Способ обеспечения искусственного охлаждения - RU2189544C2

Чертежи

Описание

Техническая область
Изобретение относится в целом к системам охлаждения и в особенности предпочтительно для обеспечения искусственного охлаждения объема, огражденного изолированными конструкциями.

Обеспечение искусственного охлаждения, например, для охлаждения и/или замораживания пищевых продуктов или фармацевтических препаратов, как правило, выполняют путем использования холодильных установок с машинным охлаждением, в которых холодильный агент, такой, как аммиак или фреон, используется в цикле паровой компрессионной холодильной установки. Такие установки эффективны для обеспечения охлаждения при сравнительно высоких уровнях температуры, но для эффективного достижения низкотемпературного охлаждения, как правило, требуется вакуумный процесс или каскадирование, что приводит к увеличению как капитальных затрат, так и эксплуатационных расходов.

Одним способом более эффективного обеспечения охлаждения при низких уровнях температуры является использование расходуемой криогенной жидкости, такой, как жидкий азот, или отдельно или совместно с холодильной установкой с машинным охлаждением для обеспечения требуемого низкотемпературного охлаждения. Однако такие системы, несмотря на свою эффективность, являются дорогими вследствие потребления криогенной жидкости и, следовательно, необходимости ее постоянной замены.

Следовательно, задачей настоящего изобретения является разработка способа обеспечения искусственного охлаждения, например, теплообменника или объема, огражденного изолированными конструкциями, который можно использовать для эффективного обеспечения такого охлаждения при низкой температуре при необходимости.

Вышеуказанные и другие задачи, которые станут очевидными для специалистов в данной области при изучении данного описания, достигаются с помощью настоящего изобретения.

Способ обеспечения искусственного охлаждения, включает в себя:
(A) сжатие многокомпонентного текучего холодильного агента, содержащего, по меньшей мере, один компонент из группы, состоящей из фторированных углеводородов, гидрофторированных углеводородов и фторированных эфиров, и, по меньшей мере, один компонент из группы, состоящей из фторированных углеводородов, гидрофторированных углеводородов, фторированных эфиров и атмосферных газов;
(B) охлаждение и, по меньшей мере, частичную конденсацию сжатого многокомпонентного текучего холодильного агента;
(C) расширение, по меньшей мере, частично конденсированного многокомпонентного текучего холодильного агента для производства искусственного холода; и
(D) нагрев и, по меньшей мере, частичное испарение холодонесущего многокомпонентного текучего холодильного агента и использование искусственного холода из многокомпонентного текучего холодильного агента в огражденном объеме.

В используемом здесь смысле термин "нетоксичный" означает "не представляющий собой внезапную ("острую") или хроническую опасность" при обращении с ним в соответствии с приемлемыми пределами воздействия.

В используемом здесь смысле термин "не воспламеняющийся" означает или "не имеющий температуры вспышки", или "имеющий очень высокую температуру вспышки не менее 600К".

В используемом здесь смысле термин "не вызывающий истощения озонового слоя" означает "обладающий нулевым потенциалом истощения озонового слоя", то есть не имеющий атомов хлора, брома или йода.

В используемом здесь смысле термин "нормальная температура кипения" означает температуру кипения при давлении, равном 1 нормальной атмосфере, то есть при абсолютном давлении 14,696 фунта на квадратный дюйм (101325 Па).

В используемом здесь смысле термин "косвенный теплообмен" означает введение текучих сред в положение, при котором между ними осуществляется теплообмен без какого-либо физического контакта или смешивания текучих сред друг с другом.

В используемом здесь смысле термин "расширение" означает осуществление снижения давления.

В используемом здесь смысле термин "азеотропный (zeo-tropic)" означает "отличающийся плавным изменением температуры, сопровождающим фазовое превращение".

В используемом здесь смысле термин "переохлаждение" означает охлаждение жидкости до температуры, которая ниже температуры насыщения жидкости при существующем давлении.

В используемом здесь смысли термин, "низкая температура" означает температуру 250К или менее, предпочтительно температуру 200К или менее.

В используемом здесь смысле термин "искусственное охлаждение (искусственный холод)" означает способность к отдаче тепла из системы с температурой ниже температуры окружающей среды в окружающую атмосферу.

В используемом здесь смысле термин "холодильный агент, обеспечивающий переменную нагрузку" означает смесь двух или более компонентов в таких соотношениях, что жидкая фаза этих компонентов подвергается постоянному и сопровождаемому повышением температуры изменению между температурой начала кипения и точкой росы смеси. Температура начала кипения смеси при заданном давлении представляет собой температуру, при которой смесь находится полностью в жидкой фазе, но дополнительная подача тепла при данной температуре инициирует образование паровой фазы, находящейся в равновесном состоянии с жидкой фазой. Точка росы смеси при заданном давлении представляет собой температуру, при которой смесь полностью находится в паровой фазе, но отвод тепла инициирует образование жидкой фазы, находящейся в равновесном состоянии с паровой фазой. Следовательно, интервал температур между температурой начала кипения и точкой росы смеси представляет собой интервал, в котором как жидкая фаза, так и паровая фаза сосуществуют в равновесии. При практической реализации данного изобретения разность температур между температурой начала кипения и точкой росы для холодильного агента, обеспечивающего переменную нагрузку, составляет не менее 10К, предпочтительно не менее 20К и наиболее предпочтительно не менее 50К.

В используемом здесь смысле термин "фторированный углеводород" означает одно из следующих веществ: тетрафторметан (CF₄), перфторэтан (C₂F₆), перфторпропан (С₃F₈), перфторбутан (C₄F₁₀), перфторпентан (C₅F₁₂), перфторэтилен (C₂F₄), перфторпропилен (С₃F₆), перфторбутен (С₄F₈), перфторпентен (С₅F₁₀),
гексафторциклопропан (цикло-С₃F₆) и октафторциклобутан (цикло-С₄F₈).

