Экспериментальное исследование ГКМ Стирлинга с редкоземельным регенератором

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013

УДК 621.573

В. И. КАРАГУСОВ Ю. А. БУРЬЯН

Омский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГКМ СТИРЛИНГА С РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМ РЕГЕНЕРАТОРОМ

Рассмотрено экспериментальное исследование применения редкоземельного регенератора в газовой криогенной машине Стирлинга. Использование такого регенератора позволило повысить ее термодинамические характеристики, такие как эффективность и холодопроизводительность. Эксперименты показали значительное понижение минимальной температуры криостатирования.

Ключевые слова: газовая криогенная машина Стирлинга, регенератор, редкоземельные металлы.

В микрокриогенной технике газовые криогенные машины (ГКМ) Стирлинга используются для охлаждения оптико-электронных приборов благодаря малым массе, габаритам и энергопотреблению. Высокая термодинамическая эффективность цикла Стирлинга при реализации в конкретных ГКМ Стирлинга уменьшается с понижением температуры криостатирования из-за технических потерь.

Одни из основных потерь в ГКМ Стирлинга — потери от неидеальности теплообмена в регенераторе. Уменьшить эти потери и повысить термодинамическую эффективность регенератора, а следовательно, и всей ГКМ Стирлинга можно путем применения редкоземельных материалов в качестве насадки регенератора ГКМ [1, 2].

Анализ редкоземельных материалов показал, что на азотном температурном уровне наиболее подходящим теплоемким материалом насадок регенераторов является диспрозий [3 — 5]. Экспериментальная проверка редкоземельной насадки регенератора была проведена на одноступенчатой ГКМ Стирлинга ХМ-25Б с холодопроизводительностью 5 Вт на 80 К.

На рис. 1а показан регенератор ГКМ Стирлинга со штатной бронзовой насадкой, выполненной из сетки, на рис. 1б показан модернизированный регенератор, в котором часть бронзовой сетки заменена на диспрозий.

Длина I участка регенератора с диспрозиевой насадкой определялась из выражения [6]

где L — длина регенератора;

Тт — температура теплого конца регенератора;

Тх — температура холодного конца регенератора;

Т — температура в заданном сечении регенератора.

Первоначально была снята характеристика полезной холодопроизводительности Оо от температуры криостатирования Т для штатной бронзовой насадки регенератора (кривая 1 на рис. 2). Затем по диаграммам теплоемкости Ср от температуры [3, 5] выбирается редкоземельный материал насадки регенератора. В данном случае был выбран чистый диспрозий фу).

По результатам расчетов в ГКМ Стирлинга было удалено 7 мм бронзовой сетки со стороны холодного конца регенератора и заменено на насадку из диспрозиевой стружки с характерными размерами ~0,1х0,5х2 мм. Масса диспрозиевой насадки составила около 0,8 г. Полученный таким образом комбинированный регенератор был установлен на ту же самую ГКМ Стирлинга.

Результаты экспериментов с комбинированным регенератором приведены на рис. 2 (кривая 2).

На рис. 2 видно, что минимальная температура криостатирования ГКМ Стирлинга с комбинированным регенератором понизилась с 50 К до 34 К; на температуре 50 К холодопроизводительность повысилась на 2,2 Вт; на температуре 60 К холодопроизводительность повысилась более чем на один Ватт; на температуре 80 К холодопроизводительность не изменилась; на температурах выше 80 К холодопро-изводительность стала меньше. Это объясняется тем, что теплоемкость диспрозия на температурах

1 2 3

1

ГГ

ж

Рис. 1. Исходный (а) и модернизированный (б) регенераторы ГКМ Стирлинга:

1 — корпус регенератора; 2 — газовые каналы; 3 — бронзовая насадка регенератора;

4 — диспрозиевая насадка регенератора

Температура криостатирования, К

Рис. 2. Холодоироизводительность ГКМ Стирлинга:

1 — со штатным бронзовым регенератором; 2 — с комбинированным регенератором

ниже 80 К больше, чем у бронзы, а на температурах выше 80 К — меньше.

Энергопотребление ГКМ Стирлинга в экспериментах 1 и 2 было одинаковым, из чего можно сделать вывод, что КПД этой ГКМ на температурах ниже 80 К больше с комбинированной насадкой, чем с бронзовой.

Таким образом, эксперименты с редкоземельной комбинированной насадкой регенератора ГКМ Стирлинга показали возможность улучшения ее термодинамических характеристик (КПД, холодо-производительность, минимальная температура).

Библиографический список

4. Карагусов, В. И. Создание баз данных теплофизических свойств редкоземельных материалов / В. И. Карагусов, Е. Е. Карагусова // Вестник Международной академии холода. - 2000. - № 3. - С. 32-33.

5. Карагусов, В. И. Применение редкоземельных материалов в микрокриогенных системах / В. И. Карагусов, Е. Е. Ка-рагусова // Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения : сб. докл. Технол. конгр. - Омск : Изд-во ОмГТУ. - 2001. - Ч. 1. - С. 206-208.

6. Karagusov, V. I. Interpolative determination of the heat capacity of alloys of rare-earth metals for regenerators of cooling system /V. I. Karagusov, E. E. Karagusova, N. V. Krivko // Chemical and Petroleum Engineering. - 2002. - V. 38. - Issue 11-12. - P. 725-727.

1. Применение сплавов редкоземельных металлов в регенераторах установок Гиффорда-Мак-Магона У В. Б. Анкудинов УУ Известия Академии наук. — Энергетика. — 2003. — № 6. - С. 97-101.

2. Карагусов, В. И. Двухступенчатая микрокриогенная система Гиффорда-МакМагона для работы на субгелиевом температурном уровне У В. И. Карагусов, Н. В. Тятюшкин, Е. Е. Карагусова УУ Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2009. - № 2. - С. 19-20.

3. Two-stage Gifford-MacMahon microcryogenic system for operation at subhelium temperature У V. I. Karagusov, N. V. Tyatyushkin, E. E. Karagusova УУ Chemical and Petroleum Engineering. - Vol. 45. - No. 1-2. - 2009. - P. 77-80.

КАРАГУСОВ Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология», академик РАЕН.

БУРЬЯН Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор, заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматического управления».

Адрес для переписки: karvi@mail.ru

Статья поступила в редакцию 14.10.2013 г.

© В. И. Карагусов, Ю. А. Бурьян

Книжная полка

621.311/Т23

Татевосян, А. А. Внутризаводское электроснабжение и режимы : учеб. пособие / А. А. Татевосян ; ОмГТУ. -Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 110 с. - ISBN 978-5-8149-1251-0.

Рассматриваются разделы дисциплины «Внутризаводское электроснабжение и режимы», посвященные решению общей задачи обеспечения электрической энергией промышленных предприятий.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА