RU84510U1 - REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF THE LOWER STAGE OF THE CRYOGENIC GAS MACHINE - Google Patents
REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF THE LOWER STAGE OF THE CRYOGENIC GAS MACHINE Download PDFInfo
- Publication number
- RU84510U1 RU84510U1 RU2009105112/22U RU2009105112U RU84510U1 RU 84510 U1 RU84510 U1 RU 84510U1 RU 2009105112/22 U RU2009105112/22 U RU 2009105112/22U RU 2009105112 U RU2009105112 U RU 2009105112U RU 84510 U1 RU84510 U1 RU 84510U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat exchanger
- granules
- sections
- diameter
- cryogenic gas
- Prior art date
Links
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
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 в каждой секции установлены равными, а в секциях, расположенных по направлению от холодного торца теплообменника к теплому, диаметр гранул ступенчато увеличивается.A regenerative heat exchanger of the lower stage of a cryogenic gas machine, comprising a housing divided by partitions in the form of grids into identical sections, plugs located on its cold and warm ends and having openings, spherical granules of cold storage material located in each section, and helium, characterized in that spherical granules are made monodisperse, while the pressure drops in each section are set equal, and in sections located in the direction from the cold end of the heat exchanger to the heat Ohm, the diameter of the granules increases stepwise.
Description
Полезная модель относится к криогенной технике и предназначена для использования в качестве регенеративных теплообменников криогенных газовых машин.The utility model relates to cryogenic technology and is intended for use as regenerative heat exchangers of cryogenic gas machines.
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.The regenerative heat exchanger of the lower stage of a cryogenic gas machine is known (see 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.). and plugs with openings at its cold and warm ends, in which particles of arbitrary shape from cold storage material are located.
Однако такой регенеративный теплообменник имеет низкое значение коэффициента эффективности.However, such a regenerative heat exchanger has a low efficiency coefficient.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели 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.The closest in technical essence to the proposed utility model is a regenerative heat exchanger of the lower stage of a cryogenic gas machine (see N. Jiang, U. Lindemann, F. Giebeler, G. Thummes. A 3 He pulse tube cooler operating down to 1.3 K. Cryogenics 44 (2004) 809-816.), Comprising a housing divided by partitions in the form of grids into identical sections, and with plugs with openings located at its cold and warm ends. All sections are filled with helium and spherical granules from any cold storage material of the same diameter d 0 in all sections.
Однако такой регенеративный теплообменник имеет низкое значение коэффициента эффективности.However, such a regenerative heat exchanger has a low efficiency coefficient.
Технической задачей полезной модели 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.The technical task of the utility model is to increase the efficiency coefficient of the regenerative heat exchanger of the lower stage of the cryogenic gas machine by increasing the surface of the granules involved in the heat exchange while maintaining the hydraulic resistance of the heat exchanger unchanged. This will increase the efficiency of the cryogenic gas machine and lower the temperature of the cold end of the lower stage.
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 в каждой секции установлены равными, при этом в секциях, расположенных по направлению от холодного торца теплообменника к теплому, диаметр гранул ступенчато увеличивается.This technical problem is achieved by the fact that in the known regenerative heat exchanger of the lower stage of a cryogenic gas machine containing a body divided by partitions in the form of grids into identical sections located at its cold and warm ends with plugs with openings, spherical granules made of cold storage material are located in all sections of the body and helium, spherical granules are made monodisperse, and the pressure drops in each section are set equal, while in sections located in the direction from x the end face of the heat exchanger to warm, the diameter of the granules increases stepwise.
Сущность полезной модели 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.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a regenerative heat exchanger of the lower stage of a cryogenic gas machine, Fig. 2 shows a graph of the temperature change of the cold end of a regenerative heat exchanger of the lower stage of a cryogenic gas machine.
