способ криостатирования объекта с переменной тепловой нагрузкой и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ криостатирования объекта с переменной тепловой нагрузкой, включающий всасывание криагента и сжатие с оптимальной степенью в компрессоре, охлаждение криагента в теплообменниках и турбодетандерах с оптимальной степенью расширения, нагрев криагента в объекте, контроль температуры перед объектом и поддержание заданной температуры перед объектом изменением мощности электронагревателя, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивают поддержание заданной температуры криагента перед объектом изменением расхода криагента в компрессоре за счет изменения давления на всасывании, при этом контролируют перепад давления на всасывании и поддерживают оптимальными степень сжатия в компрессоре и степень расширения в турбодетандерах без снижения кпд.

2. Устройство для криостатирования объекта с переменной тепловой нагрузкой, включающее компрессор, теплообменники, турбодетандеры, ресивер высокого давления, регуляторы поддержания максимального давления на всасывании и нагнетании компрессора, подключенные к ресиверу высокого давления и компрессору, электронагреватель газообразного криагента, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено регуляторами поддержания давления на всасывании и нагнетании компрессора, двумя регулирующими клапанами и обратным клапаном с датчиком замера перепада давления на нем, при этом регулятор поддержания давления нагнетания подключен параллельно компрессору, один регулирующий клапан установлен параллельно регулятору поддержания максимального давления на всасывании, а другой - регулятору поддержания максимального давления нагнетания, обратный клапан установлен последовательно регулятору поддержания давления на всасывании и регулятору поддержания максимального давления на всасывании компрессора, при этом регуляторы поддержания давления на всасывании и нагнетании компрессора отстроены на рабочее давление меньше максимального значения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к криогенной технике и, в частности, может быть использовано в гелиевых рефрижераторных установках.

Известен способ криостатирования объекта с переменной тепловой нагрузкой и криогенная установка, где холодопроизводительность регулируют за счет изменения расхода газа в турбодетандерах [1].

Основными недостатками способа и установки являются неэкономичность способа и значительная сложность конструкции расширительных машин.

Известен способ криостатирования объекта с переменной тепловой нагрузкой и криогенная установка, где холодопроизводительность установки в зависимости от тепловой нагрузки охлаждаемого объекта обеспечивают регулированием производительности компрессора путем байпасирования либо изменением числа оборотов двигателя [2].

Данный способ и установка обладают рядом недостатков, главными из которых являются:

- снижение КПД компрессора при отклонении его работы от расчетного режима;

- существенное усложнение конструкций как компрессорного агрегата, так и системы управления компрессором.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ криостатирования объекта с переменной тепловой нагрузкой, включающий всасывание криоагента и его сжатие с оптимальной степенью в компрессоре, охлаждение в рекуперативных теплообменниках, охлаждение в турбодетандерах с оптимальной степенью расширения, нагрев газообразного криоагента в объекте, контроль и регулирование заданной температуры перед объектом с помощью электронагревателя [3].

Недостаток данного способа заключается в том, что он, отличаясь простотой регулирования, эффективен только для установок малой производительности и в узком диапазоне изменения тепловой нагрузки.

Решаемая задача - эффективное регулирование холодопроизводительности в широком диапазоне изменения тепловой нагрузки охлаждаемого объекта.

Для решения поставленной задачи в предполагаемом способе, включающем всасывание криоагента и сжатие его с оптимальной степенью в компрессоре, охлаждение в теплообменниках и в турбодетандерах с оптимальной степенью расширения, нагрев газообразного криоагента в объекте, контроль и регулирование заданной температуры перед объектом с помощью электронагревателя, регулирование температуры перед объектом дополнительно обеспечивают изменением расхода в компрессоре и турбодетандерах за счет изменения давления на всасывании, при этом контролируют перепад давления на всасывании и поддерживают оптимальными степень сжатия в компрессоре и степень расширения в турбодетандерах без снижения КПД.

Для решения этой же задачи устройство для криостатирования объекта с переменной тепловой нагрузкой по предлагаемому способу, содержащее компрессор, теплообменники, турбодетандеры, ресивер высокого давления, регуляторы поддержания максимального давления на всасывании и нагнетании компрессора, подключенные к ресиверу высокого давления и компрессору, электронагреватель газообразного криоагента, дополнительно снабжено регуляторами поддержания давления на всасывании и нагнетании компрессора, двумя регулирующими клапанами и обратным клапаном с датчиком замера перепада давления, при этом регулятор поддержания давления нагнетания подключен параллельно компрессору, один из регулирующих клапанов установлен параллельно регулятору поддержания максимального давления на всасывании, а другой регулятору поддержания максимального давления нагнетания, обратный клапан установлен последовательно регулятору поддержания давления на всасывании и регулятору поддержания максимального давления на всасывании компрессора, при этом регуляторы поддержания давления на всасывании и нагнетании компрессора отстроены на давление меньше максимального значения.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а следовательно, оно соответствует критерию “новизна”.

