Спосіб отримання низьких температур

Реферат: Спосіб отримання низьких температур в компресійній холодильній установці, що працює на суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах, включає їх стиснення у компресорі, нагнітання та попереднє охолодження прямого потоку високого тиску до часткового зрідження у теплообмінному пристрої-конденсаторі, нагнітання прямого потоку високого тиску до теплообмінного пристрою-рекуператора, додаткове охолодження зворотнім потоком низького тиску до повного зрідження у теплообмінному пристрої-рекуператорі, нагнітання прямого потоку високого тиску до дросельного пристрою, дроселювання і нагнітання прямим потоком підвищеного тиску до випарника, його розширення до часткового випаровування з відбором теплоти і попереднього нагрівання від охолоджуваного об'єкта у випарнику, всмоктування зворотнім потоком низького тиску до теплообмінного пристрою-рекуператора, його додаткове нагрівання прямим потоком високого тиску до повного випаровування холодоагентів у теплообмінному пристрої-рекуператорі і всмоктування холодоагентів зворотнім потоком низького тиску у компресор для повторного стиснення. Як холодоагенти, що киплять при різних температурах використовують ізобутан, етилен, метан та азот. Повне зрідження холодоагентів у теплообмінному пристрої-рекуператорі здійснюють дробленням прямого потоку високого тиску з одночасним додатковим охолодженням зворотнім потоком низького тиску, а повне випаровування холодоагентів у теплообмінному пристрої-рекуператорі здійснюють шляхом зменшення швидкості руху зворотного потоку низького тиску і дробленням його при додатковому нагріванні прямим потоком високого тиску. UA 97678 U (12) UA 97678 U UA 97678 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до технології отримання холоду до мінус 170 °C і може бути використана для заморожування та довгострокового зберігання у клініках різних об'єктів медичного призначення в холодильних камерах об'ємами до 160 кубічних дециметрів ультра низькотемпературних холодильників. З термодинаміки відомо, що принцип роботи холодильних систем оснований на фазових переходах - випарюванні та конденсації або інакше, в яких використовується робоче тіло, що піддається тиску і випарюванню. При нормальному атмосферному тиску робоче тіло (надалі холодоагенти) компресійних холодильних установок мають газоподібне стан. Під тиском в герметичних ємностях вони зріджуються. Фазовий стан холодоагентів в окремих складових частинах герметичних компресійних холодильних установок залежить від тиску і температури. При високому тиску - це рідина, а при низькому - газ. При стисненні холодоагент нагрівається, а при розширенні - кипить з відбором теплоти у оточуючого середовища і випаровується, охолоджуючи це середовище. В компресор установки повинен надходити обов'язково газоподібний холодоагент, щоб не відбувалися гідравлічні удари і руйнування деталей компресора. Відомий спосіб для отримання низьких температур шляхом стиснення холодоагенту до робочого тиску за допомогою, щонайменше двох, дросельних регенеративних циклів або в двоступеневій компресійній холодильній установці (див., наприклад, кн. Грезин А.К., Зиновьев B.C. Микрокриогенная техника. - М.: "Машиностроение", 1978. - С. 90-94). Створення робочого тиску за допомогою декількох дросельних регенеративних циклів вимагає значних витрат енергії, що знижує термодинамічний коефіцієнт корисної дії (в подальшому - ККД), питому об'ємну холодопродуктивність і підвищує вартість компресійних установок. Для підвищення термодинамічного ККД і питомої об'ємної холодопродуктивності були створені одноступеневі компресійні холодильні установки, в яких був реалізований спосіб регенерації теплоти, а також багатокомпонентні суміші холодоагентів, які мають у своєму складі речовини з низькою і високою точками кипіння (див., наприклад, авт.св. СРСР № 342482, кл. F25В 1/00, 1972, пат. США № 3872682, кл. 62-114, 1975 г.). Для позначення цього класу холодоагентів використовується абревіатура: CFC - (chlorine-fluorine-carbon) - по першим літерам латинських назв хімічних елементів, що входять до складу холодоагенту; ХФУ - (хлор - фтор - углерод) - по першим літерам російських назв хімічних елементів, що входять до складу холодоагенту. Позначення кожного класу холодоагенту включає в себе літеру R - (refrigerant - хладагент). Раніше у побутових установках використовувався холодоагент R-12 (фреон-12, дифтордихлорметан CF2C12). В середині минулого століття був синтезований і став широко використовуватися клас холодоагентів - гідрохлорфторуглеродів - HCFC (ГХФУ). Найбільше розповсюдження отримали холодоагенти цього класу R-22 і R-502. В установках, в яких реалізований спосіб регенерації теплоти, прямий високого тиску потік робочого тіла додатково охолоджують зворотнім потоком низького тиску. Таким чином, використання регенерації теплоти і суміші холодоагентів дозволяє отримати низькі температури відносно недорого. Так відомий спосіб отримання низьких температур (див. патент України № 31652 А, кл. С09К 5/00, кл. F25В 1/00, бюл. № 7, 15.12.2000), що є близьким за технічною суттю, кількістю суттєвих ознак до способу, що заявляється. Відомим способом за допомогою одного дросельного регенеративного циклу або одноступеневої компресійної холодильної установки з використанням регенерації теплоти і суміші холодоагентів отримані низькі температури на рівні до мінус 170 °C. Згідно з відомим способом, як холодоагенти використовують хладон 404А, хладон 134А, пропан, ізобутан, азот, хладон 14, хладон 23, метан, етан, пропилен, а низькі температури отримують шляхом їх стиснення у компресорі, нагнітання прямим потоком високого тиску до теплообмінного пристрою-конденсатора, попереднього охолодження прямого потоку високого тиску до часткового зрідження у теплообмінному пристрої-конденсаторі, нагнітання прямим потоком високого тиску до теплообмінного пристрою-рекуператора, додаткового охолодження зворотнім потоком низького тиску до повного зрідження у теплообмінному пристрої-рекуператорі, нагнітання прямим потоком високого тиску до дросельного пристрою, дроселювання прямого потоку високого тиску до зниження його тиску, нагнітання прямим потоком підвищеного тиску до випарника, його розширення до часткового випаровування з відбором теплоти і попереднього нагрівання від охолоджуваного об'єкта у випарнику, всмоктування з формуванням зворотного потоку низького тиску до теплообмінного пристрою-рекуператора, його додаткового нагрівання прямим потоком високого тиску до 1 UA 97678 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 повного випаровування холодоагентів у теплообмінному пристрої-рекуператорі, всмоктування холодоагентів зворотного потоку низького тиску у компресор для повторного стиснення. Відповідно до відомого способу, у теплообмінному пристрої-рекуператорі охолодження прямого потоку здійснюють до конденсації (тобто зрідження) кріоагентів з низькою точкою кипіння і їх розчинення одночасно у зконденсованих (тобто зріджених) кріоагентах з високою точкою кипіння, .але для розчинення один в одному кріоагентів різних за фазовим станом теплообмінний пристрій-рекуператор має значні геометричні розміри, що не робить одноступеневу компресійну холодильну установку компактною, і при цьому створюваний компресором тиск конденсації є відносно високим і дорівнює 4,0-6,0 МПа в залежності від рівня необхідного охолодження, а також і величина витрачання холодоагентів (хлорфторвуглеці) є відносно високою, більша частина яких, як виявилось, має озоноруйнувальну здатність. Знайдений замінник для фреону R-12 - це фреон R-134a, що належить до групи HFC і не містить хлору і інші замінники фреонів - хладон 404А, хладон 14, хладон 23 належать до "парникових газів". Рішенням Монреальскої конвенції (Протокол 1987 г.) їх виробництво, використання заборонені з 1 січня 1994 року. У зв'язку з цим рішенням Монреальскої конвенції про заборону на використання так званих фреонів CFC и HCFC постало питання про пошук інших термодинамічних процесів отримання холоду. Крім цього низькотемпературний холодильник з холодильною камерою робочим об'ємом 3 120-160 дм , у якому реалізований відомий спосіб набуває значних геометричних розмірів через розміри пристрою-рекуператора. З врахуванням експериментально встановленого вищенаведеного властивості і витрачання холодоагентів впливають на розмір теплообмінника. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити спосіб отримання низьких температур шляхом наявності нових операцій, їх послідовності проведення у часі, та використання певних холодоагентів та пристроїв забезпечити отримання холоду до мінус 170 °C в камерах холодильників низькотемпературних об'ємами 120-160 кубічних дециметрів за допомогою компактної одноступеневої компресійної холодильної установки і суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах. Поставлена задача вирішена тим, що в способі отримання низьких температур за допомогою одного дросельного регенеративного циклу в компресійній холодильній установці, що працює на суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах шляхом їх стиснення у компресорі, нагнітання прямим потоком високого тиску до теплообмінного пристроюконденсатора, попереднього охолодження прямого потоку високого тиску до часткового зрідження у теплообмінному пристрої-конденсаторі, нагнітання прямим потоком високого тиску до теплообмінного пристрою-рекуператора, додаткового охолодження зворотнім потоком низького тиску до повного зрідження у