Регенератор

 

Изобретение относится к криогенной технике. Цель изобретения - интенсификация процесса теплообмена в регенераторе КГМ. Регенератор содержит корпус 1 и теплоемкую насадку 3, расположенную в корпусе 1, причем насадка 3 выполнена в форме втулки из трехслойного материала, свернутого по спирали Архимеда. Первый слой представляет собой ленту из тонкого материала с низким коэффициентом теплопроводности , второй слой 5 - систему полос, выполненных из материала с высокой удельной теплоемкостью и разделенных зазорами в направлении, перпендикулярном оси регенератора, а третий слой - систему проставок, расположенных на полосах второго слоя и разделенных между собой каналами , расположенными в направлении продольной оси регенератора. 3 ип.

СВОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 F 25 В 9/00

ГОСУДАРСТВЕ НН61Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4704519/06 (22) 14.06.89 (46) 30.11;91. Бюл. М 44 (71) Омский политехнический институт (72) Г.А. Гороховский, А,С. Яцковский, В.П.

Хоменко, А.Г, Михайлов и А,Е, Якименко (53) 621.57(088.8) (56) Суслов А,Д, и др. Криогенные газовые машины. M,: Машиностроение, 1982, с. 213. (54) РЕГЕНЕРАТОР (57) Изобретение относится к криогенной технике. Цель изобретения — интенсификация процесса теплообмена в регенераторе

КГМ, Регенератор содержит корпус 1 и теплоемкую насадкуЗ, расположенную в корпу„„5UÄÄ 1695067 А1 се 1, причем насадка 3 выполнена в форме втулки из трехслойного материала, свернутого по спирали Архимеда. Первый слой представляет собой ленту из тонкого материала с низким коэффициентом теплопроводности, второй слой 5 — систему полос, выполненных из материала с высокой удельной теплоемкостью и разделенных зазорами в направлении, перпендикулярном оси регенератора, а третий слой — систему проставок, расположенных на полосах второго слоя и разделенных между собой каналами, расположенными в направлении продольной оси регенератора. 3 ил.

1695067

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к регенераторам криогенных газовых машин (КГМ).

Независимо от принципиальной схемы

КГМ регенератор является функциональной особенностью криоблока, Известны регенераторы КГМ, в которых в качестве теплоемкой насадки используется металлическая сетка.

Недостатком известных регенераторов являются относительно большая величина гидравлического сопротивления движущемуся потоку газа. Когда проволока каждой последующей сетки перекрывает ячейки предыдущей, то поток многократно расслаивается, испытывая местные сжатия и расширения, и турбулизируется. так как проволока (цилиндр) является плохо обтекаемым телом. Выделив элементарную струю, мы бы констатировали ее сложную про.странственную траекторию с многократными ускорениями и торможениями частиц

rasa, сопровождающимися диссипацией энергии потока, Можно мириться с этими потерями, если вся теряемая энергия затрачивается на разрушение пограничного слоя и эквивалентную интенсификацию теплообмена. Однако повышение числа Рейнольдса

Ре является не лучшим способом интенсификации теплоотдачи сетчатых насадок, о чем свидетельствуют опытные данные по теплообмену в сетках. Несмотря на их сильное различие уже при числе Рейнольдса Re

<20 исследование всех авторов свидетельствует о том, что число Нуссельта Nu < 4, С дальнейшим уменьшением числа Re число быстро уменьшается. Это объясняется тем, что в сетчатых насадках происходит фильтрация газа, образуются зоны с преимущественным течениемм газа и зоны с пониженной интенсивностью теплообмена, Но в этом случае увеличение числа Re должно проводить не только к интенсификации теплообмена, но и к вовлечению в процесс активного теплообмена дополнительных учас1ков поверхности насадки, Тогда показатель степени n в критериальной зависимости Nu = А .Re" должен быть n > 0,8. Таким образом, можно сделать вывод, что сетка с позиции теплообмена являе.ся не самым удачным типом насадки.

Другим недостатком сетчатых насадок является их высокая пористость (c = 0,7 ), т.е. доля "свободного" (газового) обьема. Снижение величины с без изменения обьема и поверхности регенератора может рассматриваться как один из путей повышения его эффективности. Но пористость сетчатых насадок при заданных геометрических параметрах генератора практически не регулируется.

