RU150944U1

RU150944U1 - Комбинированный регенератор микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне 49-66 к

Info

Publication number: RU150944U1
Application number: RU2014127222/06U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Анатольевич Сысоев; Андрей Витальевич Самвелов; Николайос Норикович Оганесян; Анатолий Иванович Еремчук; Денис Викторович Минаев
Original assignee: Открытое акционерное общество "НПО "Орион"
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2015-03-10

Abstract

Комбинированный регенератор микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне 49-66 К, включающий теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку, отличающийся тем, что насадка состоит из двух частей: со стороны "теплого" конца регенератора насадка выполнена из бронзовой сетки, со стороны "холодного" конца регенератора насадка состоит из шариков гадолиния-никеля, между частями насадки установлена защитная сетка, предотвращающая проникновение шариков гадолиния-никеля в область бронзовой сетки.

Description

Полезная модель относится к газовым микрокриогенным машинам, а именно к регенеративному теплообменнику (регенератору) газовой криогенной машины, работающей по циклу Стерлинга в диапазоне температур 49-66 К.

Возможно применение в этом диапазоне известного регенератора для холодильной машины, работающей по циклу Стерлинга, 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 [см. патент RU №94017773, МПК F25B 9/00, опубл. 27.08.1996]

Недостатком этого регенератора является сложность конструкции и необходимость поддерживать вакуум или защитную среду в условиях постоянного использования.

Наиболее близким к заявляемому является устройство концентрического регенератора для двигателей Стирлинга, состоящее 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 полезной модели заключается в создании регенератора с повышенной эффективностью термодинамического цикла в газовых микрокриогенных машинах в диапазоне температур 49-66 К.

Цель достигается тем, что регенератор, включает в себя теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку, состоящую из двух частей: со стороны "теплого" конца регенератор насадка выполнена из бронзовой сетки, со стороны "холодного" конца регенератора насадка состоит из шариков гадолиния-никеля (GdNi), между частями насадки установлена защитная сетка, предотвращающая проникновение шариков GdNi в область бронзовой сетки.

В заявленной полезной модели используется комбинированный способ заполнения полости регенератора, часть регенератора со стороны "теплого" конца заполняется бронзовой сеткой, со стороны "холодного" конца заполнена шариками из GdNi. При таком заполнении регенератора коэффициент теплопередачи насадки больше, чем у прототипа, потери за счет недорекуперации меньше, чем у прототипа, а гидравлические потери меньше, чем у аналога.

Выбор GdNi в качестве материала шариков обусловлен тем, что его теплоемкость в диапазоне температур 49-66 К стабильно высокая в сравнении с другими материалами (см. фиг. 1).

Технический результат достигается тем, что часть бронзовой сетки заменена шариками из GdNi, с более высоким коэффициентом теплопередачи.

где Nu_ш - число Нуссельта (безразмерная теплоотдача) от насадки к рабочему газу; λ_ш - теплопроводность GdNi, Вт/(м·К); 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; с_р - теплоемкость рабочего газа Вт·с/(кг·К); Т_max - максимальная температура в цикле, К; Т_min - минимальная температура в цикле, К; F - площадь поперечного сечения регенератора, м²; k - коэффициент теплопередачи регенератора, Вт/(м²·К).

При уменьшении разности температур между насадкой и рабочим газом снижаются потери за счет недорекуперации,

Однако, при этом повышается гидравлическое сопротивление, из-за использования шариков. Для определения гидравлических потерь используется формула Дарси-Вейсбаха:

где ξ - коэффициент гидравлического сопротивления насадки; ω - средняя скорость рабочего газа в поперечном сечении регенератора, м/с; Н - 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 расчетных данных.

В расчете были рассмотрены различные способы выполнения регенератора: насадка выполнена полностью из бронзовой сетки, насадка выполнена из шариков GdNi, насадка выполнена комбинированным методом.

В заявляемой полезной модели используется комбинированный метод заполнения насадки регенератора (см. фиг. 2): 33 мм занимает бронзовая сетка (1), а 10 мм - шарики диаметром 200 мкм из GdNi (2). Насадка регенератора находится в теплоизоляционном корпусе (3). Для предотвращения высыпания шариков с двух сторон крепится слой тонкой сетки с размером ячейки не более 150 мкм (4). Полученная конструкция крепится к крейцкопфу газовой микрокриогенной машины при помощи расширителя (5).

Одним из основных параметров в микрокриогенных машинах, используемых для охлаждения фоточувствительных элементов, является время достижения рабочей температуры криостатирования. При комбинированном заполнении регенератора время сокращается в 1,7 раза, в сравнении с вариантом бронзовой сетки - такой эффект связан с увеличением теплоемкости насадки, что уменьшает недорекуперацию и снижает время достижения заданного температурного уровня.

Наиболее важной характеристикой в таких системах является потребляемая мощность в стационарном режиме, по сравнению с традиционным вариантом исполнения регенератора (прототипом), комбинированный метод позволяет снизить потребляемую мощность на 10%, что влияет на общий КПД системы, который увеличивается примерно на 5%.

Полученные данные позволяют доказать целесообразность применения комбинированного регенератора, использующего в насадке шарики из GdNi, на температурном уровне 49-66 К.