Введение. Использование в технологических процессах пищевой, перерабатывающей отраслях промышленности температурных уровней ниже –60 °C (что для данных отраслей производства является ультранизким температурным уровнем) зачастую является критическим фактором, определяющим сохранение и модификацию ключевых качественных характеристик продукции. Данный температурный диапазон обеспечивает подавление деструктивных биохимических и физических процессов, что напрямую влияет на функциональность, безопасность и стабильность конечного продукта.В пищевой промышленности при низкотемпературной обработке быстрое охлаждение до ультранизких температур минимизирует образование макрокристаллов льда за счет витрификации внутриклеточной жидкости. Это сохраняет целостность клеточных мембран [1].Проведение быстрого замораживания мышечной ткани тунца при температурах ниже –60 °C обеспечивает ингибирование биохимических и ферментативных процессов на клеточном уровне, включая окисление железосодержащих белков – гемоглобина и миоглобина [2]. Данный механизм предотвращает образование метмиоглобина, ответственного за появление нежелательных коричневатых оттенков в мышечных волокнах. Как следствие, продукция, подвергнутая низкотемпературной обработке и хранению при указанных температурах, демонстрирует стабильность цветовых показателей в течение всего периода хранения, а также после размораживания, что подтверждается сохранением исходных значений параметра «a» (краснота) в CIE Lab на уровне 90–95 % от контрольных образцов [3].Применение ультранизкотемпературного замораживания для ягодных культур помимо формирования микрокристаллической структуры льда подавляет активность полифенолоксидаз и пероксидаз, ответственных за ферментативное потемнение тканей, а также замедляет окисление фенольных соединений, включая антоцианы [4]. В результате сохраняется не только структурная целостность ягод, но и их биохимический профиль: содержание витамина С и антиоксидантов остается на уровне 85–92 % от исходных значений даже после 18 месяцев хранения [5].Ультранизкие температуры ингибируют ферментативную активность и рост микроорганизмов, что подтверждается кинетическими моделями микробного метаболизма [6].Криоконсервирование генетического материала, семян, эмбрионов обеспечивает генетическую стабильность и длительную жизнеспособность этих биологических объектов [7]. Предварительная адаптация образцов к низким температурам снижает риски криоповреждений за счет синтеза криопротекторных белков [8]. Для этого используется многоступенчатое замораживание: первичная стабилизация при  –70 °C, затем переход к –196 °C. Это позволяет избежать фазовых переходов, разрушающих клеточные органеллы [9].В технике искусственного холода для получения температурного уровня от –60 до –150 °С наилучшим решением с точки зрения энергетической эффективности, экономических и массогабаритных показателей технологического оборудования являются каскадные низкотемпературные системы [10]. Конструктивной особенностью классической каскадной низкотемпературной системы и принципиальным отличием ее от многоступенчатой холодильной машины является то, что каскадная низкотемпературная система представляет собой совокупность одноступенчатых, условно независимых холодильных машин [11]. Эти холодильные машины называют ветвями каскада. Рабочими телами различных ветвей каскада являются различные холодильные агенты. Взаимодействие рабочих тел различных ветвей каскада происходит в теплообменных аппаратах, называемых испарителями-конденсаторами [12]. За счет теплового взаимодействия в испарителях-конденсаторах происходит конденсация рабочего тела нижней ветви каскада при испарении холодильного агента верхней ветви каскада.В классической каскадной низкотемпературной системе смешение холодильных агентов различных ветвей каскада не происходит [13–15]. Принципиальные схема и цикл каскадной холодильной машины с двумя ветвями каскада приведены на рисунке 1.Реальная классическая схема и цикл каскадной холодильной машины представлены на рисунке 2. Отличия от теоретической схемы заключаются в активном использовании рекуперации теплоты для повышения термодинамической эффективности каскадной холодильной машины [16, 17].