RU188639U1 - Combined Regenerative Heat Exchanger for Gas Cryogenic Machine - Google Patents

Combined Regenerative Heat Exchanger for Gas Cryogenic Machine Download PDF

Info

Publication number
RU188639U1
RU188639U1 RU2018137983U RU2018137983U RU188639U1 RU 188639 U1 RU188639 U1 RU 188639U1 RU 2018137983 U RU2018137983 U RU 2018137983U RU 2018137983 U RU2018137983 U RU 2018137983U RU 188639 U1 RU188639 U1 RU 188639U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nozzle
heat exchanger
regenerative heat
temperature range
cryogenic
Prior art date
Application number
RU2018137983U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Дмитриевич Гиндин
Александр Сергеевич Ильин
Владимир Владимирович Карпов
Михаил Егорович Козырев
Николай Сергеевич Кузнецов
Original Assignee
Акционерное общество "Московский завод "САПФИР"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" filed Critical Акционерное общество "Московский завод "САПФИР"
Priority to RU2018137983U priority Critical patent/RU188639U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU188639U1 publication Critical patent/RU188639U1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к криогенной технике, в частности к газовым микрокриогенным машинам (ГКМ), предназначенным для воспроизведения криогенных температур в приборах, а именно к регенеративному теплообменнику (регенератору) ГКМ, работающей по циклу Стирлинга, в диапазоне температур до 70 К.Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание комбинированного регенеративного теплообменника с пониженными теплопритоками по насадке для газовых микрокриогенных машин в диапазоне температур до 70 К.Указанный технический результат достигается за счет того, что в регенеративный теплообменник, включающий в себя теплоизоляционный корпус и находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной металлической сетки, состоящей из трех частей, каждая из которых выполнена из материала с максимальной объемной теплоемкостью в своем диапазоне температур: «холодной», «средней» и «теплой», между частями насадки установлены сетки из неметаллического материала с низким коэффициентом теплопроводности.The proposed utility model relates to cryogenic technology, in particular, to gas micro-cryogenic machines (GCM) designed to reproduce cryogenic temperatures in devices, namely, a regenerative heat exchanger (regenerator) of GCM operating on the Stirling cycle, in the temperature range up to 70 K. solvable proposed utility model is the creation of a combined regenerative heat exchanger with reduced heat leakage along the nozzle for gas micro-cryogenic machines in the temperature range up to 70 K. Specified t The same result is achieved due to the fact that the regenerative heat exchanger, which includes a heat-insulating body and a nozzle of woven metal mesh, consisting of three parts inside the body, consists of a material with a maximum volumetric heat capacity in its temperature range: “cold” , "Medium" and "warm", between the parts of the nozzle, nets of non-metallic material with a low thermal conductivity coefficient are installed.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к криогенной технике, в частности к газовым микрокриогенным машинам (ГКМ), предназначенным для создания криогенных температур в фотоприемных устройствах, а именно к регенеративному теплообменнику (регенератору) газовой криогенной машины, работающей по циклу Стерлинга в диапазоне температур до 70 К.The proposed utility model relates to cryogenic technology, in particular, to gas micro-cryogenic machines (GCM) designed to create cryogenic temperatures in photoreceivers, namely, to a regenerative heat exchanger (regenerator) of a gas cryogenic machine operating on the Stirling cycle in the temperature range up to 70 K.

Известно применение в этом диапазоне регенератора для ГКМ, состоящего из теплоизоляционного корпуса и насадки, выполненной в виде плетеных металлических сеток, например, из бронзы или нержавеющей стали (В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонов, М.Г. Круглов, А.Г. Шувалов. Двигатели Стерлинга. М, Машиностроение, 1977, с. 111).It is known to use in this range a regenerator for HCM consisting of a heat-insulating body and a nozzle made in the form of woven metal grids, for example, of bronze or stainless steel (VN Danilichev, SI Efimov, VA Zvonov, M G. Kruglov, AG Shuvalov. Stirling Engines (M, Mashinostroenie, 1977, p. 111).