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 , где n - количество секций. 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 di которых в каждой секции теплообменника одинаков и определен из условия:The regenerative heat exchanger of the lower stage of the cryogenic gas machine contains a housing 1 of length ℓ filled with helium 2. Housing 1 is divided into identical sections 3, by partitions 4 made in the form of separation grids. All sections 3 are the same length. where n is the number of sections. A plug 5 with openings 6 for passage of helium 2 is located on the cold end of the housing 1, and a plug 7 with openings 8 for passage of helium 2 is installed on the other warm end. Each of sections 3 is filled with monodisperse spherical granules 9 from any cold storage material, for example, lead or rare earth alloys, the diameter d i of which in each section of the heat exchanger is the same and is determined from the condition:
где i - номер секции;where i is the section number;
do - оптимальное значение диаметра гранул при заполнении всех секций корпуса теплообменника гранулами одного размера;d o - the optimal value of the diameter of the granules when filling all sections of the heat exchanger body with granules of the same size;
- среднее значение плотности теплоносителя по длине i-ой секции; - the average value of the density of the coolant along the length of the i-th section;
- среднее значение плотности теплоносителя по длине всего теплообменника. - the average value of the density of the coolant along the length of the entire heat exchanger.
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.The number of sections can be any, but, for technological reasons, it should not be more than 7, since with a large number of separation grids there is a noticeable decrease in the volume of the cavity of the heat exchanger filled with granules and, accordingly, the heat transfer surface F.
Регенеративный теплообменник нижней ступени криогенной газовой машины работает следующим образом.Regenerative heat exchanger of the lower stage of the cryogenic gas machine operates as follows.
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 di 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.Before starting the cryogenic gas machine in the housing 1, a plug 5 with holes 6 is installed on the cold end of the heat exchanger. Then, the cavity of the first section 3 is filled with monodisperse spherical granules of diameter d, the deviation of which from the average value of d i does not exceed ± 2%. Monodispersity ensures the uniformity of all parameters of granules 9 (size, chemical composition, structure, etc.) and allows optimizing the characteristics of regenerative heat exchangers with high accuracy.
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-ой 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).Then into the housing 1 at a distance a partition 4 is installed from its cold end, which separates the first section from the cold end of the heat exchanger from the next. Similarly, the second, third and n-th sections are filled, separated from each other by partitions 4, which prevent mixing of the granules 9 along the length of the housing 1. The diameter d i of monodisperse granules 9 made of any cold storage material located inside each section 3 is chosen the same, but in the direction from the cold end of the heat exchanger to the warm one, its value in different sections increases stepwise and is selected from condition (1).
Таким образом, для значений диаметра гранул в секциях выполняются условия d1<d2<…<dn, a d1<d0<dn.Thus, for the values of the diameter of the granules in the sections the conditions d 1 <d 2 <... <d n , ad 1 <d 0 <d n are satisfied.
В случае заполнения секций теплообменника гранулами 9 с диаметром di,, в секциях 3, где выполняется условие di<do (вблизи холодного торца) происходит увеличение поверхности теплообмена по сравнению со случаем заполнения гранулами 9 одинакового диаметра do, а в секциях, где di>do (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 do.In the case of filling sections of the heat exchanger with granules 9 with a diameter of d i ,, in sections 3, where the condition d i <d o is fulfilled (near the cold end), the heat exchange surface increases in comparison with the case of filling with granules 9 of the same diameter d o , and in sections, where d i > d o (near the warm end) is the decrease. When determining the values of d i for the operating conditions of a cryogenic gas machine with a working temperature of T≤10K, an increase in the heat transfer surface in sections near the cold end prevails over its decrease in sections near the warm end. As a result of this, the total heat transfer surface during stepwise filling of sections 3 with granules 9 with a diameter d i becomes larger than when they are filled with spherical monodisperse granules 9 of the same diameter d o .
После заполнения всех секций 3 корпуса 1 в нем устанавливают заглушку 7 теплого торца теплообменника.After filling all sections 3 of the housing 1, a plug 7 of the warm end of the heat exchanger is installed in it.
