CN112212719A - 预冷型jt制冷机用旁通型低温负压换热器及设计方法 - Google Patents

预冷型jt制冷机用旁通型低温负压换热器及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器及设计方法，该换热器由高压侧管路、低压侧管路、旁通管路、旁通元件、三通元件以及低温负压间壁式换热器组成。本发明采用旁通管路改变了低温负压换热器中流体的温度以及流量分布，减小了管路的不可逆损失以及低压管路侧的压降损失，降低预冷型JT制冷机节流后的低压压力，降低了预冷型JT制冷机末级制冷温度；增大了低温负压间壁式换热器中高低压管路流体流速，从而增大低温负压换热器换热效率；降低了节流前流体温度，增大了预冷型JT制冷机的制冷量；提高了预冷型JT制冷机整机效率。本发明对于预冷型JT制冷机在极低温区以及航空航天等特殊领域的应用具有非常积极的意义。

Description

预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器及设计方法
技术领域
本发明属于制冷及低温工程领域，涉及JT制冷机，特别涉及一种预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器及设计方法。
背景技术
JT制冷机(Joule-Thomson Cooler)是一种典型的间壁式制冷机，在前级使用预冷的情况下，可以作为实现1～4K深低温区制冷的重要技术手段。其前级预冷可采用GM制冷机、斯特林制冷机、GM型脉冲管制冷机或者斯特林型脉冲管制冷机等来预冷，在低温制冷领域有着重要和广泛的应用。
低温负压间壁式换热器作为1～4K深低温区预冷型JT制冷技术的核心部件，其换热效率极大程度地影响整机的性能，甚至直接关系到预冷型JT制冷机整机能否正常运转，通常要求换热器效率达到77％以上。由于低温负压间壁式换热器的换热量远大于预冷型JT制冷机末级制冷量(大一个数量级以上)，低温负压间壁式换热器损失增大将使制冷机效率急剧下降，这在低温下尤为明显。
在预冷型JT制冷循环中，部分低温负压间壁式换热器工作在预冷中间温度以上，其效率直接影响回热式制冷机的预冷换热量。低温负压间壁式换热器指工作在预冷中间温度以下的换热器，其效率直接影响预冷型JT制冷机末级制冷温度以及末级制冷量。因此，提高低温负压间壁式换热器效率，尤其是末级低温负压间壁式换热器的效率至关重要。增大换热面积可以增大换热量，提高低温负压间壁式换热器的效率，但末级低温负压间壁式换热器通常工作在20K以下乃至1K的极低温区，氦气的非理想性渐趋明显，间壁式换热器高低压侧气体比热容差距明显，且密度随着温度降低急剧下降，导致节流前高压侧气体无法得到充分冷却，影响制冷机的性能。目前能有效使用于工作在1～4K温区的预冷型JT制冷机用高效低温负压间壁式换热器还不多见。
发明内容
鉴于现有研究和技术的不足，本发明提出了一种预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器及设计方法。
图1为所发明的预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器，它包括高压侧管路一2、低压侧管路一5、旁通管路4、旁通元件3、三通元件一1、三通元件二1′、高压侧管路二2′、低压侧管路二5′以及低温负压间壁式换热器6。
如图1所示，所述的低温负压间壁式换热器6为管套管换热器，由内管7和外管8组成，均为薄壁不锈钢管材，管径一般为1～6mm，内管7外壁通过焊接细铜丝或者银焊料凸起等方式固定在外管中央，绕制成不同直径和高度的螺旋管套管式换热器；低温负压间壁式换热器6热端连接的高压侧管路一2上设有一个与低压侧管路一5单向连通的旁通管路4，旁通管路4通过三通元件一1与高压侧管路一2相连，通过三通元件1′与低压侧管路一5相连，在旁通元件3的作用下构成了高压侧管路2与低压侧管路5的单向导通，通过旁通元件3调节通过旁通管路4的流体流量，调整低温负压间壁式换热器6内部温度分布，由此共同形成了一种预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器。
所述的预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器的设计方法，其设计方法和步骤如下：
