Спосіб отримання низьких температур

МПК 6: F 25 В 1/00; С 09 К 5/00; СПОСІБ ОТРИМАННЯ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР Винахід відноситься до морозильної техніки і може бути використай у кріохірургії для кріодеструкціі в інтервалі температур мінус 13 0 - мінус 190 градусів за Цель сієм, а також для заморожування та довгострокового зберігання різних біологічних матеріалів, донорських органів, вакцин, сивороток. Відомо, що заморожування біологічних об"єктів проводять у строго заданому інтервалі низьких температур до мінус 170 градусів за Цельсіем, який визначається необхідним впливом на ці об"єкти. Такі низькі температури отримують стисненням кріоагента до робочого тиску 7,0 -12,0 МПа (70 - 120 кг/ см2) за допомогою, що найменше двох, дросельних регенеративних циклів. Але створення такого тиску вимагає значних витрат енергії, що знижує термодинамічний ККД і питоме об"ємне холодовиробництво (див. кн. Грезин А.К., Зиновьев B.C. Микрокриогенная техника. М. "Машиностроение", 1978, с. 90-94). Також відомо, що низькі температури можно отримати за допомогою агентів, котрі мають низькі точки кипіння, що підвищує термодинамічний ККД і питоме об"ємне холодовиробництво, але при використанні таких кріоагентів ускладнюється спосіб отримання низьких температур (див. авт.св. СРСР № 342482, кл. F 25 В 1/00, 1972) . Разом з тим, найбільш близьким до винаходу способом отримання низьких температур є спосіб отримання низьких температур шляхом стиснення багатокомпонентної суміші кріоагентів компресором, їх конденсацію у конденсаторі, дроселювання, випарювання у випарювачі та направлення зворотнім потоком з випарювача у компресор і одночасне охолодження прямого потоку суміші кріоагентів зворотнім їх потоком у теплообміннику (див. авт.св. СРСР №511481, кл. F 25 В 1/00, 1976). У даному способі як кріоагент використовують суміш з наступних кріоагентів: азот - 30-50 об., %, етан - 25-35 об., % , пропан - 25-35 Охолодження прямого потоку багатокомпонентної суміші кріоагентів зворотнім їх потоком до операції стиснення суміші кріоагентів у компресорі дещо підвищує термодинамічний ККД і питоме об"ємне холодовиробництво на рівні охолодження мінус 130 - 170 градусів за Цельсієм. - 2 Але оптимальний робочий тиск кріоагентів 7,0 - 12,0 МПа (70 - 12 0 кг/см2) у відомому способі, що знижує термодинамічний ККД і питоме об"ємне холодовиробництво. В основу винахода покладена задача удосконалити спосіб отримання низьких температур шляхом зміни сукупності операцій, їх послідовності прожодження у часі та використанням певних кріоагентів та пристроїв, що забезпечить підвищення термодинамічного ККД і питомого об"ємного холодовиробництва на рівні охолодження мінус 130 - мінус 190 градусів за Цельсієм при зниженні тиску стискання кріоагентів до 1,5 - 4,0 МПа (15 - 40 кг/см2). Ця задача вирішена способом отримання низьких температур шляхом стиснення багатокомпонентної суміші кріоагентів компресором, їх конденсацію у конденсаторі, дроселювання, випарювання у випарювачі та направлення зворотнім потоком з випарювача у компресор і одночасного охолодження прямого потоку суміші кріоагентів зворотнім їх потоком у теплообміннику, при цьому як багатокомпонентну суміш кріоагентів використовують кріоагенти з високою і низькою точками кипіння, конденсацію суміші кріоагентів у конденсаторі здійснюють до конденсації кріоагентів з високою точкою кипіння і одночасно виконують розчинення кріоагентів з низькою точкою кипіння в зконденсованій суміші кріоагентів з високою точкою кипіння, охолодження прямого потоку суміші кріоагентів у теплообміннику