В используемом здесь смысле термин "гидрофторированный углеводород" означает одно из следующих веществ: фтороформ (СНF₃), пентафторэтан (C₂ HF₅), тетрафторэтан (С₂Н₂F₄), гептафторпропан (С₃НF₇), гексафторпропан (С₃Н₂F₆), пентафторпропан (С₃Н₃F₅), тетрафторпропан (C₃H₄F₄), нонафторбутан (C₄HF₉), октафторбутан (C₄H₂F₈), ундекафторпентан (С₃НF₁₁), метилфторид (СН₃F), дифторметан (CH₂F₂), этилфторид (C₂H₅F), дифторэтан (C₂ H₄F₂), трифторэтан (С₂Н₃F₃), дифторэтилен (C₂H₂F₂), трифторэтилен (С₂НF₃), фторэтилен (С₂Н₃F),
пентафторпропилен (С₃НF₅), тетрафторпропилен (С₃Н₂F₄), трифторпропилен (С₃Н₃F₃), дифторпропилен (С₃Н₄F₂), гептафторбутен (C₄HF₇), гексафторбутен (С₄Н₂F₆) и нонафторпентен (C₅HF₉).

В используемом здесь смысле термин "фторированный эфир" означает одно из следующих веществ: трифторметокси-перфторметан (СF₃-О-СF₃), дифторметокси-перфторметан (СНF₂-О-СF₃), фторметокси-перфторметан (СН₂F-О-СF₃), дифторметокси-дифторметан (CHF₂-O-CHF₂), дифторметокси-перфторэтан (CHF₂ -O-C₂F₅), дифторметокси-1,2,2, 2-тетрафторэтан (CHF₂-O-C₂HF₄), дифторметокси-1,1,2,2-тетрафторэтан (CHF-О-C₂HF₄), перфторэтокси-фторметан (C₂F₅-O-CH₂F), перфторметокси-1,1,2-трифторэтан (СF₃-О-С₂Н₂F₃ ), перфторметокси-1,2,2-трифторэтан (СF₃О-С₂Н₂F₃), цикло-1,1,2, 2-тетрафторпропиловый эфир (цикло-С₃Н₂F₄-O-), цикло-1,1,3, 3-тетрафторпропиловый эфир (цикло-С₃Н₂F₄-O-), перфторметокси-1,1,2,2-тетрафторэтан (СF₃-О-C₂HF₄), цикло-1,1,2,3,3-пентафторпропиловый эфир (цикло-С₃ Н₅-О-), перфторметокси-перфторацетон (СF₃-O-СF₃-О-СF₃), перфторметокси-перфторэтан (СF₃-О-С₂F₅), перфторметокси-1,2,2, 2-тетрафторэтан (СF₂-О-С₂НF₄), перфторметокси-2,2,2-трифторэтан (СF₃-О-С₂Н₃F₃),
цикло-перфторметокси-перфторацетон (цикло-СF₂-O-СF₂-O-СF₂-) и цикло-перфторпропиловый эфир (цикло-С₃F₆-О).

В используемом здесь смысле термин "атмосферный газ" означает одно из следующих веществ: азот (N₂), аргон (Аr), криптон (Кr), ксенон (Хе), неон (Ne), диоксид углерода (углекислый газ) (СО₂), кислород (О₂) и гелий (Не).

В используемом здесь смысле термин "вызывающий низкий уровень истощения озонового слоя" означает имеющий потенциал истощения озонового слоя (озона) менее 0,15, как определено конвенцией по Монреальскому протоколу, в соответствии с которой дихлорфторметан (CСl₂F₂) имеет потенциал истощения озонового слоя, равный 1.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой блок-схему предпочтительного варианта осуществления холодильной установки с многокомпонентным холодильным агентом по настоящему изобретению.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему другого предпочтительного варианта осуществления холодильной установки с многокомпонентным холодильным агентом по настоящему изобретению.

Фиг. 3 представляет собой блок-схему еще одного предпочтительного варианта осуществления изобретения, в котором предусмотрено многоуровневое охлаждение.

Фиг. 4 представляет собой блок-схему еще одного предпочтительного варианта осуществления изобретения, в котором предусмотрено многоуровневое охлаждение и имеет место более одного разделения фаз.

Фиг. 5 представляет собой блок-схему еще одного предпочтительного варианта осуществления изобретения, предназначенного для использования с множеством огражденных объемов (емкостей).

Изобретение включает в себя в целом использование определенной зеотропной смеси холодильных агентов для эффективного обеспечения искусственного охлаждения в большом интервале температур, например, от температуры окружающей среды до низкой температуры. Искусственное охлаждение может применяться для обеспечения непосредственного охлаждения или охлаждения с промежуточным холодоносителем для одного или более огражденных объемов, предпочтительно огражденных изолированными конструкциями. Искусственное охлаждение может быть использовано для охлаждения, то есть охлаждения и/или замораживания изделий, таких, как пищевые продукты или фармацевтические препараты. Такое охлаждение может быть эффективно применено без необходимости использования сложного вакуумного процесса.

Изобретение можно использовать для обеспечения искусственного охлаждения, требуемого для охлаждения и/или замораживания пищевых продуктов и фармацевтических препаратов, например, в системах кондиционирования воздуха, при хранении в холодильных камерах, скороморозильных аппаратах с интенсивным движением воздуха и в случаях применения морозильных аппаратов, в которых обычно используются механические морозильные аппараты или низкотемпературные морозильные аппараты. Изобретение может быть использовано для обеспечения охлаждения для всех типов морозильных аппаратов, таких, как скороморозильные аппараты с холодильной камерой с интенсивным движением воздуха, туннельные (стационарные или конвейерные), многоярусные, спиральные конвейерные, флюидизационные морозильные аппараты, морозильные аппараты с замораживанием погружением в жидкость, плиточные скороморозильные аппараты и контактные конвейерные скороморозильные аппараты. Изобретение также может быть использовано для охлаждения транспортных контейнеров, сублимационной сушки пищевых продуктов или фармацевтических препаратов, производства сухого льда (твердой углекислоты), переохлаждения холодильных агентов, конденсации пара, для систем аккумулирования тепловой энергии и для охлаждения сверхпроводников в генераторах, электродвигателях или линиях электропередачи. Изобретение также может быть использовано для производства, хранения и/или распределения сухого льда.

