КОМБИНИРОВАННЫЙ РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК МИКРОКРИОГЕННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ В ТЕМПЕРАТУРНОМ ДИАПАЗОНЕ 35-55 К

Полезная модель относится к газовым микрокриогенным машинам, а именно к регенеративному теплообменнику газовой криогенной машины, работающей по циклу Стирлинга в диапазоне температур 35-55 К.
Возможно применение в этом диапазоне известного регенератора для холодильной машины, работающей по циклу Стирлинга, содержащей наружную и внутреннюю втулки, насадку из частиц редкоземельного металла, помещенных в вакуум или защитную среду, и решетки, в отверстия которых крепятся трубки для прохода рабочего газа [см. патент RU №94017773, МПК F25B 9/00, опубл. 27.08.1996]
Недостатком этого регенератора является сложность конструкции и необходимость поддерживать вакуум или защитную среду в условиях постоянного использования.
Наиболее близким к заявляемому является устройство концентрического регенератора для двигателей Стирлинга, состоящее из теплоизоляционного корпуса и насадки, выполненной в виде плетеных металлических сеток [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 из-за недорекуперации.
Цель полезной модели заключается в создании регенеративного теплообменника с повышенной эффективностью термодинамического цикла в газовых микрокриогенных машинах в диапазоне температур 35-55 К.
Цель достигается тем, что регенеративный теплообменник, включает в себя теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку, состоящую из двух частей: со стороны "теплого" конца регенеративного теплообменника насадка выполнена из плетеной металлической сетки, со стороны "холодного" конца регенеративного теплообменника насадка состоит из наношариков из эрбия, между частями насадки установлена защитная сетка, предотвращающая проникновение наношариков из эрбия в область плетеной металлической сетки.
В заявленной полезной модели используется комбинированный способ заполнения полости регенератора, часть регенеративного теплообменника со стороны "теплого" конца заполняется плетеной металлической сеткой, со стороны "холодного" конца заполнена наношариками из эрбия. При таком заполнении регенеративного теплообменника коэффициент теплопередачи насадки больше, чем у прототипа, потери за счет недорекуперации меньше, чем у прототипа, а гидравлические потери меньше, чем у аналога.
Выбор эрбия в качестве материала наношариков обусловлен тем, что его теплоемкость в диапазоне температур 35-55 К стабильно высокая в сравнении с другими материалами (см. фиг.1).
Технический результат достигается тем, что часть плетеной металлической сетки заменена наношариками из эрбия, с более высоким коэффициентом теплопередачи,
ш
ш
ш
где Nu - число Нуссельта (безразмерная теплоотдача) для эрбия; λ - теплопроводность эрбия, Вт/(м·К); d - диметр шариков, м.
При повышении коэффициента теплопередачи уменьшается разность температур между насадкой и рабочим газом,
He
p
max
min
2
2
где G - расход рабочего газа за один цикл, кг/с; c - теплоемкость рабочего газа Втс/(кг·К); T - максимальная температура в цикле, K; T -минимальная температура в цикле, K; F - площадь поперечного сечения регенеративного теплообменника, м; k - коэффициент теплопередачи теплообменника, Вт/(м·К).
При уменьшении разности температур между насадкой и рабочим газом снижаются потери за счет недорекуперации,
пот
He
p
Q=G·c·ΔT
Однако, при этом повышается гидравлическое сопротивление, из-за использования наношариков из эрбия,
,
τ
cp
н
3
где ξ - коэффициент гидравлического сопротивления насадки; ϖ - средняя скорость рабочего газа в поперечном сечении регенеративного теплообменника, м/с; H - высота теплообменника, м; S - удельная поверхность теплообмена, ρ - плотность рабочего газа, кг/м; ε - средняя пористость насадки.
Соотношение потерь от недорекуперации с потерями от повышения гидравлического сопротивления показывает таблица, полученная расчетным способом.
Таблица.
Расчет параметров регенеративного теплообменника
Величина
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м<sup>2</sup>·К)
Разность температур между насадкой и рабочим газом, K
Потери за счет недорекуперации, Вт
Потери давления в цикле. Па
Вариант выполнения насадки регенеративного теплообменника
Металлическая сетка
1,344·10<sup>3</sup>
7,223
15,933
14360
Наношарики из эрбия
12,27·10<sup>3</sup>
0,794
1,75
397900
Комбинированный
4,942·10<sup>3</sup>
1,968
8,676
103600
В расчете были рассмотрены различные способы выполнения регенеративного теплообменника: насадка выполнена полностью из плетеной металлической сетки, насадка выполнена из наношариков эрбия, насадка выполнена комбинированным методом.
В заявляемой полезной модели используется комбинированный метод заполнения насадки регенеративного теплообменника (см. фиг. 2): 23 мм занимает плетеная металлическая сетка (1), а 20 мм - шарики диаметром 200 мкм из эрбия (2). Насадка регенеративного теплообменника находится в теплоизоляционном корпусе (3). Для предотвращения высыпания наношариков с двух сторон крепится слой тонкой сетки с размером ячейки не более 150 мкм (4). Полученная конструкция крепится к крейцкопфу газовой микрокриогенной машины при помощи расширителя (5).
Одним из основных параметров в микрокриогенных машинах, используемых для охлаждения фоточувствительных элементов, является время достижения рабочей температуры криостатирования. При комбинированном заполнении регенеративного теплообменника время сокращается в 1,3 раза, в сравнении с вариантом металлической сетки - такой эффект связан с увеличением теплоемкости насадки, что уменьшает недорекуперацию и снижает время достижения заданного температурного уровня.
Наиболее важной характеристикой в таких системах является потребляемая мощность в стационарном режиме, по сравнению с традиционным вариантом исполнения регенеративного теплообменника (прототипом), комбинированный метод позволяет снизить потребляемую мощность на 5%, что влияет на общий КПД системы, который увеличивается примерно на 7%.
Полученные данные позволяют доказать целесообразность применения комбинированного регенеративного теплообменника, использующего в насадке наношарики из эрбия, на температурном уровне 35-55 K.