теплообмінному пристрої-рекуператорі, нагнітання прямим потоком високого тиску до дросельного пристрою, дроселювання прямого потоку високого тиску до зниження його тиску, нагнітання прямим потоком підвищеного тиску до випарника, його розширення до часткового випаровування з відбором теплоти і попереднього нагрівання від охолоджуваного об'єкта у випарнику, всмоктування зворотнім потоком низького тиску до теплообмінного пристрою-рекуператора, його додаткового нагрівання прямим потоком високого тиску до повного випаровування холодоагентів у теплообмінному пристроїрекуператорі, всмоктування холодоагентів зворотнім потоком низького тиску у компресор для повторного стиснення, в способі як холодоагенти, що киплять при різних температурах, використовують ізобутан, етилен, метан та азот, у теплообмінному пристрої-рекуператорі повне зрідження холодоагентів здійснюють дробленням прямого потоку високого тиску з одночасним додатковим охолодженням зворотнім потоком низького тиску, а повне випаровування холодоагентів здійснюють шляхом зменшення швидкості руху і дробленням зворотного потоку низького тиску з одночасним додатковим нагріванням прямим потоком високого тиску. При цьому, у теплообмінному пристрої-рекуператорі дроблення потоку високого тиску для повного зрідження холодоагентів здійснюють шляхом інтенсивного обертального руху зріджених холодоагентів по гвинтоподібній траєкторії, а для повного випаровування холодоагентів зменшують швидкість руху зворотного потоку низького тиску у 2-4 рази і дроблення здійснюють шляхом пропускання його по криволінійним поверхням. Можливий варіант виконання способу, при якому ізобутан, етилен, метан та азот використовують при такому їх співвідношенні, ваг. %: ізобутан 0,4-0,7 етилен 0,2-0,4 метан 0,1-0,3 азот 0,1-0,3. 2 UA 97678 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Можливий варіант виконання способу, при якому ізобутан, етилен, метан та азот використовують при такому їх співвідношенні, ваг. %: ізобутан 0,5 етилен 0,25 метан 0,125 азот 0,125. Можливий варіант виконання способу, при якому як холодоагенти, що киплять при різних температурах використовують ізобутан, пропилен, етан, метан та азот при такому їх співвідношенні, ваг. %: ізобутан 0,4-0,7 пропилен 0,15-0,6 етан 0,2-0,4 метан 0,1-0,3 азот 0,1-0,3. Можливий варіант виконання способу, при якому ізобутан, пропилен, етан, метан та азот використовують при такому їх співвідношенні, ваг. %: ізобутан 0,4 пропилен 0,2 етан 0,2 метан 0,1 азот 0,1. Експериментально авторами встановлено, що характер процесів теплообміну і гідродинаміки в теплообмінниках обумовлений їх конструкцією, температурним рівнем і величиною витрачання холодоагентів, які, у свою чергу, визначаються типом криогенної установки і її холодопродуктивністю. Також авторами було встановлено, що властивості і витрачання холодоагентів впливають на розмір теплообмінника. Першим аспектом корисної моделі є наявність сукупності таких нових операцій і послідовність їх виконання у часі з використанням певних речовин, а саме: в способі як холодоагенти, що киплять при різних температурах, використовують ізобутан, етилен, метан та азот, у теплообмінному пристрої-рекуператорі повне зрідження холодоагентів здійснюють дробленням прямого потоку високого тиску з одночасним додатковим охолодженням зворотнім потоком низького тиску, а повне випаровування холодоагентів здійснюють шляхом зменшення швидкості руху і дробленням зворотного потоку низького тиску з одночасним додатковим нагріванням прямим потоком високого тиску. В результаті інтенсивного обертального руху зріджених холодоагентів по гвинтоподібній траєкторії незріджені холодоагенти, що у стані пари пропускають крізь шар зріджених. Відбувається дроблення безперервного об'єму незріджених холодоагентів з утворенням бульбашок з парів. Як наслідок, утворюється структурований потік з обумовленим підвищенням тиску до тиску, що відповідає тиску конденсації незріджених холодоагентів. В результаті зменшення швидкості руху зворотного потоку низького тиску при додатковому його нагріванні, але інтенсивному обертальному по гвинтоподібній траєкторії його руху взаємодія холодоагентів, що випарувалися з холодоагентами, що не випарувалися, покращилась, тобто крізь той самий шар холодоагентів, що не випарувалися, пропустили більшу кількість холодоагентів у стані рідини. Відбулося краще дроблення безперервного об'єму холодоагентів, що не випарувалися, на бульбашки. При протіканні з меншою швидкістю бульбашок по криволінійним поверхням, тобто через перепони вони стискають одна одну частіше, утворюючи бульбашки більших розмірів і лопаються частіше. Відбувається обумовлено падіння тиску у зворотному потоці до тиску, що відповідає тиску пароутворення. Таким чином, при