步骤一：根据所应用于的预冷型JT制冷机旁通型低温负压换热器工况确定以下设计目标参数：低温负压间壁式换热器6热端进口温度T1、热端出口温度T2、冷端进口温度T3、冷端出口温度T4、高压侧管路一2内高压压力大小P1、低压侧管路一5内低压压力P2、低温负压间壁式换热器内管7内径d1、低温负压间壁式换热器内管7外径d2、低温负压间壁式换热器外管8内径d3以及低温负压间壁式换热器6管路最大允许压降ΔP；
步骤二：根据步骤一中所确定的设计目标参数，计算低温负压间壁式换热器6高压侧热端进口焓值H1及高压侧冷端出口焓值H2，根据平均温差法计算低温负压间壁式换热器6高压侧平均温度Th，以平均温度为定性温度，查询不锈钢在定性温度下的导热系数k0，并结合压力查询氦气物性常数，包括密度ρ、定压比热Cp、动力粘度μ以及导热系数k1；
步骤三：根据步骤二中获得的物性常数，计算普朗克数Pr和雷诺数Re，并以此判定氦气的流动状态：层流或紊流；根据低温氦流体在直管内流动摩擦因子、螺旋管套管换热器的直径D和总高度H计算低温氦气在螺旋管内流动摩擦因子f，同时计算低温氦气在低温负压间壁式换热器6高压侧流动准则数Nu；
步骤四：计算低温氦气在换热器高压侧对流换热系数hh；计算低温氦气在低温负压间壁式换热器6低压侧的对流换热系数hl；
步骤五：计算热容比Cr，采用焓差法计算所设计低温负压间壁式换热器6的效率ε；
步骤六：计算低温氦气在低温负压间壁式换热器6中的传热单元数NTU，计算低温负压间壁式换热器6的总热导率UA及总换热系数U0；
步骤七：根据步骤六所得的总热导率UA和总换热系数U0，计算出低温负压间壁式换热器6的面积S和长度L。
步骤八：根据步骤七计算出的低温负压间壁式换热器6的长度及步骤二中的低温氦流体在管内流速V以及物性参数ρ等参数计算出低温负压间壁式换热器6的总压降，并校核计算压降是否在设计总压降ΔP范围内：如校核压降在设计总压降ΔP范围内，停止计算；如校核压降未满足设计总压降ΔP范围，则更改换热器内管7和外管8的尺寸，重复步骤二至七，直至压降满足设计总压降ΔP要求。
本发明的目的在于，通过采用一种预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器，合理配置换热器内的温度与质量流量，改善现有的预冷型JT制冷机低温负压换热器换热效率低、流动阻力过大等问题，进一步降低预冷型JT制冷机末级制冷温度，提高预冷型JT制冷机末级制冷量，提升预冷型JT制冷机的整机性能。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)在现有技术中，当低温负压间壁式换热器温度处于20K温度以下时，氦气在该温区范围内密度明显增大，小流量的氦气流造成换热器内部流体处于层流状态，从而使换热系数较低，交换一定热量需要较大的换热面积才能满足要求。本发明在低温负压间壁式换热器后旁通部分低压气体，温度略低于高压气体经过旁通原件增压后，与高压气体进行近似等温混合，减小高低压气体混合的熵产，同时通过调节流量提高低温负压间壁式换热器两侧氦流体的流速，进而改善换热器中气体的温度场分布，使冷端两侧气体的温差减小，降低节流前高压气体的温度，最终增大预冷型JT制冷机末级制冷量，提高制冷机效率。
(2)在现有技术中，低温负压间壁式换热器中低压侧流体的压降往往会给JT制冷机末级制冷温度带来很大影响，固定压缩机功率，低压侧压降越大，末级制冷温度越高。本发明改善了低温负压间壁式换热器的质量流量分布，减小低温负压间壁式换热器高温段质量流量，使得低温负压间壁式换热器低压侧总压减小，提高预冷型JT制冷机性能，降低制冷机末级制冷温度。
(3)在现有的技术中，间壁式换热器中换热不充分，两侧气体的平均温差大，导致低温下换热的不可逆损失显著。为弥补这一损失，预冷型JT循环中选择更低的末级预冷温度来进一步降低高压氦气的温度，末级预冷温度通常低于20K，增加了预冷级制冷机的负荷。本发明改善了间壁式换热器中两侧气体的温度分布，充分利用低温下的冷量，使得预冷的中间温度可以选得更高，同时减小了低温负压间壁式换热器中高温段的质量流量，减小各级预冷量，减轻了预冷级制冷机的负荷。更进一步的，可以减小预冷型JT制冷机的预冷级数以及各级预冷量，采用更少级数预冷制冷机，简化了整个制冷系统的结构，使结构更加紧凑，提高了系统的可靠性，减轻了制冷机的质量，更易于满足JT制冷机的空间应用要求。
