RU2159911C1

RU2159911C1 - Self-contained system of nitrogen refrigeration for thermostatting of special transport facilities

Info

Publication number: RU2159911C1
Application number: RU99111799A
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Кириллов
Original assignee: Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: cryogenic engineering and cryogenic refrigerating machines operating on the Stirling reverse cycle principle. SUBSTANCE: high-pressure nitrogen gas with cryogenic temperature is fed through a gas-intake device to an air-cooled panel positioned in a heat-insulated cooled volume and cools down the volume interior to the necessary temperature and gets heated itself. With the aim of precooling and pressure reduction nitrogen from the panel is fed to an expansion vessel through a throttling valve, from which it is sucked in the condenser of the Stirling cryogenic refrigerating machine, where it gets condensed changing in the liquid phase and overflows by gravity to the Dewer flask. From the flask liquid nitrogen is fed to a vessel with the aid of a high-pressure pump. The Stirling cryogenic machine is driven by the engine of the transport facility. Refrigerating liquid from the refrigerator heated from the machine working medium is fed to a heat exchanger for cooling by the environment and to a coil, where it is cooled down to a low temperature due to heat exchange with liquid nitrogen. EFFECT: thermostatting of inhabited rooms without disturbance of air composition at a high level of explosion- and fireproofness. 1 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике и криогенным холодильным машинам, работающим по обратному циклу Стирлинга, может быть использовано для оснащения авторефрижераторов и других специальных транспортных средств. The invention relates to cryogenic technology and cryogenic refrigerators operating on the reverse Stirling cycle, can be used to equip refrigerated trucks and other special vehicles.

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителям с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П.Малкова/. Изд.:"Иностр. литература", М., 1961, стр. 287-288). Known technical solutions for the gasification of liquefied gases before distributing them to consumers using high pressure pumps (Questions of deep cooling. / Sat articles edited by prof. MPMalkov /. Ed.: "Foreign Literature", M., 1961 , p. 287-288).

Известно устройство сосуда Дьюара для жидкого азота с вакуумно-порошковой изоляцией (Соколов Е. Я. , Бродянский В.М., Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., -М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202). A device of a Dewar vessel for liquid nitrogen with vacuum-powder insulation is known (Sokolov E. Ya., Brodyansky VM, Energy fundamentals of heat transformation and cooling processes: Textbook for universities. 2nd ed., -M.: Energoizdat 1981, p. 202).

Известно, что в области криогенных температур (60 - 160 K) наиболее высокоэффективным циклом является обратный цикл Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982., стр. 185-186). It is known that in the region of cryogenic temperatures (60 - 160 K), the most highly efficient cycle is the reverse Stirling cycle. The efficiency of cryogenic Stirling machines is almost 2 times higher compared to other plants used for gas liquefaction (Usyukin IP Plants, machines and apparatuses of cryogenic technology. M: Light and food industry, 1982., pp. 185-186) .

Известно устройство газовой холодильной машины "Филипса", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для ожижения воздуха и включающей в себя блок теплообменников: конденсатор, регенератор и холодильник. В качестве рабочего тела в холодильной машине используется гелий (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П.Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М. , 1961, стр. 35). Однако, жидкий воздух обладает повышенной пожароопасностью. A device of the gas refrigerating machine Philips, operating on the reverse Stirling cycle, designed to liquefy the air and includes a block of heat exchangers: a condenser, a regenerator and a refrigerator. Helium is used as a working fluid in the refrigerating machine (Questions of deep cooling. / Sat articles edited by prof. MPMalkov /. Ed .: "Foreign Literature", Moscow, 1961, p. 35). However, liquid air has an increased fire hazard.

Известно, что азот является химически малоактивным веществом, не ядовит и может применяться для создания инертной среды ввиду своей взрывопожаробезопасности (Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. 22-е изд., испр. Л.: "Химия", 1982, стр. 398-399). Однако, получение азота является дорогостоящим технологическим процессом. It is known that nitrogen is a chemically inactive substance, it is not toxic and can be used to create an inert environment due to its explosion and fire safety (Glinka N.L. General chemistry: Textbook for universities. 22nd ed., Rev. L .: "Chemistry", 1982, pp. 398-399). However, nitrogen production is an expensive process.