додатковому нагріванні зворотного потоку меншої швидкості відбувся додатковий процес випаровування швидше і швидше відбулося повне випарування холодоагентів перед їх повторним стисненням. І у сукупності з іншими операціями способу це забезпечує отримання холоду до мінус 170 °C в камерах холодильників низькотемпературних об'ємами 120-160 кубічних дециметрів за допомогою компактної одноступеневої компресійної холодильної установки і суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах. Другим аспектом корисної моделі є наявність сукупності таких нових операцій і послідовність їх виконання у часі, а саме: у теплообмінному пристрої-рекуператорі дроблення потоку високого тиску для повного зрідження холодоагентів здійснюють шляхом інтенсивного обертального руху зріджених холодоагентів по гвинтоподібній траєкторії, а для повного випаровування холодоагентів зменшують швидкість руху зворотного потоку низького тиску у 2-4 рази і його дроблення здійснюють шляхом пропускання його по криволінійним поверхням. Ці операції 3 UA 97678 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 забезпечили зниження, що створюється компресором тиску конденсації і у сукупності з іншими операціями способу це забезпечує отримання холоду до мінус 170 °C в камерах холодильників низькотемпературних об'ємами 120-160 кубічних дециметрів за допомогою компактної одноступеневої компресійної холодильної установки і суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах. Іншим аспектом корисної моделі є використання інших речовин, а саме: ізобутану, пропилену, етану, метану та азоту при їх відповідному співвідношенні як робочого тіла. Авторами експериментально визначені і холодоагенти і певне їх співвідношення для отримання низьких температур до мінус 170 °C в одноступеневій компресійній холодильній установці з регенерацією теплоти і компресором відносно малої потужності в камерах холодильників низькотемпературних об'ємами 120-160 кубічних дециметрів. Доповнення описаного вище дослідження по відомим правилам будь-яким способом отримання низьких температур, що відомі авторам не призведуть до досягнення технічного результату, яким є забезпечити отримання холоду до мінус 170 °C в камерах холодильників низькотемпературних об'ємами 120-160 кубічних дециметрів за допомогою компактної одноступеневої компресійної холодильної установки і суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах. Короткий опис графічних матеріалів. В подальшому корисна модель пояснюється прикладом конкретного виконання і графічними материалами, на яких зображено: на фіг. 1 схематично зображена компресійна холодильна установка для отримання низьких температур, відповідно до корисної моделі; на фіг. 2 схематично зображений холодильний цикл з регенерацією теплоти в координатах T-S (TS-діаграма) компресійної холодильної установки для отримання низьких температур, відповідно до корисної моделі; на фіг. 3 схематично зображені прямий "θ1" і зворотній "θ2" потоки регенерації теплоти, відповідно до корисної моделі; на фіг. 4 схематично зображений розріз 1-1 фіг. 3; на фіг. 5 схематично зображений вирів 11-11 фіг. 4. Найкращий варіант виконання корисної моделі. Цей спосіб отримання низьких температур на рівні до мінус 170 °C в камерах холодильників низькотемпературних об'ємами 120-160 кубічних дециметрів за допомогою одного дросельного регенеративного циклу здійснюють в одноступеневій компресійній холодильній установці (див. фіг. 1) з використанням певного робочого тіла - суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах. В способі як холодоагенти, що киплять при різних температурах, використовують ізобутан, етилен, метан та азот, а найкращі показники досягнуті при такому їх співвідношенні, ваг. %: ізобутан 0,5 етилен 0,25 метан 0,125 азот 0,125. Можливий варіант виконання способу, при якому як суміш холодоагентів, що киплять при різних температурах, використовують ізобутан, пропилен, етан, метан та азот при такому їх співвідношенні, ваг. %: ізобутан 0,4 пропилен 0,2 етан 0,2 метан 0,1 азот 0,1. Температури кипіння холодильних агентів при тиску 760 мм рт. ст. прописані у таблиці 1 (див. Таблицю). В способі один дросельний регенеративний цикл здійснюють в одноступеневій компресійній холодильний установці, що містить компресор 1, теплообмінний пристрійконденсатор 2, теплообмінний пристрій-рекуператор 3, дросельний пристрій 4, випарнику 5, що зв'язані між собою відповідною системою трубопроводів високого тиску 6 і низького тиску 7 для створення прямого високого тиску "1" і зворотного низького тиску "2" потоків робочого тіла відповідно (див. фіг. 1, 2). Теплообмінний пристрій-рекуператор 3 містить щонайменше один нагнітаючий трубопровід 8, сердечник 9 у вигляді циліндра сталого січення