Недостатком этого устройства является несовершенство термодинамического цикла и высокие потери от неэффективности теплообмена в регенераторе (потери теплоты из-за недорекуперации, а также потери за счет высокой теплопроводности металлических сеток).A disadvantage of this device is the imperfection of the thermodynamic cycle and high losses from the inefficiency of heat exchange in the regenerator (heat loss due to underrecovery, as well as losses due to the high thermal conductivity of metal grids).

Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является комбинированный регенеративный теплообменник выполненный по патенту на полезную модель №176892 от 01.02.2018 (МПК F25B 9/14), включающий теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной металлической сетки, состоящую из трех частей, каждая из которых выполнена из материала с максимальной объемной теплоемкостью в своем диапазоне температур.The closest analogue of the proposed utility model is a combined regenerative heat exchanger made under utility model patent No. 176892 of February 1, 2018 (IPC F25B 9/14), including a heat-insulating body, a three-piece braided metal mesh nozzle inside the body, each of which is made of material with a maximum volumetric heat capacity in its temperature range.

Недостатком этого устройства являются высокие теплопритоки по насадке в холодной части регенератора из теплой его части вследствие высоких коэффициентов теплопроводности металлических сеток, что снижает полезную холодопроизводительность ГКМ.A disadvantage of this device is the high heat leakage in the nozzle in the cold part of the regenerator from its warm part due to the high thermal conductivity of metal grids, which reduces the useful cooling capacity of the GCM.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание комбинированного регенеративного теплообменника с пониженным теплопритоком по насадке для газовых микрокриогенных машин, работающих по циклу Стерлинга, в диапазоне температур до 70 К.The problem to be solved by the proposed utility model is the creation of a combined regenerative heat exchanger with a low heat gain over the nozzle for gas micro-cryogenic machines operating according to the Stirling cycle, in the temperature range up to 70 K.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в комбинированный регенеративный теплообменник микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне до 70 К, включающий в себя теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной металлической сетки, состоящую из трех частей, каждая из которых выполнена из материала с максимальной объемной теплоемкостью в своем диапазоне температур: «холодной» от 70 до 90 К, «средней» от 90 до 210 К и «теплой» от 210 до 300 К, а между частями насадки установлены сетки из неметаллического материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из ткани из кварцевого волокна.This technical result is achieved due to the fact that the combined regenerative heat exchanger microcryogenic system for cooling in the temperature range up to 70 K, which includes a heat-insulating housing located inside the housing nozzle of woven metal mesh, consisting of three parts, each of which is made of material with a maximum volumetric heat capacity in its temperature range: “cold” from 70 to 90 K, “medium” from 90 to 210 K, and “warm” from 210 to 300 K, and grids are installed between the parts of the nozzle of non-metallic material with low thermal conductivity, for example, fabric made of quartz fiber.

В общем виде, теплопритоки по длине насадки регенератора можно определить по известным формулам (Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов, изд. 3-е, пререраб. и доп.М., «Энергия», 1975, с. 31, уравнения 2-27 и 2-28):In general, heat leakage along the length of the nozzle of the regenerator can be determined by known formulas (Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Heat transfer. A textbook for universities, ed. 3rd, prererab. And add. M ., "Energy", 1975, p. 31, equations 2-27 and 2-28):

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

К - коэффициент теплопередачи по длине насадки;K - heat transfer coefficient along the length of the nozzle;

F - площадь поперечного сечения насадки;F is the cross-sectional area of the nozzle;

T1 - минимальная температура «холодного» участка насадки;T 1 - the minimum temperature of the "cold" area of the nozzle;

Т2 - максимальная температура «горячего» участка насадки.T 2 - the maximum temperature of the "hot" area of the nozzle.