Известна система азотного охлаждения теплоизоляционного кузова автомашины, предназначенной для перевозки продуктов, позволяющая быстро охлаждать внутренний объем кузова. Система включает в себя емкость жидкого азота с погружным насосом, сообщенную с охлаждаемым теплоизолированным объемом, контуром азота (Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Соловьев В.А. Система азотного охлаждения в теплоизолированном кузове автомашины. //Тез. докладов международной научн-техн. конф. "Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне XXI века"//, СПб.. 1998. - стр. 32.). Однако, данная система предполагает разомкнутый контур азота, что не позволяет использовать ее для термостатирования обитаемых помещений и приводит к потери дорогостоящего азота. A known system of nitrogen cooling the heat-insulating body of a car designed for transporting products, allowing you to quickly cool the internal volume of the body. The system includes a liquid nitrogen tank with a submersible pump in communication with a cooled thermally insulated volume, a nitrogen circuit (Akulov L.A., Borzenko E.I., Soloviev V.A. Nitrogen cooling system in a thermally insulated car body. // Abstracts of reports international scientific and technical conference. "Refrigeration technology in Russia. Status and prospects on the eve of the XXI century" //, St. Petersburg .. 1998. - p. 32.). However, this system assumes an open nitrogen circuit, which does not allow it to be used for thermostating of inhabited premises and leads to the loss of expensive nitrogen.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в исключении безвозвратной потери азота и возможности использования системы для термостатирования обитаемых помещений без нарушения состава воздуха внутри этих помещений с высоким уровнем взрывопожаробезопасности. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to exclude an irretrievable loss of nitrogen and the possibility of using the system to thermostat inhabited rooms without violating the composition of the air inside these rooms with a high level of fire and explosion safety.

Для достижения этого технического результата, автономная система азотного охлаждения для термостатирования специальных транспортных средств, содержащая емкость с жидким азотом, сообщенную с охлаждаемым теплоизолированным объемом контура азота, выполненного в виде замкнутого контура, снабжена в замкнутом контуре азота, последовательно установленными, газозаборным устройством, расположенным в газосодержащей части емкости с жидким азотом, регулирующим клапаном, воздухоохлаждающей панелью, размещенной в охлаждаемом теплоизолированном объеме, дроссельным вентилем, расширительной емкостью, криогенной машиной Стирлинга с контуром охлаждения, сосудом Дьюара, насосом высокого давления, подающим жидкий азот из сосуда Дьюара в емкость с жидким азотом через обратный клапан, при этом контуром охлаждения криогенной машины Стирлинга включает в себя насос, теплообменник, связанный с окружающей средой, и охлаждающий змеевик, размещенный в емкости с жидким азотом, а привод криогенной машины Стирлинга осуществлен от двигателя транспортного средства. To achieve this technical result, an autonomous nitrogen cooling system for thermostating of special vehicles, containing a container with liquid nitrogen in communication with a cooled thermally insulated volume of a nitrogen circuit made in the form of a closed circuit, is equipped with a closed nitrogen circuit, sequentially installed, a gas intake device located in the gas-containing part of the tank with liquid nitrogen, a control valve, an air-cooling panel, placed in a cooled insulated volume, throttle valve, expansion tank, cryogenic Stirling machine with cooling circuit, Dewar vessel, high pressure pump that supplies liquid nitrogen from the Dewar vessel to the tank with liquid nitrogen through a non-return valve, while the cooling circuit of the cryogenic Stirling machine includes a pump, a heat exchanger associated with the environment and a cooling coil placed in a container with liquid nitrogen, and the cryogenic Stirling machine was driven by a vehicle engine.

Введение в состав автономной системы азотного охлаждения для термостатирования специальных транспортных средств, замкнутого контура азота с криогенной машиной Стирлинга и ее контура охлаждения с охлаждающим змеевиком в емкости с жидким азотом, позволяет получить новое свойство, заключающееся в исключении выброса испарившегося азота в окружающую среду за счет его переконденсации в криогенной машине Стирлинга и в уменьшении потребляемой мощности на привод криогенной машины Стирлинга за счет снижения верхней температуры цикла машины. The introduction of an autonomous nitrogen cooling system for thermostating of special vehicles, a closed nitrogen circuit with a cryogenic Stirling machine and its cooling circuit with a cooling coil in a tank with liquid nitrogen, allows to obtain a new property, which consists in eliminating the emission of evaporated nitrogen into the environment due to its re-condensation in the cryogenic Stirling machine and in reducing the power consumption to drive the cryogenic Stirling machine by lowering the upper temperature of the machine cycle.