В каскадных низкотемпературных системах в испарителях-конденсаторах имеет место снижение термодинамической эффективности из-за дополнительных термических сопротивлений теплообмену между холодильными агентами ветвей различного уровня. Однако применение каскадных холодильных машин в указанном диапазоне рабочих температур оказывается энергетически более выгодным по сравнению с многоступенчатыми холодильными машинами [18]. Это обусловлено тем, что на нижних ветвях каскада используются рабочие вещества высокого давления, имеющие при низких рабочих температурах значительно более высокие давления и, соответственно, меньшие удельные объемы [19]. Это обеспечивает значительно большую холодопроизводительность компрессора при меньших объемных характеристиках. Также более высокие давления всасывания в компрессоре нижней ветви приводят к уменьшению потерь давления в клапанах, что также способствует увеличению производительности компрессора [20]. Однако применение для достижения одного температурного уровня несколько фактически независимых холодильных машин, реализующих ступенчатое понижение температурного уровня до заданного значения, усложняет конструкцию и эксплуатацию низкотемпературной каскадной системы и, соответственно, снижает ее надежность [21].  а б Рис. 1. Схема (а) и цикл в T-s координатах (б) каскадной холодильной машины без регенерации теплоты: 1–4 – узловые точки цикла нижней ветви каскада; 5–8 – узловые точки цикла верхней ветви каскада; I – компрессор нижней ветви каскада; II – компрессор верхней ветви каскада; III – конденсатор; IV – дроссельное устройство верхней ветви каскада; V – испаритель-конденсатор; VI – дроссельное устройство нижней ветви каскада; VII – испаритель; VIII – расширительная емкостьScheme (a) and cycle in T-s coordinates (б) of a cascade refrigeration machine without heat regeneration:1–4 – nodal points of the cycle of the lower branch of the cascade; 5–8 – nodal points of the cycle of the upper branch of the cascade; I – compressor of the lower branch of the cascade; II – compressor of the upper branch of the cascade; III – condenser; IV – throttle device of the upper branch of the cascade; V – evaporator-condenser; VI – throttle device of the lower branch of the cascade; VII – evaporator; VIII – expansion tank  а б Рис. 2. Схема (а) и цикл в lgp-h координатах (б) действительной каскадной холодильной машины с рекуперацией теплоты. 1–9 – узловые точки цикла нижней ветви каскада; 10–15 – узловые точки цикла верхней ветви каскада; I – компрессор нижней ветви каскада; II – компрессорверхней ветви каскада; III – конденсатор; IV – дроссельное устройство верхней ветви каскада; V – испаритель-конденсатор; VI – дроссельное устройство нижней ветви каскада;VII – испаритель; VIII – расширительная емкость; IX–XII – рекуператоры теплотыSchematic (a) and cycle in lgp-h coordinates (б) of a real cascade refrigeration machine with heatrecovery. 1–9 – nodal points of the cycle of the lower branch of the cascade; 10–15 – nodal points of the cycle of the upper branch of the cascade; I – compressor of the lower branch of the cascade;II – compressor of the upper branch of the cascade; III – condenser; IV – throttle device of the upper branch of the cascade; V – evaporator-condenser; VI – throttle device of the lower branch of the cascade; VII – evaporator; VIII – expansion tank; IX–XII – heat recuperators В последнее время появились схемы и техническая реализация каскадных низкотемпературных систем на смесевых холодильных агентах с одним компрессором [22]. Использование в качестве холодильного агента смеси двух компонентов, имеющих значительные различия в давлениях насыщения при равных температурах, позволяет разделять эти компоненты после сжатия в компрессоре и реализовывать в дальнейшем классический вариант работы каскадного цикла [23].Цель исследования – разработка каскадной низкотемпературной системы на смеси холодильных агентов R23/R134a, а также проверка его работоспособности.Объекты и методы. Принципиальная схема низкотемпературной холодильной машины, работающей на смеси холодильных агентов, представлена на рисунке 3 [24].В качестве холодильного агента выбрана смесь R134a, которая представляет собой высокотемпературный компонент смеси [25], и R23, представляющая собой низкотемпературный компонент смеси [26]. По большому счету низкотемпературная система представляет собой каскадную холодильную машину, гидравлический контур которой заполнен двумя холодильными агентами в определенной пропорции [27]. По части гидравлического контура холодильные агенты перемещаются совместно в виде смеси. Затем они разделяются и выполняют заданные функции, затем вновь смешиваются.Компрессор 4 сжимает смесь низкотемпературного и высокотемпературного компонента. Давление нагнетания определяется соотношением компонентов. Кроме того, соотношение компонентов определяет температуру нагнетаемого холодильного агента. Для поддержания приемлемого давления нагнетания (11–14 бар) при использовании конденсатора воздушного типа и температуре окружающей среды до 27 °С соотношение компонентов R134a/R23 должно составлять порядка 70 : 30 %. При таком соотношении температура нагнетаемого пара составляет менее 120 °С.    