Комбинированный регенеративный теплообменник

Изобретение относится к газовым микрокриогенным машинам, а именно к регенеративным теплообменникам. В комбинированном регенеративном теплообменнике, включающем теплоизоляционный корпус, насадку, находящуюся внутри корпуса, насадка состоит из двух частей: со стороны "теплого" конца регенеративного теплообменника насадка выполнена из плетеной металлической сетки, со стороны "холодного" конца регенеративного теплообменника заполнена свинцовыми наношариками, между частями насадки установлена защитная сетка, предотвращающая проникновение свинцовых наношариков в область плетеной металлической сетки. Технический результат - повышение эффективности газовой микрокриогенной машины в целом. 1 ил.

 

Изобретение относится к газовым микрокриогенным машинам, а именно к регенеративному теплообменнику газовой криогенной машины, работающей по циклу Стирлинга.

Известно применение регенератора для холодильной машины, работающей по циклу Стирлинга, 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 [патент RU №2079066, МПК F25B 9/00, опубл. 10.05.1997].

Недостатком существующего регенератора является сложность конструкции и необходимость поддержания вакуума или защитной среды в условиях постоянного использования.

Наиболее близким является устройство концентрического регенератора для двигателей Стирлинга, состоящего 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 изобретения заключается в создании регенеративного теплообменника с повышенной эффективностью термодинамического цикла в газовых микрокриогенных машинах.

Цель достигается тем, что регенеративный теплообменник, включающий в себя теплоизоляционный корпус, насадку из плетеной металической сетки со стороны "теплого" конца регенеративного теплообменника, имеет в области холодного конца регенеративного теплообменника насадку, заполненную свинцовыми наношариками.

Между частями насадки установлена защитная сетка, предотвращающая проникновение свинцовых наношариков в область плетеной металлической сетки.

В заявленном изобретении используют комбинированный способ заполнения полости регенератора: часть регенеративного теплообменника со стороны "теплого" конца заполняют плетеной металлической сеткой, а со стороны "холодного" конца заполняют свинцовыми наношариками. При таком заполнении регенеративного теплообменника коэффициент теплопередачи насадки больше, чем у прототипа, потери за счет недорекуперации меньше, чем у прототипа, а гидравлические потери меньше, чем у аналога.

Технический результат достигается тем, что часть плетеной металлической сетки заменена свинцовыми наношариками, с более высоким коэффициентом теплопередачи,

где Nuш - число Нуссельта (безразмерная теплоотдача) для свинцовых шариков;

λш - теплопроводность свинцовых шариков, Вт/(м·K); dш - диметр шариков, м.

При повышении коэффициента теплопередачи уменьшается разность температур между насадкой и рабочим газом,

где GНе - расход рабочего газа за один цикл, кг/с; cp - теплоемкость рабочего газа Вт·с/(кг·K); Tmax - максимальная температура в цикле, K; Tmin - минимальная температура в цикле, K; F - площадь поперечного сечения регенератора, м2; k - коэффициент теплопередачи комбинированного регенеративного теплообменника, Вт/(м2·K).

При увеличении разности температур между насадкой и рабочим тазом увеличиваются потери за счет недорекуперации,

Qnom=GHe·cр·ΔT

Однако при этом повышается гидравлическое сопротивление, из-за использования свинцовых шариков,

где ξ - коэффициент гидравлического сопротивления насадки; ϖ - средняя скорость рабочего газа в поперечном сечении регенератора, м/с; H - высота регенератора, м; Sτ - удельная поверхность теплообмена, ρср - плотность рабочего газа, кг/м3; εн - средняя пористость насадки.

Соотношение потерь от недорекуперации с потерями от повышения гидравлического сопротивления показывает таблица, полученная расчетно-экспериментальным способом. Таблица представляет различные способы выполнения регенеративного теплообменника: насадка выполнена полностью из плетеной металлической сетки (прототип), насадка выполнена полностью из свинцовых наношариков (аналог), насадка выполнена комбинированным методом (заявленное изобретение).

Таблица
Характеристики регенеративного теплообменника
Величина Коэффициент теплопередач и, Вт/(м2·K) Разность температур между насадкой и рабочим газом, K Потери за счет недорекуперации, Вт Потери давления в цикле, Па
Вариант выполнения насадки регенеративного теплообменника Металлическая сетка 1,344·103 7,223 15,933 14360
Свинцовые наношарики 12,27·103 0,794 1,75 397 900
Комбинированный 4,942·103 1,968 8,676 103600

В заявляемом изобретении используется комбинированный метод заполнения насадки регенератора: 33 мм занимает плетеная металлическая сетка (ссылка 1 на фигуре), а 10 мм - шарики диаметром 200 мкм из свинца (ссылка 2 на фигуре). Насадка регенератора находится в теплоизоляционном корпусе (ссылка 3 на фигуре). Проникновение свинцовых наношариков между частями насадки (в область плетеной металлической сетки) предотвращает защитная сетка (ссылка 4 на фигуре). Полученная конструкция крепится к крейцкопфу газовой микрокриогенной машины при помощи расширителя (ссылка 5 на фигуре).