Многокомпонентный текучий холодильный агент, пригодный для практической реализации данного изобретения, содержит, по меньшей мере, один компонент из группы, состоящей из фторированных углеводородов, гидрофторированных углеводородов и фторированных эфиров, и, по меньшей мере, один компонент из группы, состоящей из фторированных углеводородов, гидрофторированных углеводородов, фторированных эфиров и атмосферных газов, чтобы обеспечить требуемое охлаждение при каждой температуре. Выбор компонентов холодильного агента будет определяться зависимостью тепловой нагрузки (расхода холода) от температуры при конкретном случае применения способа. Соответствующие компоненты выбирают в зависимости от их температур кипения при нормальных условиях, скрытой теплоты и воспламеняемости, токсичности и потенциала истощения озонового слоя.

Один предпочтительный вариант многокомпонентного текучего холодильного агента, пригодный для практической реализации данного изобретения, включает в себя, по меньшей мере, два компонента из группы, состоящей из фторированных углеводородов, гидрофторированных углеводородов и фторированных эфиров.

Другой предпочтительный вариант многокомпонентного текучего холодильного агента, пригодный для практической реализации данного изобретения, включает в себя, по меньшей мере, один компонент из группы, состоящей из фторированных углеводородов, гидрофторированных углеводородов и фторированных эфиров, и, по меньшей мере, один атмосферный газ.

Еще один предпочтительный вариант многокомпонентного текучего холодильного агента, пригодный для практической реализации данного изобретения, включает в себя, по меньшей мере, один фторированный эфир и, по меньшей мере, один компонент из группы, состоящей из фторированных углеводородов, гидрофторированных углеводородов, фторированных эфиров и атмосферных газов.

В одном предпочтительном варианте осуществления многокомпонентный текучий холодильный агент состоит только из фторированных углеводородов.

В другом предпочтительном варианте осуществления многокомпонентный текучий холодильный агент состоит только из фторированных углеводородов и гидрофторированных углеводородов.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления многокомпонентный текучий холодильный агент состоит только из фторированных углеводородов и атмосферных газов.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления многокомпонентный текучий холодильный агент состоит только из фторированных углеводородов, гидрофторированных углеводородов и фторированных эфиров.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления многокомпонентный текучий холодильный агент состоит только из фторированных углеводородов, фторированных эфиров и атмосферных газов.

Многокомпонентный текучий холодильный агент, пригодный для практической реализации данного изобретения, может содержать другие компоненты, такие, как гидрохлорофторированные углеводороды и/или углеводороды. Предпочтительно многокомпонентный текучий холодильный агент не содержит гидрохлорофторированных углеводородов.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения многокомпонентный текучий холодильный агент не содержит углеводородов.

Наиболее предпочтительно, если многокомпонентный текучий холодильный агент не содержит ни гидрохлорофторированных углеводородов, ни углеводородов. Наиболее предпочтительно, если многокомпонентный текучий холодильный агент является нетоксичным, не воспламеняющимся и не истощающим озоновый слой, и наиболее предпочтительно, если каждый компонент многокомпонентного текучего холодильного агента представляет собой или фторированный углеводород, гидрофторированный углеводород, фторированный эфир или атмосферный газ.

Изобретение особенно предпочтительно для использования при эффективном достижении низких температур (при охлаждении) от температур окружающей среды.

Ниже приведены предпочтительные примеры многокомпонентных смесей текучих холодильных агентов, пригодных для практической реализации данного изобретения. Диапазоны концентраций даны в молярных процентах.

Приведенные примеры в особенности пригодны для интервала температур от 175 до 250К и от 80 до 175К.

КОМПОНЕНТ - ДИАПАЗОН КОНЦЕНТРАЦИЙ
C₅F₁₂ - 5 - 35
С₄F₁₀ - 0 - 25
С₃F₈ - 10 - 50
C₂F₆ - 10 - 60
CF₄ - 0 - 25
C₅F₁₂ - 5 - 35
С₃Н₃F₆ - 0 - 25
С₃F₈ - 10 - 50
СНF₃ - 10 - 60
CF₄ - 0 - 25
С₃Н₃F₆ - 5 - 35
С₃Н₃F₆ - 0 - 25
C₂H₂F₄ - 5 - 20
C₂HF₅ - 5 - 20
C₂F₆ - 10 - 60
CF₄ - 0 - 25
CHF₂-О-C₂HF₄ - 5 - 35
C₄F₁₀ - 0 - 25
СF₃-О-СНF₃ - 10 - 25
СF₃-О-СF₂ - 0 - 20
С₂F₆ - 10 - 60
CF₄ - 0 - 25
CHF₂-О-C₂HF₄ - 5 - 35
С₃Н₂F₆ - 0 - 25
СF₃-О-СНF₂ - 10 - 50
CHF₃ - 10 - 60
CF₄ - 0 - 25
C₅F₁₂ - 5 - 25
C₄F₁₀ - 0 - 15
С₃F₈ - 10 - 40
C₂F₄ - 0 - 30
CF₄ - 10 - 50
Ar - 0 - 40
N₂ - 10 - 80
Изобретение особенно пригодно для обеспечения охлаждения в широком интервале температур, в особенности в интервале, который охватывает низкие температуры. В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждый из двух или более компонентов смеси холодильных агентов имеет нормальную температуру кипения, которая отличается, по меньшей мере, на 5К, более предпочтительно, по меньшей мере, на 10К и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, на 20К от нормальной температуры кипения каждого другого компонента в этой смеси холодильных агентов. Это позволяет повысить эффективность обеспечения охлаждения в широком интервале температур, в особенности в интервале, охватывающем криогенные температуры. В особо предпочтительном варианте осуществления изобретения нормальная температура кипения имеющего наивысшую температуру кипения (самого высококипящего) компонента многокомпонентного текучего холодильного агента, по меньшей мере, на 50К, предпочтительно, по меньшей мере, на 100К, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, на 200К превышает нормальную температуру кипения имеющего наименьшую температуру кипения (самого низкокипящего) компонента многокомпонентного текучего холодильного агента.