Рис. 3. Принципиальная схема холодильной установки, работающей на смеси хладагентов:1 – испаритель низкотемпературного хладагента; 2 – отделитель жидкого(высокотемпературного) от газообразного (низкотемпературного) хладагента;3 – конденсатор-испаритель; 4 – компрессор; 5 – конденсатор высокотемпературногохладагента; 6 – дроссельное устройство высокотемпературного хладагента; 7 – дроссельные устройства низкотемпературного хладагента; 8 – расширительная емкостьSchematic diagram of a refrigeration unit operating on a mixture of refrigerants:1 – low-temperature refrigerant evaporator; 2 – liquid (high-temperature) refrigerant separatorfrom gaseous (low-temperature) refrigerant; 3 – condenser-evaporator; 4 – compressor;5 – high-temperature refrigerant condenser; 6 – high-temperature refrigerant throttling device;7 – low-temperature refrigerant throttling devices; 8 – expansion tank  Из компрессора пары холодильного агента нагнетаются в конденсатор высокотемпературного холодильного агента 5, где смесь охлаждается и высокотемпературный холодильный агент (R134a) конденсируется. Далее смесь жидкого высокотемпературного компонента (R134a) и газообразного низкотемпературного компонента (R23) направляется в отделитель жидкого высокотемпературного компонента 2. Жидкий высокотемпературный компонент затем дросселируется в дроссельном устройстве 6 до давления всасывания и смешивается с обратным потоком парообразного низкотемпературного компонента, идущего из испарителя 1. Далее эта низкотемпературная смесь поступает в конденсатор-испаритель 3. Так же в элемент 3 поступает из элемента 2 низкотемпературный холодильный агент в парообразном состоянии, имеющий температуру, близкую к температуре окружающей среды. В конденсаторе-испарителе происходит теплообмен между потоками холодильных агентов, находящихся при различных давлениях и температурах. В результате низкотемпературный холодильный агент конденсируется при давлении нагнетания, а высокотемпературный холодильный агент, находящийся при давлении всасывания, испаряется. Далее смесь холодильный агентов в парообразном состоянии поступает на всасывание в компрессор 4, а жидкий низкокипящий компонент дросселируется в дроссельном устройстве 7 до давления всасывания, при этом температура его соответствующим образом понижается. Из дроссельного устройства 7 низкотемпературный холодильный агент поступает в испаритель 1, установленный в охлаждаемом объеме. Смесь холодильных агентов R134a и R23 способна создать температурный уровень в охлаждаемом объеме до –70 °С [28, 29].Результаты и их обсуждение. Разработали низкотемпературный ларь, холодоснабжение которого реализуется посредством каскадной холодильной машины на смесевом холодильном агенте (рис. 4.).   а б Рис. 4. 3D модель низкотемпературного ларя на смеси холодильных агентов R134a/R23a – внешний вид ларя; б – расположение элементов системы холодоснабженияв соответствии с рис. 33D model of a low-temperature chest refrigerant R134a/R23 mixtureа – external appearance of the chest; б – arrangement of the elements of the refrigeration systemin accordance with Fig. 3  Низкотемпературную систему, принципиальная схема которой представлена на рисунке 3, 3D модель которой представлена на рисунке 4, выполнили в виде низкотемпературного холодильного ларя, вид которого представлен на рисунке 5.В качестве компрессора использовался герметичный поршневой компрессор Cubigel GX18TB, заправленный штатным маслом. Никаких доработок и модернизаций с компрессором не производились. В систему заправлялась смесь холодильных агентов R134a/R23 в соотношении 70 : 30. Низкокипящий холодильный агент – R23 является холодильным агентом высокого давления. Поэтому во время стоянки в теплом помещении, когда температура всех элементов низкотемпературной системы будет соответствовать температуре воздуха в помещении, давление низкокипящего компонента значительно возрастет. Критическая температура R23 составляет 25,7 °С, а критическое давление 48 атм. Для того чтобы обеспечить сохранность трубопроводов, паяных и резьбовых соединений, аппаратов низкотемпературной системы, запорной и защитной арматуры, а также для того, чтобы облегчить запуск компрессора, необходимо обеспечить уровень избыточного давления в системе не выше 10–14 атм. Поэтому в контуре циркуляции холодильного агента перед всасыванием в компрессор предусматривают расширительную емкость, объем которой подбирается исходя из общего объема системы таким образом, чтобы во время длительной стоянки давление смеси холодильных агентов не превысило рекомендуемых значений.Габаритные размеры холодильной камеры: 1200 × 500 × 600 мм, внутренний объем 360 л. Для испарителя использована труба диаметром 8 мм длиной 23 м. Объем испарителя составляет 0,29 л.