При таком заполнении монодисперсными гранулами 9 секций 3 корпуса 1 теплообменника перепады давления ΔPi 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 do будет равен:With this filling with monodisperse granules, 9 sections 3 of the housing 1 of the heat exchanger, the pressure drops ΔPi in all sections 3 from the first to the last are chosen equal. Since the hydraulic resistance of the heat exchanger is determined by the Darcy formula (see S. S. Kutateladze, V. M. Borishansky. Heat transfer reference book. M .: Gosenergoizdat, 1959.), the pressure drop ΔР 0 on the entire heat exchanger housing 1, filled monodisperse granules 9 of cold storage material of the same size with an optimal diameter d o will be equal to:
где ξ - коэффициент гидравлического сопротивления сферических гранул;where ξ is the coefficient of hydraulic resistance of spherical granules;
- средняя массовая скорость потока; - average mass flow rate;
- среднее значение плотности теплоносителя на участке £; - the average density of the coolant in the area £;
d0 - оптимальное значение диаметра гранул в случае заполнения всех секций 3 корпуса 1 теплообменника одинаковыми по размеру гранулами 9.d 0 - the optimal value of the diameter of the granules in the case of filling all sections 3 of the casing 1 of the heat exchanger with the same size granules 9.
Значение d0 определяется опытным путем и соответствует минимальному значению температуры холодного конца теплообменника.The value of d 0 is determined empirically and corresponds to the minimum temperature value of the cold end of the heat exchanger.
Перепад давления на любой из секций 3 теплообменника, заполненной гранулами 9 диаметром d=di будет равен:The pressure drop on any of the sections 3 of the heat exchanger filled with granules 9 with a diameter d = d i will be equal to:
Учитывая, что длина секции , a di определяется условием (1), получим:Given the length of the section , ad i is determined by condition (1), we obtain:
С учетом (2) получим:Given (2) we get:
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.Thus, all the pressure drops across the sections 3 of the heat exchanger are equal, and their sum is equal to the pressure drops across the entire heat exchanger if it is filled with the same granules 9 of diameter d 0 . In this case, the surface F of the filled sections 9 with monodisperse granules 9 in the case of a stepwise change in diameter along the length of the heat exchanger will be larger than the surface filled in section 3 of granules 9 of the same diameter d 0 .
Устанавливают регенеративный теплообменник в криогенную газовую машину и заполняют гелием 2, являющимся теплоносителем, и производят ее пуск.Install a regenerative heat exchanger in a cryogenic gas machine and fill it with helium 2, which is a coolant, and start it up.
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.The experiments carried out on a two-stage cryogenic Gifford-McMahon machine showed the efficiency of a lower stage regenerative heat exchanger with a stepwise change in the diameter of monodisperse spherical granules along its length. The experiments were carried out on a heat exchanger with the number of sections n = 3. Lead was used as cold storage material of spherical monodisperse granules of the lower stage.
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 do=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.In the first case, granules with a diameter of d 0 = 190 μm, which is optimal for uniform filling, were placed in each section of the heat exchanger. In the second case, the diameter of the granules 9 with a diameter di in each of the sections 3 changed stepwise. The diameter of the monodisperse granules 9 in the sections was determined by the relation (1) and was equal to d 1 = 100 μm, d 2 = 190 μm and d 3 = 280 μm. The surface of the granules 9, in the second case, is approximately 20% larger than in the first case. Since the hydraulic resistance is the same in both cases, the heat exchanger efficiency coefficient with stepwise filling with granules of its sections, respectively, 20% higher. Experimentally, the dependence of the cold end of the heat exchanger on the heat load was obtained when all sections 3 of its body were filled with granules 9 with a diameter of do = 190 μm (curve a) and with a stepwise change in diameter (curve b). It can be seen that the stepwise filling of the granules 9 of the heat exchanger leads to a decrease in the temperature of its cold end by about 1K.