(4)在现有的技术中，预冷型JT制冷机降温初期，依靠旁通管路进行快速冷却，低温负压间壁式换热器的一部分高压管路以及节流装置只能依靠热传导进行降温，而且该部分管路及装置多为不锈钢件，在极低温下热传导速度非常慢，严重影响整个系统的降温速度。本发明增加了经过低温负压间壁式换热器的质量流量，加快了低温流体在低温负压间壁式换热器中的循环，减少了预冷型JT制冷机降温初期的预冷时间。
本发明对于预冷型JT制冷机在极低温区以及航空航天等特殊领域的应用具有非常积极的意义。
附图说明
图1为三种典型的采用旁通型低温负压换热器的预冷型JT制冷机，其中：(1)为采用旁通型低温负压换热器的一级预冷JT制冷机，(2)为采用旁通型低温负压换热器的两级预冷JT制冷机，(3)为采用旁通型低温负压换热器的三级预冷JT制冷机。
图2为预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器示意图；
图3为预冷型JT制冷机用低温负压间壁式换热器示意图；
图4为预冷型JT制冷机低温负压间壁式换热器截面图。
其中：1为三通元件一；1′为三通元件二；2为高压侧管路一；2′为高压侧管路二；3为旁通元件；4为旁通管路；5为低压侧管路一；5′为低压侧管路二；6为低温负压间壁式换热器；7为低温负压间壁式换热器内管；8为低温负压间壁式换热器外管。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
图1为所发明的旁通型低温负压换热器，它包括高压侧管路一2、低压侧管路一5、旁通管路4、旁通元件3、三通元件一1、三通元件二1′、高压侧管路二2′、低压侧管路二5′以及低温负压间壁式换热器6。
如图1所示，所述的低温负压间壁式换热器6为管套管换热器，由内管7和外管8组成，均为薄壁不锈钢管材，管径一般为1～6mm，内管7外壁通过焊接细铜丝或者银焊料凸起等方式固定在外管中央，绕制成不同直径和高度的螺旋管套管式换热器；低温负压间壁式换热器6热端连接的高压侧管路一2上设有一个与低压侧管路一5单向连通的旁通管路4，旁通管路4通过三通元件一1与高压侧管路一2相连，通过三通元件1′与低压侧管路一5相连，在旁通元件3的作用下构成了高压侧管路2与低压侧管路5的单向导通，通过旁通元件3调节通过旁通管路4的流体流量，调整低温负压间壁式换热器6内部温度分布；由此共同形成了一种预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器。
所述的预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器的设计方法，其设计方法和步骤如下：
步骤一：根据所应用于的预冷型JT制冷机旁通型低温负压换热器工况确定以下设计目标参数：低温负压间壁式换热器6热端进口温度T1、热端出口温度T2、冷端进口温度T3、冷端出口温度T4、高压侧管路一2内高压压力大小P1、低压侧管路一5内低压压力P2、低温负压间壁式换热器内管7内径d1、低温负压间壁式换热器内管7外径d2、低温负压间壁式换热器外管8内径d3以及低温负压间壁式换热器6管路最大允许压降ΔP。本例中最大允许压降ΔP≤3kPa，取d1＝2mm，d2＝3mm，d3＝4mm。
步骤二：根据步骤一中所确定的设计目标参数，计算低温负压间壁式换热器6高压侧热端进口焓值H1及高压侧冷端出口焓值H2，根据平均温差法计算低温负压间壁式换热器6高压侧平均温度Th，以平均温度为定性温度，查询不锈钢在定性温度下的导热系数k0，并结合压力查询氦气物性常数，包括密度ρ、定压比热Cp、动力粘度μ以及导热系数k1。
步骤三：根据步骤二中获得的物性常数，计算普朗克数Pr和雷诺数Re，并以此判定氦气的流动状态：层流或紊流；根据低温氦流体在直管内流动摩擦因子、螺旋管套管换热器的直径D和总高度H计算低温氦气在螺旋管内流动摩擦因子f，同时计算低温氦气在低温负压间壁式换热器6高压侧流动准则数Nu。本例中，计算得到f＝0.33，Nu＝16.25。
步骤四：计算低温氦气在换热器高压侧对流换热系数hh；计算低温氦气在低温负压间壁式换热器6低压侧的对流换热系数hl。本例中计算得到hh＝80.72W/m·K，hc＝85.06W/m·K。
步骤五：计算热容比Cr，采用焓差法计算所设计低温负压间壁式换热器6的效率ε。本例中，计算可得Cr＝0.78，计算所得换热效率为97％。
步骤六：计算低温氦气在低温负压间壁式换热器6中的传热单元数NTU，计算低温负压间壁式换热器6的总热导率UA及总换热系数U0。本例中计算可得NTU＝34.2，UA＝0.18J/s·K，U0＝10.28W/m2·K。
