Комбинированный регенеративный теплообменник
Изобретение относится к газовым микрокриогенным машинам, а именно к регенеративным теплообменникам. В комбинированном регенеративном теплообменнике, включающем теплоизоляционный корпус, насадку, находящуюся внутри корпуса, насадка состоит из двух частей: со стороны "теплого" конца регенеративного теплообменника насадка выполнена из плетеной металлической сетки, со стороны "холодного" конца регенеративного теплообменника заполнена свинцовыми наношариками, между частями насадки установлена защитная сетка, предотвращающая проникновение свинцовых наношариков в область плетеной металлической сетки. Технический результат - повышение эффективности газовой микрокриогенной машины в целом. 1 ил.
Изобретение относится к газовым микрокриогенным машинам, а именно к регенеративному теплообменнику газовой криогенной машины, работающей по циклу Стирлинга.
Известно применение 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 [патент RU №2079066, МПК F25B 9/00, опубл. 10.05.1997].
Недостатком существующего регенератора является сложность конструкции и необходимость поддержания вакуума или защитной среды в условиях постоянного использования.
Наиболее близким является устройство концентрического регенератора для двигателей Стирлинга, состоящего 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 изобретения заключается в создании регенеративного теплообменника с повышенной эффективностью термодинамического цикла в газовых микрокриогенных машинах.
Цель достигается тем, что регенеративный теплообменник, включающий в себя теплоизоляционный корпус, насадку из плетеной металической сетки со стороны "теплого" конца регенеративного теплообменника, имеет в области холодного конца регенеративного теплообменника насадку, заполненную свинцовыми наношариками.
Между частями насадки установлена защитная сетка, предотвращающая проникновение свинцовых наношариков в область плетеной металлической сетки.
В заявленном изобретении используют комбинированный способ заполнения полости регенератора: часть регенеративного теплообменника со стороны "теплого" конца заполняют плетеной металлической сеткой, а со стороны "холодного" конца заполняют свинцовыми наношариками. 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.
Технический результат достигается тем, что часть плетеной металлической сетки заменена свинцовыми наношариками, с более высоким коэффициентом теплопередачи,
где Nuш - число Нуссельта (безразмерная теплоотдача) для свинцовых шариков;
λш - теплопроводность свинцовых шариков, Вт/(м·K); dш - диметр шариков, м.
При повышении коэффициента теплопередачи уменьшается разность температур между насадкой и рабочим газом,
где GНе - расход рабочего газа за один цикл, кг/с; cp - теплоемкость рабочего газа Вт·с/(кг·K); Tmax - максимальная температура в цикле, K; Tmin - минимальная температура в цикле, K; F - площадь поперечного сечения регенератора, м2; k - коэффициент теплопередачи комбинированного регенеративного теплообменника, Вт/(м2·K).
При увеличении разности температур между насадкой и рабочим тазом увеличиваются потери за счет недорекуперации,
Qnom=GHe·cр·ΔT
Однако при этом повышается гидравлическое сопротивление, из-за использования свинцовых шариков,
где ξ - коэффициент гидравлического сопротивления насадки; ϖ - средняя скорость рабочего газа в поперечном сечении регенератора, м/с; H - высота регенератора, м; Sτ - удельная поверхность теплообмена, ρср - плотность рабочего газа, кг/м3; εн - средняя пористость насадки.
Соотношение потерь от недорекуперации с потерями от повышения гидравлического сопротивления показывает таблица, полученная расчетно-экспериментальным способом. Таблица представляет различные способы выполнения регенеративного теплообменника: насадка выполнена полностью из плетеной металлической сетки (прототип), насадка выполнена полностью из свинцовых наношариков (аналог), насадка выполнена комбинированным методом (заявленное изобретение).
Таблица | |||||
Характеристики регенеративного теплообменника | |||||
Величина | Коэффициент теплопередач и, Вт/(м2·K) | 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 | 1,344·103 | 7,223 | 15,933 | 14360 |
Свинцовые наношарики | 12,27·103 | 0,794 | 1,75 | 397 900 | |
Комбинированный | 4,942·103 | 1,968 | 8,676 | 103600 |
В заявляемом изобретении используется комбинированный метод заполнения насадки регенератора: 33 мм занимает плетеная металлическая сетка (ссылка 1 на фигуре), а 10 мм - шарики диаметром 200 мкм из свинца (ссылка 2 на фигуре). Насадка регенератора находится в теплоизоляционном корпусе (ссылка 3 на фигуре). Проникновение свинцовых наношариков между частями насадки (в область плетеной металлической сетки) предотвращает защитная сетка (ссылка 4 на фигуре). Полученная конструкция крепится к крейцкопфу газовой микрокриогенной машины при помощи расширителя (ссылка 5 на фигуре).
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 1,5 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 микрокриогенных системах является потребляемая мощность в стационарном режиме. По сравнению с традиционным вариантом исполнения регенеративного теплообменника (прототипом), комбинированный метод позволяет снизить потребляемую мощность на 7%, что влияет на общий КПД системы, который увеличивается примерно на 10%.
Полученные данные доказывают целесообразность применения комбинированного регенеративного теплообменника.
Комбинированный регенеративный теплообменник, включающий теплоизоляционный корпус, насадку, находящуюся внутри корпуса, отличающийся тем, что насадка состоит из двух частей: со стороны "теплого" конца регенеративного теплообменника насадка выполнена из плетеной металлической сетки, со стороны "холодного" конца регенеративного теплообменника заполнена свинцовыми наношариками, между частями насадки установлена защитная сетка, предотвращающая проникновение свинцовых наношариков в область плетеной металлической сетки.