Комбинированный регенеративный теплообменник газовой криогенной машины

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
r
η - 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;
р
с - теплоемкость рабочего газа.
н
m - масса насадки;
н
с - теплоемкость материала насадки;
τ - время одного полуцикла.
Соотношение (3) можно преобразовать, умножив числитель и знаменатель на объем насадки V:
,
где
- плотность материала насадки;
vн
н
н
C=ρс - 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.
6
3
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⋅10 Дж/мК, т.е. из БрАЖМц 10-3-1,5 или Л68.
6
3
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⋅10 Дж/мК, т.е. из ЛК80-3Л, Л63 или Л62.
6
3
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⋅10 Дж/мК, т.е. из никеля или 29НК.
vн
При определении значений C 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:
vн
vн
6
3
6
3
- у эрбия при 80 К C=1,77⋅10 Дж/мК, у БрАЖМц 10-3-1,5 при 80 К C=2,10⋅10Дж/мК
,
х
где Θ - 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:
vн
vн
6
3
6
3
- у ЛК80-3Л при 150 К C=3,04⋅10 Дж/мК, у металлической сетки, например, из 12Х18Н10Т при 150 К С=2,86⋅10Дж/мК
,
с
где Θ - 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:
vн
vн
6
3
6
3
- у никеля при 255 К C=3,75⋅10 Дж/мК, у металлической сетки, например, из 12Х18Н10Т при 255 К C=3,6⋅10 Дж/мК
,
т
где Θ - 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:
р
x
c
т
Θ=Θ⋅Θ⋅Θ=1,19⋅1,06⋅1,04=1,31 или 31%,
р
где Θ - общий коэффициент эффективности регенератора.
Длина каждой части регенератора определяется ее температурными границами. Пусть общая длина регенератора составляет L.
х
Тогда длина «холодной» части  составит:
;
с
длина «средней» части  составит:
;
т
длина «теплой» части  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):
6
3
х
- «холодной» части 1 с температурным диапазоном 70-90К, в которой насадка из плетеной сетки выполнена из материалов с объемной теплоемкостью, превышающей 2,02⋅10 Дж/мК, например, из БрАЖМц 10-3-1,5 или Л68, при этом длина «холодной» части составляет =0,087⋅L;
6
3
с
- «средней» части 2 с температурным диапазоном 90-210К, в которой насадка из плетеной сетки выполнена из материалов с объемной теплоемкостью, превышающей 2,94⋅10 Дж/мК, например, из ЛК80-3Л, при этом длина «средней» части составляет =0,522⋅L;
6
3
т
- «теплой» части 3 с температурным диапазоном 210-300К, в которой насадка из плетеной сетки выполнена из материалов с объемной теплоемкостью, превышающей 3,72⋅10 Дж/мК, например, из никеля или 29НК, при этом длина «теплой» части составляет =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.