RU176892U1

RU176892U1 - Комбинированный регенеративный теплообменник газовой криогенной машины

Info

Publication number: RU176892U1
Application number: RU2017130294U
Authority: RU
Inventors: Павел Дмитриевич Гиндин; Владимир Владимирович Карпов; Николай Сергеевич Кузнецов; Михаил Егорович Козырев
Original assignee: Акционерное общество "Московский завод "САПФИР"
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к криогенной технике, в частности к газовым микрокриогенным машинам (ГKМ), предназначенным для воспроизведения криогенных температур в приборах, а именно к регенеративному теплообменнику (регенератору) ГKМ, работающей по циклу Стерлинга в диапазоне температур до 70 К. Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание комбинированного регенеративного теплообменника с повышенной эффективностью термодинамического цикла в ГKМ в диапазоне температур 70-300 К.Указанный технический результат достигается за счет того, что регенеративный теплообменник, включающий в себя теплоизоляционный корпус и находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной сетки, разбивают по длине на три части: «холодную», «среднюю» и «теплую», каждая из которых характеризуется своей средней температурой насадки. Для каждой средней температуры подбирается материал насадки с максимальным значением объемной теплоемкости, что позволяет снизить потери регенератора из-за недорекуперации и, тем самым, соответственно, повысить эффективность работы регенератора.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к криогенной технике, в частности к газовым микрокриогенным машинам (ГКМ), предназначенным для создания криогенных температур в фотоприемных устройствах, а именно к регенеративному теплообменнику (регенератору) газовой криогенной машины, работающей по циклу Стирлинга в диапазоне температур до 70 К.

Известно применение в этом диапазоне регенератора для ГКМ, состоящего из теплоизоляционного корпуса и насадки, выполненной в виде плетеных металлических сеток, например, из бронзы или нержавеющей стали (В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонов, М.Г. Круглов, А.Г. Шувалов. Двигатели Стирлинга. М., Машиностроение, 1977, с. 111).

Недостатком этого устройства является несовершенство термодинамического цикла и высокие потери теплоты из-за недорекуперации, что снижает эффективность теплообмена в регенераторе.

Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является комбинированный регенеративный теплообменник выполненный по патенту на полезную модель №142459 от 26.06.2014 (МПК F25B 9/00), включающий теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку, состоящую из двух частей. В данном устройстве используется комбинированный способ заполнения полости регенератора, при этом со стороны «теплой» части регенератор заполняется плетеной металлической сеткой, а со стороны «холодной» части - наношариками из материала эрбий, который имеет максимальную величину произведения плотности на теплоемкость материала насадки (объемную теплоемкость) из всех конструкционных материалов при температурах ниже 50 К.

Недостатком этого устройства являются высокие потери теплоты из-за недорекуперации в «холодной» части в диапазоне температур до 70 К, вследствие низкой величины объемной теплоемкости эрбия по сравнению с другими материалами.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание комбинированного регенеративного теплообменника с повышенной эффективностью термодинамического цикла в газовых микрокриогенных машинах в диапазоне температур до 70 К.

Указанный технический результат достигается тем, что регенеративный теплообменник, включающий в себя теплоизоляционный корпус и находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной сетки, разбивают по длине на три части: «холодную», «среднюю» и «теплую», каждая из которых характеризуется своей средней температурой насадки. Для каждой средней температуры подбирается материал насадки с максимальным значением объемной теплоемкости.

При проектировании ГКМ расчет потерь теплоты из-за недорекуперации выполняется по известным формулам (А.К. Грезин, В.С. Зиновьев. Микрокриогенная техника. М., Машиностроение, 1977, с. 118-119, уравнения 65-66):

,

где

η_r - коэффициент полезного действия регенератора;

Λ - приведенная длина;

Г - приведенная теплоемкость.

,

где

α - коэффициент теплоотдачи рабочего газа;

F - площадь поперечного сечения регенератора;

М - расход рабочего газа;

с_р - теплоемкость рабочего газа.

m_н - масса насадки;

с_н - теплоемкость материала насадки;

τ - время одного полуцикла.

Соотношение (3) можно преобразовать, умножив числитель и знаменатель на объем насадки V:

,

где

- плотность материала насадки;

C_vн=ρ_нс_н - объемная теплоемкость материала насадки.

Снизить потери регенератора из-за недорекуперации можно, подобрав такой материал насадки, у которого величина произведения массы (или плотности) на теплоемкость материала насадки (при прочих равных условиях) была бы максимальной.

Так, например, для регенератора, имеющего рабочий перепад температур по длине насадки от 70 К на «холодной» части до 300 К на «теплой» части, можно выбрать следующие характерные температуры - 80 К, 150 К и 255 К.

Ниже в таблицах №№1-3 представлены результаты анализа данных по величинам объемной теплоемкости материалов для характерных температур.

Из таблицы №1 видно, что для снижения потерь теплоты из-за недорекуперации в «холодной» части регенератора необходимо использовать сетки, выполненные из материалов, у которых объемная теплоемкость превышает 2,02⋅10⁶ Дж/м³К, т.е. из БрАЖМц 10-3-1,5 или Л68.

Из таблицы №2 видно, что для снижения потерь теплоты из-за недорекуперации в «средней» части регенератора необходимо использовать сетки, выполненные из материалов, у которых объемная теплоемкость превышает 2,94⋅10⁶ Дж/м³К, т.е. из ЛК80-3Л, Л63 или Л62.

