RU176892U1 - Комбинированный регенеративный теплообменник газовой криогенной машины - Google Patents
Комбинированный регенеративный теплообменник газовой криогенной машины Download PDFInfo
- Publication number
- RU176892U1 RU176892U1 RU2017130294U RU2017130294U RU176892U1 RU 176892 U1 RU176892 U1 RU 176892U1 RU 2017130294 U RU2017130294 U RU 2017130294U RU 2017130294 U RU2017130294 U RU 2017130294U RU 176892 U1 RU176892 U1 RU 176892U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat exchanger
- regenerator
- nozzle
- temperature range
- regenerative heat
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D17/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles
- F28D17/02—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles using rigid bodies, e.g. of porous material
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
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
ηr - 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;
ср - теплоемкость рабочего газа.
mн - масса насадки;
сн - теплоемкость материала насадки;
τ - время одного полуцикла.
Соотношение (3) можно преобразовать, умножив числитель и знаменатель на объем насадки V:
где
Cvн=ρнсн - 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 Cvн 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 Cvн=1,77⋅106 Дж/м3К, у БрАЖМц 10-3-1,5 при 80 К Cvн=2,10⋅106 Дж/м3К
где Θх - 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 Cvн=3,04⋅106 Дж/м3К, у металлической сетки, например, из 12Х18Н10Т при 150 К Сvн=2,86⋅106 Дж/м3К
где Θс - 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 Cvн=3,75⋅106 Дж/м3К, у металлической сетки, например, из 12Х18Н10Т при 255 К Cvн=3,6⋅106 Дж/м3К
где Θт - 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:
Θр=Θx⋅Θc⋅Θт=1,19⋅1,06⋅1,04=1,31 или 31%,
где Θр - общий коэффициент эффективности регенератора.
Длина каждой части регенератора определяется ее температурными границами. Пусть общая длина регенератора составляет L.
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 (4)
- 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 CVH>2,02⋅106 Дж/м3К в диапазоне температур 70-90 К, при этом длина «холодной» части составляет lx=0,087⋅L, где L - общая длина регенератора;
- - «средняя» часть - из материала с объемной теплоемкостью CVH>3,0·106 Дж/м3К в диапазоне температур от 90 К до 210 К, при этом длина «средней» части составляет lc=0,522⋅L;
- - «теплая» часть - из материала с объемной теплоемкостью CVH>3,72⋅106 Дж/м3К в диапазоне температур от 210 К до 300 К, при этом длина «теплой» части составляет lт=0,391⋅L.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017130294U RU176892U1 (ru) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Комбинированный регенеративный теплообменник газовой криогенной машины |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017130294U RU176892U1 (ru) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Комбинированный регенеративный теплообменник газовой криогенной машины |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU176892U1 true RU176892U1 (ru) | 2018-02-01 |
Family
ID=61186700
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017130294U RU176892U1 (ru) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Комбинированный регенеративный теплообменник газовой криогенной машины |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU176892U1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU188639U1 (ru) * | 2018-10-29 | 2019-04-18 | Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" | Комбинированный регенеративный теплообменник газовой криогенной машины |
RU2755014C1 (ru) * | 2020-07-20 | 2021-09-09 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Комбинированный регенеративный теплообменник двигателя Стирлинга |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU479945A1 (ru) * | 1973-05-11 | 1975-08-05 | Физико-технический институт низких температур АН УССР | Криогенный регенеративный теплообменник |
SU903687A1 (ru) * | 1980-05-14 | 1982-02-07 | Казанский Ордена Трудового Красного Знамени Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева | Насадка регенератора |
US5293749A (en) * | 1988-11-09 | 1994-03-15 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Multi-stage cold accumulation type refrigerator and cooling device including the same |
RU2079066C1 (ru) * | 1994-05-17 | 1997-05-10 | Григорий Васильевич Шпырин | Регенератор для холодильной машины, работающей по циклу стирлинга |
