КОМБИНИРОВАННЫЙ РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2014 года по МПК F28D17/00 B82B1/00 F25B9/00 

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 Nu_ш - число Нуссельта (безразмерная теплоотдача) для свинцовых шариков;

λ_ш - теплопроводность свинцовых шариков, Вт/(м·K); d_ш - диметр шариков, м.

При повышении коэффициента теплопередачи уменьшается разность температур между насадкой и рабочим газом,

где G_Не - расход рабочего газа за один цикл, кг/с; c_p - теплоемкость рабочего газа Вт·с/(кг·K); T_max - максимальная температура в цикле, K; T_min - 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,

Q_nom=G_He·c_р·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; S_τ - удельная поверхность теплообмена, ρ_ср - плотность рабочего газа, кг/м³; ε_н - 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.

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.

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.