Компоненты и их концентрации, которые образуют многокомпонентный текучий холодильный агент, пригодный для практической реализации данного изобретения, таковы, что они позволяют образовать многокомпонентный текучий холодильный агент, обеспечивающий переменную нагрузку, и предпочтительно поддерживать такую характеристику переменной нагрузки во всем интервале температур способа по изобретению. Это позволяет заметно повысить эффективность, с какой искусственный холод может быть произведен и использован в таком широком интервале температур. Заданная предпочтительная группа компонентов обладает дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что эти компоненты можно использовать для образования текучих смесей, которые являются нетоксичными, не воспламеняющимися и истощающими озоновый слой в низкой степени или не истощающими его. Это обеспечивает дополнительные преимущества по сравнению с обычными холодильными агентами, которые, как правило, являются токсичными, воспламеняющимися и/или истощающими озоновый слой.

Один предпочтительный многокомпонентный текучий холодильный агент, обеспечивающий переменную нагрузку и пригодный для практической реализации данного изобретения, который является нетоксичным, не воспламеняющимся и не истощающим озоновый слой, содержит два или более компонентов из группы, состоящей из C₅F₁₂, CHF₂ -O-C₂HF₄, С₄F₉, С₃Н₃F₅, C₂F₅-O-CH₂F, С₃Н₂F₆,
CHF₂-O-CHF₂, C₄F₁₀, CF₃-O-C₂H₂F₃, C₃HF₇, СН₂F-О-СF₃, C₂ H₂F₄,
СНF₂-О-СF₃, С₃F₈, C₂HF₅, СF₃-О-СF₃, C₂F₆, СНF₃, CF₄, О₂, Ar, N₂, Ne и Не. Заданный многокомпонентный текучий холодильный агент по изобретению является зеотропным (отличающимся плавным изменением температуры, сопровождающим фазовое превращение). Компоненты имеют различные точки кипения, чтобы охватить весь представляющий интерес интервал температур, так что желательные очень низкие температуры, такие, как криогенные температуры, могут быть достигнуты эффективно и по существу только с одной стадией сжатия, и при этом отсутствует необходимость в вакуумном процессе. Это представляет собой отличие от обычных холодильных агентов, используемых для обеспечения охлаждения, которые состоят из одного компонента или смесей из двух или трех компонентов, составленных таким образом, что они ведут себя как один компонент, то есть азеотропных смесей или почти азеотропных смесей с близкими точками кипения компонентов.

Изобретение применяется для обеспечения охлаждения для огражденного объема, в особенности для объема, огражденного изолированными конструкциями. Такой объем, огражденный изолированными конструкциями, используемый в рамках способа по изобретению, как правило, представляет собой морозильный аппарат, контейнер для холодильного хранения или холодильную камеру. Этот объем не обязательно должен быть полностью изолирован от окружающей атмосферы. Может быть использовано любое изолирующее средство, которое эффективно для уменьшения теплопритока в контейнер или морозильный аппарат. При некоторых ограниченных условиях может оказаться так, что средство для поддержания температуры ниже температуры окружающей среды, такое, как камера для обработки в условиях холода, не изолировано или только частично изолировано.

Изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертежи.

Как показывает фиг. 1, многокомпонентный текучий холодильный агент 50 сжимают до абсолютного давления, как правило, находящегося в интервале от 30 до 1000 фунтов на квадратный дюйм (от 206,8428 до 6894,76 кПа), предпочтительно от 100 до 600 фунтов на квадратный дюйм (от 689,476 до 4136,856 кПа), путем пропускания через компрессор 51, и из получающегося в результате этого сжатия многокомпонентного текучего холодильного агента 52 отводят теплоту сжатия путем пропускания его через охладитель 53. Получающийся в результате охлажденный многокомпонентный текучий холодильный агент 54 дополнительно охлаждают и, по меньшей мере, частично, предпочтительно полностью, конденсируют путем пропускания его через теплообменник 55. Получающийся в результате, по меньшей мере, частично конденсированный многокомпонентный текучий холодильный агент 56 расширяют с помощью клапана 57 до абсолютного давления, как правило, находящегося в интервале от 5 до 100 фунтов на квадратный дюйм (от 34,4738 до 689, 476 кПа), предпочтительно от 15 до 100 фунтов на квадратный дюйм (от 103,4214 до 689,476 кПа), тем самым создавая охлаждение посредством эффекта Джоуля-Томсона, то есть путем снижения температуры текучей среды благодаря уменьшению давления при постоянной энтальпии.

Расширение многокомпонентного текучего холодильного агента посредством клапана 57 также может вызвать испарение части текучего холодильного агента. Уровни давления, используемые для потока 52 холодильного агента, находящегося под высоким давлением, и для потока 58 холодильного агента, находящегося под низким давлением, и состав холодильного агента выбирают таким образом, чтобы достичь желательных уровней температур при приемлемых затратах и эффективности.

Затем холодонесущий многокомпонентный текучий холодильный агент 58 нагревают и обеспечивают его испарение путем пропускания его через теплообменник 55, и после этого подают в виде потока 50 в компрессор 51, и цикл начинается снова. Нагрев и испарение холодонесущего многокомпонентного текучего холодильного агента в теплообменнике 55 служит для охлаждения текучего холодильного агента 54 путем косвенного теплообмена, как было описано выше, а также для охлаждения атмосферной текучей среды из объема, огражденного изолированными конструкциями, путем косвенного теплообмена, как будет описано далее.

