора 3 одновременно происходит местное дополнительное парообразование, возникающее после испарителя 5, а необходимая теплота для полного испарения хладагентов отнимается из их прямого потока высокого давления «Θ1 » и тепла, образованного от внутреннего трение между частицами подвижных хладагентов. Процесс дополнительного нагрева обратной потока «Θ2» соответствует линии h - а на TS-диаграмме (см. Фиг. 2). И, как результат, перенагретая парожидкостная смесь хладагентов испаряется полностью перед повторным сжатием. После теплообменного устройства-рекуператора 3 обратный поток «Θ2» всасывается компрессором 1 на повторное сжатие. В компрессор 1 всасывается пар с давлением Ро и температурой То. При остановке компрессора 1 происходит выравнивание давления в теплообменном устройстве-конденсаторе 2 и

испарителе 5, то есть Рконд ~ Ро, что обусловлено наличием дроссельного устройства 4. При запуске компрессора 1 давление нагнетания поднимается не мгновенно, а постепенно к достижению номинального значения давления конденсации. Электрический ток, используемый электродвигателем компрессора 1 , постепенно растет одновременно с ростом давления нагнетания. Таким образом, согласно изобретению в способе получения низких температур с помощью одного дроссельного регенеративного цикла теплообменное

устройство-рекуператор 3 работает как двухфазный в замкнутом конденсаторно- испарительном цикле. Из анализа холодильного цикла с регенерацией теплоты в компрессионной холодильной установке для получения низких температур в соответствии с изобретением из T-S диаграммы следует, что в процессе кипения в испарителе 5 температура смеси хладагентов, кипящих при различных температурах меняется от Ткип п = Т min (точка f) до Ткип к (точка h). Температура Т min определяется температурами кипения хладагентов-хладоносителей, кипящих при более высоких температурах. В теплообменном устройстве- конденсаторе 2 температура смеси меняется от Тконд п (точка с) до Тконд к = То (точка d), а температура Ттах (точка Ь) является функцией давления. Было установлено, что в компрессионной холодильной установке, работающей на смеси хладагентов, кипящих при различных температурах наличие хладагентов в указанных выше диапазонах позволяет поддерживать охлаждения на нужном уровне, но при меньшем их содержания не обеспечивается охлаждение на нужном уровне, а дальнейшее повышение их содержания приводит к росту давления нагнетания и, как следствие, к повышению нагрузки на компрессор, роста суточного потребления электроэнергии. Экспериментальная проверка рабочего тела, описанное выше проводилась в низкотемпературном

холодильнике с холодильной камерой объемом 120 - 160 куб. дм и с

экспериментальной одноступенчатой компрессорной холодильной установкой с давлением конденсации 1 ,5 - 2,5 МПа и усовершенствованным компактным теплообменным устройством-рекуператором. С экспериментальным рабочим телом эта экспериментальная компрессионная холодильная установка

проработала с положительным результатом - охлаждение до минус 170 °С в камере объемом 120 - 160 куб. дм. более 1000 часов, что практически

подтверждает надежность этих рабочего тела и холодильной установки. Нагнетающий трубопровод 8 выполнен из медной трубки диаметром до 8 мм и длиной до 10000 мм, то есть с очень малым отношением диаметра к длине.

Сердечник 9 и обечайка 10 выполнены из коррозионно-стойкой стали с толщиной стенки 0, 15 мм - 0,25 мм для уменьшения притока тепла и уменьшения потерь тепла за счет теплопроводности сердечника 9 и обечайки 10. Трубчатый элемент 5 выполнен из медной трубки диаметром до 2,0 мм и длиной до 120 000 мм. Возможен вариант выполнения нагнетающего трубопровода 8 из двух

трубопроводов из медной трубки внутренним диаметром 4 мм - основного и одного вспомогательного. Экспериментально установлены геометрические характеристики, определяющие отдачу тепла и гидравлического сопротивления обратного потока низкого давления во впускной камере 11 , кольцеобразном канале 12 и выпускной камере 3, то есть число витков спирали трубопровода 8, их диаметр и шаг витков. Наличие перепада давления обеспечивает непрерывную циркуляцию рабочего тела в контуре двухфазного теплообменного устройства- рекуператоре 3. Участие в обмене тепла принимают вещества, потоки которых движутся одновременно и непрерывно. Основной характеристикой такой конструкции теплообменника является тип относительного движения потоков хладагентов прямого высокого давления и обратного низкого давления, взаимная геометрия этих течений: противоток, многоходовое течение, то есть изобретением изменен характер обтекания трубопроводов, что позволяет увеличить

коэффициент теплоотдачи, благодаря чему устройство-рекуператор 3 становится более компактным, увеличивается производительность теплообменного устройства-рекуператоре 3, а также в компрессор 1 установки поступает газообразная смесь хладагентов. Таким образом, это теплообменное устройство- рекуператор обеспечивает соответствующие геометрические размеры и компактность одноступенчатой компрессионной холодильной установке, а также низкотемпературному холодильнику с холодильной камерой объемом 120 - 160 дм куб.

Таким образом, этот способ получения низких температур с помощью одного дроссельного регенеративного цикла в компрессионной холодильной установке, работающей на смеси хладагентов, кипящих при различных температурах и теплообменное устройство-рекуператор для осуществления способа

соответствуют условиям новизны, имеют соответствующий изобретательский уровень, промышленно применимы и позволяют получить холод до минус 170 °С в камерах холодильников низкотемпературных объемами 120 - 160 кубических дециметров.

Другие аспекты и характеристики этого изобретения могут быть выяснены через изучение графических материалов и формулы изобретения.