步骤七：根据步骤六所得的总热导率UA和总换热系数U0，计算出低温负压间壁式换热器6的面积S和长度L。本例中,计算可得S＝0.0175m2，L＝1.86。
步骤八：根据步骤七计算出的低温负压间壁式换热器6的长度及步骤二中的低温氦流体在管内流速V以及物性参数ρ等参数计算出低温负压间壁式换热器6的总压降，并校核计算压降是否在设计总压降ΔP范围内：如校核压降在设计总压降ΔP范围内，停止计算；如校核压降未满足设计总压降ΔP范围，则更改换热器内管7和外管8的尺寸，重复步骤二至七，直至压降满足设计总压降ΔP要求。本例中，校核计算压降为2.2kPa，满足设计总压降ΔP≤3kPa的要求，停止计算。

Claims (2)

1.一种预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器，包括高压侧管路一(2)、低压侧管路一(5)、旁通管路(4)、旁通元件(3)、三通元件一(1)、三通元件二(1′)、高压侧管路二(2′)、低压侧管路二(5′)以及低温负压间壁式换热器(6)，其特征在于：
所述的低温负压间壁式换热器(6)为管套管换热器，由内管(7)和外管(8)组成，均为薄壁不锈钢管材，管径一般为1～6mm，内管(7)外壁通过焊接细铜丝或者银焊料凸起等方式固定在外管中央，绕制成不同直径和高度的螺旋管套管式换热器；低温负压间壁式换热器(6)热端连接的高压侧管路一(2)上设有一个与低压侧管路一(5)单向连通的旁通管路(4)，旁通管路(4)通过三通元件一(1)与高压侧管路一(2)相连，通过三通元件(1′)与低压侧管路一(5)相连，在旁通元件(3)的作用下构成了高压侧管路(2)与低压侧管路(5)的单向导通，通过旁通元件(3)调节通过旁通管路(4)的流体流量，调整低温负压间壁式换热器(6)内部温度分布；由此共同形成了一种预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器。
2.一种如权利要求1所述的预冷型JT制冷机用旁通型低温负压换热器的设计方法，其特征在于，所述的换热器设计方法和步骤如下：
步骤一：根据所应用于的预冷型JT制冷机旁通型低温负压换热器工况确定以下设计目标参数：低温负压间壁式换热器(6)热端进口温度T1、热端出口温度T2、冷端进口温度T3、冷端出口温度T4、高压侧管路一(2)内高压压力大小P1、低压侧管路一(5)内低压压力P2、低温负压间壁式换热器内管(7)内径d1、低温负压间壁式换热器内管(7)外径d2、低温负压间壁式换热器外管(8)内径d3以及低温负压间壁式换热器6管路最大允许压降ΔP；
步骤二：根据步骤一中所确定的设计目标参数，计算低温负压间壁式换热器(6)高压侧热端进口焓值H1及高压侧冷端出口焓值H2，根据平均温差法计算低温负压间壁式换热器(6)高压侧平均温度Th，以平均温度为定性温度，查询不锈钢在定性温度下的导热系数k0，并结合压力查询氦气物性常数，包括密度ρ、定压比热Cp、动力粘度μ以及导热系数k1；
步骤三：根据步骤二中获得的物性常数，计算普朗克数Pr和雷诺数Re，并以此判定氦气的流动状态：层流或紊流；根据低温氦流体在直管内流动摩擦因子、螺旋管套管换热器的直径D和总高度H计算低温氦气在螺旋管内流动摩擦因子f，同时计算低温氦气在低温负压间壁式换热器(6)高压侧流动准则数Nu；
步骤四：计算低温氦气在换热器高压侧对流换热系数hh；计算低温氦气在低温负压间壁式换热器(6)低压侧的对流换热系数hl；
步骤五：计算热容比Cr，采用焓差法计算所设计低温负压间壁式换热器(6)的效率ε；
步骤六：计算低温氦气在低温负压间壁式换热器(6)中的传热单元数NTU，计算低温负压间壁式换热器(6)的总热导率UA及总换热系数U0；
步骤七：根据步骤六所得的总热导率UA和总换热系数U0，计算出低温负压间壁式换热器(6)的面积S和长度L；
步骤八：根据步骤七计算出的低温负压间壁式换热器(6)的长度及步骤二中的低温氦流体在管内流速V以及物性参数ρ等参数计算出低温负压间壁式换热器(6)的总压降，并校核计算压降是否在设计总压降ΔP范围内：如校核压降在设计总压降ΔP范围内，停止计算；如校核压降未满足设计总压降ΔP范围，则更改换热器内管(7)和外管(8)的尺寸，重复步骤二至七，直至压降满足设计总压降ΔP要求。
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