Часть атмосферной текучей среды, которая, как правило, представляет собой воздух, но может представлять собой другую текучую среду, такую, как азот, диоксид углерода или любую другую пригодную текучую среду, отводят из огражденного изолированными конструкциями объема 59 в виде потока 60 и пропускают через сепаратор 61 для удаления любого унесенного (захваченного) льда. Сепаратор 61 может представлять собой центробежный сепаратор, фильтр или любое другое пригодное средство сепарации. После этого свободная от льда атмосферная текучая среда 62 из огражденного изолированными конструкциями объема проходит через вентилятор (воздуходувку) 63, который создает поток 64 газа под давлением, как правило, находящийся под абсолютным давлением в интервале от 15 до 100 фунтов на квадратный дюйм (от 103,4214 до 689,476 кПа), предпочтительно от 16 до 20 фунтов на квадратный дюйм (от 110,3162 до 137,8952 кПа}, и затем проходит через устройство 25 очистки.

При необходимости может быть обеспечен дополнительный подготовленный газ, такой, как показанный на фиг.1 в виде потока 68, этот газ может быть сжат в вентиляторе 69, пропущен в виде потока 70 через устройство 71 очистки и затем в виде потока 72 объединен с потоком 64 для образования потока 65. Устройства 25 и 71 очистки (очистители) могут представлять собой очистители с молекулярным ситом, с адсорбирующим слоем или любые другие пригодные средства для удаления высококипящих компонентов, таких, как влага или диоксид углерода. В альтернативном варианте вся текучая среда, подлежащая охлаждению, может быть получена с помощью потока 68, так что не происходит рециркуляции текучей среды, удаленной из огражденного объема 59.

После этого текучую среду 65 пропускают через теплообменник 55, в котором она охлаждается посредством косвенного теплообмена, и при этом вышеуказанный нагрев и испарение многокомпонентного текучего холодильного агента приводят к образованию охлажденной атмосферной текучей среды 66 из огражденного изолированными конструкциями объема, которая, как правило, имеет температуру ниже 250К и обычно будет иметь температуру в интервале от 100К до 250К. Охлаждение атмосферной или подвергающейся обработке текучей среды может включать в себя частичное или полное сжижение текучей среды, например образование жидкого воздуха. Затем охлажденная текучая среда 66 проходит в огражденный изолированными конструкциями объем 59, в котором используется холод, содержащийся в текучей среде 66. При желании огражденный изолированными конструкциями объем 59 может быть оснащен вентилятором 67 или другим устройством для обеспечения циркуляции газообразной среды, которое способствует более равномерному распределению холода внутри огражденного объема и повышению характеристик теплопередачи охлажденной текучей среды.

На фиг. 2 изображен другой вариант осуществления изобретения, в котором теплообмен между нагреваемым многокомпонентным текучим холодильным агентом и охлаждаемой атмосферной текучей средой из огражденного изолированными конструкциями объема происходит внутри огражденного изолированными конструкциями объема. Как показывает фиг.2, многокомпонентный текучий холодильный агент 30 сжимают до абсолютного давления, как правило, находящегося в интервале от 30 до 1000 фунтов на квадратный дюйм (от 206,8428 до 6894,76 кПа), предпочтительно от 100 до 600 фунтов на квадратный дюйм (от 689,476 до 4136,856 кПа), путем пропускания через компрессор 31, и из получающегося в результате этого сжатия многокомпонентного текучего холодильного агента 32 отводят теплоту сжатия путем пропускания его через охладитель 33. Получающийся в результате охлажденный многокомпонентный текучий холодильный агент 34 дополнительно охлаждают и, по меньшей мере, частично, предпочтительно полностью, конденсируют путем пропускания его через теплообменник 35.

Получающийся в результате, по меньшей мере, частично конденсированный многокомпонентный текучий холодильный агент 36 расширяют с помощью клапана 37 до абсолютного давления, находящегося в интервале от 5 до 100 фунтов на квадратный дюйм (от 34,4738 до 689,476 кПа), предпочтительно от 15 до 100 фунтов на квадратный дюйм (от 103,4214 до 689,476 кПа), тем самым создавая охлаждение посредством эффекта Джоуля-Томсона.

Холодонесущий многокомпонентный текучий холодильный агент 38, который может представлять собой двухфазный поток, проходит затем в огражденный изолированными конструкциями объем 40.

Проход холодонесущего многокомпонентного текучего холодильного агента внутрь огражденного изолированными конструкциями объема 40 включает в себя проход через теплообменный змеевик 39 или другое пригодное теплообменное средство, в котором холодонесущий многокомпонентный текучий холодильный агент нагревается и испаряется посредством косвенного теплообмена с атмосферной текучей средой из огражденного изолированными конструкциями объема. При желании холодонесущий текучий холодильный агент может нагнетаться в огражденный объем таким образом, что теплообмен с атмосферной текучей средой из огражденного изолированными конструкциями объема осуществляется путем теплообмена с непосредственным контактом сред.

Образующаяся в результате этого охлажденная атмосферная текучая среда из огражденного изолированными конструкциями объема используется затем по всему огражденному изолированными конструкциями объему 40 предпочтительно с помощью средства для усиления потока текучей среды, такого, как вентилятор 42, тем самым обеспечивая охлаждение в огражденном изолированными конструкциями объеме. Получающийся в результате нагретый многокомпонентный текучий холодильный агент 41 выходит из огражденного изолированными конструкциями объема 40 и дополнительно нагревается и полностью испаряется, если он уже не испарился, за счет пропускания его через теплообменник 35 для выполнения охлаждения потока 34 путем косвенного теплообмена, как было описано выше, и получающаяся в результате нагретая текучая среда выходит из теплообменника 35 в виде потока 30, предназначенного для пропускания через компрессор 31, в котором цикл начинается снова.

На фиг. 3 показан еще один вариант осуществления изобретения, в котором многокомпонентный текучий холодильный агент можно использовать для обеспечения охлаждения при более чем одном температурном уровне и таким образом можно обеспечивать охлаждение атмосферной текучей среды из огражденного изолированными конструкциями объема, которую можно использовать в разных огражденных объемах, требующих разных уровней охлаждения, или при разных уровнях температуры внутри одного огражденного объема.