Известны регенераторы нижних ступеней КГМ, работающих при температуре ни5 же 50 К, в которых в качестве теплоемкой насадки используется свинцовая дробь, Насыпные насадки обладают еще большим гидравлическим сопротивлением потоку, что сетчатые. Данные по теплоотдаче на10 сыпных сферических насадок свидетельствуют о том, что эффект "омертвления" поверхности теплообмена выражен у них еще сильнее, чем у сеток, Так величина

Nu < 4 наблюдается при весьма больших

15 числах Рейнольдса Re < 50. И действительно в местах касания друг с другом шарики образуют весьма узкие криволинейные каналы и трудно было бы ожидать, что поверхности теплообмена, прилегающие к

20 точкам касания, омываются со скоростью основного потока. Снижение скорости приводит к утолщению пограничного слоя на этих участках и снижению обьемного коэффициента теплоотдачи. Пористость насып25 ных насадок (я=0,4) меньше, чем у сетчатых, но при этом значительно ниже их теплообмен ная поверхность.

Относительно низкая интенсивность теплообмена в регенераторах с насыпными

30 и сетчатыми насадками наводит на мысль, что регенератор КГМ должен представлять собой систему каналов с гладкими равномерно омываемыми стенками.

Рассмотрим ламинарный двусторонне

35 обогреваемый поток, протекающий по узкой криволинейной щели, причем плотность теплового потока по длине щели не изменяется (q< = const). В этом случае теплообмен газа со стенками не может протекать менее

40 интенсивно, чем теплообмен теплопроводностью. Вводя коэффициент теплоотдачи а имеем цс = — hT =аЛТ,.

0,5 д где д — расстояние между стенками канала;

Л вЂ” коэффициент теплопроводности газа. Из (1) имеем, что а = 2 Л/д . Поэтому

50 число Нуссельта для щели а 2д 2Л 20

N, —— г — — г — — — 4.

55 Данный вывод подтверждают результаты теоретических и экспериментальных исследований теплоотдачи при ламинарном течении газа в узких прямолинейных каналов. Для определения среднего коэффици1695067 ента теплоотдачи рекомендуют приближенное соотношение ю.г

К. =4 - - ж ж—

Prc где P — число Прандтля; ж, с — индексы, относящиеся соответственно к газу и стенке, т.е. для каналов с весьма большим отношением длины канала к величине щелевого зазора; величина Nu® становится постоянной во всем диапазоне числа Re, характеризующих ламинарное течение газа, Следует вывод, что в регенераторе, состоящем из большого числа узких прямолинейных каналов, например кольцевых щелей, интенсивность теплоотдачи в интервале чисел Рейнольдса, характерных для

КГМ (Ке < 200), будет значительно выше, чем в сетчатых или насыпных насадках.

Целью изобретения является интенсификация процесса теплообмена в регенераторе КГМ.

Указанная цель достигается тем, что насадка в форме втулки имеет множество слоев при образовании ее стенки из тонколистового материала типа фольги с располо>кением каждого слоя по спирали

Архимеда и усганавлена в полости корпуса, причем тонколистовой материал имеет низ-. кий к >эффициент теплопроводности, кроме того, на одной стороне поверхности этой фольги напылен через трафарет с щелевыми прорезями слой металла с высокой удельной теплоемкостью и через перфорированный трафарет — второй слой металла,„при этом второй слой расположен таким образом, что об спечивает увели: ение общей высоты напыленных газов и образует взаимно перпендикулярные просветы в этих слоях, на первом слое ширина просвета составляет 1/ 0 част от напыленного слоя, а на втором слое ширина просвета равна ширине напыленного слоя и с симметричным расположением на напыленном первом слое, причем первый напыленный слой имеет поперечное расположение относительно продольной оси регенератора.

На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый регенератор; на фиг. 2 — разрез

А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — участок развертки насадки регенератора.

Регенератор состоит из корпуса 1, сердечника 2, поверхность которого имеет форму спирали Архимеда и насадки 3. Насадка

3 представляет собой фольгу, выполненную трехслойной. Первый спой представляет собой тонкую ленту 4, которая является подрегенератора, а также потерь, вызванных газораспределением в реальной машине:

5

40 ложкой для 2 и 3 слоев. Второй слой па;.qставляет систему полос 5, выполненный из материала с высокой удельной еплоемкостью и р зделенных между собои каналами в направлении, перпендикугярном продольной оси регенератора. Второи слой .-вляется по сути теплоаккумулирующей массой, Третий слой состоит из просадок C. высотой д расположенных на полосках 5, L1 служит собственно для организации системы кольцевых щелей, шириной д . Лента 4 выполнена из материала с низким коэффициентом теплопроводности l1 ее толщина составляет 3 — 5 мкм. Это необходимо для снижения теплопритока по насадке. С этой же целью ме>кду полосами 5 организованы каналы, позволяющие разорвать тепловой мост, состоящий из 2 слоя. При таком конструктивном решении потери от теплопри1ока по насадке в предлагаемом регенератаре «е будет превышать аналогичные потери в прототипее. Таким образом предлагаемый регенератор более эффективен по сравнению с прототипом. Отметим также, что в качестве материала полос 5 мажет служить медь или бронза, если КГМ (или ее ступень) работает в интервале температур 300 — 50 K. При температуре ниже 50 К материалом nor!oc мо жет служить свинец.