Figure 00000002
Figure 00000002

гдеWhere

Figure 00000003
- длина «горячего» участка насадки;
Figure 00000003
- the length of the "hot" area of the nozzle;

Figure 00000004
- длина «среднего» участка насадки;
Figure 00000004
- the length of the "middle" section of the nozzle;

Figure 00000005
- длина «холодного» участка насадки;
Figure 00000005
- the length of the "cold" area of the nozzle;

Figure 00000006
- длина участка заполненного сеткой из неметаллического материала;
Figure 00000006
- the length of the area filled with a grid of non-metallic material;

Figure 00000007
- коэффициент теплопроводности материала сеток «горячего» участка;
Figure 00000007
- coefficient of thermal conductivity of the material of the “hot” area grids;

Figure 00000008
- коэффициент теплопроводности материала сеток «среднего» участка;
Figure 00000008
- coefficient of thermal conductivity of the material of the grids of the “middle” area;

Figure 00000009
- коэффициент теплопроводности материала сеток «холодного» участка;
Figure 00000009
- coefficient of thermal conductivity of the material of the grids of the “cold” area;

Figure 00000010
- коэффициент теплопроводности материала сетки из неметалла.
Figure 00000010
- coefficient of thermal conductivity of the material of the grid of non-metal.

Оценить эффективность предложенного технического решения по сравнению с прототипом можно, рассмотрев характеристики материалов насадки для каждой из частей регенератора.You can evaluate the effectiveness of the proposed technical solution in comparison with the prototype by considering the characteristics of the packing materials for each of the parts of the regenerator.

Зададим следующие параметры насадок регенератора соответствующие прототипу:Let's set the following parameters of the regenerator nozzles corresponding to the prototype:

- в «холодной» части регенератора насадка выполнена, например, из сетки БрАЖМц 10-3-1,5, при этом длина «холодной» части составляет

Figure 00000011
где L - общая длина насадки, а коэффициент теплопроводности λх=23 Вт/м К;- in the “cold” part of the regenerator, the nozzle is made, for example, from the BraZhMts grid 10-3-1.5, while the length of the “cold” part is
Figure 00000011
where L is the total length of the nozzle, and the coefficient of thermal conductivity λ x = 23 W / m K;

- в «средний» части насадка выполнена, например, из сетки Л 68, при этом длина «средней» части составляет

Figure 00000012
где L - общая длина насадки, а коэффициент теплопроводности λх=83,7 Вт/м К;- in the “middle” part, the nozzle is made, for example, from the grid L 68, while the length of the “middle” part is
Figure 00000012
where L is the total length of the nozzle, and the coefficient of thermal conductivity λ х = 83.7 W / m K;

- в «теплой» части насадка выполнена, например, из сетки НК 29, при этом длина «теплой» части составляет

Figure 00000013
где L - общая длина насадки, а коэффициент теплопроводности λm=12,6 Вт/м К;- in the “warm” part, the nozzle is made, for example, from the grid NK 29, while the length of the “warm” part is
Figure 00000013
where L is the total length of the nozzle, and the coefficient of thermal conductivity λ m = 12.6 W / m K;

- для неметаллической сетки (ткань из кварцевого волокна) примем

Figure 00000014
и λm=0,12 Вт/м К.- for a non-metallic mesh (quartz fiber fabric), we take
Figure 00000014
and λ m = 0.12 W / m K.

Величины значений λm, λср, λх и λнм взяты из следующих источников:The values of λ m , λ cf , λ x and λ nm are taken from the following sources:

1. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М., «Энергоатомиздат», 1991.1. Physical quantities. Directory. Ed. I.S. Grigorieva, E.Z. Meilikhov. M., "Energoatomizdat", 1991.

2. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике. Справочник. Л., «Машиностроение», 1982.2. Solntsev Yu.P., Stepanov G.A. Materials in cryogenic technology. Directory. L., "Engineering", 1982.

Допустим, что общая длина насадки L=0,045 м, а площадь поперечного сечения насадки F=12,56⋅10-6 м2.Suppose that the total length of the nozzle is L = 0.045 m, and the cross-sectional area of the nozzle is F = 12.56⋅10 -6 m 2 .