Как показывает фиг.3, многокомпонентный текучий холодильный агент 80 путем пропускания через компрессор 81 сжимают до абсолютного давления, как правило, находящегося в интервале от 30 до 600 фунтов на квадратный дюйм (от 206,8428 до 4136,856 кПа), и получающийся в результате сжатый многокомпонентный текучий холодильный агент 82 охлаждают и частично конденсируют путем пропускания его через охладитель 83. Двухфазный многокомпонентный текучий холодильный агент из охладителя 83 поступает в виде потока 84 в разделитель 85 фаз, в котором поток разделяется на парообразную и жидкую части. Поскольку многокомпонентный текучий холодильный агент 80 представляет собой зеотропную смесь, составы парообразной и жидкой частей отличаются друг от друга. Предпочтительно жидкая часть содержит по существу весь самый высококипящий компонент многокомпонентного текучего холодильного агента 80, а парообразная часть содержит по существу весь самый низкокипящий компонент многокомпонентного текучего холодильного агента 80.

Жидкая часть многокомпонентного текучего холодильного агента в виде потока 87 поступает из разделителя 85 фаз в теплообменник 88, в котором она переохлаждается. Образующийся в результате поток 89 переохлажденной жидкости расширяется с помощью клапана 90 для производства холода посредством эффекта Джоуля-Томсона. Получающийся в результате холодонесущий многокомпонентный текучий холодильный агент 91, который, как правило, находится под абсолютным давлением в интервале от 15 до 100 фунтов на квадратный дюйм (от 103,4214 до 689,476 кПа), пропускают через смеситель 20, и затем в виде потока 93 он проходит через теплообменник 88, в котором он нагревается и полностью испаряется за счет косвенного теплообмена с атмосферной текучей средой из огражденного изолированными конструкциями объема, и затем в виде потока 30 он проходит в компрессор 81 для осуществления нового цикла.

Атмосферная текучая среда из огражденного изолированными конструкциями объема поступает в теплообменник 88 в виде потока 94, и получающаяся в результате охлажденная атмосферная текучая среда из огражденного изолированными конструкциями объема, как правило, находящаяся при температуре в интервале от 20 до 40^oF (от -6,7 до 4,4^oС), поступает в виде потока 95 из теплообменника 88 в огражденный изолированными конструкциями объем (не показан), в котором обеспечивается охлаждение и используется холод, переносимый потоком 95.

Парообразная часть многокомпонентного текучего холодильного агента в виде потока 86 поступает из разделителя 85 фаз в теплообменник 86, в котором этот поток охлаждается посредством косвенного теплообмена c нагреваемой текучей средой в потоке 93 и затем в виде потока 96 поступает в промежуточный теплообменник 97 для дополнительного охлаждения, и затем в виде потока 100 проходит через теплообменник 99, в котором парообразная часть, по меньшей мере, частично конденсируется. Получающаяся в результате многокомпонентная текучая среда в виде потока 104 поступает из теплообменника 99 в теплообменник 105 и проходит через него для дополнительного охлаждения и конденсации, и затем в виде потока 108 проходит через теплообменник 107, в котором она полностью конденсируется, если она уже не подверглась полной конденсации, и переохлаждается.

Поток 109 переохлажденного многокомпонентного жидкого холодильного агента расширяется с помощью клапана 110 для производства холода посредством эффекта Джоуля-Томсона, и получающийся в результате холодонесущий многокомпонентный текучий холодильный агент 111, который может представлять собой двухфазный поток, нагревается и предпочтительно, по меньшей мере, частично испаряется за счет пропускания его через теплообменник 107, тем самым холодильный агент 111 служит для охлаждения вышеуказанного потока 108 путем косвенного теплообмена, а также для охлаждения атмосферной текучей среды из огражденного изолированными конструкциями объема, которая поступает в теплообменник 107 в виде потока 112. Получающаяся в результате охлажденная атмосферная текучая среда из огражденного изолированными конструкциями объема, как правило находящаяся при температуре от -30 до -50^o F (от -34,4 до -45,6^oС), проходит в виде потока 113 из теплообменника 107 в огражденный изолированными конструкциями объем (не показан), в котором обеспечивается охлаждение и используется холод, переносимый потоком 113.

Нагретый многокомпонентный текучий холодильный агент в виде потока 106 поступает из теплообменника 107 в теплообменник 105 и пропускается через него, при этом в теплообменнике 105 происходит дополнительный нагрев холодильного агента, и из теплообменника 105 в виде потока 101 холодильный агент проходит в теплообменник 99, в котором он дополнительно нагревается и предпочтительно дополнительно испаряется посредством косвенного теплообмена с вышеуказанным охлаждаемым потоком 100, а также с атмосферной текучей средой из огражденного изолированными конструкциями объема, которая поступает в теплообменник 99 в виде потока 102.

Получающаяся в результате охлажденная атмосферная текучая среда из огражденного изолированными конструкциями объема, как правило находящаяся при температуре в интервале от 0 до -20^oF (от -17,8 до -28, 9^oС), поступает в виде потока 103 из теплообменника 99 в огражденный изолированными конструкциями объем (не показан), в котором обеспечивается охлаждение и используется холод, переносимый потоком 103.

Получающийся в результате дополнительно нагретый многокомпонентный текучий холодильный агент в виде потока 98 проходит из теплообменника 99 в теплообменник 97 и затем в виде потока 92 поступает в смеситель 20, в котором он смешивается с потоком 91 для образования потока 93 для дальнейшей обработки, как было описано выше.

На фиг. 4 проиллюстрирован еще один предпочтительный вариант осуществления изобретения, в котором многокомпонентный текучий холодильный агент используется для обеспечения охлаждения при более чем одном температурном уровне, и таким образом можно обеспечивать охлаждение в более чем одном огражденном изолированными конструкциями объеме. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.4, используется более одного разделения фаз многокомпонентного текучего холодильного агента.

Как показывает фиг. 4, многокомпонентный текучий холодильный агент 200 путем пропускания через компрессор 201 сжимают до абсолютного давления, как правило находящегося в интервале от 30 до 300 фунтов на квадратный дюйм (от 206,8428 до 2068,428 кПа), и из получающегося в результате этого сжатия многокомпонентного текучего холодильного агента 202 отводят теплоту сжатия путем пропускания его через охладитель 203.

Получающийся в результате многокомпонентный текучий холодильный агент 204 дополнительно сжимают путем пропускания через компрессор 205 до абсолютного давления, как правило находящегося в интервале от 60 до 600 фунтов на квадратный дюйм (от 413,6856 до 4136,856 кПа), и получающийся в результате сжатый многокомпонентный текучий холодильный агент 206 охлаждают и подвергают частичной конденсации путем пропускания его через охладитель 207. Двухфазный многокомпонентный текучий холодильный агент из охладителя 207 поступает в виде потока 208 в разделитель 209 фаз, в котором поток разделяется на парообразную и жидкую части. Поскольку многокомпонентный текучий холодильный агент 200 представляет собой зеотропную смесь, составы парообразной и жидкой частей отличаются друг от друга. Предпочтительно жидкая часть содержит по существу весь самый высококипящий компонент многокомпонентного текучего холодильного агента 200, а парообразная часть содержит по существу весь самый низкокипящий компонент многокомпонентного текучего холодильного агента 200.

Жидкая часть многокомпонентного текучего холодильного агента в виде потока 211 поступает из разделителя 209 фаз в теплообменник 212, в котором она переохлаждается. Образующийся в результате поток 213 переохлажденной жидкости расширяется с помощью клапана 214 для производства холода посредством эффекта Джоуля-Томсона. Получающийся в результате холодонесущий многокомпонентный текучий холодильный агент 215, который, как правило, находится под абсолютным давлением в интервале от 15 до 100 фунтов на квадратный дюйм (от 103,4214 до 689,476 кПа), пропускают через смеситель 21, и затем в виде потока 217 он проходит через теплообменник 212, в котором нагревается и полностью испаряется за счет косвенного теплообмена с атмосферной текучей средой из огражденного изолированными конструкциями объема, и затем в виде потока 200 он проходит в компрессор 201 для осуществления нового цикла. Атмосферная текучая среда из огражденного изолированными конструкциями объема поступает в теплообменник 212 в виде потока 218, и получающаяся в результате охлажденная атмосферная текучая среда из огражденного изолированными конструкциями объема, как правило находящаяся при температуре в интервале от 30 до 60^oF (от -1,1 до 15,6^oС), поступает в виде потока 219 из теплообменника 212 в огражденный изолированными конструкциями объем (не показан), в котором обеспечивается охлаждение и используется холод, переносимый потоком 219.

Парообразная часть многокомпонентного текучего холодильного агента в виде потока 210 поступает из разделителя 209 фаз в теплообменник 212, в котором этот поток охлаждается посредством косвенного теплообмена с нагреваемой текучей средой в потоке 217 и затем в виде потока 220 поступает в промежуточный теплообменник 221 для дополнительного охлаждения. На одной или обеих стадиях охлаждения в теплообменниках 212 и 221 часть многокомпонентного текучего холодильного агента конденсируется, так что многокомпонентный текучий холодильный агент 223, выходящий из теплообменника 221, представляет собой двухфазный поток. Поток 223 поступает в разделитель 224 фаз, в котором он разделяется на парообразную и жидкую части.

Жидкая часть в виде потока 226 поступает из разделителя 224 фаз в теплообменник 227, в котором она переохлаждается. Образующийся в результате поток 228 переохлажденной жидкости расширяется с помощью клапана 229 для производства холода посредством эффекта Джоуля-Томсона. Получающийся в результате холодонесущий многокомпонентный текучий холодильный агент 230, который, как правило, находится под абсолютным давлением в интервале от 15 до 100 фунтов на квадратный дюйм (от 103,4214 до 689,476 кПа), пропускают через смеситель 22, и затем в виде потока 232 он проходит через теплообменник 227, в котором нагревается и испаряется за счет косвенного теплообмена с атмосферной текучей средой из огражденного изолированными конструкциями объема.

Атмосферная текучая среда из огражденного изолированными конструкциями объема поступает в теплообменник 227 в виде потока 233, и получающаяся в результате охлажденная атмосферная текучая среда из огражденного изолированными конструкциями объема, как правило находящаяся при температуре в интервале от -70 до -110^oF (от -56,7 до -78,9^oС), поступает в виде потока 234 из теплообменника 227 в огражденный изолированными конструкциями объем (не показан), в котором обеспечивается охлаждение и используется холод, переносимый потоком 234.

Нагретый многокомпонентный текучий холодильный агент в виде потока 222 поступает из теплообменника 227 в теплообменник 221 и пропускается через него для нагрева путем косвенного теплообмена с охлаждаемым потоком 220, и из теплообменника 221 холодильный агент в виде потока 216 проходит в смеситель 21, в котором он смешивается с потоком 215 для образования потока 217 для дальнейшей обработки, как было описано выше.

Парообразная часть из разделителя 224 фаз в виде потока 225 поступает из разделителя 224 фаз в теплообменник 227, в котором она охлаждается посредством косвенного теплообмена с нагреваемой текучей средой в потоке 232 и затем в виде потока 235 поступает в теплообменник 236 для дополнительного охлаждения.

В процессе охлаждения в теплообменниках 227 и 236 эта парообразная часть конденсируется таким образом, что многокомпонентный текучий холодильный агент 238, выходящий из теплообменника 236, представляет собой поток жидкости. Поток 238 переохлаждается за счет пропускания его через теплообменник 239, и образующийся в результате поток 240 переохлажденной жидкости расширяется с помощью клапана 241 для производства холода посредством эффекта Джоуля-Томсона, и получающийся в результате холодонесущий многокомпонентный текучий холодильный агент 242, который может представлять собой двухфазный поток, нагревается и предпочтительно, по меньшей мере, частично испаряется при пропускании его через теплообменник 239, тем самым холодильный агент 242 служит для охлаждения вышеуказанного переохлаждаемого потока 238 путем косвенного теплообмена, а также для охлаждения атмосферной текучей среды из огражденного изолированными конструкциями объема, которая поступает в теплообменник 239 в виде потока 243.

