РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК НИЖНЕЙ СТУПЕНИ КРИОГЕННОЙ ГАЗОВОЙ МАШИНЫ
REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF LOWER STAGE OF CRYOGENIC GAS MACHINE

Изобретение относится к криогенной технике и предназначено для использования в качестве регенеративных теплообменников криогенных газовых машин.
Известен регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины (см. Masashi Nagao, Takashi Inaguchi, Hideto Yoshimura, Tadatoshi Yamada and Masatami Iwamoto. Helium liquefaction by Gifford-McMahon cycle cryocooler. Advances in Cryogenic Engineering, vol.35, 1990), содержащий корпус и заглушки с отверстиями на его холодном и теплом концах, в котором расположены частицы произвольной формы из холодоаккумулирующего материала.
Однако такой регенеративный теплообменник имеет низкое значение коэффициента эффективности.
3
0
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины (см. N.Jiang, U.Lindemann, F.Giebeler, G.Thummes. A He pulse tube cooler operating down to 1.3 К. Cryogenics 44 (2004) 809-816), содержащий корпус, разделенный перегородками в виде сеток на идентичные секции, и с расположенными на его холодном и теплом торцах заглушками с отверстиями. Все секции заполнены гелием и сферическими гранулами из любого холодоаккумулирующего материала, одинакового диаметра d во всех секциях.
Однако такой регенеративный теплообменник имеет низкое значение коэффициента эффективности.
Технической задачей изобретения является повышение коэффициента эффективности регенеративного теплообменника нижней ступени криогенной газовой машины путем увеличения поверхности гранул, участвующих в теплообмене при сохранении неизменным гидравлического сопротивления теплообменника. Это позволит увеличить эффективность работы криогенной газовой машины и понизить температуру холодного конца нижней ступени.
i
Эта техническая задача достигается тем, что в известном регенеративном теплообменнике нижней ступени криогенной газовой машины, содержащем корпус, разделенный перегородками в виде сеток на идентичные секции, расположенные на его холодном и теплом торцах заглушками с отверстиями, во всех секциях корпуса расположены сферические гранулы из холодоаккумулирующего материала и гелий, сферические гранулы выполнены монодисперсными, а перепады давления ΔР в каждой секции установлены равными и их значения выбраны из условия
где i - номер секции;
n - количество секций;
о
o
ΔР - перепад давления на всем теплообменнике при заполнении его гранулами одинакового диаметра d,
i
при этом в секциях, расположенных по направлению от холодного торца теплообменника к теплому, диаметр гранул d ступенчато увеличивается и выбирается из условия
где  - среднее значение плотности теплоносителя по длине i-й секции;
- среднее значение плотности теплоносителя по длине всего теплообменника.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины, на фиг.2 представлен график изменения температуры холодного конца регенеративного теплообменника нижней ступени криогенной газовой машины.
Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины содержит корпус 1 длиной ℓ, заполненный гелием 2. Корпус 1 разделен на идентичные секции 3 перегородками 4 выполненными в виде разделительных сеток. Все секции 3 имеют одинаковую длину  На холодном торце корпуса 1 расположена заглушка 5 с отверстиями 6 для прохода гелия 2, а на другом теплом торце установлена заглушка 7 с отверстиями 8 для прохода гелия 2. Каждая из секций 3 заполнена монодисперсными сферическими гранулами 9 из любого холодоаккумулирующего материала, например свинца, или сплавы редкоземельных металлов, диаметр d которых в каждой секции теплообменника одинаков и определен из условия:
где i - номер секции;
o
d - оптимальное значение диаметра гранул при заполнении всех секций корпуса теплообменника гранулами одного размера;
- среднее значение плотности теплоносителя по длине i-й секции;
- среднее значение плотности теплоносителя по длине всего теплообменника.
Количество секций может быть любым, но по технологическим соображением оно не должно быть больше 7, так как при большом количестве разделительных сеток происходит заметное уменьшение объема полости теплообменника, заполненного гранулами и соответственно поверхности теплообмена F.
Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины работает следующим образом.
1
Перед пуском криогенной газовой машины в корпусе 1 на холодном торца теплообменника устанавливают заглушку 5 с отверстиями 6. Затем производится заполнение полости первой секции 3 монодисперсными сферическими гранулами диаметром d, отклонение которого от среднего значения d не превышает ±2%. Монодисперсность обеспечивает однородность всех параметров гранул 9 (размер, химический состав, структура и др.) и позволяет с высокой точностью оптимизировать характеристики регенеративных теплообменников.
i
1
2
n
1
0
n
Затем в корпус 1 на расстоянии  от его холодного торца устанавливается перегородка 4, которая отделяет первую от холодного торца теплообменника секцию от следующей. Аналогично производится заполнение второй, третьей и n-й секций, отделенных друг от друга перегородками 4, которые предотвращают перемешивание гранул 9 по длине корпуса 1. Диаметр d монодисперсных гранул 9, выполненных из любого холодоаккумулирующего материала, расположенных внутри каждой секции 3, выбран одинаковым, но по направлению от холодного торца теплообменника к теплому его величина в разных секциях ступенчато увеличивается и выбирается из условия (1). Таким образом, для значений диаметра гранул в секциях выполняются условия d<d<…<d, a d<d<d.
i,
i
0
0
i
0
i
i
0
В случае заполнения секций теплообменника гранулами 9 с диаметром d, в секциях 3, где выполняется условие d<d (вблизи холодного торца) происходит увеличение поверхности теплообмена по сравнению со случаем заполнения гранулами 9 одинакового диаметра d, а в секциях, где d>d (вблизи теплого конца) - уменьшение. При определении значений d для условий работы криогенной газовой машины с рабочей температурой Т≤10К. увеличение поверхности теплообмена в секциях вблизи холодного торца преобладает над ее уменьшением в секциях вблизи теплого торца. В результате этого суммарная поверхность теплообмена при ступенчатом заполнении секций 3 гранулами 9 с диаметром d становится больше, чем при заполнении их сферическими монодисперсными гранулами 9 одинакового диаметра d.
После заполнения всех секций 3 корпуса 1 в нем устанавливают заглушку 7 теплого торца теплообменника.
0
0
При таком заполнении монодисперсными гранулами 9 секций 3 корпуса 1 теплообменника перепады давления ΔРi на всех секциях 3 от первой до последней выбраны равными. Так как гидравлическое сопротивление теплообменника определяется по формуле Дарси (см. С.С.Кутателадзе, В.М.Боришанский. Справочник по теплопередаче. - М.: Госэнергоиздат, 1959), то перепад давления ΔР на всем корпусе 1 теплообменника, заполненном монодисперсными гранулами 9 из холодоаккумулирующего материала одинакового размера с оптимальным диаметром d будет равен
где ξ - коэффициент гидравлического сопротивления сферических гранул;
- средняя массовая скорость потока;
- среднее значение плотности теплоносителя на участке ℓ;
0
0
d - оптимальное значение диаметра гранул в случае заполнения всех секций 3 корпуса 1 теплообменника одинаковыми по размеру гранулами 9. Значение d определяется опытным путем и соответствует минимальному значению температуры холодного конца теплообменника.
i
Перепад давления на любой из секций 3 теплообменника, заполненной гранулами 9 диаметром d=d будет равен:
Учитывая, что длина секции ,
i
a d определяется условием (1), получим
С учетом (2) получим
0
0
Таким образом, все перепады давления на секциях 3 теплообменника равны, а их сумма равна перепаду давления на всем теплообменнике в случае заполнения его одинаковыми гранулами 9 диаметром d. При этом поверхность F заполненных секций 9 монодисперсными гранулами 9 в случае ступенчатого изменения диаметра по длине теплообменника будет больше, чем поверхность заполненных в секции 3 гранул 9 одного диаметра d.
Устанавливают регенеративный теплообменник в криогенную газовую машину и заполняют гелием 2, являющимся теплоносителем, и производят ее пуск.
Опыты, проведенные на двухступенчатой криогенной машине Гиффорда-Мак-Магона, показали эффективность регенеративного теплообменника нижней ступени со ступенчатым изменением по его длине диаметра монодисперсных сферических гранул. Опыты проводились на теплообменнике с количеством секций n=3. В качестве холодоаккумулирующего материала сферических монодисперсных гранул нижней ступени использовался свинец.
В первом случае в каждую секцию теплообменника помещали гранулы диаметром
0
i
1
2
3
0
d=190 мкм, который является оптимальным при однородной засыпке. Во втором случае диаметр гранул 9 диаметром d в каждой из секций 3 менялся ступенчато. Диаметр монодисперсных гранул 9 в секциях определялся по соотношению (1) и был равен d=100 мкм, d=190 мкм и d=280 мкм. Поверхность гранул 9 во втором случае примерно на 20% больше, чем в первом случае. Поскольку гидравлическое сопротивление в обоих случаях одинаковое, то коэффициент эффективности теплообменника  при ступенчатом заполнении гранулами его секций соответственно выше на 20%. Опытным путем получена зависимость холодного торца теплообменника от тепловой нагрузки при заполнении всех секций 3 его корпуса гранулами 9 диаметром d=190 мкм (кривая а) и со ступенчатым изменением диаметра (кривая в). Видно, что ступенчатое заполнение гранул 9 теплообменника приводит к понижению температуры его холодного конца, примерно, на 1К.
Таким образом, использование изобретения позволяет увеличить коэффициент эффективности теплообменника и, соответственно, повысить эффективность работы криогенной газовой машины.