RU2382278C1 - Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины - Google Patents
Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины Download PDFInfo
- Publication number
- RU2382278C1 RU2382278C1 RU2009104490/06A RU2009104490A RU2382278C1 RU 2382278 C1 RU2382278 C1 RU 2382278C1 RU 2009104490/06 A RU2009104490/06 A RU 2009104490/06A RU 2009104490 A RU2009104490 A RU 2009104490A RU 2382278 C1 RU2382278 C1 RU 2382278C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat exchanger
- granules
- sections
- section
- cold
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery
Landscapes
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Abstract
Изобретение относится к криогенной технике и позволяет повысить коэффициент эффективности регенеративного теплообменника нижней ступени криогенной газовой машины путем увеличения поверхности гранул, участвующих в теплообмене, при сохранении неизменным гидравлического сопротивления теплообменника. Регенеративный теплообменник содержит корпус, заполненный гелием. Корпус разделен на идентичные секции перегородками, выполненными в виде сеток и заполненными монодисперсными сферическими гранулами из холодоаккумулирующего материала, диаметр di которых в каждой секции теплообменника одинаков и определен из условия
где i - номер секции; d0 - оптимальное значение диаметра гранул при заполнении всех секций корпуса теплообменника гранулами одного размера; - среднее значение плотности теплоносителя по длине i-й секции; - среднее значение плотности теплоносителя по длине всего теплообменника. В секциях, расположенных по направлению от холодного торца теплообменника к теплому, диаметр гранул di ступенчато увеличивается и выбирается из условия
Description
Изобретение относится к криогенной технике и предназначено для использования в качестве регенеративных теплообменников криогенных газовых машин.
Известен регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины (см. Masashi Nagao, Takashi Inaguchi, Hideto Yoshimura, Tadatoshi Yamada and Masatami Iwamoto. Helium liquefaction by Gifford-McMahon cycle cryocooler. Advances in Cryogenic Engineering, vol.35, 1990), содержащий корпус и заглушки с отверстиями на его холодном и теплом концах, в котором расположены частицы произвольной формы из холодоаккумулирующего материала.
Однако такой регенеративный теплообменник имеет низкое значение коэффициента эффективности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины (см. N.Jiang, U.Lindemann, F.Giebeler, G.Thummes. A 3He pulse tube cooler operating down to 1.3 К. Cryogenics 44 (2004) 809-816), содержащий корпус, разделенный перегородками в виде сеток на идентичные секции, и с расположенными на его холодном и теплом торцах заглушками с отверстиями. Все секции заполнены гелием и сферическими гранулами из любого холодоаккумулирующего материала, одинакового диаметра d0 во всех секциях.
Однако такой регенеративный теплообменник имеет низкое значение коэффициента эффективности.
Технической задачей изобретения является повышение коэффициента эффективности регенеративного теплообменника нижней ступени криогенной газовой машины путем увеличения поверхности гранул, участвующих в теплообмене при сохранении неизменным гидравлического сопротивления теплообменника. Это позволит увеличить эффективность работы криогенной газовой машины и понизить температуру холодного конца нижней ступени.
Эта техническая задача достигается тем, что в известном регенеративном теплообменнике нижней ступени криогенной газовой машины, содержащем корпус, разделенный перегородками в виде сеток на идентичные секции, расположенные на его холодном и теплом торцах заглушками с отверстиями, во всех секциях корпуса расположены сферические гранулы из холодоаккумулирующего материала и гелий, сферические гранулы выполнены монодисперсными, а перепады давления ΔРi в каждой секции установлены равными и их значения выбраны из условия
где i - номер секции;
n - количество секций;
ΔРо - перепад давления на всем теплообменнике при заполнении его гранулами одинакового диаметра do,
при этом в секциях, расположенных по направлению от холодного торца теплообменника к теплому, диаметр гранул di ступенчато увеличивается и выбирается из условия
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины, на фиг.2 представлен график изменения температуры холодного конца регенеративного теплообменника нижней ступени криогенной газовой машины.
Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины содержит корпус 1 длиной ℓ, заполненный гелием 2. Корпус 1 разделен на идентичные секции 3 перегородками 4 выполненными в виде разделительных сеток. Все секции 3 имеют одинаковую длину На холодном торце корпуса 1 расположена заглушка 5 с отверстиями 6 для прохода гелия 2, а на другом теплом торце установлена заглушка 7 с отверстиями 8 для прохода гелия 2. Каждая из секций 3 заполнена монодисперсными сферическими гранулами 9 из любого холодоаккумулирующего материала, например свинца, или сплавы редкоземельных металлов, диаметр d которых в каждой секции теплообменника одинаков и определен из условия:
где i - номер секции;
do - оптимальное значение диаметра гранул при заполнении всех секций корпуса теплообменника гранулами одного размера;
Количество секций может быть любым, но по технологическим соображением оно не должно быть больше 7, так как при большом количестве разделительных сеток происходит заметное уменьшение объема полости теплообменника, заполненного гранулами и соответственно поверхности теплообмена F.
Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины работает следующим образом.
Перед пуском криогенной газовой машины в корпусе 1 на холодном торца теплообменника устанавливают заглушку 5 с отверстиями 6. Затем производится заполнение полости первой секции 3 монодисперсными сферическими гранулами диаметром d, отклонение которого от среднего значения d1 не превышает ±2%. Монодисперсность обеспечивает однородность всех параметров гранул 9 (размер, химический состав, структура и др.) и позволяет с высокой точностью оптимизировать характеристики регенеративных теплообменников.
Затем в корпус 1 на расстоянии от его холодного торца устанавливается перегородка 4, которая отделяет первую от холодного торца теплообменника секцию от следующей. Аналогично производится заполнение второй, третьей и n-й секций, отделенных друг от друга перегородками 4, которые предотвращают перемешивание гранул 9 по длине корпуса 1. Диаметр di монодисперсных гранул 9, выполненных из любого холодоаккумулирующего материала, расположенных внутри каждой секции 3, выбран одинаковым, но по направлению от холодного торца теплообменника к теплому его величина в разных секциях ступенчато увеличивается и выбирается из условия (1). Таким образом, для значений диаметра гранул в секциях выполняются условия d1<d2<…<dn, a d1<d0<dn.
В случае заполнения секций теплообменника гранулами 9 с диаметром di,, в секциях 3, где выполняется условие di<d0 (вблизи холодного торца) происходит увеличение поверхности теплообмена по сравнению со случаем заполнения гранулами 9 одинакового диаметра d0, а в секциях, где di>d0 (вблизи теплого конца) - уменьшение. При определении значений di для условий работы криогенной газовой машины с рабочей температурой Т≤10К. увеличение поверхности теплообмена в секциях вблизи холодного торца преобладает над ее уменьшением в секциях вблизи теплого торца. В результате этого суммарная поверхность теплообмена при ступенчатом заполнении секций 3 гранулами 9 с диаметром di становится больше, чем при заполнении их сферическими монодисперсными гранулами 9 одинакового диаметра d0.
После заполнения всех секций 3 корпуса 1 в нем устанавливают заглушку 7 теплого торца теплообменника.
При таком заполнении монодисперсными гранулами 9 секций 3 корпуса 1 теплообменника перепады давления ΔРi на всех секциях 3 от первой до последней выбраны равными. Так как гидравлическое сопротивление теплообменника определяется по формуле Дарси (см. С.С.Кутателадзе, В.М.Боришанский. Справочник по теплопередаче. - М.: Госэнергоиздат, 1959), то перепад давления ΔР0 на всем корпусе 1 теплообменника, заполненном монодисперсными гранулами 9 из холодоаккумулирующего материала одинакового размера с оптимальным диаметром d0 будет равен
где ξ - коэффициент гидравлического сопротивления сферических гранул;
d0 - оптимальное значение диаметра гранул в случае заполнения всех секций 3 корпуса 1 теплообменника одинаковыми по размеру гранулами 9. Значение d0 определяется опытным путем и соответствует минимальному значению температуры холодного конца теплообменника.
Перепад давления на любой из секций 3 теплообменника, заполненной гранулами 9 диаметром d=di будет равен:
a di определяется условием (1), получим
С учетом (2) получим
Таким образом, все перепады давления на секциях 3 теплообменника равны, а их сумма равна перепаду давления на всем теплообменнике в случае заполнения его одинаковыми гранулами 9 диаметром d0. При этом поверхность F заполненных секций 9 монодисперсными гранулами 9 в случае ступенчатого изменения диаметра по длине теплообменника будет больше, чем поверхность заполненных в секции 3 гранул 9 одного диаметра d0.
Устанавливают регенеративный теплообменник в криогенную газовую машину и заполняют гелием 2, являющимся теплоносителем, и производят ее пуск.
Опыты, проведенные на двухступенчатой криогенной машине Гиффорда-Мак-Магона, показали эффективность регенеративного теплообменника нижней ступени со ступенчатым изменением по его длине диаметра монодисперсных сферических гранул. Опыты проводились на теплообменнике с количеством секций n=3. В качестве холодоаккумулирующего материала сферических монодисперсных гранул нижней ступени использовался свинец.