На чертеже схематически изображена криогенная установка, реализующая предлагаемый способ. Устройство содержит компрессор 1, рекуперативные теплообменники 2, 21 турбодетандеры 3, 4, криостатируемый объект 5 с переменной тепловой нагрузкой, электронагреватель 6 сдатчиком температуры 7, ресивер 8 высокого давления с технологическим запасом газообразного криоагента, регулятор 9 поддержания максимального давления на всасывании компрессора, регулятор 10 поддержания максимального давления нагнетания после компрессора, регуляторы 11, 12 поддержания давления на всасывании компрессора, отстроенные на давление ниже максимального значения, регулирующий вентиль 13, подключенный параллельно регулятору 10, регулирующий вентиль 14, подключенный параллельно регуляторам 9, 11, обратный клапан 15 с датчиком перепада давления 16, установленный на линии всасывания последовательно с регуляторами 9, 11, вентили 17, 18, 19, 20, установленные перед регуляторами давления 9, 10, 11, 12.

Способ осуществляют следующим образом.

Газообразный криоагент после всасывания и сжатия в компрессоре с оптимальной степенью сжатия охлаждают в рекуперативных теплообменниках и турбодетандерах до заданной температуры криостатируемого объекта, которую в узком диапазоне изменения тепловой нагрузки в объекте регулируют с помощью электронагревателя, а при дальнейшем изменении тепловой нагрузки заданную температуру газообразного криоагента перед объектом дополнительно обеспечивают изменением расхода в компрессоре и турбодетандерах за счет изменения давления на всасывании компрессора, при этом контролируют перепад давления на всасывании и поддерживают оптимальную степень сжатия в компрессоре и степень расширения в турбодетандерах без снижения КПД.

Установка для осуществления способа работает следующим образом.

При максимальной тепловой нагрузке криостатируемого объекта 5 режим максимальной холодопроизводительности криогенной установки обеспечивают за счет максимального расхода, получаемого в компрессоре 1, при оптимальной степени сжатия и оптимальных степенях расширения этого же расхода в турбодетандерах 3, 4. Этот режим установки создают и поддерживают с помощью двух регуляторов давления 9 и 10, при этом регулятор 9 поддерживает максимальное давление на всасывании компрессора 1, а регулятор 10 соответствующее максимальное давление нагнетания, определяемое степенью сжатия компрессора. Каждый из регуляторов 9, 10 отстроен не только на поддержание максимального давления, но его пропускная способность рассчитана на производительность компрессора. Уменьшение тепловой нагрузки объекта 5 приводит к понижению температуры перед объектом 5, контролируемой с помощью датчика 7. Вначале температуру поддерживают за счет повышения мощности электронагревателя, но до определенного значения, после чего переводят работу установки на другую пару регуляторов 11, 12, отстроенных на поддержание меньшего давления всасывания и нагнетания компрессора 1. Для этого закрывают вентиль 17 и отключают регулятор 9, открывают вентиль 19 и подключают регулятор 11, регулирующим вентилем 13 за счет отвода части криоагента после компрессора 1 в ресивер 8 плавно понижают давление нагнетания и всасывания компрессора. При достижении давления на всасывании, равным давлению настройки регулятора 11, открывают вентиль 20 и подключают регулятор поддержания давления нагнетания 12. Вентиль 18 закрывают и отключают регулятор 10, закрывают регулирующий вентиль 13. Переход работы установки на новый режим работы с другой парой регуляторов 11 и 12 обеспечивает уменьшение холодопроизводительности за счет снижения расхода в компрессоре и турбодетандерах при сохранении неизменной степени сжатия в компрессоре и степени расширения в турбодетандерах и, как следствие, приводит к сокращению потребляемой мощности при сохранении КПД компрессора и турбодетандеров. При переходе на новый режим работы мощность электронагревателя 7 доводят до минимально возможной, сохраняя стабильной температуру перед объектом 5. После включения в работу новой пары регуляторов 11 и 12 производят также стабилизацию нового давления на всасывании. При снижении давления на всасывании ниже заданного рабочего значения регулятор 11, пропускная способность которого рассчитана только на 15-20% от производительности компрессора, восстановит давление за счет подпитки газа из ресивера 8, а при достижении заданного значения давления регулятор 11 отключается, при этом также закрывается обратный клапан 15, на котором постоянно контролируется перепад давления с помощью датчика перепада давления 16. Повышение давления на всасывании компрессора выше заданного сопровождается возникновением перепада давления на обратном клапане 15 независимо от абсолютного значения давления. При достижении определенного значения перепада производят плавное открытие вентиля 13, что приводит к отводу части криоагента после компрессора 1 в ресивер 8 и, как следствие, к восстановлению перепада давления до заданного рабочего значения, а следовательно, и давления всасывания. В случае повышения давления после компрессора 1 выше давления, на которое отстроен регулятор 12, производят частичное байпасирование криоагента на всасывание компрессора с его помощью, при этом его пропускная способность рассчитана на полную производительность компрессора, что позволяет не останавливать компрессор даже в случае аварийной остановки турбодетандеров.

Обратный перевод установки на работу с регуляторами 9 и 10 производят в случае роста тепловой нагрузки объекта до ее максимального значения. В этом случае первоначально уменьшают мощность электронагревателя 6 и при достижении определенного значения осуществляют перевод работы установки на режим с регуляторами 9 и 10. С этой целью отключают регулятор 12, закрывая вентиль 20, открывают вентиль 18 и подключают регулятор 10. Вентилем 14 поднимают давление на всасывании до давления отстройки регулятора 9, после чего открывают вентиль 17 и подключают к работе регулятор 9, закрывают вентили 14 и 19. С подключением регуляторов 9 и 10 установка снова работает в режиме максимальной холодопроизводительности, при этом необходимую стабилизацию температуры 7 перед объектом 5 также обеспечивают регулированием мощности электронагревателя 6, но при этом требуется минимальная величина мощности электронагревателя.

Пример конкретного осуществления способа приводится ниже.

Данный способ осуществляется в гелиевой рефрижераторной установке производительностью 5000 Вт, работающей на температурном уровне 20 К.

В режиме максимальной холодопроизводительности криоагент, например гелий, сжимается с помощью винтового компрессора с оптимальной степенью сжатия с 0,35 МПа до давления 2,5 МПа, при этом давление на всасывании компрессора поддерживается с помощью регулятора 9, а на нагнетании с помощью регулятора 10, которые подключены к ресиверу 8. После компрессора гелий с расходом 5000 нм³/ч проходит рекуперативный теплообменник 2 и поступает в турбодетандер 3 с температурой 90 К, где расширяется с давления 2,5 МПа до давления 1,5 МПа. После детандера гелий поступает в теплообменник 21, где охлаждается до 20 К - температуры криостатирования объекта 5. В объекте 5 гелий прогревается до 25 К и поступает в турбодетандер 4, где расширяется до 0,35 МПа и охлаждается до 18 К, а далее, отдав свой холод в теплообменниках 2,21, поступает на всасывание компрессора 1. В этом режиме производительность установки обеспечивает компенсацию максимальной тепловой нагрузки объекта 5000 Вт на уровне 20 К.

В случае снижения тепловой нагрузки в криостатируемом объекте 5 начинает снижаться температура перед объектом, контролируемая с помощью датчика температуры 7. Сначала температуру поддерживают за счет увеличения мощности нагревателя 6 и тем самым компенсируют уменьшение тепловой нагрузки объекта 5. При снижении тепловой нагрузки, например, на 40-60% от максимального значения и работе объекта 5 в данном тепловом режиме длительное время, например более 4 часов, работа криогенной установки в режиме максимальной холодопроизводительности становится экономически неоправданной. Снижение холодопроизводительности осуществляют изменением весового расхода в компрессоре за счет снижения давления на всасывании отключением регулятора 9 и подключением регулятора 11, который заранее отстраивают на более низкое давление. Так при снижении тепловой нагрузки на 50% максимального значения регулятор 11 отстраивают на давление 0,22 МПа, а регулятор давления 12 на поддержание давления нагнетания 1,5 МПа, при котором степень сжатия в компрессоре остается равной оптимальному значению. Производительность компрессора при снижении давления всасывания с 0,35 МПа до 0,22 МПа уменьшается с 5000 нм³/ч (850 кг/ч) до 3000 нм³/ч (500 кг/ч).

При переходе компрессора на новый режим работы автоматически уменьшается расход гелия через турбины с 850 кг/ч до 500 кг/ч, входное и выходное давления, но при этом остается практически неизменной степень расширения гелия в турбодетандерах и температурный режим работы. Переход установки на режим работы с меньшей холодопроизводительностью естественно сопровождается снижением мощности нагревателя 6, работа которого в этом случае заключается в нивелировании заданной температуры перед объектом 5. При переводе работы установки с новой парой регуляторов 11 и 12 стабилизация давления обратного потока производится по контролю перепада давления, возникающему на обратном клапане 15 с помощью датчика перепада давления 16, что позволяет проводить автоматическое регулирование независимо от величины давления всасывания передачей соответствующей команды на регулирующий вентиль 13.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет эффективно регулировать холодопроизводительность криогенных установок в широком диапазоне изменения тепловой нагрузки криостатируемого объекта без усложнения конструкции компрессоров и турбодетандеров с сохранением оптимального значения КПД.

Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям “изобретательский уровень” и “промышленная применимость”.

Источники информации

1. Страхович и др. Расширительные машины. Москва, 1967, с.207-213.

2. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, серия ХМ-7, №1(2), 1971 г., стр.1-8.

3. Натако Хироси. Успехи криогеники. РЭЙТО, Refrigeration, 1978, т.53, №612, с.919-927.