і обичайку 10 також у вигляді циліндра сталого січення. Нагнітаючий трубопровід 8 виконаний скрученим у вигляді циліндричних спіралей з гвинтоподібним каналом в середині, а назовні - почергово розташованих виступів з витків спіралі і западин між витками спіралі (див. фіг. 3 і 4). Сердечник 4 UA 97678 U 5 10 9 і обичайка 10 розташовані співвісними один до одного і з зазором між ними з утворенням впускної камери 11, кільцеподібного каналу 12 та випускної камери 13, які разом, відповідно до корисної моделі, являють собою всмоктуючий трубопровід. До верхньої і нижньої поверхонь обичайки 10 вмонтовані з'єднуючі штуцери 14. Теплообмінний пристрій-рекуператор 3 також містить криволінійний елемент 15, розташований на нагнітаючому трубопроводі 8, що являє собою скручену циліндричну спіраль з, наприклад мідної трубки. Підвід і відвід теплоти описується TS-діаграмою через зміну ентропії S, де і нижче позначено таке (див. фіг. 2): S - ентропія; при підводі до робочого тіла теплоти його ентропія зростає, а при відводі теплоти - зменшується; Т - температура; точками а, b, с, …, позначений стаціонарний характерний стан робочого тіла; Таблиця Холодильний агент і його назва за ИЮПАК (англ. International Union of Pure and Applied Chemistry, IU РАС) Ізобутан (англ. isobutane; метилпропан, 2метилпропан) Пропилен (англ. propylene, нім. Рrореn, methyleethylene) Пропан (англ. propane, нім. Рrораn) Етилен (англ. Ethene) Етан (англ. Ethane) Метан (англ. Methane, Tetrahvdridocarbon) Азот (лат. Nitroqenium, нім. Stickstoff) 15 20 25 30 35 40 45 Хімічна формула Температура кипіння при тиску 760 мм рт. ст, °C С4Н10 tкип = -11,7 °C С3Н6 tкип = -47,75 °C СН3СН2СН3 С2Н4 С2Н6 СН4 N tкип = -42,07 °C tкип = -103,71 °C tкип = - 88,63 °C tкип = -161,6 °C tкип = -195,8 °C Підвід і відвід теплоти описується TS-діаграмою через зміну ентропії S, де нижче позначено таке (див. фіг. 2): S - ентропія; при підводі до робочого тіла теплоти його ентропія зростає, а при відводі теплоти - зменшується; Т - температура; точками а, b, с, …, позначений стаціонарний характерний стан робочого тіла; лініями а-b, b-с і т.п. - зміни параметрів робочого тіла, що відповідають процесам, що відбуваються в установці; То - температура оточуючого середовища; Тконд п - температура початку конденсації робочого тіла; Тконд k - температура кінця конденсації робочого тіла; Ткип п - температура початку кипіння робочого тіла; Ткип к - температура кінця кипіння робочого тіла; q0 - кількість тепла, що віднімається від охолоджуваного об'єкта. Рконд - тиск конденсації Ркип - тиск кипіння. Суміш зазначених вище парів холодоагентів, що містить холодоагенти, що киплять при більш високих температурах, переважно ізобутан, та холодоагенти, що киплять при більш низьких температурах, переважно етилен, метан та азоту відповідному їх співвідношенні стискають у компресорі 1 (див. фіг. 1) до тиску конденсації переважно ізобутану -1,5 МПа - 2,5 МПа. Процес стиснення парів холодоагентів відповідає лінії а - b на TS-діаграмі (див. фіг. 2). При стисненні у компресорі 1 парів холодоагентів їх температура Т підвищується через внутрішнє тертя між рухомими холодоагентами, тертя мастила і т.п. (процесу а - b на TSдіаграмі); при цьому в оточуюче середовище з температурою То передається питома (тобто на одиницю кількості холодоагентів) теплота q0, що умовно відповідає заштрихованій площі на фіг. 2. Тиск кипіння Ркип і тиск конденсації Рконд однозначно пов'язані з температурою кипіння робочого тіла Ткип і температурою конденсації Тконд робочого тіла, тобто переважно ізобутану, етилену, метану та азоту, і температура конденсації Т конд визначається температурою об'єкта, що охолоджується. Стиснену і при стисненні нагріту суміш парів переважно ізобутану, етилену, метану та азоту нагнітають до теплообмінного пристрою-конденсатора 2. У теплообмінному пристроїконденсаторі 2 нагріті пари переважно ізобутану охолоджують до тиску конденсації переважно 5 UA 97678 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ізобутану; відбувається зміна фазового стану нагрітих парів у рідину (лінія b - с). При цьому нагріті пари переважно етилену, метану та азоту знаходяться у пароподібному фазовому стані і, таким чином, у теплообмінному пристрої-конденсаторі 2 робоче тіло частково зріджують. Процес охолодження робочого тіла відповідає лінії b – с - d на TS- діаграмі (див. фіг.2). Для зміни фазового стану ізобутану від кожної одиниці його маси відводять теплоту, що дорівнює питомій теплоті конденсації або питомій теплоті пароутворення. У теплообмінному пристроїконденсаторі 2 об'єм рідини залишається незмінним, поки зміни тиску пара або температури не призведуть відповідні зміни інтенсивності зрідження. Після теплообмінного пристрою-конденсатора 2 робоче тіло у паро-рідинному стані з зрідженого переважно ізобутану і не зріджених переважно етилену, метану та азоту, тобто прямий потік високого тиску "1" через фільтр-висушувач (на фіг. 1 не зображений) нагнітають до теплообмінного пристрою-рекуператора 3, що містить, переважно один нагнітаючий трубопровід 8 високого тиску для прямого потоку "1" і один всмоктуючий трубопровід 9 низького тиску для зворотного потоку "2" (див. фіг. 3, 4, 5). Нагнітаючий трубопровід 8 теплообмінного пристрою-рекуператора 3 скручений у вигляді циліндричної спіралі, витки якого виконані з однаковим шагом з гвинтоподібним каналом всередині. Таким чином, за допомогою нагнітаючого трубопроводу 8 прямому потоку під тиском придають гвинтоподібну траєкторію руху відповідно до гвинтоподібному каналу всередині його (див. фіг. 3, 4, 5, позначені стрілками „1"). При цьому зріджений холодоагент переважно ізобутан набуває обертальний рух, а не зріджені (у пароподібному фазовому стані) холодоагенти переважно етилен, метан та азот поводять себе як пар і нагнітаються прямолінійно. В результаті інтенсивного обертального руху зрідженого переважно ізобутану по гвинтоподібній траєкторії незріджені (у пароподібному фазовому стані) холодоагенти переважно етилен, метан та азот пропускають крізь шар зрідженого переважно ізобутану. Відбувається дроблення безперервного об'єму незріджених переважно етилену, метану та азоту з утворенням бульбашок з парів етилену, метану та азоту. Як наслідок, утворюється структурований потік з обумовленим підвищенням тиску до тиску, що відповідає тиску конденсації незріджених переважно етилену, метану та азоту. При цьому одночасно прямий потік високого тиску "1" піддають додатковому охолодженню зворотнім потоком низького тиску "2", що всмоктують з випарника 5 до всмоктуючого трубопроводу (див. фіг. 3, 4, 5, позначений стрілками „2"). При такому додатковому охолодженні знижується температура прямого потоку високого тиску "1" і бульбашки з парів етилену, метану та азоту змішуються, лопаючись у рідині переважно ізобутану. Таким чином, відбувається додатковий процес конденсації, тобто повне зрідження робочого тіла перед дроселюванням. Процес додаткового охолодження прямого потоку високого тиску "1" відповідає лінії d - є на TSдіаграмі (див. фіг. 2). Далі здійснюють дроселювання додатково охолодженого і структурованого прямого потоку високого тиску "1". При дроселюванні крізь звуження прохідного каналу дросельного пристрою 4 здійснюється подальше незначне зниження температури, тобто переохолоджується, зберігає підвищений тиск. Дросельний пристрій 4 являє собою капілярну трубку сталого січення, де різність тиску конденсації Рконд і кипіння Ркип переважно ізобутану, етилену, метану та азоту забезпечується за рахунок гідравлічного опору по всій довжині капілярної трубки. Процес дроселювання повністю зріджених переважно ізобутану, етилену, метану та азоту відповідає лінії е - f на TS-діаграмі (див. фіг. 2). Капілярна трубка 4, що з'єднує лінії нагнітання і всмоктування, зрівноважує тиск у холодильній установці при зупиненні компресора 1. Це сприяє розвантаженню компресора 1 в момент пуску і дозволяє використовувати електродвигуни з невисоким пусковим моментом. З дросельного пристрою 4 під дією розрідження, створюваного у всмоктуючому трубопроводі компресора 1 (на фіг. не зображений) переохолоджений з підвищеним тиском потік зріджених холодоагентів, переважно з ізобутану, етилену, метану та азоту нагнітають до випарника 5. При розрідженні у випарнику 5 відбувається кипіння (випаровування) рідких холодоагентів, що киплять при більш високій температурі кипіння, переважно ізобутану повністю до пароподібного стану (див. фіг. 2, лінії f-g на TS-діаграмі). При випаровуванні холодоагенти відбирають тепло від охолоджуваного об'єкта. Процес випарування це є термодинамічний процес, при якому в результаті відбувається поглинання молекулами рідини теплової енергії. При випаруванні відбувається швидка зміна об'єму рідини переважно ізобутану, а необхідна для кипіння теплота віднімається від охолоджуваного об'єкта, завдяки чому цей об'єкт охолоджується з відповідним зниженням температури до мінус 170 °C. Процес нагрівання робочого тіла і часткового його випарування відповідає лінії f-g на TS-діаграмі (див. фіг. 2). 