Таким образом, использование полезной модели позволяет увеличить коэффициент эффективности теплообменника и, сответственно, повысить эффективность работы криогенной газовой машины.Thus, the use of a utility model allows to increase the efficiency coefficient of the heat exchanger and, accordingly, increase the efficiency of the cryogenic gas machine.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009105112/22U RU84510U1 (en) | 2009-02-16 | 2009-02-16 | REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF THE LOWER STAGE OF THE CRYOGENIC GAS MACHINE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009105112/22U RU84510U1 (en) | 2009-02-16 | 2009-02-16 | REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF THE LOWER STAGE OF THE CRYOGENIC GAS MACHINE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU84510U1 true RU84510U1 (en) | 2009-07-10 |
Family
ID=41046333
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009105112/22U RU84510U1 (en) | 2009-02-16 | 2009-02-16 | REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF THE LOWER STAGE OF THE CRYOGENIC GAS MACHINE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU84510U1 (en) |
-
2009
- 2009-02-16 RU RU2009105112/22U patent/RU84510U1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ibrahim et al. | Heat transfer enhancement of phase change materials for thermal energy storage applications: A critical review | |
| Saydam et al. | Design and experimental analysis of a helical coil phase change heat exchanger for thermal energy storage | |
| Punniakodi et al. | A review on container geometry and orientations of phase change materials for solar thermal systems | |
| Cheng et al. | Thermal performance analysis and optimization of a cascaded packed bed cool thermal energy storage unit using multiple phase change materials | |
| Zhang et al. | Improving the energy discharging performance of a latent heat storage (LHS) unit using fractal-tree-shaped fins | |
| Diao et al. | Numerical investigation of the thermal performance enhancement of latent heat thermal energy storage using longitudinal rectangular fins and flat micro-heat pipe arrays | |
| Jegadheeswaran et al. | Performance enhancement in latent heat thermal storage system: a review | |
| Teggar et al. | Performance enhancement of latent heat storage systems by using extended surfaces and porous materials: A state-of-the-art review | |
| AU2013258175B2 (en) | Heat storage tank with improved thermal stratification | |
| Belusko et al. | Effective tube-in-tank PCM thermal storage for CSP applications, Part 1: Impact of tube configuration on discharging effectiveness | |
| Du et al. | Towards improving charge/discharge rate of latent heat thermal energy storage (LHTES) by embedding metal foams in phase change materials (PCMs) | |
| Hosseininaveh et al. | A comprehensive study on the complete charging-discharging cycle of a phase change material using intermediate boiling fluid to control energy flow | |
| Kumar et al. | Experimental and numerical study of latent heat thermal energy storage with high porosity metal matrix under intermittent heat loads | |
| Liu et al. | Experimental research on the performance of ice thermal energy storage device based on micro heat pipe arrays | |
| CN103604254A (en) | Built-in gas-liquid flow distribution structure | |
| RU84510U1 (en) | REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF THE LOWER STAGE OF THE CRYOGENIC GAS MACHINE | |
| AL-Migdady et al. | Combined effects of eccentricity and internal fins on the shell and tube latent heat storage systems | |
| RU2382278C1 (en) | Regenerative heat exchanger of lower stage of cryogenic gas machine | |
| CN113375492A (en) | Vacuum heat-insulation type heat storage/cooling device | |
| Chen et al. | Analysis of a latent heat thermal energy storage unit with metal foam insert in both the HTF and PCM sides | |
| CN102735089A (en) | Heat transfer pipe, and heat and mass transfer equipment having heat transfer pipe | |
| Emaikwu et al. | Development of a cascade elastocaloric regenerator | |
| Rendall et al. | Medium-temperature phase change material integration in domestic heat pump water heaters for improved thermal energy storage | |
| Maaraoui et al. | Heat pump with a condenser including solid-liquid phase change material | |
| Wu et al. | Numerical study of graphite foams saturated with phase change materials in power system thermal management |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD1K | Correction of name of utility model owner | ||
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20180217 |