здійснюють до конденсації кріоагентів з низькою точкою кипіння, при цьому повну конденсацію суміші кріоагентів здійснюють у теплообміннику. Як кріоагенти з високою точкою кипіння використовують хладон 404А, хладон 134А, пропан, изобутан. Як кріоагенти з низькою точкою кипіння використовують азот, хладон 14, хладон 23, метан, етан, пропилен. Як кріоагенти з високою точкою кипіння використовують хладон 404А, хладон 134А, а як кріоагенти з низькою точкою кипіння використовують азот, хладон 14, хладон 23 при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Азот — 15 - ЗО; Хладон 14 10 - 15 Хладон 23 10 - 30 Хладон 404А - 10 - 30 Хладон 134А - зо - 60 Як кріоагенти з високою точкою кипіння використовують пропан та изобутан, а як кріоагенти з низькою точкою кипіння використовують азот, метан, етан при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Азот - 2 6 + 1 ; Метан - 16 ± 1; Етан -16+1; - 3 Пропан - 16 + 1; Изобутан - 2 6 + 1 . Можливий варіант виконання способу, коли суміш кріоагентів з пропану, изобутану, азоту, метану, етану використовують при наступному співвідношенні кріоагентів. Азот - - 10 - 15; Метан - 10 - 15; Етан - 10 - 15; Пропан - 10 - 15; Изобутан - 40 - 60. Також можливий варіант виконання, коли суміш кріоагентів з пропану, изобутану, азоту, метану, етану використовують при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Азот - 10 20; Метан - 10 20; Хладон 14 - 5 10; Етан - 10 15; Пропан - 10 25; а. Изобутан - Ре Можливий варіант виконання, коли як кріоагенти з низькою точкою кипіння використовують хладон 14 та пропилен, а як кріоагент з високою точкою кипіння використовують изобутан при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Хладон 14 - 20 - 25; Пропилен - ЗО - 62 ; Изобутан - Решта. Використання як кріоагента багатокомпонентної суміші кріоагентів з високою і низькою точками кипіння, здійснення конденсації суміші кріоагентів у конденсаторі до конденсації кріоагентів з високою точкою кипіння і одночасного з цим розчинення кріоагентів з низькою точкою кипіння в зконденсованій суміші кріоагентів з високою точкою кипіння, здійснення охолодження прямого потоку суміші кріоагентів у теплообміннику до конденсації кріоагентів з низькою точкою кипіння, при цьому здійснення повної конденсації суміші кріоагентів у теплообміннику забезпечує підвищення термодинамічного ККД і питомого об"ємного холодовиробництва на рівні охолодження мінус 130 - 190 градусів за Цельсієм при зниженні тиску стискання кріоагентів до 1,5 - 4,0 МПа (15 - 40 кг/см2). Як кріоагенти з високою точкою кипіння використовують хладон 4 04А, хладон 134А, пропан, изобутан, що забезпечує розчинення в них кріоагентів з низькою точкою кипіння, підвищення термодинамічного ККД і питомого об"ємного - 4 холодовиробництва на рівні охолодження мінус 130 - мінус 190 градусів за Цельсієм при зниженні тиску стискання кріоагентів до 1,5 - 4,0 МПа (15 - 40 кг/см2). Як кріоагенти з низькою точкою кипіння використовують азот, хладон 14, хладон 23, метан, етан, пропилен, що забезпечує розчинення цих кріоагентів у кріоагентах з високою точкою кипіння, підвищення термодинамічного ККД і питомого об"ємного холодовиробництва на рівні охолодження мінус 130 - мінус 190 градусів за Цельсієм при зниженні тиску стискання кріоагентів до 1,5 - 4,0 МПа (15 - 40 кг/см2). Як кріоагенти з високою точкою кипіння використовують хладон 404А, хладон 134А, а як кріоагенти з низькою точкою кипіння використовують азот, хладон 14, хладон 23 при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Азот — 1 - ЗО; Хладон 14 1 15; Хладон 23 1 ЗО; Хладон 404А - 1 ЗО; Хладон 134А - ЗО 60, що забезпечує підвищення термодинамічного ККД і питомого об"ємного холодовиробництва на рівні охолодження мінус 170 - мінус 190 градусів за Цельсієм при зниженні тиску стискання кріоагентів до 2,0 -2,5 МПа (20 - 25кг/см2). Як кріоагенти з високою точкою кипіння використовують пропан та изобутан, а як кріоагенти з низькою точкою кипіння використовують азот, метан, етан при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Азот 26 ± 1 Метан 16 ± 1 Етан 16 ± 1 Пропан 16 ± 1 Изобутан - 26 ± 1 що забезпечує підвищення термодинамічного ККД і питомого об"ємного холодовиробництва на рівні охолодження мінус 170 - мінус 190 градусів за Цельсієм при зниженні тиску стискання кріоагентів до 2,5 4,0 МПа (25-40 кг/см2). Можливий варіант виконання способу, коли суміш кріоагентів з пропану, изобутану, азоту, метану, етану використовують при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Азот 1 15; Метан 1 15; Етан 1 15; Пропан 1 15; Изобутан - 4 60, що забезпечує підвищення термодинамічного ККД і питомого об"ємного холодовиробництва на рівні охолодження мінус 17 0 - мінус 190 градусів за - 5 Цельсієм при зниженні тиску стискання кріоагентів до 1,5 - 1,6 МПа (15 - 16 кг/см2). Також можливий варіант виконання, коли суміш кріоагентів з пропану, изобутану, азоту, метану, етану використовують при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: 20; Азот - 10 Метан - 10 20; Хладон 14 - 5 Ю; Етан - 10 15; Пропан - 10 25; Изобутан - Ре Решта, що забезпечує підвищення термодинамічного ККД і питомого об"ємного холодовиробництва на рівні охолодження мінус 170 - мінус 190 градусів за Цельсієм при зниженні тиску стискання кріоагентів до 1,5 - 2, 0 МПа {15 - 20 кг/см2). Можливий варіант виконання, коли як кріоагенти з низькою точкою кипіння використовують хладон 14 та пропилен, а як кріоагент з високою точкою кипіння використовують изобутан при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Хладон 14 - 20 - 25; Пропилен - ЗО - 62; Изобутан - Решта, що забезпечує підвищення термодинамічного ККД і питомого объемного холодовиробництва на рівні охолодження мінус 130 - мінус 150 градусів за Цельсієм при зниженні тиску стискання кріоагентів до 1,5 2,5 МПа {15 - 25 кг/см2). Далі винахід пояснюється детальним описом і кресленнями, на котрих зображено: фіг.1 зображена схема пристрою отримання низьких температур; фіг. 2 зображен спосіб отримання низьких температур у діаграмі ентропія-температура. Спосіб отримання низьких температур здійснюють наступним шляхом. Багатокомпонентну суміш парів кріоагентів, переважно кріоагентів з високою точкою кипіння як хладон 404А, хладон 134А та кріоагентів з низькою точкою кипіння як азот, хладон 14, хладон 2 3 при наступному їх співвідношенні, об.,%: Азот - 15 - ЗО; Хладон 14 - 10 - 15; Хладон 23 - 10 - ЗО; Хладон 404А - 10 - ЗО; Хладон 134А - 3 0 - 6 0 стискають у компресорі. Процес стиснення відповідає лінії 1 - 2 на фіг. 2. Потім стиснену нагріту суміш парів кріоагентів охолоджують спочатку у конденсаторі до конденсації кріоагентів з високою точкою кипіння, а саме: хладон 404А, хладон 134А {лінія 2 - 3 на фіг.2) і - б одночасно виконують розчинення парів кріоагентів з низькою точкою кипіння у рідині зконденсованій суміші кріоагентів з високою точкою кипіння. Після цього охолоджують суміш кріоагентів у паро-рідинному стані у теплообміннику до конденсації кріоагентів з низькою точкою кипіння, а саме, переважно, азоту, хладону 14, хладону 23 та у теплообміннику 2 , при цьому, здійснюють повну конденсацію суміші кріоагентів (лінія 3 - 4 на фіг. 2), зберігая підвищений