6 UA 97678 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 З випарника 5 робоче тіло всмоктують зворотнім потоком низького тиску "2" до теплообмінного пристрою-рекуператора 3. У теплообмінному пристрої-рекуператорі 3 зворотній потік низького тиску "2" додатково нагрівають прямим потоком високого тиску "1" (див. фіг. 2, лінія g-h на TS-діаграмі). Об'єм рідини у зворотному потоці низького тиску "02" залишається незмінним, поки зміни тиску пара або температури не призведуть відповідні зміни інтенсивності випаровування. Як зображено на фіг. 4, 5 у теплообмінному пристрої-рекуператорі 3, саме у кільцеподібному каналі 12 всмоктуючого трубопроводу зворотній потік "2" направляють по криволінійним поверхням витків спіралей, утворених скрученим нагнітаючим трубопроводом 8 і криволінійним елементом 15 на ньому, що являє собою скручену циліндричну спіраль, і витки їх спіралей розташовані у взаємно протилежних площинах; тобто направляють через перепони, які являють собою почергово розташовані виступи їх спіралей і западини між виступами їх спіралей, а також у гвинтоподібний канал, що утворений витками спіралі криволінійного елемента 15 між нагнітаючим трубопроводом 8 і сердечником 9 та між нагнітаючим трубопроводом 8 обичайкою. Як наслідок, холодоагенти, що випарувалися переважно ізобутан поводять себе як пар і всмоктуються прямолінійно, а холодоагенти, що не випарувалися (тобто у стані рідини) набувають інтенсивний обертальний рух по гвинтоподібній траєкторії, що придають витки спіралі криволінійного елемента 15. В результаті холодоагенти, що випарувалися (тобто у стані вологого пару) пропускають крізь шар холодоагентів, що не випарувалися переважно етилен, метан та азот. Відбувається розрив безперервного парорідинного зворотного потоку низького тиску "92" і дроблення холодоагентів, що не випарувалися переважно етилену, метану та азоту на бульбашки. Під дією розрідження, створюваного у всмоктуючому трубопроводі компресора 1 рідина і бульбашки протікають з відносно великою швидкістю у кільцеподібному каналі 12 всмоктуючого трубопроводу В наслідок цього у зворотному потоці "2" відбувається утворення порожнин, тобто розрідження, в які виділяються бульбашки переважно етилену, метану та азоту. Бульбашки переважно етилену, метану та азоту стискають одна одну, утворюються бульбашки більших розмірів і лопаються. Відбувається обумовлене падіння тиску у зворотному потоці "2" до тиску, що відповідає тиску пароутворення. Таким чином, у кільцеподібному каналі 12 всмоктуючого трубопроводу теплообмінного пристрія-рекуператора 3 одночасно відбувається місцеве додаткове пароутворення, що виникає після випарника 5, а необхідне тепло для повного випарування холодоагентів віднімається від їх прямого потоку високого тиску "1" і через внутрішнє тертя між рухомими холодоагентами. Процес додаткового нагрівання зворотного потоку "2" відповідає лінії h - а на TS-діаграмі (див. фіг. 2). І, як результат, перенагріта парорідинна суміш холодоагентів випаровується повністю перед повторним стисненням. Після теплообмінного пристрою-рекуператора 3 зворотній потік "2" всмоктується компресором 1 на повторне стиснення. У компресор 1 всмоктується пар з тиском Ро і температурою То. При зупинці компресора 1 відбувається вирівнювання тиску у теплообмінному пристроїконденсаторі 2 і випарнику 5, тобто Рконд  Р0, що обумовлене наявністю дросельного пристрою 4. При запуску компресора 1 тиск нагнітання підвищується не миттєво, а поступово до досягнення номінального значення тиску конденсації. Струм, що використовує електродвигун компресора 1, поступово росте одночасно з ростом тиску нагнітання. Таким чином, відповідно до корисної моделі, в способі отримання низьких температур за допомогою одного дросельного регенеративного циклу теплообмінний пристрій-рекуператор 3 працює як двофазний у замкнутому конденсаторно-випаровувальному циклі. З аналізу холодильного циклу з регенерацією теплоти у компресійній холодильній установці для отримання низьких температур відповідно до винаходу в T-S діаграмі випливає, що в процесі кипіння у випарнику 5 температура суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах змінюється від Т кип п = Т min (точка f) до Ткип к (точка h). Температура Т min визначається температурами кипіння холодоагентів-холодоносіїв, що киплять при більш високих температурах. У теплообмінному пристрої-конденсаторі 2 температура суміші змінюється від Тконд п (точка с) до Тконд к = То (точка d), а температура Тілах (точка b) є функцією тиску. Було встановлено, що в компресійній холодильній установці, що працює на суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах наявність холодоагентів в зазначених вище діапазонах дозволяє підтримувати охолодження на потрібному рівні, але при меншому їх вмісту не забезпечується охолодження на потрібному рівні, а подальше підвищення їх вмісту 7 UA 97678 U 5 10 15 призводить до росту тиску нагнітання і, як слідство, до підвищення навантаження на компресор, росту добового споживання електроенергії. Експериментальна перевірка робочого тіла, що описане вище проводилась в низькотемпературному холодильнику з холодильною камерою об'ємом 120-160 куб. дм і з експериментальною