Измеритель-регулятор микропроцессорный 2ТРМ1 совместно с первичными преобразователями (датчиками) предназначен для измерения и регулирования температуры в рабочем объеме низкотемпературной системы.Холодильная установка оснащена конденсатором воздушного охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающего воздуха.   Рис. 5. Внешний вид ларя с каскадной низкотемпературной системойна смеси холодильных агентовExternal view of a chest with a cascade low-temperature system using a mixture of refrigerants  Отделитель жидкости в одноступенчатой холодильной установке, работающей на смеси холодильных агентов, предназначен для разделения фаз сконденсированного хладагента R134a и газообразного R23.Конденсатор-испаритель в данной установке предназначен для конденсации холодильного агента R23 за счет кипения хладагента R134a. При проектировании компоновки холодильной установки было принято решение изготовить конденсатор-испаритель змеевикового типа.В рамках экспериментальных исследований бала проведена серия испытаний низкотемпературной холодильной установки, выполненной в виде низкотемпературного холодильного ларя, работающей на двухкомпонентной смеси холодильных агентов (R134a/R23). Основной целью работы являлась оценка эффективности системы при достижении температурного уровня –70 °С и ниже в охлаждаемом объеме. В ходе экспериментов осуществляли мониторинг следующих параметров:– температура воздуха в центральной части охлаждаемого объема;– температура холодильного агента после дроссельного устройства на входе в испаритель низкотемпературного контура;– температура холодильного агента на выходе из испарителя низкотемпературного контура.Измерения температур производили с помощью измерительного комплекса, включающего:– хромель-копелевые термоэлектрические преобразователи (ТХК (тип L) в соответствие с ГОСТ Р 8.585-2001), установленные в медных гильзах с теплопроводящей пастой КПТ-8;– контроллер ТРМ-136 с диапазоном измерений –200…800 °С, пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерения температуры, в соответствие с ГОСТ Р 6651 составляют 0,25 %;– преобразователь интерфейса АС-4, обеспечивающий передачу данных по протоколу Modbus RTU;– специализированное программное обеспечение «Овен Термограф» версии 3.2.1 с частотой дискредитации 1 Гц.Критерием эффективности испытаний являлось достижение заданной температуры воздуха в охлаждаемом объеме в течение временного интервала до 3 ч, а также поддержание величины избыточного давления нагнетания в холодопроизводящей системе не выше 14 атм. Наилучшим образом выполнение критериев эффективности обеспечивалось при 70 % массовой доли низкотемпературного (R23) и 30 % массовой доли высокотемпературного (R134a) холодильных агентов.Результаты испытаний применительно к температурам, получаемым в охлаждаемом объеме, температуре холодильного агента после дроссельного устройства низкотемпературного холодильного агента и температуре холодильного агента после испарителя приведены на рисунке 6.    Рис. 6. Уровень температур, создаваемый в низкотемпературной системе на смесевомхолодильном агенте: 1 – температура в охлаждаемом объеме; 2 – температура холодильного агента на входе в испаритель низкотемпературного холодильного агента; 3 – температура холодильного агента на выходе из низкотемпературного испарителяTemperature level created in a low-temperature system with mixed refrigerant: 1 – temperature in the cooled volume; 2 – temperature of the refrigerant at the inlet to the evaporator of the low-temperaturerefrigerant; 3 – temperature of the refrigerant at the outlet of the low-temperature evaporator В процессе эксплуатации низкотемпературных систем важными контролируемыми параметрами, определяющими эффективность и надежность работы оборудования, являются температура нагнетаемого газа, а также давления всасывания и нагнетания, создаваемые компрессором. Мониторинг данных величин позволяет оценить энергетические потери, степень сжатия холодильного агента, а также выявить риски перегрева, надежности и долговечности работы компрессора.Давления измерялись аналоговым манометрическим коллектором BM2-6-DS-CLIM Refco с диапазоном –1…25 бар для давления всасывания и –1…40 бар для давления нагнетания. Точность прибора ± 0,5 % относительно полной шкалы. Показания регистрировались в избыточных величинах (относительно атмосферного давления) с частотой 1 раз/5 мин.Результаты измерений температуры нагнетания представлены на рисунке 7. Результаты измерения давлений приведены на рисунке 8.