Регенератор работает следующим опразом.

Ro время "теплого" дутья газ проходит па щелевым каналам, «иринаг» и отдае г т:-п ло насадке 3, охлаждаясь при этом, Ба вр»мя "холодного" дутья газ. проходя по щелевым каналам нагревается. отбирая у насадки тепло. аккумулированное ею за время "теплого" дутья.

Термодинамический КГ Ц криогенной. газовой машины (КГМ) вычисляется по зависимости

Q„-, — ЬО) — hq, Т„-- T

N,, + (- f riÒ+ где Гк — холадопраизводительность теоретического цикла машины; (,>,. Л 01 — сумма потерь холодопроизвадительности, вызванных несовершенством работы всех узлов машины, кроме

Л О> — потери холодопроизводитель-. ности, сызванные несовершенством работь регенеГзтора;

Чк — мощность привода компрессора;

1695067 (,> Л N) — суммарная мощность, необ:<одимая на преодоление трения и гидравлических сопротивлений в вытеснительном узле без учета регенератора; 5

AN> — мощность, необходимая для компенсации гидравлического сопротивления собственно регенератора;

То и Тх — температуры на теплом и холодном концах регенератора соответственно. 10

Потери в регенераторе Qp определяютСя из следующего выражения:

Лар = AQ н) + Л а н2 + Ла нз + Лар,r + Ларос, (2) где Ла н1; Ла нг; Ла нз; Ла Ро ., Ж)рос — потери от несовершенства теплообмена газа с насадкой, от осевого теплового потока по насадке и стенкам корпуса: от регенеративного теплообмена газа со стенкой, от гидравлического сопротивления насадки, от теплопритоков из окружающей среды к регенератору.

Замена системы криволинейных каналов системой прямолинейных каналов позволит значительно уменьшить слагаемое, оставляя при этом неизменным Ояг(так как гидравлическое сопротивление остается прежним), а также ЛО Н, и ЛОрос, ко- 30 торые вносят очень незначительный (3-57, ) вклад в ЛС . Слагаемое ЛО Н2 в известных регенераторах (с сетчатой или насыпной насадкой) также составляет малую долю в A Qp . Поэтому в предлагаемом регенераторе предусмотрены меры (выполнение 1 слоя фольги в виде тонкой ленты из материала с низким коэффициентом теплопроводности, выполнение 2 слоя фольги в виде к(, полос, разделенных зазорами в направлении, перпендикулярном газовому потоку), позволя,ощие оставить слагаемое ЛОн2 неизменным.

Таким образом, можно констатировать, что замена известной насадки (сетчатой или насыпной) на заявляемую позволит значительно снизить тепловые потери в регенераторе КГМ (другими словами, повысить эффективность регенератора), а так как при этом все остальные виды потерь (включая главным образом, гидравлические подбери в регенераторе) в КГЧ остаются на прежнем уровне и учитывая, что потери от несовершенства теплообмена газа с насадкой могут составлять до 90;4 располагаемой холодопроизводительности машины, можно утверждать, что такая замена позволит значительно повысить термодинамический

КПД КГМ.

Формула изобретения

Регенератор криогенной газовой машины, содерх<ащий корпус и расположенную в нем насадку, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена, насадка выполнена в виде втулки из трехслойного материала, расположенного по спирали Архимеда, при этом первый слой представляет собой ленту, выполненную из материала с низким коэффициентом теплопроводности, второй слой представляет собой систему полос, выполненных из материала с высокой удельной теплоемкостью и разделенных между собой зазорами в направлении, перпендикулярном продольной оси регенератора. а третий слой представляет собой систему проставок, расположенных на полосах второго слоя и разделенных между собой каналами в направлении продольной оси регенератора.

1695067

Щиg 5

Составитель Н.Алексеева

Техред М.Моргентал Корректор А.Осауленко

Редактор Ю.Середа

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ 4151 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4 5