тиск. Суміш кріоагентів у рідинному стані дроселюють скрізь дросель (лінія 4 - 5 на фіг. 2). У випарнику суміш кріоагентів кипить при низький температурі на рівні охолодження мінус 130 - мінус 190 градусів за Цельсієм і тиску 1,5 - 4,0 МПа. Необхідна для кипіння теплота віднімається від охолоджуваного біологічного об"єкта, завдяки чому охолоджується він з відповідним зниженням температури (див. фіг. 2, лінія 5 - б). З випарника суміш парів кріоагентів спочатку подають зворотнім потоком у теплообмінник. У теплообміннику зворотній потік у рідинному стані охолоджує прямий потік у стані пару (див. фіг. 2, лінія 6 - 1 ) . Після теплообмінника зворотній потік суміші кріоагентів подають у компресор на повторне стиснення. Як кріоагенти з високою точкою кипіння можуть використовуватись хладон 404А, хладон 134А, пропан, изобутан. Як кріоагенти з низькою точкою кипіння можуть використовуватись азот, хладон 14, хладон 23, метан, етан, пропилен. Для отримання холоду на температурному рівні мінус 17 0 - мінус 190 градусів за Цельсієм як кріоагенти з високою точкою кипіння можуть використовуватись хладон 4 04А, хладон 134А, а як кріоагенти з низькою точкою кипіння азот, хладон 14, хладон 23 при наступному співвідношенні 5кріоагентів, Азот - 1 ЗО; 15; 30; ЗО; 60. Для отримання холоду на Хладон 14 1 температурному рівні мінус 17 0 Хладон 23 1 - мінус 190 градусів за Цельсієм як Хладон 404А - 1 кріоагенти з високою Хладон 134А - ЗО точкою кипіння можуть використовуватись пропан та изобутан, а як кріоагенти з низькою точкою кипіння - азот, метан, етан при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Азот -26+1; Метан - 16 ± 1; Етан -16+1; Пропан - 16 + 1; — 7 — Из обутан - 2 6 + 1 Для отримання холоду на температурному рівні мінус 170 - мінус 190 градусів за Цельсієм можливий варіант виконання способу, коли суміш кріоагентів з пропану, изобутану, азоту, метану, етану використовують при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Азот 10 - 15 Метан 10 - 15 Етан 10 - 15 Пропан 10 - 15 Изобутан - 40 - ; 60 Для отримання холоду на температурному рівні мінус 170 - мінус 190 градусів за Цельсієм також можливий варіант виконання, коли суміш кріоагентів з пропану, изобутану, азоту, метану, етану використовують при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Азот - 10 20; 20; 10; 15; 25; а Для отримання холоду на Метан - 10 температурному рівні мінус 130 Хладон 14 - 5 - мінус 150 градусів за Цельсієм Етан - 10 можливий варіант Пропан - 10 виконання, коли як кріоагенти з низькою Изобутан - Ре точкою кипіння використовують хладон 14 та пропилен, а як кріоагент з високою точкою кипіння використовують изобутан при наступному співвідношенні кріоагентів, об.,%: Хладон 14 - 20 - 25; Пропилен - ЗО - 62; Изобутан - Решта. Зниження ступеню стиску у компресорі з 7,0 - 12,0 МПа (70 - 120 кг/см2) до 1,5 - 4,0 МПа (15 - 40 кг/см2) дозволяє підвищити коефіцієнт подачі компресора і відповідно ККД компресора і підвищити термодинамічний ККД, питоме об"ємне холодовиробництво на рівні охолодження мінус 130 - мінус 190 градусів за Цельсієм і підвищити економічність способу у цілому. - 8 - ПЕРЕЛІК ВУЗЛІВ І ДЕТАЛЕЙ 1 - Компресор 2 - Конденсатор 3 - Фільтр 4 - Теплообмінник 5 - Дросель 6 - Випаровувач ФІГ. 1 СПОСІБ ОТРИМАННЯ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР Автори: Мостицький А.В. Тихонов B.I. Побірчий О.О. Баклан О.В. Прокопенко О.Д. СПОСІБ ОТРИМАННЯ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР т,°с о S, кДж/(кг.К) Фіг. 2 Автори: Мостицький А.В. Тихонов B.I. Побірчий О.О. Баклан О.В. Прокопенко О.Д.