одноступеневою компресійною холодильною установкою з тиском конденсації 1,5-2,5 МПа і удосконаленим компактним теплообмінним пристроєм-рекуператором. На експериментальному робочому тілі ця експериментальна компресійна холодильна установка проробили з позитивним результатом - охолодження до мінус 170 °C у камері об'ємом 120-160 куб. дм. більш ніж 1000 годин, що практично підтверджує надійність цих робочого тіла і холодильної установки. Таким чином, цей спосіб отримання низьких температур за допомогою одного дросельного регенеративного циклу в компресійній холодильній установці, що працює на суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах відповідає умовам новизни, є промислово придатним і дозволяє отримати холод до мінус 170 °C в камерах холодильників низькотемпературних об'ємами 120-160 кубічних дециметрів. Інші аспекти та характеристики об'єкта корисної моделі можуть бути з'ясовані через вивчення графічних матеріалів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 45 50 1. Спосіб отримання низьких температур в компресійній холодильній установці, що працює на суміші холодоагентів, що киплять при різних температурах, що включає їх стиснення у компресорі, нагнітання прямого потоку високого тиску до теплообмінного пристроюконденсатора, попереднє охолодження прямого потоку високого тиску до часткового зрідження у теплообмінному пристрої-конденсаторі, нагнітання прямого потоку високого тиску до теплообмінного пристрою-рекуператора, додаткове охолодження зворотнім потоком низького тиску до повного зрідження у теплообмінному пристрої-рекуператорі, нагнітання прямого потоку високого тиску до дросельного пристрою, дроселювання і нагнітання прямим потоком підвищеного тиску до випарника, його розширення до часткового випаровування з відбором теплоти і попереднього нагрівання від охолоджуваного об'єкта у випарнику, всмоктування зворотнім потоком низького тиску до теплообмінного пристрою-рекуператора, його додаткове нагрівання прямим потоком високого тиску до повного випаровування холодоагентів у теплообмінному пристрої-рекуператорі і всмоктування холодоагентів зворотнім потоком низького тиску у компресор для повторного стиснення, який відрізняється тим, що як холодоагенти, що киплять при різних температурах, використовують ізобутан, етилен, метан та азот, повне зрідження холодоагентів у теплообмінному пристрої-рекуператорі здійснюють дробленням прямого потоку високого тиску з одночасним додатковим охолодженням зворотнім потоком низького тиску, а повне випаровування холодоагентів у теплообмінному пристроїрекуператорі здійснюють шляхом зменшення швидкості руху зворотного потоку низького тиску і дробленням його при додатковому нагріванні прямим потоком високого тиску. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у теплообмінному пристрої-рекуператорі дроблення потоку високого тиску для повного зрідження холодоагентів здійснюють шляхом інтенсивного обертального руху зріджених холодоагентів по гвинтоподібній траєкторії, а для повного випаровування холодоагентів зменшують швидкість руху зворотного потоку низького тиску у 2-4 рази і дроблення здійснюють шляхом пропускання його по криволінійним поверхням. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що ізобутан, етилен, метан та азот використовують при такому їх співвідношенні, ваг. %: ізобутан 0,4-0,7 етилен 0,2-0,4 метан 0,1-0,3 азот 0,1-0,3. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що ізобутан, етилен, метан та азот використовують при такому їх співвідношенні, ваг. %: ізобутан 0,5 етилен 0,25 метан 0,125 азот 0,125. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як холодоагенти, що киплять при різних температурах використовують ізобутан, пропилен, етан, метан та азот при такому їх співвідношенні, ваг. %: 8 UA 97678 U 5 ізобутан 0,4-0,7 пропилен 0,15-0,6 етан 0,2-0,4 метан 0,1-0,3 азот 0,1-0,3. 6. Спосіб за п. 5, який відрізняється тим, що ізобутан, пропилен, етан, метан та азот використовують при такому їх співвідношенні, ваг. %: ізобутан 0,4 пропилен 0,2 етан 0,2 метан 0,1 азот 0,1. 7. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у регенеративному теплообміннику здійснюють розділення прямого потоку високого тиску на щонайменше два прямі потоки високого тиску, кожному з розділених щонайменше двом прямим потокам високого тиску придають гвинтоподібну траєкторію з одночасним їх додатковим охолодженням зворотнім потоком низького тиску до повного зрідження, і потім їх об'єднують в один прямий потік високого тиску, а додаткове нагрівання зворотного потоку низького тиску здійснюють щонайменше двома прямими потоками високого тиску до повного випаровування холодоагентів. 9 UA 97678 U 10 UA 97678 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11