Одним из основных параметров в микрокриогенных машинах, используемых для охлаждения фоточувствительных элементов, является время достижения рабочей температуры криостатирования. При комбинированном заполнении регенеративного теплообменника время сокращается в 1,5 раза, в сравнении с вариантом металлической сетки - такой эффект связан с увеличением теплоемкости насадки, что уменьшает недорекуперацию и снижает время достижения заданного температурного уровня.

Наиболее важной характеристикой в микрокриогенных системах является потребляемая мощность в стационарном режиме. По сравнению с традиционным вариантом исполнения регенеративного теплообменника (прототипом), комбинированный метод позволяет снизить потребляемую мощность на 7%, что влияет на общий КПД системы, который увеличивается примерно на 10%.

Полученные данные доказывают целесообразность применения комбинированного регенеративного теплообменника.

Комбинированный регенеративный теплообменник, включающий теплоизоляционный корпус, насадку, находящуюся внутри корпуса, отличающийся тем, что насадка состоит из двух частей: со стороны "теплого" конца регенеративного теплообменника насадка выполнена из плетеной металлической сетки, со стороны "холодного" конца регенеративного теплообменника заполнена свинцовыми наношариками, между частями насадки установлена защитная сетка, предотвращающая проникновение свинцовых наношариков в область плетеной металлической сетки.



 

Похожие патенты:

Устройство для термодистилляционной очистки воды может быть использовано для опреснения морской воды, очистки промышленных стоков с высоким содержанием солей жесткости, выпарки растворов до получения сухого остатка.

Изобретение относится к теплотехнике и может применяться в теплообменниках отжигательной печи для теплообмена между двумя текучими средами. Теплообменник содержит трубчатый профиль с расположенными на наружной поверхности теплообменными ребрами, снабженный, по меньшей мере, на одном торце соединительным фланцем с, по меньшей мере, одним проточным отверстием для одной из обеих текучих сред, в частности для горячего газа.

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к способу работы регенеративного теплообменника, содержащего установленный с возможностью вращения ротор, через который протекают по меньшей мере один первый нагреваемый газовый объемный поток и по меньшей мере один второй охлаждаемый газовый объемный поток.

Изобретение относится к регенеративному теплообменнику для теплообмена газообразных сред с, по существу, цилиндрическим теплоаккумулятором. .

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в теплообменниках. .

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в теплообменниках. .

Изобретение относится к теплообменной технике, в частности к теплообменным аппаратам, работающим по принципу невращающегося регенеративного теплообменника, и может быть использовано для нагрева или охлаждения газов и при их поочередном и однонаправленном движении, а также в качестве накопителей тепла или холода и их высвобождении по мере необходимости.

Изобретение относится к устройствам теплообмена и теплопередачи. .

Изобретение относится к спиртовой промышленности, в частности к устройствам для получения пищевого ректификованного спирта. .

Изобретение относится к многофункциональным энергетическим установкам, в которых в качестве рабочего вещества используют сжатый газ или жидкость под высоким давлением.

Изобретение относится к композициям хладагента, которые применяются в качестве теплопередающих композиций, используемых в холодильном оборудовании. .

Изобретение относится к области холодильной техники и может быть использовано в различных криогенных устройствах. .

Изобретение относится к области холодильной техники и может быть использовано в различных криогенных устройствах. .

Изобретение относится к нефтяной промышленности. .

Изобретение относится к области холодильной техники, в устройствах которой в качестве рабочего тела используются газы. .

Изобретение относится к холодильной или морозильной технике и может быть использовано в бытовых холодильниках. .

Изобретение относится к технологии наноматериалов и наноструктур и может применяться для получения тонкопленочных полимерных материалов и покрытий, используемых как в сенсорных, аналитических, диагностических и других устройствах, так и при создании защитных диэлектрических покрытий.

Изобретение относится к газовым микрокриогенным машинам, а именно к регенеративным теплообменникам. В комбинированном регенеративном теплообменнике, включающем теплоизоляционный корпус, насадку, находящуюся внутри корпуса, насадка состоит из двух частей: со стороны теплого конца регенеративного теплообменника насадка выполнена из плетеной металлической сетки, со стороны холодного конца регенеративного теплообменника заполнена свинцовыми наношариками, между частями насадки установлена защитная сетка, предотвращающая проникновение свинцовых наношариков в область плетеной металлической сетки. Технический результат - повышение эффективности газовой микрокриогенной машины в целом. 1 ил.

Наверх