В первом случае в каждую секцию теплообменника помещали гранулы диаметром
d0=190 мкм, который является оптимальным при однородной засыпке. Во втором случае диаметр гранул 9 диаметром di в каждой из секций 3 менялся ступенчато. Диаметр монодисперсных гранул 9 в секциях определялся по соотношению (1) и был равен d1=100 мкм, d2=190 мкм и d3=280 мкм. Поверхность гранул 9 во втором случае примерно на 20% больше, чем в первом случае. Поскольку гидравлическое сопротивление в обоих случаях одинаковое, то коэффициент эффективности теплообменника при ступенчатом заполнении гранулами его секций соответственно выше на 20%. Опытным путем получена зависимость холодного торца теплообменника от тепловой нагрузки при заполнении всех секций 3 его корпуса гранулами 9 диаметром d0=190 мкм (кривая а) и со ступенчатым изменением диаметра (кривая в). Видно, что ступенчатое заполнение гранул 9 теплообменника приводит к понижению температуры его холодного конца, примерно, на 1К.
Таким образом, использование изобретения позволяет увеличить коэффициент эффективности теплообменника и, соответственно, повысить эффективность работы криогенной газовой машины.
Claims (1)
- Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины, содержащий корпус, разделенный перегородками в виде сеток на идентичные секции, заглушки, расположенные на его холодном и теплом торцах и имеющие отверстия, сферические гранулы из холодоаккумулирующего материала, расположенные в каждой секции и гелий, отличающийся тем, что сферические гранулы выполнены монодисперсными, при этом перепады давления ΔРi в каждой секции установлены равными, а их значения выбраны из условия:
где i - номер секции;
n - количество секций;
ΔРо - перепад давления на всем теплообменнике при заполнении его гранулами одинакового диаметра do,
при этом в секциях, расположенных по направлению от холодного торца теплообменника к теплому, диаметр гранул di ступенчато увеличивается и выбирается из условия:
где - среднее значение плотности теплоносителя по длине i-й секции;
- среднее значение плотности теплоносителя по длине всего теплообменника.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009104490/06A RU2382278C1 (ru) | 2009-02-11 | 2009-02-11 | Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009104490/06A RU2382278C1 (ru) | 2009-02-11 | 2009-02-11 | Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2382278C1 true RU2382278C1 (ru) | 2010-02-20 |
Family
ID=42127132
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009104490/06A RU2382278C1 (ru) | 2009-02-11 | 2009-02-11 | Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2382278C1 (ru) |
-
2009
- 2009-02-11 RU RU2009104490/06A patent/RU2382278C1/ru not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Cheng et al. | Thermal performance analysis and optimization of a cascaded packed bed cool thermal energy storage unit using multiple phase change materials | |
US10365018B2 (en) | Refrigeration system controlled by refrigerant quality within evaporator | |
JP5097472B2 (ja) | 熱交換器 | |
US8662148B2 (en) | Heat exchanger | |
US20110041528A1 (en) | Cooler distributor for a heat exchanger | |
JP2016525205A (ja) | 熱交換器 | |
Kumar et al. | Experimental study of multi tubular sensible heat storage system fitted with wire coil inserts | |
KR102066878B1 (ko) | 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브 | |
Moeykens et al. | Spray evaporation heat transfer of R-134a on plain tubes | |
CN103604254A (zh) | 一种内置气液两相流分流结构 | |
KR100479781B1 (ko) | 증발기 및 냉방기 | |
RU2382278C1 (ru) | Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины | |
JP6678235B2 (ja) | 熱交換器 | |
RU84510U1 (ru) | Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины | |
Ming et al. | Heat transfer enhancement by filling metal porous medium in central area of tubes | |
CN108700393A (zh) | 具有管束和壳体且壳体侧具有效率提高的流动的换热器 | |
NO773107L (no) | Varmeoverfoeringsinnretning. | |
Thors et al. | In-tube evaporation of HCFC-22 with enhanced tubes | |
Kalawa et al. | Progress in design of adsorption refrigeration systems. Evaporators | |
CN111278255B (zh) | 基于凝结传热的相变蓄热装置及其关键参数确定方法 | |
Kwon et al. | Experimental investigation on acceleration of working fluid of heat pipe under bypass line operation | |
JPH01203894A (ja) | ヒートパイプ | |
CN107975981A (zh) | 一种蒸发排管及蒸发器 | |
CN212362900U (zh) | 一种小通道并行管路换热器 | |
CN111561829B (zh) | 一种小通道并行管路换热器及计算方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160212 |