Из таблицы №3 видно, что для снижения потерь теплоты из-за недорекуперации в «теплой» части регенератора необходимо использовать сетки, выполненные из материалов, у которых объемная теплоемкость превышает 3,72⋅10⁶ Дж/м³К, т.е. из никеля или 29НК.

При определении значений C_vн использовались следующие источники:

1. Малков М.П. Справочник по физико-техническим основам криогеники. М: Энергоатомиздат, 1985.

2. Богданов С.Н., Бурцев С.И. и др. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ. С-Пб., 1999.

3. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М., «Энергоатомиздат», 1991.

4. Новицкий Л.А., Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. М., «Машиностроение», 1975.

5. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике. Справочник. Л., «Машиностроение», 1982.

Оценить эффективность предложенного технического решения по сравнению с прототипом можно следующим образом, рассмотрев характеристики материалов насадки для каждой из частей регенератора и используя соотношение (4).

Для «холодной» части:

- у эрбия при 80 К C_vн=1,77⋅10⁶ Дж/м³К, у БрАЖМц 10-3-1,5 при 80 К C_vн=2,10⋅10⁶Дж/м³К

,

где Θ_х - коэффициент эффективности «холодной» части.

То есть, применение в качестве материала насадки БрАЖМц 10-3-1,5 вместо эрбия позволяет снизить потери регенератора из-за недорекуперации в «холодной» части на 19%.

Для «средней» части:

- у ЛК80-3Л при 150 К C_vн=3,04⋅10⁶ Дж/м³К, у металлической сетки, например, из 12Х18Н10Т при 150 К С_vн=2,86⋅10⁶Дж/м³К

,

где Θ_с - коэффициент эффективности «средней» части.

То есть, применение в качестве материала насадки ЛК80-3Л вместо, например, 12Х18Н10Т позволяет еще снизить потери регенератора из-за недорекуперации на 6%.

Для «теплой» части:

- у никеля при 255 К C_vн=3,75⋅10⁶ Дж/м³К, у металлической сетки, например, из 12Х18Н10Т при 255 К C_vн=3,6⋅10⁶ Дж/м³К

,

где Θ_т - коэффициент эффективности «теплой» части.

То есть, применение в качестве материала насадки никеля вместо, например, 12Х18Н10Т позволяет еще снизить потери регенератора из-за недорекуперации на 4%.

Таким образом, общее снижение потерь регенератора из-за недорекуперации составит:

Θ_р=Θ_x⋅Θ_c⋅Θ_т=1,19⋅1,06⋅1,04=1,31 или 31%,

где Θ_р - общий коэффициент эффективности регенератора.

Длина каждой части регенератора определяется ее температурными границами. Пусть общая длина регенератора составляет L.

Тогда длина «холодной» части

_х составит:

;

длина «средней» части

_с составит:

;

длина «теплой» части

_т составит

;

Предложенная конструкция комбинированного регенеративного теплообменника была реализована в ГКМ, работающей по циклу Стирлинга. В заявляемой полезной модели используется комбинированный метод заполнения насадки регенеративного теплообменника состоящей из трех частей (см. фиг. 1):

- «холодной» части 1 с температурным диапазоном 70-90К, в которой насадка из плетеной сетки выполнена из материалов с объемной теплоемкостью, превышающей 2,02⋅10⁶ Дж/м³К, например, из БрАЖМц 10-3-1,5 или Л68, при этом длина «холодной» части составляет

_х=0,087⋅L;

- «средней» части 2 с температурным диапазоном 90-210К, в которой насадка из плетеной сетки выполнена из материалов с объемной теплоемкостью, превышающей 2,94⋅10⁶ Дж/м³К, например, из ЛК80-3Л, при этом длина «средней» части составляет

_с=0,522⋅L;

- «теплой» части 3 с температурным диапазоном 210-300К, в которой насадка из плетеной сетки выполнена из материалов с объемной теплоемкостью, превышающей 3,72⋅10⁶ Дж/м³К, например, из никеля или 29НК, при этом длина «теплой» части составляет

_т=0,391⋅L.

Насадка регенеративного теплообменника находится в корпусе 4, выполненном из теплоизоляционного материала.

Таким образом, применение в комбинированном регенеративном теплообменнике насадки состоящей из трех частей, каждая из которых выполнена из материала с максимальной объемной теплоемкостью в своем диапазоне температур, позволяет повысить эффективность термодинамического цикла в ГКМ в диапазоне температур 70-300К.

Claims

Комбинированный регенеративный теплообменник микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне до 70 К, включающий теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной металлической сетки, отличающийся тем, что насадка состоит из трех частей, каждая из которых выполнена из материала с максимальной объемной теплоемкостью в своем диапазоне температур:
- «холодная» часть насадки регенеративного теплообменника изготовлена из материала с объемной теплоемкостью C_VH>2,02⋅10⁶ Дж/м³К в диапазоне температур 70-90 К, при этом длина «холодной» части составляет l_x=0,087⋅L, где L - общая длина регенератора;
- «средняя» часть - из материала с объемной теплоемкостью C_VH>3,0·10⁶ Дж/м³К в диапазоне температур от 90 К до 210 К, при этом длина «средней» части составляет l_c=0,522⋅L;
- «теплая» часть - из материала с объемной теплоемкостью C_VH>3,72⋅10⁶ Дж/м³К в диапазоне температур от 210 К до 300 К, при этом длина «теплой» части составляет l_т=0,391⋅L.