На чертеже изображена автономная система азотного охлаждения для термостатирования специальных транспортных средств. The drawing shows an autonomous nitrogen cooling system for thermostating of special vehicles.

Автономная система состоит из замкнутого контура азота, в который входят емкость с жидким азотом 1, газозаборное устройство 2, регулирующий клапан 3, теплоизолированный охлаждаемый объем 4, воздухоохлаждаемая панель 5, дроссельный вентиль 6, расширительная емкость 7, криогенная холодильная машина Стирлинга 8, включающая в себя конденсатор 9 и холодильник 10, сосуд Дьюара 11, насос высокого давления 12, обратный клапан 13, и контура охлаждения криогенной машины 8, состоящего из насоса 14, теплообменника 15 и змеевика 16, расположенного в емкости 1. Теплообменник 15 связан с окружающей средой с помощью трубопроводов 17. The autonomous system consists of a closed nitrogen circuit, which includes a container with liquid nitrogen 1, a gas sampling device 2, a control valve 3, a thermally insulated cooled volume 4, an air-cooled panel 5, a throttle valve 6, an expansion tank 7, a cryogenic Stirling cooler 8, including a condenser 9 and a refrigerator 10, a Dewar vessel 11, a high pressure pump 12, a non-return valve 13, and a cooling circuit of a cryogenic machine 8, consisting of a pump 14, a heat exchanger 15 and a coil 16 located in a tank 1. Heat the exchanger 15 is connected to the environment through pipelines 17.

Автономная система азотного охлаждения для термостатирования специальных транспортных средств работает следующим образом. Autonomous nitrogen cooling system for temperature control of special vehicles is as follows.

За счет теплопритоков от контура охлаждения криогенной машины Стирлинга 8 в газосодержащей части емкости с жидким азотом 1 постоянно образуется газообразный азот повышенного давления, имеющего температуру около 80 K. Газообразный азот повышенного давления с криогенной температурой через газообразное устройство 2 поступает в воздухоохладительную панель 5, расположенную в теплоизолированном охлаждаемом объеме 4, охлаждает внутреннюю среду объема 4 до нужной температуры, при этом сам нагревается. С целью предварительного охлаждения и снижения давления, азот из панели 5 поступает через дроссельный вентиль 6 в расширительную емкость 7. Из расширительной емкости 7 газообразный азот засасывается в конденсатор 9 криогенной холодильной машины Стирлинга 8, где конденсируется, переходя в жидкую фазу, и сливается самотеком в сосуд Дьюара 11, откуда с помощью насоса высокого давления 12 через обратный клапан 13 подается вновь в емкость с жидким азотом 1. Регулирование подачи азота в панель 5 осуществляется с помощью регулировочного клапана 3. Due to heat inflows from the cooling circuit of the cryogenic Stirling machine 8, gaseous nitrogen of a high pressure with a temperature of about 80 K is constantly formed in the gas-containing part of the tank with liquid nitrogen 1; heat-insulated cooled volume 4, cools the internal environment of volume 4 to the desired temperature, while he heats up. In order to pre-cool and reduce pressure, nitrogen from the panel 5 enters through the expansion valve 6 into the expansion vessel 7. From the expansion vessel 7, nitrogen gas is sucked into the condenser 9 of the Stirling cryogenic refrigeration machine 8, where it condenses, passing into the liquid phase, and merges by gravity into Dewar vessel 11, from where, using the high-pressure pump 12 through the check valve 13, it is fed back into the container with liquid nitrogen 1. The nitrogen supply to the panel 5 is regulated using the control valve 3.