В ходе проведенных испытаний холодильная установка была выведена на установившийся режим в течение 180 мин. Температура в рабочем объеме за этот период времени составила –70 °С, при этом температура холодильного агента после дроссельного устройства составила –80 °С, а температура холодильного агента на выходе из испарителя составила –75 °С. Максимальная температура нагнетания составила 117 °С. Этот уровень температур наблюдался короткий период времени на 42–45-й мин работы низкотемпературной системы. В установившемся режиме работы температура нагнетания составила 110 °С. Температура воздуха в помещении, в котором производились исследования, составляла 24–26 °С.Рабочие давления в низкотемпературной системе в установившемся режиме работы, измеренные с помощью мановакуумметра составляли: давление всасывания смеси –0,1 атм., давление нагнетания 12,1 атм. При выходе на рабочий режим давление всасывания оставалось относительно стабильным – колебания давлений не выходили за диапазон –0,2…–0,1 атм. Давление нагнетания колебалось в значительно большем диапазоне – до 43-й мин наблюдался устойчивый рост давления нагнетания до величины 14,1 атм. После 48-й мин постепенное снижение давления нагнетания и стабилизация его на уровне 12,1 атм. на 178-й мин опыта.    Рис. 7. Температура нагнетания холодильного агента на выходе из компрессораCompressor discharge temperature of the refrigerant   Рис. 8. Давления холодильного агента, создаваемые низкотемпературной системойна смесевом холодильном агенте: 1 – давление смесевого холодильного агентана всасывании в компрессор; 2 – давление смесевого холодильного агента на нагнетании Refrigerant pressures created by a low-temperature system with mixed refrigerant: 1 – pressure of mixed refrigerant at compressor suction; 2 – pressure of mixed refrigerant at discharge  Заключение. В рамках проведенной работы была разработана схема и конструкция низкотемпературной холодопроизводящей системы, ориентированной на достижение температурного уровня в охлаждаемом объеме –70 °С. Достижение требуемого уровня температуры обеспечивается холодильной машиной с одноступенчатым сжатием двухкомпонентного смесевого холодильного агента. В качестве низкотемпературного компонента использовали R23 (трифторметан), в качестве высокотемпературного компонента использовали R134a (1,1,1,2-тетрафторэтан). Основой низкотемпературной системы является двухконтурный каскадный цикл, включающий высокотемпературный (R134a) и низкотемпературный (R23) контуры, соединенные через промежуточный теплообменник. В холодильной машине производится разделение компонентов, их каскадное дросселирование и охлаждение.Ключевым этапом стало определение оптимального соотношения компонентов смеси R134a/R23. В ходе исследований, включавших термодинамическое моделирование, было установлено, что массовая доля R134a в 70 % и R23 в 30 % обеспечивает:– снижение абсолютного давления нагнетания до 15 бар (при температуре в охлаждаемом объеме –70 °C), что исключает риски механических перегрузок;– обеспечение температуры кипения R23 в испарителе низкотемпературного контура –82 °C при абсолютном давлении всасывания в компрессор не ниже 0,8 бар, что является необходимым условием для получения температуры воздуха в охлаждаемом объеме требуемого уровня (–70 °С).Экспериментально подтверждено, что данное соотношение минимизирует явление температурного глайда в испарителе, характерное для неазеотропных смесей. Дополнительным преимуществом выбранной композиции стала экологическая безопасность: потенциал озоноразрушения (ODP) смеси равен 0, а потенциал глобального потепления (GWP) составляет 1430, что соответствует современным конструктивным требованиям.Начальная температура всех элементов низкотемпературной системы соответствовала температуре окружающей среды и составляла 20 °С. Продолжительность выхода низкотемпературной системы на температурный режим в охлаждаемом объеме –70 °C занял 180 мин при средней скорости охлаждения 0,5 °C/мин. Максимальная температура нагнетания при испытаниях не превышала 118 °C, что на 15 % ниже предельно допустимого значения для используемого компрессора (140 °C). После выхода установки на режим избыточное давление нагнетания стабилизировалось на уровне 12,8 атм., избыточное давление всасывания стабилизировалось на уровне –0,1 атм. Градиент температуры по объему камеры не превышал ± 1,2 °C, что подтверждает эффективность системы воздухораспределения.Таким образом, разработанная схема и конструкция могут быть использованы для производства низкотемпературных систем самого различного назначения: для низкотемпературной обработки и хранения биотехнологических материалов [17], ферментно-эндокринного сырья в биотехнологической, пищевой промышленности в фармокологическом производстве [18]. Также предложенная схема может быть применена в климатических испытаниях самого различного назначения [19].Благодарность: коллектив авторов выражает благодарность руководству ООО «Термэкс» (Томск) и лично Дмитрию Александровичу Вавилкину за поддержку в разработке лабораторной установки и проведении исследований.