Криогенное устройство Советский патент 1992 года по МПК F16L19/04 

15

где А

QЈ Qn + Qj. AI+ -B- лгОАп ATj

(7)

В TtDdATiA ;

Назначение: изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при создании криоустройств с ЭВТИ и с трубопрозодами. Сущность изобретения заключается в том, что решена задача снижения массогабаритных параметров путем уменьшения суммарных теплопритоков. Это достигается тем, что в зоне контакта с пакетом экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) дополнительный слой изоляции 5 с трубопроводом 4 выполнены в виде коаксиальных полых цилиндров, образованных трубопроводом спиральной намотки с заданными размерами и слоистой изоляцией из материала произведением коэффициентов продольной и поперечной теплопровод- ностей меньшим, чем у применяемой ЭВТИ, например стеклобумаги. Полый цилиндр дополнительной слоистой теплоизоляции 5 с заданной толщиной стенки состоит из трех отдельных элементов, один из которых 6 расположен между витками трубопровода 4, а два других 7 и 8 - по обе стороны от витков и собраны из отдельных сегментов. 4 з. п. ф-лы, 4 ил. Ч

(2)

Ка TrdAii AT,

где AT - перепад температуры по толщине изоляции;

(5ц - высота змеевика и толщина экран- но-вакуумной теплоизоляции:

D - диаметр змеевика.

S, Атр- площадь поперечного сечения и теплопроводность материала трубопровода;

N - число витков в змеевике;

d - диаметр трубопровода.

Для определения оптимального значения D продифференцируем выражение (1) по параметру D и приравняем это значение нулю. В результате получим

fKi,

- v;(

ди

К2 v N d )

Таким же образом найдем оптимальное значение N, дифференцируя выражение (1) по параметру N. Тогда получим

N

5u

d -fD

Из совместного решения уравнений (3) и (4) получим оптимальные значения параметров

Nonr, Оопт

N 1 -rU ОПТ - 7Г Г

би.

d

1/2,

К2

d (ЗАтр/АмГ /я., (6)

Из соотношения (5) следует, что шаг между витками спирали равен диаметру

AII, АА- коэффициент теплопроводности изо- ляции 5 вдоль и поперек оси цилиндрического змеевика:

АТ| - перепад температуры между витками трубопровода и основным пакетом ЭВТИ.

После дифференцирования уравнения (7) по параметру I получаем значение производной

30

,

(8)

Отсюда находим оптимальное значение для толщины изоляции с каждой стороны цилиндра (образованного витками трубопровода), пропорциональное диаметру трубопровода

d

40

опт

я, ITGT

(9)

На фиг. 2-4 представлены графики изменения теплопритвков по криогенному устройству с параметрами АТр 13 Вт/м К; tf 5 мм; AT 220 К; 5и 3 см: АТ| 10 К; S 45 3,14 мм2; Ал 10 2Вт/м -K;Aj,- 10 3Вт/м- К при отклонении размеров криогенного устройства от оптимальных.

50

55

Как видно из фиг. 2, предлагаемый диаметр трубопровода спиральной намотки равен 0,5...1,5 Оопт. При таких значениях D увеличение суммарного теплового потока не превышает 25% (фиг. 2) от оптимального его значения.

Толщину стенки полого цилиндра изоляции 7 и 8 необходимо выбирать равной 0,5...1,5 1опт, тогда суммарный тепловой поток превышает свое оптимальное значение не более чем на 25% (фиг. 3).

При шаге между витками змеевика 1,5...2,5 d величина суммарного теплового потока превышает свое оптимальное значение не более чем на 15% (фиг. 4).

Такой выбор диапазонов изменения предлагаемых размеров сделан исходя из того, что при любых размерах из этого диапазона описываемое криогенное устройство обеспечивает значительно меньший суммарный тепловой поток, чем другие известные конструкции.

Если вместе находится несколько спиральных трубопроводов, то общая толщина цилиндра возрастает на величину, равную сумме диаметров трубопровода, т.е. на величину (n-1)d, где п - число трубопроводов.

Предлагаемое криогенное устройство прошло экспериментальную проверку на сосудах с жидкими и твердыми азотом и аргоном и на макетах комбинированной системы глубокого охлаждения по теме К-П- ППб. Ее применение позволило по сравнению с прототипом вдвое снизить теп- лопритоки к сосуду объемом 8,5 л, имеющему четыре трубопровода диаметром 5 мм, выполненных из стали Х18Н10Т при толщине стенки 0,3 мм.

Формула изобретения

трубопровода, АТр - коэффициент теплопроводности его материала; Аи - коэффициент теплопроводности дополнительного слоя изоляции вдоль оси цилиндрического змеевика.

равна 1+(1,5...2,5)

25

, где Ли, А коэффициент теплопроводности дополнительного слоя изоляции вдоль и поперек оси цилиндрического змеевика соответственно. 5. Устройство по пп. 1-4, отличающ е е с я тем, что оно дополнительно снабжено трубопроводами одинакового или разного диаметра, выполненными в виде аналогичных цилиндрических змеевиков и установленными в витке соосно с обеспечением теплового и механического контакта по линии их соприкосновения, при этом толщина стенки полого цилиндра дополнительного слоя изоляции увеличена на величину (n-1)d, где п - число трубопроводов; d диаметр трубопровода.

S

Qonr

15

№

/

0 0,5 /

Фи2 2

g

I

iS5

3 Ј

§

С

/

0

QS

/

T0S7U, L. Ma Г70У702О {L/.u- dfca U3UJ7ЈLJUU

Фиг -5

J

Јcnr

2

Ј- e

2ЛГ

#

Зопт

4$

{25

/

О Jd 24 3d 4J Ша ЈusnxaAsu

Фаг.Ч