RU142459U1 (ru) * | 2013-11-26 | 2014-06-27 | Открытое акционерное общество "НПО "Орион" | Комбинированный регенеративный теплообменник микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне 35-55 к |
RU150944U1 (ru) * | 2014-07-03 | 2015-03-10 | Открытое акционерное общество "НПО "Орион" | Комбинированный регенератор микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне 49-66 к |
-
2017
- 2017-08-28 RU RU2017130294U patent/RU176892U1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU479945A1 (ru) * | 1973-05-11 | 1975-08-05 | Физико-технический институт низких температур АН УССР | Криогенный регенеративный теплообменник |
SU903687A1 (ru) * | 1980-05-14 | 1982-02-07 | Казанский Ордена Трудового Красного Знамени Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева | Насадка регенератора |
US5293749A (en) * | 1988-11-09 | 1994-03-15 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Multi-stage cold accumulation type refrigerator and cooling device including the same |
RU2079066C1 (ru) * | 1994-05-17 | 1997-05-10 | Григорий Васильевич Шпырин | Регенератор для холодильной машины, работающей по циклу стирлинга |
RU142459U1 (ru) * | 2013-11-26 | 2014-06-27 | Открытое акционерное общество "НПО "Орион" | Комбинированный регенеративный теплообменник микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне 35-55 к |
RU150944U1 (ru) * | 2014-07-03 | 2015-03-10 | Открытое акционерное общество "НПО "Орион" | Комбинированный регенератор микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне 49-66 к |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU188639U1 (ru) * | 2018-10-29 | 2019-04-18 | Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" | Комбинированный регенеративный теплообменник газовой криогенной машины |
RU2755014C1 (ru) * | 2020-07-20 | 2021-09-09 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Комбинированный регенеративный теплообменник двигателя Стирлинга |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bejan | Entropy generation minimization: The new thermodynamics of finite‐size devices and finite‐time processes | |
Howes | Concept and development of a pumped heat electricity storage device | |
Chahartaghi et al. | Thermal modeling of a trigeneration system based on beta-type Stirling engine for reductions of fuel consumption and pollutant emission | |
Zhu et al. | Pulse tube stirling machine with warm gas-driven displacer | |
Walker | Cryocoolers: part 2: applications | |
Hachem et al. | Numerical characterization of a γ-Stirling engine considering losses and interaction between functioning parameters | |
RU176892U1 (ru) | Комбинированный регенеративный теплообменник газовой криогенной машины | |
Boroujerdi et al. | Numerical analysis of stirling type pulse tube cryocoolers | |
Chen et al. | Effect of different working gases on the performance of a small thermoacoustic Stirling engine | |
Goudarzi et al. | Design and construction of a two-phase fluid piston engine based on the structure of fluidyne | |
Chen et al. | Numerical study on the heat transfer characteristics of oscillating flow in cryogenic regenerators | |
Li et al. | Comprehensive thermo-exploration of a near-isothermal compressed air energy storage system with a pre-compressing process and heat pump discharging | |
Qvale et al. | An approximate solution for the thermal performance of a Stirling-engine regenerator | |
Luo et al. | One-way oscillating flow cycle cooler: A promising technology for cooling and heating | |
Arablu et al. | Investigation of synchronous effects of multi-mesh regenerator and double-inlet on performance of a Stirling pulse tube cryocooler | |
RU142459U1 (ru) | Комбинированный регенеративный теплообменник микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне 35-55 к | |
Yuan et al. | A third order computer model for Stirling refrigerators | |
Trevizoli et al. | Entropy generation minimization analysis of active magnetic regenerators | |
Jang et al. | Numerical analysis of free-piston stirling cooler systems for improving cooling performance | |
RU188639U1 (ru) | Комбинированный регенеративный теплообменник газовой криогенной машины | |
RU150944U1 (ru) | Комбинированный регенератор микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне 49-66 к | |
Yuan et al. | Computer simulation model for Lucas Stirling refrigerators | |
Su et al. | Exergetic efficiency optimization of a refrigeration system with multi-irreversibilities | |
Yang et al. | Size effects on miniature Stirling cycle cryocoolers | |
Rogdakis et al. | Similarity scaling of Vuilleumier heat pumps |