Воспользовавшись зависимостями (1) и (2), получим коэффициент теплопередачи по длине насадки и теплопритоки для прототипа (в этом случае

Figure 00000015
):Using the dependencies (1) and (2), we obtain the heat transfer coefficient along the length of the nozzle and the heat inflow for the prototype (in this case
Figure 00000015
):

Figure 00000016
Figure 00000016

Q=541,3⋅(300-70)⋅12,56⋅10-6=1,564 Вт.Q = 541.3⋅ (300-70) ⋅12.56⋅10 -6 = 1.564 W.

Коэффициент теплопередачи по длине насадки и теплопритоки для предлагаемого регенератора:The heat transfer coefficient along the length of the nozzle and heat gain for the proposed regenerator:

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

Предложенная конструкция комбинированного регенеративного теплообменника была реализована в ГКМ, работающей по циклу Стерлинга. В заявляемой полезной модели используется комбинированный метод заполнения насадки регенеративного теплообменника состоящей из трех частей (см. фиг. 1): «холодной» 1, «средней» 2 и «теплой» 3, заполненных металлическими сетками из материалов с разными объемными теплоемкостями. Насадка регенеративного теплообменника находится в корпусе 4, выполненном из теплоизоляционного. Части насадки разделяют сетками 5 из неметаллического материала с низким коэффициентом теплопроводности.The proposed design of the combined regenerative heat exchanger was implemented in the GCM operating in the Stirling cycle. In the claimed utility model, a combined method of filling the nozzle of a regenerative heat exchanger consisting of three parts (see FIG. 1) is used: “cold” 1, “medium” 2 and “warm” 3 filled with metal nets of materials with different volumetric heat capacities. The nozzle of the regenerative heat exchanger is located in the housing 4, made of thermal insulation. Parts of the nozzle are divided into grids 5 of a non-metallic material with a low thermal conductivity.

Таким образом, применение в комбинированном регенеративном теплообменнике между частями насадки, заполненными металлическими сетками из материалов с разными объемными теплоемкостями, сеток из неметаллического материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из ткани из кварцевого волокна, увеличивает холодопроизводительность на 1,408 Вт (1,564-0,156=Вт).Thus, the use of a combined regenerative heat exchanger between the parts of the nozzle filled with metal nets of materials with different volumetric heat capacities, nets of non-metallic material with low thermal conductivity, for example, from a fabric of quartz fiber, increases the cooling capacity by 1.408 W (1.564-0.156 = W ).

Claims (1)

Комбинированный регенеративный теплообменник микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне до 70 К, включающий в себя теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной металлической сетки, состоящую из трех частей, каждая из которых выполнена из материала с максимальной объемной теплоемкостью в своем диапазоне температур: «холодной», «средней» и «теплой», отличающийся тем, что между частями насадки установлены сетки из неметаллического материала с низким коэффициентом теплопроводности.Combined regenerative heat exchanger microcryogenic system for cooling in the temperature range up to 70 K, which includes a heat-insulating housing inside the body of the woven metal mesh nozzle, consisting of three parts, each of which is made of a material with a maximum volumetric heat capacity in its temperature range: " cold ”,“ medium ”and“ warm ”, characterized in that nets of non-metallic material with a low thermal conductivity coefficient are installed between the parts of the nozzle.
RU2018137983U 2018-10-29 2018-10-29 Combined Regenerative Heat Exchanger for Gas Cryogenic Machine RU188639U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018137983U RU188639U1 (en) 2018-10-29 2018-10-29 Combined Regenerative Heat Exchanger for Gas Cryogenic Machine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018137983U RU188639U1 (en) 2018-10-29 2018-10-29 Combined Regenerative Heat Exchanger for Gas Cryogenic Machine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU188639U1 true RU188639U1 (en) 2019-04-18