Для привода криогенной машины Стирлинга 8 используется двигатель транспортного средства (не показаны). С целью охлаждения криогенной машины 8 предусмотрен контур системы охлаждения. По этому контуру нагретая от рабочего тела машины 8 охлаждающая жидкость из холодильника 10 машины 8 с помощью насоса 14 подается в теплообменник 15, где происходит теплообмен с окружающей средой (например, атмосферный воздух), подаваемый по трубопроводам 17, при этом охлаждающая жидкость охлаждается до температуры окружающей среды. Затем жидкость подается в змеевик 16, расположенный в емкости с жидким азотом 1, где она охлаждается до низкой температуры, за счет теплообмена с жидким азотом, и поступает вновь в холодильник 10. За счет теплообмена охлаждающей жидкости с низкой температурой и рабочим телом машины 8 происходит снижение верхней температуры цикла машины 8, что приводит к увеличению холодильного коэффициента машины 8 и снижению потребляемой мощности на ее привод. A vehicle engine (not shown) is used to drive the cryogenic Stirling machine 8. In order to cool the cryogenic machine 8, a cooling system circuit is provided. According to this circuit, the cooling liquid heated from the working fluid of machine 8 from the refrigerator 10 of machine 8 is supplied via a pump 14 to a heat exchanger 15, where heat is exchanged with the environment (for example, atmospheric air) supplied through pipelines 17, while the coolant is cooled to a temperature the environment. Then the liquid is supplied to the coil 16, located in a container with liquid nitrogen 1, where it is cooled to a low temperature due to heat exchange with liquid nitrogen, and enters again into the refrigerator 10. Due to the heat exchange of the cooling liquid with a low temperature and the working fluid of machine 8, a decrease in the upper temperature of the cycle of the machine 8, which leads to an increase in the refrigeration coefficient of the machine 8 and a decrease in the power consumption for its drive.

Источники информации
1. Вопросы глубокого охлаждения./Сб. статей под ред. проф.М.П.Малкова/. Изд.: "Иностр.литература", М., 1961, стр. 287-288.Sources of information
1. Issues of deep cooling. / Sat. articles edited by Prof. M.P. Malkova /. Publishing House: "Foreign Literature", Moscow, 1961, p. 287-288.

2. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб.пособие для вузов. 2-е изд., -М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202. 2. Sokolov E.Ya., Brodyansky V.M. Energy fundamentals of heat transformation and cooling processes: Textbook for universities. 2nd ed., -M.: Energoizdat, 1981, p. 202.

3. Усюкин И. П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186. 3. Usyukin I.P. Installations, machines and apparatuses of cryogenic equipment. M .: Light and food industry, 1982, pp. 185-186.

4. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П.Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 35. 4. Issues of deep cooling. / Sat articles edited by prof. M.P. Malkova /. Publisher: "Foreign Literature", M., 1961, p. 35.

5. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 22-е изд. испр. Л.: "Химия", 1982. - стр. 398-399. 5. Glinka N.L. General Chemistry: Textbook for high schools. - 22nd ed. correct L .: "Chemistry", 1982. - pp. 398-399.

6. Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Соловьев В.А. система азотного охлаждения в теплоизолированном кузове автомашины. //Тез. докладов международной научн. - техн. конф. "Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне XXI века"//, СПб., 1998, стр.32. - прототип. 6. Akulov L.A., Borzenko E.I., Soloviev V.A. nitrogen cooling system in the insulated car body. // Abstract. reports of international scientific - tech. conf. "Refrigeration equipment in Russia. Status and prospects on the eve of the XXI century" //, St. Petersburg., 1998, p. 32. - prototype.

Claims

An autonomous nitrogen cooling system for thermostating of special vehicles, containing a container with liquid nitrogen, connected with a cooled insulated volume by a nitrogen circuit, characterized in that the nitrogen circuit is closed and equipped with sequentially installed: a gaseous device located in the gas-containing part of the tank with liquid nitrogen, regulating a valve, an air-cooling panel, placed in a cooled, thermally insulated volume, a throttle valve, an expansion tank, a cryogenic Stirling machine with a cooling circuit, a Dewar vessel, a high pressure pump supplying liquid nitrogen from a Dewar vessel to a container with liquid nitrogen through a non-return valve, while the cooling circuit of the cryogenic Stirling machine includes a pump, a heat exchanger associated with the environment, and a cooling a coil placed in a container with liquid nitrogen, and the cryogenic Stirling machine was driven by a vehicle engine.