Получающаяся в результате охлажденная атмосферная текучая среда из огражденного изолированными конструкциями объема, как правило, находящаяся при температуре в интервале от -150 до -330^oF (от -101,1 до -201,1^oС), проходит в виде потока 244 из теплообменника 239 в огражденный изолированными конструкциями объем (не показан), в котором обеспечивается охлаждение и используется холод, переносимый потоком 244.

Нагретый многокомпонентный текучий холодильный агент в виде потока 237 поступает из теплообменника 239 в теплообменник 236 и пропускается через него, при этом в теплообменнике 236 он дополнительно нагревается и из этого теплообменника в виде потока 231 холодильный агент проходит в смеситель 22, в котором он смешивается с потоком 230 для образования потока 232 для дальнейшей обработки, как было описано выше.

В дополнительном варианте осуществления изобретения отходящее тепло из холодильного цикла может быть использовано для снабжения теплом того же caмого или другого средства, которое осуществляет охлаждение. Например, тепло, отдаваемое в охладитель 203 и 207 в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.4, можно использовать для нагрева подаваемой в кипятильник (испаритель) воды.

На фиг.5 проиллюстрирован еще один вариант осуществления изобретения, в котором используется много огражденных объемов при одной установке с многокомпонентным текучим холодильным агентом. Как показывает фиг.5, многокомпонентный текучий холодильный агент 310 сжимают путем пропускания его через компрессор 311, и из получающегося в результате этого сжатия многокомпонентного текучего холодильного агента 512 отводят теплоту сжатия в переохладителе 313 для получения текучей среды 314. Затем многокомпонентный текучий холодильный агент в потоке 314 охлаждают путем пропускания его через теплообменник 301, и получающийся в результате охлажденный многокомпонентный текучий холодильный агент 315 дополнительно охлаждают путем пропускания его через теплообменник 302 для получения дополнительно охлажденного многокомпонентного текучего холодильного агента 316. Многокомпонентный текучий холодильный агент 316 подвергается расширению по циклу Джоуля-Томсона с помощью клапана 317, и получающийся в результате этого холодонесущий многокомпонентный текучий холодильный агент 318 нагревают за счет пропускания его через теплообменник 302 для осуществления вышеуказанного дополнительного охлаждения потока 315 путем косвенного теплообмена, а также для охлаждения потока 332, как будет дополнительно описано ниже.

Образующийся в результате этого поток 319 нагретого многокомпонентного текучего холодильного агента дополнительно нагревают за счет пропускания его через теплообменник 301 для осуществления вышеуказанного охлаждения потока 314 путем косвенного теплообмена, а также для охлаждения потока 322, как будет дополнительно описано ниже. Получающийся в результате дополнительно нагретый многокомпонентный текучий холодильный агент в виде потока 310 проходит из теплообменника 302 в компрессор 311, и цикл начинается снова.

Атмосферная текучая среда из огражденного объема 303 поступает в виде потока 320 в воздуходувку 321, и оттуда в виде потока 322 она поступает в теплообменник 301, в котором охлаждается посредством косвенного теплообмена с вышеуказанным дополнительно нагреваемым холодонесущим многокомпонентным текучим холодильным агентом. Образующийся в результате поток 323 охлажденной текучей среды проходит обратно в огражденный объем 303, в котором используется холод, создаваемый многокомпонентным текучим холодильным агентом. Атмосферная текучая среда из огражденного объема 305 поступает в виде потока 330 в воздуходувку 331, и оттуда в виде потока 332 она поступает в теплообменник 302, в котором охлаждается посредством косвенного теплообмена с вышеуказанным нагреваемым холодонесущим многокомпонентным текучим холодильным агентом. Образующийся в результате поток 333 охлажденной текучей среды проходит обратно в огражденный объем 305, в котором используется холод, создаваемый многокомпонентным текучим холодильным агентом.

Несмотря на то, что схема циркуляции многокомпонентного холодильного агента, описанная (и изображенная) на чертежах, представляет собой один замкнутый цикл, в некоторых случаях применения могут использоваться различные другие циркуляционные контуры. Следовательно, cxемы циркуляции холодильного агента могут включать в себя рециркуляцию жидкости, то есть разделение фаз текучего холодильного агента с повторным нагревом жидкости и дополнительным охлаждением отделенного пара. Такая внутренняя рециркуляция жидкости служит для придания большей универсальности (гибкости) способу, при котором используется смесь холодильных агентов, и при такой внутренней рециркуляции жидкости можно избежать проблем, связанных с замерзанием жидкости. Кроме того, для некоторых случаев, например, при очень низких требуемых температурах или при множестве огражденных емкостей, может оказаться желательным использование множества схем циркуляции (циркуляционных контуров) для холодильной установки. В каждом случае каждая отдельная схема обеспечивает охлаждение в заданном интервале температур, а объединенные схемы обеспечивают эффективное охлаждение во всем интервале температур.

Таким образом, за счет использования данного изобретения можно более эффективно обеспечить охлаждение огражденного изолированными конструкциями объема, особенно в тех случаях, где требуется охлаждение в большем интервале температур, например, от температуры окружающей среды до криогенной температуры. Несмотря на то, что изобретение было подробно описано со ссылкой на определенные предпочтительные варианты осуществления, для специалистов в данной области очевидно, что существуют другие варианты осуществления изобретения в рамках идеи и объема формулы изобретения.

Реферат

Изобретение относится к системам охлаждения теплоизолированных камер. Способ охлаждения теплоизолированной камеры производится посредством парокомпрессионной холодильной машины с многокомпонентным холодильным агентом. При этом получение искусственного холода осуществляется в широком диапазоне от температуры окружающей среды до низких температур. Использование изобретения позволит обеспечить охлаждение камеры до низких температур. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула