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 Стерлинга 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 Стерлинга. М, Машиностроение, 1977, с. 111).
Недостатком этого устройства является несовершенство термодинамического цикла и высокие потери от неэффективности теплообмена в регенераторе (потери теплоты из-за недорекуперации, а также потери за счет высокой теплопроводности металлических сеток).
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является комбинированный регенеративный теплообменник выполненный по патенту на полезную модель №176892 от 01.02.2018 (МПК F25B 9/14), включающий теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной металлической сетки, состоящую из трех частей, каждая из которых выполнена из материала с максимальной объемной теплоемкостью в своем диапазоне температур.
Недостатком этого устройства являются высокие теплопритоки по насадке в холодной части регенератора из теплой его части вследствие высоких коэффициентов теплопроводности металлических сеток, что снижает полезную холодопроизводительность ГКМ.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание комбинированного регенеративного теплообменника с пониженным теплопритоком по насадке для газовых микрокриогенных машин, работающих по циклу Стерлинга, в диапазоне температур до 70 К.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в комбинированный регенеративный теплообменник микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне до 70 К, включающий в себя теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной металлической сетки, состоящую из трех частей, каждая из которых выполнена из материала с максимальной объемной теплоемкостью в своем диапазоне температур: «холодной» от 70 до 90 К, «средней» от 90 до 210 К и «теплой» от 210 до 300 К, а между частями насадки установлены сетки из неметаллического материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из ткани из кварцевого волокна.
В общем виде, теплопритоки по длине насадки регенератора можно определить по известным формулам (Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов, изд. 3-е, пререраб. и доп.М., «Энергия», 1975, с. 31, уравнения 2-27 и 2-28):
где
К - коэффициент теплопередачи по длине насадки;
F - площадь поперечного сечения насадки;
1
T - минимальная температура «холодного» участка насадки;
2
Т - максимальная температура «горячего» участка насадки.
где
- длина «горячего» участка насадки;
- длина «среднего» участка насадки;
- длина «холодного» участка насадки;
- длина участка заполненного сеткой из неметаллического материала;
- коэффициент теплопроводности материала сеток «горячего» участка;
- коэффициент теплопроводности материала сеток «среднего» участка;
- коэффициент теплопроводности материала сеток «холодного» участка;
- коэффициент теплопроводности материала сетки из неметалла.
Оценить эффективность предложенного технического решения по сравнению с прототипом можно, рассмотрев характеристики материалов насадки для каждой из частей регенератора.
Зададим следующие параметры насадок регенератора соответствующие прототипу:
х
- в «холодной» части регенератора насадка выполнена, например, из сетки БрАЖМц 10-3-1,5, при этом длина «холодной» части составляет  где L - общая длина насадки, а коэффициент теплопроводности λ=23 Вт/м К;
х
- в «средний» части насадка выполнена, например, из сетки Л 68, при этом длина «средней» части составляет  где L - общая длина насадки, а коэффициент теплопроводности λ=83,7 Вт/м К;
m
- в «теплой» части насадка выполнена, например, из сетки НК 29, при этом длина «теплой» части составляет  где L - общая длина насадки, а коэффициент теплопроводности λ=12,6 Вт/м К;
m
- для неметаллической сетки (ткань из кварцевого волокна) примем  и λ=0,12 Вт/м К.
m
ср
х
нм
Величины значений λ, λ, λ и λ взяты из следующих источников:
1. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М., «Энергоатомиздат», 1991.
2. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике. Справочник. Л., «Машиностроение», 1982.
-6
2
Допустим, что общая длина насадки L=0,045 м, а площадь поперечного сечения насадки F=12,56⋅10 м.
Воспользовавшись зависимостями (1) и (2), получим коэффициент теплопередачи по длине насадки и теплопритоки для прототипа (в этом случае ):
-6
Q=541,3⋅(300-70)⋅12,56⋅10=1,564 Вт.
Коэффициент теплопередачи по длине насадки и теплопритоки для предлагаемого регенератора:
Предложенная конструкция комбинированного регенеративного теплообменника была реализована в ГКМ, работающей по циклу Стерлинга. В заявляемой полезной модели используется комбинированный метод заполнения насадки регенеративного теплообменника состоящей из трех частей (см. фиг. 1): «холодной» 1, «средней» 2 и «теплой» 3, заполненных металлическими сетками из материалов с разными объемными теплоемкостями. Насадка регенеративного теплообменника находится в корпусе 4, выполненном из теплоизоляционного. Части насадки разделяют сетками 5 из неметаллического материала с низким коэффициентом теплопроводности.
Таким образом, применение в комбинированном регенеративном теплообменнике между частями насадки, заполненными металлическими сетками из материалов с разными объемными теплоемкостями, сеток из неметаллического материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из ткани из кварцевого волокна, увеличивает холодопроизводительность на 1,408 Вт (1,564-0,156=Вт).