Family

ID=66168708

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018137983U RU188639U1 (en) 2018-10-29 2018-10-29 Combined Regenerative Heat Exchanger for Gas Cryogenic Machine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU188639U1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU903687A1 (en) * 1980-05-14 1982-02-07 Казанский Ордена Трудового Красного Знамени Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева Regenerator nozzle
US5293749A (en) * 1988-11-09 1994-03-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Multi-stage cold accumulation type refrigerator and cooling device including the same
RU142459U1 (en) * 2013-11-26 2014-06-27 Открытое акционерное общество "НПО "Орион" COMBINED REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF MICROCRYOGENIC SYSTEM FOR COOLING IN THE TEMPERATURE RANGE OF 35-55 K
RU176892U1 (en) * 2017-08-28 2018-02-01 Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" Combined regenerative heat exchanger of a gas cryogenic machine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU903687A1 (en) * 1980-05-14 1982-02-07 Казанский Ордена Трудового Красного Знамени Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева Regenerator nozzle
US5293749A (en) * 1988-11-09 1994-03-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Multi-stage cold accumulation type refrigerator and cooling device including the same
RU142459U1 (en) * 2013-11-26 2014-06-27 Открытое акционерное общество "НПО "Орион" COMBINED REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF MICROCRYOGENIC SYSTEM FOR COOLING IN THE TEMPERATURE RANGE OF 35-55 K
RU176892U1 (en) * 2017-08-28 2018-02-01 Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" Combined regenerative heat exchanger of a gas cryogenic machine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Numerical simulation study on the heat transfer characteristics of the tube receiver of the solar thermal power tower
Gheith et al. Determination of adequate regenerator for a Gamma-type Stirling engine
Alfarawi et al. Enhanced thermodynamic modelling of a gamma-type Stirling engine
Babaelahi et al. Modified PSVL: a second order model for thermal simulation of Stirling engines based on convective–polytropic heat transfer of working spaces
Tan et al. Experimental study on liquid/solid phase change for cold energy storage of Liquefied Natural Gas (LNG) refrigerated vehicle
Wang et al. A transient one-dimensional numerical model for kinetic Stirling engine
Hachem et al. Numerical characterization of a γ-Stirling engine considering losses and interaction between functioning parameters
Chahartaghi et al. Thermal modeling of a trigeneration system based on beta-type Stirling engine for reductions of fuel consumption and pollutant emission
Baytaş et al. Conjugate natural convection in a square porous cavity
Alfarawi et al. Potentiality of new miniature-channels Stirling regenerator
Chi et al. CFD simulation and investigation on the operating mechanism of a beta-type free piston Stirling engine
Erbay et al. Overall performance of the duplex Stirling refrigerator
CN109992846A (en) The emulation mode of solar cross-season underground pipe accumulation of heat
De la Bat et al. Derivation and numerical case study of a one-dimensional, compressible-flow model of a novel free-piston Stirling engine
Yusha et al. Analysis of the thermal efficiency of solid and vacuum thermal insulation in an exchanger of the heat losses recovery system in mobile compressor units
Ahmadi et al. A solar pressurizable liquid piston stirling engine: Part 2, optimization and development
RU188639U1 (en) Combined Regenerative Heat Exchanger for Gas Cryogenic Machine
RU176892U1 (en) Combined regenerative heat exchanger of a gas cryogenic machine
Buliński et al. Performance analysis of the small-scale α-type Stirling engine using computational fluid dynamics tools
Bagheri et al. Experimental characterization of an innovative low-temperature small-scale Rotary Displacer Stirling Engine
Saxena et al. Automobile exhaust gas heat energy recovery using stirling engine: thermodynamic model
Moldenhauer et al. Thermodynamic analysis of a pulse tube engine
Wu A new approach to determining the intermediate temperatures of endoreversible combined cycle power plant corresponding to maximum power
RU142459U1 (en) COMBINED REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF MICROCRYOGENIC SYSTEM FOR COOLING IN THE TEMPERATURE RANGE OF 35-55 K
Kim et al. Effects of regenerator structure on performance of free piston stirling engine (FPSE)